豆乍山地区产铀与非产铀岩体黑云母成分及赋存副矿物特征

2021-02-02李杰邹明亮刘子杰张涛章健

铀矿地质 2021年1期

李杰，邹明亮，刘子杰，张涛，章健

（核工业二三〇研究所，湖南长沙 410011）

黑云母作为花岗岩中广泛分布的主要暗色造岩矿物，其化学成分受岩浆冷却时的温度、压力和氧逸度等物理化学条件的控制，矿物中保存有岩浆结晶阶段大量的地球化学信息。由于特殊的层状结构，黑云母中一般赋存有较多的成矿元素和副矿物，在与花岗岩相关的矿床中，黑云母特征对矿化具有较为重要的指示意义［1-2］。对于花岗岩型铀矿而言，黑云母的差异性特征是否能够作为产铀与非产铀岩体铀成矿潜力的判别标志仍需进行进一步探索。前人对香草坪岩体和豆乍山岩体中的黑云母开展了一定程度的研究［3-5］，但基本局限在黑云母的地球化学特征方面，亦尚未对黑云母中包裹的副矿物特征开展针对性研究。

苗儿山矿田作为我国南方重要的花岗岩型铀矿床产铀基地，产出有向阳坪、沙子江、白毛冲等多个大中型花岗岩型铀矿床，且铀矿体绝大部分分布于豆乍山岩体内部和豆乍山岩体与香草坪岩体接触边界。豆乍山和香草坪岩体均为印支期S 型花岗岩［6-8］，空间关系密切，但前者周边发育有大量铀矿床，为产铀岩体，而后者不成矿，为非产铀岩体；在矿物层面上，两种岩体黑云母成分特征亦表现出一定的差异［3］。

为了进一步厘清豆乍山产铀与非产铀岩体黑云母的属性特征，证明该地区黑云母差异性特征的出现并非个例，笔者对华南诸广、贵东地区产铀与非产铀岩体黑云母进行了区域性对比研究。在此基础上，重点开展了豆乍山地区产铀岩体豆乍山中细粒二云母花岗岩和非产铀岩体香草坪中粗粒黑云母花岗岩新鲜样品黑云母中副矿物特征研究，以期查明黑云母与铀成矿的关系，从而建立产铀岩体与非产铀岩体矿物学判别标志，为后期找矿提供参考。

1 地质概况

华南内陆花岗岩广泛分布，以燕山期为主，同时亦大量出露加里东期和印支期花岗岩［9］。加里东期花岗岩主要分布于湘-赣、湘-桂和桂-粤交界地区，多以钙碱性黑云母或二云母花岗岩为主；印支期花岗岩则主要位于桂东南大容山-六万大山一带和湘南、粤北、赣南地区（图1a），前者以含堇青石花岗岩为特征，后者主要为白云母花岗岩［10］。最新研究表明，印支期花岗岩的成矿作用虽然远远不如燕山期花岗岩，但产铀花岗岩却主要形成于印支期，大型热液铀矿床的基底或围岩往往都由该时代的花岗岩（一般多为复式岩体）构成［11-12］。

豆乍山地区位于苗儿山-越城岭花岗岩穹窿构造西翼中段，新资走滑断裂的上盘［7］。区内岩浆活动强烈，出露岩体主要为加里东期粗粒斑状黑云母花岗岩、印支期香草坪中粒黑云母花岗岩、印支晚期豆乍山中细粒二云母花岗岩、燕山早期第三阶段细粒含斑二云母花岗岩和燕山晚期第一阶段细粒白云母花岗岩，其中印支晚期中细粒二云母花岗岩（豆乍山岩体）铀含量较高，为主要产铀花岗岩体。区内构造发育，主要由近SN、NNE、EW和NE 向4 组构造构成本区构造的基本格架，其中以近SN 和NNE 向构造断裂带最为发育，是主要的控矿含矿构造。在平面上向南收敛，向北撒开，自东向西近似等间距的依次分布有F100～F1000等断裂构造带组（图1b），各断裂带组均由一系列次级构造组成，这些次级构造密集发育，成带出现，或平行、或相交、或尖灭侧现。在这些构造的交汇夹持处、构造变异部位以及切割香草坪岩体、豆乍山岩体及其接触带等部位，控制了区内铀矿体、矿化体及异常点带的分布。矿化与围岩蚀变密切相关，构造带内及其上下盘破碎强烈处往往发育范围宽大的热液蚀变带和硅质脉体，其中最有利的围岩蚀变为赤铁矿化、硅化（黑色、红色硅质脉）、钾长石化、黄铁矿化，当以上蚀变有两种或两种以上叠加时，对铀成矿更有利。

图1 华南印支期花岗岩分布简图［12］（a）和豆乍山地区地质简图（b）Fig.1 Distribution sketch of the Indosinian granites in South China （a）and geological sketch of Douzhashan area （b）

2 样品采集与分析

对华南较为具有代表性的地区（苗儿山、诸广、贵东地区）产铀与非产铀岩体黑云母电子探针数据进行了资料搜集，并进行分析处理（统一以氧原子数为12 计算其单位晶胞内阳离子个数，其中Fe2＋和Fe3＋采用林文蔚和彭丽君（1994）［13］的计算方法获得）。产铀岩体主要为诸广岩体、大富足（富城）岩体、棉花坑岩体、长江岩体、下庄岩体、豆乍山岩体，非产铀岩体为九峰岩体、鲁溪岩体、香草坪岩体（图1a）。各岩体黑云母电子探针数据见表1（仅列出平均值）［3，14-19］。同时，对豆乍山地区产铀岩体豆乍山中细粒二云母花岗岩和非产铀岩体香草坪中粗粒黑云母花岗岩进行了基岩露头和钻孔新鲜样品采集（图1b），着重开展岩石中黑云母赋存的副矿物组合特征研究。

表1 华南产铀与非产铀岩体中黑云母代表性电子探针分析成分（仅列出平均值/%）Table 1 Typical electron microprobe analysis parameters of biotite from U deposit bearing and U-deposit barren pluton in South China

表1 （续）

3 黑云母地球化学特征

在黑云母系列矿物中，由于存在着Fe2＋-Mg-Mn、Si-Al、Fe-Ti 及OH-F-Cl 等多元素的广泛类质同像替换，在不同的成岩成矿条件下，可形成不同的黑云母亚种［20］。华南地区花岗岩中的黑云母绝大部分属于Mg-Fe 系列，根据其FM 值（6（Fe2＋＋Mn）/（Fe2＋＋Mn＋Mg））可以连续划分为金云母-镁质黑云母-铁质黑云母-铁叶云母-羟铁云母序列［21-23］。各类云母均有自己的成矿专属性。随着岩浆的分离结晶，在花岗岩的演化过程中黑云母的含铁系数表现出呈现逐渐升高的趋势，而氧逸度和温度则相对系统下降。随着氧逸度和温度的变化，矿物共生组合和矿物的成分会发生系统的变化，其中黑云母的顺序相应地从镁质黑云母、铁质黑云母、铁叶云母到铁黑云母依次变化；副矿物铁钛矿物组合由磁铁矿顺序过渡到钛铁矿、金红石，直至铁钛矿物几乎完全消失；钾长石则由正长石过渡到微斜长石［1］。黑云母亚种的成分变化不仅记录了岩浆起源和演化等成岩信息，而且可作为成矿岩体重要的判别标志［20］。

图2 黑云母离子替换图解（底图据陈佑纬等，2013［25］）Fig.2 The diagram of biotite ion replacement

以黑云母组成元素间的离子置换特征为基础，云母二八面体和三八面体均具有自身的理想分布趋势［24-25］，如图2 所示，产铀岩体与非产铀岩体黑云母均属于三八面体云母，其中产铀岩体明显分布于三八面体理想趋势线两侧，有一定的偏离，暗示该黑云母组成元素间相比非产铀岩体存在着范围稍大的部分离子交换。

产铀花岗岩中黑云母相对于非产铀花岗岩中黑云母具有较高的含铁系数和较低的含镁系数，前者分别为0.586～0.836（铁叶云母含铁系数为0.611～0.953）和0.126～0.358（铁叶云母含镁系数＜0.380），属于典型的铁叶云母；后者分别为0.495～0.598 和0.367～0.464，与铁质云母特征基本吻合［26］。Foster（1960）［27］对三八面体云母开展了大量研究工作，并提出了黑云母分类经验图解（Fe2＋＋Mn）-（ⅥAl＋Fe3＋＋Ti）-Mg，从图3a 可以看到，产铀与非产铀岩体差异主要表现在Mg 值上，0.3 以上为非产铀岩体，0.3 以下则为产铀岩体。产铀花岗岩中黑云母主体为铁叶云母，少部分位于铁叶云母与铁质黑云母、铁白云母边界；非产铀花岗岩中黑云母则主要位于铁质黑云母（偏上，靠近镁质黑云母）区域，且镁的含量明显高于产铀岩体。

在黑云母FeO*-Al2O3-MgO 判别图［28］中（图3b），产铀岩体均落在过铝质岩套区（S 型花岗岩），而非产铀花岗岩大部分位于造山带钙碱性岩系区域（I 型花岗岩），少量落入过铝质岩系（靠近造山带），但与产铀岩体有明显的界限，主要表现在产铀岩体具有相对较高的铝和铁含量，富铝特征明显。

在图4a 中，产铀岩体中黑云母的镁、铁组分的变化特征与华南改造型花岗岩相一致，全部落在改造型花岗岩相区，非产铀岩体则以华南同熔型花岗岩相区为主，少量位于两者边界上（靠同熔型一侧）；另外，同熔型花岗岩中黑云母具较低的含铁系数，改造型花岗岩中黑云母含铁系数则较高，亦侧面佐证了两者黑云母之间镁铁含量存在明显差异的原因［29］。从图4b 中可知，产铀岩体与非产铀岩体源区性质存在明显的差异，产铀岩体母岩的岩浆物质基本来源于地壳，而非产铀岩体母岩的岩浆物质则处于壳源到壳幔混源过渡区。

图3 黑云母分类图解（底图据Froster，1960［27］）（a）和黑云母FeO*-Al2O3-MgO 相关图（底图据Abdel-Rahman，1994［28］）（b）Fig.3 Classification diagram for biotite （a）and FeO*-Al2O3-MgO diagram for biotite （b）

图4 岩石类型（底图据赵连泽等，1983［29］）（a）和岩浆源区（底图据张玉学，1982［30］）（b）判别图解Fig.4 Discrimination diagram for rock type（a）and magmatic source（b）

从黑云母的Fe3＋-Fe2＋-Mg2＋图解中可以看出（图5a），产铀与非产铀岩体黑云母样品点均落在NNO 与HM 两条缓冲对之间，其中产铀岩体黑云母样品点大部分位于NNO 缓冲对附近，非产铀岩体黑云母样品点更靠近HM 缓冲对，表明产铀岩体相对于非产铀花岗岩更具有还原性，黑云母形成于氧逸度相对较低的还原环境［31］。结合黑云母在Fe3＋-Fe2＋-Mg2＋图解中的相对位置和稳定度［100×Fe/（Fe＋Mg）］投影到黑云母的稳定度图解T-Log fO2中（图5b），对产铀与非产铀岩体黑云母结晶的温度和氧逸度值进行了估算，结果表明，产铀岩体的Log fO2值为－17.0～－14.5，成岩温度为690～750 ℃；非产铀岩体的Log fO2值为－14.5～－13.0，成岩温度为760～800 ℃，表明产铀岩体相对于非产铀岩体具有低温和低氧逸度的特征。

4 黑云母中副矿物特征

图5 黑云母Fe3＋-Fe2＋-Mg2＋图解（a）和T-Log fO2 图解（b）（底图据Wones 等，1965［32］）Fig.5 The Fe3＋-Fe2＋-Mg2＋diagram（a）and T-Log fO2 diagram（b）for biotite

经背散射电子图像观察，样品中副矿物主要为磷灰石、钛铁矿、金红石、绿泥石、褐帘石、（含铪）锆石、独居石、萤石（图6）。同时，在豆乍山岩体新鲜花岗岩样品中，还发现了相当一部分的放射性含铀矿物，其中含铀矿物主要赋存于黑云母中或黑云母与白云母接触部位，但粒度相对较小，如晶质铀矿、方钍石等，粒度一般不超过50 μm；还可见少量的磷钇矿。大部分副矿物分布于黑云母内部或其周围，本文主要对赋存于黑云母中的含铀副矿物（锆石、独居石、方钍石、晶质铀矿）特征进行简单叙述。

4.1 产铀豆乍山岩体

1）锆石

锆石是苗儿山地区花岗岩中常见的副矿物，多呈自形-半自形产出，常包裹于黑云母、石英当中，部分锆石与独居石、磷灰石共生。锆石除了含Si 和Zr 之外，部分样品还含有少量Hf、U，不含Th。

图6 豆乍山岩体黑云母中副矿物组合特征Fig.6 Micro photos of accessory mineral combination for biotite in Douzhashan pluton

豆乍山岩体中锆石主要位于白云母及其与黑云母接触部位（图6a）和黑云母中（图6b），与独居石共生（图6c），部分与磷钇矿伴生（图6d），其中图6b 中锆石周边金红石发育。

2）独居石

独居石是常见的含铀副矿物，其主要赋存于黑云母当中，呈次圆状粒状-自形状柱状产出，显示出独居石晶型较好。独居石常与锆石共生，从背散射图像上可以看出，锆石、独居石中亮度明显不同，独居石Th 含量高，背散射图像上显示出亮色图像的特征。

豆乍山岩体中独居石主要位于黑云母、白云母及其与石英接触部位（图6a、e），与锆石、方钍石共生（图6c、f），部分与磷钇矿伴生（图6a）。另外，在部分独居石的晶体中还分布着方钍石晶体（图6c）。

3）方钍石

方钍石主要位于豆乍山花岗岩中，其主要赋存于黑云母（图6b）当中，呈不规则状产出，在方钍石边部有锆石与其共生，还可见少量方钍石赋存于独居石中（图6c）。

4）晶质铀矿

晶质铀矿主要位于豆乍山花岗岩中，多赋存于黑云母和白云母中。图6g 中晶质铀矿位于白云母与黑云母的粒间，白云母推测为黑云母蚀变而来。图6h 中晶质铀矿赋存于黑云母中，晶质铀矿边部黑云母出现了明显的放射性晕圈。

4.2 非产铀香草坪岩体

香草坪岩体中黑云母包裹的含铀副矿物主要为锆石和独居石。

1）锆石

香草坪岩体中锆石主要赋存于黑云母中（图7a、b），以及磷灰石、白云母与黑云母的接触部位（图7c）及裂隙中，与独居石、磷灰石相伴生（图7d、e、f、g）。

2）独居石

香草坪岩体中独居石主要赋存于黑云母中（图7h、e），以及磷灰石、白云母与黑云母的接触部位及裂隙中（图7d），与锆石、磷灰石相伴生（图7g、i）。

综上，豆乍山岩体黑云母中包裹的副矿物主要为（含铪）锆石-磷钇矿（少量）-独居石-褐帘石（少量）-钛铁矿-金红石-方钍石-晶质铀矿（图6），香草坪岩体黑云母中包裹的副矿物则主要为（含铪）锆石-磷灰石-褐帘石-独居石-钛铁矿（少量）（图7）。豆乍山岩体黑云母中包裹的副矿物以含方钍石、晶质铀矿为特征与香草坪岩体黑云母相区别，同时具有相对较少的磷灰石，与丁海红（2010）［4］的研究成果基本一致。同时，豆乍山岩体和香草坪岩体黑云母中包裹的副矿物特征与洪大卫（1982）划分的4 个黑云母相带研究成果相一致［1］，亦侧面证明了两者之间成分的差异性，可分别划归铁叶云母和铁质黑云母亚种。

5 讨论

5.1 产铀及非产铀岩体黑云母中副矿物种类差异成因

磷灰石和锆石几乎在所有岩浆岩中都是最常见的稳定的副矿物，而其它副矿物的稳定性和丰度，在岩浆阶段受一些化学的、晶体化学的和物理的参量所制约［33］。花岗岩中副矿物组合往往与岩浆熔体中钙和磷的浓度比关系较为密切。长石从岩浆中晶出后，若Ca/P 值较大，岩浆中残余的Ca 与P 结合形成磷灰石（Ca5（PO4）3F），剩余的Ca 则与稀土元素结合，生成稀土的钙硅酸盐-褐帘石（（CaCe）2（AlFe）3Si3O2（OH））和榍石（CaTiSiO4（O，OH）），Ti 几乎全部结合在榍石和黑云母中，稀土元素则以类质同像混入其它矿物的晶格中；若Ca/P 值较小，磷灰石形成后，过剩的P 便与稀土元素结合，生成独居石（（Ce，La，Dy）PO4）、磷钇矿（（Y，REE）PO4）等稀土元素的磷酸盐。由于缺乏Ca、Ti 不能与之生成榍石，岩浆中的Ti 一部分呈类质同像混入物进入黑云母晶格，一部分则与Fe 形成钛铁矿（FeTiO3），若钛还有剩余，则形成金红石（TiO2）［34］。Cuney 等（1990）对不同花岗岩中的钙含量和副矿物共生组合进行了详细分析，根据Ca 含量，将副矿物组合分为3 组，分别为CaO（≤0.7%）—独居石，CaO（0.7%～1.8%）—褐帘石±独居石，CaO（＞1.8%）—褐帘石±钍石［33］。

图7 香草坪岩体黑云母中副矿物组合特征Fig.7 Micro photos of accessory mineral combination for biotite in Xiangchaoping pluton

豆乍山花岗岩CaO 含量一般为0.32%～0.9%，P2O5含量一般为0.09%～0.17%［6］，香草坪花岗岩CaO 含量一般为0.61%～1.2%，P2O5含量一般为0.13%～0.18%［7］，两者均属于低Ca 过铝质花岗岩，其中香草坪岩体CaO 含量偏高，处于高Ca 向低Ca 过渡区。豆乍山花岗岩相比香草坪岩体Ca/P 值偏小，前者磷酸盐矿物主要以独居石、磷钇矿为主，偶见少量褐帘石，后者则主要为独居石和褐帘石。由于豆乍山岩体Ca 含量偏低，在形成独居石后，P 仍过剩，则与稀土元素结合形成磷钇矿，Ti 则与Fe 形成钛铁矿和金红石。

U 是一种变价元素，化学性质极为活泼，在外生条件下，经过风化作用，从U4＋变成U6＋，以铀酰离子UO22＋的形式进行运移，极易被层状构造矿物——黏土矿物及有机质所吸附，所以泥质岩的铀含量（3.7×10-6）往往比碳酸盐（1.3×10-6）、砂岩（2.0×10-6）的铀含量高。泥质岩这种含铀高的特征，在形成花岗岩浆时被保留下来。因此，由泥质岩转化而来的花岗岩中晶质铀矿含量往往要高些［34］。豆乍山岩体和香草坪岩体岩浆源区分别为富含泥质成分的基底变质沉积岩和富杂砂质岩石［35］，说明豆乍山岩体U 本底值相对偏高，也正好诠释了豆乍山花岗岩中晶质铀矿的出现。

5.2 与铀成矿的关系

黑云母形成时的温度和压力受本身含铁度的制约，一般情况下是含铁度高者其形成温度较低、氧逸度低，含铁度低者则恰好相反。即随着黑云母含铁度的增高，云母形成时的温度、压力和氧逸度呈相对下降趋势［26］。铁叶云母相对铁质黑云母具有较高的铁含量，指示其形成于相对偏还原的环境，与沥青铀矿在还原条件下（U6＋还原成U4＋）沉淀的事实相符合，亦正好诠释了豆乍山岩体黑云母中晶质铀矿的存在。

U 属于高度不相容大离子亲石元素，具有亲O、F 和Cl 元素特性，并多与亲石元素结合，形成氧化物、硅酸盐和磷酸盐等。高温岩浆中U 主要为四价，以F 的络合物形式存在［14］，随着F 的富集，U 的丰度也随之增长［36］。在花岗质熔体结晶演化过程中，挥发分F 主要赋存于磷灰石和黑云母中［37］。黑云母是F的主要载体，因此黑云母中F 含量能大致反映花岗岩中F 总体含量。在富F 熔体中，铀在流体与熔体间的分配系数较低，因此F 含量高的熔体往往U 含量也高［38］。香草坪黑云母中F 质量分数为低于检测限－0.32%，而豆乍山黑云母中F 质量分数为0.22%～0.81%，反映豆乍山岩体中F 质量分数明显高于香草坪岩体［3］。产铀岩体黑云母一般为铁叶云母，非产铀岩体为铁质黑云母，产铀岩体相对非产铀岩体，一般形成于较强还原性和偏酸性的流体场环境。从香草坪岩体到豆乍山岩体，岩浆的结晶温度和氧逸度逐步降低，进一步指示在岩浆结晶阶段，豆乍山岩体具有相对有利的U 富集环境［3，14］。

U4＋的离子半径（1.01×10-10m）与Th4＋（1.06×10-10m）、REE3＋（0.86×10-10m～1.18×10-10m）、Zr4＋（0.82×10-10m）及Ca2＋（1.03×10-10m）的离子半径相近，随着岩浆的分异演化，熔体中U 的不断富集，U4＋首先以类质同像置换方式进入富REE副矿物（独居石、褐帘石、磷钇矿）和锆石、磷灰石等副矿物中，U 相对较分散。对于香草坪岩体而言，豆乍山岩体相对富F、U，丰度相应偏高［3］。在形成含U 富REE副矿物之后，剩余的U与游离氧O2-结合，析出晶质铀矿［14］。香草坪岩体U 质量分数为（3.15～5.26）×10-6，豆乍山岩体U 质量分数为（7.98～23.93）×10-6［3］，表明香草坪岩体铀本底值较低，且铀主要以类质同像形式存在于副矿物中，不利于成矿；而豆乍山岩体铀本底值较高，且一部分铀以晶质铀矿形式存在，而晶质铀矿作为最易被氧化溶液淋滤的铀源［33］，可以为铀的进一步迁移-富集提供物质基础，有利于后期热液成矿。

按照岩浆演化顺序，由非产铀香草坪岩体中的中粗粒黑云母花岗岩（过铝质）到产铀豆乍山岩体中细粒二云母花岗岩（强过铝质）的演化过程，岩石中黑云母形成温度和氧逸度降低，成分亦从铁质黑云母变化为铁叶云母。已有研究表明，不同的黑云母亚种具有不同的成矿专属性，铁叶云母主要与W、Sn、U 矿化关系较为密切［1］，因此铁叶云母有可能可以作为产铀岩体与非产铀岩体的间接判别标志。