新疆冰草沟地区铀矿地球化学及成矿特征∗

韩秉峻，弓小平，刘祥，谢巍然，姚俊义

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.甘肃省核地质二一三大队，甘肃天水741020；3.核工业二一六大队，新疆乌鲁木齐830011)

0 引言

冰草沟地区处于雪米斯坦火山岩型铀矿成矿带中，区内岩浆活动频繁、区域地质构造复杂、成矿地质条件优越、资源潜力巨大[1]．前人研究认为该区铀矿石中磷与铀呈高度的正相关，认为铀、磷矿是同体共生关系，在该区具综合找矿意义，但在之后找矿工作一直没有较大突破[2]．近年来许多学者通过岩石地球化学，流体包裹体、U-Pb测年和87Sr/86Sr初始比值测定等方式，总结了火山岩型铀矿的稀土元素分布模式、微量元素分布模式、形成温度、形成时代和成矿物源等信息[3−6]．又有很多学者提出地幔流体、地幔去气与铀的成矿关系理论，铀与磷、铍、钼等元素的相关性研究以及中基性岩与铀成矿关系等取得了一定的成果，为我国火山岩型铀矿的发展提供了诸多的理论依据[7−14]．因此，本文对冰草沟地区铀矿的稀土、微量元素地球化学特征进行分析并结合野外地质，由微观到宏观，探讨铀物质来源以及其成矿特征等地质问题．

1 区域地质背景

研究区位于天山兴蒙造山系，哈萨克斯坦-准噶尔板块准噶尔微板块之博格达晚古生代弧后裂陷盆地西端．构造上处于柴窝堡盆地东北部边缘、准噶尔地块南缘（如图1所示）．

图1 冰草沟铀矿矿区地质简图

研究区发育安山玢岩与冰草沟矿床呈条带展布，褶皱形态复杂，断裂发育，与矿化关系密切．由多个近东西走向的短轴背斜和向斜组成（见图2）．自北向南分布有杏子沟—小干沟枢纽波状起伏向斜、冰草沟背斜以及干沟下游背斜等，中西部为达坂城凹陷．而冰草沟地区小型断裂极为发育，均为华力西晚期构造活动发育时形成的构造裂隙，总体上控制着冰草沟铀矿床及外围铀矿化点（带），是主要的控矿和赋矿构造．

图2 冰草沟铀矿床至203矿点铀成矿示意剖面图

2 铀矿（化）地质特征

冰草沟地区铀矿（化）点富矿地层为下二叠统塔什库拉组中亚组，是柴窝堡盆地重要的铀矿化区．铀矿床（点）含矿地层以细—粉砂岩为主，夹中粗粒砂岩和含砾砂岩，赋存于安山玢岩与砂岩接触部位的接触带断裂、与岩层斜交的两组扭性构造和与岩层垂直的南北向构造中，部分矿（化）体与地层产状一致．铀矿化多产于小型褶皱的向斜、背斜及连续的复背斜构造和断裂的裂隙中，并且有明显的热液蚀变、强烈的碱交代作用及赤铁矿化现象．在钻孔中发现薄层石墨多见砂岩砾石赋存其中，并且常见有顺层发育的炭化植物，生物中富含大量的磷和有机质，对后期成矿热液活动的迁移富集沉淀较为有利．冰草沟铀矿化伴随着主岩的蚀变作用，砂岩中发育强烈的碳酸盐化、高岭石化、弱硅化及少量的绿泥石化等，常见赤铁矿、黄铁矿、方解石、高岭石等矿物和沥青（如图3∼图8所示）．

图3 203矿点地表含铀异常碳酸盐、硅质脉中发育的萤石化特征图

图4 203矿点深部揭露铀异常偏高处紫黑色萤石发育特征图

图5 深部砂岩张性裂隙中含油脂状沥青特征图

图6 深部碳酸盐晶洞中浸出原油特征图

图7 ZK203-22铀异常部位红化发育特征图

图8 ZK203-22铀异常部位碳酸盐化发育特征图

3 样品采集与分析

为了获取达工业品位矿石（砂岩）、含铀异常砂岩和泥质灰岩几类岩矿石的微量元素数据，对冰草沟矿床、小冰草沟、201、202及203号矿化异常点铀矿石、矿化围岩及正常围岩系统取样11件，在核工业新疆理化分析测试中心完成分析，所用仪器为等离子体质谱分析仪（ELEMENT XR）和Elan DCR-e型等离子体质谱分析仪．分析结果见表1、表2．其中中国沉积岩采用1994年黎彤[15]的数据，球粒陨石、NASC稀土元素丰度采用1968年Haskin[16]的数据；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代表球粒陨石标准化．

表1 冰草沟铀矿床几类岩矿石主要微量元素含量（µg/g）

3.1 小冰草沟矿点赋矿围岩特征

小冰草沟矿点PM4岩性主要为不同粒度的砂岩、泥晶灰岩透镜体、英安质凝灰岩、熔结角砾岩及安山玢岩；褶皱、断裂较为发育．北部异常主要受断裂构造及安山玢岩与围岩的接触带控制，南部异常发育在砂岩层中．含矿岩性为红褐色蚀变细砂岩、中砂岩，基底-孔隙式胶结，粒度更大砂岩的孔隙度有利于热液运移．

该矿点处发育英安质沉凝灰岩，其中含有浅成酸性岩岩屑，具有沉积成因特点，与砂岩地层同时形成．英安质沉凝灰岩的存在说明本区曾经历过酸性岩的喷发．与沉凝灰岩接触产出的砂岩中发育热液蚀变及铀异常，推断酸性凝灰岩可能为矿源层的一种．含铀异常的砂岩粒度较大，孔隙度较好，有利于热液的运移．蚀变交代过程中带出凝灰岩中的铀并在砂岩中沉淀．实地表现为含铀异常的红褐色蚀变砂岩与沉凝灰岩伴生．

3.2 冰草沟矿床赋矿围岩变化特征

冰草沟矿床为一铀、磷混合型矿床，发现较好的工业铀矿体．矿体赋存于安山玢岩与砂岩的接触带部位及垂直岩层走向的构造裂隙中．含矿地层为细砂岩、安山玢岩、凝灰质砂岩等．剖面中铀异常、矿化赋存部位有3种情况，一是赋存于安山玢岩中，沿着构造展布，形成厚度不等的脉状矿体；二是赋存于安山玢岩与砂岩接触带中，沿接触面（同时又是断层构造面）两侧形成似层状矿体；三是赋存于红褐色沉凝灰岩中，第三类矿体规模较小．

表2 冰草沟铀矿床几类岩矿石主要稀土元素含量和特征参数（µg/g）

图9 小冰草沟PM4实测剖面图

图10 冰草沟铀矿床PM6实测剖面图

沉凝灰岩中火山碎屑物多为中酸性，具有较高的铀背景值，在安山玢岩接触-构造带热液活动过程中，活化沉凝灰岩中的铀，并在合适的部位富集成矿，故工业矿体主要出现在安山玢岩与围岩的接触带上及构造裂隙中．

4 微量元素地球化学

4.1 微量元素特征

以中国沉积岩微量元素含量为标准，绘制冰草沟铀矿床矿石、矿化砂岩及正常围岩的微量元素标准化蛛网图．砂岩样品蛛网曲线锯齿状变化明显，微量元素具有相对富集或亏损的特点（如图11所示），泥质灰岩蛛网曲线具有相对平坦的特点．几类岩矿石微量元素含量具有较大差异．铀矿石样品中强烈富集U元素，含量变化范围为1 407×10−6∼1 557×10−6，富集程度高达700倍以上；与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），表现较强的富集；铀矿石样品中相对亏损Cr、Co、Ni、Rb、Cs和Ta元素．铀矿化（砂岩）样品中U元素（204×10−6∼449×10−6）相对富集，但没有达到工业铀矿石品级；相对富集的元素同样为Cu、Zn等元素．泥质灰岩和不含异常砂岩U元素含量为4.20×10−6∼11.20×10−6，与中国沉积岩U含量（2×10−6）相近，为未矿化岩石．Sr元素在铀矿石、矿化（砂岩）及砂岩（无矿化）中富集程度非常高，变化范围为1 017×10−6∼2 151×10−6，在泥质灰岩中富集程度相对较弱，变化范围为256×10−6∼573×10−6，87Sr/86Sr与成矿物质来源关系密切[18,19]，在本文中不做深入研究．Y为稀土族元素，在铀矿石、矿化围岩和泥质灰岩中相对富集，变化范围为24.9×10−6∼82.5×10−6，无异常砂岩中略亏损，为15.6×10−6∼19.8×10−6，这可能暗示着U的富集方式．在泥质灰岩中Cu（93.5×10−6∼232×10−6）、Zn（127×10−6∼150×10−6）比铀矿石、矿化围岩和砂岩的Cu、Zn富集程度高．铀矿石中高场强元素Zr富集程度明显高于矿化围岩和泥质灰岩，无异常砂岩中Zr亏损．

4.2 稀土元素特征

从表2和图12可知，铀矿石样品中w( REE)（124.40×10−6∼164.59×10−6）相对集中，轻稀土含量（84.58×10−6∼115.03×10−6）相对集中，但HREE明显分为两组，一组样品（编号1、2）富集重稀土元素w(HREE)，变化范围为39.82×10−6∼49.56×10−6；另一组样品（编号3）相对亏损重稀土元素为16.57×10−6;前者w(LREE)/w(HREE)为0.75∼0.80，后者w(LREE)/w(HREE)为5.66，表现出较强的分馏作用．微量元素Y与稀土元素特征相对应，一组铀矿石样品HREE富集较明显，与其它岩矿石的稀土配分曲线相分离，两组铀矿石样品REE分馏作用具有差异性．铀矿石样品中δCe（0.88∼0.93）、δEu（0.65∼0.99）略呈负异常．铀矿化砂岩w( REE)变化范围123.20×10−6∼157.24×10−6，平均为137.43×10−6；w(LREE)/w(HREE)的值为1.25∼6.16，存在较弱的分流作用；δCe（0.89∼0.96）略呈负异常，δEu（0.64∼0.72）呈负异常．泥质灰岩w( REE)为151.73×10−6∼215.68×10−6，平均值183.45×10−6；w(LREE)/w(HREE)的值为3.58∼3.77，存在较弱的分馏作用；δCe（0.96∼1）显示几乎无异常，δEu（0.64∼0.74）略呈负异常．无异常砂岩中δCe（0.90∼1.11）无异常，δEu（0.33∼0.66）呈负异常；相对于铀矿石、矿化围岩及泥质灰岩w(LREE)和w(HREE)都相对亏损，w( REE)值也存在较大的差异，这是各类热液活动导致REE活化再经冷却而富集的重要原因之一．对于铀矿石、矿化围岩和泥质灰岩w(LREE)/w(HREE)比值为1.25∼6.52，轻稀土元素发生了强弱不等的分馏作用，δCe（0.88∼0.97）略呈负异常，δEu（0.65∼0.74）呈负异常．REE配分形式的总体特征与北美页岩相似，曲线近水平．说明含铀矿石与围岩的REE地球化学分配模式既有相似又有不同，可能形成的环境相同，但又经历了后期的热液改造并富集铀形成铀矿石．

图11 冰草沟铀矿几类岩矿石微量元素标准化蛛网图

图12 冰草沟铀矿几类岩矿石球粒陨石标准化稀土配分模式

5 讨论

5.1 微量元素地球化学指示

冰草沟地区下二叠统塔什库拉组中亚组具有多期次的岩浆活动，在砂岩裂隙中所发现的沥青质及少量萤石也说明了热液作用的存在．从U元素富集程度上来看，该研究区整体U背景值较高，所有岩体均无亏损现象，铀矿化砂岩含量较高，铀矿石（砂岩）含量极高，认为主要有两个原因：第一，该研究区各矿床（点）小型构造较为发育，为热液的运移提供了通道；第二，砂岩具有较大的渗透率和较高的孔隙度；两者同时为后期热液（火山热液、碳酸热液等）改造提供了良好的条件，从而使砂岩中微量元素呈现出较为明显的富集和亏损．从Zr元素中可以看出铀矿石中富集程度明显高于矿化围岩和泥质灰岩，泥质灰岩和铀矿化富集程度相似，结合Y元素中可以看出，泥质灰岩与两个矿化砂岩富集程度相似，一个矿化砂岩样品富集程度相对较低，这表明铀矿石与铀矿化的形成也存在不同的机制，尤其是与后期多期次不同热液改造及较为频繁的小型构造运动有关．

铀矿床中Pb、Mo为常见的伴生元素，U与Pb相关联，U最终衰变成Pb，氧化条件下U与Pb结合形成Pb-铀酰矿物，还原条件下，从铀矿物中析出与S结合形成方铅矿[20]；U与Mo地球化学性质相似，氧化条件下呈高价（U6+、Mo6+）易迁移，还原条件下呈低价（U4+、Mo4+）易沉淀[21]．在本研究区中，矿石与矿化砂岩Pb、Mo元素相对富集，但是未构成正相关关系，因此Pb、Mo可能只是对后期U的再次富集起到了一定的作用，而非U的伴生元素．据前人研究成果表明本研究区无论是火山岩还是沉积岩中P与U都呈高度的正相关关系[22]．磷是地幔流体的重要组成部分，具挥发性、亲铁、亲氧趋向的化学性质，并具有深成性，综上可以推断本研究区铀源很可能来自于地幔流体及其萃取基底岩石和围岩中的铀．

5.2 稀土元素地球化学指示

稀土元素性质类似、地球化学行为相近以及整体参与地质过程，在成岩、成矿研究中具有重要意义，不仅反映沉积成矿物源、流体来源，而且可示踪流体活动踪迹[23,24]．从图12可知，未矿化砂岩、泥质灰岩及1个铀矿石和1个铀矿化砂岩表现出相似的配分模式，反应相似的REE地球化学特征．REE是不可溶的，海水、河水中含量极低，因此碎屑岩中的REE主要呈颗粒物搬运，受控于物源区岩石成分[25,26]．风化和成岩作用的效应是次要的，其对REE的再分配影响不大，除非碎屑岩中存在巨大的水/岩比值[27]．在稀土元素地球化学指示中Eu均呈现负异常，这与岩矿石中富含的有机质有关．有机质不断热解、裂解形成一个长期的还原环境，该环境下利于Eu2+的产生，并使流体带出，造成Eu负异常现象．

在矿化砂岩中有强烈的低温热液蚀变作用，说明其水/岩比值很大，推测部分铀矿石矿化形成以及富集HREE的主要机制．根据REE的地球化学分配模式得出冰草沟铀矿化具有沉积成岩和热液改造作用的特点．这种REE的地球化学分配模式与川北砂岩型铀矿床和鄂尔多斯盆地东胜砂岩型铀矿相似[28,29]，而与其两者不同之处在于本研究区经过多期次的热液改造活动，铀成矿期是安山玢岩的侵入造成安山玢岩与砂岩接触部位发生早期热蚀变，后期又经历了富碳酸盐热液侵入作用使铀再次富集．

5.3 成矿阶段

5.3.1 早期构造活化阶段

研究区的控矿及赋矿构造主要是断裂F1、F2，它主要以压性为主扭性为辅并向深部延深，冰草沟铀矿床及外围矿化点的分布主要受到该断裂的控制，并且华力西晚期构造－岩浆（火山）活动致使中性次火山岩侵位于浅海相的含磷砂岩中（海相沉积岩中由于大量海洋微生物遗骸的堆积，磷含量普遍高于河流相沉积岩），但伴随岩浆分异作用产生的含铀中低温热液是形成区内铀矿点的主要原因．远离热液蚀变带围岩中的铀含量逐渐趋于背景值．在安山玢岩、砂岩裂隙中所发现的沥青质及少量萤石也说明了热液作用的存在．

5.3.2 中期铀沉淀富集阶段

在热液上升过程中，围岩中的SiO2与热液发生交代作用，使热液性质不断发生变化，同时热液在上升时期随着压力及温度的降低，在该区形成不同的矿化蚀变分带．冰草沟矿床含铀矿石中发育赤铁矿化及磷灰石化，201、202矿点矿体发育碳酸盐化及少量绿泥石化，203矿点东部矿体多发育碳酸盐化及萤石化，白希布拉克矿点矿体发育均匀的赤铁矿化．表明在热液上升过程中，Fe、P、Ca、F等元素随着热液性质的变化以不同的形式与U一同释放富集．冰草沟铀矿中砂岩U的富集要比安山玢岩中U的富集要好，由于砂岩本身孔隙发育要比安山玢岩好，并且安山玢岩中U的富集主要是在构造裂隙中，裂隙的不均匀性也造成两者U的富集不同，这与稀土元素地球化学指示相统一．

5.3.3 晚期富碳酸盐热液侵入阶段

该期热液侵入活动范围大，侵入活动强烈．根据钻孔资料中碳酸盐脉特征分析，其侵入期次可以分为两期．早期富U碳酸盐热液随深部构造断裂进入到冰草沟地区的安山玢岩和砂岩中，此时的碳酸盐含矿．晚期富碳酸盐热液侵入活动主要是改造前期的构造，此时碳酸盐热液基本上不含矿，钻孔碳酸盐脉多呈白色，并且此时的压力应该较低，因为在断裂中没有发现方解石脉．但早期的钻孔碳酸盐脉多呈红色，由于赤铁矿化而被染成红色．

6 结论

（1）冰草沟地区铀矿微量元素地球化学特征显示，Pb、Mo与U关系密切．根据Pb、U和Mo蛛网图上显示“W”式样可以当作冰草沟地区砂岩铀矿化的指示模型．U富集主要在砂岩与破碎的安山玢岩裂隙中．

（2）冰草沟铀矿矿石中磷与铀呈高度的正相关关系，认为铀、磷矿是同体共生关系，并且磷具有深成性并且是地幔流体的重要组成部分，具挥发性、亲铁、亲氧趋向的化学性质，并具有深成性，推断铀源来自于地幔流体及其萃取地壳基底岩石和围岩中的铀．根据样品的REE地球化学特征和配分模式，推断含矿砂岩与正常围岩具有相似的成矿物质来源、沉积环境和构造背景．

（3）冰草沟地区铀矿主要经历了早期构造活化阶段、中期铀沉淀富集阶段和晚期富碳酸盐热液侵入三个成矿阶段．