花岗岩相关矿床中铀矿化的多阶段性：来自中国南方西王铀矿床中沥青铀矿和咖啡铀矿的地质年代学和地球化学研究的启示

刘斌|陈伟峰|李海东|齐家明|邱亮|凌宏飞
南京大学地球科学与工程学院，南京，210023，中国

**摘要**
理解花岗岩相关热液脉型铀矿床中铀富集机制、流体演化以及多阶段构造-岩浆活动的控制因素仍然是一个关键挑战。位于陶山-珠光铀矿带南段的下庄铀矿场是中国南方花岗岩相关脉型铀矿床的重要组成部分，也是研究铀矿化成矿年龄和过程的自然实验室。本研究以最具代表性的西王铀矿床为研究对象，采用电子探针显微分析仪（EPMA）和激光烧蚀电感耦合等离子体质谱法（LA-ICP-MS）对铀矿物（沥青铀矿和咖啡铀矿）的矿物学、地质年代学和元素地球化学进行了原位分析。结果表明，这两种铀矿物存在两种形态类型：沥青铀矿以细脉和球粒状形式存在，而咖啡铀矿则以细脉和不规则颗粒状形式存在。其形成年龄分别为：细脉沥青铀矿为76.0±2.8 Ma（n=30，MSWD=2.7），球粒状沥青铀矿为53.9±3.6 Ma（n=22，MSWD=0.76），细脉咖啡铀矿为19.0±0.7 Ma（n=7，MSWD=2.1）。这些年龄表明铀矿化经历了三个阶段（晚白垩世、始新世和中新世）。细脉和球粒状沥青铀矿中的总稀土元素（REE）含量在293至3721 ppm之间，W含量为6128～10267 ppm，几乎不含Th，表明其起源于中低温热液作用。矿石富含U、W等元素，沥青铀矿中的REE分布与围岩花岗岩（下庄和茂峰岩体）相匹配，说明矿石形成物质来源于这些花岗岩。与细脉沥青铀矿相比，球粒状沥青铀矿含有更多的W和Ca，但U含量较低，暗示其形成环境相对更氧化。西王矿床中的细脉和 irregular granular coffinite 形成机制不同：前者直接由含U和Si的流体结晶而成，后者则是原有沥青铀矿的蚀变产物。

**引言**
下庄铀矿场位于中国中东部，是陶山-珠光铀矿带的重要组成部分。自20世纪50年代以来，该地区发现了18个铀矿床和众多铀矿化点，包括两个大型矿床（竹山峡和西王）、五个中型矿床（斋下、下庄、石头岭、石家窝和仙石），以及几个小型矿床（如新桥西矿床，He, 2017）。许多研究聚焦于下庄矿场的矿床地质、花岗岩成因、成矿流体、成矿物质来源、围岩蚀变和成矿年龄（例如，Deng et al., 2003; Wu et al., 2003a; Shang et al., 2012; He et al., 2015; Luo et al., 2015, 2017; Liu et al., 2018; Bonnetti et al., 2018, 2023; Zheng, 2019; Zhang et al., 2022）。该矿场的铀矿化类型分为四种：硅化脉型、硅化脉与基性岩脉交切型、蚀变碎裂岩型和花岗岩外接触型，其中硅化脉型和交切型最为常见（He et al., 2015; Zheng, 2019; Zhang et al., 2022）。西王矿床是硅化脉型的典型代表，而仙石矿床则属于交切型。矿场中的铀矿化分为两个时期：早期高温热液铀矿化和晚期中低温热液铀矿化（Luo et al., 2015; Bonnetti et al., 2018, 2023; Zhang et al., 2022）。早期高温矿化主要与侏罗纪花岗岩分异产生的岩浆流体有关，而晚期中低温矿化可能是由大气流体和深部流体混合所致（Chi et al., 2020）。这些研究加深了对区域铀矿化的理解，并指导了矿场的勘探工作。

准确的成矿年代学对于了解成矿物质的来源和铀矿床的成因机制至关重要。以往的研究使用了湿化学U–Pb同位素测年、LA-ICP-MS U–Pb测年和SIMS U–Pb测年方法对下庄矿场的沥青铀矿进行了分析，将早期高温铀矿化时间定为175至145 Ma，晚期中低温铀矿化时间定为135至45 Ma（Luo et al., 2015, 2017; Bonnetti et al., 2018; He, 2017; Zheng, 2019; Zhang et al., 2022）。然而，下庄矿场晚燕山期铀矿床的成矿年龄存在较大差异（Luo et al., 2017; Pei et al., 2021; Zhang et al., 2022）。即使在同一矿床内，不同研究者使用相同分析方法也得出的年龄结果也不一致（Zheng, 2019; Zhang et al., 2022），这表明可能存在“混合年龄”而非单一明确的矿化事件。可能的原因是：（1）沥青铀矿是主要测年矿物，但其U–Pb同位素系统容易受到后期地质过程的干扰，导致同位素系统不封闭，年龄偏离真实成矿年龄；（2）某些矿床中存在多种类型的沥青铀矿，但早期研究缺乏详细的矿物共生分类，导致测年结果合并了不同矿化阶段的年龄，掩盖了铀矿化的时间演化过程。此外，咖啡铀矿在西王矿床中广泛存在，显微镜下可见其切割早期沥青铀矿的细脉，表明其形成时间晚于沥青铀矿，但其具体形成年龄尚未确定。这一空白限制了该地区铀矿化过程的清晰时间框架的建立，也可能影响沥青铀矿测年的准确性。因此，本研究聚焦于西王铀矿床，采用形态特异性的原位分析方法来解决现有的年龄差异问题，通过LA-ICP-MS同位素分析技术确定铀矿的成矿年龄，以更准确地确定西王铀矿的形成时间，并为构建区域铀矿化模型提供依据。

另一方面，关于下庄铀矿场成矿流体演化的研究相对较少。研究成矿流体的演化对于理解热液脉型铀矿床的矿化过程非常重要。沥青铀矿和咖啡铀矿的化学成分（尤其是REE含量）可以反映和指示其沉淀过程中的物理化学条件（例如氧化还原状态、温度、盐度）（Mercadier et al., 2011; Eglinger et al., 2013; Frimmel et al., 2014; Alexandre et al., 2015; Spano et al., 2017; Martz et al., 2019; Zhong et al., 2022）。因此，分析沥青铀矿和咖啡铀矿的化学成分有助于阐明成矿流体的性质和铀矿的形成环境。本研究通过显微镜观察发现，西王铀矿中的沥青铀矿和咖啡铀矿具有不同的形态结构和嵌套或包裹关系，为研究成矿流体的演化提供了良好机会。我们利用LA-ICP-MS分析了西王铀矿不同形态类型和阶段的沥青铀矿和咖啡铀矿的微量元素含量，以探讨成矿流体的演化特征。

**地质背景**
下庄铀矿场位于南岭纬向构造带第二亚带的中心部分，具体位于大东山- Guidong花岗岩带的东部（图1）。Guidong岩体主要由三叠纪的下庄岩体（235.8±7.6 Ma）、茂峰岩体（219.6±0.9 Ma）、Luxi岩体（239±5 Ma）以及侏罗纪的Sundong岩体（189.1±0.7 Ma）、Siqian岩体（160.1±6.1 Ma）和Chendong岩体组成。

**矿床地质**
西王铀矿床位于下庄铀矿场的北部，处于下庄岩体和茂峰岩体的接触带。两岩体均出露于地表，下庄岩体主要由粗至中粒斑状黑云母花岗岩和中细粒黑云母花岗岩组成；茂峰岩体主要由细粒黑云母花岗岩和细粒二云母花岗岩组成（图2b）。局部还存在辉长岩脉。

**样品和分析方法**
本研究样品采自下庄铀矿场（ZK252-5），位置见图3。共采集了4个铀矿样品，样品中可见沥青铀矿（图4b, e, 4f）。样品被制备成薄片和探针装片用于观察和分析。

**沥青铀矿和咖啡铀矿的主要元素组成**
表2展示了西王铀矿中细脉和球粒状沥青铀矿以及不规则颗粒状和细脉咖啡铀矿的电子探针成分分析结果。相比之下，细脉沥青铀矿的U含量较高，Ca、W和Mn含量较低，UO2含量范围为86.3%至91.4%，平均值为88.7%；CaO含量为2.81%至4.39%，平均值为3.77%；WO3含量为0.03%至1.08%，平均值为0.59%；MnO含量较低。

**成矿流体性质**
沥青铀矿的地球化学特征可用于推断成矿流体的物理化学条件（Alexandre and Kyser, 2005; Mercadier et al., 2011; Ballouard et al., 2017; Grare et al., 2021）。Frimmel等人（2014）的研究表明，在高温（T > 350°C）条件下，Th4+容易在流体中迁移并进入铀云母，通过等价替代取代U4+，导致铀云母中Th相对富集，从而使U/Th比值降低。

**总结与结论**
通过岩石学观察和自动化矿物扫描分析，西王铀矿的热液矿物组合可分为三个时期：成矿前、成矿期和成矿后。成矿前组合包括中粒结晶石英、绿泥石（Chl I）和自形-半自形黄铁矿（Py I）。成矿期进一步分为三个亚组：第一组包含微晶石英……

**作者贡献声明**
刘斌：调查、初稿撰写、审稿与编辑；
陈伟峰：资金获取、审稿与编辑；
李海东：调查、方法学研究；
齐家明：调查、方法学研究；
邱亮：调查、验证；
凌宏飞：资金获取、审稿与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
陈伟峰报告获得了南京大学地球科学与工程学院的财务支持。

**致谢**
本研究得到了广东省自然科学基金（项目编号2024A1515010735）、天然铀产业技术创新联盟的“揭示与指挥”项目（项目编号202303）以及铀矿床勘探项目（项目编号202439-6）的支持。