內蒙古四子王旗衛境南部地區鈾礦化特征及成因探討

朱小兵,徐 勇,羅 瀟

(1.核工業二三〇研究所,湖南 長沙 410007;2.湖南省伴生放射性礦產資源評價與綜合利用工程技術研究中心,湖南 長沙 410007)

內蒙古四子王旗衛境南部地區位于衛境巖體南部,具有較優越的鈾成礦地質條件。區內螢石及多金屬礦產極為發育,有蘇莫查干、敖包吐等特大型(大型)螢石礦及一系列礦(化)點。前人主要在衛境巖體西側查干哈達—貴勒斯太地區和東側巴彥敖包地區開展了鈾礦調查評價工作,通過鉆探、槽探、地質測量,及物化探測等手段發現一些鈾異常(礦化)點,鈾礦化類型主要分為花崗巖型、接觸交代型[1-3]。目前,對衛境南部地區研究工作程度較低。筆者以衛境南部地區為研究對象,從鈾礦化特征、元素地球化學特征及成因方面進行研究,以期為衛境地區鈾礦勘查提供新的線索和方向。

1 地質背景

衛境南部地區位于西伯利亞和華北板塊之間的中亞古生代造山帶的東段,索倫山—西拉木倫河板塊縫合線[4]和賀根山深大斷裂之間,巴音寶力格隆起西部。

區內出露地層主要為下二疊統大石寨組火山-沉積巖(圖1),由變質流紋晶屑凝灰巖、流紋巖和碳質、綠泥質板巖組成[5]。流紋巖的鋯石SHRIMP U-Pb同位素年齡為(276±10)Ma,其形成時代為海西晚期[6]545。大石寨組三巖段板巖為主要的含礦圍巖。巖漿巖主要為衛境巖體,巖體分帶明顯,中心相至邊緣相巖性依次由中粗粒似斑狀黑云母花崗巖過渡為細粒斑狀黑云母花崗巖,U-Pb鋯石年齡(138±4)Ma[6]545。

1—下白堊統;2—大石寨組四巖段;3—大石寨組三巖段;4—大石寨組二巖段;5—燕山晚期白堊紀花崗巖(衛境巖體);6—細?；◢弾r脈;7—地層整合及不整合;8—斷裂;9—鈾礦化點;10—螢石礦;11—取樣位置及編號。圖1 衛境南部地區地質圖Fig. 1 Geological map of southern Weijing area

區內斷裂構造大致可分為北東向、北西向2組。北東向構造主要有F1、F1-1、F1-2、F1-3、F1-4,以均壓性為主,構造巖主要為蝕變構造角礫巖,其中F1是區域性大斷裂,也是蘇莫查干螢石礦的控礦構造;F1-1、F1-3、F1-4等構造控制了鈾礦化的產出。北西向構造F39,構造性質為張性,在敖包吐附近將北東向構造錯斷,導致地層錯位,同時引起南西端地層發生倒轉,傾向變為SE。

區內礦產較為豐富,有螢石礦、鈾礦等,其中螢石礦主要有蘇莫查干螢石礦和敖包吐螢石礦;鈾礦化主要產于查干哈達、推饒木查干敖包、巴彥敖包、衛境南部一帶。

2 鈾礦化特征

2.1 地表鈾礦化特征

區內鈾礦化主要產于衛境巖體南部外接觸帶大石寨組三巖段的層間斷裂構造中,異常呈帶狀展布,受控于北東向F1-1、F1-3、F1-4斷裂。異常斷續延伸5 km,其中北東段的連續異常長約700 m、寬為0.5～2.0 m,刻槽樣品中w(U)為0.02%～0.33%,賦礦巖性為硅化、褐鐵礦化、赤鐵礦化和碳酸鹽化的構造角礫巖,圍巖為灰黑色絹云母綠泥石碳質板巖、千枚巖。

2.2 物化探異常范圍

研究區能譜鈾異常整體呈北東向條帶狀展布(圖2),測量值主要介于(2～6)×10-6,峰值可達200×10-6以上,具西南、東北高特征,與構造F1-1、F1-3、F1-4吻合度較高,這表明構造是該地區的主要控礦因素之一。

1—下白堊統;2—大石寨組四段;3—大石寨組三段;4—大石寨組二段;5—衛境巖體;6—花崗巖脈;7—巖層界限;8—螢石礦;9—斷裂。圖2 衛境南部地區地面伽馬能譜鈾含量等值線圖Fig. 2 Contour map of uranium content in surface gamma-ray spectrum in southern Weijing area

2.3 礦石特征及鈾賦存形式

衛境南部地區賦礦巖性為硅化、褐鐵礦化、赤鐵礦化構造角礫巖,原巖為灰黑色絹云母綠泥石碳質板巖。鈾礦石呈微晶粒狀結構,塊狀構造,主要礦物為柱狀、粒狀磷灰石,它形微晶粒狀石英,以及凝粒狀、團塊狀氧化鐵質和吸附態鈾。常見2個圈層,內圈層為微晶、隱晶集合體狀膠磷礦,外圈層為具規則假象的氧化鐵質(圖3a、圖3b)。巖石發育碎裂化,發育裂隙,裂隙中分布方解石、氧化鐵質等。

(a)D0611-3鏡下照片(正交偏光);(b)D0710鏡下照片(單偏光);(c)D0611-3礦石α-track;(d)D0611-3礦石α-track對應氧化鐵質(反射偏光)。Cal—方解石;Ap—磷灰石;Chl—綠泥石;Fe-oxide—氧化鐵質;Tlm—鈦鐵礦;Hem—赤鐵礦。圖3 衛境南部地區典型礦石鏡下特征Fig. 3 Typical microscopic characteristics of ore in southern Weijing area

α徑跡主要呈稀疏、分散的點狀(圖3c),徑跡主要對應巖石中的氧化鐵質、磷質(圖3d)。這表明衛境南部地區鈾主要賦存于膠磷礦和氧化鐵質周邊,鈾多以吸附態形式存在于膠磷礦,與相山鈾礦田的部分礦物共生組合相類似[7]218。

3 元素地球化學特征

3.1 樣品采集及分析測試

樣品采集:采集近地表新鮮樣品11件,其中2件為圍巖,用于與礦石樣對比;2件為微晶石英,用于構造對比分析;7件為礦石,用于鈾礦化地球化學特征分析。樣品由核工業二三〇研究所分析測試中心進行分析測試。

測試方法:采用《硅酸鹽巖石化學分析方法 第30部分:44個元素量測定》(GB/T 14506.30—2010)測定相關元素;采用《測定相關元素電感耦合等離子體質譜法》(230-JC-011—2017)測定巖石土壤中Ag、As、Hg;采用《區域地球化學樣品分析方法第3部分:鋇、鈹、鉍等15個元素量測定 電感耦合等離子體質譜法》(DZ/T 0279.3—2016)測定相關元素;采用《多金屬礦石分析 無色散原子熒光光譜法》(DZG 93-01)測定汞量。

3.2 常量、微量元素特征

衛境南部地區常量、微量元素組分見表1?？梢钥闯?與圍巖相比,礦石中P2O5、CaO、Sr、Al2O3、MnO均有不同程度的富集,而Rb、K2O存在不同程度的流失,具有明顯的高Sr、低Rb特征;礦石組分與北天山冰草溝鈾磷礦、相山礦田的富磷鈾礦石化學成分特征一致。鈾的富集過程是伴隨著w(FeO)減少、w(Fe2O3)增加的氧化過程。

表1 衛境南部地區常量及部分微量元素含量Table 1 Content of major and trace elements in southern Weijing area

使用SPSS統計軟件對衛境南部地區樣品的部分常量、微量元素進行R型聚類分析,統計結果見表2、圖4。

表2 衛境南部地區常量、微量等元素相關系數Table 2 Correlation coefficients of constant and trace elements in southern Weijing area

圖4 衛境南部地區常量、微量等元素R型聚類圖Fig. 4 R-type cluster diagram of constant and trace elements in southern Weijing area

U與P2O5相關性系數為0.928,正相關性良好;與SiO2呈負相關,相關性系數為-0.91(與相山磷灰石富鈾礦特征相似[7]219);與FeO呈負相關,與Fe2O3呈正相關。這一特征表明,鈾成礦作用可能與硅質熱液無關,與膠磷礦、氧化鐵質的吸附作用相關,鈾的存在形式與鏡下鑒定結果一致。另外,U含量與Sr、Ca、Y的含量具有正相關性,這些元素可能與鈾的成因密切相關。

3.3 稀土元素特征

衛境南部地區稀土元素組分見表3。從衛境南部地區稀土元素配分模式(圖5)可以看出,F1-1、F1-4構造中的礦石稀土元素特征表現為整體呈略左傾的“海鷗”型,w(LREE)/w(HREE)<1,為重稀土較輕稀土富集的特征,具明顯的Eu負異常;F1-3構造中的礦石的稀土元素特征介于F1-1與圍巖之間,可能與該構造的成礦作用強度有關,這與F1-3礦石的w(U)不高(0.023%)相吻合;F1-1構造中的紅色玉髓稀土元素特征表現為右傾,w(LREE)/w(HREE)<1,Eu異常不明顯,δEu略大于1,明顯區別于礦石的稀土元素特征,但與F1(蘇莫查干區域大斷裂)構造中微晶石英的稀土元素特征相似,二者可能為同一期次的物源,在深部連通,F1可能為導礦構造;圍巖的稀土元素特征表現為右傾,w(LREE)/w(HREE)>1,具明顯的Eu負異常。

綜合來看,圍巖與礦石的稀土元素特征差異大,鈾成礦作用過程中重稀土富集十分明顯,且熱液活動具有多期次性,鈾成礦作用可能與玉髓(微晶石英)期的硅質熱液無關,這與常量元素特征中U與SiO2呈負相關的結論一致。

4 分析討論

4.1 鈾成礦期次及時間

通過對比分析,F1-1、F1-4與F1-3不同構造部位在鈾礦化強度及稀土元素特征方面都存在一定的差異,結合野外觀察和薄片鑒定,F1-1、F1-4鈾主要吸附于膠磷礦和氧化鐵質周邊,F1-3鈾主要分散于氧化鐵質周邊,該區鈾的富集成因有2種:以氧化鐵質的吸附為主,形成了F1-3鈾礦化,礦化強度一般,鈾含量整體不高,僅達到鈾異常;以鈾、磷灰石、重稀土、鍶共同富集占主導地位,鈾成礦作用最為強烈,疊加了氧化鐵質的吸附作用,鈾品位較高(0.1%以上),最高可到0.3%,形成了F1-1、F1-4的鈾礦化。

衛境南部地區鈾礦石與敖包吐螢石礦石具有相似的元素地球化學特征,具有高Sr、低Rb、HREE富集明顯、Eu虧損等特征。二者可能為同一期次的含礦熱液,成礦作用時間相當,為(137±1.1)Ma[8]142,與衛境巖體(138±4)Ma[6]545基本一致。這與LHRR富集的衛境巖體似斑狀花崗巖存在明顯差異,可能暗示著在鈾成礦作用過程中巖漿的侵入為其提供良好的熱源,為成礦過程中物質的萃取交換提供了條件。

4.2 鈾礦化成因

4.2.1 鈾磷沉積作用

根據野外地質調查和鏡下鑒定結果,衛境南部地區鈾礦化賦存于北東向構造巖中,巖性為構造角礫巖,主要由磷灰石、石英、氧化特質及少量方解石組成,原巖為灰黑色絹云母綠泥石碳質板巖,富含Y的礦物幾乎都存在于花崗巖類的巖石及其有關的偉晶巖、氣成-熱液及熱液礦床中[9]195。衛境南部地區U含量與Y含量呈正相關性,鈾礦石中Y富集系數從幾到幾十。這些都表明衛境地區的鈾成礦作用有熱液活動的參與。

4.2.2 重稀土富集機制

由于重稀土的遷移能力較輕稀土的強,輕稀土的被吸附能力較重稀土的強[12]。成礦熱液在長期的演化過程中,在低溫環境的熱液活動晚期,利于鈾和重稀土共同沉淀富集。在熱液上升遷移過程中伴隨著鐵的氧化,FeO含量減少,Fe2O3含量增加,鈾被還原沉淀并吸附于氧化鐵質周邊,形成了衛境地區鈾沉淀的另一種機制,但鈾成礦作用強度不大。

4.2.3 鍶富集機制

高Sr可能是成礦流體富Sr,或流體在較高溫度的變質作用過程中萃取了泥質圍巖或結晶灰巖中的Sr;還可能是部分Sr來自于衛境巖體花崗巖中[6]552。鍶的地球化學特點使其較容易進入各種富鈣或鉀的礦物中,對于鍶的類質同象來說,輝石中鈣的位置太小(晶格構造比較緊張),云母中鉀的位置又太大,只有斜長石、磷灰石、榍石中鈣的位置和鉀長石中鉀的位置較合適[9]200。因此,鍶較容易進入磷灰石中置換鈣。發生鈾礦化的巖石富含磷灰石,進而也富含Sr。

以上共同作用,形成了衛境地區鈾與磷灰石、重稀土、鍶共同富集的特征。這一成礦機制與北天山冰草溝鈾磷礦床、相山富磷鈾礦具有一定的相似性,但與衛境地區其他地段堿交代等類型不同。

5 結論

1)衛境南部地區鈾礦化主要受大石寨組三段中北東向構造控制,屬于花崗巖外帶型鈾礦化,鈾多以吸附形式賦存于磷灰石、氧化鐵質周緣,圍巖為碳質板巖。

2)衛境南部地區礦石具有高P2O5、CaO、Fe2O3、Sr、Y,低Rb、K2O、FeO特征,重稀土元素明顯富集,與敖包吐螢石礦元素地球化學特征相似;成礦熱液富含U、P、HREE、Fe等,與硅質熱液無關,鈾成礦年齡與衛境巖體大致相當。

3)衛境南部地區具有鈾、磷灰石、重稀土、鍶共同富集的特征,鈾、磷共遷移、共沉淀特性促使鈾與磷灰石共沉積富集,疊加氧化鐵質的吸附作用更為有利;熱液的物理化學條件的改變可能僅為其沉淀提供條件,而非主導因素。該成因類型是衛境地區的1種新的鈾富集模式,研究結果為該區的鈾礦勘查提供了新的線索和方向。