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  地质通报  2017, Vol. 36 Issue (4): 565-574  
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郭春影, 李子颖, 韩军, 徐浩, 白芸, 任忠宝, 韩愉, 赵宇霆. 辽东大石桥组蛇纹石化大理岩中铀矿化特征及形成时代[J]. 地质通报, 2017, 36(4): 565-574.
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GUO Chunying, LI Ziying, HAN Jun, XU Hao, BAI Yun, REN Zhongbao, HAN Yu, ZHAO Yuting. Geological features and dating of uraninite in serpentinized dolomite marbles of the Dashiqiao Formation in eastern Liaoning Province[J]. Geological Bulletin of China, 2017, 36(4): 565-574.
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基金项目

国家自然科学基金项目《辽东古元古代碰撞造山过程的热液铀成矿作用:年代学约束》(批准号:41502097)、国防科技工业局核能开发项目《华北陆块北缘铀多金属矿综合评价技术研究》、国土资源科技创新团队培育计划《铀矿成矿理论与深部找矿技术》

作者简介

郭春影 (1982-), 男, 博士, 高级工程师, 从事区域成矿学与成矿预测研究工作。E-mail:guochunying106@163.com

文章历史

收稿日期: 2016-10-18
修订日期: 2017-02-25
辽东大石桥组蛇纹石化大理岩中铀矿化特征及形成时代
郭春影1,2, 李子颖1,2, 韩军1,2, 徐浩1,2, 白芸1,2, 任忠宝3, 韩愉4, 赵宇霆4    
1. 核工业北京地质研究院, 北京 100029;
2. 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室, 北京 100029;
3. 中核集团地质矿产事业部, 北京 100013;
4. 中国地质大学 (北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083
摘要: 在辽东大石桥组蛇纹石化大理岩中新发现晶质铀矿矿化现象。晶质铀矿呈角砾状发育在蛇纹石化白云石大理岩中,并叠加有辉钼矿、黄铁矿等矿化。U-Pb同位素年龄测定显示,晶质铀矿形成于1763~1794Ma。EPMA U-Th-Pb化学年龄显示,晶质铀矿形成后经历了1512±20Ma的热事件改造,对应一次岩浆侵入事件。辽东地区经历了古元古代的裂谷拉张、碰撞造山、造山后伸展等重大地质事件。大石桥组中蛇纹石化大理岩中的铀矿化,以及连山关铀矿床、翁泉沟地区铁-硼-铀矿床的热液铀成矿作用均形成于古元古代晚期造山后/非造山区域伸展环境,可能与区域伸展体制下的地幔柱活动有关。
关键词: 辽东    古元古代    大石桥组    铀成矿    地幔柱    
Geological features and dating of uraninite in serpentinized dolomite marbles of the Dashiqiao Formation in eastern Liaoning Province
GUO Chunying1,2, LI Ziying1,2, HAN Jun1,2, XU Hao1,2, BAI Yun1,2, REN Zhongbao3, HAN Yu4, ZHAO Yuting4     
1. Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China;
2. CNNC Key Laboratory of Uranium Resource Exploration and Evaluation Technology, Beijing 100029, China;
3. CNNC Department of Geology and Mining, Beijing 100013, China;
4. School of Earth Sciences and Mineral Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract: In this study, the authors analyzed the geological features and ore-forming ages of the newly found uranium mineralization in serpentinized dolomite marbles to infer their regional metallogenic significance. The uranium mineralization in serpentinized dolomite marbles occurs as uraninite breccias imprinted by later sulfide mineralization such as molybdenite, pyrite. The U-Pb isotopic dating indicates that the uraninite was formed in 1763~1794Ma. The in situ EPMA U-Th-Pb chemical dating of uraninite implies a thermal reworking event on uraninite at 1512±20Ma, which is synchronous to a regional magmatic event. The eastern Liaoning Province underwent significant geological evolution in Paleo-Proterozoic, from early rifting to collisional orogenesis and post orogenic extension. The newly found uranium mineralization in serpentinized dolomite marbles and the uranium mineralization in the Lianshan-guan U deposit and in the Fe-B-U deposits in the Wengquangou area were all formed in a post orogenic/unorogenic extensional environment possibly related to the mantle plume activity in regional extensional tectonic setting.
Key words: eastern Liaoning Province    Paleo-Proterozoic    Dashiqiao Formation    uranium mineralization    mantle plume    

辽东地区是胶-辽-吉古元古代活动带的一部分,经历了复杂的岩浆、变质、构造作用,形成了大量重要的金属、非金属矿产资源,包括铁矿、硼矿、硼铁矿、铅锌矿、金矿、菱镁矿、玉石矿等。同时,中国成矿时代最早、品位最富的热液铀矿床——连山关(3075)铀矿床,也位于胶-辽-吉古元古代活动带的辽东段。因此,辽东一直是中国寻找此类型富大铀矿床的重要远景区。按照矿化组合不同,该地区的古元古代热液铀矿床可分为单铀型、铁-铀型、硼-铀型3类。单铀型包括连山关(3075)、玄岭后(410)铀矿床,主要产于新太古代连山关杂岩体与古元古代辽河群接触带。铁-铀型包括高家沟(405)铀矿床及众多铀矿(化)点,主要产于太古宙弓长岭-连山关杂岩体内部的鞍山群残留体中,与鞍山式BIF型铁矿伴生。硼-铀型主要是翁泉沟含铀硼镁铁矿矿床,产于古元古代辽河群里尔峪组中,以铁、硼、铀伴生型矿化为特征。此外,辽河群大石桥组也发育铀矿化现象,包括辽阳水泉A22铀异常点、宽甸县八河川地区5580铀矿化点,铀矿化与蛇纹石化大理岩有关。通过野外地质调查,笔者在辽阳市水泉乡鸡爪村、岫岩县石庙子镇古洞村2处产于大石桥组蛇纹石化大理岩中的岫岩玉矿床中发现了新的铀矿化现象,为晶质铀矿与辉钼矿伴生矿化。对该类型的铀矿化开展了矿相学和年代学研究,分析其与辽东地区单铀型、铁-铀型、硼-铀型铀矿化成矿的关系及其区域成矿学意义,为区域铀成矿预测提供新的信息。

1 区域地质概况

辽东地区是古元古代胶-辽-吉活动带的一部分(图 1),主要由太古宙基底、辽吉花岗岩、辽河群变质岩系组成,可见部分中—新元古代、古生代盖层,还发育不同时期的侵入岩、火山岩等。与铀矿化有关的主要是太古宙基底、辽吉花岗岩、辽河群变质岩系。

图 1 辽东地区大地构造简图 Fig.1 Geotectonic map of eastern Liaoning Province

太古宙基底包括鞍山群变质岩系、花岗岩。鞍山群岩性包括角闪斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩、变粒岩、浅粒岩夹磁铁石英岩,其原岩为火山-沉积建造,经历了角闪岩相-麻粒岩相变质作用[1]。花岗岩主要是鞍本地区的钾长花岗质片麻岩-淡色块状花岗岩组合,辽东南部地区石英闪长质-英云闪长质-花岗闪长质片麻岩组合[2]。弓长岭—连山关—八河川一带的太古宙花岗岩中常见鞍山群变质岩残留体,局部见磁铁石英岩,构成规模不等的鞍山式铁矿。

辽吉花岗岩包括变形的条痕状花岗岩和未变形的斑状二长花岗岩、花岗岩、碱性正长岩。条痕状花岗岩为裂谷拉张阶段形成的A型二长花岗质片麻岩,时代为2.18~2.09Ga[3-5]。未变形的斑状二长花岗岩、花岗岩、碱性正长岩为古元古代侵入岩,时代为1843~1875Ma[3-6]

辽河群为一套火山-沉积变质岩系,原岩为火山岩-泥砂质碎屑-碳酸盐沉积,自下而上可分为浪子山组、里尔峪组、高家峪组、大石桥组、盖县组,经历了绿片岩相-角闪岩相变质作用。除里尔峪组中双峰式火山岩形成时代为2.2~2.15Ga[7-9]外,辽河群其他岩组的沉积时代为2.05~1.93Ga[7, 10-11]。辽河群及条痕状花岗岩都经历了约1.9Ga的区域变质作用[10-11]

2 辽河群大石桥组铀矿化特征

新发现的辽阳水泉鸡爪村、岫岩石庙子镇古洞村的铀-钼伴生型矿化产出于辽河群大石桥组蛇纹石化大理岩中(图 2)。区域上,该地区为辽河群褶皱构造区,走向为北西向、近东西向,包括大型复背斜、复向斜及规模较小的次级褶皱。这些复式褶皱被后期的北西向、北东向断裂切穿(图 2)。

图 2 辽东鸡爪—古洞地区地质图 Fig.2 Geological map of the Jizhua-Gudong area of the eastern Liaoning Province 1—第四系;2—钓鱼台组砂岩;3—盖县组江还山段二云片岩;4—盖县组杨家沟段二云片岩;5—大石桥组杨树沟段白云石大理岩;6—大石桥组华子峪段二云片岩;7—大石桥组王家沟段大理岩;8—高家峪组片岩、大理岩;9—里尔峪组含磁铁电气石变粒岩;10—早白垩世中粗粒斜长花岗岩;11—白垩纪二长花岗岩;12—中侏罗世似斑状二长花岗岩;13—晚三叠世二长花岗岩;14—中元古代伟晶岩;15—变质辉长岩;16—中元古代变质辉绿岩;17—斜长角闪岩;18—古元古代条痕二长花岗岩;19—新太古代连山关花岗岩;20—断层;21—背斜及编号;22—向斜及编号;23—铀矿化点;24—村镇

水泉乡鸡爪村玉石矿位于⑦ 号背斜南翼的次级向斜与背斜西侧的大石桥组杨树沟段白云石大理岩中(图 2),岩性为蛇纹石化镁质大理岩。大石桥组三段镁质大理岩为白色,蛇纹石化后呈灰绿色、翠绿色,被作为玉石矿开采利用。蛇纹石化大理岩中发育浸染状的黑色辉钼矿化,并伴有不同程度的放射性,且局部放射性较强,可以达到铀的工业品位。野外观察发现,开采碎石中可见黑色团块状晶质铀矿(图版Ⅰ-a),显示蛇纹石化大理岩中局部存在铀的富集作用。对放射性较强的辉钼矿矿化蛇纹石化大理岩进行镜下岩相学观测,可见辉钼矿切穿晶质铀矿,显示辉钼矿形成晚于晶质铀矿(图版Ⅰ-ef)。此外,铀矿化蛇纹石化大理岩中还可见少量的黄铁矿、黄铜矿等矿化(图版Ⅰ-f)。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a.鸡爪团块矿晶质铀矿,裂隙中见次生铀矿物;b.鸡爪蛇纹石化大理岩中团块状辉钼矿;c.古洞蛇纹石化大理岩中角砾状晶质铀矿,裂隙面见次生铀矿物;d.古洞蛇纹石化大理岩中角砾状晶质铀矿及团块状辉钼矿;e.鸡爪蛇纹石化大理岩中晶质铀矿、辉钼矿矿化矿相学显微特征;f.鸡爪蛇纹石化大理岩中晶质铀矿、辉钼矿、黄铁矿、黄铜矿矿化矿相学显微特征

岫岩县石庙子镇古洞玉石矿位于⑧ 号向斜北翼(图 2),产于大石桥组杨树沟段白云石大理岩中。镁质大理岩被强烈蚀变,形成蛇纹石化镁质大理岩,被作为玉石矿开采利用。蛇纹石化大理岩多呈翠绿色,颜色鲜艳,透明度较高,是较好的岫岩玉石。蛇纹石化大理岩局部见黑色角砾状晶质铀矿(图版Ⅰ-cd),伴有黑色辉钼矿化(图版Ⅰ-d)。铀矿化部位可见黄色次生铀矿物(图版Ⅰ-c),说明其经历了后期改造作用。

3 铀矿化时代

考虑到水泉乡鸡爪玉石矿蛇纹石化大理岩中的铀矿化后期改造不明显,岫岩县石庙子镇古洞玉石矿蛇纹石化大理岩中的铀矿化后期改造明显,对晶质铀矿的年龄测定工作以前者为主。采用的方法有传统晶质铀矿单矿物U-Pb同位素稀释法、电子探针EPMA U-Th-Pb化学法。

3.1 晶质铀矿U-Pb同位素年龄

铀矿化蛇纹石化大理岩的晶质铀矿单矿物分选工作由廊坊宇能矿物分选有限公司完成,单矿物纯度大于99%。单矿物的U-Pb同位素分析由核工业北京地质研究院分析测试中心完成,采用仪器为ISOPROBE-T热表面电离质谱仪,执行规范为EJ/T 693—2007《沥青铀矿、晶质铀矿的年龄测定方法》 [12]。分析测试结果及年龄见表 1

表 1 大石桥组蛇纹石化大理岩中晶质铀矿U-Pb同位素组成及年龄 Table 1 U-Pb isotopic compositions and ages of the uraninite in the serpentinized marbles of the Dashiqiao Formation

古洞蛇纹石化大理岩中的晶质铀矿207Pb/206Pb年龄为1298.6Ma,明显小于鸡爪蛇纹石化大理岩中晶质铀矿的207Pb/206Pb年龄。由于古洞的样品可见明显的次生铀矿物,说明原生晶质铀矿遭受了明显的后期改造作用,可能由于铅丢失导致年龄值偏小,不能反映晶质铀矿的原始形成年龄。鸡爪蛇纹石化大理岩中4件晶质铀矿的207Pb/206Pb年龄也有一定差别,34-1和34-2号样品为团块状晶质铀矿,其207Pb/206Pb年龄分别为1679.6Ma和16556.3Ma。这2件样品可见到明显的黄色次生铀矿物,认为其存在放射成因铅的丢失,导致年龄值偏小。34-3和34-4号样品的产状比较清晰,晶质铀矿无明显的后期改造作用,其207Pb/206Pb年龄分别为1794.2Ma、1763.2Ma,认为其代表了晶质铀矿的原始形成年龄,即晶质铀矿矿化时代为1763 ~ 1794Ma。

3.2 晶质铀矿EPMA U-Th-Pb化学年龄

将铀矿化蛇纹石化大理岩磨制光薄片,在镜下岩相学观察的基础上,采用电子探针对晶质铀矿进行微区原位成分分析。根据晶质铀矿的电子探针成分数据,计算得到U-Th-Pb表观年龄。晶质铀矿的电子探针成分分析在核工业北京地质研究院分析测试中心完成,采用仪器为JXA-8100电子探针分析仪,仪器运行参数为:加速电压20kV,束流1×10-8A,出射角40°,分析方式为波谱分析,修正方式为ZAF,执行分析测试标准为GB/T 15074—2008 《电子探针定量分析方法通则》。U-Th-Pb表观年龄根据晶质铀矿的UO2、ThO2、PbO含量计算得到,采用Steiger等[13]提出的公式及相关参数计算得到。

晶质铀矿的电子探针化学组成及U-Th-Pb表观年龄计算结果列于表 2。晶质铀矿的成分以UO2、PbO为主,含有少量Y2O3、ThO2、K2O、CaO、Na2O,以及微量SiO2、Al2O3、MgO、P2O5、TiO2、Yb2O3、FeO、MnO。计算得到的U-Th-Pb表观年龄为777~2140Ma。参考郭国林等[14]的研究,将表观年龄误差设定为5%(2σ),采用Isoplot软件对年龄进行分析(图 3),得到2组主要的年龄峰值,分别为1512 ± 20Ma和1036 ± 48Ma,前者占总数据的89%,后者占11%。结合单个点的U-Th-Pb表观年龄数据综合分析,认为1512±20Ma可以代表晶质铀矿的电子探针U-Th-Pb表观年龄,而偏大和偏小的表观年龄数据,是由于个别点的分析误差,或晶质铀矿局部较强的体系不封闭性造成铅过剩或丢失导致的,不具有实际的地质意义。1512± 20Ma的年龄代表的地质意义需要结合样品特征和区域地质情况进行综合分析。

表 2 晶质铀矿电子探针成分数据及U-Th-Pb表观年龄计算结果 Table 2 EPMA compositions and calculated U-Th-Pb ages of uraninite
图 3 晶质铀矿EPMA U-Th-Pb化学年龄分布 Fig.3 Distribution of EPMA U-Th-Pb chemical ages of the uraninite
4 讨论 4.1 蛇纹石化大理岩中晶质铀矿形成时代

古洞、鸡爪2处蛇纹石化大理岩中晶质铀矿单矿物的U-Pb同位素分析,获得的207Pb/206Pb年龄差别较大(表 1),古洞玉石矿的103-1号样品的207Pb/206Pb年龄为1298.6Ma,鸡爪玉石矿的4件样品给出2个年龄区间,34-1和34-2号样品的207Pb/206Pb年龄分别为1679.6Ma和1656.3Ma,34-3和34-4号样品的207Pb/206Pb年龄分别为1794.2Ma和1763.2Ma。古洞玉石矿的103-1号样品、鸡爪玉石矿的34-1和34-2号样品均可见黄色次生铀矿物,说明晶质铀矿经历了风化作用,使部分放射性成因铅发生丢失,导致同位素年龄偏小。因此,认为鸡爪玉石矿34-3和34-4号晶质铀矿样品的207Pb/206Pb年龄代表其形成时代,即古洞—鸡爪地区蛇纹石化大理岩中的晶质铀矿形成于1763~1794Ma。

根据鸡爪玉石矿晶质铀矿的EPMA微区原位化学成分计算,得到的U-Th-Pb表观年龄虽然年龄区间较大,但大部分表观年龄数据集中在1512± 20Ma峰值附近。岩相学观测显示,鸡爪地区蛇纹石化大理岩中的晶质铀矿被辉钼矿切穿。这说明,晶质铀矿的形成与辉钼矿的形成是2次热液事件的产物,较早形成的晶质铀矿遭受了辉钼矿形成时热液事件的影响。Bowles [15]指出,采用电子探针数据计算得到的晶质铀矿表观年龄,只有当晶质铀矿形成后未遭受其他热液事件影响时,才能代表其原始形成年龄。如上所述,鸡爪地区蛇纹石化大理岩中的晶质铀矿形成后遭受了其他热液事件的影响,形成了辉钼矿化。因此,根据晶质铀矿电子探针成分计算得到的表观年龄不能代表其形成时代。区域地质图显示(图 2),在鸡爪玉石矿东南方向约20km处发育中元古代斜长花岗岩侵入体,其K-Ar年龄为1565Ma ,与晶质铀矿的电子探针U-Th-Pb化学年龄峰值1512±20Ma较接近。因此,可以认为鸡爪玉石矿中晶质铀矿的电子探针U-Th-Pb化学年龄1512±20Ma代表了一次中元古代岩浆侵入热事件的改造年龄,而不是其原始形成的年龄。

综合以上讨论,笔者认为,鸡爪、古洞两地区蛇纹石化大理岩中的晶质铀矿形成于1763~1794Ma,并于中元古代1565Ma左右经历了岩浆侵入热事件的改造作用,使EPMA U-Th-Pb化学年龄明显偏小,不能代表其原始形成年龄。

4.2 大石桥组蛇纹石化大理岩中晶质铀矿形成的大地构造环境

辽东地区古元古代辽河群是一套裂谷环境下形成的火山-沉积岩系,经历了裂谷闭合过程强烈的区域变质作用。古元古代早期裂谷作用的时代为2.2~1.93Ga,其中2.18~2.09Ga期间形成了大面积的A型二长花岗质片麻岩[3-5],2.2~2.15Ga形成了里尔峪组的基性火山岩[8-9]和酸性火山岩[7];2.05~ 1.93Ga沉积形成了辽河群[7, 10-11]。裂谷闭合碰撞造山过程有关的区域变质作用时代为1.93~1.90Ga,辽河群变质沉积岩[10, 16-17]、变质火山岩[8-9],以及辽吉花岗岩中的二长花岗质片麻岩[5]均记录了这次变质事件。碰撞造山后形成了未变形的非造山/造山后斑状二长花岗岩、花岗岩、碱性正长岩[18],时代为1843~ 1875Ma[3-6]。辽阳河栏镇地区的花岗伟晶岩和变辉绿岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄分别约为1860Ma和1830Ma,前者代表了造山作用的结束,后者标志了造山后的伸展张裂[19]。这些年代学格架的建立,为探讨胶-辽-吉一带古元古代碰撞造山过程热液铀矿床形成的大地构造环境奠定了基础。

鸡爪、古洞2处辽河群大石桥蛇纹石化大理岩中的晶质铀矿的年龄测定显示,其形成于1763~ 1794Ma,晚于辽东地区古元古代裂谷闭合导致的区域变质作用(约1900Ma),同样晚于指示造山后/非造山环境的斑状二长花岗岩、花岗岩、碱性正长岩的形成时代(1843~1875Ma)、代表造山后伸展环境的花岗伟晶岩(约1860Ma)和变辉绿岩(约1830Ma)的形成时代。这些数据说明,辽东大石桥组中蛇纹石化大理岩中的晶质铀矿形成于造山后/非造山伸展环境。

4.3 辽东古元古代热液铀成矿的统一性

除本次新发现的大石桥组蛇纹石化大理岩中的晶质铀矿-辉钼矿伴生成矿作用外,辽东地区还产出有鞍山群“铁-铀型”矿床(高家沟405铀矿床,与弓长岭铁矿伴生),浪子山组与连山关岩体过渡带的“单铀型”矿床(3075铀矿床)、里尔峪组的“铁-硼-铀型”矿床(翁泉沟矿床)。这些不同层位中的铀矿化是否能代表相同大地构造环境中的热液铀成矿作用还值得商榷。

Guo等[20]较系统地总结了辽东地区热液铀矿床的成矿年龄研究成果,初步认为它们形成于造山后挤压向伸展的构造转化环境。这一认识是基于前人采用传统的晶质铀矿U-Pb同位素年龄数据[21-24],显示铀成矿时代(1830~1890Ma)与区域上的非造山环境的斑状二长花岗岩、花岗岩、碱性正长岩(1843~1875Ma),以及花岗伟晶岩(约1860Ma)和变辉绿岩(约1830Ma)形成时代基本一致。笔者最近的研究显示,连山关(3075)铀矿床的形成时代为1700~1800Ma(白云母40Ar/39Ar坪年龄与晶质铀矿EPMA U-Th-Pb化学年龄,未发表数据),翁泉沟地区硼镁铁矿中的伴生铀矿化形成时代约为1800Ma(晶质铀矿U-Pb同位素年龄,未发表数据)。这些研究成果与本文对大石桥组蛇纹石化大理岩中晶质铀矿的年龄测定结果基本一致,暗示辽东地区的热液铀成矿时代为1700~1800Ma,晚于1830~1890Ma。结合大地构造演化的年代学研究成果,认为辽东地区的热液铀成矿事件形成于统一的造山后伸展环境。辽东地区古元古代末期区域伸展环境下的热液铀矿床可能与华南晚中生代伸展体制下的热液铀矿床[25-27]的形成具有某种共同的机制,都与伸展体制下的地幔柱活动有关,是区域尺度热点作用下的热液铀成矿作用[28-31]的结果。

5 结论

(1)辽东地区辽河群蛇纹石化大理岩中发育晶质铀矿-辉钼矿伴生型矿化,晶质铀矿形成早于辉钼矿。晶质铀矿的U-Pb同位素年龄和EPMA UTh-Pb化学年龄显示,未明显风化的晶质铀矿样品的207Pb/206Pb年龄(1763 ~1794Ma)代表其形成的时代,EPMA U-Th-Pb化学年龄(1512±20Ma)反映了其后期热事件改造时代。

(2)大石桥组蛇纹石化大理岩中的晶质铀矿化、浪子山组与连山关岩体过渡带的3075铀矿床、里尔峪组的铁-硼-铀型矿床等不同层位的铀矿化形成时代一致,均集中在1700~1800Ma,它们一同形成于造山后伸展构造环境,反映辽东地区古元古代末期区域伸展环境下的发生了一次重要的热液铀成矿事件,可能与区域伸展体制下的地幔柱活动有关。

致谢: 野外工作得到核工业240研究所庄廷新高级工程师、吴迪、刘晓东工程师等的帮助;U-Pb同位素分析得到核工业北京地质研究院崔建勇高级工程师的帮助,电子探针分析得到核工业北京地质研究院葛祥坤高级工程师的帮助;核工业地质局郭庆银高级工程师对本文初稿提出了修改意见,在此一并表示感谢。

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