秦嶺北部中生代高U、Th花崗巖體與渭河盆地氦氣聚集區相關性分析

劉 浩

(西北大學，陜西 西安 710069)

秦嶺造山帶歷經長期多期次構造演化，于晚二疊～早三疊世始, 在南秦嶺南部勉略帶發生了與勉略小洋盆有關的俯沖與消減，中三疊世延該帶華北與揚子兩大板塊發生陸-陸碰撞拼合(張國偉等, 2016)。中生代以來，華北克拉通南緣及秦嶺造山帶結合成一體，因而在很大程度上受秦嶺造山帶后續構造演化和陸內演化的雙重影響與控制, 表現在中生代印支期造山及其造山后的陸內調整所發生的不同期次和背景下巖漿活動的復雜多樣性，成為中生代以來構造演化的重要記錄。此后，中生代晚期、特別是新生代以來秦嶺山脈快速隆升與剝蝕，基底和各類花崗巖體抬升出露，巖石組構變化、物質剝蝕與遷移也深刻影響了其北側渭河斷陷盆地的充填及相關礦產的形成與富集，特別是U、Th等高放射性元素花崗巖體的形成演化對渭河盆地氦氣富集必將產生重要貢獻與影響。

前人對渭河盆地氦氣高含氦氣井分布特征進行了總結歸納并認為，渭河盆地南部氦氣資源的分布與該區發育的花崗巖有密切關系，本區出露的巖漿巖絕大多數為多個時期的二長花崗巖，周至、藍田、華縣等地區的高含量氦氣鉆井都處于出露花崗巖的北側；臨潼驪山雖然出露的花崗巖面積較小，但是臨潼-長安一帶磁力異常表明該區隱伏了較大面積的花崗巖，而氦氣含量較高的鉆井正處于該隱伏花崗巖的周圍(張春灌與袁炳強等, 2017)。基于前人對于渭河盆地氦富集區分布特征研究，為了進一步探討渭河盆地氦氣資源分布規律與花崗巖體間的關系，同時由于技術手段具有局限性，無法對隱伏花崗巖體進行研究，所以我們選擇以渭河盆地南緣出露的花崗巖體為研究對象，如華山，藍田，翠華山，牧護關和太白等巖體進行數據前收集，結合渭河盆地南緣出露的花崗巖體周圍油井與地熱井的氦氣體積分數的研究資料，對高U、Th花崗巖體與渭河盆地氦富集區分布特征進行相關性分析。

1 秦嶺北部中生代花崗巖體所含的U、Th礦物相

1.1 華山巖體含U、Th礦物

華山巖體二長花崗巖存在晶質鈾礦、褐簾石、鋯石、榍石、磷灰石、綠簾石和磁鐵礦等。晶質鈾礦成為該巖體中U、Th主要賦存相，其次為褐簾石、鋯石等礦物。其中，巖體中高U、Th晶質鈾礦多出現于黑云母中，在其周圍形成一放射性暈圈(圖1 a, b)，部分晶質鈾礦呈規則自形晶產出，并出現內、外兩層放射性暈圈(圖1b)，內圈由淺色細鱗片狀水云母組成，外圈為顏色濃黑、形狀規則的較大直徑的圓形鐵質氧化物暈圈(章邦桐等, 2011)。這種放射性暈圈是含放射性元素礦物衰變過程中放射出的α粒子使周圍礦物發生電離所致，當高放射性元素礦物存在于富Fe礦物中(如黑云母)時，可將Fe2+氧化為Fe3+，進而在放射性礦物周圍形成色暈(張祖還, 1984)。晶質鈾礦多不穩定，當受到后期熱液作用改造時，晶質鈾礦中的U4+會隨著溫度降低、氧逸度升高逐步氧化為U6+并隨著流體發生遷移，導致晶質鈾礦晶形變為面網狀或小球狀(圖1)。

圖1 華山巖體中的晶質鈾礦鏡下照片

該巖體中其它含U、Th礦物還有褐簾石和鋯石等。其中，褐簾石出現兩種賦存狀態，一類是自形褐簾石被包裹在黑云母中，外層生長一圈綠簾石，屬巖漿結晶早期階段產物(圖2 a)。另一類是與長石、石英呈粒狀鑲嵌結構生長的自形褐簾石，往往具環帶結構，屬于巖漿結晶中、晚期的產物(圖2 c, d)。巖體中的鋯石多包裹在其它造巖礦物中，為早期結晶相，黑云母中的鋯石周緣也常見放射性暈圈(圖2 a, c)。

圖2 華山巖體中的褐簾石、綠簾石、鋯石及榍石礦物

1.2 藍田巖體含U、Th礦物

藍田巖體由中粗粒似斑狀黑云二長花崗巖、巨斑狀黑云二長花崗巖和灰紅色中粒黑云二長花崗巖三種主要巖性組成。其中，中粗粒似斑狀黑云二長花崗巖中的副礦物主要有褐簾石、綠簾石、榍石、鋯石、磷灰石和磁鐵礦等。含U、Th礦物種類較多，主要為褐簾石、榍石、鋯石中。褐簾石呈自形-半自形粒狀或長柱狀，顆粒較大的呈斑晶形式產出，粒度300～600 μm，多鑲嵌于長石、石英和黑云母等礦物之間(圖3b)。顆粒較小的多與綠簾石共生(圖1c, e)形成環帶，或呈粒狀(圖3d)，粒度50～200 μm。榍石常以近菱形呈半自形-他形粒狀包裹于長石和黑云母(圖3 a, d)中，也有較大者單獨產出。黑云母中廣泛常有一些鋯石由于其U、Th放射形成暈圈(圖3f)。

圖3 藍田巖體中粗粒似斑狀黑云二長花崗巖中的副礦物

中粒黑云二長花崗巖中的副礦物含量于中粗粒似斑狀黑云二長花崗巖基本類似，但除褐簾石、綠簾石、榍石、鋯石、磷灰石(圖4 b)以外，還有晶質鈾礦。晶質鈾礦出現于黑云母中，在其周圍形成極具特征的放射成因暈圈，礦物粒度僅為1 μm左右，但可以形成直徑約為40μm的暈圈，是典型的富U、Th礦物(圖4 a)。其它副礦物大小多在50～200 μm之間，綠簾石(圖4b)除了與褐簾石(圖4 b, c, d, f)共生形成環帶以外，還發現有自形的綠簾石(圖4 f)。在黑云母中的鋯石和褐簾石周緣可見放射暈圈的形成(圖4 e, f)。

圖4 藍田巖體灰紅色中粒黑云二長花崗巖中的

巨斑狀黑云二長花崗巖中副礦物主要有褐簾石、綠簾石、榍石、鋯石和磷灰石(圖5c, d)等，多數副礦物的晶形完好，粒度較大，但含量較低。含U、Th礦物含量同樣較少，其中褐簾石自形-半自形，環帶發育，褐簾石和綠簾石(圖5a, c, d)粒度較大，寬度為200～1 000 μm；榍石、磷灰石(圖5c, d)零星分布，粒度則相對較小，為100～200 μm。

圖5 藍田巖體巨斑狀黑云二長花崗巖中的副礦物

1.3 翠華山巖體含U、Th礦物

翠華山巖體可分為兩期，晚中生代巖體呈小巖體或巖脈侵入于早期巖體中，雖然形成時代與華山巖體基本一致，但其副礦物組合有明顯差異，主要由褐簾石、鋯石、磷灰石、榍石和磁鐵礦等構成，種類和含量均明顯少于華北地塊南緣的華山巖體，且未發現晶質鈾礦。因此，該巖體的U、Th主要復存在褐簾石、鋯石等副礦物中。褐簾石呈自形-半自形粒狀鑲嵌于長石和石英等礦物之間(圖6 a, b)，指示形成于巖漿作用中、晚期階段。巖體中的磷灰石和鋯石自形程度高，被包裹在其它礦物相中，屬早期結晶形成的副礦物。榍石呈半自形-他形粒狀包裹于斜長石中(圖6 c)，應早于斜長石，或與長石同期形成于巖漿結晶中、晚期階段。

圖6 翠華山巖體主要副礦物

翠華山巖體中未發現晶質鈾礦等鈾-釷礦物，但發育褐簾石、磷釔礦和鋯石等含U、Th副礦物。褐簾石可分為兩類，早期結晶的褐簾石呈自形-半自形粒狀包裹于黑云母中，并形成放射性暈圈(圖7 a, b)，其粒度較小(長為50～80 μm)。較晚期巖漿結晶的褐簾石呈自形粒狀或長柱狀，出現在長石、石英等礦物間，粒度較大(長為500～1 000 μm)，并具環帶結構。此外，有少量磷釔礦以自形-半自形晶產于黑云母中，具放射性暈圈(圖7a，b)。該巖體中的磷灰石多呈自形柱狀包裹于黑云母中，為巖漿作用早期階段的產物。榍石呈自形-半自形產于黑云母與長石、石英礦物粒間，為巖漿作用中-晚期階段的產物，無放射性暈圈，說明很少或基本無U、Th等放射性元素。

圖7 翠華山巖體中的褐簾石鏡下照片

2 秦嶺北部中生代不同類型花崗巖體成氦

能力分析

渭河盆地南緣自東向西依次出露華山、老牛山、藍田、牧護關、翠華山及太白巖體，近年來對于渭河盆地含氦氣井氣體組分分析工作主要涉及臨近花崗巖體的地熱井主要有7個(表1)，涉及的花崗巖體主要有華山巖體、藍田巖體、翠華山巖體(包括東湯峪巖體)以及太白巖體四個；從現有數據可知臨近華山巖體、藍田巖體以及翠華山巖體的地熱井中氦氣含量較高，而太白巖體及東湯峪巖體含量較低。

因此，我們重點對上述四個巖體的U、Th等地球化學數據及主要巖性組成進行了歸納結，由圖8可以看出，盡管華山巖體周圍的地熱井氦氣含量非常高，但Th含量相對其他巖體較低，但U、Pb含量較其他巖體相對較高，尤其是華山大夫峪巖體中頂部混染相產出的中粗粒黑云母二長花崗巖，U含量高達24.83～29.01 ppm，Pb含量83.76～89.72 ppm；藍田巖體的U含量盡管沒有華山巖體高，但相對于翠華山東湯峪巖體和太白巖體較高，含量2.08～9.22 ppm，Th、Pb含量較高，與其周緣地熱井氦氣含量較高的分布特征一致；翠華山東湯峪巖體的U、Th、Pb含量都較低，這是導致周緣地熱井氦氣含量較低的原因之一；但翠華山的大夫峪、石砭峪中的花崗巖樣品是典型的高U、Th含量的花崗巖巖石類型，與東湯峪不同；太白巖體，巖體的U、Pb值較低，盡管Th的含量并不低，U較低可能是導致太白巖體附近地熱井氦氣含量較低的原因之一。

圖8 華山、藍田、翠華山以及太白山花崗巖體U、Th、Pb數據圖解

表1 渭河盆地南緣臨近出露花崗巖體地熱井數據表

同一巖體的不同巖性的U、Th含量差別也非常大，例如藍田巖體中粗粒似斑狀二長花崗巖的U、Th含量就比巨斑狀二長花崗巖多很多；且同一巖體、同種巖性的不同相帶的U、Th、Pb含量也有差別，例如華山大夫峪巖體的中粗粒黑云母二長花崗巖的內部相和頂部混染相其含量差別就很大，其中頂部混染相的中粗粒黑云母二長花崗巖可能是整個渭河盆地南緣出露得花崗巖體中U、Pb含量最高的花崗巖巖石類型。

3 結語

(1)渭河盆地周緣晚中生代花崗巖中出現含U、Th元素的褐簾石、綠簾石、磷釔礦、鋯石等副礦物，少數巖體(如華山巖體)還出現晶質鈾礦等富U、Th礦物，成為巖體U、Th元素的主要賦存相，具有很強的生氦能力。

(2)渭河盆地地熱井氦氣含量與周緣花崗巖體的U和Pb含量的密切相關，花崗巖體U和Pb含量越高，周圍的地熱井氦氣含量越高，但和巖體Th含量關系不大。

(3)同一巖體的不同巖性的U、Th含量差別也非常大，中粗粒黑云母二長花崗巖是整個渭河盆地南緣出露得花崗巖體中U、Pb含量最高的花崗巖巖石類型，這類花崗巖越多，代表生氦能力越強。