桂北苗儿山矿田天门地区铀矿化及其矿物学特征研究

2023-08-01刘晓东吴昆明万建军雷勇亮欧阳平宁黄宏业

原子能科学技术 2023年7期

谭双,刘晓东,吴昆明,陈琪,万建军,严杰,雷勇亮,李鲲,欧阳平宁,黄宏业

(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.核工业二三〇研究所,湖南长沙 410007;3.湖南省伴生放射性矿产资源评价与综合利用工程技术研究中心,湖南长沙 410007)

华南地区铀成矿作用研究与找矿工作主要集中于印支期和燕山期花岗岩体内,已取得了一系列铀成矿理论创新和找矿成果[1-6]。苗儿山矿田是华南地区重要的花岗岩型铀矿田,该区构造岩浆活动强烈,断陷带、构造、热液活动和蚀变作用广泛发育,铀成矿条件有利,在印支期的豆乍山岩体和张家岩体中均取得了较好的找矿成果,目前已发现10个不同规模的铀矿床[7-9]。天门地区位于苗儿山矿田中部,近两年通过钻探揭露在该区圈定了多个铀矿体,取得了较好的找矿成果,显示天门地区找矿潜力较大。吴昆明等[10]对苗儿山矿田天门地区大湾、上小地和鸭子头等赋矿岩体进行了锆石U-Pb年代学研究,其成岩时代均为加里东晚期,显示存在一类赋存于加里东晚期花岗岩内的铀矿化。

本文研究的苗儿山矿田天门地区加里东期花岗岩中铀矿化在华南地区乃至全国均较为罕见,其典型特征表现为黑色团块状铀矿物与暗红色斑点状赤铁矿紧密共生,与目前苗儿山矿田常见的铀矿化类型和矿物共生组合有所区别。对于天门地区此类赋存于加里东期花岗岩内的黑色团块状铀矿化物,其矿物类型、铀的赋存状态、矿物定量成分、矿物共生组合关系以及元素分布特征等多方面的研究均尚属空白,极大制约了该地区铀成矿模式的建立和下一步找矿。本文拟利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、电子探针(EPMA)、综合矿物分析仪(TIMA)以及高分辨显微X射线荧光光谱仪(μ-XRF)等多种现代微区测试方法对天门地区铀矿石样品开展系统研究,以获得铀矿物种类、共生组合关系和铀赋存状态等方面的认识,填补华南地区加里东期铀成矿相关研究的不足,提升苗儿山地区铀矿资源的评价能力,助推铀矿找矿突破。

1 地质背景

天门地区大地构造位置处于扬子地块东南缘江南造山带与华夏地块的结合部位(图1a),位于新资断裂带与北西向的新宁蓝山深断裂带夹持区[11-12]。该区经历了自元古代以来复杂的地质构造和成矿作用演化,为热液型铀多金属及非金属矿集区[13]。区内地层出露较全,由老至新依次为上元古界板溪群、震旦系、下古生界寒武系、奥陶系、志留系、上古生界泥盆系、石炭系和二叠系、中生界三叠系、侏罗系和白垩系(图1b,c)。区内出露的岩体主要为大湾中粗粒二云母花岗岩体、鸭子头中细粒黑云母花岗岩体和中细粒黑云母花岗岩体,其锆石U-Pb年龄分别为(406.1±3.7)、(405.5±4.3)、(406.5±3.4) Ma[10]。新资断裂为本区区域性大断裂,属一级断裂,在新资断裂上盘发育一系列次级构造,主要由NNE-NE、EW和少量SN、NW向4组断裂构成本区的基本构造格架,并以NNE-NE构造最为发育,也是主要控(含)矿构造。F1～F10构成了本区的NNE-NE向断裂带构造体系,F11断裂带为NW向。围岩蚀变类型较多且较复杂,有赤铁矿化、钾长石化、水云母化、绿泥石化、硅化、黄铁矿化、萤石化、碳酸盐化等,常见几种蚀变叠加,其中赤铁矿化、钾长石化、方解石化以及硅化与铀矿化关系密切,特别是几种蚀变同时出现时矿石品位更高。

1——上扬子地块;2——江南地块;3——板溪群;4——震旦系;5——寒武系;6——奥陶系;7——泥盆系;8——石炭系;9——白垩系;10——第四系;11——白垩系下统;12——寒武系清溪组;13——燕山期花岗岩;14——加里东期花岗岩;15——地质界线;16——断裂;17——铀矿床;18——苗儿山中段;19——研究区;20——取样位置图1 苗儿山大地构造位置(a)、苗儿山矿田地质简图(b)及天门地区区域地质图(c)(据吴昆明等[10])Fig.1 Tectonic sketch map showing position of Miaoershan (a), geological sketch map of Miaoershan (b) and Tianmen uranium ore field (c) (modified after Wu Kunming et al[10])

2 样品采集与测试

2.1 主要实验材料

Nova NanoSEM40型扫描电子显微镜,捷克FEI公司;JXA-8230型电子探针,日本电子公司;MIRA3型扫描电镜,捷克泰思肯公司;M4 Plus μ-XRF,德国布鲁克公司;黄玉、石英、钇石榴石、磷灰石、磁铁矿、硬玉、独居石、沥青铀矿标样,日本电子探针公司。

2.2 样品采集及处理

天门地区钻孔剖面图及样品手标本如图2所示。本文研究的天门地区F11号带揭露的铀矿体具有厚度大、埋深浅、倾角缓的特点。采集的典型样品为含黑色团块状铀矿化的碎裂花岗岩型矿石,发育中等偏强呈暗红色斑点状赤铁矿化,手标本明显观察到黑色团块状铀矿化,物探定向辐射仪测量具有明显的铀异常,仅在极少的矿石裂隙中见少量淡黄色硅钙铀矿,光学显微镜下具有碎裂结构、块状构造。将采集的块状矿石样品磨制成薄片后进行喷碳处理,其中,铀矿化样品ZKW0-2YPU2(图2b)用于TIMA分析,样品ZKW0-1YPU1(图2c)用于μ-XRF分析。

1——加里东期花岗岩;2——构造;3——地形线;4——钻孔;5——矿化体;6——矿体;7——取样位置图2 天门地区钻孔剖面图及样品手标本Fig.2 Schematic diagram of drilling section and samples in Tianmen area

2.3 实验方法

采用电子探针定量分析铀矿石样品的化学成分,其工作电压和电流分别设置为15.0 kV和2.0×10-8A,束斑为1 μm,测试数据需经ZAF程序校正,元素检测限为200×10-6,主量元素相对误差为1.5%,微量元素相对误差为5.0%。

采用TIMA分析铀矿石样品矿物分布特征及主要矿物的体积分数,TIMA工作参数如下:加速电压25 kV、电流8.24 nA,工作距离15 mm,电流和BSE信号强度使用铂法拉第筒自动程序校准,EDS信号使用Mn标样校准。

采用μ-XRF分析铀矿石样品的微区元素含量分布,分析中采用20 μm光斑的多导毛细管X射线透镜为激发源,X射线光管工作功率为50 kV,电流为300 μA,配2个XFlash硅漂移探测器,工作气压为200 Pa。

3 结果与讨论

3.1 矿石内矿物分布特征

铀矿化样品ZKW0-2YPU2薄片的TIMA矿物自动定量分析结果如表1和图3所示。由表1可见,样品中主要金属矿物包括沥青铀矿、铀石、黄铁矿、磁铁矿等,透明矿物主要为石英、正长石、钠长石、方解石、黑云母、白云母、锆石、绿泥石、金红石、高岭石等,含少量磷灰石、独居石等稀土矿物。该样品中识别出的沥青铀矿在薄片中分布不均匀,呈团块状集合体分布在长石、石英周边,局部放大后可见矿物内部或边缘均出现铀石的过渡接触区域,说明早期沥青铀矿遭受了后期流体改造。磷灰石、独居石等稀土矿物粒径较小,结构构造较复杂,根据后期局部扫描电镜微区观察发现存在若干种稀土矿物与铀矿物或含铀矿物密切共生、连生、包裹现象。石英含量最高,长石、白云母、方解石、黑云母及绿泥石的含量居中,它们与沥青铀矿空间上联系紧密,TIMA分析矿物分布图(图3)上明显可见铀矿物与长石、云母、石英等脉石矿物共生,或被其包裹,并且存在明显的早晚穿插关系。如铀矿物常充填于石英与其他矿物颗粒或裂隙间,说明原岩成岩后可能经历了一定程度的地质作用破坏,晚期的含矿热液流经此处沉淀成矿。

表1 铀矿化样品中矿物的体积分数Table 1 Volume fraction of mineral of uranium mineralization sample

图3 铀矿化样品探针片扫描电镜背散射全貌及矿物分布Fig.3 SEM BSE overview of uranium mineralization sample probe slice and TIMA analysis mineral distribution map

3.2 矿石元素分布特征

铀矿化样品ZKW0-1YPU1微区μ-XRF元素含量分布如图4所示。由图4可知,铀矿化样品ZKW0-1YPU1中主要含Al、Ca、Fe、K、Mn、Na、Si、Ti、U等元素。通过将μ-XRF元素分布图中相应元素高值区进行后期微区扫描电镜能谱定性分析确定后,可以明确元素的主要赋存形式和分布状态,其中,U元素高值区与沥青铀矿或铀石等铀矿物位置一致,对应于薄片中不透明金属铀矿物区域;Ti元素对应于金红石矿物,且由Ti和U元素的相关性可以指示金红石常围绕铀矿物产出;Ca元素高值区主要对应于方解石,局部Ca、U元素高值区空间位置紧密相邻,说明部分铀矿物与方解石具有成因联系;Si元素主要对应于石英、钾长石等长英质矿物,协同K、U元素分布区域可指示较大区域的铀矿化产于石英和钾长石的矿物间隙。根据整体U元素与其他元素的分布特征可以限定天门地区铀矿物与其他矿物的共生组合关系,进一步说明该区铀成矿是含铀热液流经矿物破碎间隙由于物理化学条件改变,发生充填作用,进而沉淀成矿[4-6]。

3.3 铀矿物种类及成分特征

通过电子探针定量分析明确天门地区F11号带的主要铀矿物为沥青铀矿和铀石。

1) 沥青铀矿

铀矿物的微区微观形貌特征研究是铀成矿作用研究的重要基础,天门地区沥青铀矿扫描电镜背散射图像如图5所示。沥青铀矿是天门地区的主要铀矿物,其颜色多呈黑色,反射光下呈亮灰色至暗灰色,整体不透明,在背散射图像中相比于周围其他矿物更亮。天门地区沥青铀矿主要分为两类:一类呈较大团块状形式独立出现,最大粒径约3 mm,局部被后期热液活动影响(图5a);另一类以脉状形式分布在石英、钾长石、磷灰石、方解石及金红石等脉石矿物周围或裂隙中,脉宽最宽可达200 μm(图5b～e),部分与黄铁矿、赤铁矿、方铅矿等金属矿物共生(图5b)。此类沥青铀矿多与铀石共生,部分遭受了后期改造,沥青铀矿在背散射图像中较铀石稍亮,与铀石边缘呈现过渡状态,无明显矿物界限(图5b、c、e)。此外,还有少量小颗粒沥青铀矿分布在长石等脉石矿物中(图5f)。

Pit——沥青铀矿;Coff——铀石;Q——石英;Kfs——钾长石;Ab——钠长石;Cal——方解石;Ap——磷灰石;Bt——黑云母;Gn——方铅矿图5 沥青铀矿的背散射图像Fig.5 SEM BSE image of pitchblende

沥青铀矿电子探针微区化学成分如表2所列。由表2可见,团块状沥青铀矿中UO2含量为81.19%～85.02%,均值为83.35%;SiO2含量为1.01%～1.93%,均值为1.45%;CaO含量为6.13%～9.72%,均值为7.59%。脉状沥青铀矿中UO2含量为76.65%～82.31%,均值为79.96%;SiO2含量为3.60%～7.23%,均值为5.19%;CaO含量为4.25%～6.90%,均值为5.70%。团块状沥青铀矿与脉状沥青铀矿相比,具有贫SiO2、富UO2和CaO的特点,其微区化学成分上的差异可能源于形成时代、成矿环境以及经历了后期流体改造作用[3-4,8,14]。

表2 沥青铀矿化学成分Table 2 Chemical composition of pitchblende by EMPA in Tianmen area

2) 铀石

天门地区铀石手标本观察多为黑色或灰黑色,异于其他铀的硅酸盐矿物,多色性较弱,干裂隙较沥青铀矿更少,扫描电子显微镜下可通过背散射图亮度的变化区分沥青铀矿[15]。铀石样品的扫描电子显微镜背散射图像如图6所示,可见本区铀石多与沥青铀矿共生(图6a),呈不规则集合体形式产于脉石矿物裂隙及边缘(图6b、d),部分呈细脉状产于石英及长石结合部位(图6c),还可见呈丝状或羽毛状产于绿泥石化黑云母裂隙间(图6e)。此外,还可见少量结核状铀石围绕粒状方铅矿周边生长,提示天门地区更加复杂的矿物共生组合关系(图6f)。铀石电子探针化学成分如表3所列,可见UO2为其主要成分,平均含量67.40%(65.16%～70.95%);其次为SiO2,平均含量17.93%(15.99%～19.85%)。根据矿物成分判断,铀石的形成与热液中SiO2含量密切相关,即伴随成矿流体中早期沥青铀矿的逐步沉淀,铀浓度急剧降低,SiO2与U3O8的浓度比相应增高,至一定程度后开始析出铀石和SiO2[16-19]。

表3 天门地区铀石电子探针分析的化学成分Table 3 Chemical composition of coffinite by EMPA in Tianmen area

Pit——沥青铀矿;Coff——铀石;Q——石英;Kfs——钾长石;Ab——钠长石;Ru——金红石;Ap——磷灰石;Bt——黑云母;Gn——方铅矿;Zr——锆石;Tho——钍石图6 天门地区铀石扫描电子显微镜背散射图像Fig.6 SEM BSE image of coffinite in Tianmen area

4 矿物共生组合特征及铀的赋存状态

4.1 矿物共生组合特征

天门地区矿物共生组合关系扫描电子显微镜背散射图像如图7所示。

在前文所得天门地区铀矿物类型、结构构造、元素分布特征以及矿物定量成分数据的基础上,结合扫描电子显微镜对矿石微区开展不同尺度(图7)观察,归纳出以下4类矿化蚀变组合:铀矿物-绿泥石-金红石组合、铀矿物-赤铁矿-石英-长石组合、铀矿物-黄铁矿-石英组合、铀矿物-石英-方解石组合。需要指出的是,受限于4类组合世代穿插关系以及成矿年龄证据的不足,本分类未进行成矿期次划分,各组合仅用于指示天门地区铀矿物及相关矿物在空间上的共生关系。

1) 铀矿物-绿泥石-金红石组合。此种组合铀矿物多呈毛发状、絮状,与绿泥石、金红石等矿物互相包裹,密切共生。华南花岗岩型热液铀矿床中绿泥石主要有黑云母蚀变型、裂隙充填型、与铀矿物相关型以及黏土矿物吸附铁镁质转变型4种[3],本区绿泥石主要是黑云母蚀变型和铀矿物相关型,具体表现为较多的铀矿物分布于绿泥石化黑云母解理间(图7a)或包裹绿泥石(图7b)。前人[3]研究显示,绿泥石化可改变赋矿岩体的物理化学性质,使赋矿围岩变得松散,孔隙度和渗透率都有所增加,为后续成矿期含矿热液提供了运移通道和有利沉积成矿的环境。需要注意的是,在此类组合中,往往还可在局部发现较复杂的矿物共生现象,具体表现为沥青铀矿、铀石、钍石、钍铀矿、方铅矿、黄铁矿、褐帘石、独居石以及磷灰石(磷酸盐稀土矿物)等十余种矿物密切共生(图7c、d)。根据已有研究成果和目前矿物学研究,可推测研究区初始成矿流体中,铀易与磷酸根形成络合物,伴随流体的物理化学条件发生改变,磷酸根逐步趋于与Ca2+、Ce2+等正二价离子结合,形成了独居石和磷灰石等磷酸盐矿物,而铀的络合物稳定性遭受破坏,迁移能力减弱,高价铀得到还原,进而沉淀成矿[20]。

2) 铀矿物-赤铁矿-石英-长石组合。此种组合手标本肉眼可见深红色近圆形赤铁矿发育,粒径0.3～0.8 cm,矿石发育钾长石化和赤铁矿化,可见钾长石、赤铁矿、石英与黑色团块状铀矿物共生(图7b、c)。扫描电子显微镜观察可见,赤铁矿沿长石裂隙充填,与沥青铀矿联系紧密,表面极不平整,多呈网脉状或内部发育孔洞的不规则状(图7e)。此外,还可见铀石呈不规则浸染状与赤铁矿和长石共生(图7f)。

3) 铀矿物-黄铁矿-石英组合。此种组合具体表现为两种产出形式:一类是铀石围绕黄铁矿生长,部分黄铁矿内部也出现铀矿物(图7g、h);另一类黄铁矿呈小颗粒状围绕大颗粒独立铀矿物产出(图5a)。两种组合关系均指示本区铀成矿属热液成因,且黄铁矿可能为成矿提供了还原环境,促进铀沉淀富集成矿。铀矿物-黄铁矿-石英组合和铀矿物-赤铁矿-石英-长石组合为本区最重要的矿物共生关系,发育此类矿化蚀变的矿石,品位相对较高,推测为主成矿期产物。

4) 铀矿物-石英-方解石组合。此种组合的产出形式包括两类:一类共生组合可见沥青铀矿呈脉状或絮状分布于方解石或石英边部及内部,沥青铀矿与方解石或石英无明显边界(图7i);另一类组合可见部分铀矿物为细脉及小颗粒状,受容矿空间控制,多围绕石英或方解石外部轮廓生长,如沥青铀矿呈脉状生长于方解石与石英间隙(图7j)。样品手标本和微区研究均发现,该类组合中的石英或方解石脉多穿切于其他类型,或对早期矿化形成改造。

4.2 铀的赋存状态

天门地区铀矿物与其他共生稀土矿物电子探针元素面扫描图像如图8所示。结合图3、4、8分析可知,该区铀的赋存状态主要呈独立铀矿物的形式,其他赋存形式铀含量较低。铀矿物多为沥青铀矿和铀石,独立铀矿物产出形态多为脉状和团块状。由图8可见,独立铀矿物呈不规则块状与金红石、锆石、黄铁矿和方解石等共生组合。

图8 天门地区铀矿物与其他共生稀土矿物电子探针元素面扫描图像Fig.8 SEM BSE image of uranium mineral and other rare earth minerals in Tianmen area

5 铀矿物成因及地质意义

天门地区团块状和脉状沥青铀矿主量元素成分与UO2相关图如图9所示。由天门地区铀矿石普遍经历不同程度的构造作用和流体改造,在沥青铀矿的矿物化学成分上,团块状沥青铀矿各元素含量均一、稳定,结合背散射图像(图5)特征和图9,可认为团块状沥青铀矿具有接近原生铀矿物的化学成分特征。相较于团块状沥青铀矿,脉状沥青铀矿UO2含量明显降低,前人[21-23]研究认为,UO2极易与氧化的热液流体发生反应,从而导致铀被活化-溶解-迁移,脉状沥青铀矿可能反映了该后期改造过程。

图9 天门地区团块状和脉状沥青铀矿主量元素成分与UO2相关图Fig.9 Correlation between major element composition and UO2 of massive and vein pitchblende in Tianmen area

对比图9a中团块状和脉状沥青铀矿中SiO2与UO2的相关性发现,后者SiO2含量更高,且SiO2与UO2存在着明显的负相关性,显示后期流体改造过程中存在热液中的Si元素进入沥青铀矿结构的现象[23],因此,FeO、SiO2等含量常可用于判别沥青铀矿是否经历后期蚀变[23-24]。图9b显示,脉状沥青铀矿中的FeO随UO2含量的减少而增加,结合矿石普遍发育的赤铁矿化现象,可知流体对沥青铀矿成分有改造作用。图9c显示,团块状沥青铀矿中Pb含量稍高,除以包裹体形式存在的方铅矿影响外,还存在相对均匀散状分布的显微质点,可能是铀放射性衰变的产物,这也是UO2与PbO呈弱正相关的原因之一。脉状沥青铀矿PbO与UO2呈负相关,且PbO含量的变化范围较大,通过计算发现初始U含量的不同不足以引起PbO含量较大的变化,也证实后期氧化性流体在带走U元素的同时,也带走了Pb元素[25]。图9d显示,研究区团块状和脉状沥青铀矿均具有较高的CaO含量,Ca2+与U2+离子半径相近,可能源于沥青铀矿形成时Ca2+以类质同象形式进入矿物晶格中[9,24,26]。与团块状沥青铀矿不同,脉状沥青铀矿CaO与UO2具有明显的正相关性,表明后期热液流体带走大量U元素的同时,也带走了Ca元素。由图9e、f可见,脉状沥青铀矿Y2O3和Ce2O3随UO2含量的降低而呈升高的趋势,指示后期热液流体可能富含稀土元素[27-30]。

天门地区的铀石与沥青铀矿的关系密切,背散射图像可见沥青铀矿与铀石边缘呈现过渡状态,无明显矿物界限(图5b、c、e,图6a),其电子探针化学成分以UO2(均值67.40%)和SiO2(均值17.93%)为主,含量变化范围较小。前人[17]通过大量实验岩石学和矿物学研究表明,含铀热液体系内的SiO2活度会影响铀石的生成与分解。天门地区铀石的产出可能是由于流体pH、Eh状态的改变影响了SiO2的溶解度,当流体中SiO2活度增大时,沥青铀矿可与SiO2作用并生成铀石,反之,若SiO2活度降低,已生成的铀石则不稳定,易分解成沥青铀矿和SiO2[3]。此外,随着含铀热液与围岩发生水-岩反应,受还原性物质(黄铁矿、绿泥石等)和弱碱性蚀变围岩影响,成矿热液在铀石和沥青铀矿的物理化学稳定场范围内演化、波动,以致出现铀石和沥青铀矿交替产出的现象[3,17]。

综上所述,可认为天门地区团块状沥青铀矿相对脉状沥青铀矿更加新鲜,未受到明显后期流体蚀变改造,介质中SiO2活度的变化,影响了沥青铀矿与铀石间的互相转化。进一步结合苗儿山区域铀成矿时空分布规律,可以明确苗儿山矿田天门地区加里东期花岗岩体内存在的多种矿物共生组合以及铀矿物特征,均指示区内可能存在多期热液铀成矿作用。