韓秉峻，弓小平，劉祥，謝巍然，姚俊義

(1.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆烏魯木齊830047；2.甘肅省核地質(zhì)二一三大隊，甘肅天水741020；3.核工業(yè)二一六大隊，新疆烏魯木齊830011)

0 引言

冰草溝地區(qū)處于雪米斯坦火山巖型鈾礦成礦帶中，區(qū)內(nèi)巖漿活動頻繁、區(qū)域地質(zhì)構造復雜、成礦地質(zhì)條件優(yōu)越、資源潛力巨大[1]．前人研究認為該區(qū)鈾礦石中磷與鈾呈高度的正相關，認為鈾、磷礦是同體共生關系，在該區(qū)具綜合找礦意義，但在之后找礦工作一直沒有較大突破[2]．近年來許多學者通過巖石地球化學，流體包裹體、U-Pb測年和87Sr/86Sr初始比值測定等方式，總結了火山巖型鈾礦的稀土元素分布模式、微量元素分布模式、形成溫度、形成時代和成礦物源等信息[3?6]．又有很多學者提出地幔流體、地幔去氣與鈾的成礦關系理論，鈾與磷、鈹、鉬等元素的相關性研究以及中基性巖與鈾成礦關系等取得了一定的成果，為我國火山巖型鈾礦的發(fā)展提供了諸多的理論依據(jù)[7?14]．因此，本文對冰草溝地區(qū)鈾礦的稀土、微量元素地球化學特征進行分析并結合野外地質(zhì)，由微觀到宏觀，探討鈾物質(zhì)來源以及其成礦特征等地質(zhì)問題．

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于天山興蒙造山系，哈薩克斯坦-準噶爾板塊準噶爾微板塊之博格達晚古生代弧后裂陷盆地西端．構造上處于柴窩堡盆地東北部邊緣、準噶爾地塊南緣（如圖1所示）．

圖1 冰草溝鈾礦礦區(qū)地質(zhì)簡圖

研究區(qū)發(fā)育安山玢巖與冰草溝礦床呈條帶展布，褶皺形態(tài)復雜，斷裂發(fā)育，與礦化關系密切．由多個近東西走向的短軸背斜和向斜組成（見圖2）．自北向南分布有杏子溝—小干溝樞紐波狀起伏向斜、冰草溝背斜以及干溝下游背斜等，中西部為達坂城凹陷．而冰草溝地區(qū)小型斷裂極為發(fā)育，均為華力西晚期構造活動發(fā)育時形成的構造裂隙，總體上控制著冰草溝鈾礦床及外圍鈾礦化點（帶），是主要的控礦和賦礦構造．

圖2 冰草溝鈾礦床至203礦點鈾成礦示意剖面圖

2 鈾礦（化）地質(zhì)特征

冰草溝地區(qū)鈾礦（化）點富礦地層為下二疊統(tǒng)塔什庫拉組中亞組，是柴窩堡盆地重要的鈾礦化區(qū)．鈾礦床（點）含礦地層以細—粉砂巖為主，夾中粗粒砂巖和含礫砂巖，賦存于安山玢巖與砂巖接觸部位的接觸帶斷裂、與巖層斜交的兩組扭性構造和與巖層垂直的南北向構造中，部分礦（化）體與地層產(chǎn)狀一致．鈾礦化多產(chǎn)于小型褶皺的向斜、背斜及連續(xù)的復背斜構造和斷裂的裂隙中，并且有明顯的熱液蝕變、強烈的堿交代作用及赤鐵礦化現(xiàn)象．在鉆孔中發(fā)現(xiàn)薄層石墨多見砂巖礫石賦存其中，并且常見有順層發(fā)育的炭化植物，生物中富含大量的磷和有機質(zhì)，對后期成礦熱液活動的遷移富集沉淀較為有利．冰草溝鈾礦化伴隨著主巖的蝕變作用，砂巖中發(fā)育強烈的碳酸鹽化、高嶺石化、弱硅化及少量的綠泥石化等，常見赤鐵礦、黃鐵礦、方解石、高嶺石等礦物和瀝青（如圖3～圖8所示）．

圖3 203礦點地表含鈾異常碳酸鹽、硅質(zhì)脈中發(fā)育的螢石化特征圖

圖4 203礦點深部揭露鈾異常偏高處紫黑色螢石發(fā)育特征圖

圖5 深部砂巖張性裂隙中含油脂狀瀝青特征圖

圖6 深部碳酸鹽晶洞中浸出原油特征圖

圖7 ZK203-22鈾異常部位紅化發(fā)育特征圖

圖8 ZK203-22鈾異常部位碳酸鹽化發(fā)育特征圖

3 樣品采集與分析

為了獲取達工業(yè)品位礦石（砂巖）、含鈾異常砂巖和泥質(zhì)灰?guī)r幾類巖礦石的微量元素數(shù)據(jù)，對冰草溝礦床、小冰草溝、201、202及203號礦化異常點鈾礦石、礦化圍巖及正常圍巖系統(tǒng)取樣11件，在核工業(yè)新疆理化分析測試中心完成分析，所用儀器為等離子體質(zhì)譜分析儀（ELEMENT XR）和Elan DCR-e型等離子體質(zhì)譜分析儀．分析結果見表1、表2．其中中國沉積巖采用1994年黎彤[15]的數(shù)據(jù)，球粒隕石、NASC稀土元素豐度采用1968年Haskin[16]的數(shù)據(jù)；表2中Ce、Eu采用1985年Tayloreta[17]的公式：δCe=CeN/(LaN×NdN)1/2，δEu=EuN/(SmN×GdN)1/2，公式中N代表球粒隕石標準化．

表1 冰草溝鈾礦床幾類巖礦石主要微量元素含量（μg/g）

3.1 小冰草溝礦點賦礦圍巖特征

小冰草溝礦點PM4巖性主要為不同粒度的砂巖、泥晶灰?guī)r透鏡體、英安質(zhì)凝灰?guī)r、熔結角礫巖及安山玢巖；褶皺、斷裂較為發(fā)育．北部異常主要受斷裂構造及安山玢巖與圍巖的接觸帶控制，南部異常發(fā)育在砂巖層中．含礦巖性為紅褐色蝕變細砂巖、中砂巖，基底-孔隙式膠結，粒度更大砂巖的孔隙度有利于熱液運移．

該礦點處發(fā)育英安質(zhì)沉凝灰?guī)r，其中含有淺成酸性巖巖屑，具有沉積成因特點，與砂巖地層同時形成．英安質(zhì)沉凝灰?guī)r的存在說明本區(qū)曾經(jīng)歷過酸性巖的噴發(fā)．與沉凝灰?guī)r接觸產(chǎn)出的砂巖中發(fā)育熱液蝕變及鈾異常，推斷酸性凝灰?guī)r可能為礦源層的一種．含鈾異常的砂巖粒度較大，孔隙度較好，有利于熱液的運移．蝕變交代過程中帶出凝灰?guī)r中的鈾并在砂巖中沉淀．實地表現(xiàn)為含鈾異常的紅褐色蝕變砂巖與沉凝灰?guī)r伴生．

3.2 冰草溝礦床賦礦圍巖變化特征

冰草溝礦床為一鈾、磷混合型礦床，發(fā)現(xiàn)較好的工業(yè)鈾礦體．礦體賦存于安山玢巖與砂巖的接觸帶部位及垂直巖層走向的構造裂隙中．含礦地層為細砂巖、安山玢巖、凝灰質(zhì)砂巖等．剖面中鈾異常、礦化賦存部位有3種情況，一是賦存于安山玢巖中，沿著構造展布，形成厚度不等的脈狀礦體；二是賦存于安山玢巖與砂巖接觸帶中，沿接觸面（同時又是斷層構造面）兩側形成似層狀礦體；三是賦存于紅褐色沉凝灰?guī)r中，第三類礦體規(guī)模較小．

表2 冰草溝鈾礦床幾類巖礦石主要稀土元素含量和特征參數(shù)（μg/g）

圖9 小冰草溝PM4實測剖面圖

圖10 冰草溝鈾礦床PM6實測剖面圖

沉凝灰?guī)r中火山碎屑物多為中酸性，具有較高的鈾背景值，在安山玢巖接觸-構造帶熱液活動過程中，活化沉凝灰?guī)r中的鈾，并在合適的部位富集成礦，故工業(yè)礦體主要出現(xiàn)在安山玢巖與圍巖的接觸帶上及構造裂隙中．

4 微量元素地球化學

4.1 微量元素特征

以中國沉積巖微量元素含量為標準，繪制冰草溝鈾礦床礦石、礦化砂巖及正常圍巖的微量元素標準化蛛網(wǎng)圖．砂巖樣品蛛網(wǎng)曲線鋸齒狀變化明顯，微量元素具有相對富集或虧損的特點（如圖11所示），泥質(zhì)灰?guī)r蛛網(wǎng)曲線具有相對平坦的特點．幾類巖礦石微量元素含量具有較大差異．鈾礦石樣品中強烈富集U元素，含量變化范圍為1 407×10?6～1 557×10?6，富集程度高達700倍以上；與U元素伴生富集的有Cu（31.9×10?6～88.8×10?6）、Zn（53.2×10?6～88.6×10?6）、Zr（773×10?6～1 755×10?6）、Mo（1.46×10?6～19.6×10?6）、Ba（592×10?6～1 471×10?6）和Pb（17.5×10?6～26×10?6），表現(xiàn)較強的富集；鈾礦石樣品中相對虧損Cr、Co、Ni、Rb、Cs和Ta元素．鈾礦化（砂巖）樣品中U元素（204×10?6～449×10?6）相對富集，但沒有達到工業(yè)鈾礦石品級；相對富集的元素同樣為Cu、Zn等元素．泥質(zhì)灰?guī)r和不含異常砂巖U元素含量為4.20×10?6～11.20×10?6，與中國沉積巖U含量（2×10?6）相近，為未礦化巖石．Sr元素在鈾礦石、礦化（砂巖）及砂巖（無礦化）中富集程度非常高，變化范圍為1 017×10?6～2 151×10?6，在泥質(zhì)灰?guī)r中富集程度相對較弱，變化范圍為256×10?6～573×10?6，87Sr/86Sr與成礦物質(zhì)來源關系密切[18,19]，在本文中不做深入研究．Y為稀土族元素，在鈾礦石、礦化圍巖和泥質(zhì)灰?guī)r中相對富集，變化范圍為24.9×10?6～82.5×10?6，無異常砂巖中略虧損，為15.6×10?6～19.8×10?6，這可能暗示著U的富集方式．在泥質(zhì)灰?guī)r中Cu（93.5×10?6～232×10?6）、Zn（127×10?6～150×10?6）比鈾礦石、礦化圍巖和砂巖的Cu、Zn富集程度高．鈾礦石中高場強元素Zr富集程度明顯高于礦化圍巖和泥質(zhì)灰?guī)r，無異常砂巖中Zr虧損．

4.2 稀土元素特征

從表2和圖12可知，鈾礦石樣品中w( REE)（124.40×10?6～164.59×10?6）相對集中，輕稀土含量（84.58×10?6～115.03×10?6）相對集中，但HREE明顯分為兩組，一組樣品（編號1、2）富集重稀土元素w(HREE)，變化范圍為39.82×10?6～49.56×10?6；另一組樣品（編號3）相對虧損重稀土元素為16.57×10?6;前者w(LREE)/w(HREE)為0.75～0.80，后者w(LREE)/w(HREE)為5.66，表現(xiàn)出較強的分餾作用．微量元素Y與稀土元素特征相對應，一組鈾礦石樣品HREE富集較明顯，與其它巖礦石的稀土配分曲線相分離，兩組鈾礦石樣品REE分餾作用具有差異性．鈾礦石樣品中δCe（0.88～0.93）、δEu（0.65～0.99）略呈負異常．鈾礦化砂巖w( REE)變化范圍123.20×10?6～157.24×10?6，平均為137.43×10?6；w(LREE)/w(HREE)的值為1.25～6.16，存在較弱的分流作用；δCe（0.89～0.96）略呈負異常，δEu（0.64～0.72）呈負異常．泥質(zhì)灰?guī)rw( REE)為151.73×10?6～215.68×10?6，平均值183.45×10?6；w(LREE)/w(HREE)的值為3.58～3.77，存在較弱的分餾作用；δCe（0.96～1）顯示幾乎無異常，δEu（0.64～0.74）略呈負異常．無異常砂巖中δCe（0.90～1.11）無異常，δEu（0.33～0.66）呈負異常；相對于鈾礦石、礦化圍巖及泥質(zhì)灰?guī)rw(LREE)和w(HREE)都相對虧損，w( REE)值也存在較大的差異，這是各類熱液活動導致REE活化再經(jīng)冷卻而富集的重要原因之一．對于鈾礦石、礦化圍巖和泥質(zhì)灰?guī)rw(LREE)/w(HREE)比值為1.25～6.52，輕稀土元素發(fā)生了強弱不等的分餾作用，δCe（0.88～0.97）略呈負異常，δEu（0.65～0.74）呈負異常．REE配分形式的總體特征與北美頁巖相似，曲線近水平．說明含鈾礦石與圍巖的REE地球化學分配模式既有相似又有不同，可能形成的環(huán)境相同，但又經(jīng)歷了后期的熱液改造并富集鈾形成鈾礦石．

圖11 冰草溝鈾礦幾類巖礦石微量元素標準化蛛網(wǎng)圖

圖12 冰草溝鈾礦幾類巖礦石球粒隕石標準化稀土配分模式

5 討論

5.1 微量元素地球化學指示

冰草溝地區(qū)下二疊統(tǒng)塔什庫拉組中亞組具有多期次的巖漿活動，在砂巖裂隙中所發(fā)現(xiàn)的瀝青質(zhì)及少量螢石也說明了熱液作用的存在．從U元素富集程度上來看，該研究區(qū)整體U背景值較高，所有巖體均無虧損現(xiàn)象，鈾礦化砂巖含量較高，鈾礦石（砂巖）含量極高，認為主要有兩個原因：第一，該研究區(qū)各礦床（點）小型構造較為發(fā)育，為熱液的運移提供了通道；第二，砂巖具有較大的滲透率和較高的孔隙度；兩者同時為后期熱液（火山熱液、碳酸熱液等）改造提供了良好的條件，從而使砂巖中微量元素呈現(xiàn)出較為明顯的富集和虧損．從Zr元素中可以看出鈾礦石中富集程度明顯高于礦化圍巖和泥質(zhì)灰?guī)r，泥質(zhì)灰?guī)r和鈾礦化富集程度相似，結合Y元素中可以看出，泥質(zhì)灰?guī)r與兩個礦化砂巖富集程度相似，一個礦化砂巖樣品富集程度相對較低，這表明鈾礦石與鈾礦化的形成也存在不同的機制，尤其是與后期多期次不同熱液改造及較為頻繁的小型構造運動有關．

鈾礦床中Pb、Mo為常見的伴生元素，U與Pb相關聯(lián)，U最終衰變成Pb，氧化條件下U與Pb結合形成Pb-鈾酰礦物，還原條件下，從鈾礦物中析出與S結合形成方鉛礦[20]；U與Mo地球化學性質(zhì)相似，氧化條件下呈高價（U6+、Mo6+）易遷移，還原條件下呈低價（U4+、Mo4+）易沉淀[21]．在本研究區(qū)中，礦石與礦化砂巖Pb、Mo元素相對富集，但是未構成正相關關系，因此Pb、Mo可能只是對后期U的再次富集起到了一定的作用，而非U的伴生元素．據(jù)前人研究成果表明本研究區(qū)無論是火山巖還是沉積巖中P與U都呈高度的正相關關系[22]．磷是地幔流體的重要組成部分，具揮發(fā)性、親鐵、親氧趨向的化學性質(zhì)，并具有深成性，綜上可以推斷本研究區(qū)鈾源很可能來自于地幔流體及其萃取基底巖石和圍巖中的鈾．

5.2 稀土元素地球化學指示

稀土元素性質(zhì)類似、地球化學行為相近以及整體參與地質(zhì)過程，在成巖、成礦研究中具有重要意義，不僅反映沉積成礦物源、流體來源，而且可示蹤流體活動蹤跡[23,24]．從圖12可知，未礦化砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r及1個鈾礦石和1個鈾礦化砂巖表現(xiàn)出相似的配分模式，反應相似的REE地球化學特征．REE是不可溶的，海水、河水中含量極低，因此碎屑巖中的REE主要呈顆粒物搬運，受控于物源區(qū)巖石成分[25,26]．風化和成巖作用的效應是次要的，其對REE的再分配影響不大，除非碎屑巖中存在巨大的水/巖比值[27]．在稀土元素地球化學指示中Eu均呈現(xiàn)負異常，這與巖礦石中富含的有機質(zhì)有關．有機質(zhì)不斷熱解、裂解形成一個長期的還原環(huán)境，該環(huán)境下利于Eu2+的產(chǎn)生，并使流體帶出，造成Eu負異常現(xiàn)象．

在礦化砂巖中有強烈的低溫熱液蝕變作用，說明其水/巖比值很大，推測部分鈾礦石礦化形成以及富集HREE的主要機制．根據(jù)REE的地球化學分配模式得出冰草溝鈾礦化具有沉積成巖和熱液改造作用的特點．這種REE的地球化學分配模式與川北砂巖型鈾礦床和鄂爾多斯盆地東勝砂巖型鈾礦相似[28,29]，而與其兩者不同之處在于本研究區(qū)經(jīng)過多期次的熱液改造活動，鈾成礦期是安山玢巖的侵入造成安山玢巖與砂巖接觸部位發(fā)生早期熱蝕變，后期又經(jīng)歷了富碳酸鹽熱液侵入作用使鈾再次富集．

5.3 成礦階段

5.3.1 早期構造活化階段

研究區(qū)的控礦及賦礦構造主要是斷裂F1、F2，它主要以壓性為主扭性為輔并向深部延深，冰草溝鈾礦床及外圍礦化點的分布主要受到該斷裂的控制，并且華力西晚期構造－巖漿（火山）活動致使中性次火山巖侵位于淺海相的含磷砂巖中（海相沉積巖中由于大量海洋微生物遺骸的堆積，磷含量普遍高于河流相沉積巖），但伴隨巖漿分異作用產(chǎn)生的含鈾中低溫熱液是形成區(qū)內(nèi)鈾礦點的主要原因．遠離熱液蝕變帶圍巖中的鈾含量逐漸趨于背景值．在安山玢巖、砂巖裂隙中所發(fā)現(xiàn)的瀝青質(zhì)及少量螢石也說明了熱液作用的存在．

5.3.2 中期鈾沉淀富集階段

在熱液上升過程中，圍巖中的SiO2與熱液發(fā)生交代作用，使熱液性質(zhì)不斷發(fā)生變化，同時熱液在上升時期隨著壓力及溫度的降低，在該區(qū)形成不同的礦化蝕變分帶．冰草溝礦床含鈾礦石中發(fā)育赤鐵礦化及磷灰石化，201、202礦點礦體發(fā)育碳酸鹽化及少量綠泥石化，203礦點東部礦體多發(fā)育碳酸鹽化及螢石化，白希布拉克礦點礦體發(fā)育均勻的赤鐵礦化．表明在熱液上升過程中，F(xiàn)e、P、Ca、F等元素隨著熱液性質(zhì)的變化以不同的形式與U一同釋放富集．冰草溝鈾礦中砂巖U的富集要比安山玢巖中U的富集要好，由于砂巖本身孔隙發(fā)育要比安山玢巖好，并且安山玢巖中U的富集主要是在構造裂隙中，裂隙的不均勻性也造成兩者U的富集不同，這與稀土元素地球化學指示相統(tǒng)一．

5.3.3 晚期富碳酸鹽熱液侵入階段

該期熱液侵入活動范圍大，侵入活動強烈．根據(jù)鉆孔資料中碳酸鹽脈特征分析，其侵入期次可以分為兩期．早期富U碳酸鹽熱液隨深部構造斷裂進入到冰草溝地區(qū)的安山玢巖和砂巖中，此時的碳酸鹽含礦．晚期富碳酸鹽熱液侵入活動主要是改造前期的構造，此時碳酸鹽熱液基本上不含礦，鉆孔碳酸鹽脈多呈白色，并且此時的壓力應該較低，因為在斷裂中沒有發(fā)現(xiàn)方解石脈．但早期的鉆孔碳酸鹽脈多呈紅色，由于赤鐵礦化而被染成紅色．

6 結論

（1）冰草溝地區(qū)鈾礦微量元素地球化學特征顯示，Pb、Mo與U關系密切．根據(jù)Pb、U和Mo蛛網(wǎng)圖上顯示“W”式樣可以當作冰草溝地區(qū)砂巖鈾礦化的指示模型．U富集主要在砂巖與破碎的安山玢巖裂隙中．

（2）冰草溝鈾礦礦石中磷與鈾呈高度的正相關關系，認為鈾、磷礦是同體共生關系，并且磷具有深成性并且是地幔流體的重要組成部分，具揮發(fā)性、親鐵、親氧趨向的化學性質(zhì)，并具有深成性，推斷鈾源來自于地幔流體及其萃取地殼基底巖石和圍巖中的鈾．根據(jù)樣品的REE地球化學特征和配分模式，推斷含礦砂巖與正常圍巖具有相似的成礦物質(zhì)來源、沉積環(huán)境和構造背景．

（3）冰草溝地區(qū)鈾礦主要經(jīng)歷了早期構造活化階段、中期鈾沉淀富集階段和晚期富碳酸鹽熱液侵入三個成礦階段．