The genesis of uranium ore with red alterations in the Nalinggou deposit, northeastern Ordos Basin, and its geological implications
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摘要:
鄂尔多斯盆地北东部纳岭沟铀矿床是近年来发现的大型砂岩型铀矿床。与国内外典型层间氧化带型铀矿床明显不同,纳岭沟铀矿床不仅矿体呈板状、似层状产出,受单层灰绿色古氧化砂体与下伏灰色砂体的交界面控制,且远离顶底板,部分含矿岩石在宏观上表现为红色含炭屑矿石,微观上出现铀石-赤铁矿(针铁矿)-黄铁矿等特殊矿物共生组合。在综合岩矿鉴定、电子探针分析、酸解烃分析等成果认识的基础上,结合前人流体障铀成矿理论的实验和数学模拟结果认为,纳岭沟铀矿床是含氧含铀水与深部还原性流体相互作用的产物,且矿体形成过程中含氧含铀水和深部还原性流体的界面变化是红色蚀变矿石形成的关键原因,而持续强的含氧含铀水和较弱的深部还原性流体作用是形成板状矿体的主要因素。
Abstract:The large-sized Nalinggou sandstone type uranium deposit was recently discovered in northeastern Ordos Basin. Distinctly different from the typical uranium deposits of interlayer oxidation zone type in the world, this deposit is characterized not only by the tabular or stratoid orebodies controlled by the interface between monolayer grayish green paleo-oxidized sand body and underling gray sand body but also by being far away from the roof and bottom plate. Part of the ore-hosting rocks appear macroscopically as reddish and charcoal debris-bearing ores and microscopically as special paragenetic mineral assemblages consisting of coffinite, hematite (goethite), pyrite and siderite. Based on the results of rock-mineral identifications, EMPA and acidolysis hydro-carbon decomposition analysis, combined with the results of the experiments and mathematic simulations for fluid barrier theory of uranium metallogenesis by former researcher, the authors hold that the Nalinggou uranium deposit resulted from interaction between oxidizing uraniferous brine and deep-seated reducing fluid and, furthermore, the changing of the oxidizing-reducing inter-face in the ore-forming process was the key factor for reddish alteration of ores, and the interactions between persistent strong oxi-dizing uraniferous fluid and weak deep-seated reducing fluid might have been the primary factor responsible for the formation of the tabular orebodies.
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碱性岩通常出现在后造山、裂谷或板内构造环境,可提供碰撞后或者板内拉张背景下大陆岩石圈壳-幔相互作用与岩浆演化过程、大陆地壳演化等重要信息。碱性岩的地球化学特征是富碱及稀土元素,其矿物组成通常以含有似长石或碱性铁镁矿物(如霞石、霓石、碱性闪石等)为特征,主要起源于富碱和稀土元素的上地幔[1],可能与碰撞造山作用、下地壳拆沉减薄作用、壳-幔相互作用等深部过程具有密切的成因联系,是深部地球动力学过程在浅部地壳的历史记录和直接表现。因此,通过碱性岩的研究探索地球深部奥秘是一个重要的途径[2]。霞石正长岩是碱性岩的典型代表,以Al2O3、(Na2O+K2O)的质量分数高和含有似长石矿物霞石等为特征。近期,笔者在山西中部云中山地区野外地质调查时发现了古元古代霞石正长岩,这是中国目前报道的时代最老的碱性岩。霞石正长岩产出的大地构造位置处于华北克拉通中部造山带,岩石以岩枝或岩株的形式侵入新太古代TTG岩石中,发育弱片麻理构造,显示岩石遭受了古元古代晚期的变形变质作用。岩石的性质和形成时代对华北克拉通古元古代碰撞造山作用的时限有重要的制约作用,同时也可提供丰富的深部地幔信息。
1. 霞石正长岩的基本特征
在山西静乐县娑婆乡附近出露2条霞石正长岩岩脉,宽度20~30 m,北东向延伸。岩石呈灰白色,具花岗结构、中粗粒结构,弱片麻状构造。主要矿物成分为斜长石(钠长石,45%)、钾长石(微斜长石和条纹长石,20%)、霞石(15%)、黑云母(15%)和方柱石(5%),内部常见方解石包裹体。地球化学分析显示,SiO2含量为53.76%~58.36%,K2O、Na2O含量分别为3.29%~5.72%、6.22%~9.30%,K2O+Na2O为9.98%~13.63%。在TAS图解中,样品点几乎全部落在霞石正长岩区域(图略)。Al2O3含量较高(19.97%~22.86%),铝饱和指数A/CNK值为0.95~1.21,A/NK值为1.09~1.59,大部分样品属于过铝质岩石。经标准矿物计算无石英,含少量刚玉,霞石含量在10%~20%之间。
岩石稀土元素总量变化较大(ΣREE=68.53×10-6~456.74×10-6),但稀土元素配分曲线基本一致,显示明显的右倾形态,反映岩石轻稀土元素富集且分馏明显、重稀土元素相对亏损且分馏程度较弱的特点。δEu值为0.66~0.92,弱负Eu异常。在原始地幔标准化微量元素蛛网图上,可见K、Rb、Ba等大离子亲石元素富集,Th、U、Nb、Ta、Zr、Hf、Ti等元素亏损。
对2个霞石正长岩样品进行了测年,锆石呈浑圆状,内部环带不均一,局部有褪晶化现象,部分锆石存在明显的核-边结构,锆石粒度为100~150 μm。样品16JL13-2测得的207Pb/206Pb年龄加权平均值为1926±27 Ma(MSWD = 0.19),样品17XZ01-1的U-Pb年龄为1933±19 Ma(MSWD =0.94),两者年龄近一致,代表了碱性岩的结晶年龄。锆石测点的Th/U值均大于0.1。样品17XZ01-1的13颗锆石初始176Hf/177Hf值为0.281557~0.281692,εHf(t)值为-0.05~+4.85(平均值为+1.78)。Hf同位素单阶段模式年龄(tDM1)为2145~2331 Ma,二阶段模式年龄(tDM2)为2272~2575 Ma。在t-εHf(t)图解上,样品点绝大部分落于亏损地幔及球粒陨石演化线之间(图略)。
图 1 云中山地区地质简图(a)、霞石正长岩的镜下特征(b)和霞石正长岩的锆石U-Pb谐和年龄(c)1—古元古代三交组;2—新太古代五台群;3—古元古代末云中山花岗岩;4—新太古代花岗片麻岩;5—新太古代TTG片麻岩;6—霞石正长岩出露位置。Ne—霞石;Pl—斜长石;Kfs—钾长石Figure 1. Simplified geological map of Yunzhong Mts (a), photomicrographs of nepheline syenite (b) and zircon U-Pb concordia diagrams of nepheline syenite (c)2. 岩浆源区与构造意义
(1) 霞石正长岩无石英,独立产出,无共生岩石组合,应来源于地幔的部分熔融。岩石富集大离子亲石元素,亏损高场强元素,且Cr、Ni含量极低,锆石εHf(t)以正值为主。因此,该碱性岩体应来源于富集的地幔源区。Nb含量为7.78×10-6~54.2×10-6,Nb/Ta值为22.3~45.0,明显高于地幔的Nb/Ta值(17.5±2.0),可能预示地幔中存在高Nb/Ta的储库。在微量元素原始地幔标准化蛛网图上,高场强元素Nb、Ta、Ti具有明显的负异常,暗示成岩过程可能有地壳物质的加入。
(2) 碱性岩通常产出在后造山、裂谷或板内构造环境中。华北克拉通中北部在约1.95 Ga发生了一次拼合造山作用[3],约1.92 Ga后造山伸展存在广泛的基性岩浆底侵,导致大规模的深熔作用和超高温变质作用[4]。云中山霞石正长岩的侵位时代与约1.92 Ga的徐武家期基性岩浆侵位时代一致[5],指示云中山地区在约1.92 Ga之前也存在一次拼合造山事件,霞石正长岩对造山作用时限有重要制约作用。
(3) 霞石正长岩发育片麻理构造,并有变质作用的记录,而附近广泛出露的云中山花岗岩(成岩年龄约1.8 Ga)无任何变形变质痕迹,显示霞石正长岩的变形变质发生在1.92~1.80 Ga之间,这期变形变质事件也可能是一次造山事件,使华北克拉通最终形成,并焊接到哥伦比亚超大陆中。
致谢: 核工业北京地质研究院方锡珩高级工程师(研究员级)完成镜下鉴定工作,谢惠丽博士协助绘制了部分图件,在此一并表示衷心感谢。 -
图 8 天然水中某些元素的理论计算还原沉淀区及其相互关系(T=25℃,p=0.1MPa)[7]
1—以Se固形式沉淀的硒,活度落差 (下同) 为10-6~10-9;2—以UO2形式沉淀的铀(10-6~10-9);3—以ReS2+ReO2形式沉淀的铼(10-8.5~10-10.3);4—以MoS2形式沉淀的钼(10-5~10-9);5—以副黑铁钒矿形式沉淀的钒(10-5~10-8);6—针铁矿+水针铁矿-黄铁矿平衡线
Figure 8. The theoretic calculation of precipitation-reduction range of certain elements in natural water
图 9 理想的卷型铀矿床横剖面[8]
Figure 9. The ideal cross section of roll uranium deposits
图 10 流体障铀矿床形成的实验和数学模拟结果[9]
1—氧化砂岩;2—强针铁矿化褐铁矿化带;3—下降含氧含铀流体流;4—退色带(砂岩);5—强硫化物化带;6—弱硫化物化带;7—富铀矿体;8—贫铀矿体;9—原生灰色砂岩;10—上升还原流体流
Figure 10. The simulation and experimental results of fluid-barrier uranium mineralization
图 11 两种互相作用的流体体系的水动力界面状态与其流量比之间的关系[9]
Figure 11. The relation between hydrodynamic interface state and flow ratio of two interactional fluid systems
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