內蒙古銀宮山地區閃長玢巖脈鋯石U-Pb 同位素年代學、地球化學特征及與鈾礦化關系研究

李華明，李玲，王果，苗愛生

（核工業二○八大隊，內蒙古 包頭 014010）

銀宮山地區位于華北板塊北緣［1］，行政區劃上屬于內蒙古自治區中部，是我國重要的有色金屬礦集區，同時也是稀土、煤等礦產的重要產出區［2-3］。2010 年以來，銀宮山地區陸續發現多處熱液型鈾礦化，顯示出良好的找礦前景。該地區鈾礦化的研究主要集中于大東山巖體中發育的礦化點，核工業二〇八大隊針對其進行了部分鉆探施工，取得一定的找礦成果，重點研究了鈾礦化特征和控礦因素，對礦化成因做了初步論述［4］。而對于大東山巖體中發育的與閃長玢巖脈相關的鈾礦化則幾乎未開展工作，僅初步完成了鈾礦地質調查及礦點檢查工作，由于多種原因的限制，勘查工作同樣未深入開展。但根據目前僅有的勘查情況來看，與閃長玢巖脈有關的鈾礦化礦化程度高，控礦作用明顯，成礦潛力巨大，礦化成因及礦化特征的研究亟待進行。因此，有必要針對銀宮山地區閃長玢巖脈進行深入的巖石學、巖石地球化學等綜合研究，明確閃長玢巖脈與鈾礦化成因的關系，進一步查明該類型鈾礦化的特征，確定找礦方向。據此，本文針對賦礦的閃長玢巖脈開展鋯石U-Pb 年代學、巖石地球化學等研究，結合鈾礦物產出特征，分析閃長玢巖脈與鈾成礦作用的關系，對查明該區鈾礦床的控礦因素、礦化成因及進一步的鈾礦勘查工作有一定的指導意義。

1 地質背景

內蒙古銀宮山地區大地構造位置緊鄰中亞造山帶，為華北板塊北緣的一部分，二級構造單元包括華北地塊和中元古代大陸邊緣造山帶［5-7］（圖1），其中華北地塊包括陰山隆起和鄂爾多斯坳陷兩個次級構造單元，其再向北則為西伯利亞板塊南緣的錫林浩特微陸塊（中間地塊）［8-12］。

圖1 華北板塊北緣構造單元劃分簡圖Fig.1 The tectonic units in the north margin of North China Plate

銀宮山地區出露地層主要包括新太古界烏拉山群（Ar3W）、新元古界震旦系什那干群（ZS）、古生界上石炭統拴馬樁組（C2s）、中生界中侏羅統大青山組（J2d）、新生界第四系［13-15］（圖2）。

研究區巖漿巖具有多旋回發育的特征，主要有新太古代花崗巖、中-新元古代花崗巖、石炭紀花崗巖、花崗閃長巖、三疊紀花崗巖及侏羅紀花崗巖等。不同時代巖體均呈近東西向展布，受近東西向深斷裂控制，部分早中侏羅世巖體則受北東向斷裂的影響而呈北東向展布。

2 巖石學特征

2.1 花崗巖

銀宮山地區出露大量石炭紀-三疊紀花崗巖體，其主體為大東山序列花崗巖（三疊紀），其次為東腦包序列花崗巖（石炭紀）（圖2）。巖體主要侵入新太古界烏拉山群、上石炭統拴馬組，個別地區見侵入震旦紀什那干群。被侵入的地層為一套砂礫巖、砂頁巖夾劣煤層和長石砂巖夾灰巖、泥灰巖。研究區內的大東山序列花崗巖主要由4 個單元構成：一單元中細?；◢弾r（TγD1），主體為黑云母二長花崗巖、二云母鉀長花崗巖，主要出露在大東山巖體東部的下營盤地區，出露面積較小，約10 km2；二單元中粗粒黑云母花崗巖（TγD2），構成大東山巖體的主體，出露面積較大，約1 000 km2，呈大型巖基狀產出；三單元花崗巖（TγD3）出露在大東山巖體的中部，由中細粒黑云母花崗巖構成；四單元中粗粒似斑狀花崗巖（TγD4），出露面積較小，約10 km2。筆者對各單元花崗巖的礦物種類及含量進行了分析，分析結果見表1。

表1 大東山序列花崗巖的礦物含量統計表Table 1 Statistics on the mineral content of granites in Dadongshan sequence

圖2 內蒙古銀宮山地區地質簡圖Fig.2 Geological sketch of Yingongshan area，Inner Mongolia

2.2 閃長玢巖脈

研究區除了出露有花崗巖外，還分布有不同產狀的各類巖脈，其中以閃長玢巖脈與鈾礦化關系最為密切。閃長玢巖多呈脈狀穿插于大東山序列二單元中粗粒黑云母花崗巖中，寬約1～2.5 m 不等，走向為128°～133°，手標本具有斑狀結構，斑晶主要為斜長石和角閃石（圖3），基質以板條狀斜長石為主（30%～35%），其次為鉀長石（20%～25%）、他形角閃石（10%～15%）、石英（5%～10%）、黑云母（0～10%），其中黑云母多發生綠泥石化蝕變，同時見少量鐵氧化物、次生白云母、鈦鐵礦、鋯石、磷灰石等礦物。

圖3 銀宮山地區閃長玢巖的野外露頭（a）、手標本（b）和顯微特征（c）Fig.3 Outcrops（a），hand specimens（b）and microscopic photos（c）of diorite porphyrite in Yingongshan area

3 樣品采集與分析

本次研究采集了與礦化有關的閃長玢巖脈及其圍巖大東山序列二單元中粗粒黑云母花崗巖樣品，應用鋯石LA-ICP-MS 法對其成巖年齡進行了精確厘定［16-18］，其中選取兩個閃長玢巖樣品進行定年，分別為新鮮（未發生礦化蝕變）的樣品WLC-02 和發生礦化蝕變的樣品DNB-08；選取大東山序列二單元中粗粒黑云母花崗巖兩個樣品進行定年，分別為WLC-11、YGS-15a。選取6 個閃長玢巖樣品進行主、微量元素含量分析［19-22］，分別為3 個新鮮（未發生礦化蝕變）的樣品WLC-02、WLC-03、WLC-04 和3 個發生礦化蝕變的樣品DNB-07、DNB-08、DNB-09。

鋯石分選在中國地質大學（武漢）地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成，首先從每件樣品中分選出約100～200 顆單顆粒鋯石，然后制靶、打磨拋光，進行鋯石CL（陰極發光成像）圖像采集，應用Quanta 400 型掃描電子顯微鏡上的Mono CL3+陰極熒光探頭完成圖像采集，觀察鋯石的結構。鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年應用Agilent 7500 ICP-MS、NEW Wave UP213 激光剝蝕進樣系統共同完成，激光斑束直徑為33 μm，頻率為10 Hz，分析過程參考文獻［14］。樣品同位素數據處理采用GLITTER 4.0 計算軟件，普通Pb 校正采用Andersen 的方法［23］，校正以后的結果采用Isoplot 程序（V.3.23）計算年齡和繪制諧和圖。

巖石主量元素分析在核工業二〇八大隊分析測試中心完成。采用堿熔玻璃片在日本理學RIX2100X 熒光光譜儀上進行分析。測試過程采用標樣以及重復樣監控，分析精度一般優于5%，燒失量通過馬沸爐采用高溫灼燒法分析獲得。微量元素和稀土元素分析在南京大學內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成，實驗儀器為Elan 6100 DRC 電感耦合等離子質譜儀。測試在超凈實驗室中完成，樣品經國際標樣以及空白樣監控，Co、Ni、Zn、Ga、Rb、Y、Zr、Nb、Ta 和REE（除Hf 和Lu）等元素分析精度優于10%，其他低濃度元素的分析精度介于5%～10%。

4 分析測試結果

4.1 鋯石U-Pb 同位素年齡

本次對閃長玢巖脈及其圍巖大東山序列二單元中粗粒黑云母花崗巖樣品中的32粒鋯石進行了91個測點的分析，鋯石的分析結果和代表性陰極發光圖像見圖4。鋯石呈無色透明或者黃褐色，多為自形長柱狀晶形，少數為等粒，具明顯的振蕩環帶結構，Th/U值較大，變化于0.46～2.37之間，平均值為0.99，上述特征說明，這些鋯石基本為巖漿鋯石［19］。

圖4 代表性閃長玢巖（a）及黑云母花崗巖（b）鋯石CL 圖像Fig.4 Representative cathode luminescence（CL）images of the diorite porphyrite（a）and biotite granite（b）

4.1.1 閃長玢巖脈

WLC-02 樣品共測試分析20 個點，其中11個測點位于鋯石振蕩環帶上，具有較高的諧和度，且都投影在諧和線上，其U 含量變化在（46～530）×10-6之間，Th 含量變化在（73～465）×10-6之間，Th/U 值在0.72～1.93 之間（表2）。樣品的鋯石測點在206Pb/238U-207Pb/235U 諧和圖上分布比較集中，加權平均年齡為（231.9±2.1）Ma，MSWD＝1.7（圖5），代表其成巖年齡。

圖5 銀宮山地區未蝕變閃長玢巖鋯石U-Pb 年齡諧和年齡（a）和加權平均年齡（b）圖Fig.5 U-Pb concordant age（a）and weighted average age（b）of the fresh diorite porphyrites in Yingongshan area

DNB-08 樣品共測試分析24 個點，其中18個測點的諧和度較高，測試分析結果顯示出了三組加權平均年齡數據，分別為：第一組，U 含量變化在（102～652）×10-6之間，Th 含量為（120～893）×10-6，Th/U 值在0.60～2.01 之間，樣品的鋯石測點在206Pb/238U-207Pb/235U 諧和圖上分布比較集中，加權平均年齡為（242.3±2.0）Ma，MSWD＝0.53；第二組，U 含量變化在（291～703）×10-6之間，Th 含量變化在（210～565）×10-6之間，Th/U 值在0.62～1.06 之間，樣品的鋯石測點在206Pb/238U-207Pb/235U諧和圖上分布比較集中，加權平均年齡為（210.8±2.0）Ma，MSWD＝0.79；第三組，U 含量變化在（506～1 885）×10-6之間，Th 含量變化在（278～904）×10-6之間，Th/U 值在0.46～0.91之間，樣品的鋯石測點在206Pb/238U-207Pb/235U諧和圖上分布比較集中，加權平均年齡為（128.3±7.5）Ma，MSWD＝2.7（表2，圖6）。

圖6 銀宮山地區礦化蝕變閃長玢巖鋯石U-Pb 諧和年齡（a）和加權平均年齡（b、c、d）Fig.6 U-Pb concordant age（a）and weighted average age（b，c，d）of the altered and mineralized diorite porphyrite in Yingongshan area

4.1.2 大東山序列二單元花崗巖

WLC-11 共分析了23 個數據點，其中測自振蕩環帶上的9 個數據點給出的206Pb/238U 年齡較為一致，其U 含量在（148～13 377）×10-6之間變化，Th 含量在（169～6 174）×10-6之間變化，Th/U 值為0.34～1.27（表2）。樣品的鋯石測點在206Pb/238U-207Pb/235U 諧和圖上分布比較集中，加權平均年齡為（232.8±2.0）Ma，MSWD＝1.8（圖7a、b），代表其成巖年齡。

YGS-15a 樣品共測試分析24 個點，U 含量為（103～429）×10-6，Th 含量為（84～559）×10-6，Th/U 值在0.76～1.21之間變化（表2）。U-Pb 年齡諧和圖顯示，16 個測點的諧和度較高，只有少部分測點偏離。測試分析結果顯示206Pb/238U 年齡為258～239 Ma 之間，加權平均年齡為（247.4±3.0）Ma（MSWD＝4.5），代表該樣品的成巖年齡（圖7c、d）。

圖7 大東山序列二單元中粗粒黑云母花崗巖WLC-11（a、b）、YGS-15a（c、d）的鋯石U-Pb 諧和年齡和加權平均年齡Fig.7 U-Pb concordant age and weighted average age of coarse-grained biotite granite WLC-11（a，b），YGS-15a（c，d）in the second unit of Dadongshan sequence

4.2 地球化學特征

研究區閃長玢巖SiO2含量為55.60%～58.90%，平均值為57.42%。樣品分析結果顯示，隨SiO2含量的升高，Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO 含量都明顯降低，顯示了負相關性，P2O5和TiO2含量明顯升高，顯示了正相關性。MnO、Na2O 未見明顯相關性，且含量變化很大，分別為0.06%～0.68%、2.33%～4.31%。A/CNK 值為0.73～0.97（表3）。

表3 銀宮山地區閃長玢巖主量元素/%及微量元素/10-6分析結果Table 3 Analysis results of major elements (%)and trace elements (10-6)of the diorite porphyrite in Yingongshan area

依據分析測試結果繪制礦化蝕變閃長玢巖不相容元素的微量元素蛛網圖（圖8a），結果顯示，其最顯著特征為U 的異常富集，同時可見Rb、K、Pb、Zr 相對于相鄰元素，呈現不同程度的富集，Ba、Nb、Ta、Ce、Sr、Yb 相對于相鄰元素，呈現不同程度的虧損。

根據礦化蝕變閃長玢巖稀土元素分析結果發現，研究區閃長玢巖稀土總量較高（ΣREE＝126.08×10-6～380.83×10-6），中、重稀土分異性很強（GdN/YbN＝1.81～5.42），輕稀土富集（LaN/YbN＝25.78～56.50），同時具有弱Eu 負異常（δEu＝0.71～0.87），稀土配分模式為右傾型（圖8b）。

圖8 銀宮山地區礦化蝕變閃長玢巖微量元素蛛網圖（a）及稀土配分圖（b）（原始地幔數據引自文獻［24］）Fig.8 The spider diagram of trace element（a）and REE pattern（b）of the altered and mineralized diorite porphyrite in Yingongshan area（standardized data quotes from reference［24］）

對比三組無礦化和三組礦化的樣品，發現它們的多數主量和微量元素含量都相似，但礦化樣品明顯富MnO（0.21%～0.68%）、MgO（2.01%～4.54%）而貧Na2O（2.33%～3.12%），表明它們經歷了熱液蝕變作用，隨著蝕變作用發生了MnO、MgO 的代入及Na2O 的帶出（圖9a）。對比微量元素蛛網圖（圖9b），礦化蝕變的樣品具有明顯的U 和Pb 的富集，以及Sr 的虧損，其U 含量高達（934.21～974.52）×10-6，該特征與在BSE 圖像中發現的大量鈾礦物的特征吻合（圖10）。對比稀土元素組成，礦化閃長玢巖與未礦化的特征類似，都具有高的稀土總量（93.19×10-6～380.83×10-6），輕稀土元素富集（LaN/YbN＝10.94～56.50），弱Eu 負異常（δEu＝0.23～0.96）的特征，呈右傾的稀土配分模式與二單元高Sr 低Yb 型花崗巖相似（圖9c）。

圖9 銀宮山地區閃長玢巖主量元素（a）、微量元素（b）和稀土元素對比圖（c）（原始地幔和球粒隕石數據引自文獻［24］）Fig.9 The comparison diagrams of major elements（a），trace elements（b）and REE pattern（c）of the diorite porphyrite in Yingongshan area（primary mantle and chondrite data quotes from reference［24］）

圖10 銀宮山地區礦化蝕變的閃長玢巖的電子探針BSE 圖Fig.10 The electron microprobe BSE photos of altered and mineralized diorite porphyrite in Yingongshan area

上述地球化學特征表明這些閃長玢巖脈在鈾富集礦化過程中發生了明顯的Mn、Sr和Pb的帶入，而同時伴隨有Mg和Na的帶出，而稀土元素含量未發生顯著的變化。

5 討論

系統的鋯石定年結果顯示研究區內的大東山序列二單元中粗粒黑云母花崗巖主要形成于印支期早階段（247～233 Ma）；未礦化蝕變的閃長玢巖脈同樣形成于印支期早階段（242～232 Ma），說明伴隨印支期大規模的花崗質巖漿侵入作用，形成閃長玢巖脈。對比礦化蝕變閃長玢巖脈定年得到的三組數據，其中第一組年齡值與新鮮的閃長玢巖的年齡一致（242 Ma），可視為其成巖年齡；第二組年齡可能是對印支期晚期巖漿熱事件疊加作用的一次記錄（211 Ma）；第三組年齡明顯晚于前述所有花崗質巖漿活動的年齡（128 Ma），可能記錄了本地區最晚的一期熱事件對本地區的影響。因此，研究區的閃長玢巖形成時期可以初步推測為印支期早期，閃長玢巖形成后，又先后經歷了印支晚期和燕山晚期兩次熱事件，這兩次熱事件對先期形成的鈾礦化進行了疊加改造。盡管未蝕變的閃長玢巖的U含量（29.21×10-6～55.77×10-6）顯著低于蝕變的巖石（934.21×10-6～974.52×10-6），但仍明顯高于地殼平均豐度（1.7×10-6）和上地殼平均豐度（2.7×10-6）［25］。在U-Th 相關圖解中投影在低Th 高U 區（圖11），與各單元花崗巖的投影區明顯分離。蝕變和新鮮的閃長玢巖間呈水平的演化關系，說明隨熱液蝕變作用的進行，U 相對于Th 發生了明顯的富集。它們Th含量與二單元花崗巖類似，但顯示了更加富U的特征。

圖11 銀宮山地區閃長玢巖的U-Th 關系圖解（底圖數據引自文獻［4］）Fig.11 U-Th relation diagram of the diorite porphyrite in Yingongshan area（data of base map quotes after reference［4］）

電子探針背散射圖像分析顯示，礦化蝕變的閃長玢巖樣品DNB-07 中存在許多微粒狀的鈾礦物，形狀不規則，分布在長石中（圖10）。

綜上所述，銀宮山地區出露的中性閃長玢巖脈，形成于印支期（242～232 Ma），與同時期的二單元花崗巖為同期巖漿侵入的產物，但更富U（29.21×10-6～55.77×10-6）。鈾礦化蝕變的閃長玢巖脈成巖后受到211 Ma 和128 Ma 兩次熱事件的影響，多發生綠泥石化蝕變并伴隨U 的高度富集。閃長玢巖在蝕變過程中發生了Mn、Mg、Sr 和Pb 的帶入，而同時伴隨有Na 的帶出。閃長玢巖脈鈾礦化蝕變的形成經歷多期的熱事件疊加改造，同時伴隨著U 的多期次高度富集，鑒于其在研究區分布廣泛，其鈾成礦潛力巨大，在鈾礦找礦工作中應給予該類型的鈾礦化充分的重視。

6 結論

1）銀宮山地區出露的閃長玢巖脈，形成于印支期早階段（242～232 Ma），大東山序列二單元花崗巖體同樣形成于印支期早階段（247～233 Ma），二者為同期巖漿侵入的產物，但閃長玢巖脈更富U（29.21×10-6～55.77×10-6）。

2）鈾礦化蝕變的閃長玢巖成巖后受到211 Ma和128 Ma 兩次熱事件的影響，并伴隨U 的高度富集，鈾礦化成因可能與原生含鈾礦物的蝕變作用有關。

3）閃長玢巖脈在鈾富集礦化過程中發生了明顯的Mn、Mg、Sr 和Pb 的帶入，而同時伴隨有Na的帶出，而稀土元素含量未發生顯著的變化。

致謝：本次研究得到中國核工業地質局地勘費項目的基金資助，樣品分析過程中得到中國地質大學（武漢）地質過程與礦產資源國家重點實驗室及南京大學內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室的支持，再此一并致謝。