2. 核工业二〇三研究所, 陕西 咸阳 712000
2. No. 203 Research Institute, CNNC, Xianyang 712000, Shaanxi, China
0 引言
由于稀土元素之间性质类似和地球化学行为相近，其往往能作为一个整体参与地质地球化学过程[1]，因此稀土元素具有一定的示踪性质，可以为成岩、成矿物质来源提供相关信息[2]。稀土元素地球化学在热液铀矿床研究中积累了许多有益的认识，在成矿物质来源、成矿流体物理化学状态、岩体含铀性，甚至指导铀矿找矿勘探等方面都发挥了重要作用[3]。
秦岭造山带呈东西向横亘于中国大陆中部，是中央造山带的重要组成部分，具有复杂的物质组成和结构构造。其自元古代以来经历了长期的演化历史，至三叠纪晚期华北与扬子地块发生碰撞,代表着秦岭造山带的最终形成，构成了现今“两带三块”的构造格局。即以洛南栾川大断裂、商丹缝合带和勉略缝合带为界，将秦岭造山带划分为华北地块南缘、北秦岭造山带和南秦岭造山带(图1)[4, 5, 6]。在商丹缝合带中分布大量的花岗岩型铀矿床(点)，与区内广泛发育的早古生代花岗岩体关系密切。
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| 图 1 北秦岭丹凤地区大地构造位置示意图 Fig. 1 Tectonic sketch map of Danfeng area in North Qinling |
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研究区位于秦岭铀成矿省北秦岭铀成矿带商丹成矿亚带(图2)，属于华北地块与扬子地块的拼接缝合带，是花岗岩型铀矿一级找矿远景区。区内已发现高山寺铀矿床、张湾铀矿床以及山岔、麻地湾、岩屋沟等数十个铀矿点，铀成矿潜力巨大。
区内出露地层为下古生界丹凤岩群，区域上呈近东西向北西西向狭长带状展布，为一套强烈变形变质的以火山岩-碎屑岩组合为主的构造岩片体，具有强烈而复杂的变形变质和组成结构特征。其北侧与北秦岭核部杂岩秦岭岩群深变质片麻岩系相邻，南侧与南秦岭古生界罗汉寺岩组以及泥盆系刘岭群毗邻[8, 9]。
宽坪岩体为区内主要的产铀花岗岩，单颗粒锆石U-Pb年龄为(446±19) Ma[10]。岩体呈狭长带状侵入于丹凤岩群，与围岩之间呈侵入接触关系，接触面产状与围岩中的面理产状协调一致。岩体内部及边缘发育强烈的面状组构，糜棱岩化作用强烈。岩体内部多有丹凤岩群变质岩残留体及定向展布的暗色闪长质包体。宽坪岩体平均U质量分数为4.85×10-6，略高于全球花岗岩的U平均质量分数(3.5×10-6)，Th质量分数为18.64×10-6，Th/U=4.07，用质量分数为7.2% HCl进行浸出试验，U浸出率高达60.7%。
铀矿化产于宽坪岩体与丹凤岩群外接触带以及岩体内部构造角砾岩内，发育强烈黏土化、碳酸盐化和赤铁矿化等热液蚀变。铀矿化受热液蚀变、断裂构造和脉体活动控制明显，往往在蚀变叠加部位和断裂交汇部位更为发育。
2 岩相学本次工作主要针对商丹缝合带中出露的丹凤岩群变质基性火山岩、赋矿宽坪黑云母二长花岗岩、蚀变花岗岩及铀矿石等不同组成部分的稀土元素地球化学进行系统研究，以期获取有关矿质迁移、演化的物理化学信息。
丹凤岩群变质基性火山岩，岩性为斜长角闪片岩(图3a、b)，呈灰黑色，粒状变晶结构，片状构造,主要矿物成分为角闪石(50%～55%)、斜长石(30%～35%)和石英(15%～20%)。角闪石呈柱状，柱长0.4～1.8 mm，长/宽=3～10；斜长石呈粒状，粒径0.3～0.6 mm，双晶以聚片双晶为主，干涉色低于石英，属更长石；石英呈粒状-透镜状，大小与斜长石相等。
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| a．斜长角闪片岩；b.角闪石平行排列，斜长石和石英呈透镜体定向排列形成片状构造；c.片麻状黑云母二长花岗岩；d.花岗岩中的片麻状构造；e.蚀变花岗岩；f.长石的黏土化特征；g.赤铁矿化、碳酸盐化铀矿石；h.沿裂隙充填的沥青铀矿。Hb.角闪石；Pl.斜长石；Kf.钾长石；Q.石英；Bt.黑云母。 图 3 北秦岭丹凤地区各类岩石(a、c、e、g)及岩石薄片显微照片(b、d、f、h) Fig. 3 Photograph(a、c、e、g) and microphotos(b、d、f、h) of different rocks in Danfeng area |
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宽坪岩体，岩性为片麻状中细粒黑云母二长花岗岩(图3c、d)，呈浅肉红色灰白色，中细粒花岗结构，块状、片麻状构造，主要矿物成分为斜长石(35%～40%)、钾长石(30%～35%)、石英(20%～25%)、黑云母(5%～10%)。斜长石以半自形晶为主，粒径1～2 mm，双晶以聚片双晶为主，双晶纹细密，An=26±；钾长石以他形晶为主，格子双晶发育；石英呈他形粒状，粒径为0.1～1.0 mm，多波状消光；黑云母呈片状，片长0.5～0.8 mm；副矿物为磷灰石、锆石等。
蚀变花岗岩(图3e)，呈黄褐色，碎裂花岗结构，块状构造，主要矿物成分为斜长石(40%～45%)、钾长石(30%～35%)、石英(20%～25%)、黑云母(2%～5%)。黑云母呈片状，多已蚀变，蚀变较复杂，有绢云母化及赤铁矿化等，现仅保留其片状形态，片长0.3 mm左右，排列有定向性；钾长石多具格子双晶，属微斜长石，部分黏土化；石英呈粒状，粒径变化大，为0.03~0.9 mm；斜长石多已黏土化(图3f)。
铀矿石(图3g)，呈紫红色、猪肝色，与蚀变花岗岩较为类似，热液蚀变发育程度更加强烈，地表常见沥青铀矿氧化后形成的铀黑以及钙铀云母、硅钙铀矿等次生铀矿物，显微镜下可见沿裂隙分布的沥青铀矿(图3h)。
3 样品采集与分析方法本次工作对上述四类岩石进行了系统采样分析:Ⅰ类为区域地层，即丹凤岩群变质基性火山岩;Ⅱ类为赋矿围岩，即宽坪黑云母二长花岗岩;Ⅲ类为蚀变花岗岩;Ⅳ类为铀矿石。
稀土元素测试工作在核工业二〇三研究所分析测试中心完成，测试依据GB/T14506.30-2010，仪器为Thermo Fisher Scientific制造XSERIES2型ICP-MS，分析误差±5%。
4 测试结果各类样品的稀土元素分析结果见表1，稀土元素配分模式见图4，球粒陨石标准化采用文献[12]数据。
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Ⅰ类样品(丹凤岩群变质基性火山岩)，w(∑REE)= 50.02×10-6~91.77×10-6(不含Y，下同)，稀土配分模式稍许右倾，轻稀土相对富集，LREE/HREE=4.33~6.19，轻重稀土之间分异较显著，(La/Yb)N=3.94~6.32，轻稀土分异相对显著，(La/Sm)N=2.26~3.51，而重稀土之间分异相对较弱，(Gd/Yb)N=1.20~1.53。Eu亏损不明显，δEu=0.80~0.98；具有较弱的Ce正异常，δCe=1.01~1.08。
Ⅱ类样品(赋矿围岩黑云母二红花岗岩)，w(∑REE)=97.99×10-6~199.48×10-6，稀土配分模式右倾，轻稀土富集，LREE/HREE=13.06~16.98，轻重稀土之间分异显著，(La/Yb)N=16.14~27.58，轻稀土分异相对显著，(La/Sm)N=5.21~8.22，而重稀土之间分异相对较弱，(Gd/Yb)N=1.63~2.31。Eu具较弱负异常，δEu=0.64~0.73；Ce无明显异常，δCe=0.89~1.08。
Ⅲ类样品(蚀变花岗岩)，w(∑REE)=79.47×10-6~150.82×10-6，稀土配分模式稍许右倾，轻稀土相对富集，但是HREE与Ⅰ类和Ⅱ类相比显著增加，LREE/HREE=3.43~7.75，轻重稀土之间分异显著，(La/Yb)N=3.20~7.95，轻稀土分异相对显著，(La/Sm)N=1.89~4.14，而重稀土之间分异相对较弱，(Gd/Yb)N=1.10~1.44。Eu亏损较为明显，δEu=0.53~0.82；Ce无明显异常，δCe=0.93~1.12。
Ⅳ类样品(铀矿石)，w(∑REE)=83.37×10-6~126.95×10-6，稀土配分模式呈近“海鸥型”，轻稀土相对较富集，但HREE与Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类相比均有显著增加，LREE/HREE=2.76~4.38，轻重稀土之间分异较显著，(La/Yb)N=2.24~4.17，轻稀土分异相对显著，(La/Sm)N=2.30~3.10，而重稀土之间分异相对较弱，(Gd/Yb)N=0.69~1.06。Eu较为亏损，δEu=0.70~0.88；Ce无明显异常，δCe=0.96~1.02。
5 讨论 5.1 构造环境区域地层(丹凤岩群变质基性火山岩)、赋矿围岩(宽坪黑云母二长花岗岩体)、蚀变花岗岩和铀矿石均具有大体类似的LREE富集右倾、HREE平坦及Eu负异常的球粒陨石标准化配分模式，表明了各类样品中稀土元素具有继承性。
Ⅰ类样品(丹凤岩群变质基性火山岩)原岩属一套以玄武岩为主的火山岩，富集Ba、Rb、K等大离子亲石元素(LILE)，亏损Nb、Ta、Y、Zr、Ti等高场强元素(HSFE)，稀土元素总量较低，LREE相对富集，地球化学图解绝大部分落入与岛弧有关的范围，部分岩石成分点落在MORB(洋脊玄武岩)区[13]，表明与MORB有较大的亲和性，暗示岩石是与洋壳有密切关系的岛弧环境产物。低压分离作用可产生拉斑质的岩浆，而在有水存在下的高压分离作用即能产生钙碱性岩浆。丹凤岩群变质火山岩以LREE富集的钙碱性玄武岩为主，另有少量REE平坦的MORB型玄武岩，据此推测本区新元古代的岛弧地壳厚度较大，可能为比较成熟的岛弧[14]。
Ⅱ类样品(赋矿围岩黑云母二长花岗岩)稀土元素总量较低，w(∑REE)平均值为156.66×10-6(5个样)，低于世界花岗岩的平均值(250×10-6)，可能主要与花岗岩的源岩有关。丹凤西峡一带的早古生代花岗岩类均具有岛弧花岗岩的地球化学特征[15]，宽坪岩体87Sr/86Sr初始比值为0.707 60±0.001 56[11]，丹凤岩群变质火山岩87Sr/86Sr初始比值为0.705 02~0.707 38[14]，暗示它们之间有密切的成因联系，两者的稀土配分模式类似进一步说明区内赋矿黑云母二长花岗岩和变质基性火山岩均形成于岛弧环境。
5.2 REE和U、Th演化特征Ⅲ类样品(蚀变岩)和Ⅳ类样品(铀矿石)继承了赋矿花岗岩的特征。从变质基性火山岩→宽坪黑云母二长花岗岩→蚀变花岗岩→铀矿石，w(∑HREE)有明显增加的趋势(10.26×10-6→10.26×10-6→16.71×10-6→24.08×10-6)，Ⅳ类样品(铀矿石)具有相对最高的HREE，而且HREE与铀矿石品位存在正相关关系(图5a)，这一特征在众多铀矿床铀矿石中都有体现。Ⅲ类和Ⅳ类样品HREE相对增加是由于U(Ⅳ)与HREE的离子半径更为接近，而导致类质同像置换时HREE较LREE在铀矿石中具有更大的分配系数。由于重稀土的碳酸根络合物比轻稀土更易于溶解[16]，因此重稀土较轻稀土更容易迁移，这可能是铀矿石样品中HREE显著增加的原因。
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| 图 5 研究区重稀土与铀钍质量分数散点图 Fig. 5 Scatter diagram of HREE and U&Th in the study area |
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U和Th都倾向于在岩浆分异演化晚期阶段富集，随着蚀变作用的增强，从变质基性火山岩→宽坪黑云母二长花岗岩→蚀变花岗岩→铀矿石，铀平均质量分数显著增高(3.98×10-6→4.43×10-6→158.40×10-6→592.20×10-6)，显示热液蚀变作用对铀富集起着十分重要的作用。Th作为不相容元素，比U稳定，各类样品Th质量分数为1.73×10-6~9.80×10-6，基本稳定(图5b)，变质基性火山岩稍低(3.17×10-6，5个样)，二长花岗岩和蚀变花岗岩以及铀矿石Th质量分数稍高(6.61×10-6，12个样)，显示热液蚀变作用基本不改变Th在岩石中的配分。
Y和Ho在自然界中一般以三价态存在，且离子半径非常接近，在地质作用过程中具有非常相似的地球化学行为，而且Y/Ho值不受氧化-还原条件的影响。该比值的变化一般与热液、岩石间的水-岩反应有关，亦或者与不同热液系统间络合介质差异有关[17]。不同类型岩(矿)石尽管稀土元素总量变化较大，但Y/Ho值分布范围狭窄，为25.09~33.75，显示所有岩(矿)石具有相同的来源[18]，成矿物质来源于宽坪岩体本身。
6 结论1)赋矿黑云母二长花岗岩和区内变质基性火山岩稀土元素特征指示二者形成于岛弧环境，蚀变岩和铀矿石中稀土元素主要继承了赋矿花岗岩体的特征。
2)重稀土元素与铀的迁移具有同步性，富铀的热液同时应该也是富稀土的，铀源为就近的富铀花岗岩体。
3)各类岩(矿)石Y/Ho变化范围狭窄，显示成矿物质来源于宽坪岩体。
笔者在本文写作过程中与核工业二〇三研究所李占游研究员和西北大学秦江峰副教授进行了有益探讨，在此表示感谢。
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