相山铀矿田北部花岗斑岩黑云母及绿泥石矿物化学特征与地质意义

刘 龙, 张树明,2*, 王利玲,3, 张 鑫,2, 欧阳军勇, 夏寅初, 吴志春,2

相山铀矿田北部花岗斑岩黑云母及绿泥石矿物化学特征与地质意义

刘 龙1, 张树明1,2*, 王利玲1,3, 张 鑫1,2, 欧阳军勇1, 夏寅初1, 吴志春1,2

(1. 东华理工大学核资源与环境国家重点实验室, 江西南昌 330013; 2. 东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室, 江西南昌 330013; 3. 汕尾市技工学校, 广东汕尾 516600)

相山铀矿田为中国最大的火山岩型铀矿田, 其中北部花岗斑岩型铀矿床资源储量占总储量的36.65%。虽然前人对相山矿田北部花岗斑岩进行了系统研究, 但是关于花岗斑岩中矿物化学研究较为薄弱。本次研究运用电子探针技术对相山北部花岗斑岩中黑云母及绿泥石进行了矿物化学分析, 并探讨了成岩成矿意义。结果表明: (1)相山北部产铀花岗斑岩黑云母为铁质黑云母。花岗斑岩岩浆结晶温度为721～753 ℃, 平均737 ℃, 氧逸度lg(O2)为−14.8 ～ −15.7, 形成压力为112～147 MPa, 侵位结晶深度为4.1～5.4 km。岩石成因类型为A型花岗岩, 形成于板内拉张构造环境, 物质来源于上地壳部分熔融; (2)相山北部绿泥石为蠕绿泥石, 属于富铁绿泥石, 形成于还原环境。绿泥石形成温度为230～271 ℃, 平均值为258 ℃, 属于中温热液作用范围; (3)花岗斑岩中铀的载体主要为黑云母包体中含铀副矿物。矿前期, 热液流体交代黑云母形成绿泥石, 使得黑云母内含铀副矿物中的铀活化转移为分散吸附状态的铀, 被绿泥石等矿物吸附于矿物晶格表面或矿物裂隙, 为成矿期热液提供了铀源。

黑云母; 绿泥石; 花岗斑岩; 矿物化学特征; 成岩成矿; 相山北部

0 引 言

黑云母是花岗质岩石中常见的铁镁质矿物, 其既可以形成于侵入体结晶过程, 也可以形成于岩浆热液蚀变过程[1–2]。黑云母的结构和化学成分对岩浆和热液活动的温度、压力、酸碱度、氧逸度、卤素含量和氧化还原状态等物理化学性质非常敏感, 因此, 黑云母的化学成分可以很好地记录寄主岩浆固结成岩不同的地质环境和物理化学条件[3–7]。黑云母由于其化学成分特征能够反演岩浆起源、岩石成因、构造环境、成岩物理化学条件、后期热液作用及成矿物质的信息, 已广泛应用于岩浆性质、成矿过程等方面的研究[8–11]。绿泥石化为铀的还原富集提供了有利的地球化学环境, 因此常被用于铀矿化找矿标志。研究表明, 绿泥石的形成条件与铀矿床关系密切[12–16], 研究绿泥石矿物化学特征有助于指导铀矿的勘查工作。

相山铀矿田为我国最大的火山岩型铀矿田, 已发现的铀矿床不均衡地分布于西部火山熔岩型成矿带和北部花岗斑岩成矿带。前人对北部花岗斑岩开展了年代学、地球化学、成因机制及其与成矿作用关系等方面的研究, 并取得了一系列科研成果[17–20], 但关于花岗斑岩中黑云母及绿泥石矿物化学方面研究较为薄弱, 尤其是对黑云母及绿泥石(黑云母假象型绿泥石, 下同)的矿物化学成分及其与铀矿的关系缺乏关联性研究。因此, 本次研究拟选择相山铀矿田北部产铀花岗斑岩, 利用电子探针对黑云母及绿泥石进行系统的矿物化学成分研究, 探讨黑云母及绿泥石的地质意义。

1 区域地质背景

相山火山盆地大地构造上位于赣杭构造带中段, 接近于扬子板块与华夏板块的拼接带。盆内主要出露早白垩世酸性火山侵入杂岩, 其次为青白口系神山组、库里组和上施组-浅变质岩。其中, 青白口系构成本区变质基底, 中、新生界构成盆地盖层[21](图1)。相山火山活动具有明显的旋回性和多阶段的特征。根据岩性亚相在时空上的分布规律, 相山早白垩世火山活动分为两个亚旋回。第一个亚旋回由打鼓顶组构成, 总体处于相山火山盆地初期阶段。第一火山旋回之后, 火山活动进入短暂休眠。随后, 开始第二亚旋回火山活动, 形成了鹅湖岭组火山岩。火山活动晚期, 岩浆沿火山环带、放射性断裂破碎带上侵形成了花岗斑岩[21]。相山北部花岗斑岩锆石U-Pb年龄平均为136～132 Ma[22–25], 为火山第二旋回晚期产物, 出露于沙洲、游坊、巴泉、横涧和云际等地, 大致自内向外可分为3层环状岩墙, 即游坊花岗斑岩岩墙、云际-巴泉-横涧花岗斑岩岩墙和沙洲花岗斑岩岩墙(图1)。

2 样品采集与分析方法

样品分别采自相山北部横涧、游坊、沙洲和云际花岗斑岩体, 远离矿体中心, 具体采样位置见图1。相山矿田北部花岗斑岩颜色为肉红色或灰白色, 斑状结构, 块状构造(图2a, 图2b)。斑晶主要组成矿物为钾长石(25%～30%)、斜长石(10%～20%)、石英(15%)和黑云母(5%)。斜长石斑晶自形半自形, 偶见斜长石较强蚀变, 发生绢云母化。局部见方解石, 发育聚片双晶, 高级白干涉色(图2c)。黑云母斑晶呈自形-半自形鳞片状, 部分黑云母发育绿泥石化(图2d), 常包裹锆石、磷灰石和磁铁矿等矿物, 在锆石边部发育放射性晕圈(图2e), 系由放射性元素释放的α粒子造成黑云母晶格破坏所致, 自形柱状磷灰石展布于黑云母边部(图2f)。绿泥石由黑云母蚀变而成(图2d), 正交偏光镜下为墨水蓝的干涉色。岩石基质多为隐晶质, 矿物成分与斑晶相同。

前人研究表明, 相山铀矿田存在两种绿泥石: 一种为黑云母或长石蚀变交代的面型分布绿泥石, 分布于蚀变围岩中, 形成温度为中温; 另一种为充填长石、石英等颗粒及基质裂隙的填隙型绿泥石, 分布于近矿中心部位, 与铀矿物紧密共生, 形成温度为中低温[26]。本次研究的绿泥石呈面式展布, 为黑云母蚀变交代形成, 为矿前期的蚀变产物。

黑云母及绿泥石化学成分分析在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室中完成。仪器型号为JEOXJXA-8100M, 工作条件是: 加速电压15 kV, 加速电流20 nA, 束斑大小为1～2 μm, 采用ZAF方法(原子序数校正因子、X射线吸收校正因子和X射线荧光校正因子)进行数据修正。测试过程按照硅酸盐电子探针定量分析国家标准(GB/T 1567—2002)进行。采用林文蔚等[27]的待定阳离子数计算方法计算黑云母的Fe2+和Fe3+, 在此基础上, 以22个氧原子数计算黑云母的阳离子数及部分参数。所有绿泥石结构式采用28个氧原子标准计算。尽管电子探针无法检测矿物中Fe3+的含量, 但是绿泥石矿物中Fe3+含量一般小于总铁含量的5%[28], 因此, 在绿泥石的离子计算当中, 近似把全铁代表Fe2+含量。分析结果见表1和表2。

3 分析结果

3.1 黑云母的化学组成及种属

相山矿田北部花岗斑岩中的黑云母SiO2含量变化于33.12%～35.20%之间, TiO2含量变化于4.90%～5.71%之间, Al2O3含量变化于12.91～13.92%之间, FeOT含量变化于26.19%～28.63%之间, MnO含量变化于0.31%～0.48%之间, MgO含量变化于6.16%～7.41%之间, CaO含量变化于0.00%～0.13%之间, Na2O含量变化于0.20%～0.41%之间, K2O含量变化于8.84%～ 9.47%之间。黑云母在微观尺度上往往不均匀, 且颗粒通常较小, 使得黑云母很难像人工材料那样进行氟的化学分析。鉴于氟的地质意义, 故本次研究采用其他学者黑云母的氟含量进行分析(0.49～0.93%)[29]。Fe2+/(Fe2++Mg)比值均匀一致是氧化态岩浆的重要标志。从表1可知, 相山北部花岗斑岩的Fe2+/(Fe2++Mg)比值变化范围小(0.65～0.72), 较均匀一致, 表明其未受后期流体改造作用影响[30]。

图1 相山地区花岗斑岩分布简图(据文献[21]修改)

1–第四系黏土; 2–上白垩统砂岩、砂砾岩; 3–鹅湖岭组碎斑熔岩; 4–鹅湖岭组晶屑凝灰岩、砂砾岩; 5–打鼓顶组流纹英安岩; 6–打鼓顶组砂岩、熔结凝灰岩; 7–上三叠统石英砂岩、页岩; 8–中元古界片岩、千枚岩; 9–加里东期花岗岩; 10–花岗斑岩; 11–断裂; 12–取样位置。

1–Quarternary clay; 2–Upper-Cretaceous sandstone and conglomerate; 3–cataclastlava from Ehuling Formation; 4–crystal tuff from Ehuling Formation; 5–rhyodacite from Daguding Formation; 6–ignimbrite and sandstone from Daguding Formation; 7–Triassic sandstone; 8–mesoproterozoic metamorphic rock; 9–Caledonian granite; 10–Xiangshan granite-porphyry; 11–main fractures; 12–sampling locations.

图2 花岗斑岩手标本(a, b)黑云母及绿泥石显微照片(c, d, e, f)

Pl–斜长石; Q–石英; Bt–黑云母; Chl–绿泥石; Cb–碳酸盐矿物; Kfs–钾长石; Cal–方解石; Ser–绢云母。

表1 花岗斑岩中黑云母的电子探针测试结果(%)

(续表1)

表2 花岗斑岩中绿泥石的电子探针分析结果(%)和计算参数

注:001为绿泥石面网间距。

按照成因分类, 黑云母分为岩浆黑云母和热液黑云母。矿物化学性质方面能够有效区分岩浆黑云母和热液黑云母。傅金宝[31]通过整理中国斑岩铜矿中黑云母的数据, 得出岩浆黑云母具有高Ti低Al的特点,(TiO2)>3%,(Al2O3)<15%; 热液新生黑云母则低Ti高Al,(TiO2)<3%,(Al2O3)>15%。相山矿田北部花岗斑岩中黑云母TiO2含量为4.90%～5.71% (>3%), Al2O3含量变化于12.91～13.92%(<15%)之间, 符合岩浆黑云母特征, 因而其化学成分可以用来探讨相山北部花岗斑岩形成的物理化学条件及成岩过程。依据Mg、Fe3++Ti和Fe2++Mn可以进行黑云母分类[32], 相山北部花岗斑岩中的黑云母样品落在铁质黑云母区域, 属于铁质黑云母(图3a)。

3.2 绿泥石的化学组成及种属

绿泥石SiO2含量变化于23.61%～28.56%之间, TiO2含量变化于0.02%～1.98%之间, Al2O3含量变化于18.32～23.55%之间, FeOT含量变化于33.3%～46.22%之间, MnO含量变化于0.45%～1.60%之间, MgO含量变化于5.42%～9.96%之间, CaO含量变化于0%～ 0.42%之间, Na2O和K2O含量分别为0%～0.07%和0%～1.54% (表2)。为了判断绿泥石成分是否存在混染, 以(Na2O+K2O+CaO)质量分数小于0.5%作为是否存在混染的判别标准进行数据剔除[33], 剔除XS15-5-2-1(1.68)、XS15-5-3-1(0.63)、XS15-5-4-1(1.34)、XS15-7-1-1(1.62)和XS15-9-1-1(0.57)。从Si-(Fe2++Fe3+)图解(图3b)可知, 样品集中投影点均分布于蠕绿泥石, 属于相对富铁绿泥石。

4 讨 论

4.1 岩浆结晶的物理化学条件

黑云母中Ti含量对温度极其敏感, 因此, Ti含量能够有效估算火成岩和变质岩中黑云母的形成温度[34]。Henry[7]得出变泥质岩中黑云母Ti含量与温度、Mg的经验公式, 其温度计算公式如下。

式中,=4.6482×10−9; 基于22个氧原子,Mg=0.275～ 1.000; Ti=0.04～0.70。近年来, 这一经验公式也扩展到斑岩系统和花岗岩体有关的岩浆黑云母中, 并取得了良好的应用效果[8–11,35–36]。研究区黑云母Mg= 0.28～0.35, Ti=0.52～0.58, 满足公式要求, 本次研究利用式(1)计算相山北部花岗斑岩黑云母形成温度为721～753 ℃, 平均737 ℃, 该结果与Ti-Mg/(Fe+Mg)图解(图4)结果大致相当。

图3 黑云母分类图解(a, 据文献[32])和绿泥石(b, 据文献[28])分类图解

Fig.3 Classified diagrams of biotite from the granite porphyries(a) and chlorites(b) from the granite porphyries

图4 黑云母Ti-Mg/(Mg+Fe) (据文献[7]修改)

黑云母的全铝含量与花岗岩的固结压力具有很好的正相关性, 可以用全铝含量估算固结压力, 从而进一步估算侵位深度, 其计算公式见文献[37], 本次研究计算的相山北部花岗斑岩形成压力为112～147 MPa, 侵位深度为4.1～5.4 km。

用与磁铁矿、钾长石共生的黑云母的Fe3+、Fe2+和Mg2+原子数分数能够估算黑云母结晶时的氧逸度, 同时联合基于黑云母稳定度的log(O2)-图解定向估算岩浆氧逸度[3], 得到了广泛应用。研究区黑云母与磁铁矿、钾长石、石英共生现象较为常见, 符合计算要求。在黑云母Fe3+-Fe2+-Mg2+三角图解(图5a)和lg(O2)-图解(图5b)中, 相山矿田北部花岗斑岩位于Ni-NiO缓冲剂与Fe2SiO2-SiO2-Fe3O4缓冲线之间。根据(H2O)=207.0 MPa条件下花岗岩中黑云母的lg(O2)-t图解, 结合黑云母稳定度(100×Fe2+/(F2++Mg))、Fe3+-F2+-Mg图解和Ti-Mg/(Mg+Fe)图解, 估算得出花岗斑岩岩浆体系氧逸度lg(O2)大致为−14.8 ～−15.7。

4.2 绿泥石的地球化学特征及形成条件

本次分析的绿泥石均由黑云母蚀变而来, 黑云母蚀变成的绿泥石化学成分既有黑云母的特征, 又有很大的变化。由表1和表2可知: (1) 氟在黑云母中含量为0.43%～0.93%, 绿泥石中低于检测值, 表明氟在蚀变流体交代黑云母形成绿泥石过程中被带出; (2) SiO2含量明显减少, 说明Si受不同矿物晶体基本性质的制约; (3) TiO2含量降低, 与绿泥石化过程中AlIV替换Ti、金红石和钛铁氧化物析出有关; (4) Al2O3与MgO含量变化小, 可能继承于黑云母; (5) FeO含量明显增加, 反映绿泥石的Fe除了继承黑云母中的Fe以外, 还有一部分来自外部富Fe蚀变流体, 说明绿泥石可能是在酸性和还原性的流体环境下形成[38]; (6) K2O几乎丢失, 从而造成蚀变交代流体中钾含量升高。

在只有电子探针数据的情况下, 根据Rausell- Colom.[39]提出, 后经Nieto[40]修正的方法, 可将探针数据计算绿泥石面网间距001, 计算公式如下。

式中, d001是绿泥石面网间距, N(AlIV)是28个氧原子计算的绿泥石Al四价阳离子数, N(Fe2+)是28个氧原子计算的绿泥石Fe二价阳离子数。根据Battaglia[41]提出的式(3)进行绿泥石温度的计算。

HM–赤铁矿-磁铁矿缓冲剂; NNO–Ni-NiO缓冲剂; QFM–铁橄榄石-磁铁矿缓冲剂。

HM–hematite-magnetite buffer; NNO–Ni-NiO buffer; QFM–fayalite-magnetite buffer.

根据式(2)和式(3)计算, 相山矿田北部绿泥石的形成温度为259.0～278.3 ℃, 平均值为264.7 ℃, 属于中低温热液蚀变范围, 与相山北部云际铀矿床成矿前期黑云母假象型绿泥石形成温度241 ℃基本一致[42]。

绿泥石的形成过程受多种因素制约, 如温度、压力、流体和岩石化学成分等。研究表明, 绿泥石Fe/(Fe+Mg)比值变化与氧逸度有关, 越还原, Fe/(Fe+Mg)比值越大[43–44]。由表2可知, 相山北部绿泥石Fe/(Fe+Mg)比值为0.69～0.81, 均值为0.73, 表明其形成时热液流体具有还原性质。Inous[45]认为, 在脉状矿床的热液蚀变中, 低PH、低氧逸度环境有利于镁质绿泥石形成; 而相对还原环境有利于富铁绿泥石形成。研究区绿泥石为鲕绿泥石, 属于富铁绿泥石, 表明其形成于还原环境。综上所述, 相山北部绿泥石形成于中温、酸性和还原的环境。

4.3 黑云母对岩石成因的限定

黑云母的化学成分与寄主岩石的地球化学组成和岩石成因关系密切, 因此可根据黑云母的矿物化学特点讨论寄主岩石成因类型和形成环境。Abdel- Rahman[46]对造山和非造山岩系黑云母进行研究, 提出利用黑云母成分判别构造环境的图解, 指出非造山碱性岩系(A型花岗岩, A区)中黑云母相对富Fe, 近铁云母; 造山钙碱性岩系(I型花岗岩, C区)中黑云母相对富Mg; 过铝岩系(S型花岗岩, P区)中黑云母富Al, 为铁叶云母质的花岗岩。MgO-FeOT-Al2O3图解(图6)中, 样品全部落在非造山碱性杂岩内(即A型花岗岩), 具有A型花岗岩的地球化学特征。这与寄主岩石地球化学判定相山侵入杂岩体为A-型花岗岩一致[47–49]。

在FeOT/(FeOT+MgO)-MgO图解(图7)中, 样品落入壳源区域, 指示花岗斑岩具有壳源型花岗岩的特征。杨文金等[50]通过华南两个不同成因系列花岗岩的云母成分标型特征发现, 南岭浅源系列的黑云母镁质率小于0.45, 主要物质来源是上地壳硅铝层; 长江深源系列黑云母镁质率大于0.45, 含有深源物质。相山北部花岗斑岩黑云母镁质率为0.28～0.35, 表明其为南岭浅源系列花岗岩, 主要物质来源是上地壳硅铝层, 这与全岩同位素判别结果一致[19–20]。

4.4 铀成矿意义

据Perffert.[51]对富氟熔体体系研究表明, 铀不仅倾向于富集在富氟的熔体中, 而且随着氧逸度的增加, 熔体中铀富集程度也相应降低。在花岗质熔体中, 黑云母是氟的主要载体(70%～90%)。因此, 黑云母中氟含量能大致反映花岗岩中氟的含量。相山北部花岗斑岩氟含量为0.49%～0.93%, 平均为0.7%, 暗示寄主岩石铀含量较高, 这也得到了全岩铀含量较高(最高达10.30×10−6)的佐证[52]。

图6 黑云母FeOT-Al2O3-MgO图解(据文献[46])

A–非造山带碱性杂岩; C–造山带钙碱性杂岩; P–过铝质岩套。

A–Non-orogenic zones alkali complex; B–orogenic belt calcium alkaline complex; C–peraluminous suite.

图7 黑云母物质来源判别图(据文献[49]修改)

在岩浆熔体中, 铀主要以四价态存在, 除形成晶质铀矿外, 多与亲石元素结合形成锆石、磷钇矿和独居石等副矿物。研究表明, 黑云母是花岗质熔岩中Rb、Ba、Nb、Ta及Sc、V、Co、Ni、Cr元素的主要载体, 副矿物(独居石、锆石和磷钇矿等)可能是Th、U、Sr、Hf、Zr和Y的主要载体[53–54]。因此研究区黑云母包裹的锆石、磷钇矿等副矿物可能是铀的主要载体。

铀通常在溶液中以六价铀酰离子进行迁移, 而不是四价铀[55]。低温、中性至碱性以及中等至高氧逸度条件下, 铀主要以碳酸盐络合物的形式迁移; 酸性至弱碱性条件下, 铀主要以氟络合物的形式迁移[55]。研究区绿泥石形成于中温酸性环境, 表明成矿前期铀主要以氟络合物形式迁移。王勇剑等[42]对相山铀矿田云际绿泥石的研究表明, 成矿期的绿泥石与成矿作用关系密切, 相对于成矿前期绿泥石, 具有较低的温度(187.92～231.77 ℃), 平均为206.04 ℃,且从矿前期到成矿期, 热液流体存在向碱性方向的演化趋势。因此, 成矿期铀可能主要以碳酸盐络合物的形式迁移。相山铀矿床以碳酸盐离子形成络合物进行迁移, 存在幔源流组分的加入[56]。

矿前期热液交代黑云母, 使黑云母的氟转移到热液流体中有利于铀的迁移。在富铀热液流体作用下, 花岗斑岩中黑云母与热液发生水-岩发应形成面状绿泥石, 使黑云母包裹的含铀副矿物中的铀活化, 转移为分散吸附状态, 被绿泥石等矿物吸附于矿物晶格表面或矿物裂缝, 因此绿泥石化为成矿热液提供了部分铀源[57]。成矿期侵入的中基性岩脉, 富含矿化剂, 渗透流经蚀变围岩, 以六价铀形式存在的活性铀很容易形成稳定性强, 溶解度高的铀酰络合离子, 并被带入成矿热液中。随着流体降温、浓缩及混合等成矿机制耦合作用, 成矿流体中铀酰离子解体, 在花岗斑岩体内外接触带、成矿流体运移的断裂构造及其旁侧裂隙密集带发生沉淀、成矿[58]。

5 结 论

(1) 相山北部产铀花岗斑岩黑云母为铁质黑云母。花岗斑岩岩浆的温度为721～753℃, 平均为737 ℃,氧逸度lg(O2)为−14.8 ～ −15.7, 形成压力为112～ 147 MPa, 侵位结晶深度为4.1～5.4 km。岩石成因类型为A型花岗岩, 形成于板内拉张构造环境, 物质来源于上地壳。

(2) 相山北部黑云母假象型绿泥石为蠕绿泥石和铁镁绿泥石, 属于富铁绿泥石, 形成于还原环境。绿泥石形成温度为230～271 ℃, 平均值为258 ℃, 属于中温热液作用范围。

(3)花岗斑岩中铀的载体主要为黑云母包体中含铀副矿物。矿前期, 热液流体交代黑云母形成绿泥石, 使得黑云母内含铀副矿物中的铀活化转移为分散吸附状态的铀, 被绿泥石等矿物吸附于矿物晶格表面或矿物裂隙, 为成矿热液提供了部分铀源。

两位审稿专家对本文提出了宝贵的修改意见和建议, 在此表示衷心感谢。

[1] Jacobs D C, Parry W T. A comparison of the geochemistry of biotite from some Basin and Range stocks[J]. Econ Geol, 1976, 71(6): 1029–1035.

[2] Jacobs D C, Parry W T. Geochemistry of biotite in the Santa Rita porphyry copper deposit, New Mexico[J]. Econ Geol, 1979, 74(4): 860–887.

[3] Wones D R, Eugster H P. Stability of biotite-experiment theory and application[J]. Am Mineral, 1965, 50(9): 1228–1272.

[4] Czamanske G K, Wones D R. Oxidation during magmatic differentiation, Finnmarka Complex, Oslo Area, Norway: Part 2, The mafic silicates1[J]. J Petrol, 1973, 14(3): 349–380.

[5] Speer J A. Evolution of magmatic AFM mineral assemblages in granitoid rocks: The hornblende + melt = biotite reaction in the Liberty Hill pluton, South Carolina[J]. Am Mineral, 1987, 72(9/10): 863–878.

[6] Zhu C, Sverjensky D A. F-Cl-OH partitioning between biotite and apatite[J]. Geochim Cosmochim Acta, 1992, 56(9): 3435– 3467.

[7] Henry D J. The Ti-saturation surface for low-to-medium pressure metapelitic biotites: Implications for geothermometry and Ti-substitution mechanisms[J]. Am Mineral, 2005, 90(2/3): 316–328.

[8] 秦克章, 张连昌, 丁奎首, 许英霞, 唐冬梅, 徐兴旺, 马天林, 李光明. 东天山三岔口铜矿床类型、赋矿岩石成因与矿床矿物学特征[J]. 岩石学报, 2009, 25(4): 845–861.

Qin Ke-zhang, Zhang Lian-chang, Ding Kui-shou, Xu Ying-xia, Tang Dong-mei, Xu Xing-wang, Ma Tian-lin, Li Guang-ming. Mineralization type, petrogenesis of ore-bearing intrusions and mineralogical characteristics of Sanchakou copper depositsin eastern Tianshan[J]. Acta Petrol Sinica, 2009, 25(4): 845–861 (in Chinese with English abstract).

[9] 刘彬, 马昌前, 刘园园, 熊富浩. 鄂东南铜山口铜(钼)矿床黑云母矿物化学特征及其对岩石成因与成矿的指示[J]. 岩石矿物学杂志, 2010, 29(2): 151–165.

Liu Bin, Ma Chang-qian, Liu Yuan-yuan, Xiong Fu-hao. Mineral chemistry of biotites from the Tongshankou Cu–Mo deposit: Implications for petrogenesis and mineralization[J]. Acta PetrolMineral, 2010, 29(2): 151–165 (in Chinese with English abstract).

[10] 陈佑纬, 毕献武, 胡瑞忠, 董少花, 程德进, 冯张生. 陕南光石沟伟晶岩型铀矿床黑云母矿物化学研究及其对铀成矿的启示[J]. 矿物岩石, 2013, 33(4): 17–28.

Chen You-wei, Bi Xian-wu, Hu Rui-zhong, Dong Shao-hua, Cheng De-jin, Feng Zhang-sheng. Mineral chemistry of biotiteand its implications for uranium mineralization in Guangshigou pegmatite–type uranium deposit, South Shaanxi province[J]. J Mineral Petrol, 2013, 33(4): 17–28 (in Chinese with English abstract).

[11] 弥佳茹, 袁顺达, 原垭斌, 轩一撒. 湘南宝山矿床花岗闪长斑岩中黑云母的矿物学特征及其指示意义[J]. 矿床地质, 2014, 33(6): 1357–1365.

Mi Jia-ru, Yuan Shun-da, Yuan Ya-bin, Xuan Yi-sa. Mineral chemistry of biotites in Baoshan granodiorite_porphyry, southernHunan Province: Implications for petrogenesis and mineralization[J]. Mineral Deposit, 2014, 33(6): 1357–1365 (in Chinese with English abstract).

[12] 田建锋, 陈振林, 凡元芳, 李平平, 宋立军. 砂岩中自生绿泥石的产状、形成机制及其分布规律[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2008, 27(2): 200–205.

Tian Jian-feng, Chen Zhen-lin, Fan Yuan-fang, Li Ping-ping, Song Li-jun. The occurrence, growth mechanism and distribution of authigenic chlorite in sandstone[J]. Bull Mineral Petrol Geochem, 2008, 27(2): 200–205 (in Chinese with English abstract).

[13] 廖震, 刘玉平, 李朝阳, 叶霖, 刘世荣, 郑文勤. 都龙锡锌矿床绿泥石特征及其成矿意义[J]. 矿床地质, 2010, 29(1): 169–176.

Liao Zhen, Liu Yu-ping, Li Chao-yang, Ye Lin, Liu Shi-rong, Zheng Wen-qin. Characteristics of chlorites from Dulong Sn–Zndeposit and their metallogenic implications[J]. Mineral Deposit, 2010, 29(1): 169–176 (in Chinese with English abstract).

[14] 郭国林, 刘晓东, 潘家永, 张展适, 李兴斌. 302铀矿床绿泥石特征及其与铀成矿的关系[J]. 铀矿地质, 2012, 28(1): 35–41.

Guo Guo-lin, Liu Xiao-dong, Pan Jia-yong, Zhang Zhan-shi, Li Xin-bin. Character of chlorite and its relationship to uranium mineralization in uranium deposit No.302[J]. Uran Geol, 2012, 28(1): 35–41 (in Chinese with English abstract).

[15] 王小雨, 毛景文, 程彦博, 张兴康, 刘鹏, 刘石华, 方思傑. 粤东新寮岽铜多金属矿床绿泥石特征及其地质意义[J]. 岩石矿物学杂志, 2014, 33(5): 885–905.

Wang Xiao-yu, Mao Jing-wen, Cheng Yan-bo, Zhang Xing-kang, Liu Peng, Liu Shi-hua, Fang Si-jie. Characteristics of chlorite from Xinliaodong Cu polymetallic deposit in eastern GuangdongProvince and their geological significance[J]. Acta Petrol Mineral, 2014, 33(5): 885–905 (in Chinese with English abstract).

[16] 赵友东, 吴俊奇, 凌洪飞, 王洪作. 赣南富城岩体黑云母及其蚀变产物绿泥石的矿物化学研究——对铀成矿的指示意义[J]. 矿床地质, 2016, 35(1): 153–168.

Zhao You-dong, Wu Jun-qi, Ling Hong-fei, Wang Hong-zuo. Mineral chemistry of biotite and chlorite in western part of Fucheng granite, southern Jiangxi Province: Implications for uranium mineralization[J]. Mineral Deposit, 2016, 35(1): 153–168 (in Chinese with English abstract).

[17] 邵飞. 水–岩相互作用及其与铀成矿关系研究——以相山铀矿田为例[D]. 武汉: 中国地质大学, 2007.

Shao Fei. Study on water–rock interaction and its relation with uranium metallogenesis: A case study in Xiangshan uranium orefield[D]. Wuhan: China University of Geosciences, 2007 (in Chinese with English abstract).

[18] 杨水源. 华南赣杭构造带含铀火山盆地岩浆岩的成因机制及动力学背景[D]. 南京: 南京大学, 2013.

Yang Shui-yuan. Petrogenesis and geodynamic setting of magmatic rocks from uranium–bearing volcanic basins, Gan– Hang Belt, Southeast China[D]. Nanjing: Nanjing University, 2013 (in Chinese with English abstract).

[19] 杨庆坤. 江西相山矿田岩浆作用与铀多金属成矿[D]. 北京: 中国地质大学, 2015.

Yang Qin-kun. Genesis of the volcanic-intrusive complex and metallogenesis of uranium polymetallic in the Xiangshan orefield of Jiangxi province[D]. Beijing: China University of Geoscience, 2015 (in Chinese with English abstract).

[20] 周万蓬. 相山地区岩浆演化及其对铀成矿作用的制约[D]. 北京: 核工业北京地质研究院, 2015.

Zhou Wan-peng. The magmatic evolution in Xianshang area and its important role in the uranium mineralization[D]. Beijing: Beijing Research Institute of Uranium Geology, 2015 (in Chinese with English abstract).

[21] 张万良. 相山铀矿田矿体形态分类及成因意义[J]. 大地构造与成矿学, 2015, 39(5): 844–854.

Zhang Wan-liang. Orebody morphology and mineralization structure type of Xiangshan uranium field[J]. Geotecton Metallogen, 2015, 39(5): 844–854 (in Chinese with English abstract).

[22] 杨水源, 蒋少涌, 姜耀辉, 赵葵东, 范洪海. 江西相山流纹英安岩和流纹英安斑岩锆石U–Pb年代学和Hf同位素组成及其地质意义[J]. 中国科学: 地球科学, 2010, 40(8): 953–969.

Yang Shui-yuan, Jiang Shao-yong, Jiang Yao-hui, Zhao Kui-dong, Fan Hong-hai. Zircon U–Pb geochronology, Hf isotopic composition and geological implications of the rhyodacite and rhyodacitic porphyry in the Xiangshan uranium ore field, Jiangxi Province, China[J]. Sci China Earth Sci, 2010, 40(8): 953–969 (in Chinese).

[23] 陈正乐, 王永, 周永贵, 韩凤彬, 王平安, 宫红良, 邵飞, 唐湘生, 徐金山. 江西相山火山–侵入杂岩体锆石SHRIMP定年及其地质意义[J]. 中国地质, 2013, 40(1): 217–231.

Chen Zheng-le, Wang Yong, Zhou Yong-gui, Han Feng-bin, Wang Ping-an, Gong Hong-liang, Shao Fei, Tang Xiang-sheng, Xu Jin-shan. SHRIMP U–Pb dating of zircons from volcanic– intrusive complexes in the Xiangshan uranium orefield, Jiangxi Province, and its geological implications[J]. Geol China, 2013, 40(1): 217–231 (in Chinese with English abstract).

[24] 王勇剑. 相山花岗斑岩和中基性脉岩特征及其与铀成矿关系[D]. 北京: 核工业北京地质研究院, 2015.

Wang Yong-jian. The characteristics of Xiangshan granite porphyry and intermediate-basic dikes and their relationship with uranium mineralization[D]. Beijing: Beijing Research Institute of Uranium Geology, 2015 (in Chinese with English abstract).

[25] 许迅. 相山北部产铀花岗斑岩岩相学、地球化学、年代学及研究意义[D]. 南昌: 东华理工大学, 2017.

Xu Xun. Petrology, geochemistry, chronology and significanceof uranium–bearing granite porphyries in north of Xiangshan[D]. Nanchang: East China University of Technology, 2017 (in Chinese with English abstract).

[26] 李子颖, 黄志章, 李秀珍, 张玉燕. 相山火成岩与铀成矿作用显微图册[M]. 北京: 地质出版社, 2014: 1–324.

Li Zi-yin, Huang Zhi-zhang, Li Xiu-zhen, Zhang Yu-yan. Micro– photographs of Xiangshan igneous rocks and uranium mineralization[M]. Beijing: Geological Publishing House, 2014: 1–324 (in Chinese with English abstract).

[27] 林文蔚, 彭丽君. 由电子探针分析数据估算角闪石、黑云母中的 Fe3+、Fe2+[J]. 长春地质学院学报, 1994, 24(2): 155–162.

Lin Wen-wei, Peng Li-jun. The estimation of Fe3+and Fe2+contents in amphibole and biotite from EMPA data[J]. J ChangchunUniv Earth Sci, 1994, 24(2): 155–162 (in Chinese with English abstract).

[28] Deer W A, Howie R A, Zussman J. Rock-forming Minerals. Vol.3: Sheet Silicates[M]. London: Longman, 1967: 528.

[29] 赵沔, 杨水源, 左仁广, 赵葵东, 姜耀辉, 凌洪飞, 陈培荣. 赣杭构造带相山火山侵入杂岩的岩浆演化特征——来自斜长石和黑云母的化学成分研究[J]. 岩石学报, 2015, 31(3): 759–768.

Zhao Mian, Yang Shui-yuan, Zuo Ren-guang, Zhao Kui-dong, Jiang Yao-hui, Ling Hong-fei, Chen Pei-rong. Magmatic evolution characteristics of Xiangshan volcanic-intrusive complex from the Gan–Hang Belt: Studies on the mineral chemistry of plagioclase and biotite[J]. Acta Petrol Sinica, 2015, 31(3): 759–768 (in Chinese with English abstract).

[30] Stone D. Temperature and pressure variations in suites of Archean felsic plutonic rocks, Berens River area, northwest Superior Province, Ontario, Canada[J]. Can Mineral, 2000, 38(2): 455–470.

[31] 傅金宝. 斑岩铜矿中黑云母的化学组成特征[J]. 地质与勘探, 1981, 9(1): 16–19.

Fu Jin-bao. Chemical composition of biotite in porphyry copper deposits[J]. Geol Explor, 1981, 9(1): 16–19 (in Chinese).

[32] Foster M D. Interpretation of the composition of trioctahedral micas[J]. US Geol Survey Profess Pap, 1960, 354B: 1–49.

[33] Foster M D. Interpretation of the composition and a classification of the chlorites[J]. US Geol survey Profess Pap, 1962, 414A: 1–33.

[34] Robert J L. Titanium solubility in synthetic phlogopite solid solutions[J]. Chem Geol, 1976, 17(3): 213–227.

[35] Sarjoughian F, Kananian A, Ahmadian J, Murata M. Chemical composition of biotite from the Kuh–e Dom pluton, Central Iran: Implication for granitoid magmatism and related Cu–Au mineralization[J]. Arabian J Geosci, 2015, 8(3): 1521–1533.

[36] Parsapoor A, Khalili M, Tepley F, Maghami M. Mineral chemistry and isotopic composition of magmatic, re–equilibrated and hydrothermal biotites from Derreh–Zar porphyry copper deposit, Kerman(Southeast of Iran)[J]. Ore Geol Rev, 2015, 66: 200–218.

[37] Uchida E, Endo S, Makino M. Relationship between solidification depth of granitic rocks and formation of hydrothermal ore deposits[J]. Resour Geol, 2007, 57(1): 47–56.

[38] 刘英俊, 曹厉明. 元素地球化学导论[M]. 北京: 地质出版社, 1987: 124–128.

Liu Yin-jun, Cao Li-ming. Introduction to Element Geochemistry[M].Beijing: Geological Publishing House, 1987: 124–128 (in Chinese with English abstract).

[39] Rausell-Colom J A, Wiewiora A, Matesanz E. Relationship between composition and d001 for chlorite[J]. Am Mineral, 1991, 76(7/8): 1373–1379.

[40] Nieto F. Chemical composition of metapelitic chlorites: X–ray diffraction and optical property approach[J]. Eur J Mineral, 1997, 9(4): 829–841.

[41] Battaglia S. Applying X–ray geothermometer diffraction to a chlorite[J]. Clay Clay Mineral, 1999, 47(1): 54–63.

[42] 王勇剑, 林锦荣, 胡志华, 王峰, 庞雅庆, 高飞. 相山铀矿田云际矿床绿泥石特征及其地质意义[J]. 铀矿地质, 2018, 34(3): 153–158.

Wang Yong-jian, Lin Jing-rong, Hu Zhi-hua, Wang Fei, Pang Ya-qing, Gao Fei. Characteristics of chlorite in Yunji deposit of Xiangshan uranium ore–field and its geological implication[J]. Uran Geol, 2018, 34(3): 153–158 (in Chinese with English abstract).

[43] Brydzia L T and Scott S D. Application of chlorite–sulfide– oxide equilibria to metamorphosed massive sulfide ores, Snow Lake area, Manitoba(Canada)[J]. Econ Geol, 1987, 82(4): 963–970.

[44] Brydzia L T and Steven D S. The composition of chlorite as a function of sulfur and oxygen fugacity; an experimental study[J]. Am J Sci, 1987, 287(1): 50–76.

[45] Inoue A. Formation of clay minerals in hydrothermal environments[M]//Velde B. Origin and Mineralogy of Clays. Berlin: Spinger, 1995: 268–330.

[46] Abdel-Rahman A F M. Nature of biotite from alkaline, calc-alkaline, and peraluminous magmas[J]. J Petrol, 1994, 35(2): 525–541.

[47] 杨水源, 蒋少涌, 赵葵东, 姜耀辉, 范洪海. 江西相山铀矿田邹家山矿床流纹斑岩的锆石U–Pb年代学、岩石地球化学与Sr–Nd–Hf同位素组成[J]. 岩石学报, 2012, 28(12): 3915–3928.

Yang Shui-yuan, Jiang Shao-yong, Zhao Kui-dong, Jiang Yao-hui, Fan Hong-hai. Zircon U–Pb geochronology, geochemistry and Sr–Nd–Hf isotopic compositions of the rhyolite porphyry from the Zhoujiaoshan deposit in Xiangshan uranium ore field, Jiangxi Province, SE China[J]. Acta Petrol Sinica, 2012, 28(12): 3915–3928 (in Chinese with English abstract).

[48] 杨水源, 蒋少涌, 赵葵东, 姜耀辉, 凌洪飞, 陈培荣. 江西相山铀矿田如意亭剖面火山岩的年代学格架及其地质意义[J]. 岩石学报, 2013, 29(12): 4362–4372.

Yang Shui-yuan, Jiang Shao-yong, Zhao Kui-dong, Jiang Yao-hui, Ling Hong-fei, Chen Pei-rong. Timing and geological implicationsof volcanic rocks from the Ruyiting section, Xiangshan uranium ore field, Jiangxi Province, SE China[J]. Acta Petrol Sinica, 2013, 29(12): 4362–4372 (in Chinese with English abstract).

[49] Yu Z Q, Chen W F, Chen P R, Wang K X, Fang Q C, Tang X S, Ling H F. Chemical composition and Sr isotopes of apatite in the Xiangshan A–type volcanic–intrusive complex, Southeast China: New insight into petrogenesis[J]. J Asian Earth Sci, 2019, 172: 66–82.

[50] 杨文金, 王联魁, 张绍立, 徐文新. 华南两个不同成因系列花岗岩的云母标型特征[J]. 矿物学报, 1986, 6(4): 298–307.

Yang Wen-jin, Wang Lian-kui, Zhang Shao-li, Xu Wen-xin. Micas of the two series of granites in South China[J]. Acta Mineral Sinica, 1986, 6(4): 298–307 (in Chinese with English abstract).

[51] Peiffert C, Nguyen-trung C, Cuney M. Uranium in granitic magmas: Part 2. Experimental determination of uranium solubility and fluid–melt partition coefficients in the uranium oxide–haplogranite-H2O-NaX(X=Cl, F) system at 770 ℃, 2 kbar[J]. Geochim Cosmochim Acta, 1996, 60(9): 1515–1529.

[52] 王利玲. 相山铀矿田南、北部花岗斑岩特征对比研究[D]. 南昌: 东华理工大学, 2019.

Wang Li-ling. A comparative study on the characteristics of granite porphyry in the south and north of Xiangshan uranium ore field, Jiangxi Province [D]. Nanchang: East China University of Technology, 2019 (in Chinese with English abstract).

[53] 胡建, 邱检生, 王汝成, 蒋少涌, 凌洪飞, 王孝磊. 广东龙窝和白石冈岩体锆石U–Pb年代学、黑云母矿物化学及其成岩指示意义[J]. 岩石学报, 2006, 22(10): 2464–2474.

Hu Jian, Qiu Jian-sheng, Wang Ru-cheng, Jiang Shao-yong, Ling Hong-fei, Wang Xiao-lei. Zircon U–Pb geochronology, biotite mineral chemistry and their petrogenetic implications of the Longwo and Baishigang plutons in Guangdong province[J]. Acta Petrol Sinica, 2006, 22(10): 2464–2474 (in Chinese with English abstract).

[54] 钟福军, 潘家永, 许幼, 祁家明, 舒田田, 牟平, 吴德海. 南岭中段黄沙铀矿区黑云母与绿泥石的矿物化学特征及其对成岩成矿的约束[J]. 高校地质学报, 2017, 23(4): 575–590.

Zhong Fu-jun, Pan Jia-yong, Xu You, Qi Jia-ming, Shu Tian-tian, Mu Ping, Wu De-hai. Mineral chemistry of biotites and chlorites from Huangsha uranium mining area in the middle nangling range: Constraints on petrogenesis and uranium mineralization[J]. Geol J China Univ, 2017, 23(4): 575–590 (in Chinese with English abstract).

[55] Cuney M. The extreme diversity of uranium deposits[J]. Mineralium Deposita, 2009, 44(1): 3–9.

[56] Hu R Z, Burnard P G, Bi X W, Zhou M F, Peng J T, Su W C, Zhao J H. Mantle-derived gaseous components in ore–forming fluids of the Xiangshan uranium deposit, Jiangxi province, China: Evidence from He, Ar and C isotopes[J]. Chem Geol, 2009, 266(1/2): 86–95.

[57] 张邦桐. 华南花岗岩中铀活化转移的地球化学证据[J]. 地球化学, 1994, 23(2): 161–167.

Zhang Bang-tong. Geochemical evidence for uranium mobilization and migration in granites from south China[J]. Geochemica, 1994, 23(2): 161–167 (in Chinese with English abstract).

[58] 邵飞, 陈晓明, 徐恒力, 黄辉明, 唐湘生, 邹茂卿, 何晓梅, 李梅. 江西相山铀矿田成矿模式探讨[J]. 地质力学学报, 2008, 14(1): 65–73.

Shao Fei, Chen Xiao-ming, Xu Heng-li, Huang Hui-ming, Tang Xiang-sheng, Zou Mao-qing, He Xiao-mei, Li Mei. Metallogenic model of the Xiangshan uranium ore field, Jiangxi province[J]. J Geomechan, 2008, 14(1): 65–73 (in Chinese with English abstract).

Mineral chemistry and geological significance of biotite and chlorite from granite porphyries in the northern Xiangshan uranium orefield

LIU Long1, ZHANG Shu-ming1,2*, WANG Li-ling1,3, ZHANG Xin1,2, OUYANG Jun-yong1, XIA Yin-chu1and WU Zhi-chun1,2

1. State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment, East China University of Technology, Nanchang  330013, China; 2. Fundamental Science on Radioactive Geology and Exploration Technology Laboratory, East China Institute of Technology, Nanchang  330013, China; 3. Shanwei Technical School, Shanwei  516600, China

Xiangshan uranium orefield is the largest volcanic-type uranium deposit in China. Granite-porphyries subtype uranium deposits in the northern part of Xiangshan uranium orefield account for 36.65% of the total reserves. Although systematic studies have been made on granite porphyries in the north of Xiangshan orefield, research on mineral chemistry in granite porphyries is rare. Based on the detailed chemical analyses of biotite and chlorite, this study discusses the formational conditions of biotite and chlorite from granite porphyries in the northern part of Xiangshan uranium orefield and their significance for diagenesis and mineralization. The results are as follows: (1) biotite belongs to Fe-biotite. Chemical composition of biotite suggests that granitic porphyries have high crystallization temperature of 721 ℃ to 753 ℃ (average of 737 ℃) and their lg(O2) range from −14.8 to −15.7. Crystallization pressure for biotite is 112 MPa to 147 MPa with corresponding solidification depth of 4.1 to 5.4 km. Granite porphyries in the northern part of Xiangshan uranium orefield belong to A-type granite formed in the non-orogenic tectonic setting. In addition, granite porphyries originated from partial melting of upper crust. (2) Chlorite in the northern part of Xiangshan uranium orefield is Fe-rich prochlorite formed under reducing conditions. The temperature of chlorite ranges from 230 to 271 ℃(average 258 ℃); hence, it belongs to the region of mesothermal alteration. (3) The main carriers of uranium in granite porphyries are uranium-bearing accessory minerals enclaved in biotite. In the early metallogenic stage, chlorite was formed by hydrothermal metasomatism of biotite, making the uranium in uranium-bearing accessory minerals in biotite activated and transferred into a dispersive adsorbent condition. Active uranium was absorbed by minerals such as chlorite on the surface of mineral lattice or mineral fissures, which provided uranium source for the hydrothermal melt during the metallogenic stage.

biotite; chlorite; granite porphyries; chemical characteristics of minerals; diagenesis and mineralization; northern Xiangshan

P597

A

0379-1726(2021)06-0550-12

10.19700/j.0379-1726.2021.06.002

2020-03-20;

2020-07-08;

2020-07-14

国家自然科学基金(41862006, 41802247); 江西省研究生创新基金(YC2020-B159)

刘龙(1989–), 男, 博士研究生, 地质资源与地质工程专业。E-mail: 584456270@qq.com

ZHANG Shu-ming, E-mail: shmzhang@ecit.cn; Tel: +86-791-83897549