北方鈾礦化的成礦年代學(xué)研究

北方鈾礦化的成礦年代學(xué)研究

1樣品和分析方法自20世紀(jì)90年代初以來，中國的高級采礦勘探工作主要集中在“硬巖”中的熱液鋯礦床，轉(zhuǎn)向中國現(xiàn)代盆地中的水閃閃巖和中生水鋯礦床。這個戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移,使同位素地質(zhì)研究面臨著能否在鈾礦地質(zhì)領(lǐng)域中繼續(xù)發(fā)揮作用的問題。筆者認為,至少在砂巖型鈾礦成礦年齡及其特點研究、產(chǎn)鈾沉積盆地蝕源區(qū)巖石供鈾能力的研究、產(chǎn)鈾盆地富鈾砂體的存在及物質(zhì)來源研究等領(lǐng)域可以發(fā)揮同位素地質(zhì)研究的重要作用。本文對中國北方主要產(chǎn)鈾盆地(圖1)砂巖型鈾礦成礦年齡、盆地蝕源區(qū)花崗巖類同位素地質(zhì)年代學(xué)、含礦砂體物源、蝕源區(qū)巖石和沉積砂體供鈾能力等問題進行了深入研究,獲得比較有說服力的結(jié)果。本研究共完成實物工作量:巖(礦)石U?Pb同位素分析105件;碎屑鋯石U?Pb同位素分析47件;蝕源區(qū)鋯石U?Pb同位素分析36件;巖(礦)石U?Ra平衡系數(shù)65件。樣品的化學(xué)處理是在超凈實驗室中進行,U、Pb本底為1×10-10,同位素分析在MAT261固體質(zhì)譜計上進行,分析精度為0.001%~0.01%。本研究在處理U?Pb同位素數(shù)據(jù)時使用的是國內(nèi)外通用的常數(shù),即:238U的衰變常數(shù)λ8=0.155125×10-9a-1;235U的衰變常數(shù)λ5=0.98485×10-9a-1;232Th的衰變常數(shù)λ2=0.049475×10-9a-1;原始鉛同位素組成:206Pb/204Pb=9.307;207Pb/204Pb=10.294;208Pb/204Pb=29.476;地球形成年齡:U?Pb系列T0=4430Ma;Th?Pb系列Tp=4570Ma;現(xiàn)今U同位素原子比值:238U/235U=137.88;μ0(238U/204Pb)=9.58;W0(232Th/204Pb)=36.50。2u?ra平衡系數(shù)關(guān)于層間氧化帶砂巖型鈾礦的成礦時序,普遍認為具幕式特征,但成礦多階段、年齡新,再加上該類型礦床礦石中很難精選出可供U?Pb同位素組成測定的獨立礦物。因此,在國內(nèi)外有關(guān)砂巖型鈾礦成礦年齡獲得精確可靠的數(shù)據(jù)并不多見。U?Ra不平衡現(xiàn)象在砂巖型鈾礦區(qū)幾乎是一種普遍現(xiàn)象,這是因為近代地下水在透水性巖石中不斷活動,使部分原巖中鈾被帶走而呈現(xiàn)偏鐳狀態(tài),有的巖石則吸附了鈾而呈偏鈾。因Ra的半衰期為1602a,所以U?Ra不平衡現(xiàn)象只能反映16000a以內(nèi)鈾、鐳的變化,而近代<16000a的鈾得失對樣品鉛同位素組成沒有明顯的影響,但對等時線年齡結(jié)果卻影響很大。樣品獲得鈾,使年齡偏小;樣品丟失鈾,則使年齡偏大。因此,假設(shè)KP(U?Ra平衡系數(shù))=1時的鈾含量為UP,利用UP參加U?Pb等時線擬合,計算出的年齡結(jié)果將不受近代鈾遷移或富集的影響,從而能獲得更切合實際的成礦年齡。在進行U?Pb等時線計算時,利用樣品U?Ra平衡系數(shù)對樣品現(xiàn)今鈾含量進行修正的方法是:Kp=Ra/(U×3.4×10-7)(1)式中:Ra、U分別為現(xiàn)測樣品鐳、鈾含量;Kp為U?Ra平衡系數(shù)。Up=U×Kp(2)式中:Up為假設(shè)樣品U?Ra平衡系數(shù)Kp=1時的鈾含量,即修正后的鈾含量。2.1鈾礦床成礦作用伊犁盆地賦鈾的巖石有砂礫巖、含礫砂巖、砂巖、粉砂巖、泥巖以及煤巖等。依據(jù)含礦主巖,盆地鈾礦化分為3種類型,即砂巖型、泥巖型和煤巖型,可地浸砂巖型鈾礦賦存于中下侏羅統(tǒng)水西溝群(J1-2sh)的砂巖層中。盆地內(nèi)鈾礦化成因主要為后生改造,具有經(jīng)濟意義的主要為層間氧化帶砂巖型鈾礦化。鈾礦石U?Pb同位素測定結(jié)果列于表1。從表1各樣品的U?Pb同位素表觀年齡(206Pb/?238U)可見,其年齡值變化懸殊,0.7~29.8Ma不等。實際上,對鈾礦石樣品,因為初始鉛(亦稱普通鉛)含量很高,給初始鉛校正帶來很大的困難,使本來是同一成礦期的樣品而可能出現(xiàn)不同的年齡結(jié)果。因此,樣品的表觀年齡已失去實際意義。2.1.1512鈾礦床對512鈾礦床不同類型的樣品分別進行U?Pb等時線擬合,獲得兩條U?Pb等時線:一條由5個含炭泥巖樣品(表1)組成,相關(guān)系數(shù)為0.95,年齡為12±4Ma;另一條由13個砂巖類樣品(表1)組成,相關(guān)系數(shù)為0.995,年齡為1±0Ma。目前可以肯定,512礦床鈾的成礦作用至少有兩期:含炭泥巖中的鈾礦化為12±4Ma;砂巖類巖石中的鈾礦化為1±0Ma。2.1.2511鈾礦床對該礦床9個高鈾含量的砂巖類樣品(表1)進行U?Pb等時線圖解,獲得兩條等時線,相關(guān)系數(shù)分別為0.97(7個樣品)和0.992(5個樣品),鈾礦化年齡分別為5±1Ma和2±0Ma。2.1.3509鈾礦床509鈾礦床位于盆地南緣東段的達拉地,為煤巖型鈾礦床。在該礦床坑道內(nèi)采得2件瀝青鈾礦樣品,U?Pb同位素測定結(jié)果表明(表1),其表觀年齡(206Pb/238U)分別為6.7Ma和5.7Ma,平均6.2Ma。2.2砂巖型鈾礦床成礦年齡吐哈盆地是在海西中期褶皺基底之上發(fā)育起來的陸相盆地,賦礦砂體為中侏羅統(tǒng)西山窯組。關(guān)于吐哈盆地十紅灘層間氧化帶砂巖型鈾礦床的成礦年齡已有報道,其U?Pb等時線年齡資料是直接利用現(xiàn)測結(jié)果計算的。本研究對鈾礦石樣品的U?Pb同位素、U?Ra平衡系數(shù)進行測定及鈾含量修正(表2),并對這些樣品進行U?Pb等時線擬合,獲得該礦床主要鈾成礦年齡值為28±4Ma(4個樣品,相關(guān)系數(shù)0.993)和48±2Ma(4個樣品,相關(guān)系數(shù)0.999)。2.3鈾礦化的pb同位素測定巴彥塔拉凹陷砂巖型鈾礦賦存層位為下白堊統(tǒng)巴彥花群,該群自下而上可劃分3個組,即阿爾善組(K1a)、騰格爾組(K1t)和賽漢組(K1s)。其中以騰格爾組最發(fā)育,阿爾善組次之,賽漢組發(fā)育不全。上部賽漢組為主要賦礦層位,其次為騰格爾組地層。本研究在鉆孔巖心鈾礦化段(賽漢組)選取4個樣品進行U?Pb同位素測定(表3),并進行鈾?鐳平衡修正樣品的鈾含量,U?Pb等時線獲得鈾礦化年齡為7±0Ma。賽漢組7±0Ma的鈾礦化年齡正是中新世(N1)末或上新世(N2)初期,該年齡的獲得證明本地段古河谷潛水氧化成礦作用發(fā)生在第三系上新統(tǒng)(N2)泥質(zhì)屏蔽層沉積之前,或許在7Ma時上新統(tǒng)并未全部覆蓋,或在7Ma時該區(qū)已為上新統(tǒng)屏蔽層所覆蓋,“天窗”的存在為該期鈾成礦提供了重要通道。2.4巖石型鈾礦u?ra平衡特征東勝地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部,余達淦等(2001)的研究表明,東勝隆起帶自侏羅系形成之后經(jīng)歷了長期的隆升剝蝕階段,保持了水動力條件的長期穩(wěn)定性。由于隆起,使目標(biāo)層產(chǎn)生掀斜并出露地表,遭受剝蝕和氧化,有利于層間氧化帶的發(fā)育。良好的成礦地球化學(xué)條件、古氣候條件、古層間氧化作用,以及大規(guī)模鈾礦化點帶的出現(xiàn),預(yù)示著本區(qū)直羅組存在有利于可地浸砂巖型鈾礦成礦的地質(zhì)環(huán)境。通過對樣品進行U?Pb同位素的U?Ra平衡特征的測定(表4),可見目前東勝地區(qū)絕大部分砂巖樣品明顯偏Ra,少數(shù)樣品則明顯偏U。經(jīng)過U?Ra平衡修正,獲得樣品當(dāng)Kp=1時的鈾含量(Up),并利用該值進行U?Pb等時線計算(其相關(guān)系數(shù)為0.991),獲得該區(qū)砂巖型鈾礦的成礦年齡為107±16Ma。它可能代表了本區(qū)古氧化期的鈾成礦作用。3砂源研究通過對含礦砂體碎屑鋯石特征及年代學(xué)的研究,并與蝕源區(qū)巖石進行對比,可以有效地判斷含礦砂體的物質(zhì)來源。3.1伊普拉盆地含礦砂層來源3.1.1u?pb同位素盆地南部的花崗巖巖體呈北東向展布,侵入于早石炭世地層之內(nèi)。筆者分別于巖體北端(森林公園內(nèi))和西南端(洪海溝內(nèi))取樣,并選取其中的鋯石進行U?Pb同位素年齡測定。洪海溝灰色中粒二長黑云母花崗巖6件鋯石樣品的U?Pb等時線相關(guān)系數(shù)(R)為0.991,年齡為316±41Ma;森林公園褐紅色二長花崗巖4件鋯石樣品的U?Pb等時線相關(guān)系數(shù)(R)為0.998,年齡為293±18Ma。表明該區(qū)花崗巖屬海西期侵入體。3.1.2盆地沉積砂體物源區(qū)原巖的形成時代及成礦時代選出511礦區(qū)沉積砂體中的鋯石進行U?Pb同位素地質(zhì)年齡測定,8個鋯石樣品的U?Pb等時線線性相關(guān)關(guān)系良好(R為0.994),等時線年齡(T)為308±26Ma,代表了盆地沉積砂體物源區(qū)原巖的形成年齡。這個結(jié)果表明,伊犁盆地含礦砂體物源來自南部蝕源區(qū)的花崗巖和火山巖,它們所含鋯石的形成年齡相一致。3.2托哈盆地含礦砂資源3.2.1中性巖與片麻巖、火山碎屑巖的組成吐哈盆地西南部蝕源區(qū)主要為覺羅塔格山系分布區(qū),出露大量不同時期的花崗巖類,在巖性上以花崗閃長巖、二長或黑云母花崗巖為主;地層主要由中元古界的混合巖與片麻巖、石炭系的中酸性火山巖及火山碎屑巖組成。蝕源區(qū)斑狀花崗巖中5個磁性不同的鋯石樣品的U?Pb等時線年齡值為268±23Ma(R=0.999)。同一地區(qū)的片麻狀花崗巖3個不同磁性的鋯石所確定的U?Pb等時線年齡為422±5Ma(R=0.9999)?？梢?吐哈盆地西南部廣泛出露的斑狀花崗巖屬海西期侵入體,而出露范圍較小的片麻狀花崗巖為加里東期侵入體。3.2.2含礦砂體物源時代分布對含礦砂體中碎屑鋯石進行了U?Pb同位素組成測定。U?Pb等時線處理結(jié)果表明,所得等時線相關(guān)關(guān)系良好(R=0.98),等時線年齡為283±67Ma,與蝕源區(qū)斑狀花崗巖形成年齡(268±23Ma)相比,在誤差范圍內(nèi)是一致的,說明吐哈盆地含礦砂體物源主要來自南部蝕源區(qū)覺羅塔格山的海西晚期花崗巖體。3.3巴彥塔拉坳陷含礦砂層的物源3.3.1黑云母砂巖表觀年齡對巴彥塔拉凹陷東南部蝕源區(qū)分布最廣泛的黑云母花崗巖及盆地遠源區(qū)域花崗巖類分別取鋯石,對其進行U?Pb同位素年齡測定,結(jié)果顯示黑云母花崗巖有兩組表觀年齡:一組樣品年齡為112~129Ma;另一組樣品年齡為195Ma。說明黑云母花崗巖為兩期侵入,主侵入期年齡為112~129Ma,屬燕山晚期;少數(shù)年齡為195Ma,屬燕山早期或印支晚期。顯然,前人資料均將其劃歸為燕山早期是不妥的。3.3.2pb同位素測定對巴彥塔拉凹陷賽漢組砂巖碎屑鋯石進行U?Pb同位素測定,結(jié)果表明其年齡值為119~144Ma,與蝕源區(qū)燕山期花崗巖年齡基本一致,說明賦礦砂體物源來自花崗巖的剝蝕區(qū)。4巖石的形成年齡和原始鈾含量通過研究蝕源區(qū)巖石和砂體的U?Pb同位素演化特征,計算樣品中鈾的近代得失情況,從而了解這些巖石作為成礦鈾源的供鈾能力。計算方法是:巖石的初始鉛:(206Pb/204Pb)0=9.307+μ0[exp(λ8t0)-exp(λ8t)](3)式中t為巖石的形成年齡。巖石的原始鈾含量:U0=[206Pb/204Pb-(206Pb/204Pb)0]/[exp(λ8t)-1]×(Pb×204Pb×MU)/(99.274×MPb)(4)式中206Pb/204Pb為樣品的Pb同位素比值;Pb為樣品的Pb含量;204Pb為樣品中204Pb的相對百分含量;MPb為樣品Pb的原子量;MU=238.028為U的原子量。ΔU=(U/U0-1)×100%(5)若ΔU≈0則樣品無近代鈾得失;ΔU>0則樣品有近代鈾疊加;ΔU<0則樣品有近代鈾丟失。根據(jù)U0和ΔU值可以判斷巖石提供鈾的能力。4.1砂體的鈾化作用通過測定伊犁盆地南部蝕源區(qū)海西期火山巖及海西期花崗巖17個樣品U?Pb同位素組成,經(jīng)計算表明,花崗巖類樣品鈾的近代丟失非常明顯,ΔU<0,平均為-44.3%,說明蝕源區(qū)花崗巖類是伊犁盆地砂巖型鈾礦成礦的重要鈾源之一。對43件沉積砂體巖石樣品的U?Pb同位素組成進行有關(guān)計算,設(shè)定沉積巖年齡為170Ma(中侏羅世),計算和統(tǒng)計結(jié)果表明:巖石的原始鈾含量U0的平均值為18.36×10-6;其中18個樣品ΔU為負值,平均為-36.4%;25個樣品獲得了鈾,平均增加了2.8倍。這些資料表明,伊犁盆地水西溝群沉積砂體有鈾的預(yù)富集,在鈾成礦時也參與了成礦作用,是鈾成礦的鈾源之一。因此,伊犁盆地成礦鈾源既有蝕源區(qū)風(fēng)化剝蝕作用形成的含鈾含氧水的不斷補充,也有沉積砂體中的一部分鈾參與。4.2未固結(jié)砂巖巖石學(xué)和礦化地層的鈾富集特征蝕源區(qū)花崗巖原始鈾含量計算結(jié)果表明:ΔU≈0,鈾的得失不明顯;而地層中碎屑巖和火山碎屑巖ΔU均為負值,碎屑巖ΔU達到-69%,表明地層巖石具有明顯的丟失鈾現(xiàn)象,不同地層丟失鈾的程度有所差異。本區(qū)碎屑巖及火山碎屑巖近代鈾丟失明顯,可能是形成含鈾含氧水的重要鈾源之一。通過對40件鉆孔巖、礦心砂巖樣品的U?Pb同位素演化特征進行研究,給定成巖年齡170Ma,按正常鉛同位素演化扣除初始Pb,計算出每個樣品的原始鈾含量U0及ΔU。根據(jù)現(xiàn)測鈾含量劃分出不同的含量范圍,分別統(tǒng)計樣品的U0值和ΔU的變化特征(表5)。由表5可見:(1)原生帶砂巖現(xiàn)測鈾含量為3.78×10-6,原始鈾含量為4.52×10-6,ΔU為-16.35%?？紤]到誤差因素,可認為自成巖后原生帶砂體基本沒有鈾的獲得或丟失。(2)礦化樣品中鈾富集現(xiàn)象明顯,現(xiàn)測鈾含量平均值是其原始鈾含量平均值的3倍。(3)礦石樣品的ΔU達到977.84%,鈾富集程度高,且全部為獲得鈾,鈾成礦作用主要為后生成礦。(4)不論礦化樣品還是礦石樣品,計算所得的原始鈾含量平均值都較高,說明成巖時礦化段就具有一定程度的鈾預(yù)富集,而且鈾預(yù)富集程度越高的地段,鈾礦化也越好。這一現(xiàn)象反映出由沉積環(huán)境所決定的沉積砂體鈾的預(yù)富集是該砂體鈾成礦的重要因素。4.3蝕源區(qū)砂巖多態(tài)性根據(jù)花崗巖U?Pb同位素組成特征分析,該區(qū)花崗巖是從低μ值的下地殼源區(qū)演化而來的。在這種情況下計算巖石的原始鈾含量遇到校正初始鉛的困難。為此,我們按地層及花崗巖年齡,并取該類巖性最高普通鉛含量的樣品作為初始鉛校正,從而計算地層及蝕源區(qū)花崗巖原始鈾含量。結(jié)果表明,芒黑特“天窗”地表露頭砂巖現(xiàn)測鈾含量為0.92×10-6,U0=29.67×10-6,ΔU=-82%;而盆地東南部蝕源區(qū)花崗巖ΔU=-14%~-88%,且絕大多數(shù)鈾丟失量>50%,說明地表風(fēng)化淋濾作用使鈾大量帶出。蝕源區(qū)花崗巖為該區(qū)砂巖型鈾礦的主要鈾源體;含礦層位在沉積時有鈾的預(yù)富集,地表水或潛水氧化作用也可帶出砂體中的鈾,成為成礦的鈾源。5地質(zhì)背景和沉積砂體的年齡關(guān)系通過對我國北方主要產(chǎn)鈾盆地及其蝕源區(qū)U?Pb同位素演化特征和鈾成礦年代學(xué)的研究,盡管由于各種原因?qū)τ嘘P(guān)地區(qū)工作量不同、研究程度不同,但綜合已取得的資料,本研究獲得的主要成果和結(jié)論是:(1)較系統(tǒng)地研究了我國北方主要產(chǎn)鈾盆地砂巖型鈾礦的成礦年齡:伊犁盆地砂巖型鈾礦的成礦年齡有12Ma、5~6.7Ma和1~2Ma;吐哈盆地砂巖型鈾礦的成礦年齡有48Ma、28Ma;巴彥塔拉凹陷砂巖型鈾礦的成礦年齡為7Ma;東勝地區(qū)砂巖型鈾礦的成礦年齡為107Ma。(2)中國北方主要產(chǎn)鈾盆地砂巖型鈾成礦年齡資料表明:①砂巖型鈾礦的成礦年齡都比含礦層位的沉積時代年輕得多,從而證明這些鈾礦都是后生的,成礦時代主要集中在第三紀(jì),特別是上新世以后,與當(dāng)時干旱古氣候的地質(zhì)背景相吻合;②不同大地構(gòu)造單元產(chǎn)鈾盆地的鈾成礦年齡有差別,說明地質(zhì)背景(構(gòu)造環(huán)境、古氣候等)與砂巖型鈾礦成礦作用的關(guān)系密切;③不同盆地成礦年齡的差別,為建立有關(guān)盆地可地浸砂巖型鈾礦成礦模式和找礦預(yù)測提供了重要依據(jù)。(3)盆地中含礦砂體的碎屑鋯石U?Pb同位素年齡與盆地蝕源區(qū)中酸性火成巖年齡的一致性,有力地證明了蝕源區(qū)富鈾的中酸性火成巖類是產(chǎn)鈾盆地含礦砂體的物源,也是砂體中鈾的預(yù)富集的物質(zhì)基礎(chǔ):伊犁盆地含礦砂體碎屑鋯石U?Pb同位素年齡為308