内蒙古四子王旗卫境南部地区铀矿化特征及成因探讨

朱小兵,徐 勇,罗 潇

(1.核工业二三〇研究所,湖南 长沙 410007;2.湖南省伴生放射性矿产资源评价与综合利用工程技术研究中心,湖南 长沙 410007)

内蒙古四子王旗卫境南部地区位于卫境岩体南部,具有较优越的铀成矿地质条件。区内萤石及多金属矿产极为发育,有苏莫查干、敖包吐等特大型(大型)萤石矿及一系列矿(化)点。前人主要在卫境岩体西侧查干哈达—贵勒斯太地区和东侧巴彦敖包地区开展了铀矿调查评价工作,通过钻探、槽探、地质测量,及物化探测等手段发现一些铀异常(矿化)点,铀矿化类型主要分为花岗岩型、接触交代型[1-3]。目前,对卫境南部地区研究工作程度较低。笔者以卫境南部地区为研究对象,从铀矿化特征、元素地球化学特征及成因方面进行研究,以期为卫境地区铀矿勘查提供新的线索和方向。

1 地质背景

卫境南部地区位于西伯利亚和华北板块之间的中亚古生代造山带的东段,索伦山—西拉木伦河板块缝合线[4]和贺根山深大断裂之间,巴音宝力格隆起西部。

区内出露地层主要为下二叠统大石寨组火山-沉积岩(图1),由变质流纹晶屑凝灰岩、流纹岩和碳质、绿泥质板岩组成[5]。流纹岩的锆石SHRIMP U-Pb同位素年龄为(276±10)Ma,其形成时代为海西晚期[6]545。大石寨组三岩段板岩为主要的含矿围岩。岩浆岩主要为卫境岩体,岩体分带明显,中心相至边缘相岩性依次由中粗粒似斑状黑云母花岗岩过渡为细粒斑状黑云母花岗岩,U-Pb锆石年龄(138±4)Ma[6]545。

1—下白垩统;2—大石寨组四岩段;3—大石寨组三岩段;4—大石寨组二岩段;5—燕山晚期白垩纪花岗岩(卫境岩体);6—细粒花岗岩脉;7—地层整合及不整合;8—断裂;9—铀矿化点;10—萤石矿;11—取样位置及编号。图1 卫境南部地区地质图Fig. 1 Geological map of southern Weijing area

区内断裂构造大致可分为北东向、北西向2组。北东向构造主要有F1、F1-1、F1-2、F1-3、F1-4,以均压性为主,构造岩主要为蚀变构造角砾岩,其中F1是区域性大断裂,也是苏莫查干萤石矿的控矿构造;F1-1、F1-3、F1-4等构造控制了铀矿化的产出。北西向构造F39,构造性质为张性,在敖包吐附近将北东向构造错断,导致地层错位,同时引起南西端地层发生倒转,倾向变为SE。

区内矿产较为丰富,有萤石矿、铀矿等,其中萤石矿主要有苏莫查干萤石矿和敖包吐萤石矿;铀矿化主要产于查干哈达、推饶木查干敖包、巴彦敖包、卫境南部一带。

2 铀矿化特征

2.1 地表铀矿化特征

区内铀矿化主要产于卫境岩体南部外接触带大石寨组三岩段的层间断裂构造中,异常呈带状展布,受控于北东向F1-1、F1-3、F1-4断裂。异常断续延伸5 km,其中北东段的连续异常长约700 m、宽为0.5～2.0 m,刻槽样品中w(U)为0.02%～0.33%,赋矿岩性为硅化、褐铁矿化、赤铁矿化和碳酸盐化的构造角砾岩,围岩为灰黑色绢云母绿泥石碳质板岩、千枚岩。

2.2 物化探异常范围

研究区能谱铀异常整体呈北东向条带状展布(图2),测量值主要介于(2～6)×10-6,峰值可达200×10-6以上,具西南、东北高特征,与构造F1-1、F1-3、F1-4吻合度较高,这表明构造是该地区的主要控矿因素之一。

1—下白垩统;2—大石寨组四段;3—大石寨组三段;4—大石寨组二段;5—卫境岩体;6—花岗岩脉;7—岩层界限;8—萤石矿;9—断裂。图2 卫境南部地区地面伽马能谱铀含量等值线图Fig. 2 Contour map of uranium content in surface gamma-ray spectrum in southern Weijing area

2.3 矿石特征及铀赋存形式

卫境南部地区赋矿岩性为硅化、褐铁矿化、赤铁矿化构造角砾岩,原岩为灰黑色绢云母绿泥石碳质板岩。铀矿石呈微晶粒状结构,块状构造,主要矿物为柱状、粒状磷灰石,它形微晶粒状石英,以及凝粒状、团块状氧化铁质和吸附态铀。常见2个圈层,内圈层为微晶、隐晶集合体状胶磷矿,外圈层为具规则假象的氧化铁质(图3a、图3b)。岩石发育碎裂化,发育裂隙,裂隙中分布方解石、氧化铁质等。

(a)D0611-3镜下照片(正交偏光);(b)D0710镜下照片(单偏光);(c)D0611-3矿石α-track;(d)D0611-3矿石α-track对应氧化铁质(反射偏光)。Cal—方解石;Ap—磷灰石;Chl—绿泥石;Fe-oxide—氧化铁质;Tlm—钛铁矿;Hem—赤铁矿。图3 卫境南部地区典型矿石镜下特征Fig. 3 Typical microscopic characteristics of ore in southern Weijing area

α径迹主要呈稀疏、分散的点状(图3c),径迹主要对应岩石中的氧化铁质、磷质(图3d)。这表明卫境南部地区铀主要赋存于胶磷矿和氧化铁质周边,铀多以吸附态形式存在于胶磷矿,与相山铀矿田的部分矿物共生组合相类似[7]218。

3 元素地球化学特征

3.1 样品采集及分析测试

样品采集:采集近地表新鲜样品11件,其中2件为围岩,用于与矿石样对比;2件为微晶石英,用于构造对比分析;7件为矿石,用于铀矿化地球化学特征分析。样品由核工业二三〇研究所分析测试中心进行分析测试。

测试方法:采用《硅酸盐岩石化学分析方法 第30部分:44个元素量测定》(GB/T 14506.30—2010)测定相关元素;采用《测定相关元素电感耦合等离子体质谱法》(230-JC-011—2017)测定岩石土壤中Ag、As、Hg;采用《区域地球化学样品分析方法第3部分:钡、铍、铋等15个元素量测定 电感耦合等离子体质谱法》(DZ/T 0279.3—2016)测定相关元素;采用《多金属矿石分析 无色散原子荧光光谱法》(DZG 93-01)测定汞量。

3.2 常量、微量元素特征

卫境南部地区常量、微量元素组分见表1。可以看出,与围岩相比,矿石中P2O5、CaO、Sr、Al2O3、MnO均有不同程度的富集,而Rb、K2O存在不同程度的流失,具有明显的高Sr、低Rb特征;矿石组分与北天山冰草沟铀磷矿、相山矿田的富磷铀矿石化学成分特征一致。铀的富集过程是伴随着w(FeO)减少、w(Fe2O3)增加的氧化过程。

表1 卫境南部地区常量及部分微量元素含量Table 1 Content of major and trace elements in southern Weijing area

使用SPSS统计软件对卫境南部地区样品的部分常量、微量元素进行R型聚类分析,统计结果见表2、图4。

表2 卫境南部地区常量、微量等元素相关系数Table 2 Correlation coefficients of constant and trace elements in southern Weijing area

图4 卫境南部地区常量、微量等元素R型聚类图Fig. 4 R-type cluster diagram of constant and trace elements in southern Weijing area

U与P2O5相关性系数为0.928,正相关性良好;与SiO2呈负相关,相关性系数为-0.91(与相山磷灰石富铀矿特征相似[7]219);与FeO呈负相关,与Fe2O3呈正相关。这一特征表明,铀成矿作用可能与硅质热液无关,与胶磷矿、氧化铁质的吸附作用相关,铀的存在形式与镜下鉴定结果一致。另外,U含量与Sr、Ca、Y的含量具有正相关性,这些元素可能与铀的成因密切相关。

3.3 稀土元素特征

卫境南部地区稀土元素组分见表3。从卫境南部地区稀土元素配分模式(图5)可以看出,F1-1、F1-4构造中的矿石稀土元素特征表现为整体呈略左倾的“海鸥”型,w(LREE)/w(HREE)<1,为重稀土较轻稀土富集的特征,具明显的Eu负异常;F1-3构造中的矿石的稀土元素特征介于F1-1与围岩之间,可能与该构造的成矿作用强度有关,这与F1-3矿石的w(U)不高(0.023%)相吻合;F1-1构造中的红色玉髓稀土元素特征表现为右倾,w(LREE)/w(HREE)<1,Eu异常不明显,δEu略大于1,明显区别于矿石的稀土元素特征,但与F1(苏莫查干区域大断裂)构造中微晶石英的稀土元素特征相似,二者可能为同一期次的物源,在深部连通,F1可能为导矿构造;围岩的稀土元素特征表现为右倾,w(LREE)/w(HREE)>1,具明显的Eu负异常。

综合来看,围岩与矿石的稀土元素特征差异大,铀成矿作用过程中重稀土富集十分明显,且热液活动具有多期次性,铀成矿作用可能与玉髓(微晶石英)期的硅质热液无关,这与常量元素特征中U与SiO2呈负相关的结论一致。

4 分析讨论

4.1 铀成矿期次及时间

通过对比分析,F1-1、F1-4与F1-3不同构造部位在铀矿化强度及稀土元素特征方面都存在一定的差异,结合野外观察和薄片鉴定,F1-1、F1-4铀主要吸附于胶磷矿和氧化铁质周边,F1-3铀主要分散于氧化铁质周边,该区铀的富集成因有2种:以氧化铁质的吸附为主,形成了F1-3铀矿化,矿化强度一般,铀含量整体不高,仅达到铀异常;以铀、磷灰石、重稀土、锶共同富集占主导地位,铀成矿作用最为强烈,叠加了氧化铁质的吸附作用,铀品位较高(0.1%以上),最高可到0.3%,形成了F1-1、F1-4的铀矿化。

卫境南部地区铀矿石与敖包吐萤石矿石具有相似的元素地球化学特征,具有高Sr、低Rb、HREE富集明显、Eu亏损等特征。二者可能为同一期次的含矿热液,成矿作用时间相当,为(137±1.1)Ma[8]142,与卫境岩体(138±4)Ma[6]545基本一致。这与LHRR富集的卫境岩体似斑状花岗岩存在明显差异,可能暗示着在铀成矿作用过程中岩浆的侵入为其提供良好的热源,为成矿过程中物质的萃取交换提供了条件。

4.2 铀矿化成因

4.2.1 铀磷沉积作用

根据野外地质调查和镜下鉴定结果,卫境南部地区铀矿化赋存于北东向构造岩中,岩性为构造角砾岩,主要由磷灰石、石英、氧化特质及少量方解石组成,原岩为灰黑色绢云母绿泥石碳质板岩,富含Y的矿物几乎都存在于花岗岩类的岩石及其有关的伟晶岩、气成-热液及热液矿床中[9]195。卫境南部地区U含量与Y含量呈正相关性,铀矿石中Y富集系数从几到几十。这些都表明卫境地区的铀成矿作用有热液活动的参与。

4.2.2 重稀土富集机制

由于重稀土的迁移能力较轻稀土的强,轻稀土的被吸附能力较重稀土的强[12]。成矿热液在长期的演化过程中,在低温环境的热液活动晚期,利于铀和重稀土共同沉淀富集。在热液上升迁移过程中伴随着铁的氧化,FeO含量减少,Fe2O3含量增加,铀被还原沉淀并吸附于氧化铁质周边,形成了卫境地区铀沉淀的另一种机制,但铀成矿作用强度不大。

4.2.3 锶富集机制

高Sr可能是成矿流体富Sr,或流体在较高温度的变质作用过程中萃取了泥质围岩或结晶灰岩中的Sr;还可能是部分Sr来自于卫境岩体花岗岩中[6]552。锶的地球化学特点使其较容易进入各种富钙或钾的矿物中,对于锶的类质同象来说,辉石中钙的位置太小(晶格构造比较紧张),云母中钾的位置又太大,只有斜长石、磷灰石、榍石中钙的位置和钾长石中钾的位置较合适[9]200。因此,锶较容易进入磷灰石中置换钙。发生铀矿化的岩石富含磷灰石,进而也富含Sr。

以上共同作用,形成了卫境地区铀与磷灰石、重稀土、锶共同富集的特征。这一成矿机制与北天山冰草沟铀磷矿床、相山富磷铀矿具有一定的相似性,但与卫境地区其他地段碱交代等类型不同。

5 结论

1)卫境南部地区铀矿化主要受大石寨组三段中北东向构造控制,属于花岗岩外带型铀矿化,铀多以吸附形式赋存于磷灰石、氧化铁质周缘,围岩为碳质板岩。

2)卫境南部地区矿石具有高P2O5、CaO、Fe2O3、Sr、Y,低Rb、K2O、FeO特征,重稀土元素明显富集,与敖包吐萤石矿元素地球化学特征相似;成矿热液富含U、P、HREE、Fe等,与硅质热液无关,铀成矿年龄与卫境岩体大致相当。

3)卫境南部地区具有铀、磷灰石、重稀土、锶共同富集的特征,铀、磷共迁移、共沉淀特性促使铀与磷灰石共沉积富集,叠加氧化铁质的吸附作用更为有利;热液的物理化学条件的改变可能仅为其沉淀提供条件,而非主导因素。该成因类型是卫境地区的1种新的铀富集模式,研究结果为该区的铀矿勘查提供了新的线索和方向。