嚴(yán)冰 ,嚴(yán)寒 ,魏文風(fēng),曹陽 ,李健

1) 成都理工大學(xué),成都,610059； 2)核工業(yè)西藏地質(zhì)調(diào)查院,成都,610081； 3) 有色金屬華東地質(zhì)勘查局,南京,210007

內(nèi)容提要:江西相山沙洲鈾礦床位于中國華南贛杭鈾成礦帶南西段、華南中生代陸相火山巖帶西緣。本次工作系統(tǒng)采集了礦區(qū)內(nèi)成礦期黃鐵礦、方解石,開展了穩(wěn)定同位素和稀有氣體同位素研究。研究表明方解石的δ13CV-PDB和δ18OV-SMOW值分別為-3.2‰～-7.4‰,8.5‰～15.2‰,成礦流體中的碳主要源自地幔；黃鐵礦樣品流體包裹體的n(40Ar)/n(36Ar)值為303～326,n(3He)/n(4He)值為0.193～2.946 Ra；成礦流體的He—Ar同位素組成是地殼流體[n(3He)/n(4He)值較低,n(40Ar)/n(36Ar)值與大氣近似]和地幔流體[高n(3He)/n(4He)和n(40Ar)/n(36Ar)值]兩端元的不同比例混合產(chǎn)物。

早在20世紀(jì)60年代,稀有氣體元素由于其具有的含量低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和同位素分餾效應(yīng)等特點(diǎn)(劉英俊等,1984),就已成為研究各類地質(zhì)作用、地球化學(xué)過程的良好工具,廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代地質(zhì)流體源區(qū)示蹤及水—巖反應(yīng)過程的研究(Kennedy et al.,2006)。自Simmons等(1987)首次通過研究秘魯熱液礦床流體包裹體中的氦同位素組成以來,稀有氣體同位素在示蹤成礦流體來源、推演成礦過程與殼幔演化機(jī)制方面的研究引起了海內(nèi)外諸多礦床研究人員的重視。其中最為常用的是He和Ar同位素。尤其是He,其n(3He)/n(4He)值在大氣、地殼、上地幔和下地幔中的平均值分別為1.4×10-6,2×10-8,1.2×10-5,5×10-5,地殼中的n(3He)/n(4He)值與典型地幔流體中的n(3He)/n(4He)值相差3個數(shù)量級,這就使得礦石礦物流體包裹體中封存的n(3He)/n(4He)值可靈敏顯示地幔流體成分的存在。這種典型的殼幔差異性及靈敏識別度使得稀有氣體同位素已經(jīng)逐漸成為流體示蹤地幔流體成分最為重要的示蹤劑之一,在研究成礦背景,揭示礦床成因等方面被廣泛應(yīng)用(胡瑞忠等,1997,1998,1999；Stuart et al.,1995；Turner et al.,1992a；Burnard et al.,1999；毛景文等,1997, 2001；張連昌等,2002；申萍等,2004；翟偉等,2006)。

圖1 樂安縣相山鈾礦田地質(zhì)簡圖Fig. 1 Geological sketch map of the Xiangshan uranium orefield, Le’an county K—白堊系紅色砂礫巖；J3e—上侏羅統(tǒng)鵝湖嶺組碎斑熔巖；J3d—上侏羅統(tǒng)打鼓頂組流紋英安巖、砂礫巖； T3a—上三疊統(tǒng)安源組砂礫巖、砂巖；Z—震旦系變質(zhì)巖；πγ—潛花崗斑巖；γ3—加里東期花崗巖 K—Cretaceous red sandy conglomerate; J3e—Late Jurassic porphyroclastic lava; J3d—Late Jurassic rhyolitic volcanics, sandstone, conglomerate; T3a—Late Teriassic sandstone, conglomerate; 7—Sinian metamorphic rocks; πγ— sub-granite-porphyrys; γ3— Caledonian granite

近年來,隨著對華南地區(qū)中生代大規(guī)模成礦作用與巖石圈多階段伸展研究,及華南白堊紀(jì)—古近紀(jì)地殼拉張與鈾成礦關(guān)系研究的不斷深入,對華南地區(qū)諸多鈾礦床,采用稀有氣體同位素示蹤流體中幔源組分的研究也取得了重要進(jìn)展,如對廣東仁化長江鈾礦田302鈾礦床(張國全,2008)、粵北下莊鈾礦田(商朋強(qiáng), 2007)、鄒家山鈾礦床(Hu Ruizhong et al.,2009)的研究均表明：在華南地區(qū)鈾成礦過程中,存在大量幔源稀有氣體。鑒于此,本次工作研究了相山礦田沙洲鈾礦床硫化物流體包裹體中的稀有氣體同位素組成,結(jié)合方解石碳同位素特征,探討該礦床成礦流體中稀有氣體組分及礦化劑CO2來源,為正確揭示區(qū)域上大規(guī)模鈾成礦活動與華南巖石圈伸展間直接聯(lián)系提供新的佐證。

1 地質(zhì)概況

沙洲鈾礦床位于江西省撫州市樂安縣相山火山盆地相山鈾礦田北部,大地構(gòu)造位置屬于華南中生代陸相火山巖帶西緣,贛杭構(gòu)造火山巖鈾成礦帶西南段,是相山鈾礦田中具有代表性的大型鈾礦床之一。相山火山盆地為一個以酸性巖漿為主體構(gòu)成的復(fù)雜地質(zhì)體(圖1)。區(qū)內(nèi)地層可分為基底和蓋層兩大部分,其中震旦系—寒武系的千枚巖及片巖淺變質(zhì)巖系構(gòu)成盆地基底；蓋層主要為一套侏羅紀(jì)陸相火山巖系,由下至上分別為打鼓頂組蝕變晶玻屑凝灰?guī)r、流紋英安巖,鵝湖嶺組流紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r、碎斑熔巖。已查明鈾礦體展布總體上受北東向各級斷裂構(gòu)造帶及相山火山塌陷構(gòu)造聯(lián)合控制；鈾在區(qū)內(nèi)各類巖石中均有富集,各類巖石含礦比見表1；礦體形態(tài)很大程度上受到含礦構(gòu)造形態(tài)的制約,多呈脈狀、透鏡狀及較復(fù)雜的扁豆?fàn)?、叉狀、巢狀、串珠狀等。礦區(qū)內(nèi)礦石、礦物成分總的特點(diǎn)是種類簡單,數(shù)量少,顆粒細(xì)且較分散。瀝青鈾礦為區(qū)內(nèi)主要鈾礦物,次為鈦鈾礦、鈾石；金屬礦物則主要為共生黃鐵礦,另有少量方鉛礦、輝鉬礦、黃銅礦；脈石礦物有方解石、石英(包括玉髓)、螢石等。浸染狀構(gòu)造為礦石主要構(gòu)造,次為顯微細(xì)脈及顯微網(wǎng)脈狀構(gòu)造；礦石結(jié)構(gòu)則以球粒狀、腎狀結(jié)構(gòu)為主。已有報道區(qū)內(nèi)瀝青鈾礦U-Pb等時線年齡為：鈾—赤鐵礦化成礦期年齡115.2±0.5Ma,鈾—螢石化成礦期年齡97.6±7.6Ma(陳繁榮等,1990)。

表1 相山鈾礦田各類巖石含礦比統(tǒng)計(jì)表(據(jù)礦山生產(chǎn)資料統(tǒng)計(jì))Table 1 Rate of ore bearing of all kinds of rocks in the Xiangshan uranium orefield (data from production statistics in the deposit)

2 樣品采集及分析

2.1 黃鐵礦樣品

本次工作選取沙洲鈾礦床不同中段作業(yè)面上與鈾共生的、晶形完好、未見后期熱液蝕變改造的立方體狀、五角十二面體兩種黃鐵礦進(jìn)行研究,其中編號為“58-*”的樣品為立方體狀黃鐵礦,采自沙洲工區(qū)-58中段5號穿脈巷道中,取樣位置均為平行礦脈,黃鐵礦與鈾礦體呈單脈狀共生產(chǎn)出；編號“6-*”的樣品為五角十二面體黃鐵礦,采自沙洲工區(qū)-8中段3號采場,該采場正處于拉底辟漏階段,采樣位置正位于拉底空間與-58中段天井交接部位,取樣位置均為平行礦脈,樣品與鈾礦體呈群脈狀共生產(chǎn)出。為保證壓碎后稀有氣體測試精度,單顆粒礦物粒徑不小于1mm。

流體包裹體He、Ar同位素組成分析在中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的稀有氣體同位素實(shí)驗(yàn)室完成。實(shí)驗(yàn)方法為逐步壓碎法,即：首先采用真空壓碎法提取流體包裹體中的He、Ar,然后用分辨率>800、能將3He和HD+完全分開的全金屬稀有氣體質(zhì)譜計(jì)(VG5400)測定其同位素組成。詳細(xì)分析流程詳見文獻(xiàn)(張國全等,2010)。

2.2 方解石樣品

本次測試所用方解石均采自沙洲井下-8中段21-6-3、4巷道,-58中段5號穿脈巷道,-98中段6巷道中,樣品均為成礦期肉紅色方解石,方解石脈寬為2～20cm不等,與瀝青鈾礦高品位礦石共生產(chǎn)出。

方解石C、O同位素組成在中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所測定。分析采用100%磷酸法,質(zhì)譜計(jì)型號MAT-252,分析相對誤差小于±0.2%。樣品制備與分析流程如下：稱取30mg試樣置于反應(yīng)管中,并注入4ml100%磷酸,抽真空2 h并穩(wěn)定在1.0Pa,待試樣與磷酸充分混合后,將反應(yīng)管置于恒溫在25±1℃的水中5～6 h,再用液氮吸收CO2氣體,測定C、O同位素組成。校測標(biāo)樣為GBW04416和GBW04417,以PDB為標(biāo)準(zhǔn)。詳細(xì)流程見文獻(xiàn)(Hu Ruizhong et al.,2009)。

3 結(jié)果

(1)碳氧同位素分析結(jié)果: 沙洲鈾礦床方解石碳、氧同位素測試結(jié)果見表2,其δ13CV-PDB和δ18OV-SMOW值分別為-3.2‰～-7.4‰,8.5‰～15.2‰,均值分別為-4.3‰,10.1‰。

(2)稀有氣體分析結(jié)果: 相山沙洲鈾礦床流體包裹體中He、Ar同位素組成分析結(jié)果列于表3。樣品流體包裹體4He、3He濃度變化范圍較窄,4He為0.772～23.059×10-6cm3STP/g,平均為6.312×10-6cm3STP/g。n(3He)/n(4He)值變化范圍較大,介于0.193～2.946 Ra[Ra為大氣的n(3He)/n(4He)值,1 Ra=1.39×10-6]之間,平均為1.422 Ra。

表2 相山鈾礦田沙洲鈾礦床碳、氧同位素組成Table 2 Carbon and oxygen isotopic composition from the Shazhou uranium deposit, Xiangshan orefield

圖2 相山鈾礦田沙洲鈾礦床方解石的碳同位素直方圖Fig. 2 Carbon isotopic histograms of calcite samples from the Shazhou uranium deposit, Xiangshan orefield

與He同位素一樣,樣品Ar濃度變化范圍也較窄,40Ar在0.545～4.493×10-6cm3STP/g間變化,平均為1.603×10-6cm3STP/g。n(40Ar)/n(36Ar)值在303～326之間,平均313.83,均高于大氣值,但明顯小于地幔流體的值(>40000)。

4 討論

4.1 碳、氧同位素特征

圖3 相山鈾礦田沙洲鈾礦床方解石的 δ13CV-PDB和δ18OV-SMOW圖解Fig. 3 δ13CV-PDB vs. δ18OV-SMOW plots in calcite samples from the Shazhou uranium deposit, Xiangshan orefield

一般而言,流體與圍巖間的水—巖反應(yīng)、流體混合作用及CO2去氣作用均能導(dǎo)致熱液中方解石沉淀析出。已有研究表明(Zheng Yongfei,1990)：流體混合作用成因?qū)е律傻姆浇馐?其碳氧同位素組成特征一般在C—O圖解中具有正相關(guān)關(guān)系,而與CO2去氣作用或流體與圍巖間的水-巖反應(yīng)有關(guān)的同位素組成則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。而據(jù)表2中數(shù)據(jù),相山鈾礦方解石的δ13CV-PDB—δ18OV-SMOW圖解并未表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖3),這可能暗示CO2去氣作用或流體與圍巖間的水-巖反應(yīng)是導(dǎo)致方解石沉淀的主要機(jī)制。然而,單純由圍巖與流體間的水—巖反應(yīng)雖然可以使得流體的氧同位素組成發(fā)生變化,但對碳同位素組成影響甚微(δ13C變化小),而這與本次測試結(jié)果不符(δ13CV-PDB變化范圍較大,-3.2‰～-7.4‰),表明單純的水—巖反應(yīng)不應(yīng)是造成方解石沉淀的唯一因素。事實(shí)上,成礦流體發(fā)生減壓沸騰是CO2去氣作用實(shí)現(xiàn)的重要途徑之一。已有流體包裹體研究表明相山鈾礦田成礦流體發(fā)生了沸騰作用,成礦時壓力介于16.44～149MPa,從成礦前到成礦后,具有逐步降低趨勢,鈾沉淀過程中損失了大量CO2氣相組分(81.93%)(嚴(yán)冰,2012)。這表明流體發(fā)生CO2去氣作用可能是相山鈾礦田內(nèi)方解石沉淀的最主要機(jī)制：當(dāng)CO2從流體中逸失時,溶液pH值上升,導(dǎo)致方解石沉淀,進(jìn)而破壞成礦流體中碳酸鈾酰絡(luò)合離子的穩(wěn)定性,使其解體,從而導(dǎo)致鈾沉淀。如前所述,區(qū)內(nèi)鈾礦體在空間分布上受斷裂構(gòu)造等擴(kuò)容減壓空間控制,鈾成礦活動并無明顯巖性選擇,這一客觀事實(shí)也表明鈾礦化是在壓力降低時發(fā)生的。

4.2 稀有氣體同位素特征

4.2.1數(shù)據(jù)可靠程度分析

前已述及He和Ar同位素組成在地殼與地幔中極不相同,礦物原生流體包裹體中的He、Ar同位素組成是厘定成礦流體來源的理想示蹤工具,但前提是必須滿足包裹體自被捕獲后其成分沒有發(fā)生后期改變這一前提條件。而自流體包裹體形成以后,擴(kuò)散丟失,后生疊加及同位素分餾等均可能對流體包裹體初始He和Ar同位素的組成造成影響。

4.2.1.1He和Ar的擴(kuò)散丟失

由于化學(xué)上的惰性,氦不易與其他元素化合,半徑、密度均較小。相對而言,其在礦物晶格和晶格缺陷中的擴(kuò)散率較大,在不同礦物中的擴(kuò)散系數(shù)不同。He在礦物晶格中擴(kuò)散丟失的量與其在寄主礦物中的擴(kuò)散系數(shù)大小成正比(Stuart et al., 1995),但由于流體包裹體壁是有效防止氣體擴(kuò)散的屏障,可使得氦擴(kuò)散性比在其寄主礦物晶格中低幾個數(shù)量級(Trull et al., 1991)。因此,基于一級近似,對于一些擴(kuò)散系數(shù)較小的寄主礦物而言,包裹體在被捕獲封閉后的100Ma內(nèi),幾乎不會發(fā)生明顯的擴(kuò)散丟失,一般認(rèn)為硫化物是較為理想的寄主礦物,其中又以黃鐵礦的封閉程度最高,是最為理想的樣品(Trull et al.,1991；Burnard et al.,1999；胡瑞忠等,1997)。理論上而言,由于3He和4He相對質(zhì)量差的存在,分餾將使殘留的n(3He)/n(4He)值相對降低。但前人研究認(rèn)為：黃鐵礦因具有很低的He擴(kuò)散系數(shù)以及包裹體壁良好的屏蔽效應(yīng),He的擴(kuò)散對n(3He)/n(4He)值影響甚微而可忽略不計(jì)(Hu Ruizhong et al.,2004),即使流體包裹體中初始He擴(kuò)散丟失>70%,對n(3He)/n(4He)值產(chǎn)生的影響程度也僅僅在測試誤差范圍之內(nèi)(Stuart et al.,1995)；而即使流體包裹體初始He的擴(kuò)散丟失高達(dá)99%,殘留He的n(3He)/n(4He)值也僅比其初始值降低了約5%(胡瑞忠等,1999)。已有研究也證實(shí)現(xiàn)代洋中脊流體包裹體中的n(3He)/n(4He)值(寄主礦物為硫化物),與當(dāng)前所探測到的洋中脊熱液中n(3He)/n(4He)值是基本一致的(Turner et al.,1992b；Baptiste et al.,1996)。與He相對應(yīng)的是,Ar在礦物和流體包裹體中的擴(kuò)散系數(shù)均低于He,液體包裹體對Ar具有很好的保存能力,包裹體中的Ar更不易擴(kuò)散,可以很好地保存下來(Trull et al.,1991；胡瑞忠等, 1999),因此在采用流體包裹體研究Ar同位素組成時,一般不考慮其擴(kuò)散丟失影響。因此,本次工作中可排除后期He、Ar擴(kuò)散丟失的影響。

表3 相山鈾礦田沙洲鈾礦床硫化物流體包裹體中He、Ar同位素組成Table 3 He, Ar isotopic composition of fluid inclusions in pyrite from the Shazhou uranium deposit, Xiangshan orefield

注：樣品重量指樣品被壓碎至小于200目的部分；40Ar*指扣除空氣40Ar后的過剩氬,40Ar*=(40Ar)樣品-295.5×(36Ar)樣品；cm3STP /g指每克寄主礦物中流體包裹體內(nèi)的稀有氣體量,它只是流體包裹體中稀有氣體真實(shí)濃度的粗略衡量標(biāo)準(zhǔn)；F4He=[n(4He)/n(36Ar)]樣品/[n(4He)/n(36Ar)]大氣。

圖4 相山鈾礦田沙洲鈾礦床黃鐵礦流體包裹體中n(3He)/n(4He)-4He比值圖解(底圖據(jù)Gautheron et al., 2005修改)Fig. 4 n(3He)/n(4He)-4He plot of fluid inclusions in pyrite samples from the Shazhou uranium deposit, Xiangshan orefield (Base map from Gautheron et al., 2005).

4.2.1.2He和Ar的后生疊加

流體包裹體中稀有氣體元素自被捕獲后,理論上后期放射性衰變、核反應(yīng)及宇宙射線作用均可能通過后期疊加改變其初始組成。

一般情況而言,所測試的流體包裹體中后生放射性成因的稀有氣體量,與流體包裹體中所含母體元素的含量及自包裹體被捕獲形成以來所經(jīng)歷的時間成正比。假定沙洲鈾礦床流體包裹體中的鈾含量為300μg/g(礦石最低工業(yè)品位,遠(yuǎn)高于其實(shí)際值)(Th在熱液中幾乎不溶,可忽略不計(jì),劉英俊等,1984),取相山鈾礦田已有報道成礦年齡值中最大值為143Ma,采用Craig等(1976)提出的方法扣除放射成因4He后的n(3He)/n(4He)值變化不大(表4),所有樣品扣除后比值與本次測試值間誤差均在測試誤差范圍內(nèi)；在4He濃度與n(3He)/n(4He)比值圖解上(圖4),數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在臨界值(10-9cm3STP/g)的右側(cè),因此可基本排除后生放射成因4He的影響。且因黃鐵礦為非含鉀礦物,原地放射成因40Ar的量可以忽略不計(jì)(Turner et al.,1992a)；同時流體包裹體中K含量較低(黃錫強(qiáng)等, 2008),相對于流體包裹體中捕獲的大量Ar而言,放射性成因的40Ar是微不足道的。根據(jù)申萍等(2004)對石英流體包裹體以鉀含量0.608μg/g,成礦時代為334Ma計(jì)算放射性成因40Ar的結(jié)果表明,n(40Ar)/n(36Ar)初始比值沒有明顯變化。

表4 相山鈾礦田沙洲鈾礦床扣除放射成因4He前后n(3He)/n(4He)值變化對比表Table 4 n(3He)/n(4He) changes of the Shazhou uranium deposit, Xiangshan orefield in contrast table before and after the deduction of radiogenic 4He

流體包裹體被捕獲后,寄主礦物晶格中的U、Th、K衰變所產(chǎn)生的He、Ar也有可能擴(kuò)散進(jìn)入流體包裹體,從而影響稀有氣體組成。但本次工作采用黃鐵礦作為研究對象,本身礦物中U、Th等親石元素的含量很低,黃鐵礦又具有很低的He擴(kuò)散系數(shù)以及包裹體壁良好的屏蔽效應(yīng),因此放射性成因He、Ar幾乎不可能大量擴(kuò)散進(jìn)入流體包裹體內(nèi)。

在測試過程中,礦物晶格中部分放射性成因的He、Ar不可避免會受外力作用進(jìn)入測試氣體中,進(jìn)而影響流體包裹體中初始的He、Ar同位素組成。但是本次測試采用的逐步壓碎法,相對于熔樣法和逐步加熱法而言,理論上對于礦物晶格中放射性成因的He、Ar釋放量最低；同時,由表3可見,同一樣品不同壓碎序次的n(3He)/n(4He)、n(40Ar)/n(36Ar)比值在誤差范圍內(nèi)基本一致,這也說明樣品測試的壓碎環(huán)節(jié)中,礦物晶格內(nèi)的放射成因He、Ar并未明顯釋放出來。放射成因的4He和40Ar對黃鐵礦流體包裹體中初始同位素比值的影響可基本不計(jì)。

宇宙射線轟擊氮時所產(chǎn)生的氚,經(jīng)過反應(yīng)也可形成宇宙成因的氦,從而導(dǎo)致所測定樣品流體包裹體中3He明顯增加,但這種作用一般只限于長期裸露地表的巖石礦物(>100a),或在地表1.5m范圍內(nèi)巖石礦物(Stuart et al., 1995)。由于本次相山鈾礦田沙洲礦床測試用的硫化物樣品分別采自地下-8m中段及-58m中段作業(yè)面,樣品均為剛剛暴露于空氣中的新鮮樣品,因此礦物晶格和流體包裹體中的宇宙成因3He可忽略不計(jì)(Burnard et al., 1999),宇宙射線成因干擾可排除在外。

4.2.1.3成礦后流體活動

礦物內(nèi)的He和Ar主要圈閉在流體包裹體中,由于壓碎法無法區(qū)分不同期次的流體包裹體,所測得數(shù)據(jù)組成只能代表單顆粒礦物中不同期次流體組分的平均數(shù)值。但是基于以下幾點(diǎn)：①本次工作所選用的成礦期黃鐵礦樣品均具立方體或五角十二面體狀完好晶形,無后期熱液活動改造痕跡；②通過包裹體鏡下觀察,鈾成礦期的深紫黑色螢石中流體包裹體主要以孤立狀原生包裹體為主,所測試的流體包裹體成分可近似代表鈾沉淀時成礦流體的組分；③為了消除礦物中可能含有的少量次生包裹體,我們對樣品進(jìn)行了預(yù)處理以使次生包裹體破裂除去(蒸餾水洗凈的黃鐵礦置于丙酮中,經(jīng)超聲波清洗后烘干；在真空系統(tǒng)中加熱到120℃持續(xù)24h以上去氣,使次生包裹體破裂除去),并除去黃鐵礦表面吸附的He和Ar；④本次測試成果數(shù)據(jù)顯示,對同一樣品而言,不同壓碎序次的n(3He)/n(4He)、n(40Ar)/n(36Ar)比值在誤差范圍內(nèi)基本一致,這也說明測試樣品中基本不存在次生包裹體。因此在沙洲鈾成礦后流體活動對流體包裹體中的稀有氣體初始組成影響可忽略不計(jì)。

綜上所述,無論是擴(kuò)散丟失,后生疊加、成礦后流體活動,還是同位素分餾等各種后生過程,對相山沙洲礦床黃鐵礦樣品流體包裹體中的He、Ar初始同位素組成影響均可忽略不計(jì),表3中分析數(shù)據(jù)可代表相山鈾成礦流體的初始He、Ar同位素組成。

4.2.2稀有氣體來源

據(jù)Burnard等(1999)研究認(rèn)為成礦熱液流體中的稀有氣體可能有三種來源,即：大氣或大氣飽和水(ASW)、地幔流體及殼源流體。

(1) 大氣或大氣飽和水：由于大氣中的V(He)含量很低,約為5.18×10-6,相對于地殼流體中He的豐度和同位素組成,其影響可忽略不計(jì)(Turner et al.,1993)；在一定溫度壓力條件下,大氣飽和水與大氣處于動態(tài)平衡,兩者具有相似的同位素組成：n(3He)/n(4He)=1.399×10-6=1Ra,n(40Ar)/n(36Ar)=295.5,n(3He)/n(36Ar)=5×10-8,n(4He)/n(36Ar)=3.6×10-2。對大多數(shù)來源于天水或海水的地?zé)崃黧w而言,因含水層巖石中U、Th等放射性元素衰變所產(chǎn)生的放射性成因4He擴(kuò)散進(jìn)入流體中,從而使得其n(3He/4He)值低于大氣值,4He含量高于大氣飽和水(Burnard et al.,1999)。對于Ar而言,因其在礦物中的封閉溫度較高(250℃),放射性成因的Ar一般不會擴(kuò)散進(jìn)入到地下流體中,從而使得流體通常具有大氣Ar的組成特征。

(2) 地幔流體：地球上3He主要集中在地球內(nèi)部,地幔中氦有三種可能源區(qū)(Simmons et al.,1987),分別為：地幔柱型,n(3He)/n(4He)值最高達(dá)32Ra；洋中脊玄武巖型(MORB),n(3He)/n(4He)較穩(wěn)定為8Ra；島弧型即島弧深部和貝尼奧夫帶以上的地幔(包含俯沖作用帶來的再循環(huán)物質(zhì)),因大洋板塊俯沖攜帶的海洋沉積物吸附部分大氣來源的加入,使得其n(3He)/n(4He)(6Ra)值低于MORB型。幔源成因的Ar以放射成因40Ar為主,n(40Ar)/n(36Ar)>40000(Porcelli et al.,1992)。

(3) 殼源流體：由于地殼巖石含有U、Th、K放射性衰變及鋰中子反應(yīng)產(chǎn)生的放射性成因地殼He和Ar,在地殼巖石中循環(huán)的地下流體與地殼巖石平衡,從而也具有相似的He、Ar同位素組成,其n(3He)/n(4He)特征值為0.01～0.05Ra(Stuart et al.,1995),n(40Ar)/n(36Ar)≥45000(Fontes et al., 1991)。

圖5相山鈾礦田沙洲鈾礦床黃鐵礦流體 包裹體中He同位素組成演化圖解Fig. 5 Helium isotopic composition evolving diagram of fluid inclusions in pyrite samples from the Shazhou uranium deposit, Xiangshan orefield

4.3 沙洲鈾礦床稀有氣體源區(qū)

對沙洲鈾礦床,我們通過采用計(jì)算F4He值(定義F4He=[n(4He)/n(36Ar)樣品]/[n(4He)/n(36Ar)大氣]的方法計(jì)算其成礦流體中大氣He的貢獻(xiàn)程度可知：其黃鐵礦樣品中的F4He值為548～12997(表3),表明成礦流體中4He的含量高出大氣中的548倍以上,是大氣飽和水(F4He=0.18～0.28)的1900倍以上。這就意味著即使是有大氣He加入到成礦流體中,其影響也可基本忽略不計(jì),故沙洲鈾礦床成礦流體中的He只能有兩個可能的源區(qū),即地幔流體和地殼流體。在n(4He)—n(3He)/n(4He)比值圖解(圖4)、He同位素組成演化圖解(圖5)以及n(40Ar)/n(36Ar)—n(3He)/n(4He)圖上(圖6),沙洲鈾礦床成礦流體He同位素組成的投點(diǎn)全部位于地幔氦與地殼氦之間,并傾向于地幔氦一側(cè),n(3He)/n(4He)值在10-5～10-7之間,顯示出成礦流體中He組成具有殼?；旌系奶攸c(diǎn)。此外,從圖7中可知,在n(3He)/n(36Ar)—n(4He)/n(36Ar)區(qū)間中,流體包裹體的He—Ar同位素組成具有一定線性相關(guān)性,即整個區(qū)間內(nèi),總體趨勢表現(xiàn)為正相關(guān),表明成礦流體的He—Ar同位素組成是較低n(3He)/n(4He),與大氣n(40Ar)/n(36Ar)值近似的地殼流體和高n(3He)/n(4He),高n(40Ar)/n(36Ar)的地幔流體兩端元的不同比例混合產(chǎn)物。

圖6 相山鈾礦田沙洲鈾礦床黃鐵礦流體包裹體 n(40Ar)/n(36Ar)— n(3He)/n(4He)圖Fig.6 n(40Ar)/n(36Ar)— n(3He)/n(4He) plot of fluid inclusions in pyrite samples from the Shazhou uranium deposit, Xiangshan orefield

圖7 相山鈾礦田沙洲鈾礦床黃鐵礦流體包裹體 n(3He)/n(36Ar)—n(4He)/n(36Ar)圖Fig. 7 n(3He)/n(36Ar)—n(4He)/n(36Ar) plot of fluid inclusions in pyrite samples from the Shazhou uranium deposit, Xiangshan orefield

4.3.1地殼流體端元

由于地殼巖石含有高含量放射性成因的4He、40Ar,大氣飽和水在地殼巖石中循環(huán)的過程中,流體中不可避免的會有放射成因4He、40Ar的擴(kuò)散疊加,但對于非放射性成因的3He、36Ar而言,大氣飽和水中的n(3He)/n(36Ar)比值保持不變?；诖?我們在n(3He)/n(36Ar)—n(4He)/n(36Ar)圖中采用最小二乘法進(jìn)行擬合(圖7)：在擬合直線中,當(dāng)n(3He)/n(36Ar)=5×10-8(大氣飽和水特征值)時,樣品流體包裹體中的n(4He)/n(36Ar)為172.26,與典型大氣飽和水特征值(3.6×10-2)相比,差異高達(dá)4785倍。這說明成礦流體中的地殼流體端元部分在獲取地殼放射成因稀有氣體的過程中,獲得了較多的4He(相對于40Ar而言)。已有研究表明,現(xiàn)代地下水n(40Ar*)/n(4He)的降低,是地下水從流經(jīng)巖石中優(yōu)先(相對于40Ar)獲取4He的結(jié)果(Torgersen et al.,1989)；對于大多數(shù)礦物而言,對Ar的封閉溫度(>250℃)高于對He的封閉溫度(一般<200℃),250℃時,絕大多數(shù)礦物均能保留大量的Ar(Lippolt and Weigel, 1988)。相山沙洲鈾礦床成礦流體地殼流體端元中n(4He)/n(36Ar)值明顯高于正常殼源流體的n(4He)/n(36Ar)比值的事實(shí),表明在該地殼流體端元地殼淺層循環(huán)過程中,地殼巖石中的He明顯優(yōu)先擴(kuò)散進(jìn)入流體中,該流體只可能是一種低溫(<250℃)改造流體。

據(jù)表2,樣品中n(40Ar)/n(36Ar)為303～326,略高于大氣中n(40Ar)/n(36Ar)值(295.5),考慮到測試結(jié)果理論上必然受到后期流體包裹體及測試過程中大氣氬混入的影響,成礦流體實(shí)際n(40Ar)/n(36Ar)必然高于測量值,說明成礦流體中必有殼源或幔源放射性成因40Ar*的參與。采用Kendrick等(2001)提出的計(jì)算公式：

測試樣品中放射性成因的40Ar*含量可以量化如下：樣品中放射性成因的40Ar*的最低含量為1.350%～11.234%,平均為6.742%,大氣40Ar的最高貢獻(xiàn)為88.766%～98.650%,平均為93.258%。鑒于前述Ar在礦物中的封閉溫度較高,淺層地下水中幾乎不含放射性成因的Ar,我們可以推斷成礦流體中放射性成因的40Ar*應(yīng)當(dāng)是來自幔源放射性成因,這也表明沙洲鈾礦成礦流體主要是地殼流體與地幔流體混合產(chǎn)物。

4.3.2地幔流體端元

由表1可知,相山鈾成礦流體的n(3He)/n(4He)值(0.193～2.948 Ra)明顯高于地殼特征值(0.01～0.05 Ra),而趨近于地幔特征值[n(3He)/n(4He)=6～9 Ra]。Ballentine 等(2002)認(rèn)為流體中n(3He)/n(4He)比值>0.1 Ra就意味著成礦流體中含幔源流體；結(jié)合n(3He)/n(4He)—4He圖解(圖4),樣品數(shù)據(jù)投點(diǎn)均靠近地幔端元,表明至少部分地幔流體參與了相山鈾成礦過程。

雖然Xu Sheng等(1995)研究認(rèn)為放射成因Ar和地幔Ar均具有高n(40Ar)/n(36Ar)的特點(diǎn),僅根據(jù)較高的n(40Ar)/n(36Ar)值無法區(qū)分究竟是放射成因Ar還是地幔Ar。但流體中同時具有高含量的3He和高n(40Ar)/n(36Ar)比值則是幔源稀有氣體組成的獨(dú)有特點(diǎn)(胡瑞忠等,1997)。根據(jù)殼—幔二元混合模式,成礦流體He組成中地殼、地幔He比例可根據(jù)下式計(jì)算得出(Kendrick et al., 2001)：

其中：Rm：地幔組成(8Ra),Rc：地殼組成(0.01～0.05Ra),R：樣品實(shí)測值。結(jié)果表明：相山鈾成礦流體He組成中地幔He約為2%～42%,平均為18%,揭示鈾成礦流體是典型殼幔混合產(chǎn)物,幔源流體對鈾成礦過程具有重要影響。

5 結(jié)論

(1)沙洲鈾礦方解石的δ13CV-PDB和δ18OV-SMOW值分別為-3.2‰～-7.4‰,1.7‰～15.2‰,成礦流體中的C源自于地幔,流體發(fā)生CO2去氣作用應(yīng)是導(dǎo)致相山鈾礦田內(nèi)方解石沉淀的主要機(jī)制。

(2)沙洲鈾礦黃鐵礦樣品流體包裹體的n(40Ar)/n(36Ar)值為303～326,n(3He)/n(4He)值為0.193～2.946Ra,具殼?；旌咸卣?；流體He組成中地幔He平均為18%,大氣40Ar的平均貢獻(xiàn)為93.258%。殼源流體為具有n(3He)/n(4He)比值較低,n(40Ar)/n(36Ar)值與大氣近似特征的低溫改造流體。沙洲鈾成礦流體中幔源流體應(yīng)來自華南地區(qū)白堊紀(jì)—古近紀(jì)地殼拉張期上涌的幔源流體。