柴北缘查查香卡铀-铌-稀土矿区闪长岩年代学、地球化学特征及其地质意义

时间：2024-06-19

荣骁，胡永兴，陈擎，康利刚，王继斌，叶雷刚，陈斌，张胜龙

（1.核工业二〇三研究所，陕西西安 712000；2.甘肃省地质调查院，甘肃兰州 730000）

当今国际竞争的核心是高新科技领域的比拼，尤其是关键矿产制约的新兴产业成为了高新科技竞争的制高点，所以关键矿产日益具有越来越重要的战略意义。U、Nb 和REE 等8 个大类41个矿种（组）是我国当前和今后一段时间内的关键矿产［1］，相关矿床具有重要的研究意义。

查查香卡铀-铌-稀土（U-Nb-REE）矿床发现于20世纪60年代末，是在1∶2.5万伽马普查中发现的小型矿点（324）发展而来的。近几年，在中国核工业地质局和青海省地勘基金项目资助下，笔者及团队在搜集整理前人资料的基础上，总结成矿规律和控矿要素，开展相应槽探和钻探揭露，将其扩大为一个中型规模的U-Nb-REE多金属矿床。该矿床内发育大量闪长质岩石。尽管前人研究表明该矿床为一个与钠长岩相关的岩浆-热液型多金属矿床［2-3］，但该矿床是否与闪长岩体具有成因联系尚不明确，这制约了对该矿床成矿过程的深入理解，也不利于下一步找矿工作的开展。有鉴于此，本文在详细野外地质工作的基础上，归纳总结了矿床地质特征，并重点针对矿区闪长岩开展了岩石学、岩相学、地球化学和同位素年代学研究，并与成矿钠长岩开展了地球化学对比，以查清岩石成因及形成背景，探讨闪长岩体与成矿之间的关系，为下一步找矿方向提供约束。

1 区域地质背景

查查香卡U-Nb-REE 矿区位于柴达木盆地东北缘，大地构造位置上处在柴达木-阿尔金超高压变质杂岩带东端（图1a）。区域构造线以北西-南东向展布为主，脆性、韧性、脆韧性断裂成为各群和地质单元间的界线。区域上早古生代经历了洋陆俯冲—弧陆/陆陆碰撞—超高压折返等多旋回复杂构造作用过程，产生了强烈的岩浆-流体及金、铜、铀和稀有金属等多元素成矿作用［4-7］。

图1 祁连-柴达木造山带主要构造单元简图（a）和查查香卡矿区地质图（b）（据文献［2］修改）Fig.1 Tectonic unit division of Qilian-Qaidam orogenic belt（a）and geological map of Chachaxiangka mining area（b）（modified after reference［2］）

2 矿区地质

矿区地质单元较为简单，主要地层包括古元古代达肯达坂岩群和奥陶-志留纪滩涧山群（图1 b）。达肯达坂岩群是区内最早的变质结晶基底，为一套片麻岩、石英片岩和斜长角闪片岩等岩石组合，前人定年结果表明其主要形成于古元古代［8-9］。奥陶-志留纪滩涧山群是查查香卡UNb-REE 矿床的赋矿围岩，为一套绿片岩相变质火山-沉积岩，岩性主要为绿泥石绿帘石片岩，少量斜长角闪片岩和部分变余中基性-基性火山岩。滩涧山群在柴北缘地区断续产出，不同地段的形成时代略有差异，矿区及周边出露者形成于奥陶纪，其主体变质时间为志留纪［10-12］。矿区北部大面积出露闪长岩，另有花岗闪长岩、黑云母花岗岩和正长花岗岩呈岩脉状侵入于滩涧山群和达肯大坂群之中。闪长岩西南侧和西北侧以断裂与滩涧山群相接，东北侧可见二者呈侵入接触关系。F4韧-脆性断裂是矿区的主要控矿断裂，其早期为韧性，后叠加脆性，形成了由糜棱岩、碎裂岩、断层泥组成的断裂带。该断裂带呈北西向展布，倾向北东，倾角为45°～50°，宽65～245 m，长度贯穿整个矿区。断裂带内正长花岗岩脉、长英质脉体、石英脉和碳酸盐脉较为发育，它们的围岩发生了强烈的矿化蚀变（图2），主要有钠长石化、赤铁矿化、绿泥石化、绿帘石化、硅化、黄铁矿化和晚期叠加的褐铁矿化。已控制的11 个UNb-REE 矿体（图3），长度为123～400 m，厚度为0.88～20.07 m，铀品位为0.035%～0.251%，赋矿岩石为糜棱岩化斜长角闪片岩、构造角砾岩、碎裂岩。U-Nb-REE矿化与钠长石化的关系最为密切，矿石矿物主要有含铀烧绿石、晶质铀矿、含铀方钍石和含钍晶质铀矿等［13-16］。钟军等（2018）根据其特殊的矿物组合特征，结合矿物学、岩/矿石地球化学等特征，将该矿床定义为一类与岩浆-热液成因相关的钠长岩型铀-铌-稀土多金属矿床［2］。

图2 查查香卡矿床铀矿石蚀变特征Fig.2 Alteration characteristics of uranium ores in the Chachaxiangka deposit

3 样品采集及闪长岩岩石学特征

本次采集的样品为闪长岩边缘相带中新鲜的闪长岩，呈灰白色，半自形-他形粒状结构，块状构造，主要由斜长石、角闪石、石英等组成，其中斜长石多呈自形-半自形板柱状，长0.8～5 mm，聚片双晶发育；角闪石多呈半自形-他形柱状，呈黄色、绿色，多色性显著，发育两组菱形解理；石英多呈半自形-他形粒状分布于斜长石颗粒之间，粒径为0.2～2 mm（图4）。

图4 闪长岩镜下微观特征（a）和手标本特征（b）Fig.4 Microscopic characteristics（a）and hand specimen（b）of diorite

4 闪长岩锆石U-Pb 年龄

4.1 样品分析方法

在廊坊市拓轩岩矿检测服务有限公司完成了锆石的挑选、制靶、阴极发光图像采集工作，锆石挑选流程为对样品进行机械破碎，再将破碎的样品淘洗、磁选和重液分选，最后在双目镜下人工挑选出单颗粒锆石，选择具代表性的结晶锆石粘在环氧树脂表面，固化后抛光至出现光洁平面，然后对其进行透、反射和阴极发光（CL）照相。在中国地质科学院矿产资源所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室利用LA-ICP-MS 完成了锆石U-Pb 同位素定年工作，锆石U-Pb 定年分析仪器为Finnigann Neptune 型ICP-MS 和Newwave UP213 激光剥蚀系统。测试中设定激光剥蚀斑束的直径为25µm，频率为10 Hz，能量密度为2.5 J/cm2，以He 为载气。通过Glitter 4.4 及Isoplot3.0 软件完成数据分析处理工作。

4.2 锆石U-Pb 定年

用于锆石U-Pb定年的Dn01号闪长岩样品采自查查香卡U-Nb-REE 矿区北部（图1b）。阴极发光图像显示所测定锆石颗粒晶形较好，均呈自形-半自形，长宽比为1.5∶1～2∶1，发育清晰震荡环带，具有岩浆锆石特征（图5）。闪长岩中锆石的U含量为（62.1～183.2）×10-6，Th含量为（60.3～110.6）×10-6，Th/U 值为0.48～1.28（表1），平均值为1.01，大于0.4，也表明该样品中的锆石为岩浆锆石。

图5 闪长岩锆石U-Pb CL 图像、测点位置及对应年龄/MaFig.5 U-Pb CL image of zircon in diorite，location of measuring points and corresponding age（Ma）

本次的锆石U-Pb定年分析结果见表1。20个测点的U-Pb年龄谐和度均大于95%，所有分析数据皆可用，所有锆石颗粒年龄均小于1 000 Ma，适于采用206Pb/238U 年龄。在谐和图中，20 颗锆石的年龄数据比较集中，206Pb/238U 年龄介于453.3～439.8 Ma 之间（表1，图6），其加权平均年龄为（446.5±3.5）Ma（MSWD＝0.22，n＝20），可视为该闪长岩的形成年龄。

图6 闪长岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb 谐和图Fig.6 The LA-ICP-MS zircon U-Pb harmonic diagram of diorite

5 闪长岩地球化学特征

硅酸盐全分析、稀土元素及微量元素的测试分析由核工业二〇三研究所完成，采用等离子体质谱仪（ICP-MS）测定，检测限低于0.5×10-9，相对标准偏差小于5%。表2和表3为闪长岩主量元素和微量元素分析结果及相关参数。

表2 闪长岩的主量元素/%组成Table 2 Main elements (%)composition of diorite

表3 闪长岩的微量及稀土元素/10-6组成Table 3 Trace and rare earth elements (10-6)composition of diorite

表3 （续）

5.1 主量元素

表2 显示5 个闪长岩样品主量元素组成较为一致，SiO2含量为59.61%～61.09%，平均值为60.17%；Al2O3含量为15.85%～16.82%，平均值为16.08%；K2O 含量较低，在0.45%～0.78%之间，平均值为0.60%；K2O＋Na2O 为3.71%～5.02%，平均值为4.25%，而K2O/Na2O 为0.13～0.19，平均值为0.16。CaO、Fe2O3、FeO、MnO、TiO2含量平均值分别为6.20%、3.03%、4.36%、0.14%、0.59%。A/NK平均值为2.45，A/CNK 平均值为0.90。在全碱-硅图解（TAS）中，数据集中分布在闪长岩范围内（图7a），与野外和镜下定名相符；数据在K2O-SiO2图中落入低钾（拉斑）系列范围（图7b），表明岩石钾含量较低；在A/NK-A/CNK 判别图中，数据集中分布在准铝质区域内（图7c）。

图7 闪长岩地球化学分类图解（底图据文献［17-19］）Fig.7 Geochemical classification of diorite（base map after reference［17-19］）

5.2 稀土元素

闪长岩稀土元素含量较低（表3），其中稀土元素总含量ΣREE 范围为（83.40～109.23）×10-6，平均值为93.64×10-6，LREE/HREE 值为5.05～7.10，（La/Yb）N介于4.94～7.17（平均值为6.05），（La/Sm）N介于1.95～3.16（平均值为2.68），而（Gd/Yb）N介于1.36～1.64（平均值为1.44），说明该闪长岩体具有中等的轻重稀土分馏；Eu 异常（δEu）为0.72～1.09，显示Eu 微弱亏损。

在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图上，曲线呈现向右倾斜的趋势（图8），表明岩石相对富集轻稀土元素而亏损重稀土元素，反映出轻重稀土元素具微弱分馏；样品具有微弱铕负异常，暗示岩浆源区斜长石结晶分异作用可能有限。

5.3 微量元素

本次分析的样品微量元素含量具体见表3。从原始地幔标准化微量元素蛛网图上可以看出，闪长岩的微量元素含量相对亏损Nb、Ta、Hf 等高场强元素，相对富集Rb、Th、U等大离子亲石元素，其中Nb 和Ce 表现为显著的负异常（图9），这与查查香卡铀矿石中富集Nb 和REE 相反，说明闪长岩与铀矿石具有完全不同的地球化学特征，闪长岩可能只是矿区围岩，未给矿床形成提供物质来源。

图9 闪长岩微量元素原始地幔配分图解模式图（原始地幔值据文献［20］）Fig.9 Primitive mantle-normalized trace elements of diorite（standardized data from reference［20］）

6 讨论

6.1 岩石成因

研究区闪长岩明显富集Rb、Th、U 等大离子亲石元素和亏损Nb、Ta、Ti、Y 等高场强元素，具有明显的大陆边缘弧或岛弧岩浆的特点。Nb、Ta、Ti元素的亏损指示了岩石可能为俯冲带幔源岩石成因［21］。

通过闪长岩稀土元素分析，Nb 含量不仅较低（6.13×10-6～7.99×10-6）而且亏损，轻稀土含量较高，重稀土含量较低，这与熔体交代作用形成的具有较高的P2O5、TiO2含量、富集Nb、Zr 等高场强元素和LREE/HREE 值偏低的中基性岩不同。研究区样品均具有较高的Rb/Y 和Th/Zr 值，在La/Yb-Nb/Y 和Ba/La-Th/Yb 判别图解中（图10），闪长质岩石呈现流体交代富集的趋势，结合其富集轻稀土元素和大离子亲石元素、亏损重稀土元素和高场强元素的特征，可以推断其岩浆演化过程经历了流体交代作用。

图10 闪长岩La/Yb-Nb/Y 图解和Ba/La-Th/Yb 图解（底图据文献［25-26］）Fig.10 La/Yb-Nb/Y and Ba/La-Th/Yb diagrams of diorite（base map after reference［25-26］）

6.2 构造意义

岩石的地球化学成分还可以用于探讨岩石的构造背景［22］，比如其中的高场强元素（Nb、Ta、Zr、Hf 和Ti 等）不受后期热液等变质作用影响［23-24］，因此可用来有效判别岩浆岩的构造背景。根据区内闪长质岩石的地球化学特征，所有样品均显示出活动大陆边缘的地化属性，在Ta/Yb-Th/Yb 图解和R1-R2 判别图解中，均落入陆缘弧（图11、12），即活动大陆边缘构造背景区域。这也再次支持该闪长质岩石可能形成于活动大陆边缘环境的推论。

本次获得了闪长岩同位素年龄为446 Ma，前人研究本区沟-弧-盆体系的形成年龄不晚于480 Ma，同碰撞花岗岩带的年龄为439～430 Ma，因此从时间顺序上来看，480～440 Ma 阶段的岩浆活动也应形成于洋壳俯冲晚期陆缘弧构造环境，这也与该套岩石的地球化学特征结果一致。

图12 闪长岩R1-R2 构造环境判别图（底图据文献［30］）Fig.12 R1-R2 tectonic discrimination diagrams of diorite（base map after reference［30］）

6.3 闪长岩与铀-铌-稀土矿化之间的成因关系

查查香卡矿床是一个碱性岩浆-热液型U-Nb-REE 矿床，目前控制的矿化以热液型矿化为主，矿化多与钠长岩细脉关系密切，脉体发育越密集矿化强度越高［2-3］。矿床位于祁连造山带内，经历了复杂的洋陆俯冲—陆陆碰撞—陆壳折返等完整的造山作用过程，其下覆岩石圈或软流圈地幔的交代富集作用强烈且普遍，与矿化有关的钠长岩及其相关铀钍-稀土-铌矿化的富集可能源于地幔的部分熔融。

闪长岩在空间上与查查香卡矿床平行分布，在勘查工作中认为是闪长岩为矿床的形成提供了成矿流体，但闪长岩与赋矿围岩滩涧山群变质岩呈犬牙交错接触，接触面非常新鲜、没有任何蚀变，表明与热液流体无关。

闪长岩中平均U 含量为3×10-6、Nb 含量为7.2×10-6、轻稀土元素总量为80.38×10-6，整体含量比较低，而与矿化关系密切的钠长岩脉中U含量为（92.5～103）×10-6、Nb含量为（464～774）×10-6、轻稀土元素总量为（345～2 692）×10-6，明显高于赋矿围岩［2-3］；闪长岩轻稀土分异不明显、相对亏损Nb，而钠长岩脉中轻稀土分异明显、相对富集Nb、Th、U、Ta、LREE；表明闪长岩与矿区成矿钠长岩具有完全不同的地球化学性质，只是矿区的一种围岩。

综上所述，查查香卡U-Nb-REE 矿区闪长岩与区内矿化不具有成因联系，闪长岩可能只是矿区一种围岩，并不能为成矿提供成矿流体。所以，前期勘查工作中围绕闪长岩外接触带开展工作，在思路上是具有局限性的。查查香卡U-Nb-REE矿区属于岩浆热液成矿系统，其深部及外围往往有较好的矿化连续性，其深部矿化体的延续已得到钻探施工工作的证实。另外，除矿体本身的深部延伸外，在本区外围隐伏区也有可能有同一成矿系统的不同矿脉或矿层产出。矿床深部和外围仍具有较大的成矿潜力。