羅晶晶

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

淺談砂巖型鈾礦基本特征及其定年現(xiàn)狀研究

羅晶晶

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

[摘要]U-Pb同位素定年技術(shù)是目前同位素測年中應(yīng)用最為廣泛的一種方法，近幾年來隨著鈾礦物的勘探開發(fā)，鈾礦物成礦年代學(xué)也有了一定的發(fā)展研究。砂巖型鈾礦目前主要的定年方法有兩大類那就是全巖/單礦物U-Pb等時線法和微區(qū)原位測年法，其中微區(qū)原位測年法又分為電子探針化學(xué)測年、同位素微區(qū)原位精確測年以及近年來最新利用FLA-ICP-MS U-Pb定年法在鈾礦物中進(jìn)行定年應(yīng)用。文章通過對鈾礦年代學(xué)研究現(xiàn)狀的總結(jié)對比，鈾礦物FLA-ICP-MS U-Pb定年法可以測試出更新的年齡，說明此測試體系更加接近封閉體系，越來越符合等時線法測年的要求和一般地球化學(xué)原理，這樣可以更為精確的得知礦體的年齡從而對應(yīng)所受的構(gòu)造演化歷程，為沉積盆地勘探提供一個充分的依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]U-Pb同位素定年；鈾礦物；成礦年代學(xué)；鈾石LA-ICP-MS U-Pb法定年；全巖U-Pb等時線法

近些年來鈾礦隨著勘探力度的加大有了一定的勘探發(fā)展，特別是鈾礦年代學(xué)—鈾礦物FLA-ICP-MS U-Pb精確定年。U-Pb同位素定年技術(shù)是目前同位素測年中應(yīng)用最為廣泛的一種方法，該方法之所以被廣泛應(yīng)用是由于在U-Pb同位素定年中可以利用兩個同位素衰變(238U→8α+6β-→206Pb235U→7α+4β-→207Pb)進(jìn)行精確定年，并且可以得到三組相互獨立的同位素年齡(206Pb/238U年齡、207Pb/235U年齡和207Pb/206Pb年齡)。UPb同位素定年最常用的方法有同位素稀釋—熱電離質(zhì)譜法(ID-TIMS)二次離子質(zhì)譜法(SIMS)激光燒蝕—電感耦合等離子體質(zhì)譜法(LA-ICP-MS)[1]。在目前同位素測年中應(yīng)用最廣泛也最成熟的礦物為鋯石，但是近幾年來隨著鈾礦物的勘探開發(fā)，鈾礦物成礦年代學(xué)也有了一定的發(fā)展研究。作者通過目前研究、文獻(xiàn)查閱以及資料總結(jié)對砂巖型鈾礦定年現(xiàn)狀進(jìn)行了分析探討。

圖1　研究區(qū)樣品在UO2-CO2-H2O體系中瀝青鈾礦的穩(wěn)

1砂巖型鈾礦基本特征

在鈾礦勘探中砂巖型鈾礦是目前沉積盆地里的一個主要類型。平常從鈾礦石中可以提煉出鈾，但是這種成鈾在空氣中是見不到的，容易被空氣氧化成黃色，通常被叫做“黃餅”。理論中一價到六價應(yīng)該都是存在的但是在自然界中只有U4+和U6+穩(wěn)定存在，其余均不穩(wěn)定。在氧化條件下呈6價遷移，就是溶液在地下水中的遷移；還原條件下呈4價沉淀成礦；遷移形式為以氧化物的形式，最主要的是以鈾酰絡(luò)離子的形式，如UO22+與CO32-、SO42-、OH-、F-絡(luò)合的絡(luò)離子 ，最主要是以碳酸鈾酰絡(luò)離子形式遷移，碳酸鈾酰絡(luò)離子是各種天然含鈾水溶液中鈾遷移的最主要形式(徐國慶，1985)[2]。如遇到還原環(huán)境就以UO2形式形成沉淀。圖1為鈾礦穩(wěn)定場范圍，橫坐標(biāo)為Ph，縱坐標(biāo)為Eh，圖中上部為氧化環(huán)境主要以U6+碳酸鈾酰絡(luò)離子的形式在水溶液中遷移，下部為還原環(huán)境下主要以U4+沉淀形成晶質(zhì)鈾礦。圖中東勝樣品、伊犁樣品、吐哈樣品是通過野外采樣實驗測得后投圖得到，說明水溶液中的鈾遇到還原環(huán)境可以沉淀形成鈾礦床。

圖2　吐哈盆地西南緣十紅灘鈾礦床成礦模式示意圖

砂巖型鈾礦成礦年代相對比較新其賦存層位為T、J、K1、K2、N。砂巖型鈾礦產(chǎn)在砂巖中具有層間氧化帶型，鈾礦地層具泥—砂—泥結(jié)構(gòu)[3]。鈾礦的形成必須具有泥—砂—泥結(jié)構(gòu)是由于層間氧化帶是先受地下水氧化，然后在隨著水流在地表被還原形成沉淀，又因為其是由流體作用形成的如果沒有泥巖封閉就會流失，就不可能聚集成礦，就類似于石油中的圈閉條件一樣所以鈾礦地層必須具有泥—砂—泥結(jié)構(gòu)。含礦砂巖中多含有機質(zhì)、黃鐵礦、油氣等還原物質(zhì)。如果在野外觀察為黃色，或紅色的氧化環(huán)境那么含礦可能性就很?。蝗绻麨榛疑牟⑶液泻芏嘀参锼樾键S鐵礦，那么這就是個有利的含礦層位。砂巖型鈾礦產(chǎn)在自流水盆地內(nèi)，地下水具有完整的補—徑—排系統(tǒng)，補就是有一定的高差水可以流過來，徑就是水流過的區(qū)域，排就是沿著斷裂排出，形成一個補—徑—排系統(tǒng)，其中徑流區(qū)范圍比較大。砂巖型鈾礦礦床多產(chǎn)在構(gòu)造相對穩(wěn)定的構(gòu)造斜坡區(qū)、寬緩背向斜部位，產(chǎn)狀一般比較平緩，小于15°鈾礦形成在盆地的邊部，也就分布在山邊區(qū)域[4]。砂巖型鈾礦的形成受氧化帶控制主要是潛水氧化帶和層間氧化帶(圖2)。

A:卷狀礦體；B：礦卷前緣正在生成的鈾礦化；C：煤層；D：透鏡狀礦體；E：氧化帶砂體；F：原生帶砂體；G：鉆孔

在圖2中可以看出礦體以卷狀分布在層間氧化帶邊部。砂巖型鈾礦具有多層性礦體為盲礦體，礦體多呈卷狀，富礦集中在卷頭，其次為板狀、透鏡狀(圖3)。礦體成卷狀是由于氧化帶是由地下水往前沖對砂巖進(jìn)行氧化，前面氧化快，后面氧化慢，慢慢的就形成了如圖3所示的形狀，鈾礦一般在過渡帶形成。砂巖型鈾礦的礦化品位變化大，以低品位大礦量為特點，伴生元素有Mo、Re、Se、Sc、V等，之所以說砂巖型鈾礦經(jīng)濟效益高就是由于其有伴生元素采出。

2砂巖型鈾礦定年現(xiàn)狀研究

砂巖型鈾礦目前主要的定年方法有兩大類那就是全巖/單礦物U-Pb等時線法和微區(qū)原位測年法，其中微區(qū)原位測年法又分為電子探針化學(xué)測年、同位素微區(qū)原位精確測年以及近年來最新的利用FLA-ICP-MS 法在鈾礦物中進(jìn)行定年應(yīng)用[5]。

2.1全巖/單礦物U-Pb等時線法

自國內(nèi)鈾礦工作重點轉(zhuǎn)向砂巖型鈾礦以來，在砂巖型鈾礦找礦及科研工作方面取得了很大的成果。尤其是在砂巖型鈾礦測年方面，在北方幾個主要的含鈾盆地進(jìn)行了研究，取得了較為豐富的成果(夏毓亮等，2003，2005；劉漢彬等，2004,2007；向偉東等，2006)，其均采用的是礦石全巖/單礦物鈾—鉛同位素等時線測年法[6-10]。在研究中由于砂巖型鈾礦的鈾礦石中很難挑選出像鋯石、獨居石等副礦物一樣能用于進(jìn)行U-Pb同位素定年的獨立鈾礦物，所以主要采用全巖/單礦物U-Pb等時線法進(jìn)行測年，但是由于砂巖型鈾礦的形成是一個長期的地下水氧化作用不斷導(dǎo)致鈾的富集的過程，因此成礦過程是動態(tài)的，成礦體系完全是開放式的，鈾礦石可能受到后期的改造和破壞，盡管可以采取各種修正措施，如根據(jù)U-Ra平衡系數(shù)對樣品鈾含量進(jìn)行修正等，在一定程度上提高精度；但總體上體系很難真正保證一直處于U、Th、Pb封閉體系，因而利用全巖U-Pb法測定砂巖型鈾礦成礦年齡在理論上可能存在一定的誤差和局限性。由于上述原因，盡管前期國內(nèi)外均做了大量的工作，也取得了豐富的認(rèn)識，但對砂巖型鈾礦的定年仍要不斷地進(jìn)行探索、發(fā)展和完善[11-14]。

2.2微區(qū)原位測年

目前已經(jīng)發(fā)展起來的微區(qū)原位測年是成礦年代學(xué)中應(yīng)用廣泛的方法，分為同位素微區(qū)原位測年和化學(xué)微區(qū)原位測年兩種。與全巖/單礦物U-Pb等時線法相比，微區(qū)原位測年具有經(jīng)濟快速、不需要挑選單礦物以及化學(xué)分離、高空間分辨率、可以區(qū)分不同期次的礦物(鋯石、獨居石等)、可以原位區(qū)分并避開經(jīng)受后期流體作用干擾的區(qū)域，因而可能得到更具有實際地質(zhì)意義的年齡。

2.2.1電子探針化學(xué)測年

電子探針儀是對一種單礦物微區(qū)進(jìn)行定量化學(xué)分析的儀器，電子探針化學(xué)微區(qū)原位測年技術(shù)近年來已經(jīng)應(yīng)用于巖漿巖和變質(zhì)巖其主要測試對象以獨居石居多。周建雄等(2002)、陳強等(2006)、陳能松等(2007)等多位學(xué)者運用電子探針對已知年齡的獨居石標(biāo)樣或者已知年齡范圍的獨居石樣品進(jìn)行定年分析，測試標(biāo)樣的年齡與標(biāo)定值一致，樣品的電子探針化學(xué)年齡也在推測值范圍之內(nèi)，認(rèn)為在富Th、U、Pb，幾乎不含普通Pb而且封閉溫度高的獨居石中進(jìn)行電子探針化學(xué)年齡分析是一種可靠有效的方法。但是電子探針微區(qū)測年也同樣存在一些缺點，如其檢測值的精度比較低，只能測定Pb的總量而不能識別Pb的三種同位素，沒法通過Pb同位素比值校正體系的準(zhǔn)確年齡值，或鑒別年齡是否諧和。在目前分析的條件下電子探針化學(xué)年齡的解釋也必須以區(qū)域上其它準(zhǔn)確可靠的年代學(xué)數(shù)據(jù)為重要參考才具有地質(zhì)意義[15]。

2.2.2同位素微區(qū)原位精確測年

目前礦床學(xué)中成礦年代學(xué)研究應(yīng)用最廣泛的方法就屬同位素微區(qū)原位測年技術(shù)。其中對成巖成礦巖礦石中的鋯石進(jìn)行激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜FLA-ICP-MS U-Pb年齡的確定，無論從原理上、還是測試方法、直至結(jié)果處理等方面該方法目前均是成熟的，其先進(jìn)性和高精度在國內(nèi)外處于研究的前列，堪稱是現(xiàn)在礦床學(xué)年代學(xué)中的“精確定年”。由于鋯石較為穩(wěn)定，受后生作用影響較小，且由于Zr與U之間類質(zhì)同像的地球化學(xué)特征，使鋯石U-Pb法測年得到廣泛應(yīng)用[16-17]。其方法手段是利用激光剝蝕系統(tǒng)與ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜儀)相聯(lián)機的方法，進(jìn)行固體物質(zhì)原位微區(qū)U-Pb定年，與此同時，還可進(jìn)行該礦物微區(qū)稀土元素和鉿同位素測試，這些數(shù)據(jù)可為礦物成因或礦床成因認(rèn)識提供大量信息(吳元保等，2004；柳小明等，2007；孫金鳳等，2012；袁洪林等，2003，2013；Yuan H L et,2004，2008)。

2.2.3FLA-ICP-MS 法在鈾礦物定年中的應(yīng)用

目前在鈾礦地質(zhì)測年方面，隨著新的測試儀器和測試方法及數(shù)據(jù)處理新軟件的出現(xiàn)和應(yīng)用，從理論和實踐方面對砂巖型鈾礦精確定年的新的探索慢慢露出苗頭，其思路變得愈來愈清晰。FLA-ICP-MS 鈾礦物定年法已有很多學(xué)者對其進(jìn)行了探索。由于鈾礦物的單顆粒相對比較小并且沒有固定的晶型所以很難像鋯石、獨居石一樣先進(jìn)行單礦物挑選后再制成靶來進(jìn)行FLA-ICP-MS U-Pb 定年。因此FLA-ICP-MS U-Pb 定年的樣品制備我們采用直接把樣品制成探針片，但是由于激光剝蝕較為強烈防止把探針片擊穿我們采用了含鈾量較高的礦石樣品制成150～200 μm左右的加厚的電子探針片(約是一般普通探針片的5倍)。先用電子探針找到鈾礦物的具體位置對照著在電子顯微鏡下圈出鈾含量較高鈾礦較大且較為平整的區(qū)域然后把探針片放在飛秒激光剝蝕四級桿等離子體質(zhì)譜儀下來完成LA-ICP-MS鈾石U-Pb同位素定年分析。

為了全面了解鈾礦物FLA-ICP-MS U-Pb定年結(jié)果的合理性，了解LA-ICP-MS鈾礦物 U-Pb定年與傳統(tǒng)的全巖/單礦物U-Pb等時線法測試結(jié)果的差異性，搜集了前人對鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦年齡運用不同方法得出的實驗的結(jié)果進(jìn)行對比(表 1，圖4)。從鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦“全巖——鈾混合礦物——鈾礦物”LA-ICP-MS U-Pb 年齡對比圖(圖 4)可以清楚的看出利用全巖U-Pb等時線法測定的鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦年齡，最老的年齡有下侏羅統(tǒng)、上侏羅統(tǒng)，其次是早白堊世、晚白堊世等，年輕的年齡數(shù)據(jù)較少，僅有始新世、中新世等。由鈾單礦物(應(yīng)是混合單礦物)所做的U-Pb等時線年齡則較全巖年齡偏年輕，為古新世、中新世，沒有老年齡也沒有特別年輕的年齡。而由LA-ICP-MS 鈾石U-Pb法測得的年齡則更年輕，與全巖U-Pb等時線法對比沒有了很老的年齡，但是具有更新世更年輕的年齡，說明這個測試的系統(tǒng)越來越接近封閉體系，越來越符合等時線測年法和地球化學(xué)的原理，應(yīng)該是真正意義上的精確定年。所以用LA-ICP-MS鈾石 U-Pb定年更加精確，為沉積盆地勘探預(yù)測提供一個較為精確的理論依據(jù)。

表1　鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦年齡數(shù)據(jù)表

3結(jié)語

文章通過對砂巖型鈾礦基本特征進(jìn)行總結(jié)，分析了目前砂巖型鈾礦定年現(xiàn)狀，清楚地了解到FLA-ICP-MS U-Pb定年法目前在鈾礦物定年中是最符合等時線測年法和地球化學(xué)的原理，這樣可以更為精確的得知礦體的年齡從而對應(yīng)所受的構(gòu)造演化歷程，為沉積盆地勘探提供一個充分的依據(jù)。總而言之砂巖型鈾礦精確定年技術(shù)的發(fā)展離不開先進(jìn)科學(xué)儀器設(shè)備的研發(fā)和測試方法的創(chuàng)新，目前的測試方法還屬于一個不斷完善的階段，比如用飛秒激光剝蝕四級桿等離子體質(zhì)譜儀來完成LA-ICP-MS鈾石U-Pb同位素定年測試時所用的標(biāo)樣依然是鋯石，我們可以考慮是否可以用鈾石單礦物直接來像鋯石一樣做成標(biāo)樣來對砂巖型鈾礦進(jìn)行LA-ICP-MS鈾石U-Pb同位素定年，這樣可能既不會污染儀器，也可能會得到一個更加合理更加精確的年齡，使得鈾礦物年代學(xué)有個新的突破，這個問題值得研究者來探討驗證。

圖4　鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦“全巖—鈾混

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[收稿日期]2015-11-06

[作者簡介]羅晶晶(1991-)女，陜西西安人，在讀碩士研究生，主攻方向：地質(zhì)學(xué)。

[中圖分類號]P578.4+93

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)03-0245-03