北秦嶺柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床流體包裹體和氫-氧-硫同位素研究

劉行, 曾威*, 葉麗娟, 尹青青, 王佳營, 溫國棟, 張盼盼

(1.中國地質調查局天津地質調查中心, 天津 300170; 2.華北地質科技創新中心, 天津 300170; 3.中國地質調查局鈾礦地質重點實驗室, 天津 300170; 4.中鋼集團天津地質研究院有限公司, 天津 300181; 5.河南省核工業地質局, 鄭州 450044)

北秦嶺丹鳳地區是中國最重要的偉晶巖型鈾礦成礦帶,區內已發現有光石溝、小花岔兩處大型鈾礦床,紙坊溝中型鈾礦床和陳家莊、石寶溝兩處小型鈾礦床。近年來,天津地質調查中心和河南省核工業地質局通過鈾礦地質調查首次在灰池子巖體東部新發現柳樹灣小型鈾礦床,使得該成礦帶向東延伸至河南省境內。文獻[1-4]對丹鳳成礦帶內光石溝鈾礦和小花岔鈾礦開展了大量研究工作,主要包括兩個方面:一是通過對全巖地球化學和鋯石同位素研究探討含鈾花崗偉晶巖與周圍花崗巖的關系[1-2],二是通過礦物地球化學、含礦和不含礦偉晶巖成分、結構對比研究,判斷偉晶巖漿與圍巖秦嶺巖群片麻巖的同化混染是鈾富集的主要機制[3-4]。以上研究對認識丹鳳地區花崗偉晶巖型鈾礦的礦化富集具有重要的促進作用,但目前缺乏對該地區偉晶巖型鈾礦成礦流體的研究,成礦物質來源仍然不清楚。

以天津地質調查中心近年來新發現的柳樹灣偉晶巖型鈾礦為研究對象,通過詳細的流體包裹體研究和穩定同位素分析,揭示了柳樹灣鈾礦床成礦流體環境,探討成礦物質性質和成礦物質來源,對深化丹鳳地區偉晶巖型鈾礦成礦理論認識具有重要意義。

1 地質背景

柳樹灣偉晶巖型鈾礦床位于河南省盧氏縣獅子坪鄉柳樹灣地區,大地構造上處于北秦嶺造山帶東段。在北秦嶺微陸塊內官坡-丹鳳地區分布有6 000多條偉晶巖脈,構成商南、欒莊、官坡、龍泉坪4個偉晶巖密集區[5],其中官坡地區形成偉晶巖型稀有金屬礦礦集區,商南和欒莊地區形成偉晶巖型鈾礦礦集區[6],圍繞灰池子巖體周圍分布有小花岔鈾礦、光石溝鈾礦、黃泥凸鈾礦和柳樹灣鈾礦。

北秦嶺自北向南由寬坪單元、二郎坪單元、北秦嶺微陸塊組成,各單元之間分別以瓦穴子斷裂帶和朱夏斷裂帶分隔[7-8](圖1)。寬坪單元主體由寬坪巖群組成,巖性為一套變質陸源碎屑巖、變質基性火山巖和大理巖組合,其中變質基性火山巖代表古洋殼殘片[9]。馮曉羲等[10]在寬坪巖群變沉積巖中發現了早-中奧陶世的疑源類、幾丁蟲和蟲顎等古生物化石,表明其形成時代為早古生代。二郎坪單元主要由二郎坪群和侵入其中的古生代花崗巖類組成。二郎坪群為一套變質基性火山巖、變碎屑巖和大理巖組合,其中火神廟組發育有具N-MORB、E-MORB、IAB特點的多種類型玄武質火山巖,被認為形成于島弧[11-12]或弧后盆地[13]環境。林銳華等[14]測得火神廟組基性火山巖的年齡為474～463 Ma。北秦嶺微陸塊由秦嶺巖群和侵入其中的新元古代和古生代花崗巖組成。秦嶺巖群主體巖性為一套經歷了中高級變質作用的片麻巖、石英片巖和大理巖,夾斜長角閃巖,其形成時代為中新元古代[15]。北秦嶺微陸塊中產出大量峰期變質年齡為511～490 Ma的榴輝巖透鏡體,其原巖形成年齡為800 Ma,反映早古生代早期的大陸深俯沖作用[16-18]。

圖1 北秦嶺東段區域地質圖(根據文獻[6]修改)Fig.1 Geological sketch map of the eastern part of northern Qinling (revised according to ref.[6])

2 礦區地質特征

區內出露地層為中新元古界峽河巖群寨根巖組(Pt2-3z),巖性為石榴二云石英片巖、黑云斜長片巖夾斜長角閃片巖及少量大理巖。侵入巖為灰池子巖體及其外圍的花崗偉晶巖。灰池子巖體主要巖性為黑云母二長花崗巖,出露面積約340 km2,西自桃萍鄉,東至瓦窯溝西部,巖體北部離礦區最近距離為7 km,其形成時代為434～422 Ma[19-23]。區內發育的大量偉晶巖脈,與灰池子巖體花崗巖具有同源性。花崗偉晶巖脈主要分布于峽河巖群與灰池子巖體內外接觸帶0～200 m范圍內,呈脈狀、似層狀,相互平行分布,在近巖體接觸帶部位,巖脈規模大,分布密度高,連續性好,分帶明顯。長一般為幾十米到數千米,厚1～20 m,產狀大致與其產出區段地層相同,總體走向基本平行于接觸帶(圖2)。

圖2 柳樹灣礦區地質圖Fig.2 Geological map of Liushuwan mining area

礦區內共發現規模較大的偉晶巖脈67條,單條偉晶巖脈出露長度一般在300～800 m,最長斷續出露長度大于1 500 m,一般寬1～10 m,局部膨大部位最寬可達20 m,偉晶巖脈呈北西-南東向展布,產狀為36°～42°∠63°～85°(圖3)。對地表發現的ρ104、ρ105、ρ106、ρ107等多條偉晶巖脈進行鉆探驗證,其中對應ρ105、ρ107中見兩個工業鈾礦體,ρ104、ρ106中見多個鈾礦化體,如圖4所示。

圖3 含鈾偉晶巖野外產出狀態Fig.3 Field occurrence status of uranium bearing pegmatite

圖4 鉆孔剖面圖Fig.4 Borehole profile

含礦偉晶巖脈主要為富含黑云母的花崗偉晶巖,主要呈灰白、淺肉紅色,中粗粒-偉晶結構,塊狀構造。主要礦物為:鉀長石、石英、黑云母、鈉長石,少量黃鐵礦、獨居石、碳酸鹽礦物、晶質鈾礦、磁鐵礦、石榴石、電氣石等(圖5)。見鱗片狀黑云母富集成團塊或條帶狀。含礦偉晶巖的蝕變主要有黃鐵礦化、硅化、綠簾石化及高嶺石化[24-26]。

圖5 柳樹灣鈾礦床中含鈾偉晶巖巖心Fig.5 Uranium bearing pegmatite core in Liushuwan uranium deposit

通過大量的鏡下實驗室觀測,研究區內鈾的賦存狀態主要以晶質鈾礦為主,晶質鈾礦與黃鐵礦共生較普遍,黃鐵礦與晶質鈾礦成連晶或黃鐵礦包裹晶質鈾礦,而這些黃鐵礦是不具晶形的(圖6)。

Ur為晶質鈾礦;Bt為黑云母;Py為黃鐵礦;Qtz為石英;Ab為鈉長石

3 樣品采集及測試方法

采集灰池子巖體與其外圍的巖(礦)石樣品,采集13件樣品做S同位素分析(含鈾黑云母花崗偉晶巖4件、黑云母二長花崗巖4件、黑云斜長片巖5件),5件含鈾黑云母花崗偉晶巖樣品做H-O同位素分析。將新鮮的樣品整理、編號并送至廊坊市誠信地質服務有限公司進行探針片的磨制和單礦物(黃鐵礦、石英)的挑選等工作。挑選單礦物時,首先將礦石樣品經表面清洗、晾干后,然后在雙目鏡下挑選純度達99%以上的單礦物樣品以供分析。

顯微激光拉曼光譜測試與流體包裹體測溫工作在中國地質調查局天津地質調查中心實驗室完成。顯微激光拉曼光譜測試實驗所用儀器為英國Renishaw公司inVia 型激光拉曼光譜儀。532 nm半導體激光器,激光功率40 mW,狹縫50 μm,掃描范圍1 000～4 500 cm-1,累積時間10 s,掃描2次,實驗前用單晶硅片校正拉曼位移。流體包裹體測溫所用儀器為英國生產 Linkam MDSG 600 型冷熱臺,溫度范圍為-196～600 ℃,冷凍與加熱可控速率范圍為 0.01～150 ℃/min,精確度在0.1 ℃以內,電動地質流體包裹體冷熱臺是專門為此目的而設計的。高導熱的銀質加熱臺、高精度測溫鉑電阻和特殊的光孔設計,確保小于1 μm的包裹體也可以精確觀測。

H-O-S同位素分析在核工業北京地質研究院分析測試中心進行。H同位素測試儀器型號為MAT-253氣體同位素質譜儀,編號8633,采用水中氫同位素鋅還原法測定,同位素分析精度為±1‰。O同位素測試儀器型號為Delta V Advantage 同位素質譜儀,編號11278,采用硅酸鹽及氧化物礦物中氧同位素組成的五氟化溴法測定,同位素分析精度為±0.2‰,測試結果如表1所示。S同位素測試儀器型號為Delta V Plus氣體同位素質譜儀,編號10056,δ34S采用V-CDT硫同位素國際統一標準,分析精度±0.2‰,測試采用Cu2O作為氧化劑,在高溫真空系統的條件下,將所測硫化物單礦物中的硫全部轉化為純凈的SO2氣體,然后測定其34S與32S的比值。

表1 柳樹灣鈾礦床流體包裹體溫度結果

4 測試結果

4.1 流體包裹體巖相學特征

柳樹灣偉晶巖型鈾礦床中石英流體包裹體研究表明,流體包裹體主要類型為簡單的氣液兩相包裹體和少量的純液相包裹體,未發現含子晶的三相包裹體(圖7)。包裹體呈渾圓形、卵圓形等不規則形狀,氣液比不超過40%,多集中在20%～30%,包裹體大小為2～15 μm,以5～10 μm為主。激光拉曼光譜分析液相成分以H2O和CO2為主,氣相成分主要為CO2、CH4,反映了成礦流體為弱還原性。

L為液態;V為氣態

4.2 流體包裹體顯微測溫結果

對含礦偉晶巖中石英的氣液兩相包裹體(記為L+V)進行了系統的顯微測溫學測試研究,所得流體包裹體溫度如表1所示。測得包裹體均一溫度為513.5～567.4 ℃。

4.3 成礦流體H-O-S同位素測試結果

柳樹灣鈾礦床中用來測試H-O同位素的樣品為含礦偉晶巖中的石英,根據包裹體均一溫度和礦物-流體之間的氧同位素分餾公式[27]計算出含礦偉晶巖脈與石英平衡的水的氧同位素含量,測試結果如表2所示。

表2 含鈾花崗偉晶巖流體包裹體H-O同位素組成

用來測試S同位素的樣品為含礦黑云母花崗偉晶巖、灰池子巖體黑云母二長花崗巖、峽河巖群地層黑云斜長片巖中的黃鐵礦,測試結果如表3所示。

表3 柳樹灣鈾礦床S同位素組成

5 討論

5.1 成礦流體來源

柳樹灣鈾礦流體包裹體均一溫度為513.5～567.4 ℃,為高溫流體,具巖漿流體的特征。H-O同位素特征可以準確地反映成礦流體的來源,不同來源的水反映到δD和δ18O同位素含量上有較明顯的區別。研究表明,含鈾偉晶巖中石英的δ18OV-SMOW值范圍為11‰～13.2‰,平均值為11.58‰;δDV-SMOW值范圍為-107.9‰～-89.6‰,平均值為-95.46‰,δ18O水-SMOW值范圍為7.87‰～11.32‰,平均值為9.73‰。在δDvsδ18O圖解(圖8)中,研究區含鈾花崗偉晶巖H-O同位素的投影點均落在原生巖漿水的下方或右下,偏離原生巖漿水不遠。顯示出成礦流體基本不受大氣水的影響,而造成H同位素虧損的原因有可能為深部巖漿熱液隨著結晶作用進行巖漿脫氣形成大量的成礦物質熱液。這說明成礦流體應源于深部的區域巖漿作用。

圖8 柳樹灣鈾礦床成礦流體δD-δ18O圖解(底圖來自文獻[28])Fig.8 δD-δ18O values of the ore-forming fluids in the Liushuwan uranium deposit(base image from ref.[28])

5.2 成礦物質來源

硫同位素組成和礦物共生組合關系的研究,尋找對礦床形成最有利的條件,可能是尋找和評價偉晶巖型鈾礦的重要途徑。硫同位素示蹤硫的來源時,應使用成礦流體的總硫同位素組成,而不是簡單的使用分析測得的δ34S值。含硫熱液礦物硫同位素組成受以下條件制約:熱液體系總硫同位素組成、含硫礦物沉淀時的物理化學條件(包括溫度、壓力、氧逸度等)以及體系封閉或開放程度等[29-30]。自然界硫同位素主要有3個儲存庫:一是地幔硫,其δ34S值約為0,變化范圍多在0±3‰內;二是現代海水硫,δ34S值約為20‰。一般認為,海相蒸發鹽巖的δ34S值代表海水硫酸鹽的硫同位素;三是沉積物中還原硫,這種硫的同位素組成變化極大具有較大的負值,可在-40‰～+50‰變化。

研究區含鈾花崗偉晶巖硫化物組成簡單,主要為黃鐵礦,未見硫酸鹽礦物,表明成礦流體中總硫與硫化物δ34S值相當,可以用分析測得的硫化物δ34S值代表流體中總硫。分析測得含鈾花崗偉晶巖的硫化物同位素δ34SV-CDT值介于3.5‰～5.8‰,平均值為4.73‰,極差2.3‰;黑云母二長花崗巖的硫化物同位素δ34SV-CDT值介于1.7‰～6.4‰,平均值為5‰,極差4.7‰;黑云斜長片巖的硫化物同位素δ34SV-CDT值介于5.6‰～16.3‰,平均值為13.18‰,極差10.7‰(圖9)。圖10中,黑云斜長片巖變化范圍與沉積巖、變質巖的硫同位素變化范圍重疊,而含鈾花崗偉晶巖與黑云母二長花崗巖的變化范圍與花崗巖的硫同位素變化范圍重疊。故偉晶巖型鈾礦的硫化物表現出巖漿硫的特點與巖體的硫化物特征相似,可能與巖體為同源,與地層中的硫化物無關。因此可以推斷出,柳樹灣偉晶巖型鈾礦的成礦物質具有巖漿來源的特征,沒有或者很少受到沉積物硫源的混染。

圖9 柳樹灣鈾礦床中黃鐵礦δ34S分布頻率直方圖Fig.9 Histogram of δ34S of pyrites from the Liushuwan uranium deposit

圖10 柳樹灣鈾礦床中黃鐵礦S同位素分布Fig.10 Distribution of δ34S of pyrites from the Liushuwan uranium deposit

6 結論

(1)柳樹灣偉晶巖型鈾礦流體包裹體均一溫度為513.5～567.4 ℃,屬于高溫流體,H-O同位素特征顯示,含礦偉晶巖石英的δ18OV-SMOW值范圍為11‰～13.2‰,δDV-SMOW值范圍為-107.9‰～89.6‰,δ18OW-SMOW值范圍為7.87‰～11.32‰,說明成礦流體以巖漿熱液為主。

(2)研究區內硫同位素結果表明,黑云母花崗偉晶巖硫化物δ34S變化范圍為3.5‰～5.8‰,黑云母二長花崗巖硫化物δ34S變化范圍為1.7‰～6.4‰,黑云斜長片巖硫化物δ34S變化范圍為5.6‰～16.3‰,反映黑云斜長片巖具有沉積巖、變質巖來源特征,含鈾偉晶巖與黑云母二長花崗巖成礦物質具有巖漿來源的特征,因此該區深部應存在富鈾的巖漿源。