龙首山成矿带芨岭钠交代型铀矿床晶质铀矿-沥青铀矿特征研究

王刚，余驰达，何佳军，2，邵东，刘涛，陈云杰，王伟，胡菲菲，王凯兴

（1.核工业二〇三研究所，陕西 咸阳 712000；2.东华理工大学，江西 南昌 330013；3.核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013）

钠交代型铀矿床指的是其原岩经历强烈的钠交代作用后，有明显的物质成分的带入和带出，矿物组成的改变和结构、构造变化，使铀呈不均匀浸染状产出于钠交代岩矿的矿床［1］。钠交代型铀矿床主要分布在巴西、乌克兰等地［2］。钠交代作用一般与钠长石的富集和石英溶解有关，一般以交代花岗岩、变质沉积岩和变质火山岩形成钠长岩为特征。

芨岭矿床位于我国西北地区龙首山铀成矿带中段，是我国为数不多的钠交代型铀矿床之一。前人从含矿主岩的地球化学、矿物学和矿床学等方面对该矿床开展了研究工作，认为芨岭矿床含矿主岩为岩浆混合成因的I 型花岗岩［3］，成矿物质主要来自于花岗岩和富铀基底［4-6］，铀矿物主要为沥青铀矿［5，7］，成矿流体是大气降水和岩浆水的混合，成矿温度以中低温为主［8］。

然而，近期笔者研究发现芨岭钠交代型铀矿床中存在晶质铀矿，这可能与岩浆期后高温流体有关。该发现对于芨岭铀矿床的研究具有重要的科研及找矿意义。鉴于此，本文对芨岭铀矿床产出的铀矿物开展了矿物学和地球化学研究工作，分析其特征并探讨其意义，寄希望于该工作能够为芨岭地区铀矿找矿工作提供一定的借鉴。

1 区域地质背景及矿床地质特征

1.1 区域地质背景

龙首山位于阿拉善隆起带的西南缘，为早古生代早期祁连板块与华北板块碰撞造山形成的边缘隆起带，北邻潮水盆地，南连河西走廊（图1）。在漫长的地质构造演化过程中，显示出活动—稳定—再活动—再稳定的多旋回的发展演化特征。龙首山的地质演化经历了三大发展阶段：前寒武纪大陆地壳发展演化阶段；古生代裂谷发育成洋至俯冲、碰撞造山阶段；中新生代板内活动阶段。每个阶段的沉积建造、所受应力、构造变形、变质作用、岩浆活动和成矿作用都有不同的特点。区内前长城系、蓟县系、震旦系分布广泛，下古生界缺失，上古生界分布零星，中新生界分布于山间狭长的断陷盆地中。

1.2 矿床地质特征

芨岭钠交代型铀矿床位于龙首山铀成矿带中段，矿床产出于芨岭杂岩体东南部。区内最老地层为古元古界龙首山群，中元古界墩子沟群不整合覆盖于龙首山群之上，而新古生界韩母山群不整合与墩子沟群接触（图1c）。区内地层出露简单，以古元古代片岩、含铁石英岩、白云质厚层大理岩、云母片岩为主，含少量新元古代硅质条带状灰岩夹千枚岩。矿区岩浆岩主要为古生代奥陶纪灰白色中粗粒石英二长岩-花岗闪长岩、肉红色中粗粒-粗粒花岗闪长岩-花岗岩以及深红色细粒花岗岩，夹少量基性脉岩。

图1 龙首山铀成矿带位置及地质略图Fig.1 The location and geological sketch of Longshoushan uranium metallogenic belt

龙首山地区钠交代岩主要集中出现在芨岭岩体南带的南缘，沿着马路沟断裂带（F101、F102）及其次级断裂分布（图2）。马路沟断裂带长约20 km左右，总体走向为280°～315°，倾角为70°～80°。矿体产出于马路沟断裂带和与之呈锐角相交或近于平行的次级断裂带中，矿体产在钠交代蚀变带内，其产状基本和断裂吻合。矿区蚀变作用发育，主要包括钠长石化、碳酸盐化、绿泥石化和赤铁矿化等热液蚀变，并构成“四位一体”碱交代热液蚀变组合，局部还发育有绢云母化、硅化、黏土矿化等蚀变［6，9］。

图2 芨岭钠交代型铀矿床地质简图［5］Fig.2 The geological sketch of Jiling uranium deposit［5］

与新鲜的花岗岩相比，钠交代岩的矿物组成简单，原岩中碱性长石不同程度上被钠长石矿物所取代，新生矿物主要为钠长石和方解石，其次为绿泥石、赤铁矿、次生石英等。虽然形成钠交代岩的各种原岩的矿物组成差别极大，但经钠长石化作用后其矿物组成都基本一致。本次研究发现芨岭钠交代型铀矿床铀矿物主要为晶质铀矿和沥青铀矿，亦可见部分铀石（图3）。

晶质铀矿多数受后期热液蚀变改造，原生晶质铀矿占比较少，其主要出现在钠长石中，呈自形-半自形，粒度介于10～15 µm 之间（图3a）。一类晶质铀矿受后期热液流体蚀变表面较斑杂（图3b），但仍保持较完好的晶形；一类晶质铀矿在铀石边部和核部以残留体形式产出（图3c）。由于原生晶质铀矿数量有限，对其矿物共生组合研究目前未能完善，受热液蚀变改造的晶质铀矿常与磷灰石、方铅矿等共存。

沥青铀矿呈浸染状-裂隙充填状产在方解石、钠长石等矿物裂隙或矿物间隙中，或在黄铁矿边部和裂隙内产出（图3d～h）。其中方解石、绿泥石与沥青铀矿关系密切（图3g、h），还可见少量磷灰石、锆石以及重晶石与沥青铀矿共存。受后期热液流体改造，原生沥青铀矿受到不同程度蚀变改造，根据蚀变沥青铀矿背散射特征图像中呈现不同灰度（图3d），蚀变沥青铀矿分为蚀变沥青铀矿A 和蚀变沥青铀矿B。其中蚀变沥青铀矿A 在背散射图像中呈较亮灰度，蚀变沥青铀矿B 在背散射图像中呈较暗灰度。

图3 芨岭铀矿床晶质铀矿和沥青铀矿背散射（BSE）图像Fig.3 Backscattered electron images of uraninite and pitchblende in Jiling uranium deposit

2 分析方法

矿物显微特征研究：利用光学显微镜和扫描电子显微镜对岩石薄片进行矿物显微特征研究工作，本次均在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成。光学显微镜型号：Nikon ECLIPSE 50iPOL（正交、单偏光）；扫描电子显微镜（SEM）型号：Nova Nano-SEM 450，实验条件：电压为15～20 kV。

矿物成分分析测试：利用电子探针对铀矿物成分进行分析，实验均在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成。电子探针仪器型号：JEOL JXA-8100；实验条件：加速电压为15 kV，电流为2.0×10-8A，束斑直径为2 µm（对于微小铀矿物束斑直径调整为1 µm）。铀矿物电子探针成分分析测试标样依次为：Si 以石榴石作为标样，Ca 以白云石为标样，Fe 以赤铁矿为标样，Al 以黑云母为标 样，U 和Th 以U-Th-Pb 氧化物为标样，Pb以方铅矿为标样，Sr 以铌酸盐为标样，La、Ce以独居石为标样，其他稀土元素均以其本身为标样。

3 分析结果

原生晶质铀矿主要成分：成分总量介于99.58%～101.38% 之间，平均值为100.47%；UO2含量介于74.53%～80.12%之间，平均值为77.84%；PbO 含量相对均一，介于4.81%～4.98%之间，平均值为4.89%；ThO2、Y2O3以及REE2O3含量较高，且变化范围较大，ThO2含量介于7.04%～10.39% 之间，平均值为9.01%，Y2O3含量介于0.76%～1.37%之间，平均值为1.13%，REE2O3含量介于4.63%～6.26%之间，平均值为5.46%。晶质铀矿中FeO、SiO2、CaO含量较低，Al2O3含量低于检测限（表1）。

芨岭铀矿床中绝大部分沥青铀矿受后期热液蚀变改造，在扫描电镜下呈现不同灰度特征，较亮的部分为蚀变沥青铀矿A，较暗部分为蚀变沥青铀矿B。蚀变沥青铀矿A 成分总量介于85.73%～95.01% 之间，平均值为92.15%；UO2含量介于73.07%～84.45% 之间，平均值81.36%；SiO2含量相比原生晶质铀矿有所增加，介于0.61%～2.13%之间，平均值为1.35%；CaO含量较高，介于3.63%～5.92%之间，平均值为4.95%；PbO 含量较低，介于0.02%～0.47% 之间，平均值为0.23%；REE2O3含量相比原生晶质铀矿降低，介于1.38%～3.75%之间，平均值为2.23%；ThO2和Y2O3含量较低。蚀变沥青铀矿B 成分总量介于83.05%～92.79%之间，平均值为89.07%；UO2含量介于66.40%～77.82%之间，平均值为72.22%；SiO2含量较高，介于3.14%～4.84%之间，平均值为3.93%；CaO、PbO和REE2O3含量与蚀变铀矿物A 相当，分别介于4.20%～6.28%之间，平均值为5.44%；0.14%～0.31%之间，平均值为0.22%；1.65%～3.15%之间，平均值为2.17%（表1）。

表1 芨岭铀矿床原生晶质铀矿、蚀变沥青铀矿主量元素、微量元素及稀土元素分析数据（wB/%）Table 1 The major,trace and rare earth element（wB/%）of original uraninite and altered pitchblende in Jiling uranium deposit

表1（续）

4 讨论

4.1 铀矿物蚀变特征

在铀的氧化物结晶时一些微量和稀土元素可以进入矿物晶格中，例如Th、REE 和Ca 等元素［10］，同时铀的氧化物比较容易在后期重结晶或是浅成热液蚀变中受到改造，使得矿物晶体中的化学成分与蚀变热液发生交换［11-13］。这一特征导致铀的氧化物在自然环境中比较容易被改造，使得其化学成分普遍不均一［11-12］。因此，通过铀的氧化物的化学成分变化可以推测铀矿床发生热液蚀变的流体化学特征［14］。

在封闭体系中，由于U 和Th 的衰变产生放射性成因的Pb，因此U＋Th 含量与铀矿物中放射性成因Pb 含量应该呈负相关关系。但是在同一年代形成的铀矿物中，U＋Th 含量与其放射性成因Pb 含量应呈正相关关系，如Kempe（2003）［12］研究所示。芨岭铀矿床中原生晶质铀矿中的UO2＋ThO2含量与PbO 含量呈正相关关系（图4），同时原生晶质铀矿具较低的SiO2＋CaO 含量，指示其并未受到明显的热液蚀变改造，未造成明显的铅丢失现象。而蚀变沥青铀矿A 和B 中PbO 含量均较低，且相比原生晶质铀矿具较高的SiO2＋CaO 含量，指示其受到后期热液蚀变改造，铀矿物化学成分发生改变。

图4 原生晶质铀矿（UO2＋ThO2）-PbO 散点图Fig.4 Binary diagrams of（UO2＋ThO2）-PbO for original uraninite

与原生晶质铀矿相比，蚀变沥青铀矿A 和B 显示较低的ThO2＋UO2＋REE2O3＋Y2O3＋PbO 含量以及较高的SiO2＋CaO 含量（图5a）。原生晶质铀矿中较低的SiO2＋CaO 含量指示这些元素并未在晶质铀矿结晶时混入其中，且其未受到明显的后期热液蚀变。原生晶质铀矿与蚀变沥青铀 矿A 和B 在（ThO2＋REE2O3＋Y2O3）-UO2图中被明显区分（图5b），指示后期热液蚀变导致铀矿物中REE、Y 被Si、Ca 等元素置换。新鲜沥青铀矿SiO2、CaO 含量较低，而芨岭铀矿床中蚀变沥青铀矿A 和B 具较高的CaO含量，且它们SiO2存在成分间隔（图5c、d），指示原生铀矿物经历至少两期次成分不同的热液流体蚀变改造，其中一期次蚀变流体相对富Ca，另一期次蚀变流体相对富Si。

图5 芨岭铀矿床铀矿物主量及微量元素散点图Fig.5 Scatter diagrams of major and minor elements of uranium minerals in Jiling deposit

4.2 铀成矿特征

Th、Y 和REE 与U4+的离子半径相似［15］，使得这些元素可以在晶质铀矿或沥青铀矿沉淀时进入矿物晶体结构中。控制这些元素进入铀的氧化物晶体结构中的因素包括：铀的氧化物的结晶温度和其结晶时从流体或硅酸盐熔体中获取的量。总体来说，低温条件形成的铀的氧化物具较低的Th 含量，较高温度下形成的铀的氧化物具较高的Th＋REE＋Y 含量［14，16-18］。芨岭铀矿床中原生晶质铀矿具有较高的ThO2、Y2O3和REE2O3含量，指示原生晶质铀矿形成于高温条件下，例如岩浆、岩浆热液或是变质热液［14，17-18］。

晶质铀矿主要产在高分异过铝质浅色花岗岩和伟晶岩，如华南热液脉型铀矿床赋矿花岗岩［19-20］、高Ca 准铝质花岗岩、低Ca 过铝质花岗岩、过碱性花岗岩以及由变质沉积岩部分熔融形成的弱过铝质深源伟晶岩［21-22］。但是，芨岭花岗岩属于准铝质至过铝质［3］，且并没有在新鲜花岗岩中发现晶质铀矿［23］。且前人利用电子探针U-Th-Pb 化学原位测年获得芨岭晶质铀矿成矿年龄为（435.9±3.3）Ma［23］，结合Wang 等［3］对芨岭花岗岩锆石U-Pb 定年数据，两者之间并无明显的矿-岩时差。由此，推测芨岭钠交代型铀矿床中晶质铀矿可能形成于高温岩浆期后热液。

4.3 矿床热液演化特征

本次研究首次在芨岭钠交代型铀矿床中发现形成于高温岩浆期后热液的晶质铀矿，并通过不同蚀变类型沥青铀矿原位化学成分特征梳理了热液流体特征。同时Yu 等［23］对芨岭钠交代型铀矿床中不同蚀变类型晶质铀矿和铀石化学成分进行分析，显示原生晶质铀矿至少经历两期次化学成分不同的热液流体蚀变改造，其中一期次相对富Ca，另一期次相对富Si。Yu 等［23］研究认为沥青铀矿与原生晶质铀矿显示同源性，即具有相同铀源，且晶质铀矿为后期沥青铀矿成矿提供部分铀源。综上，可梳理得出芨岭钠交代型铀矿床热液演化特征：芨岭钠交代型铀矿床成矿分为两个阶段，第一阶段以高温岩浆期后热液晶质铀矿为主，第二阶段以中-低温沥青铀矿为主。在晶质铀矿形成之后，富Ca 流体沿构造裂隙活动，蚀变改造原生晶质铀矿，形成相对富Ca 的蚀变晶质铀矿A，同时原生晶质铀矿中U 被浸出，随流体继续活动。在流体去气、降温以及合适的地球化学条件下形成沥青铀矿。在沥青铀矿形成后，富Ca 流体继续活动，使得原生沥青铀矿形成相对富Ca 的蚀变沥青铀矿A。根据蚀变晶质铀矿B 和蚀变沥青铀矿B 相对富Si，同时在铀石中均发现晶质铀矿和沥青铀矿残余体［23］，指示芨岭钠交代型铀矿床还经历了一期次富Si 流体蚀变。

5 结论

1）芨岭钠交代型铀矿床中铀矿物主要为晶质铀矿和沥青铀矿。

2）芨岭钠交代型铀矿床中晶质铀矿具有较高的Th＋REE＋Y 含量，指示其可能形成于高温岩浆期后热液。

3）芨岭钠交代型铀矿床中不同蚀变类型铀矿物元素地球化学特征指示，矿床中原生铀矿物至少经历两期次化学成分不同的热液流体蚀变改造，其中一期次相对富Ca，另一期次相对富Si。