李西得，劉軍港

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

在地殼中通過流體所發(fā)生的水-巖作用是一類重要的地質(zhì)作用［1-2］，宏觀上來說，水巖反應(yīng)可以改變巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，同時會造成礦物分解［3-4］，有利于礦物包裹體或者晶格中金屬元素的釋放，導(dǎo)致大量水溶性元素和金屬元素發(fā)生活化遷移，對成礦有重要意義［5］，因此研究巖體的風(fēng)化作用條件下的巖石地球化學(xué)特征，對于揭示在風(fēng)化作用條件下元素的富集和遷出機(jī)制及其對成礦的作用具有重要意義［6］。衛(wèi)鏡巖體位于內(nèi)蒙古二連盆地西部，形成時代為279 Ma，屬于弱過鋁質(zhì)的高鉀鈣堿性系列的I 型花崗巖，起源于年輕的源區(qū)［7］，已有研究認(rèn)為該巖體是二連盆地砂巖鈾礦床的重要鈾源［8］，因此本文擬采用巖石地球化學(xué)手段對新鮮-風(fēng)化的花崗巖進(jìn)行研究，探討風(fēng)化過程中元素活動性，本研究對其巖體風(fēng)化作用過程中元素地球化學(xué)行為研究和認(rèn)識鈾的遷出機(jī)制和能力有重要意義。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造位置位于西伯利亞板塊南緣與華北地臺北緣接壤部位，中亞造山帶（興蒙造山帶） 中部，艾勒格廟-錫林浩特前寒武系地塊的中西段，位于索倫山板塊縫合線和賀根山斷裂之間，屬于濱太平洋成礦域大興安嶺鈾成礦省二連盆地鈾成礦區(qū)的巴音寶力格隆起鈾成礦帶［9］。二連盆地基底主要由元古宇石英巖、大理巖、云母石英片巖及變粒巖等中等變質(zhì)巖和古生界凝灰?guī)r、變質(zhì)砂巖、片巖、板巖夾結(jié)晶灰?guī)r組成。上古生界廣泛分布于盆地周邊，構(gòu)成盆地的主要基底，巖性主要為變質(zhì)石英砂巖、硬砂巖、安山巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r、灰?guī)r、板巖等。盆地蓋層發(fā)育較齊全，從侏羅系至第四系均有沉積，主體由白堊系、古近系和新近系構(gòu)成 （圖1）。二連盆地是在艾力格廟-錫林浩特微板塊的基礎(chǔ)上發(fā)育起來的中生代斷陷-坳陷盆地，其沉積構(gòu)造是在基底構(gòu)造基礎(chǔ)上，通過中新生代拉張斷陷和差異升降兩大不同應(yīng)力場環(huán)境，逐漸繼承發(fā)展和改造變化而來［10］。前中生代巖漿活動在元古宙、早古生代，晚古生代都有所顯示，尤以晚古生代海西中晚期巖漿活動更為明顯，除侵入巖外，還有中性、中酸性火山巖、凝灰?guī)r等。中、新生代巖漿活動主要發(fā)生于燕山期及喜山期，燕山期主要為中酸性、酸性巖漿巖類及其對應(yīng)的噴出巖；喜山期主要為噴出巖-玄武巖。

2 樣品特征及分析方法

本次分析樣品采集于衛(wèi)鏡巖體地表和附近的ZK15、ZK17 等鉆孔，采集過程中將其劃分為新鮮巖石、風(fēng)化巖石。每類件樣品一分為二，一部分磨制光薄片進(jìn)行巖相學(xué)觀察研究，剩余對應(yīng)樣品在瑪瑙研缽內(nèi)手工磨碎至200 目，整個過程保證無污染。樣品的主微量元素分析皆在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心開展。主量元素測試方法為： 樣品置于105℃烘箱烘干2 h，再經(jīng)1 000 ℃煅燒熔融后進(jìn)行玻璃熔片制定，然后用XRF-1800 波長掃描，X 射線熒光光譜儀測定，測試儀器為飛利浦PW2404X 射線熒光光譜儀。實(shí)驗(yàn)過程中，X 射線管電壓為50 kV，電流為50 mA，元素的測定精度可達(dá)0.01%，分析誤差＜5%。此外，用化學(xué)分析法（CA）測定樣片中氧化亞鐵的含量 （測定范圍＞0.5%），詳細(xì)的分析流程見中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 14506.14—2010。微量元素采用電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP-MS）分析，樣品經(jīng)溶樣定容后，在德國Finnigan-MAT 公司制造的HR-ICPMS（ElementⅠ）儀器上進(jìn)行測定。測試方法依據(jù)DZ/T 0223—2001 方法通則，工作溫度、相對濕度分別為20 ℃和30%。微量元素含量大于10×10-6時相對誤差小于5%，小于10×10-6時的相對誤差小于10%，試方法依據(jù)GB/T 14506.30—2010“硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法”第30 部分： 44 個元素量測定。

3 巖相學(xué)特征

圖2 二連盆地衛(wèi)鏡巖體新鮮和風(fēng)化花崗巖特征Fig.2 Hand specimens of weathered granite and microscope photograph of fresh granite from Wejing pluton in Erlian Basin

衛(wèi)鏡巖體巖性為淺肉紅色中粗粒黑云母鉀長花崗巖（圖2a），粗粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物為石英、鉀長石、斜長石和少量黑云母。鉀長石以微斜長石為主，含量約40%，自形-半自形板狀結(jié)構(gòu)，粒徑大小不等，長軸范圍為1～4 mm；斜長石含量約10%，自形-半自形板狀，長軸1～4 mm，可見聚片雙晶，偶見弱-中等絹云母化；石英含量約35%，半自形-他形粒狀，粒徑0.5～7 mm；黑云母約占10%，可見多色性，呈深棕色-淺棕色；副礦物主要為鋯石、磁鐵礦、褐簾石等，含量約為5%（圖2b）。風(fēng)化花崗巖中鉀長石和斜長石風(fēng)化較強(qiáng)，風(fēng)化為高嶺石、黑云母發(fā)生弱的綠泥石化并含量減少等（圖2c、d）。

4 結(jié)果與討論

8 件樣品的化學(xué)分析結(jié)果見表1、2。由于在化學(xué)風(fēng)化過程中，活動性元素的淋失或巖石體積縮小會掩蓋地質(zhì)過程中元素遷移或富集的真實(shí)面目［11］。因此一般采用Grant 等濃度圖解來處理［12］，即以不活動元素為參考來計(jì)算蝕變或化學(xué)風(fēng)化前后巖石中元素的質(zhì)量遷移，表達(dá)方式為：

表2 二連盆地衛(wèi)鏡巖體微量元素地球化學(xué)數(shù)據(jù)/10-6Table 2 Trace element analyses of Weijing pluton in Erlian Basin

本文采用Al 元素對主微量元素進(jìn)行處理。處理后的數(shù)據(jù)見表1、2。風(fēng)化過程中一般采用化學(xué)風(fēng)化指數(shù)CIA＝［Al2O3/（Al2O3＋CaO*＋Na2O ＋K2O）］ ×100）［13］和樣品在 Al2O3-（CaO*＋Na2O）-K2O 三角圖中的分布來探討化學(xué)風(fēng)化程度和巖石化學(xué)風(fēng)化過程中主成分和礦物學(xué)變化（其中CaO* 指硅酸鹽中的CaO），相應(yīng)處理結(jié)果見表1、圖3。

4.1 主量元素

由表1 可以看出，相對新鮮巖石，風(fēng)化樣品的CIA 值介于58.67～60.07，反映寒冷、干燥氣候條件下低等化學(xué)風(fēng)化程度。另外，半風(fēng)化到地表強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的化學(xué)蝕變指數(shù)逐步升高，表明樣品化學(xué)風(fēng)化程度增強(qiáng)，長石逐漸蝕變?yōu)轲ね恋V物。由圖3a 可以看出，半風(fēng)化產(chǎn)物的主要成分演化趨勢線平行于Al2O3-（CaO*＋Na2O）邊，說明樣品中的斜長石最先風(fēng)化分解，Ca、Na 流失，而鉀長石相對穩(wěn)定，但是在地表強(qiáng)風(fēng)化產(chǎn)物的主要成分演化趨勢線近似平行于Al2O3-K2O 邊，鉀長石風(fēng)化分解明顯，蒙脫石、伊利石、高嶺石是該階段的主要次生礦物，由于長石類礦物在酸性濕潤氣候條件下容易風(fēng)化為高嶺石和埃洛石［15］，本風(fēng)化花崗巖特征暗示風(fēng)化條件為干旱條件。

圖3 二連盆地衛(wèi)鏡巖體花崗巖新鮮-半風(fēng)化-風(fēng)化樣品元素變化圖解Fig.3 Element migration diagram of fresh-weathering-weathered granite sample from Weijing pluton in Erlian Basin

由表1 和圖3 可以看出，相比新鮮巖石，隨著風(fēng)化作用加強(qiáng)，Na、K 等成分明顯降低，反映了長石類礦物的分解，尤其在強(qiáng)風(fēng)化條件下鉀長石分解作用明顯；P 含量也明顯降低，表明強(qiáng)風(fēng)化條件下原生含磷礦物（如磷灰石）分解釋放P；Mg、Ca 與Si 的變化趨勢相似，半風(fēng)化條件下明顯下降，地表風(fēng)化程度變強(qiáng)時又有所升高，反映黏土礦物的吸附作用對Mg、Ca 的影響；、FeO 含量降低明顯，且表現(xiàn)出較為一致的變化趨勢，表明的變化主要受到FeO 含量變化的影響，在花崗巖中最常見的含F(xiàn)eO 礦物是黑云母［16］，其次為磁鐵礦、黃鐵礦等副礦物，但是地表露頭和鏡下特征表明黑云母并未發(fā)生明顯分解，且風(fēng)化巖石中Mg、F 并無明顯降低（F 主要賦存于黑云母中［17］），這表明FeO 的降低并非主要與黑云母等暗色礦物的分解關(guān)系，更可能與磁鐵礦和黃鐵礦的氧化淋濾有關(guān)。H、LOI、S 和C 在強(qiáng)風(fēng)化樣品中含量明顯降低，暗示風(fēng)化條件為干燥氧化氣候條件，與前文分析一致。Ti 的含量較為穩(wěn)定，說明在化學(xué)風(fēng)化過程中Ti 也是穩(wěn)定元素。可見，衛(wèi)鏡巖體花崗巖風(fēng)化過程中Ca、K、Mg、Fe、C、S等元素容易遷移，P、Mn、Na 次之，而Ti、Al 屬于穩(wěn)定元素。

4.2 微量元素

微量元素結(jié)果見表2，由表可以看出，相對于新鮮花崗巖，風(fēng)化花崗巖中多數(shù)微量元素表現(xiàn)為穩(wěn)定的特征，比如鐵族元素Cr、Ni、Ti 及REE 等，但是少量元素表現(xiàn)出富集或者遷出的特點(diǎn)，如Nb、Ta、Zr、Hf、Th、Y 等高場強(qiáng)元素以及部分大離子親石元素Pb、Rb、Be、Li、Sb 存在一定程度的富集趨勢，明顯遷出的元素有U、V、Sr?；瘜W(xué)風(fēng)化過程中，微量元素的活化主要是含微量元素的礦物的分解引起的［18］。Ba、Rb 和Cs 與K 的化學(xué)性質(zhì)相似，主要賦存于鉀長石和黑云母中，Sc主要存在于黑云母中，分析結(jié)果顯示，風(fēng)化巖石中以上元素均無明顯變化，這主要受風(fēng)化條件下原生礦物分解釋放和黏土礦物吸附相互制約的過程共同控制；Sr 主要以替代Ca形式出現(xiàn)于斜長石中［1］，易隨斜長石的風(fēng)化而淋失；Nb、Ta、REE 賦存于榍石中，Zr 和Hf主要受鋯石控制［19］，這些元素在風(fēng)化巖石中的明顯升高可能主要與榍石和鋯石的穩(wěn)定性有關(guān)，風(fēng)化作用導(dǎo)致活動元素淋濾遷出，穩(wěn)定重礦物滯留原地，導(dǎo)致風(fēng)化巖石中Nb、Ta、Zr、Hf 的含量整體升高；Co、Ni 元素傾向于賦存在黃鐵礦、磁鐵礦等礦物中［20］，風(fēng)化樣品中的輕度降低，主要與該礦物的氧化分解有關(guān)，由于該類礦物含量有限，因此降低幅度不大；U、V 和Th 元素在風(fēng)化過程中呈現(xiàn)相反的趨勢，即在風(fēng)化樣品中Th 含量升高、U、V 降低，這主要與3 種元素在風(fēng)化條件下的價(jià)態(tài)有關(guān)，如在氧化條件下U 主要呈＋6價(jià)，易溶于水，從而隨著風(fēng)化作用進(jìn)行不斷遷出，而Th 則為＋4 價(jià)，不易溶于水，因此在風(fēng)化過程中滯留原地，造成原地的富集［21］。另外，一般情況下，Zr/Hf、Nb/Ta、Th/Sc、Zr/Nb、Sm/Nd 等元素比值在風(fēng)化條件下保持穩(wěn)定，因此常常用來風(fēng)化物源區(qū)，但結(jié)合本文數(shù)據(jù)來看，除了Sm/Nd 值外，其他比值均發(fā)生了變化，表明在化學(xué)風(fēng)化條件下，以上元素比值會發(fā)生解耦，因此用來示蹤源區(qū)時需深入判斷。

4.3 稀土元素

圖4 二連盆地衛(wèi)鏡巖體花崗巖新鮮-半風(fēng)化-風(fēng)化樣品稀土配分模式圖Fig.4 REE pattern of fresh-weathering-weathered granite sample from Weijing pluton in Erlian Basin

圖4 為不同類型樣品的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分模式圖，由圖可以看出，二連盆地衛(wèi)鏡巖體為輕稀土明顯富集，Eu 中等虧損、Ce 弱虧損的低稀土含量花崗巖，且風(fēng)化作用并未明顯改變稀土配分模式，Eu/Eu* 和Ce/Ce* 表現(xiàn)出波動性的輕微變化，可能與礦物的風(fēng)化分解和黏土礦物的交換吸附有關(guān)。已有研究表明，Y 與Ho 在大多數(shù)地質(zhì)過程中表現(xiàn)出相似的地球化學(xué)行為，因此二者比值常常保持穩(wěn)定，但本地區(qū)不同風(fēng)化樣品的Y/Ho 值卻明顯高于新鮮巖石和球粒隕石（～38）的值，表明二者在化學(xué)風(fēng)化過程中發(fā)生了解耦，這可能與地表含量豐富有關(guān)［17］，由于Ho與的絡(luò)合能力強(qiáng)于Y，因此在水-巖作用過程中Ho 容易遷移淋失，而Y 更易吸附在固體顆粒而滯留原地［22］，從而導(dǎo)致在風(fēng)化的樣品中Y 與Ho 比值明顯升高。

5 結(jié)論

1） 風(fēng)化樣品的CIA 值介于58.67～60.07，反映寒冷、干燥氣候條件下低等化學(xué)風(fēng)化程度，在半風(fēng)化過程中，斜長石最先風(fēng)化分解，Ca、Na 流失，鉀長石相對穩(wěn)定，在地表強(qiáng)風(fēng)化條件下，鉀長石風(fēng)化分解明顯，同時原生含磷礦物（如磷灰石）分解釋放P 而淋失；黏土礦物的吸附作用導(dǎo)致Mg、Ca 在地表強(qiáng)風(fēng)化條件下富集；、FeO 含量降低明顯，更可能與磁鐵礦和黃鐵礦的氧化淋濾有關(guān)；H、LOI、S 和C 在強(qiáng)風(fēng)化樣品中明顯降低，暗示風(fēng)化條件為干燥氧化氣候條件。衛(wèi)鏡巖體花崗巖風(fēng)化過程中Ca、K、Mg、Fe、C、S 等元素容易遷移，P、Mn、Na 次之，而Ti、Al 屬于穩(wěn)定元素。

2） 鐵族元素Cr、Ni、Ti 及REE 等微量元素保持基本穩(wěn)定，Nb、Ta、Zr、Hf、Th、Y等高場強(qiáng)元素以及部分大離子親石元素Pb、Rb、Be、Li、Sb 一定程度富集，U、V、Sr 明顯遷出，且Zr/Hf、Nb/Ta、Th/Sc、Zr/Nb 等元素比值均發(fā)生變化，主要受風(fēng)化條件下原生礦物分解釋放和黏土礦物吸附相互制約的過程共同控制；不同樣品稀土配分模式一致，但Y/Ho 值明顯高于新鮮巖石的值，可能主要與地表含量豐富有關(guān)。