鹿井铀矿田庙背垅地区赋矿碱交代岩岩石学、地球化学特征

2022-01-27李志鹏夏菲党飞鹏钟福军

铀矿地质 2022年1期

李志鹏，夏菲，党飞鹏，钟福军

（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.核工业二七〇研究所，江西南昌 330200）

鹿井铀矿田位于湘赣粤边界诸广山复式岩体的中部，是桃山-诸广花岗岩型铀成矿带的重要组成。前人历经40 余年的找矿勘查，先后在丰州盆地周缘落实了鹿井、沙坝子、牛尾岭、黄峰岭、高昔、下洞子等大中小型铀矿床，显示出该区具有优越的成矿条件和良好的找矿前景。前人对鹿井矿田的矿床、矿石、矿物学特征以及成矿地质条件做过较系统研究，取得了一系列较好的研究成果［1-7］。随着近些年铀矿勘查工作的不断开展，以及对成矿要素、成矿规律和矿化特征研究的不断深入，不断有新的地质问题亟待解决。

诸广山复式岩体内铀矿化包括碎裂蚀变岩亚型和硅质脉亚型两类。其中，碎裂蚀变岩亚型铀矿化具有“品位低、规模大、埋藏浅、易选冶、经济效益好”的特点，是鹿井矿田资源扩大的首选目标。已有的勘查资料显示，碎裂蚀变岩亚型铀矿化在空间上和成因上与碱交代（岩）存在密切联系［8］，尤以高昔、小山、庙背垄地区最为突出。然而，关于碱交代（岩）的岩石学与地球化学特征，及其与铀矿化关系的研究却鲜有报道。因此，本文在野外地质编录的基础上，选取庙背垄地区赋矿围岩（正常花岗岩）、碱交代花岗岩、碱交代岩为研究对象，通过岩相学观察、主微量地球化学分析，分析碱交代和成矿过程的矿物学和地球化学变化规律，探讨碱交代与铀成矿关系，以期为下一步找矿勘查部署提供技术支撑。

1 地质背景

鹿井铀矿田位于诸广复式岩体中部，处于桃山-诸广花岗岩型铀成矿带西南段（图1a）。区内由1 个大型矿床（鹿井矿床）、5 个中型矿床（黄峰岭、高昔、沙坝子、牛尾岭和羊角脑矿床）和4 个小型矿床（梨花开、枫树下、洞房子和下洞子矿床）构成。庙背垅地区位于鹿井矿田中部，高昔铀矿床西南侧（图1b）。

图1 鹿井铀矿田地质简图Fig.1 Simplified geological map of Lujing uranium ore field

区内主要出露印支期第二阶段中粗粒斑状黑云母（二长）花岗岩（文英-热水岩体）、燕山早期第三阶段细粒二云母花岗岩（官庄岩体），局部见肉红色碱交代花岗岩、浅红褐色碱交代岩。在铀矿化异常发育部位常见肉红色碱交代花岗岩（钾长石化花岗碎裂岩）、红色碱交代岩［10-11］。

北东向QFII石英硅化断裂带斜贯研究区，是主控矿构造；北东向-北北东向次级硅化（角砾岩）带、碎裂蚀变岩带发育，是含矿断裂（图1b）。QFⅡ断裂带在研究区出露宽10～20 m，走向北东，倾向南东，倾角为56°～80°，倾向延深倾角逐渐变缓至48°～55°，带内以白色中粗晶块状石英为主体，两侧发育中晶-微晶石英脉、构造角砾、构造泥、硅化角砾岩、花岗碎裂岩等多阶段构造活动痕迹。

北东向断裂带上盘岩性多为灰绿色绿泥石化水云母化碎裂花岗岩、灰绿色水云母化花岗碎裂岩，断裂下盘岩性多为肉红色赤铁矿化钾长石化花岗碎裂岩（碱交代花岗岩）、浅红褐色碱交代岩，表明该区热液蚀变具有一定的分带性，并与铀矿化异常的空间分布关系密切。

庙背垅地区地表及深部铀矿化异常发育，伽马能谱铀含量高-异常晕与土壤210Po 高-异常晕明显受北东向断裂控制，叠合性较好。区内已发现的庙背垅铀矿点、小山铀矿点沿北东向断裂构造分布，均属碎裂蚀变岩亚型。

2 样品采集与分析

本次采集的8 个样品来源于庙背垄地区ZK33-8 号钻孔岩心，取样位置见图2。样品在野外肉眼观察和室内显微鉴定的基础上，进行主量、微量、稀土元素分析，结果见表1、2、3。所有样品分析测试工作在广州澳实矿物实验室完成，主量元素测定采用P61-XRF26st 分析法，测试仪器为产于荷兰的PANalytical 品牌PW2424型号X 射线荧光光谱仪；微量元素和稀土元素采用M61-MS81、M61LR-MS81 分析法，测试仪器为产于美国的Agilent 品牌7900 型电感耦合等离子体质谱，其中P61-XRF26st 分析法误差＜5%，M61-MS81、M61LR-MS81 分析法中元素含量大于10×10-6的误差范围小于5%，元素含量小于10×10-6的精度优于10%，详细流程参考澳实矿物分析实验室分析测试手册。

表1 碱交代花岗岩、含矿碱交代岩、中粗粒斑状黑云母（二长）花岗岩主量元素特征表/%Table 1 Major elements characteristics of alkali metasomatic granite,ore-bearing alkali metasomatite and coarse-medium porphyaceous biotite (monzonitic)granite（%）

图2 ZK33-8 钻孔剖面示意图Fig.2 Drillhole section map of ZK33-8

3 岩石学特征

研究区碱交代岩、碱交代花岗岩与正常花岗岩呈渐变接触且界线不规则，往往呈透镜状、脉状成群成带展布，整体走向与北东向QFⅡ断裂带一致。

3.1 中粗粒斑状黑云母（二长）花岗岩

区内赋矿围岩为印支期第二阶段中粗粒斑状黑云母（二长）花岗岩，地表露头和岩心常呈肉红色-浅肉红色，中粒似斑状结构，块状构造。矿物组成为自形柱状斜长石、自形-半自形板柱状钾长石、他形粒状石英、片状黑云母和少量白云母。镜下鉴定，斑晶为钾长石，呈自形板柱状，大小为0.5 cm×1.3 cm～1.1 cm×2.3cm，含量约12%。基质为中粒花岗结构，其中斜长石粒径为0.5～0.8 cm，含量约25%，见聚片双晶、卡钠复合双晶，发育弱绢云母化、白云母化（图3a）；钾长石，粒径为0.5～1.0 cm，含量约27%，多为条纹长石，见细条纹状钠长石客晶分布在钾长石主晶中（图3a），少量卡式双晶、格子双晶；石英，粒径为0.3～0.8 cm，含量约27%，他形粒状，一级灰白干涉色，与长石互嵌，局部见石英交代长石（图3b）；黑云母，含量约8%，呈片状或不规则片状。副矿物有钛铁矿、黄铁矿、电气石等。靠近铀矿化段，围岩呈碎裂状，发育中等绿泥石化，镜下见黑云母绿泥石化、白云母化（图3b）。

3.2 碱交代花岗（碎裂）岩

碱交代花岗岩，主要由粒径2.5～10 mm 的半自形板柱状钾长石、斜长石、他形粒状石英、显微鳞片状黑云母等组成，构成中粒似斑状结构，岩石普遍碎裂化，见碎裂结构，裂隙中分布显微鳞片集合体状绢云母。基质为中粒花岗结构，其中钾长石，粒径为4～30 mm，含量约41%，呈半自形板柱状，具卡式双晶、条纹结构，见长条状钠长石条纹分布钾长石中；斜长石，粒径为0.5～6 mm，含量约34%，呈半自形板柱状，分布有较密集的聚片双晶，主要为钠质斜长石，轻度绢云母化、高岭石化，部分见正长石边，见被钾长石交代的现象（图3c）；石英，含量约2%，呈他形粒状或粒状集合体，正交偏光下呈一级灰白干涉色，显波状消光受，应力发育裂纹，裂纹中分布碎粒状石英（图3c）；绿泥石，含量约5%，不规则片状集合体，单偏光下呈浅绿色，这边正交偏光下具异常干涉色，部分集合体显黑云母假象（图3c），主要分布在岩石裂隙，为应力作用下的重新分布。钾长石斑晶含量约10%，长轴长1～2.8 cm，多受应力发育裂隙，部分破碎呈碎粒状（图3d）。岩石局部碎裂岩化，沿着裂隙见少量碳酸盐化、绿泥石化、黄铁矿化、绿帘石化，有的地方具轻度的褐铁矿化。

图3 中粗粒斑状黑云母二长花岗岩、碱交代花岗岩、碱交代岩显微特征Fig.3 The microscopic feature of coarse-medium porphyaceous biotite monzogranite，alkali metasomatic granite and alkali metasomatite

3.3 碱交代岩

含矿碱交代岩，主要由半自形板柱状、他形粒状钾长石、半自形板柱状斜长石、不规则片状绿泥石和少量云母组成，构成连斑结构；岩石中钾化现象明显，见条纹长石交代斜长石晶体，构成交代结构；岩石碎裂化，多见长石晶体受应力破碎，且多发育裂隙，裂隙中分布少量长英质碎粒、绿泥石等，构成碎裂结构。钾长石主要为条纹长石、微斜长石、正长石，含量约占55%，以板状、半自形为主，粒径在0.5～2 mm 之间，大的钾长石斑晶有15 mm 左右，发育中度高岭石化和较强的赤铁矿化（图3e），颗粒大的钾长石中包裹了微细粒的斜长石，见钾长石被方解石、萤石细脉切穿的现象（图3e），钾长石晶体多受应力发育裂隙，部分破碎呈碎粒状；斜长石，主要为钠-更长石，含量小于3%，呈板状，粒径在0.5～3 mm 之间，发育轻度绢云母化、较强的碳酸盐化、轻度绿泥石化和较强的赤铁矿化（图3f）；黑云母，含量小于2%，呈片状，大小约0.4～1 mm 之间，发育白云母化，且沿解理有铁质矿物析出。岩石蚀变强烈，原岩结构不明显，发育强烈的方解石化、赤铁矿化、萤石化和中度绿泥石化。这些热液矿物占40%，主要呈脉状（方解石、萤石、赤铁矿）（图3e、f）、面状（方解石）、团块状（绿泥石）产出，这些热液脉中还可见帘石类（斜黝帘石）等副矿物。

4 地球化学特征

4.1 主量元素

由表1可见，与中国东部构造区花岗岩主量元素均值相比［12］，研究区正常花岗岩（中粗粒斑状黑云母二长花岗岩）总体上高硅（SiO2＝73.23%～74.91%，平均值72.20%）、略低钛（TiO2＝0.21%～0.34%，平均值0.29%）、略高铝（Al2O3＝12.56%～14.06%，平均值13.47）、铝指数A/CNK＝1.17～1.20（平均值为1.18）、A/NK＝1.42～1.43（平均值为1.42），在A/CNK-A/NK图解上大都位于过铝质岩区和S型花岗岩区（图4a），暗示其可能是上地壳富铝质物质重熔的产物；富钾贫钠（Na2O＝2.76%～2.87%、平均值为2.82%，K2O＝3.90%～4.79%、平均值为4.46%，Na2O/K2O＝0.60～0.71，平均值为0.64），较富碱（Na2O+K2O＝6.66%～7.66%，平均值为7.29%），属钾质花岗岩类，在SiO2-（Na2O+K2O）图解上大都落入花岗岩区（图4b）；MgO含量较低（MgO＝0.44%～0.46%、平均值为0.45%）、TFe2O3含量略高（TFe2O3＝1.84%～2.43%、平均值为2.10%），镁指数Mg#略低（Mg#＝30.6～35.8，平均值为33.7）；赖特碱度率AR＝2.91～3.02，属碱性岩，在SiO2-K2O图解（图4c）上全部落入高钾钙碱性系列。

图4 庙背垄地区花岗岩类主量元素图解Fig.4 Major elements diagram of granite plutons in Miaobeilong area

上述特征表明，区内主体岩性属富钾的高钾钙碱性系列过铝质花岗岩，与S 型花岗岩主量元素特征相似，与我国华南地区壳源重熔（S）型花岗岩的岩石地球化学特征一致，代表着上地壳硅铝质岩石经部分熔融和结晶分异作用而形成的侵入岩。

由表1 和图5 可见，与区内正常花岗岩相比，碱交代花岗岩除SiO2、CaO 含量均明显降低外，其余主量元素含量均有不同程度增加，SiO2、CaO 均值含量分别减少10.45%、0.37%，Al2O3、MgO、Na2O 和K2O 均值含量分别明显增加了5.50%、0.22%、2.91%和1.46%。含矿碱交代岩依次与正常花岗岩、碱交代花岗岩相比，SiO2含量持续降低，均值含量降至57.06%；K2O、TFe2O3和MnO2含量持续增加，均值含量分别增加至7.08%、4.58%和0.10%；Al2O3、MgO和Na2O 含量以及K2O/Na2O 值均是先增加后减少（图5）。

图5 主量元素、稀土总量与K2O 相关图解Fig.5 The diagram of major elements and ∑REE to K2O

4.2 微量（稀土）元素

如表2 和图6a 所示，研究区正常花岗岩（中粗粒斑状黑云母二长花岗岩）富集大离子元素Rb、U、Ta、Pb、Nd，明显亏损Ba、Nb、Sr、Ti 和轻微亏损La、Ce、Zr、Hf；微量元素蛛网图明显呈现左侧“隆起”和右侧“平缓”的特征，相似于南岭地区的过铝-强过铝花岗岩［16］。

表2 碱交代花岗岩、含矿碱交代岩、中粗粒斑状黑云母（二长）花岗岩微量元素特征表/10-6Table 2 Trace elements characteristics of alkali metasomatic granite,ore-bearing alkali metasomatite and coarse-medium porphyaceous biotite (monzonitic)granite（10-6）

如表3 和图6b 所示，研究区样品稀土元素总量（∑REE）介于（163.40～246.70）×10-6，平均值为188.94×10-6；LREE 含量为（148.02～221.35）×10-6，平均值为168.37×10-6；HREE 含量为（15.38～25.35）×10-6，平均值为20.57×10-6；LREE/HREE 值为7.06～9.87，平均值为8.31。稀土元素球粒陨石标准化配分曲线呈“右倾型”（图6b），LREE/HREE 平均值为8.31，（La/Yb）N值为6.97～12.81（平均值为9.03），显示轻稀土富集、重稀土亏损的特征，与我国华南地区壳源重熔（S）型花岗岩的岩石地球化学特征一致。

表3 碱交代花岗岩、含矿碱交代岩、中粗粒斑状黑云母（二长）花岗岩稀土元素特征表/10-6Table 3 REE characteristics of alkali metasomatic granite,ore-bearing alkali metasomatite and coarse-medium porphyaceous biotite granite（10-6）

在微量元素蛛网图上（图6a），碱交代花岗岩与正常花岗岩微量元素特征基本一致，含矿碱交代岩U 和Pb 正异常更明显，含量高，分别为（1 070～2 560）×10-6和（67.9～88.7）×10-6。在稀土元素配分图上（图6b），碱交代花岗岩与正常花岗岩稀土配分曲线特征大体一致，而含矿碱交代岩∑REE 和HREE 含量明显增高，∑REE＝（191.27～193.64）×10-6，HREE＝（20.98～23.74）×10-6，且HREE 配分曲线更趋水平。

图6 微量元素蛛网图（a）和稀土元素配分图（b）（标准化值据Mc Donough，1995［17］）Fig.6 Trace elements pattern（a）and REE pattern（b）（standardized data according to Mc Donough，1995［17］）

5 讨论

5.1 元素含量变化与热液蚀变

如表1、图5 所见，研究区粗中粒斑状黑云母（二长）花岗岩、碱交代花岗（碎裂）岩、碱交代岩的SiO2含量依次降低，而K2O、TFe2O3含量和Fe2O3/FeO 值却持续增加，与含矿花岗岩碱交代和赤铁矿化蚀变程度逐渐变强、石英含量明显降低相一致，表明赤铁矿化与碱交代叠加发育的地质体就是铀矿体，且硅化较弱，这与碎裂蚀变岩亚型铀矿化特征相一致。而Al2O3、MgO、Na2O 和全碱（Na2O+K2O）含量先增加后减少，表明区内碱交代以钾长石化为主。碱交代岩相比于碱交代花岗岩和正常花岗岩，Fe2O3含量和Fe2O3/FeO 值呈倍数增加，表明赤铁矿化是直接的找矿标志。

5.2 元素含量特征与源区物质

岩石和矿物中的微量元素含量在地质作用过程中可发生明显变化，因而可作为地质过程的示踪剂［18-19］。研究区正常花岗岩（中粗粒斑状黑云母二长花岗岩）高的Nb/Ta（4.22～5.54，平均值为4.84）和Zr/Hf 值（34.6～35.1，平均值为34.9），均略低于或相当于诸广地区花岗岩值（Nb/Ta＝11 和Zr/Hf＝33～40），说明在壳源物质熔融形成的花岗岩浆演化过程中，熔体与富挥发分流体分离演化不明显，Nb-Ta 和Zr-Hf 元素对分馏程度与诸广地区花岗岩相似。研究区重稀土元素分异程度较低，（Gd/Yb）N＝1.34～2.17，平均均值为1.74，暗示岩浆源区较深。δEu＝0.25～0.32，平均值为0.29，显示明显的负Eu 异常，暗示岩浆演化过程中存在明显的斜长石分离结晶。这种富挥发分流体的形成可能主要同花岗岩的源区物质由富水沉积岩组成以及岩浆结晶晚阶段富挥发分的高温水热流体的释放有关。

Rb/Sr（5.02～7.16，平均值为5.77）和Rb/Nb值（17.7～24.8，平均值为20.6）都明显高于中国东部Rb/Sr和Rb/Nb 值（分别为0.31 和6.8［20］）和全球上地壳Rb/Sr 和Rb/Nb 的平均值（分别为0.32 和4.5［21］），表明它们都源自成熟度较高的陆壳物质，利于铀成矿。与主量元素图解中指示的研究区花岗岩源岩为“富黑云母的变泥质岩或变杂砂岩”相一致（图7）。该推断结果与研究区所在的印支期文英-热水岩体周缘寒武系变余砂岩、板岩、碳质板岩相对应。所以认为，区内赋矿花岗岩是上地壳富铝的浅变质岩系在减压增温的条件下部分熔融的产物。

图7 花岗岩源区判别图解（据Lee 等，2003［22］）Fig.7 Discriminant diagram of granite source area（according to Lee et al.，2003［22］）

5.3 元素含量变化与铀成矿

研究区粗中粒黑云母（二长）花岗岩具有较高的铀含量（18.3×10-6～24.3×10-6，平均为21.7×10-6），明显高于中国东部上地壳（1.5×10-6）［18］和全球上地壳的平均值（2.8×10-6）［19］，为铀成矿提供有利条件。

含矿碱交代岩与正常花岗岩相比，微量元素蛛网图整体上仍显示左侧“隆起”和右侧“平缓”的特征（图6a），更明显的U 和Pb 正异常和更高的U 和Pb 含量（表2），暗示铀矿物与黄铁矿正相关，而Ba、Nb、Sr 和Ti 等元素含量更低。含矿碱交代岩与正常花岗岩相比，LREE 含量有增高但配分曲线大体一致（图6b，表3），HREE 含量有增高且配分曲线更趋水平，表明铀成矿过程中U 的沉淀富集与HREE 元素化学活动密切相关。上述特征可归纳，研究区铀矿物的富集与黄铁矿紧密共生，从而在地球化学特征上显示出U 含量与Pb、HREE 含量呈正相关关系。

5.4 碱交代与铀成矿

杜乐天认为U、Th 是随着幔汁的活动，由地幔向地壳逐渐迁移增量的，并且在地质历史中不断地从地壳的下部构造向中部构造层，再向上部构造层中转移［23］。研究区碱交代花岗（碎裂）岩、碱交代岩的形成可能与燕山晚期煌斑岩脉的形成有关。燕山晚期（125～65 Ma）岩石圈伸展减薄，研究区处于拉张的应力背景，具幔源属性的中基性岩浆沿张性断裂构造上侵，相伴形成的碱性热液在断裂构造上下盘与印支期第二阶段中粗粒斑状黑云母二长花岗岩发生水岩交代，形成了碱交代花岗（碎裂）岩、碱交代岩，为后期成矿流体中铀元素的卸载沉淀创造了有利的物理化学环境。碱交代作用的发育不仅有利于富铀花岗岩中铀的活化转移，为成矿流体中铀的富集创造有利条件，而且在某些条件下，尤其是在碱交代作用晚期，由于大量铀转移进入交代流体（地幔流体）而有可能在有利的物理化学条件下直接富集成矿。