淺談砂巖型鈾礦基本特征及其定年現(xiàn)狀研究

羅晶晶

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

淺談砂巖型鈾礦基本特征及其定年現(xiàn)狀研究

羅晶晶

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

[摘要]U-Pb同位素定年技術(shù)是目前同位素測(cè)年中應(yīng)用最為廣泛的一種方法，近幾年來隨著鈾礦物的勘探開發(fā)，鈾礦物成礦年代學(xué)也有了一定的發(fā)展研究。砂巖型鈾礦目前主要的定年方法有兩大類那就是全巖/單礦物U-Pb等時(shí)線法和微區(qū)原位測(cè)年法，其中微區(qū)原位測(cè)年法又分為電子探針化學(xué)測(cè)年、同位素微區(qū)原位精確測(cè)年以及近年來最新利用FLA-ICP-MS U-Pb定年法在鈾礦物中進(jìn)行定年應(yīng)用。文章通過對(duì)鈾礦年代學(xué)研究現(xiàn)狀的總結(jié)對(duì)比，鈾礦物FLA-ICP-MS U-Pb定年法可以測(cè)試出更新的年齡，說明此測(cè)試體系更加接近封閉體系，越來越符合等時(shí)線法測(cè)年的要求和一般地球化學(xué)原理，這樣可以更為精確的得知礦體的年齡從而對(duì)應(yīng)所受的構(gòu)造演化歷程，為沉積盆地勘探提供一個(gè)充分的依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]U-Pb同位素定年；鈾礦物；成礦年代學(xué)；鈾石LA-ICP-MS U-Pb法定年；全巖U-Pb等時(shí)線法

近些年來鈾礦隨著勘探力度的加大有了一定的勘探發(fā)展，特別是鈾礦年代學(xué)—鈾礦物FLA-ICP-MS U-Pb精確定年。U-Pb同位素定年技術(shù)是目前同位素測(cè)年中應(yīng)用最為廣泛的一種方法，該方法之所以被廣泛應(yīng)用是由于在U-Pb同位素定年中可以利用兩個(gè)同位素衰變(238U→8α+6β-→206Pb235U→7α+4β-→207Pb)進(jìn)行精確定年，并且可以得到三組相互獨(dú)立的同位素年齡(206Pb/238U年齡、207Pb/235U年齡和207Pb/206Pb年齡)。UPb同位素定年最常用的方法有同位素稀釋—熱電離質(zhì)譜法(ID-TIMS)二次離子質(zhì)譜法(SIMS)激光燒蝕—電感耦合等離子體質(zhì)譜法(LA-ICP-MS)[1]。在目前同位素測(cè)年中應(yīng)用最廣泛也最成熟的礦物為鋯石，但是近幾年來隨著鈾礦物的勘探開發(fā)，鈾礦物成礦年代學(xué)也有了一定的發(fā)展研究。作者通過目前研究、文獻(xiàn)查閱以及資料總結(jié)對(duì)砂巖型鈾礦定年現(xiàn)狀進(jìn)行了分析探討。

圖1　研究區(qū)樣品在UO2-CO2-H2O體系中瀝青鈾礦的穩(wěn)

1砂巖型鈾礦基本特征

在鈾礦勘探中砂巖型鈾礦是目前沉積盆地里的一個(gè)主要類型。平常從鈾礦石中可以提煉出鈾，但是這種成鈾在空氣中是見不到的，容易被空氣氧化成黃色，通常被叫做“黃餅”。理論中一價(jià)到六價(jià)應(yīng)該都是存在的但是在自然界中只有U4+和U6+穩(wěn)定存在，其余均不穩(wěn)定。在氧化條件下呈6價(jià)遷移，就是溶液在地下水中的遷移；還原條件下呈4價(jià)沉淀成礦；遷移形式為以氧化物的形式，最主要的是以鈾酰絡(luò)離子的形式，如UO22+與CO32-、SO42-、OH-、F-絡(luò)合的絡(luò)離子 ，最主要是以碳酸鈾酰絡(luò)離子形式遷移，碳酸鈾酰絡(luò)離子是各種天然含鈾水溶液中鈾遷移的最主要形式(徐國慶，1985)[2]。如遇到還原環(huán)境就以UO2形式形成沉淀。圖1為鈾礦穩(wěn)定場(chǎng)范圍，橫坐標(biāo)為Ph，縱坐標(biāo)為Eh，圖中上部為氧化環(huán)境主要以U6+碳酸鈾酰絡(luò)離子的形式在水溶液中遷移，下部為還原環(huán)境下主要以U4+沉淀形成晶質(zhì)鈾礦。圖中東勝樣品、伊犁樣品、吐哈樣品是通過野外采樣實(shí)驗(yàn)測(cè)得后投圖得到，說明水溶液中的鈾遇到還原環(huán)境可以沉淀形成鈾礦床。

圖2　吐哈盆地西南緣十紅灘鈾礦床成礦模式示意圖

砂巖型鈾礦成礦年代相對(duì)比較新其賦存層位為T、J、K1、K2、N。砂巖型鈾礦產(chǎn)在砂巖中具有層間氧化帶型，鈾礦地層具泥—砂—泥結(jié)構(gòu)[3]。鈾礦的形成必須具有泥—砂—泥結(jié)構(gòu)是由于層間氧化帶是先受地下水氧化，然后在隨著水流在地表被還原形成沉淀，又因?yàn)槠涫怯闪黧w作用形成的如果沒有泥巖封閉就會(huì)流失，就不可能聚集成礦，就類似于石油中的圈閉條件一樣所以鈾礦地層必須具有泥—砂—泥結(jié)構(gòu)。含礦砂巖中多含有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦、油氣等還原物質(zhì)。如果在野外觀察為黃色，或紅色的氧化環(huán)境那么含礦可能性就很?。蝗绻麨榛疑牟⑶液泻芏嘀参锼樾键S鐵礦，那么這就是個(gè)有利的含礦層位。砂巖型鈾礦產(chǎn)在自流水盆地內(nèi)，地下水具有完整的補(bǔ)—徑—排系統(tǒng)，補(bǔ)就是有一定的高差水可以流過來，徑就是水流過的區(qū)域，排就是沿著斷裂排出，形成一個(gè)補(bǔ)—徑—排系統(tǒng)，其中徑流區(qū)范圍比較大。砂巖型鈾礦礦床多產(chǎn)在構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造斜坡區(qū)、寬緩背向斜部位，產(chǎn)狀一般比較平緩，小于15°鈾礦形成在盆地的邊部，也就分布在山邊區(qū)域[4]。砂巖型鈾礦的形成受氧化帶控制主要是潛水氧化帶和層間氧化帶(圖2)。

A:卷狀礦體；B：礦卷前緣正在生成的鈾礦化；C：煤層；D：透鏡狀礦體；E：氧化帶砂體；F：原生帶砂體；G：鉆孔

在圖2中可以看出礦體以卷狀分布在層間氧化帶邊部。砂巖型鈾礦具有多層性礦體為盲礦體，礦體多呈卷狀，富礦集中在卷頭，其次為板狀、透鏡狀(圖3)。礦體成卷狀是由于氧化帶是由地下水往前沖對(duì)砂巖進(jìn)行氧化，前面氧化快，后面氧化慢，慢慢的就形成了如圖3所示的形狀，鈾礦一般在過渡帶形成。砂巖型鈾礦的礦化品位變化大，以低品位大礦量為特點(diǎn)，伴生元素有Mo、Re、Se、Sc、V等，之所以說砂巖型鈾礦經(jīng)濟(jì)效益高就是由于其有伴生元素采出。

2砂巖型鈾礦定年現(xiàn)狀研究

砂巖型鈾礦目前主要的定年方法有兩大類那就是全巖/單礦物U-Pb等時(shí)線法和微區(qū)原位測(cè)年法，其中微區(qū)原位測(cè)年法又分為電子探針化學(xué)測(cè)年、同位素微區(qū)原位精確測(cè)年以及近年來最新的利用FLA-ICP-MS 法在鈾礦物中進(jìn)行定年應(yīng)用[5]。

2.1全巖/單礦物U-Pb等時(shí)線法

自國內(nèi)鈾礦工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)向砂巖型鈾礦以來，在砂巖型鈾礦找礦及科研工作方面取得了很大的成果。尤其是在砂巖型鈾礦測(cè)年方面，在北方幾個(gè)主要的含鈾盆地進(jìn)行了研究，取得了較為豐富的成果(夏毓亮等，2003，2005；劉漢彬等，2004,2007；向偉東等，2006)，其均采用的是礦石全巖/單礦物鈾—鉛同位素等時(shí)線測(cè)年法[6-10]。在研究中由于砂巖型鈾礦的鈾礦石中很難挑選出像鋯石、獨(dú)居石等副礦物一樣能用于進(jìn)行U-Pb同位素定年的獨(dú)立鈾礦物，所以主要采用全巖/單礦物U-Pb等時(shí)線法進(jìn)行測(cè)年，但是由于砂巖型鈾礦的形成是一個(gè)長(zhǎng)期的地下水氧化作用不斷導(dǎo)致鈾的富集的過程，因此成礦過程是動(dòng)態(tài)的，成礦體系完全是開放式的，鈾礦石可能受到后期的改造和破壞，盡管可以采取各種修正措施，如根據(jù)U-Ra平衡系數(shù)對(duì)樣品鈾含量進(jìn)行修正等，在一定程度上提高精度；但總體上體系很難真正保證一直處于U、Th、Pb封閉體系，因而利用全巖U-Pb法測(cè)定砂巖型鈾礦成礦年齡在理論上可能存在一定的誤差和局限性。由于上述原因，盡管前期國內(nèi)外均做了大量的工作，也取得了豐富的認(rèn)識(shí)，但對(duì)砂巖型鈾礦的定年仍要不斷地進(jìn)行探索、發(fā)展和完善[11-14]。

2.2微區(qū)原位測(cè)年

目前已經(jīng)發(fā)展起來的微區(qū)原位測(cè)年是成礦年代學(xué)中應(yīng)用廣泛的方法，分為同位素微區(qū)原位測(cè)年和化學(xué)微區(qū)原位測(cè)年兩種。與全巖/單礦物U-Pb等時(shí)線法相比，微區(qū)原位測(cè)年具有經(jīng)濟(jì)快速、不需要挑選單礦物以及化學(xué)分離、高空間分辨率、可以區(qū)分不同期次的礦物(鋯石、獨(dú)居石等)、可以原位區(qū)分并避開經(jīng)受后期流體作用干擾的區(qū)域，因而可能得到更具有實(shí)際地質(zhì)意義的年齡。

2.2.1電子探針化學(xué)測(cè)年

電子探針儀是對(duì)一種單礦物微區(qū)進(jìn)行定量化學(xué)分析的儀器，電子探針化學(xué)微區(qū)原位測(cè)年技術(shù)近年來已經(jīng)應(yīng)用于巖漿巖和變質(zhì)巖其主要測(cè)試對(duì)象以獨(dú)居石居多。周建雄等(2002)、陳強(qiáng)等(2006)、陳能松等(2007)等多位學(xué)者運(yùn)用電子探針對(duì)已知年齡的獨(dú)居石標(biāo)樣或者已知年齡范圍的獨(dú)居石樣品進(jìn)行定年分析，測(cè)試標(biāo)樣的年齡與標(biāo)定值一致，樣品的電子探針化學(xué)年齡也在推測(cè)值范圍之內(nèi)，認(rèn)為在富Th、U、Pb，幾乎不含普通Pb而且封閉溫度高的獨(dú)居石中進(jìn)行電子探針化學(xué)年齡分析是一種可靠有效的方法。但是電子探針微區(qū)測(cè)年也同樣存在一些缺點(diǎn)，如其檢測(cè)值的精度比較低，只能測(cè)定Pb的總量而不能識(shí)別Pb的三種同位素，沒法通過Pb同位素比值校正體系的準(zhǔn)確年齡值，或鑒別年齡是否諧和。在目前分析的條件下電子探針化學(xué)年齡的解釋也必須以區(qū)域上其它準(zhǔn)確可靠的年代學(xué)數(shù)據(jù)為重要參考才具有地質(zhì)意義[15]。

2.2.2同位素微區(qū)原位精確測(cè)年

目前礦床學(xué)中成礦年代學(xué)研究應(yīng)用最廣泛的方法就屬同位素微區(qū)原位測(cè)年技術(shù)。其中對(duì)成巖成礦巖礦石中的鋯石進(jìn)行激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜FLA-ICP-MS U-Pb年齡的確定，無論從原理上、還是測(cè)試方法、直至結(jié)果處理等方面該方法目前均是成熟的，其先進(jìn)性和高精度在國內(nèi)外處于研究的前列，堪稱是現(xiàn)在礦床學(xué)年代學(xué)中的“精確定年”。由于鋯石較為穩(wěn)定，受后生作用影響較小，且由于Zr與U之間類質(zhì)同像的地球化學(xué)特征，使鋯石U-Pb法測(cè)年得到廣泛應(yīng)用[16-17]。其方法手段是利用激光剝蝕系統(tǒng)與ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜儀)相聯(lián)機(jī)的方法，進(jìn)行固體物質(zhì)原位微區(qū)U-Pb定年，與此同時(shí)，還可進(jìn)行該礦物微區(qū)稀土元素和鉿同位素測(cè)試，這些數(shù)據(jù)可為礦物成因或礦床成因認(rèn)識(shí)提供大量信息(吳元保等，2004；柳小明等，2007；孫金鳳等，2012；袁洪林等，2003，2013；Yuan H L et,2004，2008)。

2.2.3FLA-ICP-MS 法在鈾礦物定年中的應(yīng)用

目前在鈾礦地質(zhì)測(cè)年方面，隨著新的測(cè)試儀器和測(cè)試方法及數(shù)據(jù)處理新軟件的出現(xiàn)和應(yīng)用，從理論和實(shí)踐方面對(duì)砂巖型鈾礦精確定年的新的探索慢慢露出苗頭，其思路變得愈來愈清晰。FLA-ICP-MS 鈾礦物定年法已有很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了探索。由于鈾礦物的單顆粒相對(duì)比較小并且沒有固定的晶型所以很難像鋯石、獨(dú)居石一樣先進(jìn)行單礦物挑選后再制成靶來進(jìn)行FLA-ICP-MS U-Pb 定年。因此FLA-ICP-MS U-Pb 定年的樣品制備我們采用直接把樣品制成探針片，但是由于激光剝蝕較為強(qiáng)烈防止把探針片擊穿我們采用了含鈾量較高的礦石樣品制成150～200 μm左右的加厚的電子探針片(約是一般普通探針片的5倍)。先用電子探針找到鈾礦物的具體位置對(duì)照著在電子顯微鏡下圈出鈾含量較高鈾礦較大且較為平整的區(qū)域然后把探針片放在飛秒激光剝蝕四級(jí)桿等離子體質(zhì)譜儀下來完成LA-ICP-MS鈾石U-Pb同位素定年分析。

為了全面了解鈾礦物FLA-ICP-MS U-Pb定年結(jié)果的合理性，了解LA-ICP-MS鈾礦物 U-Pb定年與傳統(tǒng)的全巖/單礦物U-Pb等時(shí)線法測(cè)試結(jié)果的差異性，搜集了前人對(duì)鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦年齡運(yùn)用不同方法得出的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(表 1，圖4)。從鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦“全巖——鈾混合礦物——鈾礦物”LA-ICP-MS U-Pb 年齡對(duì)比圖(圖 4)可以清楚的看出利用全巖U-Pb等時(shí)線法測(cè)定的鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦年齡，最老的年齡有下侏羅統(tǒng)、上侏羅統(tǒng)，其次是早白堊世、晚白堊世等，年輕的年齡數(shù)據(jù)較少，僅有始新世、中新世等。由鈾單礦物(應(yīng)是混合單礦物)所做的U-Pb等時(shí)線年齡則較全巖年齡偏年輕，為古新世、中新世，沒有老年齡也沒有特別年輕的年齡。而由LA-ICP-MS 鈾石U-Pb法測(cè)得的年齡則更年輕，與全巖U-Pb等時(shí)線法對(duì)比沒有了很老的年齡，但是具有更新世更年輕的年齡，說明這個(gè)測(cè)試的系統(tǒng)越來越接近封閉體系，越來越符合等時(shí)線測(cè)年法和地球化學(xué)的原理，應(yīng)該是真正意義上的精確定年。所以用LA-ICP-MS鈾石 U-Pb定年更加精確，為沉積盆地勘探預(yù)測(cè)提供一個(gè)較為精確的理論依據(jù)。

表1　鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦年齡數(shù)據(jù)表

3結(jié)語

文章通過對(duì)砂巖型鈾礦基本特征進(jìn)行總結(jié)，分析了目前砂巖型鈾礦定年現(xiàn)狀，清楚地了解到FLA-ICP-MS U-Pb定年法目前在鈾礦物定年中是最符合等時(shí)線測(cè)年法和地球化學(xué)的原理，這樣可以更為精確的得知礦體的年齡從而對(duì)應(yīng)所受的構(gòu)造演化歷程，為沉積盆地勘探提供一個(gè)充分的依據(jù)?？偠灾皫r型鈾礦精確定年技術(shù)的發(fā)展離不開先進(jìn)科學(xué)儀器設(shè)備的研發(fā)和測(cè)試方法的創(chuàng)新，目前的測(cè)試方法還屬于一個(gè)不斷完善的階段，比如用飛秒激光剝蝕四級(jí)桿等離子體質(zhì)譜儀來完成LA-ICP-MS鈾石U-Pb同位素定年測(cè)試時(shí)所用的標(biāo)樣依然是鋯石，我們可以考慮是否可以用鈾石單礦物直接來像鋯石一樣做成標(biāo)樣來對(duì)砂巖型鈾礦進(jìn)行LA-ICP-MS鈾石U-Pb同位素定年，這樣可能既不會(huì)污染儀器，也可能會(huì)得到一個(gè)更加合理更加精確的年齡，使得鈾礦物年代學(xué)有個(gè)新的突破，這個(gè)問題值得研究者來探討驗(yàn)證。

圖4　鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦“全巖—鈾混

[1]周紅英,李惠民.U-Pb同位素定年技術(shù)及其地質(zhì)應(yīng)用潛力[J].地質(zhì)調(diào)查研究.2011.

[2]羅朝文,王劍鋒.鈾成礦原理[M].原子能出版社.1990.

[3]宗靜婷,張復(fù)新,喬海明.砂巖型鈾礦聚集區(qū)成礦背景與成礦條件——以東勝砂巖型鈾礦床為例[J].地質(zhì)找礦論從.2007.

[4]吳柏林.中國西北地區(qū)新生代盆地砂巖型鈾礦地質(zhì)與成礦作用[D].西北大學(xué).2005.

[5]夏毓亮,林錦榮,劉漢彬，等.北方主要產(chǎn)鈾盆地及其蝕源區(qū)U-Pb同位素體系、鈾成礦年代學(xué)研究[J].鈾礦地質(zhì).2003.19(3):129-136.

[6]夏毓亮,林錦榮,侯艷先，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(bào).2001.20(4).

[7]張明瑜,鄭紀(jì)偉,夏毓亮，等,開魯坳陷錢家店鈾礦床鈾的賦存狀態(tài)及鈾礦形成的時(shí)代研究[J]. 鈾礦地質(zhì).2005.

[8]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.

[9]劉漢彬,夏毓亮,林錦榮，等.吐哈盆地砂巖型鈾礦U-Pb同位素地質(zhì)特征[J].地球?qū)W報(bào).2004.

[10]向偉東,李田港,陳曉林，等.鄂爾多斯盆地東勝鈾礦床成礦特征與成礦模式[J].鈾礦地質(zhì).2006.

[11]Wan Yusheng, Song Biao, Liu Dunyi, et al. SHRIMP U-Pb zircon geochronology of Palaeoproterozoic metasedimentary rocks in the North China Craton: Evidence for a major late Palaeoproterozoic tectonothermal event[J]. Precambrian Re-search, 2006, 149(3-4): 249-271.

[12]Ingo H, Roberta L R, William F M. Precise elemental and isotope determination by simultaneous solution nebulization Chemical Geology，2000，167: 405-425.

[13]Wingate MTD and Compston W. Crystal orientation effects during ion microprobe U-Pb analysis of baddeleyite[J]. Chemical Geology，2000，168: 75-97.

[14]西爾維斯特，林守麟,胡圣虹,劉勇勝,等.地球科學(xué)中的激光剝蝕-ICPMS原理和應(yīng)用[M]. 北京地質(zhì)出版社.2003.

[15]葛祥坤.電子探針定年技術(shù)在鈾及含鈾礦物測(cè)年中的開發(fā)與研究[D].核工業(yè)北京地質(zhì)研究院.2013.

[16]袁洪林,吳福元,高山，等.東北地區(qū)新生代侵入體的鋯石激光探針U-Pb年齡測(cè)定與稀土元素成分分析[J].科學(xué)通報(bào).2003.

[17]劉漢彬,夏毓亮,田時(shí)豐.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.

[收稿日期]2015-11-06

[作者簡(jiǎn)介]羅晶晶(1991-)女，陜西西安人，在讀碩士研究生，主攻方向：地質(zhì)學(xué)。

[中圖分類號(hào)]P578.4+93

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0245-03