甘肃龙首山牛角沟地区中粗粒石英二长花岗岩年代学与元素地球化学特征及其地质意义

2020-09-14陈云杰赵如意

东华理工大学学报(自然科学版) 2020年1期

陈云杰，赵如意，王刚，荣骁，李涛

(1.核工业二〇三研究所，陕西咸阳 712000；2.东华理工大学地球科学学院，江西南昌 330013)

龙首山铀成矿带是我国西北地区重要的铀成矿带之一，其中芨岭铀矿田是龙首山成矿带的重要组成部分。矿田中有铀矿床3个，矿(化)点、异常点数十个，成矿条件得天独厚，铀成矿潜力巨大。区内关于芨岭铀矿田的铀矿化成因(陈云杰等，2012，2014；赵如意等，2015；刘正义等，2018)、蚀变及流体特征(魏正宇等，2014；陈云杰等，2015；苟学明等，2017；赵如意等，2018)以及岩体中部分岩性与铀矿化关系(聂利等，2016；张良等，2017；张甲民等，2017；高宇等，2017；张志强等，2018)等方面的研究较多，但对芨岭花岗岩体的成因机制等研究相对较少。本研究将位于芨岭岩体东南部的牛角沟地段作为研究区，利用LA-ICP-MS测年技术对区内灰白色中粗粒石英二长花岗岩中锆石进行U-Pb年龄测定，并对其形成时代及地质意义进行初步探讨，以期为本区地质及铀矿找矿工作提供一些借鉴和帮助。

1 区域地质特征

龙首山地区位于华北板块西南缘的阿拉善地块南缘，北邻潮水盆地，南接走廊过渡带，各个单元之间均以深大断裂接触；区内岀露地层主要为古元古界龙首山群、中元古界墩子沟群和新元古界韩母山群。寒武系地层在区内零星分布，早古生界缺失，晚古生界有泥盆系和石炭、二叠系地层呈局部断陷盆地分布；区内断裂构造发育，其中北西组最为发育，控制了区内铀矿化及岩体的分布。研究区内的马路沟断裂及其次级断裂(牛角沟断裂)控制了本区的铀矿化分布(图1)；芨岭岩体是一个复式岩体，主要由闪长岩、中粗粒二长(似斑状)花岗岩、中细粒花岗岩等组成；区内碱交代热液蚀变发育，与之有关的碱交代铀矿化亦十分发育。

2 岩石学特征

本研究的灰白色中粗粒石英二长花岗岩主要分布在牛角沟断裂南侧及与马路沟断裂交汇部位，其展布方向与构造带方向基本一致。岩石呈灰白色，在裂隙及节理发育时，沿裂隙发育赤铁矿化，使得岩石局部呈浅肉红色(图2a)。岩石呈中粗粒结构(图2b)，块状构造，主要由斜长石(35%～40%)、钾长石(30%～35%)、石英(10%～15%)、黑云母(5%～10%)和少量磷灰石等组成。其中钾长石和斜长石多呈半自形板柱状，粒径为2～10 mm，且表面见弱的高岭土化和绢云母化(图2c)，斜长石发育聚片双晶，而钾长石多为正长石、条纹长石和少量微斜长石等；岩石中的石英多呈他形粒状分布于长石颗粒之间；黑云母多呈片状分布，且少数黑云母发生了绿泥石化蚀变(图2d)；岩石中还见有少量粒状黄铁矿。

3 锆石U-Pb年龄

3.1 样品采集及分析方法

测年样品采集于芨岭岩体东南部牛角沟地区的钻孔ZKN9-2中，岩性为灰白色中粗粒石英二长花岗岩(取样深度为82.35～85.37 m)，取样时选取无蚀变的新鲜岩芯段。样品锆石挑选、制靶及CL照相是由河北省廊坊拓轩岩矿检测服务有限公司完成，锆石U-Pb测年是在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。

3.2 锆石特征及分析结果

样品中的锆石为柱状和粒状，其长为70～270 μm，长宽比为1.2～2.8。所有锆石的震荡环带较为宽大和清晰，其蚀变浅色斑点极少见，在少量的锆石中可见有椭圆状继承性锆石。

样品中锆石测点的U含量为259.2×10-6～916.3×10-6，Th含量为160.8×10-6～734.9×10-6(表1)，U、Th含量较高，Th/U比值为0.40～0.80，具有典型的岩浆锆石特征(肖庆辉等，2002)。样品的锆石测点在206Pb/238U-207Pb/235U谐和图上分布比较集中，加权平均年龄为(447.0±5.2) Ma，MSWD=0.14，95%置信度(图3，4)。

4 元素地球化学特征

4.1 样品采集及分析方法

用于分析的地化样品采自钻孔及地表露头，样品新鲜均无蚀变。主量、微量及稀土元素分析测试由核工业二○三研究所分析测试中心完成，使用的仪器分别为荷兰帕纳科公司制造的 Axios X射线光谱仪和Thermo Flsher公司制造的Xseries2 型，各项分析精度均能达到国家标准。

4.2 主量元素

本次样品的主量元素分析结果见表2，从表2中可以看出，芨岭花岗岩体中的灰白色中粗粒石英二长花岗岩的SiO2含量为65.55%～68.53%、Al2O3的含量为14.05%～16.27%、CaO含量为2.25%～2.91%、Na2O含量为4.18%～4.90%和K2O含量为2.58%～4.51%。K2O/ Na2O值为0.52～1.00，铝饱和指数A/CNK值为0.88～1.07，在A/CNK-A/NK图上样品落入到准铝-弱过铝质花岗岩区域(图5a)。碱度率(AR)值为2.27～3.25，在AR-SiO2图解上落入碱性花岗岩区(图5b)。在K2O-SiO2图解上主要落入高钾钙碱性系列中(图6a)，在K2O-Na2O图解上主要落入I型花岗岩区域(图6b)。综上所述，芨岭花岗岩体中的灰白色中粗粒石英二长花岗岩属于富铝钾的钙碱性I型花岗岩。

4.3 微量元素

从表3和图7a中可以看出，样品中的Th、U、Zr等大离子亲石元素含量相对较高，其中U为3.25×10-6～23.00×10-6，Th为3.11×10-6～32.02×10-6，属于富铀花岗岩。Nb、Ti等元素表现为负异常(图7a)。

4.4 稀土元素

从表4可以看出，灰白色中粗粒石英二长花岗岩稀土元素总含量(ΣREE)为63.30×10-6～258.03×10-6，LREE值为58.12×10-6～246.35×10-6，HREE的值为5.18×10-6～11.68×10-6，LREE/HREE的值为11.22～21.79，具有轻稀土元素的相对富集、重稀土元素亏损的特点。在球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图上(图7b)呈δEu(0.96～3.26)轻微的正异常右倾配分模式，且轻稀土元素分异较强而重稀土元素不明显。

5 讨论

5.1 岩石类型

从本次样品的地球化学成分特征可以看出，样品中的化学成分具有高Al2O3、Na2O，K2O/ Na2O值大部分小于1；同时具富集轻稀土元素和Th、U等大离子亲石元素，亏损Nb、Ti等元素，显示了I型花岗岩的特征(吴才来等，2004)。在Y-SiO2(图8a)和Ce-SiO2(图8b)图解上样品均落入I型花岗岩区域中。

5.2 构造环境讨论

在495～440 Ma时北祁连洋向华北板块俯冲，形成一套包括蛇绿岩、岛弧岩浆岩及HP/LT变质岩在内的俯冲增生杂岩。北祁连-龙首山地区在中、上奥陶统之间的不整合接触面广泛发育、河西走廊地区在奥陶纪从弧后盆地到志留—泥盆纪前陆盆地的转换、天祝组底部物源供应的变化以及变化前后各层位的锆石年龄，初步确定北祁连-龙首地区在洋盆闭合后的陆-陆初始碰撞时间应为467～450 Ma(熊子良等，2012；赵国斌等，2013)。而宋述光(1997)通过北祁连榴辉岩相变质作用年代学研究，认为古祁连洋的闭合时间为晚奥陶世，并且在晚奥陶世—志留纪(445～420 Ma)时，龙首山地区及邻区已进入陆-陆碰撞构造阶段。本次研究的芨岭花岗岩体灰白色中粗粒石英二长花岗岩的微量元素Y-Nb和Rb-(Y+Nb)环境判别图解中(图9a，b)，样品落入后碰撞花岗岩和火山弧花岗岩区内，其显示为挤压的构造环境。反映芨岭花岗岩体形成于华北板块与北祁连岛弧的碰撞之后，研究区开始转入陆-陆碰撞构造阶段。

5.3 中粗粒石英二长花岗岩与铀矿化的关系

芨岭铀矿区内发育有铀矿床3个，其中2个是产在岩体内的碱交代热液型铀矿床，1个产在岩体的外带，均与芨岭岩体关系密切。碱交代岩型铀矿化主要受断裂、岩性界面和碱交代蚀变体“三位一体”的控制，其中断裂构造控制了碱交代体和铀矿体的分布。岩性界面是本区碱交代岩型铀矿矿体定位的重要要素(陈云杰等，2012；赵如意等，2018)。岩性界面是不同岩性的接触面，通常两侧岩性的差异性使得岩性界面易于在晚期构造活动中形成构造裂隙破碎带，为后期成矿提供很好的赋矿空间；蚀变是热液型矿床的基础和先导，龙首山成矿带碱交代型铀矿化均产于碱交代体之中，蚀变体亦受断裂构造的控制，其中灰白色、肉红色中粗粒(斑状、二长)花岗岩是有利的围岩。

本次研究的灰白色中粗粒石英二长花岗岩与碱交代热液型铀成矿具有一定的关系。在芨岭岩体中其主要沿马路沟断裂及牛角沟断裂分布，受构造影响，岩石较为破碎，为后期铀成矿提供了良好的成矿空间。岩石中成矿前的碱交代热液蚀变十分发育，经碱交代热液蚀变后的岩石“红化”明显，呈红褐色及猪肝色；芨岭铀矿区碱交代热液型铀成矿年龄为444～442 Ma(赵如意等，2015)，其成矿热液起源于花岗质岩浆氧化到晚期，经与围岩交代、反应形成的再平衡混合岩浆水(赵如意等，2018)。灰白色中粗粒石英二长花岗岩的U含量为3.25×10-6～23.00×10-6、Th含量为3.11×10-6～32.02×10-6，属于富铀花岗岩。当富含挥发分的碱质含铀热液流经碎裂的中粗粒石英二长花岗岩时，溶蚀萃取铀补充热液中的铀含量；灰白色中粗粒石英二长花岗岩中的碎裂蚀变体及内部的破碎带为含矿热液运移和卸载成矿提供良好的部位，蚀变体和碎裂带在受后期的断裂影响下，岩石较为破碎和疏松，是碱交代型铀成矿的有利部位。