北天山冰草溝鈾磷礦床元素地球化學研究

北天山冰草溝鈾磷礦床元素地球化學研究

0鈾磷酸鹽礦床自strutt（1906-1908年）發(fā)現(xiàn)磷礦伴隨劑以來，國際原子能機構(gòu)預測磷礦中儲存的能源總量超過7500噸（nea和ia，2019年）。世界上含鈾磷酸鹽礦床從土耳其至摩洛哥均有分布，途經(jīng)約旦、敘利亞、埃及等國家，總體上具有帶狀分布特征，并以磷品位高而鈾品位低(0.005%～0.015%)為特點，其中具有代表性的礦床有:摩洛哥格里布卡礦床和哈薩克斯坦魚骨碎屑型鈾礦床等(Cuney,2009;Franz,2009;NEAandIAEA,2019)。我國含鈾磷酸鹽礦床主要分布在秦嶺-大別造山帶、華南褶皺系和揚子地臺，其中揚子地臺是目前發(fā)現(xiàn)該類礦床最多的地區(qū)(曹燁等，2013)，代表性的礦床有:貴州銅仁壩黃磷礦、陜西漢中含鈾磷塊巖礦床等。含鈾磷酸鹽礦床成因類型多樣，包括沉積成因、淋濾成因、熱液成因等(王文全，2016;Veríssimoetal.,2016)。絕大多數(shù)含鈾磷酸鹽礦床屬沉積成因(Baturinetal.,2001;Cuney,2009;張維乾等，2018)，而熱液成因的該類礦床相對比較少見，巴西伊塔太亞礦床和我國的60礦床是該類礦床的典型代表(張萬良，1997,2001;Veríssimoetal.,2016)。北天山冰草溝地區(qū)發(fā)育一系列熱液成因鈾磷礦化點，其中冰草溝鈾磷礦床是該區(qū)唯一的鈾磷礦床。該礦床自1957年被發(fā)現(xiàn)以來，前人的研究工作主要集中在鈾、磷相關(guān)性(周宏偉等，2012)、圍巖蝕變(陳文正，2017)和成礦潛力分析(竇隆洋，2015;蒲小晨等，2017)等方面。盡管取得了一些認識，但總體上該礦床研究程度仍很薄弱，一定程度上制約了礦床的成因解釋和本區(qū)進一步找礦勘探。本文在詳細野外地質(zhì)考察的基礎(chǔ)上，針對典型的礦床剖面采集了代表性樣品，利用顯微鏡、X熒光光譜儀(XRF)、電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)等方法對礦(巖)石樣品開展了礦(巖)相學和元素地球化學研究，分析礦床的控礦因素，以期為該區(qū)類似礦床的尋找提供依據(jù)。1地質(zhì)背景冰草溝鈾磷礦床處于準噶爾地塊與吐哈地塊之間，博格達晚古生代裂谷西段(圖1a)。區(qū)域上出露的地層主要有中-下石炭統(tǒng)博格達組(C2輝石閃長巖核部礦床主要位于冰草溝背斜南翼，礦區(qū)褶皺構(gòu)造較為發(fā)育，背斜軸部呈北東東-近東西向，核部發(fā)育有輝石閃長巖，受冰草溝斷裂所控制;斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，有近東西向、北東向、北西向、近南北向和北北西向等多組斷裂礦體主要賦存在玄武安山巖與砂巖接觸帶靠砂巖一側(cè)(圖2)，其中鈾的平均品位為0.097%，磷的平均品位為11.03%3剖面中的地質(zhì)特征及分析技術(shù)3.1蝕變玄武安山巖中3種礦物選取橫穿礦體的代表性探槽為研究對象，開展了詳細的野外地質(zhì)編錄。探槽剖面上分為4層，分別為:未蝕變玄武安山巖、蝕變玄武安山巖、礦體和弱蝕變粉砂巖，每層均采集了代表性樣品(圖3)。由于該探槽并未揭露新鮮砂巖，研究過程中在遠離TC-211剖面的位置補充采集了新鮮砂巖樣品。剖面及新鮮砂巖的地質(zhì)特征分述如下:未蝕變玄武安山巖:手標本呈灰黑色，呈斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。斑晶主要由橄欖石、輝石和斜長石組成。橄欖石斑晶主要呈粒狀，裂理發(fā)育，含量小于5%;輝石斑晶以粒狀為主，含量約10%，可見輝石雙晶(圖4a、4b);斜長石斑晶呈半自形-自形，含量約55%，常見斜長石聚片雙晶(圖4a);副礦物主要有鋯石、磷灰石、鈦鐵礦等。蝕變玄武安山巖:手標本呈灰黑色，由玄武安山巖蝕變而來。橄欖石斑晶裂理發(fā)育(圖4c)，含量小于5%;輝石斑晶主要呈半自形-自形，含量約20%，部分被方解石脈所穿插，常見輝石聚片雙晶(圖4d)，部分蝕變成綠泥石;斜長石斑晶呈半自形-自形，含量約40%，常見斜長石聚片雙晶和生長環(huán)帶(圖4c、d)，部分斜長石局部發(fā)生重結(jié)晶形成粒狀斜長石(圖4e)，常見絹云母化、碳酸鹽化等蝕變。副礦物主要有鋯石、磷灰石、鈦鐵礦等。礦體:礦體屬于典型的鈾-磷礦體。礦石手標本呈暗紅色-紅色，具膠狀結(jié)構(gòu)，礦石礦物主要為膠磷礦，呈團塊狀和膠狀，透射光下呈淺紅色-棕色(圖4f)，含量:45%～55%，常混有其它碎屑組分。脈石礦物為砂巖的主要造巖礦物，如:石英、鈉長石、黑云母等。其中，鈉長石常圍繞礦物邊緣或裂隙交代石英、鋯石和鈦鐵礦等礦物，蝕變形成的鈉長石表面較臟，可見聚片雙晶，呈云霧狀，且不同程度被三價鐵染色(圖4g)。副礦物(鋯石和鈦鐵礦等)顆粒細小，含量不足5%。赤鐵礦化較為發(fā)育(圖4h)。弱蝕變粉砂巖:手標本呈灰色，致密塊狀。該巖石具粉砂結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，主要由石英、斜長石、黑云母等礦物組成，斜長石主要發(fā)育較弱的絹云母化和碳酸鹽化，次要礦物主要有磷灰石、鋯石等，局部可見粗粒赤鐵礦(圖4j)。碎屑顆粒分選性中等，呈次棱角狀-次圓狀(圖4i)。未蝕變砂巖:手標本呈深灰色-灰色，致密塊狀。該巖石具中-細粒結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，主要由石英、斜長石、方解石等礦物組成，次要礦物主要有磷灰石、鋯石等。碎屑顆粒分選性較差，呈次棱角狀-次圓狀(圖4k、4l)。3.2分析方法及過程將新鮮礦(巖)石樣品無污染粉碎至200目，用于開展元素地球化學分析實驗。主量元素、微量元素及稀土元素均在澳實分析檢測(廣州)有限公司完成。主量元素采用荷蘭生產(chǎn)的PANalyticalPW2424型X射線熒光光譜儀(XRF)測定，分析重現(xiàn)性優(yōu)于5%;微量元素及稀土元素測試儀器為美國生產(chǎn)的Agilent7700x型電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)，分析精度優(yōu)于10%。利用滴定法測定氧化亞鐵時，消解試樣過程中使用硫酸和氫氟酸試劑，然后置入裝有稀硫酸、硼酸或磷酸溶液的燒杯中，然后用重鉻酸鉀溶液滴定;根據(jù)測定的全鐵和亞鐵數(shù)據(jù)計算獲得Fe4礦床的地球化學特征4.1蝕變玄武安山巖冰草溝鈾磷礦床礦石與賦礦圍巖的主量元素分析結(jié)果見表1。未蝕變玄武安山巖:具有中性(SiO蝕變玄武安山巖:與原巖相比，蝕變玄武安山巖含有較低的FeO(0.86%)和較高的SiO未蝕變砂巖:未蝕變砂巖含有中等的SiO弱蝕變粉砂巖:與原巖相比，弱蝕變粉砂巖含有較高的SiO礦石:原巖為砂巖，含有較低的FeO(0.08%～0.23%)、SiO4.2a、ti、sr三元素冰草溝鈾磷礦床礦石與賦礦圍巖微量元素分析結(jié)果見表2，各層代表性樣品原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖如圖5所示。未蝕變玄武安山巖:未蝕變玄武安山巖相對富集Rb、U等元素，相對虧損Th、Nb、Ta、Ti等元素(圖5a)。蝕變玄武安山巖:蝕變玄武安山巖相對富集Rb、U等元素，相對虧損Nb、Ta、Ti、Sr等元素(圖5b)。相對于原巖而言，蝕變玄武安山巖更加虧損Ba、Sr，而Th、U、Nb、Ta、Ti、P等元素基本不發(fā)生變化(圖5f)，表明Ba、Sr等元素變化可能由熱液蝕變所致，其它微量元素帶入帶出不明顯。未蝕變砂巖:未蝕變砂巖相對富集Rb等元素，相對虧損Ba、Nb、Ta、P和Ti等元素(圖5c)。弱蝕變粉砂巖:弱蝕變粉砂巖相對富集Rb、U、Zr、Hf等元素，相對虧損Ba、P和Ti(圖5d)。相對于新鮮砂巖而言，弱蝕變粉砂巖更加富集U、Zr、Hf等元素，而更加虧損Rb、Ba、K等元素，而Th、Nb、Ta、P和Ti等其它元素變化程度較低。礦石:礦石相對富集U、Sr、P等元素，相對虧損Rb、K、Nd和Ti等元素(圖5e)。相對于新鮮砂巖而言，Ba、Th、U、Sr、P、Zr、Hf、Y、HREE等元素在礦石中顯著富集，表明成礦過程中成礦流體可能攜帶該類元素;Rb、K等元素則顯著虧損，而Nb、Ta、Nd、Ti等元素變化不大(圖5f)。4.3蝕變玄武安山巖稀土組成特征冰草溝鈾磷礦床礦石與賦礦圍巖稀土元素分析結(jié)果如表2所示，各層代表性樣品球粒隕石標準化稀土配分曲線如圖6所示。未蝕變玄武安山巖:未蝕變玄武安山巖的ΣREE為184.62×10蝕變玄武安山巖:蝕變玄武安山巖與原巖稀土組成相差不大，兩者稀土配分曲線近乎一致，表明蝕變過程中稀土組成幾乎未受到影響(圖6b、6f)。未蝕變砂巖:未蝕變砂巖的ΣREE為77.86×10弱蝕變粉砂巖:相對于原巖而言，弱蝕變粉砂巖稀土組成相差不大，稀土配分曲線近乎一致，表明在蝕變過程中稀土元素并未帶入帶出(圖6b、f)。礦石:礦石的ΣREE為151.80×105討論5.1宏觀和微觀構(gòu)造元素熱液蝕變是成礦流體與圍巖相互作用的結(jié)果，常會引起介質(zhì)物理化學性質(zhì)的變化，如:在宏觀上引起巖石性質(zhì)(顏色、體積和礦物成分等)的變化，在微觀上則表現(xiàn)為元素的帶入帶出(鄧海琳等，1999;郭文鉑等，2014;鄭文寶等，2017;戴成龍等，2017)。本文按照成礦過程中元素是否發(fā)生明顯遷移，將其分為兩類。5.1.1礦石與新鮮砂巖微量元素地球化學特征前人的大量研究顯示，在熱液蝕變過程中某些元素因相對穩(wěn)定而很少被流體所遷移，如:Al、Ti、Zr、Hf、P、Nb、Ta等元素(Grant,1976;周永章，1994;Lewisetal.,1997;Trolletal.,2003;Donoghueetal.,2008;陳光旭等，2017;馮紹平等，2017)。對冰草溝鈾磷礦床礦石與新鮮砂巖的研究表明，Ti、Nb、Ta、Sn和Ga等元素在蝕變過程中表現(xiàn)為遷移不明顯。其中，在礦石與新鮮砂巖微量元素蛛網(wǎng)圖中Ti均表現(xiàn)虧損，而與原巖相比，Ti遷入遷出并不明顯(圖7a)，表明砂巖中含鈦礦物在蝕變過程中較為穩(wěn)定。Nb和Ta具有相似的地球化學性質(zhì)，在兩者含量較低的條件下，主要賦存在金紅石等次要礦物中。在礦石和新鮮砂巖中，兩者差異較小，這可能與金紅石等次要礦物的穩(wěn)定性有關(guān)，輕微的富集可能是熱液流體少量帶入所致。Sn和Ga在成礦過程中含量基本變化較小，這可能是因為含Sn和Ga礦物穩(wěn)定較強。5.1.2在熱液流體中的遷移能力Al和Ca:傳統(tǒng)認為Al在熱液蝕變過程中活動性較弱，遷移量變化不明顯。然而冰草溝鈾磷礦床礦石中Al表現(xiàn)出一定的遷出趨勢(圖7a)，這可能由于長石等含Al礦物被強烈改造而將其釋放到流體中被遷移帶出所致。Ca在成礦過程中表現(xiàn)出一定的帶入趨勢(圖7a)。在剖面上，Ca在礦石中表現(xiàn)為高度富集，這是由于砂巖中含有大量方解石(圖4k,4l)，在熱液活動中不穩(wěn)定而發(fā)生分解，導致大量Ca被帶入流體中，使礦石中Ca含量明顯增加。這一過程可為成礦提供大量鈣質(zhì)來源。Zr和Hf:Zr和Hf被稱為是地球化學界的雙生兒，其中Zr主要賦存在鋯石中，Hf主要以類質(zhì)同象的形式賦存在鋯石中(TaylorandMcLennan,1985)。鋯石具有化學性質(zhì)穩(wěn)定、抗風化能力較強和難蝕變等特點，因此長期以來被認為Zr和Hf為惰性元素，熱液活動性較弱，基本不發(fā)生遷移(張宏飛和高山，2012)。然而近年來大量研究發(fā)現(xiàn)事實并非如此，如在富氟熱液中可能影響Zr的活動性(Rubinetal.,1993)。富氟流體可能導致Zr的溶解度增加，一定程度上可能提高Zr在熱液中的遷移能力(Ryzhenkoetal.,2008;Migdisovetal.,2011;何俊杰，2018)。Zr和Hf在遭受赤鐵礦化等蝕變時均表現(xiàn)出富集的特征，且Zr的帶入量遠大于Hf，這可能與FP和U:可作為冰草溝鈾磷礦床主要的成礦元素。成礦過程中，鈾與磷同步富集(圖8a)。在剖面上，P和U在礦體中表現(xiàn)出強烈富集的特征(圖9)。在富磷的熱液流體中，UORb、Sr和Ba:在蝕變過程中這些元素較為活潑，易被流體所遷移。Rb在熱液蝕變過程中表現(xiàn)出一定的遷出趨勢(圖7)。鈾成礦過程中伴隨Sr的高度富集(圖8b)。在TC-211剖面上，Sr在礦石中表現(xiàn)出顯著富集的特征(圖9)，表明Sr可能由熱液大量帶入。磷灰石主要以高Sr低Rb為特征(ExleyandJones.,1983;伍勤生等，1983;朱笑青等，2004),Sr可能以類質(zhì)同象形式進入膠磷礦中。Ba在成礦過程中表現(xiàn)出一定的帶入趨勢(圖7)。HREE和Y:稀土元素因化學性質(zhì)類似且較為穩(wěn)定，通常在熱液中不易被遷移，屬于不活動組分(王中剛等，1989)。然而大量研究證實稀土元素在熱液中是可以遷移的(包志偉和趙振華，1998;劉叢強和凌其聰，2002;Pandarinathetal.,2008)。成礦過程中伴隨HREE和Y的富集(圖8c,d)。在剖面上，HREE和Y在礦石中富集量較大(圖9)，輕、中稀土元素基本保持不變。膠磷礦主要為氟磷灰石(黃小芬等，2011)，在一定程度上反映熱液體系中含有大量的F等揮發(fā)分。富氟流體會顯著增強REE的活動性(Jiangetal.,2006)，優(yōu)先絡合HREE。Y與F的絡合物可能比REE更為穩(wěn)定(Bauetal.,1995)，所以Y在礦石中富集量比原巖較大。5.2玄武安山巖熱液運移特征本文在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦床剖面地球化學研究，對冰草溝鈾磷礦床的控礦因素展開分析，認為氧化還原界面是控制冰草溝鈾磷礦床空間定位的主要因素。在剖面上，礦體主要賦存在玄武安山巖與砂巖接觸帶的砂巖一側(cè)(圖9)。接觸界面往往是構(gòu)造應力薄弱部位，也是溫度和壓力的驟減部位。玄武安山巖在成礦過程中既是物理障又是化學障。玄武安山巖結(jié)構(gòu)十分致密，在其內(nèi)部熱液運移可能受到一定的阻滯，熱液可能在其接觸面運移較多。砂巖裂隙較為發(fā)育，從砂巖碎屑顆粒的分選性和磨圓度來看，礦石和新鮮砂巖結(jié)構(gòu)成熟度較低，導致砂巖中碎屑顆粒之間的孔隙度較大，大部分成礦熱液沿砂巖運移較多，成礦部位主要傾向于砂巖一側(cè)。玄武安山巖與砂巖之間化學成分相差較大，熱液作用于兩者的強度和蝕變類