北方铀矿化的成矿年代学研究

北方铀矿化的成矿年代学研究

1样品和分析方法自20世纪90年代初以来，中国的高级采矿勘探工作主要集中在“硬岩”中的热液锆矿床，转向中国现代盆地中的水闪闪岩和中生水锆矿床。这个战略转移,使同位素地质研究面临着能否在铀矿地质领域中继续发挥作用的问题。笔者认为,至少在砂岩型铀矿成矿年龄及其特点研究、产铀沉积盆地蚀源区岩石供铀能力的研究、产铀盆地富铀砂体的存在及物质来源研究等领域可以发挥同位素地质研究的重要作用。本文对中国北方主要产铀盆地(图1)砂岩型铀矿成矿年龄、盆地蚀源区花岗岩类同位素地质年代学、含矿砂体物源、蚀源区岩石和沉积砂体供铀能力等问题进行了深入研究,获得比较有说服力的结果。本研究共完成实物工作量:岩(矿)石U?Pb同位素分析105件;碎屑锆石U?Pb同位素分析47件;蚀源区锆石U?Pb同位素分析36件;岩(矿)石U?Ra平衡系数65件。样品的化学处理是在超净实验室中进行,U、Pb本底为1×10-10,同位素分析在MAT261固体质谱计上进行,分析精度为0.001%~0.01%。本研究在处理U?Pb同位素数据时使用的是国内外通用的常数,即:238U的衰变常数λ8=0.155125×10-9a-1;235U的衰变常数λ5=0.98485×10-9a-1;232Th的衰变常数λ2=0.049475×10-9a-1;原始铅同位素组成:206Pb/204Pb=9.307;207Pb/204Pb=10.294;208Pb/204Pb=29.476;地球形成年龄:U?Pb系列T0=4430Ma;Th?Pb系列Tp=4570Ma;现今U同位素原子比值:238U/235U=137.88;μ0(238U/204Pb)=9.58;W0(232Th/204Pb)=36.50。2u?ra平衡系数关于层间氧化带砂岩型铀矿的成矿时序,普遍认为具幕式特征,但成矿多阶段、年龄新,再加上该类型矿床矿石中很难精选出可供U?Pb同位素组成测定的独立矿物。因此,在国内外有关砂岩型铀矿成矿年龄获得精确可靠的数据并不多见。U?Ra不平衡现象在砂岩型铀矿区几乎是一种普遍现象,这是因为近代地下水在透水性岩石中不断活动,使部分原岩中铀被带走而呈现偏镭状态,有的岩石则吸附了铀而呈偏铀。因Ra的半衰期为1602a,所以U?Ra不平衡现象只能反映16000a以内铀、镭的变化,而近代<16000a的铀得失对样品铅同位素组成没有明显的影响,但对等时线年龄结果却影响很大。样品获得铀,使年龄偏小;样品丢失铀,则使年龄偏大。因此,假设KP(U?Ra平衡系数)=1时的铀含量为UP,利用UP参加U?Pb等时线拟合,计算出的年龄结果将不受近代铀迁移或富集的影响,从而能获得更切合实际的成矿年龄。在进行U?Pb等时线计算时,利用样品U?Ra平衡系数对样品现今铀含量进行修正的方法是:Kp=Ra/(U×3.4×10-7)(1)式中:Ra、U分别为现测样品镭、铀含量;Kp为U?Ra平衡系数。Up=U×Kp(2)式中:Up为假设样品U?Ra平衡系数Kp=1时的铀含量,即修正后的铀含量。2.1铀矿床成矿作用伊犁盆地赋铀的岩石有砂砾岩、含砾砂岩、砂岩、粉砂岩、泥岩以及煤岩等。依据含矿主岩,盆地铀矿化分为3种类型,即砂岩型、泥岩型和煤岩型,可地浸砂岩型铀矿赋存于中下侏罗统水西沟群(J1-2sh)的砂岩层中。盆地内铀矿化成因主要为后生改造,具有经济意义的主要为层间氧化带砂岩型铀矿化。铀矿石U?Pb同位素测定结果列于表1。从表1各样品的U?Pb同位素表观年龄(206Pb/?238U)可见,其年龄值变化悬殊,0.7~29.8Ma不等。实际上,对铀矿石样品,因为初始铅(亦称普通铅)含量很高,给初始铅校正带来很大的困难,使本来是同一成矿期的样品而可能出现不同的年龄结果。因此,样品的表观年龄已失去实际意义。2.1.1512铀矿床对512铀矿床不同类型的样品分别进行U?Pb等时线拟合,获得两条U?Pb等时线:一条由5个含炭泥岩样品(表1)组成,相关系数为0.95,年龄为12±4Ma;另一条由13个砂岩类样品(表1)组成,相关系数为0.995,年龄为1±0Ma。目前可以肯定,512矿床铀的成矿作用至少有两期:含炭泥岩中的铀矿化为12±4Ma;砂岩类岩石中的铀矿化为1±0Ma。2.1.2511铀矿床对该矿床9个高铀含量的砂岩类样品(表1)进行U?Pb等时线图解,获得两条等时线,相关系数分别为0.97(7个样品)和0.992(5个样品),铀矿化年龄分别为5±1Ma和2±0Ma。2.1.3509铀矿床509铀矿床位于盆地南缘东段的达拉地,为煤岩型铀矿床。在该矿床坑道内采得2件沥青铀矿样品,U?Pb同位素测定结果表明(表1),其表观年龄(206Pb/238U)分别为6.7Ma和5.7Ma,平均6.2Ma。2.2砂岩型铀矿床成矿年龄吐哈盆地是在海西中期褶皱基底之上发育起来的陆相盆地,赋矿砂体为中侏罗统西山窑组。关于吐哈盆地十红滩层间氧化带砂岩型铀矿床的成矿年龄已有报道,其U?Pb等时线年龄资料是直接利用现测结果计算的。本研究对铀矿石样品的U?Pb同位素、U?Ra平衡系数进行测定及铀含量修正(表2),并对这些样品进行U?Pb等时线拟合,获得该矿床主要铀成矿年龄值为28±4Ma(4个样品,相关系数0.993)和48±2Ma(4个样品,相关系数0.999)。2.3铀矿化的pb同位素测定巴彦塔拉凹陷砂岩型铀矿赋存层位为下白垩统巴彦花群,该群自下而上可划分3个组,即阿尔善组(K1a)、腾格尔组(K1t)和赛汉组(K1s)。其中以腾格尔组最发育,阿尔善组次之,赛汉组发育不全。上部赛汉组为主要赋矿层位,其次为腾格尔组地层。本研究在钻孔岩心铀矿化段(赛汉组)选取4个样品进行U?Pb同位素测定(表3),并进行铀?镭平衡修正样品的铀含量,U?Pb等时线获得铀矿化年龄为7±0Ma。赛汉组7±0Ma的铀矿化年龄正是中新世(N1)末或上新世(N2)初期,该年龄的获得证明本地段古河谷潜水氧化成矿作用发生在第三系上新统(N2)泥质屏蔽层沉积之前,或许在7Ma时上新统并未全部覆盖,或在7Ma时该区已为上新统屏蔽层所覆盖,“天窗”的存在为该期铀成矿提供了重要通道。2.4岩石型铀矿u?ra平衡特征东胜地区位于鄂尔多斯盆地东北部,余达淦等(2001)的研究表明,东胜隆起带自侏罗系形成之后经历了长期的隆升剥蚀阶段,保持了水动力条件的长期稳定性。由于隆起,使目标层产生掀斜并出露地表,遭受剥蚀和氧化,有利于层间氧化带的发育。良好的成矿地球化学条件、古气候条件、古层间氧化作用,以及大规模铀矿化点带的出现,预示着本区直罗组存在有利于可地浸砂岩型铀矿成矿的地质环境。通过对样品进行U?Pb同位素的U?Ra平衡特征的测定(表4),可见目前东胜地区绝大部分砂岩样品明显偏Ra,少数样品则明显偏U。经过U?Ra平衡修正,获得样品当Kp=1时的铀含量(Up),并利用该值进行U?Pb等时线计算(其相关系数为0.991),获得该区砂岩型铀矿的成矿年龄为107±16Ma。它可能代表了本区古氧化期的铀成矿作用。3砂源研究通过对含矿砂体碎屑锆石特征及年代学的研究,并与蚀源区岩石进行对比,可以有效地判断含矿砂体的物质来源。3.1伊普拉盆地含矿砂层来源3.1.1u?pb同位素盆地南部的花岗岩岩体呈北东向展布,侵入于早石炭世地层之内。笔者分别于岩体北端(森林公园内)和西南端(洪海沟内)取样,并选取其中的锆石进行U?Pb同位素年龄测定。洪海沟灰色中粒二长黑云母花岗岩6件锆石样品的U?Pb等时线相关系数(R)为0.991,年龄为316±41Ma;森林公园褐红色二长花岗岩4件锆石样品的U?Pb等时线相关系数(R)为0.998,年龄为293±18Ma。表明该区花岗岩属海西期侵入体。3.1.2盆地沉积砂体物源区原岩的形成时代及成矿时代选出511矿区沉积砂体中的锆石进行U?Pb同位素地质年龄测定,8个锆石样品的U?Pb等时线线性相关关系良好(R为0.994),等时线年龄(T)为308±26Ma,代表了盆地沉积砂体物源区原岩的形成年龄。这个结果表明,伊犁盆地含矿砂体物源来自南部蚀源区的花岗岩和火山岩,它们所含锆石的形成年龄相一致。3.2托哈盆地含矿砂资源3.2.1中性岩与片麻岩、火山碎屑岩的组成吐哈盆地西南部蚀源区主要为觉罗塔格山系分布区,出露大量不同时期的花岗岩类,在岩性上以花岗闪长岩、二长或黑云母花岗岩为主;地层主要由中元古界的混合岩与片麻岩、石炭系的中酸性火山岩及火山碎屑岩组成。蚀源区斑状花岗岩中5个磁性不同的锆石样品的U?Pb等时线年龄值为268±23Ma(R=0.999)。同一地区的片麻状花岗岩3个不同磁性的锆石所确定的U?Pb等时线年龄为422±5Ma(R=0.9999)。可见,吐哈盆地西南部广泛出露的斑状花岗岩属海西期侵入体,而出露范围较小的片麻状花岗岩为加里东期侵入体。3.2.2含矿砂体物源时代分布对含矿砂体中碎屑锆石进行了U?Pb同位素组成测定。U?Pb等时线处理结果表明,所得等时线相关关系良好(R=0.98),等时线年龄为283±67Ma,与蚀源区斑状花岗岩形成年龄(268±23Ma)相比,在误差范围内是一致的,说明吐哈盆地含矿砂体物源主要来自南部蚀源区觉罗塔格山的海西晚期花岗岩体。3.3巴彦塔拉坳陷含矿砂层的物源3.3.1黑云母砂岩表观年龄对巴彦塔拉凹陷东南部蚀源区分布最广泛的黑云母花岗岩及盆地远源区域花岗岩类分别取锆石,对其进行U?Pb同位素年龄测定,结果显示黑云母花岗岩有两组表观年龄:一组样品年龄为112~129Ma;另一组样品年龄为195Ma。说明黑云母花岗岩为两期侵入,主侵入期年龄为112~129Ma,属燕山晚期;少数年龄为195Ma,属燕山早期或印支晚期。显然,前人资料均将其划归为燕山早期是不妥的。3.3.2pb同位素测定对巴彦塔拉凹陷赛汉组砂岩碎屑锆石进行U?Pb同位素测定,结果表明其年龄值为119~144Ma,与蚀源区燕山期花岗岩年龄基本一致,说明赋矿砂体物源来自花岗岩的剥蚀区。4岩石的形成年龄和原始铀含量通过研究蚀源区岩石和砂体的U?Pb同位素演化特征,计算样品中铀的近代得失情况,从而了解这些岩石作为成矿铀源的供铀能力。计算方法是:岩石的初始铅:(206Pb/204Pb)0=9.307+μ0[exp(λ8t0)-exp(λ8t)](3)式中t为岩石的形成年龄。岩石的原始铀含量:U0=[206Pb/204Pb-(206Pb/204Pb)0]/[exp(λ8t)-1]×(Pb×204Pb×MU)/(99.274×MPb)(4)式中206Pb/204Pb为样品的Pb同位素比值;Pb为样品的Pb含量;204Pb为样品中204Pb的相对百分含量;MPb为样品Pb的原子量;MU=238.028为U的原子量。ΔU=(U/U0-1)×100%(5)若ΔU≈0则样品无近代铀得失;ΔU>0则样品有近代铀叠加;ΔU<0则样品有近代铀丢失。根据U0和ΔU值可以判断岩石提供铀的能力。4.1砂体的铀化作用通过测定伊犁盆地南部蚀源区海西期火山岩及海西期花岗岩17个样品U?Pb同位素组成,经计算表明,花岗岩类样品铀的近代丢失非常明显,ΔU<0,平均为-44.3%,说明蚀源区花岗岩类是伊犁盆地砂岩型铀矿成矿的重要铀源之一。对43件沉积砂体岩石样品的U?Pb同位素组成进行有关计算,设定沉积岩年龄为170Ma(中侏罗世),计算和统计结果表明:岩石的原始铀含量U0的平均值为18.36×10-6;其中18个样品ΔU为负值,平均为-36.4%;25个样品获得了铀,平均增加了2.8倍。这些资料表明,伊犁盆地水西沟群沉积砂体有铀的预富集,在铀成矿时也参与了成矿作用,是铀成矿的铀源之一。因此,伊犁盆地成矿铀源既有蚀源区风化剥蚀作用形成的含铀含氧水的不断补充,也有沉积砂体中的一部分铀参与。4.2未固结砂岩岩石学和矿化地层的铀富集特征蚀源区花岗岩原始铀含量计算结果表明:ΔU≈0,铀的得失不明显;而地层中碎屑岩和火山碎屑岩ΔU均为负值,碎屑岩ΔU达到-69%,表明地层岩石具有明显的丢失铀现象,不同地层丢失铀的程度有所差异。本区碎屑岩及火山碎屑岩近代铀丢失明显,可能是形成含铀含氧水的重要铀源之一。通过对40件钻孔岩、矿心砂岩样品的U?Pb同位素演化特征进行研究,给定成岩年龄170Ma,按正常铅同位素演化扣除初始Pb,计算出每个样品的原始铀含量U0及ΔU。根据现测铀含量划分出不同的含量范围,分别统计样品的U0值和ΔU的变化特征(表5)。由表5可见:(1)原生带砂岩现测铀含量为3.78×10-6,原始铀含量为4.52×10-6,ΔU为-16.35%。考虑到误差因素,可认为自成岩后原生带砂体基本没有铀的获得或丢失。(2)矿化样品中铀富集现象明显,现测铀含量平均值是其原始铀含量平均值的3倍。(3)矿石样品的ΔU达到977.84%,铀富集程度高,且全部为获得铀,铀成矿作用主要为后生成矿。(4)不论矿化样品还是矿石样品,计算所得的原始铀含量平均值都较高,说明成岩时矿化段就具有一定程度的铀预富集,而且铀预富集程度越高的地段,铀矿化也越好。这一现象反映出由沉积环境所决定的沉积砂体铀的预富集是该砂体铀成矿的重要因素。4.3蚀源区砂岩多态性根据花岗岩U?Pb同位素组成特征分析,该区花岗岩是从低μ值的下地壳源区演化而来的。在这种情况下计算岩石的原始铀含量遇到校正初始铅的困难。为此,我们按地层及花岗岩年龄,并取该类岩性最高普通铅含量的样品作为初始铅校正,从而计算地层及蚀源区花岗岩原始铀含量。结果表明,芒黑特“天窗”地表露头砂岩现测铀含量为0.92×10-6,U0=29.67×10-6,ΔU=-82%;而盆地东南部蚀源区花岗岩ΔU=-14%~-88%,且绝大多数铀丢失量>50%,说明地表风化淋滤作用使铀大量带出。蚀源区花岗岩为该区砂岩型铀矿的主要铀源体;含矿层位在沉积时有铀的预富集,地表水或潜水氧化作用也可带出砂体中的铀,成为成矿的铀源。5地质背景和沉积砂体的年龄关系通过对我国北方主要产铀盆地及其蚀源区U?Pb同位素演化特征和铀成矿年代学的研究,尽管由于各种原因对有关地区工作量不同、研究程度不同,但综合已取得的资料,本研究获得的主要成果和结论是:(1)较系统地研究了我国北方主要产铀盆地砂岩型铀矿的成矿年龄:伊犁盆地砂岩型铀矿的成矿年龄有12Ma、5~6.7Ma和1~2Ma;吐哈盆地砂岩型铀矿的成矿年龄有48Ma、28Ma;巴彦塔拉凹陷砂岩型铀矿的成矿年龄为7Ma;东胜地区砂岩型铀矿的成矿年龄为107Ma。(2)中国北方主要产铀盆地砂岩型铀成矿年龄资料表明:①砂岩型铀矿的成矿年龄都比含矿层位的沉积时代年轻得多,从而证明这些铀矿都是后生的,成矿时代主要集中在第三纪,特别是上新世以后,与当时干旱古气候的地质背景相吻合;②不同大地构造单元产铀盆地的铀成矿年龄有差别,说明地质背景(构造环境、古气候等)与砂岩型铀矿成矿作用的关系密切;③不同盆地成矿年龄的差别,为建立有关盆地可地浸砂岩型铀矿成矿模式和找矿预测提供了重要依据。(3)盆地中含矿砂体的碎屑锆石U?Pb同位素年龄与盆地蚀源区中酸性火成岩年龄的一致性,有力地证明了蚀源区富铀的中酸性火成岩类是产铀盆地含矿砂体的物源,也是砂体中铀的预富集的物质基础:伊犁盆地含矿砂体碎屑锆石U?Pb同位素年龄为308