诸广三九矿田石壁窝矿区主要铀矿物电子探针定年

陈旭，刘晓东，覃金宁，姜必广，南小龙

（1.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；2.东华理工大学 核资源与环境省部共建国家重点实验室，江西 南昌 330013；3.湖南省地质院三〇六大队，湖南 衡阳 421000）

诸广山复式岩体是华南花岗岩型铀矿矿集区之一，前人已对该地区开展了大量的生产及科研工作［1-13］。诸广山中段的三九地区位于鹿井铀矿田和城口铀矿田之间，近年来，湘核地勘系统在三九地区开展了大量勘查工作，新近取得的找矿成果将该区铀资源量及潜力提升至矿田级别。前人对该区的成矿地质特征如富铀老地层、产铀岩体、控矿构造、铀矿体、放射晕、成矿模式等方面已有较多研究成果［14-19］，然而尚未见公开报道的铀矿物原位年代学研究。本文以九龙江铀矿床南部石壁窝矿区的铀矿物作为研究对象，通过光学显微镜、扫描电镜（SEM）、X 射线能量色散谱仪（EDS）和电子探针（EPMA）等方法，研究铀矿物显微结构和主微量元素特征，利用电子探针对晶质铀矿、沥青铀矿等开展原位U-Th-Pb 化学定年，厘定区内铀成矿年龄，并探讨了本次电子探针定年结果的可靠性和地质意义。

1 地质背景

三九矿田位于华夏板块湘、桂、粤北海西-印支凹陷与闽赣后加里东隆起的交汇部位，南华活动带北缘，华南多期复合造山带内的诸广山岩体中部。诸广山岩体为万洋山-诸广山走滑岩浆带的重要组成部分，其中南部已发现了一系列铀矿田（鹿井、城口、长江等）以及多个铀矿床、矿点［20-22］（图1a、b）。

三九矿田以九龙径、九曲岭、九龙江矿区及其周边产出花岗岩内外带型铀矿床而得名。区内出露地层有震旦系、寒武系、泥盆系、石炭系、第四系等（图1c）。岩浆岩主要为燕山期花岗岩，其中东岭单元（J2D）岩体是九龙江铀矿床主要赋矿围岩，为燕山早期第二阶段呈岩基产出的中粗粒似斑状黑云母二长花岗岩，岩体结晶年龄为（161.9±2.1）Ma［8］，此外还有中棚单元岩体、少量燕山晚期花岗岩及细粒花岗岩脉。前人研究认为区内燕山早期花岗岩为壳源重熔成因高分异过铝质S 型花岗岩［7-8，23-24］。三九地区断裂构造发育，石壁窝矿区控矿断裂以北西向塘湾断裂为主（图1c），铀矿化属中低温热液型，矿石类型主要为硅质脉型、角砾岩型、碎裂蚀变岩型三类。成矿期围岩蚀变常可见硅化、黄铁矿化、赤铁矿化、萤石化、绿泥石化、伊利石化等。矿石中铀矿物主要为沥青铀矿、晶质铀矿及少量铀石［21-22］。

2 样品及分析

2.1 样品采集及特征

此次研究样品采自三九矿田南部石壁窝矿区施工钻孔的岩矿心（图1c）。实验样品取自赤铁矿化、绿泥石化较发育的铀矿石，岩性为强绿泥石化赤铁矿化花岗碎裂岩（图2a、b），原岩为东岭单元的中粗粒似斑状黑云母二长花岗岩。铀矿石样品主体呈灰绿色，块状构造，花岗碎裂结构，主要由酸性斜长石、石英、黑云母、绿泥石等矿物组成，绿色蚀变发育，尤其是黑云母发生绿泥石化、白云母化、赤铁矿化，斜长石发育弱黏土化。

图1 三九矿田大地构造位置（a）、诸广山岩体中南部花岗岩体及铀矿田分布示意图［20］（b）和三九矿田地质略图［22］（c）Fig.1 Geotectonic location of Sanjiu ore field（a），schematic map of granite and uranium ore field in the central and southern part of the Zhuguangshan granitic batholith［20］（b），simplified geological map of the Sanjiu ore field［22］（c）

2.2 分析过程及条件

薄片磨制在南昌华地科技有限公司完成，光学显微镜、扫描电镜（SEM）及电子探针（EPMA）的观察、测试均在东华理工大学核资源与环境省部共建国家重点实验室完成，仪器的主要技术指标可对应下文仪器型号参考实验室官方网站介绍。样品手标本经观察初选后磨制薄片，在光学显微镜下鉴别出铀矿物并做好标记，薄片镀碳后配合EDS 使用SEM 拍摄背散射电子图像，最后在EPMA 下进行成分测试。本次分析测点均选择铀矿物光滑平整且无微裂隙的部位（图2c）。

其中，SEM 观测在FEI 捷克有限公司生产的Nova Nano SEM 450 型场发射扫描电子显微镜进行，初始寻找矿物阶段放大倍数一般在100～200 倍，然后沿标记寻找铀矿物，观察及拍照阶段放大倍数一般在3 000～10 000 倍。上机观测过程中配合使用英国牛津仪器公司生产的X-Max20 电制冷X 射线能量色散谱仪（EDS）半定量测定矿物成分［25］，确定需要进一步测试的目标矿物。EPMA 测试在JXA-8100 型电子探针上完成，测试条件：加速电压为15.0 kV，探针电流为100 nA，电子束斑为1 µm。各元素使用的X-ray 分别为ThMα，PbMα 和UMα 谱线，峰位计数时间U、Th、Pb 分别设为120 s，180 s 和300 s［26］。标样的选择上，U、Th、Pb 均采用沥青铀矿为标样，峰位计数时间为180 s。采用仪器在线校正的方式校正PbMα 计数，最后根据校正后的Pb 含量参与年龄计算［27］。

2.3 年龄计算方法

长期以来，铀矿研究者提出许多晶质铀矿、沥青铀矿等铀矿物化学年龄计算方法，目前大部分研究者应用的是Ranchin（1968）［28］提出的经验公式：

Bowles（1990）［29］及 Suzuki and Adachi（1991）［30］根据U、Th 放射性衰变原理和U 同位素丰度提出计算公式，Bowles（1990）公式为：

式（2）中，U、Th、Pb 分别为UO2、ThO2、PbO 的原子百分含量，年龄t 单位为Ma。Suzuki and Adachi 的公式采用不同U 同位素丰度，与公式（2）计算结果相近，不再列出。

本文计算先采用公式（1）得出经验表观年龄，然后在Excel 中采用公式（2）多次迭代得到∣（Pb计算值/Pb测量值）－1∣最小值时取其表观年龄，最后利用Isoplot 软件［31］计算得到表观年龄加权平均值。根据前人经验，本文EPMA 分析U、Th、Pb 的测试误差为2%，分析结果及计算结果见表1。

3 观测及分析结果

3.1 主要铀矿物显微特征

通过光学显微镜、SEM 观测发现，矿区花岗岩中主要铀矿物为晶质铀矿、沥青铀矿、铀石（图2c～f），其他铀矿物见少量铀钍石、钛铀矿，其他副矿物有锆石、独居石、磷钇矿、磷灰石等。晶质铀矿普遍溶蚀程度较高或破碎明显，是区内主要铀源矿物，本次仅寻找到1 颗晶形较好且溶蚀程度较弱的晶质铀矿（图2f）；沥青铀矿多与黄铁矿、赤铁矿、绿泥石共伴生，呈鲕状、细脉状、浸染状等（图2e）；铀石（SiO2含量比沥青铀矿高）与沥青铀矿相似，也常与黄铁矿、赤铁矿、绿泥石等共伴生，呈半自形碎块状、他形块状（图2d），尤其是常见充填于自形-半自形黄铁矿裂隙中。

图2 石壁窝矿区铀矿石及典型铀矿物显微照片Fig.2 Hand specimen photos of uranium ores and microscopic feature of typical uranium minerals from Shibiwo mining area

3.2 主要铀矿物成分

晶质铀矿：UO2含量在80.09%～97.83%，平均值为89.59%；ThO2含量在2.16%～6.43%，平均值为3.85%；PbO 含量在1.41%～2.10%，平均值为1.80%；SiO2含量在BLD～1.46%（BLD即低于检测限，下同），平均值为0.33%；LREE2O3含量在0.03%～0.54%，平均值为0.33%；CaO 均低于BLD（表1）。

沥青铀矿：UO2含量在78.31%～88.83%，平均值为84.20%；ThO2含量在BLD～1.59%，平均值为0.93%；PbO 含量在0.98%～1.25%，平均值为1.11%；SiO2含量在2.20～4.91%，平均值为3.54%；LREE2O3含量在0.09%～1.45%，平均值为0.63%；与晶质铀矿不同的是，CaO 含量在0.06%～3.23%，平均值为1.19%；FeO 含量分布不均，部分样品可能达4%以上，部分样品低于1%（表1）。

3.3 铀矿物EPMA 化学定年

3.3.1 晶质铀矿的定年结果

晶质铀矿中Ca、Si等“杂质元素”含量可用来判断其遭受后期改造程度，是否存在放射性Pb 的丢失［32-33］；有研究认为晶质铀矿中几乎没有初始铅［34］。表1 数据显示晶质铀矿的CaO 含量低于检测限，（FeO＋SiO2＋P2O5）平均含量也低于0.23%（剔除过高测点S08-2.3），EDS 能谱扫描图也显示晶质铀矿U、O 主量元素界线分明，“杂质元素”普遍含量极低（图3）。前人研究成果和上述证据表明该晶质铀矿虽发育少量应力微裂隙且局部溶蚀，但基本未遭受后期化学改造，基本能满足EPMA化学定年适用条件。

通过对比公式（1）和公式（2）的计算结果，如表1 所示，晶质铀矿的表观年龄为161.7～128.7 Ma，加权平均年龄为（149.0±6.2）Ma（MSWD=3.9，n=6）（图4a，剔除了高异常值）。

3.3.2 沥青铀矿的定年结果

除个别高测点，沥青铀矿的（FeO＋SiO2＋P2O5＋CaO）平均含量低于10%，且（FeO＋SiO2＋P2O5＋CaO）与PbO、与沥青铀矿表观年龄均无明显相关性，表明沥青铀矿中的Pb 没有明显的改造丢失［35］，所测年龄具有矿床成矿年龄代表性。本次研究测得的沥青铀矿年龄为108.8～90.5 Ma，计算加权平均年龄为（97.7±1.7）Ma（MSWD=0.99，n=5）（图4b，剔除了最高和最低的异常值）。

图4 石壁窝矿区晶质铀矿（a）和沥青铀矿（b）化学年龄加权平均值Fig.4 The weighted mean age of uraninite（a）and pitchblende（b）from Shibiwo mining area

4 讨论

晶质铀矿是花岗岩中常见的副矿物之一，多呈包裹体状分布在花岗岩黑云母、长石、石英等造岩矿物粒间，表明其一般是在岩体冷凝期结晶或稍后结晶。因此晶质铀矿的结晶年龄基本能代表所赋存花岗岩体的结晶年龄，也适合用作电子探针测年的对象［36］。本次研究的年龄数据为（149.0±6.2）Ma，与前人获得的三江口岩体花岗岩锆石U-Pb 年龄（161.9±2.1）Ma［8］、（155.2±2.1）Ma［37］较为接近，应该能代表石壁窝矿区三江口岩体花岗岩结晶年龄。

沥青铀矿是华南花岗岩型铀矿床的主要铀矿物，其化学年龄能代表铀矿床的成矿年龄。本次研究的年龄数据为（97.7±1.7）Ma，与九曲岭铀矿床沥青铀矿U-Pb 同位素年龄115.0～91.6 Ma［21］较为接近，表明区内花岗岩型铀矿成矿年龄与成岩年龄差距较大，可能存在40～60 Myr 的岩矿时差，与华南花岗岩型铀矿床成矿年代学特征相似［38］。需指出的是，由于本次分析的样品不多，可能只代表本区一期的成矿年龄，本次研究剔除的数据中有个别表观年龄大于100 Ma。

5 结论

1）石壁窝矿区单颗粒晶质铀矿加权平均年龄为（149.0±6.2）Ma，近似代表了区内花岗岩结晶年龄。

2）矿区沥青铀矿年龄加权平均年龄为（97.7±1.7）Ma，代表了区内花岗岩型铀矿的一个成矿期次，与围岩的成岩年龄存在约40～60 Myr 的岩矿时差。

致谢：野外取样工作在湖南省地质院三〇六大队刘邵强工程师帮助下完成，样品预处理及室内镜下观察在东华理工大学闵壮同学协助下完成，扫描电镜和电子探针实验操作在张雪芬博士、邬斌博士、余驰达同学的指导和帮助下完成，论文修改得到匿名审稿人很好的建议，在此一并表示感谢！