辽宁翁泉沟铁-硼-铀矿床成矿年代学研究

赵宇霆，李子颖，郭春影

（核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

辽东地区古元古界辽河群底部的里尔峪组明显富集硼元素，形成了多个富硼建造，而产于富硼建造的硼矿床在辽东-吉南地区自西向东呈带状分布，是世界知名的硼矿带，构成了我国重要的硼矿产区。按照成因类型划分，辽东硼矿属于变质热液交代型硼矿床，这是一种特有的产于前寒武变质岩系中的硼酸盐矿床。在辽东地区从大石桥-凤城-宽甸-到吉南集安甚至在北朝鲜都有分布［1-3］。辽东地区也是我国重要的热液型铀矿床产出地之一，这些铀矿床按照与其他矿化的共伴生关系可分为单铀型矿床（连山关铀矿床）、铁-铀型矿床（弓长岭铁-铀矿床）、黄铁矿-铀型（六块地矿床）和铁-硼-铀型矿床（翁泉沟铁-硼-铀矿床）［4-7］。而翁泉沟铁-硼-铀矿床就是属于上述区域上一个综合开发利用的超大型含铀铁硼矿床。前人对于其硼矿化的研究已经相对成熟［1-3，8-14］。对于硼成矿而言，原始含硼岩系沉积于2.2 Ga左右［12］并在（1 924±2.5）Ma发生变质改造，但作为一个产铀矿床，对于铀成矿的年龄目前仅有一篇文献报道，文献中未给出研究方法，单一研究数据不足以代表该矿床铀成矿年代学［7］；并且铀矿化与铁硼矿化的关系上仍存在疑惑，因此，对翁泉沟矿床展开定年对于了解该矿床铀与铁硼矿化关系有着重要意义，同时也可以为胶东-辽宁-吉林造山带内铀成矿作用研究与构造演化提供基础资料。

1 大地构造背景

辽东地区处于华北克拉通北缘东部，属于华北克拉通东部陆块［15-17］（图1）。作为中国最古老的克拉通，其经历了太古宙到新生代的漫长地质演化过程。研究表明，华北克拉通在古元古代前，由原始陆核形成的微陆块在太古宙经历了陆壳增生，并在元古宙之前形成了统一的基底。而在古元古代，华北克拉通发育3条造山带分别为孔兹岩带、华北中部造山带和胶-辽-吉造山带，辽东地区就位于胶-辽-吉造山带中（图2）。

胶-辽-吉造山带西以郯庐断裂为界，向东延伸至日本海，北侧以辽阳-通化断裂为界，与龙岗地块相接，南部以鸭绿江断裂为界，与狼林地块相接［17］。本次研究矿床所在区域属于胶-辽-吉造山带南部的营口-宽甸隆起次级构造带北缘的向斜构造中。向斜构造主体走向为东西向（图2）。

图1 华北克拉通古元古代造山带示意图（据文献［18］修改）Fig.1 Schematic map of Paleoproterozoic orogenic belts in the North China Craton

目前，关于胶-辽-吉造山带在古元古代演化的模式已有较多的讨论，综合前人研究的成果，笔者认为胶-辽-吉造山带在古元古代先受到拉张作用产生裂谷并有限发育成洋盆，然后再经历裂谷消亡，最后经历碰撞造山的过程［20-24］。

早期的裂谷拉张时代限定为2.20～1.93 Ga，在此阶段经历拉张环境并在后期有限发育成洋盆。该阶段可以划分为两期，第一期是裂谷拉张早期，标志是双峰式火山岩和A型花岗岩的形成；第二期是裂谷拉张晚期，标志是发育有限洋盆并接受辽河群沉积。该时代代表性的辽吉花岗岩的形成于2.18～2.10 Ga之间［19，22，25］。

裂谷拉张期结束后，在1.93～1.80 Ga 左右，由于龙岗地块和狼林地块汇聚作用形成的深部动力学机制引起了裂谷消亡，使得区域应力转化为挤压环境，裂谷消亡后该地区经历了强烈挤压环境下的造山运动，并伴随着强烈的区域变质作用（～1.90 Ga），碰撞造山时期形成的变质火山岩时代为1.87 Ga 前后，被认为是裂谷闭合产物［26-27］。笔者在锆石定年的研究中也得出了相对一致的数据（变质年龄限定在1.90 Ga，未发表），即无论是变火山岩还是在2.10 Ga 形成的花岗岩，均经历该期变质作用。另外王惠初等［26］对侵入大石桥组大理岩中的花岗伟晶岩进行了锆石定年（LA-ICP-MS 法）得到其形成年龄为1 860 Ma对应了这一期构造事件。

图2 辽东-吉南地区地质及部分元古宙热液铀矿床位置示意图（据文献［19］修改）Fig.2 Geological sketch of Eastern Liaoning-Southern Jilin and the location of Paleoproterzoic hydrothermal uranium deposits

造山期之后，研究区在1.80～1.70 Ga期间，造山作用逐渐减弱至结束，结束的标志是大量的岩浆沿着张性构造侵位［19，22，26］，区域整体进入到伸展环境中。

2 矿床地质特征

2.1 地层

矿区出露的地层主要为古元古界辽河群，由老到新依次为里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组。地层走向为近东西向，与区域控制单元相一致，其中赋矿围岩主要为位于该套层序的最下部，即里尔峪组变质岩中（图3）。

里尔峪组是一套变质程度较高、层位稳定、以变粒岩为主的变质岩地层。由于岩石中普遍含硼，故往往称之为含硼岩系。区内的硼铁矿产主要产于该岩系的中下部，同时，放射性铀矿和其他如磷矿、稀土矿也产于该建造中下部，即里尔峪组的一、二段中。其含矿岩层可分为4个岩段，即角闪变粒岩与钠长浅粒岩互层段、蛇纹岩与硼镁铁矿互层段、钠长浅粒岩与黑云变粒岩互层夹斜长角闪岩段和斜长角闪岩夹钠长浅粒岩段。该4个岩段总厚较大，达800 m以上。

里尔峪组垂向上呈现一种韵律性变化，如变粒岩和浅粒岩反复交替、不同变粒岩反复交替、变粒岩与硅酸盐岩及碳酸盐岩反复交替等，这套巨厚的变质岩系显示的这种活动及其频繁的韵律交替与沉积岩的复理石建造颇为相似。至少可以肯定，原岩沉积时有着稳定的沉积环境，进而形成这样的韵律性建造［1］。

里尔峪组的岩石类型可分为3大类。

变粒岩类：不等粒花岗变晶结构，薄层状构造，据暗色矿物种类分为黑云变粒岩、黑云电气石变粒岩、电气石变粒岩、角闪透辉变粒岩等，为酸性火山岩经变质而来。

浅粒岩类：以细-中粒花岗变晶结构，长英含量高为特征，层理不发育。据暗色矿物种类分为电气石浅粒岩、磁铁浅粒岩、黑云浅粒岩和含黄铁矿浅粒岩等。

大理岩-蛇纹岩类：可分为大理岩、白云石大理岩和蛇纹岩及蛇纹石化大理岩等，作为主要的含矿母岩。硼铁铀及相关矿产产出均与蛇纹石化大理岩有关。

2.2 构造

区内东西向构造体系是控制全区最基本的构造体系。构造类型主要为褶皱和断裂两类。

2.2.1 褶皱

图3 翁泉沟铁-硼-铀矿床地质图（据文献［28］修改）Fig.3 Geological map of Wengquangou Fe-B-U deposit

翁泉沟向斜是属于虎皮峪-翁泉沟-红石砬子复背斜构造的次一级褶皱构造。该向斜北翼陡，南翼缓，东端受复背斜影响呈穹窿状翘起，向斜轴向同该地区构造线一致为东西走向。背斜长约4.5 km，向斜西部被北西向断裂破坏，形成马蹄形向斜。

2.2.2 断裂

主要断裂构造与区域构造行迹一致，为近东西向断裂。近东西向断裂主要发育在周家大院-业加沟矿段和翁泉沟向斜额核部；另外有发育在业家沟矿段、东台子矿段和周家大院的北西向构造；北西向断裂主要发育在东台子矿段和业家沟矿段。

矿区内所见的各个方向展布的断裂均发生在矿体就位形成之后，即断裂构造活动晚于矿体形成，并起到改造和切割矿体的作用。原生矿体形成主要受褶皱控制，即原生铁硼矿层形成后矿体据层控特征，由于后期挤压作用形成褶皱则矿体为褶皱控制，最后由断裂切割褶皱控制的矿体造成了目前的矿体产出状态。

2.3 岩浆岩

矿区出露的岩浆岩主要为古元古代的条痕状混合花岗岩，具有条带状构造，由于侵入岩往往沿着后期构造侵位，破坏了翁泉沟向斜的西端以致于翁泉沟向斜呈马蹄状产出，同时在矿区也出露一定数量的伟晶岩和镁铁质脉岩。条痕状混合花岗岩为混合岩化事件产物，该花岗岩是地壳部分熔融产物，对于矿床形成可能提供了部分热能动力。

2.4 热液蚀变

翁泉沟铁-硼-铀矿床常见的围岩蚀变类型按先后顺序有粗粒透闪石化、细粒透闪石化、电气石化、蛇纹石化、金云母化等。这些蚀变常沿硼镁铁矿条带间发育，最终多蚀变为蛇纹岩，即蛇纹石化较晚发生且规模较大。蚀变作用多发生在矿体的顶底板岩石靠近矿体的位置及接触带附近，向矿体的内部逐渐减弱。原因在于矿体和围岩接触地带多发育断裂，为热液活动提供了合适的通道和场所。

2.5 矿体与矿石

翁泉沟地区铁-硼-矿体赋存于翁泉沟向斜构造中，矿体严格受向斜构造所控制。矿体东端向上翘起而西端被断裂破坏，平面上呈马蹄形，分布于业家沟、东台子、蔡家沟、翁泉沟、周家大院等地。矿体沿北东-南西分布，倾角变化大，形成在浅部较陡深部较缓且在向斜核部近水平并有波状起伏的矿体形态。

翁泉沟的铁-硼-铀矿床及其周围其他的铁硼铀矿床的矿石因产于不同矿段可分为不同类型，前人结合翁泉沟地区矿化特征和矿石成分研究将铁硼矿石进一步分为磁铁矿型、硼镁石型、硼镁石-磁铁矿型、含硼镁铁矿-硼镁石-磁铁矿型等4类。本次工作所采取的矿石类型主要为磁铁矿型和硼镁石-磁铁矿型（图4），由于强烈的分解作用，几乎未见硼镁铁矿。

矿石矿物组合主要为磁铁矿、沥青铀矿和硼镁石。不同类型的矿石组合特征相似，但不同矿物的含量差异较大。磁铁矿型的矿石呈黑色，比重较大，镜下主要矿石矿物为磁铁矿，硼镁铁矿极少，沥青铀矿也相对发育。硼镁石-磁铁矿型的矿石磁铁矿和硼镁石的含量相当，且二者保留有硼镁铁矿的板状晶型，证明硼镁铁矿分解程度不高。对铀矿石而言，还有一种含蛇纹石条带的磁铁矿矿石，这种矿石对铁硼而言是贫矿石，但铀矿化较强烈。

3 样品特征及分析方法

3.1 样品特征

采样位置位于翁泉沟-暖河堡地区距离翁泉沟矿段南约2 km 处（图3），采集到的样品99-2磁铁矿蛇纹石化变粒岩（原岩为中基性火山岩），为铁硼矿石的一种，但是由于含硼矿物含量较少属于贫矿石，具有很强的铀矿化。主要矿石矿物有磁铁矿和晶质铀矿，脉石矿物在手标本中可见为长英质组分，长石和石英以他形混合产出并具有强烈的蛇纹石化，但手标本中由于矿石磁铁矿化，所以矿石颜色呈现黑色，长英质矿物呈他形与纤维状的蛇纹石一同构成透明矿物组分。金属矿物主要为磁铁矿和晶质铀矿以及在铀矿物边部发育的黄铁矿等，局部也可见辉钼矿和方铅矿产出，背散射图像可以清晰的区分原子量高的铀矿物和其他金属矿物，最主要的一点是其结合反光镜下的特征可以区分方铅矿和晶质铀矿。镜下可见铀矿物为晶质铀矿，以他形扁豆状产出，颗粒较小，主要的伴生矿物为磁铁矿、黄铁矿和辉钼矿等（图4c、d）。总体而言铀矿物表面相对较洁净，但仍有一些细小的裂隙和零星浸染状的方铅矿发育。样品99-3为磁铁矿化蛇纹岩，主要特征以条带状蛇纹石为主，磁铁矿化发育并伴有很高的放射性异常，镜下的蛇纹石主要为热液交代镁质橄榄石形成的蛇纹石，且保留原有镁质橄榄石的晶型，但已经以假象结构全部蚀变为绿色的蛇纹石。蛇纹石假晶以内部他形加边部纤维状分布，构成了该矿石样品的主要脉石矿物。该样品的主要矿石矿物仍然为磁铁矿和晶质铀矿。主要铀矿物为晶质铀矿，铀矿物相对99-2 颗粒较大，主要与磁铁矿伴生，矿物表面相对洁净，但也有一些裂隙发育。

图4 磁铁矿蛇纹石化变粒岩（铀矿石）特征Fig.4 Serpentinized magnetite granulite（uranium ore）

本次工作选取了表面相对洁净，矿物颗粒较大的晶质铀矿进行电子探针分析，铀矿物呈不规则状，和黄铁矿、磁铁矿等矿物伴生。晶质铀矿根据镜下观察判断为后期区域变质铁硼成矿阶段生成的铀矿物，并非原岩中的副矿物。因此可用其年龄来代表铀成矿年龄而非原岩成岩年龄。

3.2 分析方法

因为本次工作所采集到的样品中晶质铀矿颗粒相对较小，电子探针U-Th-Pb化学法相对原位LAICP-MS U-Pb法从测试技术上更具优势，因此选择前者进行定年研究。

笔者对翁泉沟铁-硼-铀矿的晶质铀矿进行了电子探针U-Th-Pb化学法年龄测试、计算。本次电子探针实验工作在核工业北京地质研究院分析测试中心进行，电子探针分析仪型号为JXA-8100，Pb的分析精度为0.1%。

对于铀矿物电子探针化学年龄计算方法而言，Bowles［29］在研究中对前人研究的3种方法进行了对比和说明，本次实验参考前人研究经验［29-30］，采用了Ranchin［30］推导的计算公式，用来计算样品中晶质铀矿的化学年龄，该公式表达为：T=Pb原子百分数×7550/（U原子百分数＋0.36×Th原子百分数），其中，Pb原子百分数、U原子百分数和Th原子百分数分别代表PbO、UO2和ThO2的原子百分含量。分析误差参考文献［29］。

4 分析结果

本次工作对翁泉沟矿床的铀矿化矿石中的晶质铀矿电子探针分析了91个点，数据详见表1，得到的表观年龄分布在2 611～1 500 Ma，利用Isoplot处理年龄数据得到年龄主要集中在2 000～1 800 Ma，并显示出两个峰值约～1 860 Ma和～1 950 Ma（图5），分别计算2 000～1 900 Ma 和1 900～1 800 Ma的加权平均年龄，得到两组年龄，分别为（1 953±11）Ma（图6a）和（1 862.6±9.8）Ma（图6b），用这两个年龄代表该地区铁硼铀矿床的两期铀矿化年龄。

图5 研究区晶质铀矿电子探针化学年龄统计直方图Fig.5 Histogram of EPMA chemical age

图6 晶质铀矿加权平均年龄图Fig.6 Weighted average age chart

5 讨论

5.1 铀与铁硼矿化时间关系

从区域尺度上看，前人在研究辽东地区前寒武系变质岩的过程中，已经对翁泉沟地区铁-硼-铀矿床的主要赋矿地层——里尔峪组进行了研究，Hu 等［31］对辽东地区硼矿用浅粒岩和橄榄玄武岩中锆石的LA-ICP-MS U-Pb 法定年，得出含硼岩系和容矿镁质岩石的年龄为（2 130±19）Ma和（2 139±13）Ma的核部年龄，代表其成岩年龄，并有（1 929±22）Ma 和（1 977±31）Ma 的变质增生带年龄，代表变质年龄，这些年龄数据与前人工作［32-37］所得的2 200～2 100 Ma 的含硼岩系初始沉积年龄以及～1 900 Ma的变质年龄相一致。对于区域上广泛出露的“辽吉花岗岩”，前人也有大量的锆石U-Pb 定年工作［38］，其测试年龄集中在～2 170 Ma 的成岩年龄和1 900 Ma 的变质年龄［22，24，39-40］。

前人研究数据表明胶-辽-吉造山带在古元古代经历了两次变质事件，较早的一期发生于1.93～1.90 Ga，而后在～1.87 Ga又有一次大的区域变质事件［22，37，40-42］。对于里尔峪组变质岩的成岩年龄和变质年龄，秦亚［24］通过锆石LA-CP-MS U-Pb 法对其中斜长片麻岩和角闪变粒岩进行了研究，得出了（1 879±24）Ma 的变质年龄和（2 165±10）Ma 的岩浆年龄。

对于翁泉沟地区铁-硼-铀矿床而言，陈璋如和王安然（1984）最早对铀矿物展开了U-Pb定年报道其年龄为1 784 Ma，但并未见其数据及分析处理方法。Lu 等［43］对矿石的金云母进行氩-氩定年得到了（1 924±2.5）Ma的年龄作为其变质改造年龄。

本次工作针对铀矿年代学进行研究，得到两期矿化年龄分别为（1 862.6±9.8）Ma 和（1 953±11）Ma，两期年龄均晚于最初硼矿化的2 100 Ma，同时与前人矿石的变质改造年龄相近。因为区域上的铁-硼是在最初里尔峪组形成时就已经构成了铁-硼矿形成的基础，但铁硼矿体的进一步富集成矿则是由于后期经历变质作用、热液叠加活动等作用综合形成，所以在时序上，含硼的里尔峪组与区域上的辽吉花岗首先在2.1～2.0 Ga分别最初沉积和就位，并在～1.9 Ga发生了区域变质使得硼进入到热液中交代镁质岩形成更富集的矿体，也进一步使得铁富集成矿。在此之前，在～1 950 Ma左右最早的一期铀矿化形成，随后，在～1 900 Ma区域性构造活动结束后，区域伸展环境使得原始矿床开始被构造破坏并伴随着大量的热液活动造成了在～1 860 Ma左右的又一期铀矿化，这一期铀矿化也对应辽东地区各类型铀矿床铀矿化的集中形成时代区间（1 900～1 800 Ma）。

5.2 翁泉沟地区铁-硼-铀矿床古元古代年代学格架

目前，关于胶-辽-吉造山带在古元古代演化的模式已有较多的讨论，综合前人研究的成果，笔者认为胶-辽-吉造山带在古元古代的演化史先受到拉张产生裂谷并有限发育成洋盆的，再经历裂谷消亡最后碰撞造山的过程［20-24］。

早期的裂谷拉张时代限定为2.20～1.93 Ga。在此阶段由于拉张环境在后来有限发育成洋盆，因此该阶段可以划分为形成双峰式火山岩和A型花岗岩的裂谷拉张早期和洋盆有限发育接受辽河群沉积的裂谷拉张晚期。该时代代表性的辽吉花岗岩的形成于2.18～2.10 Ga之间［19，22］，在1.95 Ga形成了较早一期的铀矿化。

裂谷拉张期结束后，在1.93～1.80 Ga 左右，深部动力学机制引起了裂谷消亡，使得区域应力转化为挤压环境，裂谷消亡后该地区经历了强烈挤压环境下的造山运动并伴随着强烈的区域变质作用（～1.90 Ga），碰撞造山时期形成的变质火山岩时代为1.87Ga 前后，被认为是裂谷闭合产物［25-26］。笔者在锆石定年的研究中也得出了相对一致的数据（变质年龄限定在1.90 Ga），即无论是变火山岩还是在2.10 Ga形成的花岗岩，均经历该期变质作用。本文第二期铀矿化年龄也与该变质事件时间相吻合，同时这一期年龄也是主要的铀成年龄。

造山期之后，该地区在1.80～1.70 Ga期间，形成了以大量岩浆侵位为特征的区域岩浆作用，这些岩浆侵位标志着造山作用结束［22，26］，整体进入到伸展环境中。郭春影等［4］在对辽东地区热液铀矿进行研究时，认为在该演化阶段也可能发育一次混合岩化作用，造成的结果是高温的沉积变质型铀矿化在该构造事件中受中温变质热液活化进而富集成矿，形成了单一铀矿化的矿床（单铀型）和叠加在其他矿床上的铀矿床（铁-铀型、铁-硼-铀型和黄铁矿-铀型矿床）。

6 结论

对翁泉沟地区铁-硼-铀矿床开展的晶质铀矿电子探针化学年龄研究得到铀矿物的形成年龄为（1 953±11）Ma和（1 862.6±9.8）Ma，分别代表了两期铀成矿事件。～1 860 Ma这一成矿期是主要的成矿期，这一期成矿受1 900 Ma造山活动影响并以晚期转换为伸展环境时铀再次活化沉淀为特征，同辽东地区整体铀成矿时代相吻合。而～1 953 Ma 的成矿期是该矿床铀成矿的新认识，笔者认为～1 953 Ma 成矿事件发生于裂谷拉张和硼矿层沉积晚期，但成矿规模可能相对较小。较早的一期铀成矿事件的得出对于深入研究胶-辽-吉造山带元古代铀矿床年代学可能提供一个新的线索。同时较早一期的铀矿化事件是对该构造带的铁-硼-铀矿床成矿年代学格架的一个补充和完善。