内蒙古银宫山地区闪长玢岩脉锆石U-Pb 同位素年代学、地球化学特征及与铀矿化关系研究

2022-07-27李华明李玲王果苗爱生

铀矿地质 2022年4期

李华明，李玲，王果，苗爱生

（核工业二○八大队，内蒙古包头 014010）

银宫山地区位于华北板块北缘［1］，行政区划上属于内蒙古自治区中部，是我国重要的有色金属矿集区，同时也是稀土、煤等矿产的重要产出区［2-3］。2010 年以来，银宫山地区陆续发现多处热液型铀矿化，显示出良好的找矿前景。该地区铀矿化的研究主要集中于大东山岩体中发育的矿化点，核工业二〇八大队针对其进行了部分钻探施工，取得一定的找矿成果，重点研究了铀矿化特征和控矿因素，对矿化成因做了初步论述［4］。而对于大东山岩体中发育的与闪长玢岩脉相关的铀矿化则几乎未开展工作，仅初步完成了铀矿地质调查及矿点检查工作，由于多种原因的限制，勘查工作同样未深入开展。但根据目前仅有的勘查情况来看，与闪长玢岩脉有关的铀矿化矿化程度高，控矿作用明显，成矿潜力巨大，矿化成因及矿化特征的研究亟待进行。因此，有必要针对银宫山地区闪长玢岩脉进行深入的岩石学、岩石地球化学等综合研究，明确闪长玢岩脉与铀矿化成因的关系，进一步查明该类型铀矿化的特征，确定找矿方向。据此，本文针对赋矿的闪长玢岩脉开展锆石U-Pb 年代学、岩石地球化学等研究，结合铀矿物产出特征，分析闪长玢岩脉与铀成矿作用的关系，对查明该区铀矿床的控矿因素、矿化成因及进一步的铀矿勘查工作有一定的指导意义。

1 地质背景

内蒙古银宫山地区大地构造位置紧邻中亚造山带，为华北板块北缘的一部分，二级构造单元包括华北地块和中元古代大陆边缘造山带［5-7］（图1），其中华北地块包括阴山隆起和鄂尔多斯坳陷两个次级构造单元，其再向北则为西伯利亚板块南缘的锡林浩特微陆块（中间地块）［8-12］。

图1 华北板块北缘构造单元划分简图Fig.1 The tectonic units in the north margin of North China Plate

银宫山地区出露地层主要包括新太古界乌拉山群（Ar3W）、新元古界震旦系什那干群（ZS）、古生界上石炭统拴马桩组（C2s）、中生界中侏罗统大青山组（J2d）、新生界第四系［13-15］（图2）。

研究区岩浆岩具有多旋回发育的特征，主要有新太古代花岗岩、中-新元古代花岗岩、石炭纪花岗岩、花岗闪长岩、三叠纪花岗岩及侏罗纪花岗岩等。不同时代岩体均呈近东西向展布，受近东西向深断裂控制，部分早中侏罗世岩体则受北东向断裂的影响而呈北东向展布。

2 岩石学特征

2.1 花岗岩

银宫山地区出露大量石炭纪-三叠纪花岗岩体，其主体为大东山序列花岗岩（三叠纪），其次为东脑包序列花岗岩（石炭纪）（图2）。岩体主要侵入新太古界乌拉山群、上石炭统拴马组，个别地区见侵入震旦纪什那干群。被侵入的地层为一套砂砾岩、砂页岩夹劣煤层和长石砂岩夹灰岩、泥灰岩。研究区内的大东山序列花岗岩主要由4 个单元构成：一单元中细粒花岗岩（TγD1），主体为黑云母二长花岗岩、二云母钾长花岗岩，主要出露在大东山岩体东部的下营盘地区，出露面积较小，约10 km2；二单元中粗粒黑云母花岗岩（TγD2），构成大东山岩体的主体，出露面积较大，约1 000 km2，呈大型岩基状产出；三单元花岗岩（TγD3）出露在大东山岩体的中部，由中细粒黑云母花岗岩构成；四单元中粗粒似斑状花岗岩（TγD4），出露面积较小，约10 km2。笔者对各单元花岗岩的矿物种类及含量进行了分析，分析结果见表1。

表1 大东山序列花岗岩的矿物含量统计表Table 1 Statistics on the mineral content of granites in Dadongshan sequence

图2 内蒙古银宫山地区地质简图Fig.2 Geological sketch of Yingongshan area，Inner Mongolia

2.2 闪长玢岩脉

研究区除了出露有花岗岩外，还分布有不同产状的各类岩脉，其中以闪长玢岩脉与铀矿化关系最为密切。闪长玢岩多呈脉状穿插于大东山序列二单元中粗粒黑云母花岗岩中，宽约1～2.5 m 不等，走向为128°～133°，手标本具有斑状结构，斑晶主要为斜长石和角闪石（图3），基质以板条状斜长石为主（30%～35%），其次为钾长石（20%～25%）、他形角闪石（10%～15%）、石英（5%～10%）、黑云母（0～10%），其中黑云母多发生绿泥石化蚀变，同时见少量铁氧化物、次生白云母、钛铁矿、锆石、磷灰石等矿物。

图3 银宫山地区闪长玢岩的野外露头（a）、手标本（b）和显微特征（c）Fig.3 Outcrops（a），hand specimens（b）and microscopic photos（c）of diorite porphyrite in Yingongshan area

3 样品采集与分析

本次研究采集了与矿化有关的闪长玢岩脉及其围岩大东山序列二单元中粗粒黑云母花岗岩样品，应用锆石LA-ICP-MS 法对其成岩年龄进行了精确厘定［16-18］，其中选取两个闪长玢岩样品进行定年，分别为新鲜（未发生矿化蚀变）的样品WLC-02 和发生矿化蚀变的样品DNB-08；选取大东山序列二单元中粗粒黑云母花岗岩两个样品进行定年，分别为WLC-11、YGS-15a。选取6 个闪长玢岩样品进行主、微量元素含量分析［19-22］，分别为3 个新鲜（未发生矿化蚀变）的样品WLC-02、WLC-03、WLC-04 和3 个发生矿化蚀变的样品DNB-07、DNB-08、DNB-09。

锆石分选在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室完成，首先从每件样品中分选出约100～200 颗单颗粒锆石，然后制靶、打磨抛光，进行锆石CL（阴极发光成像）图像采集，应用Quanta 400 型扫描电子显微镜上的Mono CL3+阴极荧光探头完成图像采集，观察锆石的结构。锆石LA-ICP-MS U-Pb定年应用Agilent 7500 ICP-MS、NEW Wave UP213 激光剥蚀进样系统共同完成，激光斑束直径为33 µm，频率为10 Hz，分析过程参考文献［14］。样品同位素数据处理采用GLITTER 4.0 计算软件，普通Pb 校正采用Andersen 的方法［23］，校正以后的结果采用Isoplot 程序（V.3.23）计算年龄和绘制谐和图。

岩石主量元素分析在核工业二〇八大队分析测试中心完成。采用碱熔玻璃片在日本理学RIX2100X 荧光光谱仪上进行分析。测试过程采用标样以及重复样监控，分析精度一般优于5%，烧失量通过马沸炉采用高温灼烧法分析获得。微量元素和稀土元素分析在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成，实验仪器为Elan 6100 DRC 电感耦合等离子质谱仪。测试在超净实验室中完成，样品经国际标样以及空白样监控，Co、Ni、Zn、Ga、Rb、Y、Zr、Nb、Ta 和REE（除Hf 和Lu）等元素分析精度优于10%，其他低浓度元素的分析精度介于5%～10%。

4 分析测试结果

4.1 锆石U-Pb 同位素年龄

本次对闪长玢岩脉及其围岩大东山序列二单元中粗粒黑云母花岗岩样品中的32粒锆石进行了91个测点的分析，锆石的分析结果和代表性阴极发光图像见图4。锆石呈无色透明或者黄褐色，多为自形长柱状晶形，少数为等粒，具明显的振荡环带结构，Th/U值较大，变化于0.46～2.37之间，平均值为0.99，上述特征说明，这些锆石基本为岩浆锆石［19］。

图4 代表性闪长玢岩（a）及黑云母花岗岩（b）锆石CL 图像Fig.4 Representative cathode luminescence（CL）images of the diorite porphyrite（a）and biotite granite（b）

4.1.1 闪长玢岩脉

WLC-02 样品共测试分析20 个点，其中11个测点位于锆石振荡环带上，具有较高的谐和度，且都投影在谐和线上，其U 含量变化在（46～530）×10-6之间，Th 含量变化在（73～465）×10-6之间，Th/U 值在0.72～1.93 之间（表2）。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（231.9±2.1）Ma，MSWD＝1.7（图5），代表其成岩年龄。

图5 银宫山地区未蚀变闪长玢岩锆石U-Pb 年龄谐和年龄（a）和加权平均年龄（b）图Fig.5 U-Pb concordant age（a）and weighted average age（b）of the fresh diorite porphyrites in Yingongshan area

DNB-08 样品共测试分析24 个点，其中18个测点的谐和度较高，测试分析结果显示出了三组加权平均年龄数据，分别为：第一组，U 含量变化在（102～652）×10-6之间，Th 含量为（120～893）×10-6，Th/U 值在0.60～2.01 之间，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（242.3±2.0）Ma，MSWD＝0.53；第二组，U 含量变化在（291～703）×10-6之间，Th 含量变化在（210～565）×10-6之间，Th/U 值在0.62～1.06 之间，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（210.8±2.0）Ma，MSWD＝0.79；第三组，U 含量变化在（506～1 885）×10-6之间，Th 含量变化在（278～904）×10-6之间，Th/U 值在0.46～0.91之间，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（128.3±7.5）Ma，MSWD＝2.7（表2，图6）。

图6 银宫山地区矿化蚀变闪长玢岩锆石U-Pb 谐和年龄（a）和加权平均年龄（b、c、d）Fig.6 U-Pb concordant age（a）and weighted average age（b，c，d）of the altered and mineralized diorite porphyrite in Yingongshan area

4.1.2 大东山序列二单元花岗岩

WLC-11 共分析了23 个数据点，其中测自振荡环带上的9 个数据点给出的206Pb/238U 年龄较为一致，其U 含量在（148～13 377）×10-6之间变化，Th 含量在（169～6 174）×10-6之间变化，Th/U 值为0.34～1.27（表2）。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（232.8±2.0）Ma，MSWD＝1.8（图7a、b），代表其成岩年龄。

YGS-15a 样品共测试分析24 个点，U 含量为（103～429）×10-6，Th 含量为（84～559）×10-6，Th/U 值在0.76～1.21之间变化（表2）。U-Pb 年龄谐和图显示，16 个测点的谐和度较高，只有少部分测点偏离。测试分析结果显示206Pb/238U 年龄为258～239 Ma 之间，加权平均年龄为（247.4±3.0）Ma（MSWD＝4.5），代表该样品的成岩年龄（图7c、d）。

图7 大东山序列二单元中粗粒黑云母花岗岩WLC-11（a、b）、YGS-15a（c、d）的锆石U-Pb 谐和年龄和加权平均年龄Fig.7 U-Pb concordant age and weighted average age of coarse-grained biotite granite WLC-11（a，b），YGS-15a（c，d）in the second unit of Dadongshan sequence

4.2 地球化学特征

研究区闪长玢岩SiO2含量为55.60%～58.90%，平均值为57.42%。样品分析结果显示，随SiO2含量的升高，Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO 含量都明显降低，显示了负相关性，P2O5和TiO2含量明显升高，显示了正相关性。MnO、Na2O 未见明显相关性，且含量变化很大，分别为0.06%～0.68%、2.33%～4.31%。A/CNK 值为0.73～0.97（表3）。

表3 银宫山地区闪长玢岩主量元素/%及微量元素/10-6分析结果Table 3 Analysis results of major elements (%)and trace elements (10-6)of the diorite porphyrite in Yingongshan area

依据分析测试结果绘制矿化蚀变闪长玢岩不相容元素的微量元素蛛网图（图8a），结果显示，其最显著特征为U 的异常富集，同时可见Rb、K、Pb、Zr 相对于相邻元素，呈现不同程度的富集，Ba、Nb、Ta、Ce、Sr、Yb 相对于相邻元素，呈现不同程度的亏损。

根据矿化蚀变闪长玢岩稀土元素分析结果发现，研究区闪长玢岩稀土总量较高（ΣREE＝126.08×10-6～380.83×10-6），中、重稀土分异性很强（GdN/YbN＝1.81～5.42），轻稀土富集（LaN/YbN＝25.78～56.50），同时具有弱Eu 负异常（δEu＝0.71～0.87），稀土配分模式为右倾型（图8b）。

图8 银宫山地区矿化蚀变闪长玢岩微量元素蛛网图（a）及稀土配分图（b）（原始地幔数据引自文献［24］）Fig.8 The spider diagram of trace element（a）and REE pattern（b）of the altered and mineralized diorite porphyrite in Yingongshan area（standardized data quotes from reference［24］）

对比三组无矿化和三组矿化的样品，发现它们的多数主量和微量元素含量都相似，但矿化样品明显富MnO（0.21%～0.68%）、MgO（2.01%～4.54%）而贫Na2O（2.33%～3.12%），表明它们经历了热液蚀变作用，随着蚀变作用发生了MnO、MgO 的代入及Na2O 的带出（图9a）。对比微量元素蛛网图（图9b），矿化蚀变的样品具有明显的U 和Pb 的富集，以及Sr 的亏损，其U 含量高达（934.21～974.52）×10-6，该特征与在BSE 图像中发现的大量铀矿物的特征吻合（图10）。对比稀土元素组成，矿化闪长玢岩与未矿化的特征类似，都具有高的稀土总量（93.19×10-6～380.83×10-6），轻稀土元素富集（LaN/YbN＝10.94～56.50），弱Eu 负异常（δEu＝0.23～0.96）的特征，呈右倾的稀土配分模式与二单元高Sr 低Yb 型花岗岩相似（图9c）。

图9 银宫山地区闪长玢岩主量元素（a）、微量元素（b）和稀土元素对比图（c）（原始地幔和球粒陨石数据引自文献［24］）Fig.9 The comparison diagrams of major elements（a），trace elements（b）and REE pattern（c）of the diorite porphyrite in Yingongshan area（primary mantle and chondrite data quotes from reference［24］）

图10 银宫山地区矿化蚀变的闪长玢岩的电子探针BSE 图Fig.10 The electron microprobe BSE photos of altered and mineralized diorite porphyrite in Yingongshan area

上述地球化学特征表明这些闪长玢岩脉在铀富集矿化过程中发生了明显的Mn、Sr和Pb的带入，而同时伴随有Mg和Na的带出，而稀土元素含量未发生显著的变化。

5 讨论

系统的锆石定年结果显示研究区内的大东山序列二单元中粗粒黑云母花岗岩主要形成于印支期早阶段（247～233 Ma）；未矿化蚀变的闪长玢岩脉同样形成于印支期早阶段（242～232 Ma），说明伴随印支期大规模的花岗质岩浆侵入作用，形成闪长玢岩脉。对比矿化蚀变闪长玢岩脉定年得到的三组数据，其中第一组年龄值与新鲜的闪长玢岩的年龄一致（242 Ma），可视为其成岩年龄；第二组年龄可能是对印支期晚期岩浆热事件叠加作用的一次记录（211 Ma）；第三组年龄明显晚于前述所有花岗质岩浆活动的年龄（128 Ma），可能记录了本地区最晚的一期热事件对本地区的影响。因此，研究区的闪长玢岩形成时期可以初步推测为印支期早期，闪长玢岩形成后，又先后经历了印支晚期和燕山晚期两次热事件，这两次热事件对先期形成的铀矿化进行了叠加改造。尽管未蚀变的闪长玢岩的U含量（29.21×10-6～55.77×10-6）显著低于蚀变的岩石（934.21×10-6～974.52×10-6），但仍明显高于地壳平均丰度（1.7×10-6）和上地壳平均丰度（2.7×10-6）［25］。在U-Th 相关图解中投影在低Th 高U 区（图11），与各单元花岗岩的投影区明显分离。蚀变和新鲜的闪长玢岩间呈水平的演化关系，说明随热液蚀变作用的进行，U 相对于Th 发生了明显的富集。它们Th含量与二单元花岗岩类似，但显示了更加富U的特征。

图11 银宫山地区闪长玢岩的U-Th 关系图解（底图数据引自文献［4］）Fig.11 U-Th relation diagram of the diorite porphyrite in Yingongshan area（data of base map quotes after reference［4］）

电子探针背散射图像分析显示，矿化蚀变的闪长玢岩样品DNB-07 中存在许多微粒状的铀矿物，形状不规则，分布在长石中（图10）。

综上所述，银宫山地区出露的中性闪长玢岩脉，形成于印支期（242～232 Ma），与同时期的二单元花岗岩为同期岩浆侵入的产物，但更富U（29.21×10-6～55.77×10-6）。铀矿化蚀变的闪长玢岩脉成岩后受到211 Ma 和128 Ma 两次热事件的影响，多发生绿泥石化蚀变并伴随U 的高度富集。闪长玢岩在蚀变过程中发生了Mn、Mg、Sr 和Pb 的带入，而同时伴随有Na 的带出。闪长玢岩脉铀矿化蚀变的形成经历多期的热事件叠加改造，同时伴随着U 的多期次高度富集，鉴于其在研究区分布广泛，其铀成矿潜力巨大，在铀矿找矿工作中应给予该类型的铀矿化充分的重视。