華南印支期不同產(chǎn)鈾能力花崗巖元素地球化學(xué)特征對(duì)比及其指示意義

章 健，陳培榮，陳衛(wèi)鋒，巢小林，李大雁

（1.核工業(yè)230研究所，湖南 長(zhǎng)沙410007；2.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210093）

華南是我國(guó)主要的鈾礦產(chǎn)區(qū)，花崗巖型鈾礦床和火山巖型鈾礦床是華南地區(qū)最主要的鈾礦床類型?；◢弾r型鈾礦床是指與花崗巖體有緊密空間關(guān)系和成因聯(lián)系的鈾礦床，它可產(chǎn)在巖體內(nèi)部或巖體外圍不遠(yuǎn)的一定區(qū)域內(nèi) （如產(chǎn)在外接觸帶構(gòu)造斷裂帶中的熱液鈾礦床）[1－3]。通常把這種內(nèi)部和外圍產(chǎn)出鈾礦床的花崗巖，稱之為產(chǎn)鈾花崗巖。

花崗巖中主量、微量元素和同位素的含量及其變化特征，是反映巖石類型、成因、構(gòu)造背景和各種地質(zhì)作用的有效指數(shù)?；◢弾r的源區(qū)物質(zhì)成分，以及其部分熔融、分離結(jié)晶、同化混染的程度，都決定了花崗巖全巖成分的不同。因此，研究對(duì)比花崗巖的元素地球化學(xué)和礦物學(xué)特征，可以揭示出產(chǎn)鈾花崗巖的一些指示性標(biāo)志。目前已有學(xué)者做過(guò)這方面的研究[4－7]，本文擬在前人的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比分析華南印支期大多數(shù)花崗巖體的元素地球化學(xué)差異，試圖進(jìn)一步揭示產(chǎn)鈾花崗巖的指示性特征，為鈾礦勘查工作提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

根據(jù)花崗巖的產(chǎn)鈾能力，筆者將華南印支期花崗巖大致分為產(chǎn)鈾花崗巖、非產(chǎn)鈾花崗巖和未知產(chǎn)鈾花崗巖 （以下簡(jiǎn)稱未知型花崗巖）3種類型。產(chǎn)鈾花崗巖是指其中產(chǎn)出大型鈾礦床或鈾礦田的巖體，非產(chǎn)鈾花崗巖是指至今尚未發(fā)現(xiàn)有重要工業(yè)價(jià)值鈾礦床的巖體，目前僅發(fā)現(xiàn)存在鈾礦化點(diǎn)而尚未確定其產(chǎn)鈾能力的花崗巖歸為未知型花崗巖。本文中的產(chǎn)鈾花崗巖包括諸廣山巖體、下莊巖體、白面石巖體、高溪巖體、豆乍山巖體、大富足巖體、丫江橋巖體和陽(yáng)明山巖體；非產(chǎn)鈾花崗巖包括白馬山巖體、瓦屋堂巖體、歇馬巖體、桃江巖體和五峰仙巖體；未知型花崗巖包括關(guān)帝廟巖體、溈山巖體、龍?jiān)磯螏r體、香草坪巖體和蔡江巖體 （圖1）[8，9]。筆者將重點(diǎn)對(duì)比產(chǎn)鈾花崗巖和非產(chǎn)鈾花崗巖在元素地球化學(xué)特征方面的差異。

圖1 華南印支期花崗巖分布圖 （據(jù)孫濤，2005）Fig.1 Distribution of Indosinian epoch plutons in South China

在大地構(gòu)造位置方面，產(chǎn)鈾巖體大多數(shù)位于華夏板塊內(nèi)，如諸廣山、貴東、大富足巖體等，而非產(chǎn)鈾巖體大多數(shù)位于揚(yáng)子板塊內(nèi)，如白馬山、瓦屋塘和關(guān)帝廟巖體等 （圖1）。在成礦年齡方面，產(chǎn)鈾花崗巖的成巖年齡分布在219～250Ma，非產(chǎn)鈾花崗巖的成巖年齡則分布在204～230Ma （表1）[10－13]。

表1 華南印支期花崗巖成巖年齡 （Ma）Table 1 Ages of Indosinian epoch plutons in South China

2 花崗巖樣品特征和分析方法

華南印支期產(chǎn)鈾花崗巖以二云母花崗巖和黑云母花崗巖為主，巖石為中－細(xì)粒結(jié)構(gòu)，大多經(jīng)歷過(guò)綠泥石化和水云母化蝕變；非產(chǎn)鈾花崗巖以黑云母花崗巖和黑云母花崗閃長(zhǎng)巖為主，顆粒較大，通常存在斑晶，并且大部分花崗巖中均存在暗色包體。

產(chǎn)鈾花崗巖中的黑云母綠泥石化蝕變強(qiáng)烈，黑云母中含有的副礦物組合較為復(fù)雜，包括磷灰石、鋯石、獨(dú)居石、金紅石、褐簾石以及釷石和晶質(zhì)鈾礦等 （圖2a、b），非產(chǎn)鈾花崗巖的黑云母比較新鮮，其中或周圍的副礦物種類較少，主要為磷灰石、鋯石和榍石等 （圖2c、d）。

圖2 黑云母及其共生礦物電子探針背散射圖Fig.2 Backscattered electron image of biotite and symbiosis minerals

樣品的全巖化學(xué)成分由南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心采用ARL9800XP＋波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀測(cè)定，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品的偏差：高含量氧化物＜0.8%，低含量氧化物＜10%；Fe2O3和FeO含量采用濕化學(xué)法分析。微量元素含量由南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院內(nèi)生金屬礦床成礦研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院貴陽(yáng)地球化學(xué)研究所采用ICP－MS方法分析 （德國(guó) Element 2）[15]，檢測(cè)限優(yōu)于0.5×10－9，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于5%。

3 花崗巖類型及巖石化學(xué)特征

產(chǎn)鈾花崗巖的巖石化學(xué)組分含量分別為：SiO268.55%～75.63% （平均值為73.38%），Al2O312.66%～14.43% （平均值為13.57%），TiO20.05%～0.5% （平均值為0.20%），TFe 1.02%～2.85% （平均值為1.76%），MgO 0.18%～0.79% （平 均 值 為0.36%），CaO 0.23%～1.48% （平均值為0.78%），P2O50.05%～0.3% （平均值為0.14%），K2O 4.07%～6.38% （平均值為5.30%）。相對(duì)而言，產(chǎn)鈾花崗巖的SiO2、K2O和P2O5含量高于非產(chǎn)鈾花崗巖，而Al2O3、TiO2、TFe、MgO和CaO含量則較低。

產(chǎn)鈾花崗巖的ACNK值在0.97～1.25，大部分屬于強(qiáng)過(guò)鋁質(zhì)花崗巖，與S型花崗巖相似[16，17]；非產(chǎn)鈾花崗巖的 ACNK值相對(duì)集中，為0.99～1.14，屬于弱過(guò)鋁質(zhì)花崗巖（圖3）。

圖3 華南印支期花崗巖ANK－ACNK圖Fig.3 ANK－ACNK diagram of Indosinian epoch plutons in South China

產(chǎn)鈾花崗巖多數(shù)屬于鐵質(zhì)系列，F(xiàn)eO／（FeO＋MgO）值為0.72～0.90；非產(chǎn)鈾花崗巖屬于鎂質(zhì)系列，F(xiàn)eO／（FeO＋MgO）值為0.64～0.73（圖4a）。比較華南印支期花崗巖的Na2O＋K2O－CaO值，產(chǎn)鈾花崗巖大多數(shù)屬于堿－鈣性系列，非產(chǎn)鈾花崗巖則落在鈣－堿性系列區(qū)域 （圖4b）。同時(shí)，產(chǎn)鈾花崗巖、非產(chǎn)鈾花崗巖和未知型花崗巖均落在高鉀系列區(qū)域 （圖4c）。因此產(chǎn)鈾花崗巖屬于高鉀鐵質(zhì)堿－鈣性花崗巖，而非產(chǎn)鈾花崗巖屬于高鉀鎂質(zhì)鈣－堿性花崗巖 （圖4）[18－20]。

華南印支期花崗巖的ACF圖反映出產(chǎn)鈾花崗巖中斜長(zhǎng)石和黑云母占主要組分地位，與S型花崗巖的特征一致；非產(chǎn)鈾花崗巖中主要組分為斜長(zhǎng)石、黑云母和角閃石，更接近于I型花崗巖的特征 （圖5）[17]。這也印證了產(chǎn)鈾花崗巖大多數(shù)屬于強(qiáng)過(guò)鋁質(zhì)花崗巖的結(jié)論。

圖4 華南印支期花崗巖FeO／（FeO＋MgO）－SiO2、（Na2O＋K2O－CaO）－SiO2 和 K2O－SiO2 圖（據(jù)Frost B R，2001；Wright J B，1969；Peccerillo R，1976）Fig.4 FeO／（FeO＋MgO）－SiO2，（Na2O＋K2O－CaO）－SiO2，K2O－SiO2diagram of Indosinian epoch plutons in South China注：圖例同圖3。

圖5 華南印支期花崗巖ACF圖Fig.5 ACF diagram of Indosinian epoch plutons in South China

4 花崗巖微量元素及稀土元素特征

華南印支期花崗巖微量元素蛛網(wǎng)圖 （圖6a）反映出3類花崗巖具有相同的富集和虧損規(guī)律 （富集Rb、Th、U、K、Pb，虧損Ba、Nd、La、Ce、Eu、Ti）。產(chǎn)鈾花崗巖比其他類型花崗巖的虧損和富集程度更為強(qiáng)烈，說(shuō)明其經(jīng)歷了更強(qiáng)烈的結(jié)晶分異過(guò)程。稀土元素蛛網(wǎng)圖 （圖6b）也反映出這3類花崗巖具有相同的變化趨勢(shì)，只是產(chǎn)鈾花崗巖Eu異常程度要遠(yuǎn)高于非產(chǎn)鈾花崗巖，并且輕稀土更為富集。產(chǎn)鈾花崗巖中除Eu含量較低外，其他稀土元素含量均高于非產(chǎn)鈾花崗巖，未知型花崗巖稀土元素含量介于這兩種花崗巖之間。產(chǎn)鈾花崗巖Eu異常程度高，表明其經(jīng)歷了強(qiáng)烈的分異演化[21，22]。

圖6 華南印支期花崗巖微量元素蛛網(wǎng)圖 （a）和稀土元素配分圖 （b）Fig.6 Chondrite normalize REE pattern and spider diagram of Indosinian epoch plutons in South China

Th－U相關(guān)關(guān)系圖 （圖7）直觀地反應(yīng)出了華南產(chǎn)鈾花崗巖U、Th含量高，Th／U值低的特點(diǎn)。

5 花崗巖源區(qū)特征及形成環(huán)境

花崗巖CaO／Na2O值是判斷源區(qū)的一個(gè)重要指標(biāo)，其變化范圍是溫度 （熔融的程度）、壓力和H2O活動(dòng)性以及源巖成分的一個(gè)函數(shù)。其中，源區(qū)長(zhǎng)石與黏土的比率是其主要的控制因素。貧長(zhǎng)石、富黏土的源區(qū)產(chǎn)生的花崗巖熔融物，其w（CaO）／w（Na2O）值較低[23]。華南印支期花崗巖中，產(chǎn)鈾巖體的w（CaO）／w（Na2O）值為0.09～0.52，大部分屬于泥質(zhì)巖源區(qū)；非產(chǎn)鈾花崗巖 w（CaO）／w（Na2O）值為0.69～1.24，屬于砂屑巖源區(qū) （圖8）。

Pearce等 （1984）系統(tǒng)研究了已知大地構(gòu)造背景的花崗巖地球化學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)元素Y、Yb、Rb、Ba、K、Nb、Ta、Ce、Sm、Zr和Hf最能有效區(qū)分不同大地構(gòu)造環(huán)境的花崗巖。華南印支期花崗巖屬于碰撞背景下的產(chǎn)物。其中，產(chǎn)鈾花崗巖應(yīng)屬于同碰撞背景下形成的；非產(chǎn)鈾花崗巖為后碰撞背景下形成的 （圖9）[24，25]。

圖7 華南印支期花崗巖Th－U相關(guān)關(guān)系圖Fig.7 Correlation of Th－U of Indosinian epoch plutons in South China

圖8 華南印支期花崗巖CaO／Na2O－Al2O3／TiO2圖（據(jù)sylvester P J，1998）Fig.8 CaO／Na2O－Al2O3／TiO2diagram of Indosinian epoch plutons in South China

圖9 華南印支期花崗巖構(gòu)造判別圖 （據(jù)Pearce J A，1984；Hairs N B W，1986）Fig.9 Tectonic discriminating diagram of Indosinian epoch plutons in South China

6 花崗巖成巖物理化學(xué)條件

Watson和 Harrison（1983）通過(guò)在1.2、2.1、6kbar和750～1020℃，以及初始熔體SiO2含量介于61%～75%條件下的鋯石溶解度實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)地殼深熔熔體中鋯石的飽和行為是溫度和組分的函數(shù)[26]：t（℃）＝12900／｛ln（497657／Zr）－[－3.8－0.85×（M－1）]｝－273

利用鋯石飽和溫度計(jì)計(jì)算了華南印支期花崗巖的形成溫度 （表2），產(chǎn)鈾花崗巖形成于711～839℃ （平均為768℃），非產(chǎn)鈾花崗巖形成于757～831℃ （平均為789℃），未知?型花崗巖的形成溫度在726～816℃ （平均為777℃）。產(chǎn)鈾花崗巖的形成溫度要低于非產(chǎn)鈾花崗巖。更低的結(jié)晶溫度使花崗巖的成巖時(shí)間延長(zhǎng)，說(shuō)明產(chǎn)鈾花崗巖經(jīng)歷了更久的結(jié)晶分異作用。

表2 華南印支期花崗巖鋯石飽和溫度和氧逸度Table 2 Saturation temperature and oxygen fugacity of Indosinian epoch plutons in South China

根據(jù)Wones等 （1965）在PH2O＝2070×105Pa條件下黑云母的lg（fO2）－T圖[27]，結(jié)合黑云母穩(wěn)定度 [100×Fe2＋／（Fe2＋＋Mg2＋）]，并假定花崗巖漿平衡溫度為750～900℃，得出花崗巖大致的形成氧逸度lg（fO2）。華南印支期產(chǎn)鈾花崗巖的lg（fO2）值為－16.5～－15.0，非產(chǎn)鈾花崗巖的lg（fO2）值為－12.4～－12.5，這表明產(chǎn)鈾花崗巖相對(duì)于非產(chǎn)鈾花崗巖具有較低溫度和較低氧逸度的特征。

7 結(jié)論與討論

不同產(chǎn)鈾類型花崗巖在元素地球化學(xué)特征上表現(xiàn)出極大的差異，花崗巖源區(qū)、花崗巖漿成分、結(jié)晶分異程度以及后期自變質(zhì)作用，是導(dǎo)致花崗巖產(chǎn)鈾能力不同的重要因素[6]。

通過(guò)上述的對(duì)比總結(jié)，區(qū)別產(chǎn)鈾與非產(chǎn)鈾花崗巖的指示標(biāo)志為：產(chǎn)鈾花崗巖屬于S型花崗巖，非產(chǎn)鈾花崗巖屬于I型花崗巖；產(chǎn)鈾花崗巖的源區(qū)是泥質(zhì)巖源區(qū)，非產(chǎn)鈾花崗巖為砂屑巖源區(qū)；產(chǎn)鈾花崗巖中富集SiO2、K2O、P2O5、Pb、U、Th、Rb和LREE，并虧損 Al2O3、TiO2、FeO、MgO、CaO、Sr、Ba、Eu；產(chǎn)鈾花崗巖可能形成于同碰撞構(gòu)造環(huán)境，而非產(chǎn)鈾花崗巖形成于后碰撞構(gòu)造環(huán)境。產(chǎn)鈾花崗巖的結(jié)晶分異作用強(qiáng)。產(chǎn)鈾花崗巖相對(duì)于非產(chǎn)鈾花崗巖具有更低的成巖溫度和氧逸度。

未知型花崗巖大多數(shù)同時(shí)具有產(chǎn)鈾花崗巖和非產(chǎn)鈾花崗巖的特征，因此未知型花崗巖是否具有產(chǎn)鈾花崗巖的鈾成礦指示特征，可作為找鈾礦的判別標(biāo)志。

本文寫作過(guò)程中范立亭高級(jí)工程師 （研究員級(jí)）對(duì)花崗巖分類提供指導(dǎo)意見，黃思東高級(jí)工程師和葉慶森高級(jí)工程師 （研究員級(jí)）對(duì)本文提出了有價(jià)值的修改意見，在此一并致謝。

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