夏毓亮

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U-Pb同位素示蹤砂巖型鈾礦的成礦作用

夏毓亮

(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029)

文章論述了U-Pb同位素在砂巖型鈾礦成礦作用研究中的示蹤作用，其內(nèi)容包括砂巖型鈾礦的成礦年齡、沉積砂體和蝕源區(qū)巖石的原始鈾含量(U0)及鈾的變化系數(shù)(△U)等；同時列舉了該技術(shù)手段在部分砂巖型鈾礦床中的實際應(yīng)用。結(jié)果表明，U-Pb同位素示蹤技術(shù)在砂巖型鈾礦成礦預(yù)測和成礦機理研究方面能夠發(fā)揮重要的作用。

U-Pb同位素示蹤；砂巖型鈾礦；成礦年齡；原始鈾含量；鈾變化系數(shù)

在地浸砂巖型鈾礦快速評價技術(shù)系統(tǒng)中，利用U-Pb同位素示蹤鈾的成礦作用是行之有效的手段。然而，目前國內(nèi)外可供查詢和借鑒的文獻(xiàn)資料并不多見。筆者根據(jù)多年來的實踐經(jīng)驗和研究成果[1-4]，就U-Pb同位素示蹤技術(shù)在解決地浸砂巖型鈾礦成礦作用方面探討以下幾個問題，意在拋磚引玉，供同行參考。本文在處理U-Pb同位素數(shù)據(jù)時使用的是國內(nèi)外通用的常數(shù)[1]，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238U/235U=137.88；μ0(238U/204Pb)=9.58；W0(232Th/204Pb)=36.50

1 砂巖型鈾礦的成礦年齡

成礦年齡是成礦機制研究中非常重要的依據(jù)，鈾礦是惟一能利用成礦礦物(例如瀝青鈾礦、晶質(zhì)鈾礦、鈾石等)直接測定成礦年齡的礦種。對地浸砂巖型鈾礦的成礦過程目前仍有不同的見解，其是連續(xù)成礦還是階段性成礦一直是人們關(guān)注的焦點，這就需要對成礦年齡作精細(xì)的研究，以促進(jìn)地浸砂巖型鈾礦成礦理論的提高和可靠成礦模式的建立，從而更有效地進(jìn)行成礦預(yù)測。

砂巖型鈾礦成礦年代學(xué)研究是一項非常棘手的研究課題，因為在該類型鈾礦石中很難挑選出可供同位素年齡測定的鈾礦物?？紤]到地下流體的活動，在同一礦體內(nèi)部有可能達(dá)到同位素均一化，這就有可能利用鈾礦石樣品進(jìn)行U-Pb等時線定年。由于近代地下水在透水性巖石中不斷活動遷移，使原巖中的鈾有的被帶走而偏鐳，有的巖石吸附了鈾則偏鈾，因此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。在氧化環(huán)境下，鈾是一個非常活潑的元素，容易被氧化而運移，鐳則是一個比較穩(wěn)定的元素，不容易運移。Ra的半衰期為1602 a，因此U-Ra不平衡現(xiàn)象只能反映16000 a以內(nèi)鈾的運移情況。而近代小于16000 a內(nèi)鈾的得失對樣品的鉛同位素組成沒有明顯的影響，但對U-Pb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，使年齡偏大。對現(xiàn)測樣品鈾含量進(jìn)行U-Ra平衡系數(shù)修正，計算出每個樣品假設(shè)當(dāng)U-Ra平衡系數(shù)Kp=1時的鈾含量，利用修正后的鈾含量進(jìn)行U-Pb等時線年齡計算，則可獲得比較理想的成礦年齡結(jié)果[2]。

采用鈾礦石U-Pb等時線方法處理數(shù)據(jù)，其等時線方程式為：

206Pb/204Pb=(206Pb/204Pb)0+

238U/204Pb[Exp(λ8t)-1]

其先決條件是：

(1)鈾成礦作用具有幕式特點，用于等時線的鈾礦石是同時形成的；

(2)鈾礦化時達(dá)到Pb同位素均一化；

(3)鈾成礦后礦石體系中除了近(現(xiàn))代由于地下水活動可能使鈾有遷進(jìn)或遷出外，再沒有發(fā)生化學(xué)封閉體系的破壞。

2 沉積砂體的U0和△U

應(yīng)當(dāng)特別指出的是，在我國鈾礦地質(zhì)界，許多科技人員并不重視富鈾砂體對鈾成礦的貢獻(xiàn)(至少在各種技術(shù)交流會上或盆地評價預(yù)測研究報告中很少有人提及)，而主要強調(diào)外來的含鈾含氧水的滲入。盡管對這個問題還有不同的觀點，筆者認(rèn)為有必要做更深入的研究，因為這關(guān)系到沉積盆地找礦預(yù)測、評價的重大問題。

沉積盆地中有好的富鈾砂體是可地浸砂巖型鈾礦床形成的重要條件。滲透性好的巖石中的鈾在地下水的作用下可以被浸泡出來，在氧化還原過渡帶沉淀成礦。所以，沉積砂體在沉積時鈾的預(yù)(初始)富集，也可以成為后來鈾成礦的重要鈾源之一。

U0是指成巖時巖石中的鈾假設(shè)沒有經(jīng)受后來改變演化至今的含量，稱為巖石的原始鈾含量。沉積砂體的U0值是衡量巖石是否具有鈾預(yù)富集的重要指標(biāo)?！鱑是指巖石中的鈾含量后來經(jīng)受的變化，這個變化可以發(fā)生在近代，也可以發(fā)生在鈾成礦時，因此△U可稱為巖石中鈾的變化系數(shù)或富集系數(shù)，是巖石丟失或獲得鈾的衡量標(biāo)準(zhǔn)，也是巖石活性鈾大小或供鈾能力的重要參數(shù)。

一個沉積盆地是否具備形成可地浸砂巖型鈾礦床的能力，與該盆地是否存在富鈾砂體有密切的聯(lián)系[1]。含氧地下水運移過程中不斷吸收砂體中的鈾而形成含鈾含氧地下水，在介質(zhì)地球化學(xué)環(huán)境改變的條件下，鈾沉淀下來形成鈾礦體。因此，富鈾砂體中的鈾是后生水成鈾礦重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。確定富鈾砂體的存在與否，不能以簡單地測定樣品的鈾含量來判斷，因為砂體中的鈾可能經(jīng)過后期氧化而遷移。通過不同地段砂體樣品的U-Pb同位素體系演化特征的研究，可以有效地確定砂體中原始鈾含量(U0)和砂體中鈾的變化系數(shù)(△U)[3，4]。

3 蝕源區(qū)巖石的供鈾能力

可地浸砂巖型鈾礦形成機制的另一個重要觀點是盆地形成后蝕源區(qū)巖石中的鈾經(jīng)過地表或近地表氧化而溶于水中，形成含鈾含氧水不斷地滲入到透水性較好的砂體層中，在運移過程中遇到還原環(huán)境而沉淀成礦?，F(xiàn)在面臨的問題是蝕源區(qū)巖石是否具有供鈾能力，即能否成為鈾源巖？利用巖石的U-Pb同位素組成特征可以很好地確定巖石現(xiàn)測鈾含量和原始鈾含量(U0)，從而計算出巖石中鈾近代的得、失(△U)情況，即獲得蝕源區(qū)巖石是否相對富鈾、是否具有活動性以及是否能夠提供成礦鈾源[1]。

4 U-Pb同位素示蹤研究實例

4.1 砂巖型鈾礦的成礦年齡

研究表明，我國地浸砂巖型鈾礦床的共同特點是多次疊加、具有“幕式”成礦作用的特點。下面以鄂爾多斯盆地和松遼盆地砂巖型鈾礦成礦年齡研究為例來說明U-Pb同位素的示蹤作用。

4.1.1 鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦成礦年齡

鄂爾多斯盆地東勝地區(qū)砂巖型鈾礦產(chǎn)出在中侏羅統(tǒng)砂體中。研究結(jié)果表明，該區(qū)孫家梁和沙沙圪臺地段直羅組砂體的鈾礦化作用主要發(fā)生在早白堊世至晚白堊世[5]。其中，孫家梁礦體翼部成礦年齡為120±11 Ma 、85±2 Ma、77±6 Ma；晚期卷頭部位的鈾礦化作用發(fā)生在新近紀(jì)的中新世和上新世，成礦年齡為20±2 Ma、8±1 Ma。卷頭部位鈾成礦年齡小，翼部鈾成礦年齡大，而且卷頭部位兩條U-Pb等時線的截距分別為110±61和41±9，具有非常高的異常Pb同位素組成特征，表明卷頭部位成礦作用的鈾源是從富鈾體系運移過來的，或者是對早先鈾礦體的改造。這個事實也非常符合層間氧化帶砂巖型鈾礦的成礦作用是由兩翼逐漸向卷頭部位推移的成礦過程。而沙沙圪臺地段鈾礦體呈不規(guī)則的板狀，且沒有取到高品位鈾礦化的樣品，較低品位的鈾礦石樣品的U-Pb等時線年齡集中在120 Ma和80 Ma左右，與孫家梁地段低品位鈾礦化年齡相一致。

孫家梁地段低品位鈾礦化樣品等時線年齡為177±16 Ma，在誤差范圍內(nèi)與直羅組的沉積年齡(中侏羅世)相吻合，砂體的鈾含量達(dá)(3.36～99.24)×10-6，這也是直羅組沉積時就有鈾的預(yù)富集的最強有力的證據(jù)。新廟壕和中雞地段各條等時線所獲年齡值也與直羅組的沉積時代(中侏羅世)相當(dāng)。每條U-Pb等時線都有鈾含量>0.01%的樣品，因此新廟壕地段的直羅組在沉積時就存在低品位的鈾礦化[6]。

4.1.2 松遼盆地錢家店砂巖型鈾礦成礦年齡

松遼盆地錢家店鈾礦床產(chǎn)在上白堊統(tǒng)姚家組地層中，目前獲得的成礦年齡為89±11 Ma、67±5 Ma、53±3 Ma、44±4 Ma。其中，89±11 Ma與上白堊統(tǒng)姚家組沉積年齡相當(dāng)，表明姚家組沉積時就有鈾的富集；而67±5 Ma、53±3 Ma、41±4 Ma的成礦年齡與晚白堊世末至古近紀(jì)早期該區(qū)地殼抬升、掀斜和構(gòu)造反轉(zhuǎn)形成構(gòu)造“天窗”，以及輝綠巖侵位的時間相吻合。該時期形成了有利的地下水動力學(xué)環(huán)境，大規(guī)模的鈾成礦作用發(fā)生[7]。

4.2 含礦砂體的U0和△U

鄂爾多斯盆地含礦巖系直羅組沉積物粒度相對較粗，以砂礫巖、中粗粒砂巖為主，孔隙度較大且滲透性好。砂巖以長石砂巖和長石石英砂巖為主。在鄂爾多斯盆地東北部對20件鈾含量小于10×10-6的鉆孔巖芯(直羅組氧化帶)樣品進(jìn)行U-Pb同位素組成測定，計算時采用U-Pb同位素兩階段演化體系；利用樣品中206Pb/204Pb比值最小的Dsh-1號樣品的鉛同位素組成作為直羅組巖石的初始鉛，即其(206Pb/204Pb)0=16.743、(207Pb/204Pb)0=15.265；巖石(中侏羅統(tǒng)砂巖)形成年齡推測為170 Ma。

測定和計算結(jié)果表明[4]，鄂爾多斯盆地東勝地區(qū)直羅組氧化砂體現(xiàn)測鈾含量平均值為4.35×10-6；原始鈾含量(U0)平均值為21.95×10-6，說明直羅組沉積時確有鈾的預(yù)富集，具有典型的富鈾砂體特點。最高鈾含量達(dá)105×10-6，指示該區(qū)直羅組砂體沉積時有些地段達(dá)到鈾礦化的富集水平。

△U代表樣品中鈾的近代變化系數(shù)。一方面反映樣品中鈾的活動性，另一方面反映出樣品中鈾的近代獲得或丟失的情況。氧化帶中的樣品獲得鈾的變化系數(shù)△U平均為-69.4%，近現(xiàn)代大量丟失了鈾元素。因此，推測直羅組氧化帶砂體可以為鈾成礦提供豐富的鈾源。

關(guān)于沉積地層中的鈾能否形成規(guī)模較大的鈾礦床，可以假設(shè)一個長50 km、寬5 km、厚40m的氧化砂體(這個氧化砂體規(guī)模并不算大)，按所獲得的U0和△U值計算，這個氧化砂體可以提供3.5×105t金屬鈾！如果其中20%的鈾形成鈾礦體，則可以形成7×104t金屬鈾儲量的鈾礦床?？磥硌趸绑w足以為鈾成礦提供豐富的鈾源[5,6]。

4.3 盆地蝕源區(qū)巖石的U0和△U

能夠形成沉積盆地富鈾砂體或后來能夠提供外來成礦鈾源的蝕源區(qū)巖石，一定是富鈾的中酸性火成巖類巖石。計算蝕源區(qū)巖石的U0和△U值與計算沉積盆地砂體的U0和△U值類似[3]。

伊犁盆地南部蝕源區(qū)海西期火山巖及海西期花崗巖17個樣品的U-Pb同位素組成分析結(jié)果表明[1]，巖石的原始鈾含量(U0)較高，其次是花崗巖類樣品鈾的近代丟失非常明顯，△U值平均為-44.3%，表明了蝕源區(qū)巖石、特別是花崗巖類一方面能使伊犁盆地形成富鈾砂體，另一方面也可能為伊犁盆地砂巖型鈾礦提供外來的成礦鈾源。

吐哈盆地蝕源區(qū)巖石原始鈾含量計算結(jié)果表明：蝕源區(qū)花崗巖體的△U為正值，因此巖體的鈾含量與其原始鈾含量相比，具有得鈾現(xiàn)象(獲得鈾的數(shù)量較小，小于10%)?？紤]到測定誤差因素，可以認(rèn)為該區(qū)花崗巖類基本沒有鈾的得失，也不可能提供成礦鈾源。然而，地層中碎屑巖和火山碎屑巖△U均為負(fù)值，碎屑巖△U達(dá)到-69%，表明地層巖石具有丟鈾現(xiàn)象，且不同地層丟鈾的程度有所差異?？磥?，該區(qū)沉積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。

5 結(jié)論

(1)巖(礦)石樣品通過U-Ra平衡系數(shù)修正的U-Pb等時線方法測定和計算，對示蹤砂巖型鈾礦的成礦年齡是行之有效的手段。

(2)利用U-Pb同位素組成演化體系反演技術(shù)來示蹤巖石的原始鈾含量(U0)和鈾的變化系數(shù)(△U)，為研究沉積砂體供鈾能力提供了定量的數(shù)據(jù)。

(3)對沉積盆地蝕源區(qū)巖石的U-Pb同位素示蹤，可以追蹤地質(zhì)體的含鈾性及其后來的變化特征，為探討成礦鈾源、建立鈾成礦模式提供重要的依據(jù)。因而，用U-Pb同位素示蹤地浸砂巖型鈾礦的成礦作用，具有重要的實際意義。

[1]李俊華，夏德興.同位素年齡計算手冊[M].北京：原子能出版社，1978.

[2]夏毓亮,劉漢彬，林錦榮,等.中國北方主要產(chǎn)鈾盆地砂巖型鈾礦成礦年代學(xué)及成礦鈾源研究[J].中國核科技報告，2004,2: 79-87.

[3]夏毓亮,林錦榮,劉漢彬,等.伊犁盆地砂巖型鈾礦同位素地質(zhì)特征[J].礦物巖石地球化學(xué)通報，2001，20(4):.367-369

[4]夏毓亮.巖石樣品U0和△U的計算[J].鈾礦地質(zhì)，2004，20(1):35-38.

[5]夏毓亮，劉漢彬.鄂爾多斯盆地東勝地區(qū)直羅組砂體鈾的預(yù)富集與鈾成礦[J].世界核地質(zhì)科學(xué)，2005, 22(4): 187-190.

[6 ]劉漢彬，夏毓亮.東勝地區(qū)砂巖型鈾礦成礦年代學(xué)及成礦鈾源研究[J].鈾礦地質(zhì)，2007，23(1):23-29.

[7]夏毓亮，鄭紀(jì)偉，李子穎，等.松遼盆地錢家店鈾礦床成礦特征和成礦模式[J].礦床地質(zhì),2010，29:154-155.

Tracing the Metallization of In-situ Leachable Sandstone Type Uranium Deposit with U-Pb Isotopes

XIA Yu-liang

(BeijingResearchInstituteofUraniumGeology,Beijing100029,China)

This paper discussed the mineralization of in-situ leachable sandstone type uranium deposit with U-Pb isotope tracing technology: dating the metallogenic age of sandstone type uranium deposit, deriving the initial uranium content(U0) and uranium variation coefficient (△U) of the host sandbody and provenance rocks, some application cases were also enumerated on tracing sandstone type uranium deposit.This result shew that the U-Pb isotope tracing technique could play an significant role in the study of metallogenic mechanizm and metallogenic forecast for in-situ leachable sandstone type uranium deposit.

U-Pb isotope tracing; in-situ leachable sandstone type uranium deposit; metallogenic age; initial uranium content；uranium variation coefficient

10.3969/j.issn.1000-0658.2015.05.003

2014-09-15 [改回日期]2015-03-27

夏毓亮(1940—)，男，高級工程師(研究員級)，博士生導(dǎo)師，1964年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球化學(xué)系，主要從事同位素地質(zhì)和鈾礦勘查工作。E-mail：yuliangxia@sina.com

1000-0658(2015)05-0497-05

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