北秦嶺東段柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床鉛同位素特征與成礦作用探討

林銳華，楊秀峰，劉行，王亞飛，朱斌，韓建栢，孫志明，王繼遠

(1.中鋼集團天津地質(zhì)研究院有限公司，天津 300181； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

0 引言

北秦嶺造山帶為華北克拉通南緣與南秦嶺造山帶北緣過渡結(jié)合部位，主要受欒川斷裂和商丹斷裂控制的大致呈NWW向展布的構(gòu)造帶，其東段是整個秦嶺造山帶中構(gòu)造變形、地層變質(zhì)較為強烈的地帶，巖漿活動較為發(fā)育，其中以中酸性花崗質(zhì)巖漿最為頻繁，侵位時代主要為古生代，新元古代次之，并伴隨多類礦種、多個期次的巖漿期后金屬成礦事件，其中以灰池子巖體外圍鈾的較大規(guī)模成礦事件尤甚[1-8]。

古生代以來，加里東期受揚子板塊向華北克拉通俯沖影響，巖石圈受到了碰撞造山作用的改造，于北秦嶺東段形成以灰池子巖體、漂池巖體為代表的中酸性侵入巖體[9-14]。其中，在灰池子巖體外圍出現(xiàn)較大規(guī)模的鈾成礦作用，導致在橫跨豫、陜兩省的灰池子巖體外圍區(qū)域形成一個與構(gòu)造-巖漿密切相關(guān)的花崗偉晶巖型和構(gòu)造熱液型鈾礦(或礦化)富集帶，受到諸多學者關(guān)注[1-5,7-8,15-22]。

近年來灰池子巖體外圍地區(qū)找礦成果顯著，新發(fā)現(xiàn)了光石溝鈾礦床[2,5]、小花岔鈾礦床[23]、陳家莊鈾礦床[24]、柳樹灣鈾礦床[1]等多個鈾礦床，顯示了灰池子巖體外圍鈾成礦地質(zhì)條件的優(yōu)越性，找礦潛力巨大。

圖1 北秦嶺東段柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床大地構(gòu)造位置簡圖(b)和地質(zhì)略圖(c)Fig.1 Geotectonic and geological sketch of the Liushuwan granitic pegmatite type U deposit at eastern part of the North Qinling orogenic belt1.中元古代峽河巖群寨根巖組；2.新元古代花崗片麻巖；3.新元古代角閃巖脈； 4.中基性雜巖體；5.古生代灰池子巖體；6.含鈾花崗偉晶巖脈； 7.非礦花崗偉晶巖脈；8.第四系；9.勘探線及其編號；10采樣位置

柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床位于河南省西部的盧氏縣境內(nèi)，是實施“河南省官坡—軍馬河地區(qū)放射性及三稀元素礦產(chǎn)遠景調(diào)查”項目期間新發(fā)現(xiàn)的一處花崗偉晶巖型鈾礦床；該礦床位于灰池子巖體東段北側(cè)，填補了灰池子巖體外圍于河南省境內(nèi)的找礦空白。鑒于該礦床為一新發(fā)現(xiàn)礦床，研究程度較低，有關(guān)柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床的報道僅有礦床的發(fā)現(xiàn)意義[1]、礦床地質(zhì)特征總結(jié)[1,3]、黑云母礦物化學特征[17]、礦產(chǎn)勘查過程中相關(guān)找礦方法的應用[18]等方面，而對成礦物質(zhì)來源、成礦作用等方面研究尚無報道，很大程度上制約了下一步找礦工作的持續(xù)推進及成礦模型的搭建。為此，本文基于對柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床中含鈾花崗偉晶巖脈、接觸帶附近黑云母斜長片麻巖和黑云母二長花崗巖所含黃鐵礦鉛同位素測定和對比研究，分析鉛同位素組成及其特征，探討成礦物質(zhì)來源與鈾成礦作用，為更加深入認識灰池子巖體外圍鈾成礦地質(zhì)條件奠定基礎(chǔ)，為本區(qū)鈾的遷移、富集、成礦機制提供新的證據(jù)。

1 礦區(qū)成礦地質(zhì)背景

柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床位于河南省三門峽市盧氏縣西南約90 km處。大地構(gòu)造位置北依華北克拉通南緣，南接南秦嶺構(gòu)造帶[25-27]，位于商縣—丹鳳(商丹)斷裂以北，欒川斷裂以南[27](圖1)。區(qū)域上出露的地層主要有二郎坪群、秦嶺群、寬坪群、峽河巖群、丹鳳群[28-30]。其中，峽河巖群寨根巖組含一套高級變質(zhì)巖系(原巖為富泥質(zhì)陸源碎屑巖)，為本區(qū)主要的賦礦圍巖。加里東期本區(qū)巖漿活動頗具規(guī)模，代表性巖漿活動產(chǎn)物主要有漂池巖體(505 Ma～470 Ma)和灰池子巖體(437 Ma～382 Ma)[2,15,27,31]。二者外圍有大量花崗偉晶巖脈展布，且具有一定的分帶性，向遠離巖體方向依次發(fā)育黑云母花崗偉晶巖脈、二云母花崗偉晶巖脈、白云母花崗偉晶巖脈和鋰云母花崗偉晶巖脈[3,16,32]。

圖2 柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床代表性巖石手標本照片F(xiàn)ig.2 The photographs of the representative rocks of the Liushuwan granitic pegmatite type U deposit a.黑云母二長花崗巖；b.含鈾花崗偉晶巖； c.黑云母花崗偉晶巖；d.鉀長石化花崗偉晶巖

灰池子巖體東段(即河南段)鈾礦(或礦化)富集帶范圍內(nèi)圈定了若干靶區(qū)，其中以巖體北東側(cè)的柳樹灣礦床成礦地質(zhì)條件最為優(yōu)越，含鈾偉晶巖礦脈長度可達2 km以上，礦體厚度最厚處2.4 m以上，一般為0.7～1.5 m，品位0.03%～0.14%[17]。鈾工業(yè)礦體(或含鈾礦化體)主要賦存在灰池子巖體與黑云斜長片麻巖地層的外接觸帶有限距離范圍內(nèi)(一般距離巖體300 m以內(nèi))的花崗巖偉晶巖脈中(圖2)。經(jīng)過野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，灰池子巖體中的黑云母二長花崗巖與成礦關(guān)系最為密切，通過放射性伽瑪掃面調(diào)查發(fā)現(xiàn)黑云母二長花崗巖自然伽瑪40 γ～120 γ。圍巖為出露于巖體北東側(cè)的黑云斜長片麻巖(峽河巖群寨根巖組)(圖1c)，鈾礦脈體(或鈾礦化脈體)呈脈狀(或透鏡狀)順層產(chǎn)出，走向NW-SE，傾角55°～85°[1]。

2 樣品采集與分析方法

2.1 樣品采集和處理

本次分析用樣品采自柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床鉆孔中。其中，樣品201707ZK1301-y-2、ZK1301HTK-Y2、ZK1301HTK-Y4、ZK1501HTK-D2、ZK1501HTK-D3、ZK0001HTK-D4、ZK1501HTK-ρ1、ZK0001HTK-ρ3、ZK1601HTK-ρ4、ZK1601HTK-ρ5分別采自1301號鉆孔42 m、54 m、62 m處，1501號鉆孔23 m、34 m處，0001號鉆孔24 m處，1501號鉆孔54 m處，0001號鉆孔42 m處，1601號鉆孔54 m、73 m處。

樣品預處理(包括樣品粉碎加工、黃鐵礦單礦物分選等)主要由廊坊市誠信地質(zhì)服務有限公司完成。將野外采集的巖石樣品，經(jīng)過分級破碎、分級過篩，于雙目鏡下挑選5 g以上的高純度(99%以上)黃鐵礦，研磨至200目以下備用。

2.2 測試儀器和方法

鉛同位素測試工作由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成，使用儀器為Phoenix 熱表面電離質(zhì)譜儀(儀器編號為9444)。

稱取15 mg黃鐵礦樣品置于溶樣罐中，用聚四氟乙烯(PTFE)密封，加入HNO3和HCl溶液，將樣品封存于180℃條件下，直至樣品全部溶解，然后蒸干，再加入6 mol/L HCl溶液溶解，再次蒸干。加入HCl和HBr溶液，離心后用HCl和HBr淋濾雜質(zhì)。再用6 ml濃度為6 mol/L的HCl溶液解吸鉛，蒸干后上機器分析。

鉛同位素分析在Phoenix熱表面電離質(zhì)譜儀上進行，采用NBS981標樣進行測試監(jiān)控，該標樣分析結(jié)果為0.01%，其中206Pb/204Pb分析精度優(yōu)于0.05%，208Pb/204Pb分析精度優(yōu)于0.005%。

3 分析結(jié)果

本次從柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床中采集了10件黃鐵礦單礦物樣品用于研究，其中賦存于含鈾花崗偉晶巖脈的4件黃鐵礦樣品(ZK1501HTK-ρ1、ZK0001HTK-ρ3、ZK1601HTK-ρ4、ZK1601HTK-ρ5)、接觸帶附近黑云斜長片麻巖的3件黃鐵礦樣品(ZK1501HTK-D2、ZK1501HTK-D3、ZK0001HTK-D4)和接觸帶附近的黑云母二長花崗巖的3件黃鐵礦樣品(201707ZK1301-y-2、ZK1301HTK-Y2、ZK1301HTK-Y4)。Pb同位素分析結(jié)果見表1，Pb同位素特征值見表2。

由表1可知：

①含鈾花崗偉晶巖脈中黃鐵礦的206Pb/204Pb=43.502～125.992、207Pb/204Pb=16.018～21.587、208Pb/204Pb=39.331～55.563，均顯示出較寬的比值范圍，比值不均一，這可能是放射性鉛累積的結(jié)果。

②黑云母二長花崗巖中黃鐵礦的206Pb/204Pb=19.312～19.907(平均19.687，極差0.595)、207Pb/204Pb=15.655～15.716(平均15.686，極差0.061)、208Pb/204Pb=38.728～39.868(平均39.149，極差1.086)；黑云斜長片麻巖中黃鐵礦的206Pb/204Pb=18.141～18.616(平均18.412，極差0.475)、207Pb/204Pb= 15.602～15.632(平均15.618，極差0.030)、208Pb/204Pb=38.569～38.806(平均38.669，極差0.237)。以上兩組鉛同位素樣品測試結(jié)果比較穩(wěn)定，變化范圍較小，且較為均一，具有正常鉛的特征，可代表柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床中黃鐵礦鉛同位素特征。

表1 柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床黃鐵礦鉛同位素組成Table 1 Pb isotopic compositions of pyrites from the Liushuwan granite pegmatite type U deposit

表2 柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床圍巖黃鐵礦鉛同位素特征Table 2 Pb isotopic characteristic parameters of pyrites from the Liushuwan granitic pegmatite type U deposit

4 討論

4.1 鉛同位素示蹤

形成于加里東期的柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床中瀝青鈾礦、晶質(zhì)鈾礦、硅鈣鈾礦、釷石等礦物結(jié)晶后，高異常含量的鈾、釷等放射性同位素(如235U、238U、232Th等)，經(jīng)放射性衰變可能產(chǎn)生一定量的206Pb、207Pb、208Pb的異常積累，使得含礦偉晶巖中鉛同位素組成發(fā)生變異，206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb同位素比值發(fā)生解耦，表1中含鈾花崗偉晶巖脈中黃鐵礦的206Pb/204Pb=43.502～125.992、207Pb/204Pb=16.018～21.587、208Pb/204Pb=39.331～55.563，已經(jīng)發(fā)生變異超過了正常環(huán)境的比值范圍，故通過利用含鈾樣品的鉛同位素來直接反演巖漿流體演化特征和示蹤成礦物質(zhì)來源是不可靠的。因此，為了克服上述不利因素的影響，通過鉛同位素示蹤達到反演成礦流體性質(zhì)和成礦物質(zhì)來源的目的，本次研究采集了離花崗偉晶巖型鈾礦體一段距離的賦存于黑云母二長花崗巖和黑云斜長片麻巖地層中的黃鐵礦樣品進行對比研究。

圖3 柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床黃鐵礦 206Pb/204Pb—207Pb/204Pb、206Pb/204Pb—208Pb/204Pb增長曲線Fig.3 The 206Pb/204Pb—207Pb/204Pb and 206Pb/204Pb—208Pb/204Pb curves of pyrites from the Liushuwan granite pegmatite type uranium deposit

如表1和表2所示，柳樹灣黑云母二長花崗巖中206Pb/204Pb=19.312～19.907(均大于18.000)；207Pb/204Pb=15.655～15.716，均高于15.300，顯示鈾鉛富集的特征；208Pb/204Pb=38.728～39.868，低于39.000，顯示釷鉛微弱虧損。柳樹灣黑云母二長花崗巖黃鐵礦鉛μ值為9.50～9.58，區(qū)別于正常鉛μ值(8.69～9.24[33-34])，而介于地幔μ值(8.92)與造山帶μ值(10.87[33])之間。μ值的高低可以示蹤地質(zhì)體演化過程中的信息，反演鉛的源區(qū)特征[35-37]。柳樹灣黑云母二長花崗巖中的黃鐵礦中的鉛具有低μ值(9.50～9.58<9.58)，暗示有下部地殼(或上地幔)鉛參與。鑒于黑云母二長花崗巖源巖物質(zhì)經(jīng)巖石地球化學模擬后的玄武巖巖漿組分比例可高達90%，即為富鐵鎂質(zhì)的變中基性巖，以及其w(Th)/w(U)值(3.22～3.58)均低于全球上地殼w(Th)/w(U)值(3.88[38])，表明上地殼鉛對其形成的貢獻較小，應為下地殼鉛與造山帶鉛的混源。以上證據(jù)表明，柳樹灣黑云母二長花崗巖Pb并非單一來源，具有混源鉛的特征，其來源可能與區(qū)域內(nèi)的下部地殼鉛與造山帶鉛(即峽河巖群地層鉛)混染有關(guān)。

在206Pb/204Pb—207Pb/204Pb和206Pb/204Pb—208Pb/204Pb增長曲線圖解(圖3)[38]中，黑云斜長片麻巖中的黃鐵礦樣品均落在鉛的造山帶演化線上，而黑云母二長花崗巖中黃鐵礦樣品點均落在鉛的上地殼演化線和造山帶演化線中間區(qū)域內(nèi)。一般情況下多數(shù)花崗質(zhì)巖漿均經(jīng)歷了多階段演化，導致Pb同位素解釋存在多解性[39]，因此黑云母二長花崗巖中黃鐵礦的鉛應是上地殼鉛與造山帶鉛(即峽河巖群地層鉛)的混源。

此外，黑云母二長花崗巖中的熱液黃鐵礦硫同位素平衡的流體的δ(34SV-CDT)=1.7×10-3～6.4×10-3，平均為5×10-3，均為正值，且與黑云斜長片麻巖中黃鐵礦的硫同位素組成有部分重疊，同樣印證了黑云斜長片麻巖(峽河巖群地層)對黑云母二長花崗巖中的熱液黃鐵礦硫源的貢獻。

4.2 成礦作用探討

通常情況下，與中酸性巖漿有成因聯(lián)系的花崗偉晶巖礦物組成主要為長石和石英，是產(chǎn)于母巖體附近(或有限距離范圍內(nèi))與圍巖接觸帶的地質(zhì)單元[40-41]，一般是分異程度較高的花崗質(zhì)巖漿晚期階段作用的產(chǎn)物[42]。它的形成與富含H2O、CO2、F、Cl等揮發(fā)分的母巖漿(緩慢)冷卻、(循環(huán))結(jié)晶有關(guān)，期間伴隨攜帶大量金屬元素的成礦流體與母巖漿不斷分離[40]，出溶的流體可攜帶大量的金屬元素搬運并于成礦期構(gòu)造中富集卸載，便形成巖漿期后熱液礦床。柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床中的花崗偉晶巖脈作為鈾礦的載體地質(zhì)單元，必定殘留了成礦流體的“印記”，繼承了豐富的礦化信息[41-42]。

通過野外地質(zhì)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，柳樹灣花崗偉晶巖型鈾礦床中黑云母花崗偉晶巖脈主要產(chǎn)于灰池子巖體內(nèi)外接觸帶，巖脈密集成群出現(xiàn)，多數(shù)呈帶狀近似平行展布，局部有分枝、復合現(xiàn)象，走向與區(qū)域構(gòu)造線方位相耦合，呈NW-SE。區(qū)內(nèi)主要鈾礦體均受黑云母花崗偉晶巖脈嚴格控制，且一般黑云母花崗偉晶巖脈圍繞巖體呈環(huán)帶分布，因此該期巖漿活動對形成花崗偉晶巖型鈾礦床起到了空間定位作用。花崗偉晶巖脈的數(shù)量和產(chǎn)鈾能力與距離巖體遠近有直接關(guān)系，當距離巖體較近時，則具有數(shù)量增多、產(chǎn)鈾能力增強的特點，鈾工業(yè)礦體(或含鈾礦化體)主要賦存在巖體與黑云斜長片麻巖地層的內(nèi)外接觸帶的有限距離范圍內(nèi)(一般距離巖體300 m以內(nèi))的花崗巖偉晶巖脈中，且該產(chǎn)鈾接觸帶一般伴隨強烈的鉀長石化、黑云母化和石英硅化，即具有“又紅、又黑、又粗”的特點，該特點已經(jīng)成為本區(qū)的重要找礦標志。成礦流體雖起源于巖漿，但與黑云斜長片麻巖地層接觸過程中所發(fā)生的鉀長石化、黑云母化和石英硅化蝕變作用，必然被地層混染，使其攜帶了黑云斜長片麻巖地層中的地球化學信息。因此，本區(qū)黑云母二長花崗巖黃鐵礦鉛同位素組成所具有的混源鉛的特征，即源自下部地殼鉛與峽河巖群黑云斜長片麻巖鉛的混合，是對區(qū)內(nèi)鉀長石化、黑云母化和石英硅化等成礦蝕變的響應。

5 結(jié)語

(1)通過黑云母二長花崗巖和黑云斜長片麻巖中的黃鐵礦鉛同位素對比研究，柳樹灣黑云母二長花崗巖鉛并非單一來源，具有混源鉛的特征，其來源可能與區(qū)域內(nèi)的下部地殼鉛與造山帶鉛(即峽河巖群地層鉛)混染有關(guān)。

(2)黑云母二長花崗巖黃鐵礦鉛同位素組成所具有的混源鉛的特征，即源自下部地殼鉛與峽河巖群黑云斜長片麻巖鉛的混合，是對區(qū)內(nèi)巖體與地層產(chǎn)鈾接觸帶中鉀長石化、黑云母化和石英硅化等成礦蝕變的響應。