北秦岭丹凤地区含铀伟晶岩地质地球化学特征

张 良，胡菲菲，王江波，赵友东，魏正宇

(1.核工业二○三研究所，陕西西安 710086；2.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，山东济南 250101)

伟晶岩型铀矿床指产于伟晶岩脉中的铀矿床，尽管其平均品位偏低，但由于矿体形态简单、组分简单、易选易采等特点，被认为是世界上重要铀矿床类型之一。北秦岭丹凤地区是我国重要的花岗伟晶岩密集区，也是伟晶岩型铀矿找矿成果最好的地区，目前已发现陈家庄、小花岔、光石沟、纸房沟4处伟晶岩型铀矿床，铀矿(化)点数十个以及异常点数百上千个，找矿潜力大。该区伟晶岩脉沿含榴二长花岗岩体和片麻状花岗岩体内外接触带广泛展布，主要类型有黑云母伟晶岩、二云母伟晶岩和白云母伟晶岩，其中与铀矿化密切相关的为黑云母伟晶岩(冯明月，1994；卢欣祥等，2010；冯张生等，2013；朱焕巧等，2015；王江波等，2020)。近年来，该区伟晶岩型铀矿的研究较多，但多针对含铀伟晶岩本身开展同位素测年、扫描电镜及电子探针微区分析等研究，查明了含铀伟晶岩及含榴二长花岗岩成岩年龄及副矿物特征，并建立了成矿模式；对含铀伟晶岩、含榴二长花岗岩、片麻状花岗岩三者之间的成因联系研究少，对三者是否为同源岩浆演化的产物还没有统一的认识(沙亚洲，2011；陈佑纬等，2013；刘静，2015；孟雷，2016；葛瑶，2017；袁峰等，2017；曲凯等，2019；王江波等，2020)。本文以丹凤地区含铀黑云母伟晶岩为研究对象，在研究其地质地球化学特征的基础上，分析其与片麻状花岗岩及含榴二长花岗岩之间的成因关系，以期为该区进一步铀矿找矿工作提供借鉴。

1 区域地质背景

秦岭造山带是华北板块与扬子板块长期汇聚形成的复合型造山带，自元古代以来经历了新元古代(979～711 Ma)、古生代(507～400 Ma)、早中生代(250～185 Ma)、晚中生代(158～100 Ma)四个期次的构造及岩浆活动(张国伟等，2001；张本仁等，2002；王晓霞等，2015；李承东等，2018；黄倩雯等，2020)，形成了以洛南-栾川断裂、商丹缝合带和勉略缝合带为界，将秦岭造山带划分为华北克拉通南缘、北秦岭造山带、南秦岭造山带和扬子克拉通北缘的构造格局。

研究区位于北秦岭造山带东段，夹持于蔡川断裂和分水岭断裂之间(图1)，出露地层为古元古界秦岭岩群，为一套低角闪岩相-高角闪岩相的中深变质地层组合体(张宗清等，1994)；南部主要出露秦岭岩群郭庄岩组(Pt1g)，主要由条带状黑云斜长片麻岩、含石榴子石黑云斜长片麻岩、石榴矽线黑云片麻岩等组成；北部出露秦岭岩群雁岭沟岩组(Pt1y)，主要是一套含石墨、方柱石、透辉石的大理岩。侵入岩分布范围广，主要为古生代构造岩浆活动期(507～400 Ma)侵入的花岗岩(张成立等，2004；Wang et al.，2013；张成立等，2013)，多呈岩基、岩株以及岩脉群产出，成群成带分布，约占工作区面积的三分之一。

图1 北秦岭丹凤地区构造及侵入岩分布略图①Fig.1 Sketch map showing geology and intrusive rocks in the Danfeng area of north Qinling Mountains①1-早古生界丹凤岩群；2-古元古界秦岭岩群雁岭沟岩组；3-古元古界秦岭岩群郭庄岩组；4-含石榴子石二长花岗岩；5-片麻状花岗岩；6-基性、超基性岩；7-断裂；8-花岗岩型铀矿床；9-伟晶岩型铀矿床1-Danfeng Group,Lower Paleozoic;2-Yanlinggou Formation,Qinling Group,Paleo-Proterozoic;3-Guozhuang Formation,Qinling Group,Pale-Proterozoic;4-garnet monzogranite;5-geissic granite;6-basite and utrabasic rock;7-fault;8-granite-type uranium deposit;9-pegmatite-type uranium deposit

2 地质特征

研究区受新元古代和早古生代秦岭造山带板块俯冲碰撞的影响，形成了以北西西向构造为主的构造格架，区内出露的侵入岩主要为北西西向产出的加里东期含石榴子石二长花岗岩、片麻状花岗岩以及成群出现的花岗伟晶岩脉(图1)。

2.1 岩体特征

片麻状花岗岩有灰池子、枣园、商南岩体等，暗色矿物含量较多，普遍发育片麻状构造，主要组成矿物为斜长石、石英，其次为钾长石、黑云母和少量角闪石，副矿物为褐帘石、锆石、榍石和磁铁矿等(表1)，主要岩石类型为片麻状黑云二长花岗岩(图2a)。

含石榴子石二长花岗岩有骡子坪、黄柏岔、桃坪岩体等，暗色矿物含量少，岩石呈块状构造，主要组成矿物为斜长石、钾长石、石英和少量黑云母，副矿物为磁铁矿、榍石、独居石、磷灰石、晶质铀矿、石榴子石等(表1)，主要岩石类型为含石榴子石二长花岗岩(图2b)。

2.2 伟晶岩脉特征

伟晶岩脉沿北西西向花岗岩体内外接触带展布，与花岗岩带展布方向一致。岩脉呈浅肉红色、灰白色，规模不等，多数顺片麻理侵入，少数截切片麻理。空间分布上表现出明显的分带性特征，即黑云母伟晶岩脉产于岩体内部及岩体附近，二云母伟晶岩脉产于距岩体稍远地区，白云母伟晶岩脉产于远离岩体的地区。其中与铀矿化密切相关的为产于岩体内外接触带的黑云母伟晶岩脉(图2c)，内带伟晶岩脉多产于含石榴子石二长花岗岩与古元古界的内接触带，伟晶岩脉主要分布在含石榴子石二长花岗岩体边缘，与含石榴子石二长花岗岩呈渐变过渡接触(图2d)，脉体产出规模较小、不稳定、呈不规则状；外带伟晶岩脉产于花岗岩体与古元古界地层外接触带，含石榴子石二长花岗岩和片麻状花岗岩外带均有伟晶岩脉产出，脉体产于古元古界黑云斜长片麻岩中，延伸稳定，规模大。

图2 黑云母伟晶岩、含榴二长花岗岩及片麻状花岗岩地质特征Fig.2 Geological characteristics of biotite pegmatite,garnet monzogranite and gneissic granitea-灰池子岩体片麻状花岗岩；b-骡子坪岩体含石榴子石二长花岗岩；c-黑云母花岗伟晶岩；d-伟晶岩与含石榴子石二长花岗岩渐变过度 接触(虚线为渐变接触界线，左侧为花岗岩，右侧为伟晶岩)a-gneissic granite of Huichizi rock mass;b-garnet monzogranite of Luoziping rock mass;c-biotite pegmatite;d-gradual contact limit(dashed line) between garnet monzogranite and biotite pegmatite,garnet monzogranite on the left,biotite pegmatite on the right

2.3 含铀黑云母伟晶岩特征

含铀黑云母伟晶岩呈浅肉红-灰白色，具块状构造，矿物分布极不均匀，主要由微斜长石、石英、黑云母组成；常见的副矿物有石榴子石、晶质铀矿、独居石、锆石等(表1)。其中黑云母多呈鳞片状，形成团块分布，含量1%～20%不等，黑云母聚集的部位铀含量明显偏高。

一般来说，来自同源岩浆演化的地质体，在物质成分上应该是有相似之处。从丹凤地区花岗岩、含铀黑云母伟晶岩的主要副矿物对比表(表1)中可以看出：含石榴子石二长花岗岩常见的副矿物有石榴子石、晶质铀矿、磷灰石、独居石、磁铁矿等，有伟晶岩中常见的石榴子石、独居石、晶质铀矿，同样少见褐帘石；片麻状花岗岩中常见的副矿物有磁铁矿、褐帘石、榍石、磷灰石等，且少见伟晶岩中常见的石榴子石、独居石、晶质铀矿，可见伟晶岩中少见的褐帘石，对比而言含石榴子石二长花岗岩的副矿物组合与伟晶岩较为相似。

表1 丹凤地区花岗岩、伟晶岩主要副矿物对比表(×10-6)②

3 含铀伟晶岩地球化学特征

本次取样9件，其中含石榴子石二长花岗岩(以下简称含榴二长花岗岩)样3件，取自骡子坪岩体；含铀黑云母伟晶岩(以下简称含铀伟晶岩)样6件，取自骡子坪岩体北侧外接触带的铀矿化黑云母花岗伟晶岩脉；收集片麻状花岗岩(灰池子岩体)数据3组(李伍平等，2001)。样品的分析测试由具有甲级资质的核工业二○三研究所分析测试中心完成，主量元素测试采用X射线荧光光谱法，仪器为荷兰帕纳科制造AxiosX射线荧光光谱仪；微量和稀土元素测试采用等离子体质谱法，仪器为Thermo Flsher制造XSERIES2型等离子体质谱分析仪，分析结果见表2。

表2 丹凤地区含铀伟晶岩、含榴二长花岗岩、片麻状花岗岩主、微量及稀土元素分析结果表

续表2

3.1 主量元素特征

含铀伟晶岩SiO2含量为64.91%～73.90%，平均69.32%。Na2O+K2O=8.30%～11.87%，平均9.98%；Na2O含量2.35%～4.22%，平均3.66%；K2O含量4.08%～8.02%，平均6.32%；平均K2O/Na2O=1.80，显示出明显的高K、低Na特征。碱度率AR=2.04～3.18，属钙碱性系列；A/CNK=1.00～1.26，属过铝质岩石；具有富Al、高K、低Na的特征。

3.2 微量元素特征

从含铀伟晶岩微量元素蛛网图(图3a)可以看出，岩石强烈富集强不相容元素Rb、Th以及中等不相容元素Sm，强烈亏损弱不相容元素Ti、中等不相容元素P以及强不相容元素K、Ba；整体表现出随着元素不相容性不断增强，元素含量逐步富集的特征。大离子亲石元素Rb、Ba、K地球化学性质相仿，在岩浆演化过程中Rb、Ba容易进入含K矿物中，但是Rb更易在残余岩浆中富集，从而表现出随着岩浆不断演化，K、Ba在残余岩浆中不断贫化，Rb不断富集的特征。Th/U=0.58～6.59，除TC201-4号样Th/U<1以外，其他所有样品Th/U>3，可能是地表含铀伟晶岩中晶质铀矿发生过强烈氧化后被淋滤引起。

3.3 稀土元素特征

含铀伟晶岩稀土总量∑REE=137.1×10-6～444.2×10-6，平均282.4×10-6，含量中等；LREE/HREE=5.31～9.14，(La/Yb)N=10.79～87.35，在球粒陨石标准化稀土元素配分图(图3b)上，稀土配分曲线呈明显的右倾轻稀土富集型；(La/Sm)N=1.41～1.83，(Gd/Lu)N=6.04～46.84，表明轻稀土无明显分馏，重稀土发生明显分馏作用；δEu=0.03～0.12，强烈负Eu异常，说明伟晶岩浆经历了斜长石大量晶出过程，具明显的演化晚期岩浆的特征。

图3 伟晶岩和花岗岩微量元素(a)、稀土元素(b)球粒陨石标准化蛛网图(球粒陨石标准化值分别引自Pearce et al.,1984；Sun and McDonough,1989)Fig.3 Chondrite-normalized spidergrams of trace element(a)and REE(b)in pegmatite and granite(normalized values are respectively from Pearce et al.,1984;Sun and McDonough,1989)

4 讨论

丹凤地区含铀伟晶岩围含榴二长花岗岩体和片麻状花岗岩体广泛分布。前人研究大多认为含铀伟晶岩来源于秦岭岩群地层深熔变质作用形成的花岗闪长岩浆经多期次侵入活动形成的残余岩浆，但是片麻状花岗岩、含榴二长花岗岩、含铀伟晶岩是否为同源岩浆不同演化阶段的产物尚存在不同的认识。以下通过对含铀伟晶岩、含榴二长花岗岩以及片麻状花岗岩地质地球化学特征进行对比分析，探讨含铀伟晶岩与两类花岗岩之间的成因联系。

从三类岩石的主量元素分析结果(表2)对比可以看出：含铀伟晶岩和含榴二长花岗岩碱含量较高,K含量大于Na(原子数)；而片麻状花岗岩碱含量较低，且Na含量大于K(原子数)。单从岩石化学成分来看，含铀伟晶岩和含榴二长花岗岩相似，而与片麻状花岗岩差别较大，含铀伟晶岩和含榴二长花岗岩不像是片麻状花岗岩浆分异演化的产物，含铀伟晶岩与含榴二长花岗岩可能是同源岩浆演化而来。

在微量元素标准化蛛网图(图3a)中，可以看出含铀伟晶岩与含榴二长花岗岩具有一致配分曲线，与片麻状花岗岩存在一定的差别；稀土元素标准化蛛网图(图3b)中，含铀伟晶岩与含榴二长花岗岩存在一致的配分模式，与片麻状花岗岩则明显不同。含榴二长花岗岩与含铀伟晶岩在稀土元素配分模式图中显示出从轻稀土到重稀土(La→Lu)各元素差距逐步减小的特点，这与岩浆演化过程中，由于 Lu→La元素不相容性逐渐增强，稀土元素表现出随着原子数减小而逐步在岩浆演化晚期富集特征相符。在含铀伟晶岩与含榴二长花岗岩元素含量差值散点图(图4)中可以明显看出，随着元素不相容性增强，元素逐渐向含铀伟晶岩富集特征，含铀伟晶岩可能是含榴二长花岗岩浆分异演化的产物。

图4 伟晶岩与含榴花岗岩元素含量差值球粒陨石标准化散点图(球粒陨石标准化值引自Sun and McDonough,1989)Fig.4 Chondrite-normalized scatter diagram of difference content values for trace elements of pegmatite and granite- granite(normalized values from Sun and McDonough,1989)

高场强元素中Zr、Hf的原子结构相同，地球化学性质相近，自然界中密切共生，形成完全的类质同象；Rb/Ti比值不受矿物类型和结晶次序的影响，同源岩浆成因的矿物中Rb/Ti比值是恒定的，只与岩浆的初始Rb、Ti含量有关。因此同源岩浆演化过程中Rb/Ti、Zr/Hf比值不发生明显变化。含铀伟晶岩Rb/Ti=0.09～0.62、Zr/Hf=21.82～28.89，含榴二长花岗岩Rb/Ti=0.27～0.62、Zr/Hf=18.56～28.54，片麻状花岗岩Rb/Ti=0.01～0.03、Zr/Hf=27.06～42.58；含铀伟晶岩与含榴二长花岗岩Rb/Ti、Zr/Hf比值基本一致，而与片麻状花岗岩相差较大。从图5可以明显看出，含铀伟晶岩与含榴二长花岗岩Rb与Ti，Zr与Hf存在很好的线性相关关系，二者具有同源演化的特征。

图5 伟晶岩和花岗岩Rb与Ti(a)，Zr与Hf(b)散点图Fig.5 Rb-Ti(a)and Zr-Hf(b)scatter diagrams of pegmatite and pegmatite

前人大量研究表明：丹凤地区含铀伟晶岩成岩年龄405～415Ma(郭国林等，2012；赵如意等，2013；刘刚等；2017；张帅等，2019；王江波等，2020)，含榴二长花岗岩成岩年龄为410～415Ma(左文乾等，2010；赵如意等，2014)，片麻状花岗岩成岩年龄430～450Ma(刘丙详，2014；刘刚等；2017；王江波等，2018)。对比三者同位素年龄可以看出：片麻状花岗岩成岩时间明显早于含铀伟晶岩和含榴二长花岗岩，且相差较大；而含榴二长花岗岩与含铀伟晶岩成岩时间相近且略早于后者，与岩浆演化先后顺序相吻合。

以上地质地球化学特征可以看出，丹凤地区含铀伟晶岩(及含榴二长花岗岩)与片麻状花岗岩副矿物组成、地球化学特征差别明显，无明显的同源演化特征，认为含铀伟晶岩与含榴二长花岗岩不是片麻状花岗岩浆分异演化的产物。含铀伟晶岩与含榴二长花岗岩副矿物组成及元素地球化学特征相似，且表现出明显的同源演化特征，二者形成时间吻合，因此认为含铀伟晶岩是含榴二长花岗岩残余岩浆的产物，含榴二长花岗岩内外接触带是伟晶岩型铀矿找矿有利区。

5 结论

(1)含铀黑云母伟晶岩SiO2=64.91%～73.90%、平均K2O/Na2O=1.80、AR=2.04～3.18、A/CNK=1.00～1.26，有富Al、高K、低Na的特征。平均∑REE=282.4×10-6、LREE/HREE=5.31～9.14、(La/Yb)N=10.79～87.35，稀土总量中等且富集轻稀土，强烈负Eu异常；富集元素Rb、Th、Sm，亏损Ti、P、K、Ba，表现出随着元素不相容性不断增强，元素含量逐步富集的特征。

(2)含铀黑云母伟晶岩(及含石榴子石二长花岗岩)与片麻状花岗岩副矿物组成及地球化学特征差别明显，无明显同源演化的特征，认为含铀黑云母伟晶岩(及含石榴子石二长花岗岩)不是片麻状花岗岩浆分异演化的产物。

(3)含铀黑云母伟晶岩与含石榴子石二长花岗岩副矿物组成及地球化学特征相似，具同源岩浆演化的特征，且二者成岩时间相吻合，认为含铀黑云母伟晶岩是含石榴子石二长花岗岩残余岩浆的产物，因此含石榴子石二长花岗岩内外接触带是伟晶岩型铀矿找矿有利区。

[注 释]

①陕西省地质矿产局.1991.1∶20万商南幅地质图及说明书[R].

②核工业西北地质局.1998.中国北西部铀矿地质[M].