地质通报  2020, Vol. 39 Issue (8): 1285-1295  
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刘佳林, 刘武生, 虞航, 章展铭. 二连盆地巴彦乌拉铀矿区花岗岩锆石U-Pb年龄和Hf同位素特征及地质意义[J]. 地质通报, 2020, 39(8): 1285-1295.
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Liu J L, Liu W S, Yu H, Zhang Z M. Zircon U-Pb ages and Hf isotopic compositions of the granites from Bayanwula area and their geological significance[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(8): 1285-1295.
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基金项目

中核集团项目《二连基地砂岩型铀矿地质数字平台和大数据找矿预测》(编号:地LCEQ03)和《北方重点盆地砂岩型铀矿资源扩大与靶区优选》(编号:地LTD1601)

作者简介

刘佳林(1986-), 女, 博士, 矿产普查与勘探专业。E-mail:jialints@163.com

文章历史

收稿日期: 2019-04-12
修订日期: 2020-03-10
二连盆地巴彦乌拉铀矿区花岗岩锆石U-Pb年龄和Hf同位素特征及地质意义
刘佳林, 刘武生, 虞航, 章展铭    
中核集团核工业北京地质研究院, 北京 100029
摘要: 二连盆地中部巴彦乌拉地区位于中亚造山带东段,发育有多个砂岩型铀矿床(点)。利用LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素和Hf同位素分析对巴彦乌拉地区巴音宝力格隆起东部花岗岩开展了年代学研究。结果显示,2个样品的锆石U-Pb年龄在292±3~288±2 Ma之间,与巴彦乌拉地区巴音宝力格隆起中西部发育的早二叠世花岗岩及流纹岩的年龄范围基本一致。结合区域成岩年代学数据可知,巴彦乌拉地区巴音宝力格隆起发育一条主要由晚石炭世—早二叠世花岗岩及火山岩组成的岩浆岩带。锆石Hf同位素数据显示,2个花岗岩样品的εHft)值为+10.6~+18.2,表明其源区为新生下地壳物质。综合区域地质特征可知,中亚造山带东段显生宙的构造-岩浆活动与二连盆地中部及巴彦乌拉地区赛汉组上段砂岩型铀成矿作用关系密切,为砂岩型铀矿床的形成提供了一系列有利条件。
关键词: 二连盆地    巴彦乌拉    砂岩型铀矿    锆石U-Pb年龄    Hf同位素    
Zircon U-Pb ages and Hf isotopic compositions of the granites from Bayanwula area and their geological significance
LIU Jialin, LIU Wusheng, YU Hang, ZHANG Zhanming    
CNNC Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China
Abstract: The Bayanwula area is located in the middle part of the Erlian Basin, eastern part of the Central Asian orogenic belt, and hosts some sand-type uranium deposits.In this paper, the authors present two LA-ICP-MS zircon U-Pb ages and Hf isotopic compositions for granites from the study area, which show that the emplacement ages of these granitic rocks are 292±3 Ma and 288±2 Ma.Theses ages are consistent with those of granitic and volcanic rocks occurring in the Bayinbaolige horst of the Bayanwula area.The data obtained by the authors and previously published data indicate that a magma belt consisting of Late Carboniferous-Early Permian granitic and volcanic rocks were developed in the Bayinbaolige horst of the Bayanwula area.Zircon Hf isotopic compositions show that two granite samples have εHf(t)values of +10.6 to +18.2, which are similar to those of the Early Permian granitic rocks located on the Bayinbaolige horst of the study area, indicating that the granites were derived from the partial melting of juvenile lower crust.Integrated with geological data, this study indicates that the formation of the sand-type uranium deposits developed in the upper member of the Saihan Formation was associated with tectonic-magmatism processes that happened in the eastern part of the Central Asian orogenic belt during Phanerozoic, which provided many optimum conditions for these sand-type uranium deposits.
Key words: Erlian Basin    Bayanwula    sand-type uranium deposit    zircon U-Pb age    Hf isotope    

砂岩型铀矿床是世界上最重要的铀矿床类型之一[1],亦是中国铀矿勘查的主攻方向[2-6]。中国砂岩型铀矿床主要产于二连、伊犁、吐哈、鄂尔多斯、松辽、巴音戈壁等北方盆地。在大地构造位置上,这些盆地及有关的砂岩型铀矿床主要分布于中亚造山带,而中国其他造山带很少发育如此数量和规模的沉积盆地与砂岩型铀矿床[2]。显然,研究中亚造山带的构造-岩浆演化过程与砂岩型铀矿床的关系,对于分析中国北方砂岩型铀矿床成矿规律具有重要意义。

二连盆地位于中亚造山带东段,是中国砂岩型铀矿的重要富集区之一。近年来,随着找矿勘查工作的深入,在盆地中部的巴彦乌拉、赛汉高毕、哈达图等地区先后发现多个砂岩型铀矿床,实现了铀矿找矿的重大突破[7-8]。研究表明,二连盆地砂型铀矿床的铀源和物源以晚古生代和晚中生代花岗岩为主[9-10],对这些花岗岩开展年代学、成因和构造背景研究,有助于深入探讨中亚造山带东段演化过程与二连盆地砂岩型铀矿的关系。巴彦乌拉地区位于二连盆地中部,夹持于巴音宝力格隆起和苏尼特隆起之间,是二连盆地重要的砂岩型铀成矿区之一。最近的研究表明,巴彦乌拉地区砂岩型铀矿床的物源和铀源主要与巴音宝力格隆起上的晚古生代及中生代花岗质岩石有关[8-9, 11]。本文以巴彦乌拉地区巴音宝力格隆起的晚古生代花岗岩为研究对象,通过成因和构造背景研究,初步探讨中亚造山带东段构造-岩浆演化与二连盆地砂岩型铀矿床的关系,以期为区域成矿规律研究提供参考。

1 区域地质背景

二连盆地位于中亚造山带东段,华北克拉通北部,中朝板块与西伯利亚板块之间的缝合线上,总体呈北东向展布,长约800 km,宽50~200 km,面积约130000 km2 [9, 12],其北侧为巴音宝力格隆起,东侧为大兴安岭隆起,南侧为温都尔庙隆起,西侧为索伦山隆起。盆地属典型的山间盆地,主要由川井坳陷、乌兰察布坳陷、腾格尔坳陷、马尼特坳陷、乌尼特坳陷及苏尼特隆起组成。其中,苏尼特隆起呈北东走向,贯穿盆地东北部至中西部,其西北部与乌兰察布坳陷和马尼特坳陷接壤,东南部与腾格尔坳陷和乌尼特坳陷相接(图 1-a)。因此,5个坳陷和1个隆起形成了二连盆地隆起、坳陷平行相间分布的“盆-岭”构造[23]

图 1 二连盆地及巴彦乌拉地区地质简图(据参考文献[13]修改) Fig.1 Geological map of the Erlian Basin and the Bayanwula area (图中同位素数据①②③④⑤⑥⑦⑧⑨分别据参考文献[14][15][16][17][18][19][20][21][22])

二连盆地形成于中生代大陆伸展的构造背景下,属兴-蒙海西多旋回、软碰撞褶皱变质基底上发育起来的陆内盆地[23]。该盆地的发展主要经历了2期裂谷作用[24],其中第2期裂谷作用发生于晚白垩世(包括早期同裂谷、裂谷高峰和晚期同裂谷3个阶段),被认为是盆地中砂岩型铀矿主要的形成时期,例如巴彦乌拉、赛汉高毕、道尔苏矿床等[25]。盆地沉积充填序列可分为下部、中部和上部,其中,下部沉积主要为阿拉坦合力群和大兴安岭群,沉积相和岩性为冲积扇、湖泊和沼泽沉积的火山岩、含煤粗碎屑岩建造;中部沉积主要为阿尔善组、腾格尔组和赛汉组,沉积相和岩性为河流相、湖泊相及三角洲相的泥岩、碳酸盐岩及砂岩建造;上部沉积主要为二连组,以河湖、冲积扇沉积的杂色碎屑岩建造为主[15]。盆地内的花岗质岩石主要分布于苏尼特隆起,以及盆地与巴音宝力格隆起和温都尔庙隆起的过渡地带,其成岩时代主要为元古宙—古生代、古生代及中生代,岩性主要为安山岩、二长花岗岩、黑云二长花岗岩、花岗闪长岩、花岗岩、流纹岩、霓石碱性花岗岩、片麻状花岗岩、石榴子石白云母花岗岩、石英闪长岩、正长花岗岩等[26-29](表 1)。岩石出露面积一般较大,主要呈岩基、岩株侵入于古生代地层中,部分被中生代地层覆盖。巴彦乌拉地区位于二连盆地中部,主要由马尼特坳陷、巴音宝力格隆起和苏尼特隆起组成。马尼特坳陷位于该区中部,夹持于巴音宝力格隆起和苏尼特隆起之间,以早白垩世和新生代沉积为主要特征。巴音宝力格隆起和苏尼特隆起广泛出露中生代及古生代花岗质岩石及火山岩,局部出露古元古代变质岩(图 1-b)。本次采集的2个花岗岩样品(DEL4-1和DEL6-1)即采自巴彦乌拉地区东北部巴音宝力格隆起(图 1-b)。

表 1 二连盆地主要花岗质岩石及火山岩成岩年龄 Table 1 Ages of the granitic and volcanic rocks from the Erlian Basin

二连盆地中部发育多个砂岩型铀矿床,主要有哈达图、巴彦乌拉、赛汉高毕等。这些矿床以板状矿体为特色,受相似的铀矿化条件控制,即属同一矿床类型(古河道型砂岩型铀矿床);产于同一区域(二连盆地中部);赋存于同一地层层位(下白垩统赛汉组上段);具有相似的物源(海西期—燕山期富铀花岗岩);形成于同一构造背景(K1s2-E2y沉积间断和构造反转);皆发育潜水-层间氧化作用[7-8, 42],但是在矿床规模和品位方面存在一定差异。

2 分析方法

利用电磁选和重液分选等方法分选锆石,并在显微镜下挑选相对自形、杂质较少和新鲜的锆石晶体制作成样品靶。将样品靶打磨和抛光至大部分锆石颗粒中心部位暴露后,选择需开展U-Pb同位素分析的锆石进行透射光、反射光和阴极发光(CL)拍照。

LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。实验仪器为RESOlution S-155和Thermo ICAP RQ ICP-MS组成的激光剥蚀系统,仪器能在33 μm的范围内对单颗粒锆石进行U-Pb同位素及微量元素测试。在激光剥蚀过程中,采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度。锆石的U、Th、Pb含量通过标准硅质玻璃NIST SRM 612为外标进行计算。样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量、U-Th-Pb同位素比值等采用软件ICPMSDataCal[43-44]完成。锆石U-Pb同位素年龄计算及谐和图的构建利用ISOPLOT/Ex(v.3.0)[45]完成。详细的仪器操作条件和数据处理方法见Liu等[43-44]

锆石Hf同位素测试使用Neptune多接收等离子质谱和Newwave UP213紫外激光剥蚀系统开展。实验过程中,使用氦气作为载气,锆石标样GJ1作为参考物质,激光剥蚀束斑直径一般在55 μm左右。实验在中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。相关仪器运行条件及详细分析流程见侯可军等[46]

3 分析结果 3.1 锆石U-Pb同位素分析结果

本次对二连盆地中部2个花岗岩样品进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测试,分析结果和锆石阴极发光图像见表 2图 2

表 2 巴彦乌拉花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素数据 Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb data of the Bayanwula granites
图 2 巴彦乌拉地区花岗岩代表性锆石阴极发光(CL)图像和锆石U-Pb谐和图 Fig.2 Representative CL images and U-Pb concordia diagrams of zircons in the granites from the Bayanwula area

样品DEL4-1中的锆石长80~200 μm,宽30~150 μm,以半自形、他形结构为主,发育明显的振荡环带(图 2),Th含量为156×10-6~538×10-6,U含量为155×10-6~426×10-6,说明这些锆石具有岩浆成因锆石的特点[47]。本次共对10颗锆石进行了10个测点的分析(表 2)。结果显示,10个测点的206Pb/238U年龄范围为293±5~290±5 Ma,加权平均值为292±3 Ma(MSWD=0.04,n=10),代表了岩浆结晶的时间(图 2)。

样品DEL6-1中的锆石具有明显的岩浆成因特点[47]:Th含量为206×10-6~347×10-6,U含量为377×10-6~563×10-6,Th/U值在0.5~0.7之间;发育明显的环带状结构,中细粒、自形-半自形结构。16个测点的206Pb/238U年龄加权平均值为288±2 Ma(MSWD=0.3,n=16),代表该花岗质岩浆的结晶时间(图 2)。

3.2 锆石Hf同位素分析结果

Hf同位素分析结果见表 3。样品DEL4-1中7颗锆石的7个测试点的初始176Hf/177Hf值较均一(0.2829677~0.2831215)。将相应的年龄值进行计算,得出εHf(t)值为+13.3~+15.3;二阶段Hf模式年龄(tDM2)为0.46~0.33 Ga。

表 3 巴彦乌拉花岗岩LA-ICP-MS锆石Hf同位素数据 Table 3 LA-ICP-MS zircon Hf isotopic data of the Bayanwula granites

样品DEL6-1中13颗锆石的13个测试点的初始176Hf/177Hf值为0.2828905~0.2830046,εHf(t)值为+10.6~+14.6;二阶段Hf模式年龄(tDM2)为0.63~0.37 Ga。

4 讨论 4.1 成岩时代

二连盆地属典型的山间盆地,盆地内部及其周围的苏尼特隆起、巴音宝力格隆起、大兴安岭隆起、温都尔庙和索伦山隆起皆发育大量的花岗岩及火山岩。成岩年龄数据显示(表 1图 3),二连盆地花岗岩及中酸性火山岩的成岩时代以晚石炭世—早二叠世为主,峰值在290~260 Ma之间,其次为晚侏罗世—早白垩世、晚三叠世、晚志留世及古元古代,说明早二叠世是二连盆地重要的岩浆活动时期之一。

图 3 二连盆地赛汉组上段碎屑锆石U-Pb年龄(a)和二连盆地花岗质岩石及火山岩锆石U-Pb年龄(b)直方图 Fig.3 Histogram of detrital zircon U-Pb ages from the Saihan Formation(a)and zircon U-Pb ages of granitic rocks(b)in the Erlian Basin (赛汉组上段碎屑锆石U-Pb年龄数据据参考文献[11];花岗质岩石锆石U-Pb加权年龄数据参考文献见表 1)

前人对巴彦乌拉地区巴音宝力格隆起中西部的岩浆岩开展了大量的地质年代学研究,但对于该隆起东部花岗岩的年代学研究较少(图 1)。本次获得该隆起东部花岗岩的锆石U-Pb年龄为292±3 Ma和288±2 Ma,为早二叠世,与该隆起中西部花岗岩及火山岩的成岩年龄相近。结合已发表的年龄数据可知,巴彦乌拉地区巴音宝力格隆起发育一条北东向、以早二叠世花岗岩和火山岩为主的岩浆岩带(图 1-b),其南部的苏尼特隆起则主要发育泥盆纪、石炭纪和三叠纪岩浆岩。

4.2 岩浆源区特征

锆石Hf同位素分析结果显示,2个样品具有相似的εHf(t)值(+10.6~+18.2),说明两者具有相似的岩浆源区。这一锆石Hf同位素组成与巴彦乌拉地区巴音宝力格隆起新生下地壳部分熔融形成的290~288 Ma花岗岩具有一致的锆石Hf同位素组成(+9.8~+16.0)[19]。在图 4中,所有样品点均落在中亚造山带东段古生代及中生代岩浆岩的锆石εHf(t)值范围内,明显不同于华北克拉通北缘岩浆岩的锆石εHf(t)值,表现出成岩物质地幔来源的特征。此外,样品具有较年轻的锆石Hf同位素二阶段模式年龄,明显低于华北克拉通北缘基底年龄[48-50],而与中亚造山带东段古生代花岗质岩石的Nd、Hf同位素模式年龄相近[26, 29],说明研究区巴音宝力格隆起的花岗质岩石的源区可能为幔源新生下地壳。研究表明,中亚造山带是世界上规模最大和最复杂的造山带之一,在新元古代—晚古生代经历了古亚洲洋的演化过程,发生了大规模的地幔物质底侵,形成了大量新生地壳[51]和新生下地壳部分熔融产生的花岗质岩石[26, 52]。因此,结合成岩年代学和同位素地球化学数据可知,巴彦乌拉地区巴音宝力格隆起的早二叠世花岗岩的源区主要为新生下地壳物质。

图 4 花岗岩样品DEL6-1和DEL4-1锆石年龄-εHf(t)图解 Fig.4 Diagram of εHf(t)versus age of the granite samples (DEL6-1 and DEL4-1)
4.3 地质意义

由上文可知,巴彦乌拉地区巴音宝力格隆起发育一条以早二叠世花岗岩、火山岩为主的北东向岩浆岩带,主要为新生下地壳物质部分熔融的产物。由地质年代学数据可知,二连盆地赛汉组上段碎屑锆石年龄以晚石炭世—早二叠世为主(图 3),与巴彦乌拉地区巴音宝力格隆起北东向岩浆岩带的形成时代基本一致,说明该岩浆岩带为巴彦乌拉地区铀矿床的形成提供了大量的物源。研究表明,赛汉组上段的沉积时代为早白垩世晚期,而二连盆地中部赛汉组上段发育的砂岩型铀矿床的成矿时代主要为古近纪,例如,赛汉高毕和巴彦乌拉地区的成矿时代分别为63 Ma和44 Ma[32, 53]。这说明,赛汉组上段砂岩型铀矿成矿作用发生于该段砂体沉积后至少40 Ma。最新研究显示,二连盆地及其东部的大兴安岭南段于100~50 Ma之间发生过一次显著的抬升剥蚀事件[32, 54]。其中,巴彦乌拉地区在66~42 Ma曾发生构造反转事件,导致该区北部岩体发生隆升而遭受剥蚀[42]。这一构造事件晚于赛汉组上段形成时代(约100 Ma)[25, 55],但与巴彦乌拉地区砂岩型铀矿成矿时代(44 Ma)[32, 53]基本一致,说明在巴彦乌拉地区北部岩石隆升剥蚀的同时发生了大规模铀矿化,暗示研究区北部巴音宝力格隆起的早二叠世岩浆岩带很可能是重要的铀源之一。此外,成岩年代学研究显示,从大兴安岭南段—阿拉善的广大地区鲜有晚白垩世—古近纪岩浆活动的报道[52, 56],说明二连盆地于早白垩世后已进入岩浆-构造活动的相对平静期,为砂岩型铀矿床的保存提供了有利条件。综上所述,巴彦乌拉地区赛汉组上段砂岩型铀矿床的形成主要得益于以下几个有利的区域地质条件,如中生代盆地的形成、巴音宝力格隆起以花岗岩为主的岩浆岩带、成矿后相对较弱的构造-岩浆活动等,而这些地质条件均与中亚造山带东段岩浆-构造活动关系密切。

二连盆地中部所处的中亚造山带东段属介于西伯利亚板块和华北克拉通之间的增生造山带,记录了与古亚洲洋、蒙古-鄂霍茨克洋和古太平洋演化有关的俯冲-碰撞造山作用及陆内伸展作用过程。根据大量的地质年代学数据可知,中亚造山带东段的岩浆活动以晚石炭世—早二叠世为主,其次为晚侏罗世—早白垩世(图 3)。其中,晚石炭世—早二叠世处于大洋俯冲-闭合的构造背景下,而晚侏罗世—早白垩世处于板内伸展的构造背景下[57-58]。在古亚洲洋的俯冲-闭合作用下,局部的伸展环境导致软流圈上涌和大规模地幔物质底侵,形成了贯穿二连盆地乃至整个中亚造山带东段的一系列近北东向的晚石炭世—早二叠世A型花岗岩及高分异花岗岩带[19, 59-61],如二连盆地的巴音宝力格隆起、苏尼特隆起等。晚侏罗世—早白垩世,在蒙古-鄂霍茨克洋和古太平洋构造域的双重影响下,中亚造山带东段发生大规模伸展和地幔物质底侵过程,发育大量I型、A型花岗岩和高分异花岗岩[52, 57],并形成以二连盆地为代表的多个中生代陆内盆地。研究表明,二连盆地在演化过程中接收了来自于巴音宝力格、苏尼特等隆起的大量晚石炭世—早二叠世和晚侏罗世—早白垩世的岩浆岩碎屑沉积物[9](图 3)。地球化学特征显示,巴音宝力格和苏尼特隆起上的岩浆岩均具有较高的U含量(U为4.00×10-6~8.03×10-6;U/Th值为2.50~4.68),其中,石炭纪—二叠纪岩体分布相对广泛,且U含量较高(平均为4.61×10-6),是盆地内砂岩型铀矿床的主要铀源[25]。此外,蒙古-鄂霍茨克洋于晚侏罗世—早白垩世闭合[52],晚白垩世后中亚造山带东段主要受古太平洋板块俯冲的远程效应影响,区域构造-岩浆活动逐渐减弱,仅发生局部构造隆升事件[54]。这些隆升事件不仅为砂岩型铀成矿作用的发生提供了有利的构造条件[42],而且也为矿床的保存提供了重要保障。因此,结合前人研究成果,笔者认为,中亚造山带东段古亚洲洋、蒙古-鄂霍茨克洋和古太平洋的演化与二连盆地中部赛汉组上段的砂岩型铀矿床关系密切,大规模的构造-岩浆活动为铀成矿作用的发生提供了物源、铀源等有利条件。

5 结论

(1) 巴彦乌拉地区巴音宝力格隆起上发育一条主要由晚石炭世—早二叠世花岗岩及火山岩组成的北东向岩浆岩带。

(2) 巴彦乌拉地区巴音宝力格隆起的早二叠世花岗岩主要为新生下地壳物质部分熔融的产物。

(3) 中亚造山带东段古亚洲洋、蒙古-鄂霍茨克洋和古太平洋的演化过程与二连盆地中部赛汉组上段砂岩型铀成矿作用关系密切,为这些砂岩型铀矿床的形成提供了一系列有利条件。

致谢: 感谢两位审稿专家提出的宝贵意见和建议;感谢核工业208队在野外工作过程中给予的大力支持;感谢中国地质调查局发展研究中心姚磊博士、中国地质大学(北京)贾宏翔博士、中国地质科学院矿产资源研究所侯可军研究员及中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室的老师和同学在分析测试过程中给予的帮助。

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