甘肃龙首山成矿带东段闪长玢岩锆石U-Pb年龄及其地质意义

2021-02-02陈云杰王刚赵如意杨昆荣骁李涛

铀矿地质 2021年1期

陈云杰，王刚，赵如意，杨昆，荣骁，李涛

（1.核工业二〇三研究所，陕西咸阳 712000；2.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，江西南昌 330013）

龙首山铀成矿带是我国西北地区主要的花岗岩型铀成矿带之一，其东段分布有铀矿床一个（金边寺）和矿（化）点、异常点数十个，铀成矿条件较为优越，成矿潜力较大。区内有关于金边寺铀矿床的铀矿化特征［1］、青山堡岩体的地球化学特征［2］以及区域水文特征［3］等开展过了部分的研究工作，但其总体研究程度偏低。在地质调查过程中，笔者发现龙首山东段出露的闪长玢岩脉与铀成矿关系较为密切，尤其在青山堡铀矿点上表现更为明显，之前对区内的闪长玢岩脉未开展过系统的研究工作。因此，本文以龙首山铀成矿带东段发育的灰绿色闪长玢岩脉为主要研究对象，通过野外地质调查、地球化学、同位素年代学等方面的探讨，以期为成矿带东段下一步铀矿找矿工作提供一些借鉴。

1 区域地质背景

龙首山铀成矿带处于华北板块西南缘的阿拉善地块（图1a），其中研究区位于成矿带的东段（图1b）。区内出露的地层主要为上元古界孩母山群上亚群（Pt12t）、中寒武统香山群（）、中石炭统（C2）、上二叠统窑沟群（P2yg）、下白垩统庙沟群（K1mg）、新近系（N）和第四系（Q）；区内出露的断裂主要为南北向和北西向断裂，其中东大山-金边寺断裂及其次级断裂控制了研究区内的大部分铀矿化的分布；区内出露的岩体为青山堡岩体，出露面积约163 km2，为加里东侵入的复式岩体，岩性主要有灰白色中粗粒花岗闪长岩、肉红色中粗粒（似斑状）花岗岩、肉红色中（细）粒黑云母二长花岗岩和晚期的灰绿色闪长玢岩、浅肉红色花岗斑岩脉等。其中灰绿色闪长玢岩脉走向以东西向为主，脉体宽一般为几十厘米至30 m，延伸一般为数十米至2 km，呈雁列式展布（图1c）。

图1 龙首山成矿带大地构造位置（a）、区域地质（b）和青山堡地区地质图（c）Fig.1 The tectonic location of Longshoushan metallogenic belt （a），geology map of region （b）and of Qinshanbu area （c）

2 岩石学特征

青山堡铀矿点上出露的岩性主要为肉红色中粗粒花岗岩和灰绿色闪长玢岩脉（图2a）。其中灰绿色闪长玢岩呈似斑状结构，块状构造，主要由斜长石（35%～40%）、钾长石（20%～25%）、石英（5%～10%）、角闪石（10%～15%）、黑云母（＜5%）、绿泥石（＜5%）组成。斑晶为斜长石和角闪石，斑晶粒度为2～5 mm。含矿闪长玢岩蚀变强烈（图2b），呈半自形-他形粒状结构，块状构造，主要由斜长石、绿泥石、方解石以及少量帘石、石英和黄铁矿等组成，其中斜长石多呈半自形-他形微粒状、短柱状分布，表面发育较强的高岭石化；绿泥石为后期蚀变矿物，片状分布于岩石中（图2c）；方解石为后期碳酸盐化产物，呈细脉状充填状（图2d）。岩石中还见有少量帘石、石英和黄铁矿等蚀变矿物，其中石英多为后期硅化蚀变矿物，后期重结晶充填形成的；黄铁矿多呈半自形-他形粒状零星分布于岩石中，个别结晶较好，呈正方形。闪长玢岩脉体局部裂隙面上见少量次生铀矿（图2e），断裂及闪长玢岩脉体附近见有碱交代蚀变带（原岩为中粗粒花岗岩），蚀变带中发育有赤铁矿化、钠长石化和碳酸盐化、水云母化等（图2f、g）。

图2 青山堡铀矿点岩石特征图Fig.2 The petrologic characteristics of rock in Qinshanbu uranium ore occurrence

3 分析测试方法

本次研究的相关样品采集于青山堡铀矿点的地表露头（KY-001～KY-009，KY-011）和钻孔岩心（ZK3-1-02），其中测年样品（KY-011）采自于青山堡铀矿点西部，岩性为灰绿色闪长玢岩，取样时选取无蚀变的新鲜岩石。所有样品的主量、微量及稀土元素均在核工业二〇三研究所分析测试中心完成分析测试工作，其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。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 测年是在中国地质科学院矿产资源研究所的国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。

4 锆石U-Pb 年龄

本次研究的闪长玢岩样品中的锆石以短锥和长锥柱状为主，长120～330 μm，宽53～170 μm，长宽比值为1.3～3.1，锆石的双锥较为发育。在CL 图像中样品锆石的震荡环较为宽大和清晰（图3），内部结构较为均一。本次测年的锆石测点共20 个，其中有效点19 个（表1）。锆石测点的Th 含量为（44.4～395.9）×10-6，平均值为191.8×10-6；U 含量为（61.8～290.7）×10-6，平均值为153.2×10-6；Th/U 的值为0.4～1.8，平均值为1.2，具有典型的岩浆锆石特征。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（422.3±3.6）Ma，MSWD＝0.117，95%置信度（图4），表明其侵位时代为早志留世。

图3 闪长玢岩锆石CL 图像特征及测点年龄Fig.3 CL images and ages of diorite porphyrite

图4 闪长玢岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb 年龄谐和图（a）和直方图（b）Fig.4 LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagrams（a）and histograms of weighted average ages（b）of diorite porphyrite

5 地球化学特征

5.1 主量元素特征

本次样品的主量元素分析结果见表2，可以看出灰绿色闪长玢岩的SiO2含量为54.74%～56.57%，其中矿石值为54.74%～55.96%（平均值为55.52%），矿化样值为56.57%，异常样值为55.48%，无矿样值为55.23%～55.86%（平均值为55.56%）；Na2O 含量为2.39%～4.47%，其中矿石值为2.39%～3.55%（平均值为2.91%），矿化样值为2.95%，异常样值为3.50%，无矿样值为2.87%～4.77% （平均值为3.77%）；K2O 含量为1.63%～2.40%，其中矿石1.74%～2.17% （平均值为1.89%），矿化样值为1.89%，异常样值为1.89%，无矿样值为1.63%～2.40% （平均值为2.03%）。Na2O＋K2O 含量为4.13%～6.67%，含量相对较高，K2O/Na2O 值为0.49～0.73；Al2O3的含量为14.34%～15.84%，其中矿石值为14.34%～15.35% （平均值为14.84%），矿化样值为15.18%，异常样值为14.70%，无矿样值为15.13%～15.84%（平均值为15.47%）；CaO 含量较高，为5.40%～7.91%，这与岩石中发育的晚期碳酸盐化有关，其中矿石值为6.26%～7.91%（平均值为6.82%），矿化样值为6.90%，异常样值为6.57%，无矿样值为5.40%～7.15%（平均值6.12%）。碱度率（AR）值为1.43～1.96，在SiO2-K2O 图解上主要落入高钾钙碱性和钙碱性系列中（图5a），在AR-SiO2图解上落入钙碱性系列区域（图5b）；铝饱和指数A/CNK值为0.73～0.82，在A/CNK-A/NK 图上样品落入到准铝质系列区域（图6）。

图5 闪长玢岩SiO2-K2O（a）和AR-SiO2（b）图解Fig.5 Diagrams of SiO2-K2O（a）and AR-SiO2（b）of diorite porphyrite

图6 闪长玢岩A/CNK-A/NK 图解Fig.6 Diagrams of A/CNK-A/NK of diorite porphyrite

在图7 和表2 中可以看出无矿样、异常样、矿化样和矿石的主量元素与U 含量的增加具有一定的变化规律。其中Na2O、FeO 和Al2O3含量与U 含量呈弱的负相关，Fe2O3、CaO 和Th 含量与U 含量呈弱的正相关。

5.2 稀土、微量元素特征

从表3 可以看出灰绿色闪长玢岩的稀土元素总含量（ΣREE）为（284.47～478.89）×10-6，LREE 含量为（270.21～416.56）×10-6，HREE的含量为（14.26～65.73）×10-6，随着铀含量的增加，HREE 的含量亦增加；LREE/HREE值为6.25～19.89，具有轻稀土元素的相对富集、重稀土元素弱亏损的特点。在球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图上呈δEu（0.17～0.30）轻微的负异常右倾配分模式（图8a）。从表4 和图8b 中可以看出各个样品的地球化学特征十分相似，显示富集Th、U、Rb 等大离子亲石元素，而亏损Nb、Ti 等高场强元素的特征。

图7 闪长玢岩主量元素与U 关系图Fig.7 Content relation of major elements to uranium in diorite porphyrite

6 讨论

6.1 构造意义

图8 闪长玢岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图（a）与原始地幔标准化微量元素蛛网图（b）（原始地幔标准化值和球粒陨石标准化据Sun 和Mc Donough，1989）Fig.8 Chondrite-normalized REE patterns（a）and primitive mantle normalized trace elements spider diagram（b）of diorite porphyrite

晚元古代—寒武纪华北板块与柴达木板块间分布的是北祁连洋［4］；奥陶纪时北祁连洋洋壳自南东往北西向华北板块俯冲，在河西走廊及邻区形成了弧后盆地或次级洋盆［5］；到晚奥陶世—志留纪，北祁连洋盆慢慢开始闭合，同时柴达木和华北两大板块与北祁连洋中的岛弧发生挤压碰撞，在南北两侧形成了祁连-龙首造山带；在龙首山芨岭地区发现了485 Ma 左右由地幔物质上涌形成辉绿岩，暗示着此时碰撞作用已经进入晚期阶段［6］，并在走廊及邻区形成了470～420 Ma 左右的一系列后碰撞构造环境下形成的中酸性花岗岩类，如芨岭岩体中的似斑状花岗岩（（458.3±2.3）Ma）、青山堡岩体中的花岗闪长岩（（432.8±4.2）Ma）。本次研究的灰绿色闪长玢岩在微量元素Y-Nb 和（Y＋Nb）-Rb 环境判别图解中（图9a、b），落入后碰撞花岗岩和岛弧花岗岩区内，结合脉体的侵位时间，反映龙首山地区在早志留纪已经进入了碰撞造山的后碰撞构造阶段。综合闪长玢岩脉的分布产出等特征，显示其为碰撞后拉张环境下形成的。区域资料研究表明青山堡岩体的成因为下地壳熔融［2，7-8］，在C/MF-A/MF 图解中本次样品均落入基性岩部分熔融区域（图10），表明灰绿色闪长玢岩脉可能是下地壳基性岩部分熔融有关。

6.2 与铀矿化的关系

6.2.1铀矿化特征

图9 灰绿色闪长玢岩Y-Nb（a）和（Y＋Nb）-Rb（b）构造环境判别图Fig.9 Diagrams of Y-Nb （a）and （Y＋Nb）-Rb （b）of diorite porphyrite

图10 闪长玢岩C/MF-A/MF 图解Fig.10 Diagrams of C/MF-A/MF of diorite porphyrite

区内的闪长玢岩脉体呈雁列式展布，目前已发现铀矿点1 个（青山堡）和异常点2 个，同时在金边寺铀矿床中闪长玢岩与铀成矿有一定关系。本次研究的青山堡铀矿点的铀矿化主要赋存在走向115°、倾角45°～65°的断层上盘的闪长玢岩脉中，脉体长2 km，宽1～20 m。地表矿化主要集中在脉体的东部，共出露6 个工业矿体，矿体长10～30 m，厚0.49～5.65 m，品位为0.051%～0.278%（图11），铀存在形式主要为吸附分散状态存在。同时碎裂面上可见少量的浅黄色次生铀矿物的存在，显示有晚期淋滤叠加富集的特征。深部经过少量钻孔揭露也发现有较好的矿化存在（图12）。铀矿石中发育有赤铁矿化、碳酸盐化和绿泥石化，在断裂下盘围岩的花岗岩中发育有钠长石化、赤铁矿化和绿泥石化等碱性交代蚀变。

6.2.2控矿作用分析

灰绿色闪长玢岩脉与花岗岩的接触面为物理化学突变界面，十分有利于节理的发育和成矿流体的活动，为后期铀成矿提供了良好的地球化学障；区内广泛发育的闪长玢岩脉体，均沿断裂构造带分布，后期构造再次活动中，脉体更容易破碎，从而形成良好的热液运移通道和成矿空间，为后期铀矿化提供了良好的成矿空间。同时区内后期淋滤作用较强，在地表及浅部容易形成淋积型铀矿化，在青山堡铀矿点地表亦见有次生铀矿物分布。

综合龙首山成矿带区域地质特征，东段地层出露较少，岩体出露面积大等特征。前人研究认为龙首山成矿带东段遭受剥蚀强烈，抬升较中段强烈；依据杜乐天的酸碱分离理论［9］，及中段芨岭岩体的铀矿化特征［10］，推测龙首山东段的上部产出的硅化角砾岩型可能铀矿已经大部分被剥蚀，仅在北部和东部见有几处残留的规模较小的硅化角砾岩带，其中见有少量异常，下部可能存在碱交代型铀矿。近年来对区内的金边寺铀矿床的勘查和研究后认为碱交代蚀变带中形成的 “贫矿带” 是矿床形成的必要基础，而后生淋积氧化改造则是形成浅部的淋积型铀矿体的关键，同时指出区内广泛发育的闪长玢岩脉、闪长岩残留体与花岗岩的接触面是成矿有利部位，深部的碱交代热液型铀成矿潜力较大。区域资料研究表明区内碱交代岩型铀矿化、碱交代蚀变体与闪长玢岩脉体空间分布有一定的关系［11-14］。故在龙首山东段地区深部寻找未被淋积的原生碱交代矿体时，闪长玢岩脉体可作为标志之一。

图11 青山堡铀矿点东段地质简图Fig.11 Geology sketch of Qinshanbu uranium occurrence

图12 青山堡铀矿点1 号剖面图Fig.12 Exploration Section 1 of Qinshanbu uranium occurrence

6.2.3成矿背景探讨

在青山堡地区上灰绿色闪长玢岩脉围岩中粗粒花岗岩中发育较强的钠长石化等碱交代蚀变，脉体中不见有碱交代蚀变，仅仅见有晚期的灰白色碳酸盐化，地化特征也显示不发育有碱交代蚀变，且灰绿色闪长玢岩脉穿切蚀变带。同时最新地质调查发现在东部金边寺铀矿床中的地表沿断裂分布的碱交代岩，多处见有被灰绿色闪长玢岩脉所穿切，表明研究区内的碱交代蚀变岩的形成时代要早于灰绿色闪长玢岩脉侵位时代。金边寺铀矿床中的地表发育的碱交代岩的原岩灰白色中粗粒花岗岩的形成年龄为（432.8±4.2）Ma［2］，穿切了蚀变带的灰绿色闪长玢岩脉的形成年龄为（422.3±3.6）Ma，推测出龙首山成矿带东段分布的碱交代岩的形成年龄为433～423 Ma。同时中段芨岭地区研究表明碱交代铀矿化的铀成矿年龄主要为398～381 Ma，推测碱交代岩形成时间为428～400 Ma［15-16］；这与成矿带东段的碱交代岩形成时间基本一致，反映志留纪时龙首山地区发育的碱交代铀成矿作用在东段也是存在的。