火山岩型铀铍矿床——以新疆白杨河大型铀铍矿床为例

绪论 铀和铍是战略性新兴产业重要的金属原材料，在原子能反应堆的燃料和防护材料、中子源制备、航空宇航制动装置制作、火箭和喷气式飞机的高能燃料添加剂等核工业和空间技术领域都具有重要的作用。2017年美国总统特朗普签署的《确保关键矿产安全和可靠供应的联邦战略》（13817号）行政命令对世界关键矿产资源供求格局提出了挑战，也对我国如何确保包括铀铍在内的战略性矿产资源的安全可靠供应敲响了警钟。如何充分利用我国国内铀铍等金属原材料满足战略性新兴产业可持续高速发展已成为矿产资源研究的首要任务。因此，加速铀铍矿床的科学研究和找矿勘查工作，发现新的矿床类型和新的找矿靶区，建立铀铍资源战略储备基地，确保国家铀铍资源的安全可靠供应已迫在眉睫。 **节 火山岩型铀铍矿床研究现状 火山岩型铀铍矿床一般是指与高硅流纹岩、凝灰岩和浅成花岗斑岩有关的低温交代和脉状矿床。由于铀铍共生的矿床数目较少，国际上目前还没有统一的分类方案。已有的方案大多是按照铀矿或者铍矿的分类划分的。自20世纪50年代以来，不同的学者根据矿床的主要地质特征或者成因提出了众多的铀矿分类方案（RoubaultandPrice，1958;Dahlkamp，1978;Boitsov，1996；Petrovetal.，2000)。Dahlkamp(1978)根据赋矿围岩时代及其与成矿的关系，系统地把铀矿分为19个矿床类型；Dahlkamp(1993)根据围岩的属性以及矿床的地球化学特征，把矿床类型修订为16种类型、40个亚类，该方案被国际原子能机构2012年的铀矿分类采用。2009年，Dahlkamp进一步把铀矿床类型修订为20个大类、40个亚类（Dahlkamp，2009);2014年国际原子能机构在发布的铀矿地质分类中采用了这个新方案。Cuney(2009)根据铀在地质循环过程中的产出条件和成因类型，把铀矿分为：①与表生过程有关的铀矿；②同沉积铀矿；③与热液过程有关的铀矿；④与部分熔融有关的铀矿；⑤与结晶分异有关的铀矿。其中与热液过程有关的铀矿又分为基底型、板状、卷状、构造-岩性型、溶解坍塌角砾岩型、不整合型、同变质型、蚀变交代型、夕卡岩型和脉状等。 金属铍早期主要来源于绿柱石矿物的冶炼，而绿柱石主要产于花岗质伟晶岩中，因此，1970年以前金属铍主要来自手工挑选伟晶岩型绿柱石矿物，且通常是小型劳动密集型作业。从20世纪40年代到60年代初中期，由于铍在核工业和其他高科技产业中具有重要的应用前景，激发人们对铍和其他稀有金属资源开展了广泛的地质勘探活动。经过大量的地质勘探工作，在苏联（俄罗斯）、美国和加拿大等地陆续发现了许多重要的非伟晶型铍矿床（BartonandYoung，2002)。这些勘探工作的成功得益于人们认识到铍与化学成分高度演化的长英质火成岩具有密切的关联性。这些岩石均为富氟岩石，而且随着中子源伽马能谱仪等仪器的发展，岩石中铍含量快速半定量分析成为可能（Meeves，1966)，从而提高了铍矿的找矿效率。因此，目前国际上通常将铍矿床划分为伟晶岩型矿床和非伟晶岩型矿床。火山岩型铀铍矿床归属于非伟晶岩型，是世界上铍资源的重要来源（图0-1)。 图0-1全球主要铍矿床吨位-品位示意图（据Foley et al.，2017，有修改） 非伟晶岩型铍矿床是具有重要矿物学和岩石学意义的地质资源。这些矿床和矿点提供了世界上绝大多数铍矿资源。世界上已知的铍矿物（大约100种）大多产于热液矿床或非伟晶岩型火成岩中，这些矿物的分布随着成矿环境和成因类型的变化而变化。*为人熟知的是，铍的成矿主要与长英质岩浆作用有关的岩浆-热液系统有明显的成因联系；有时，它们也出现在明显缺乏火成岩组合的各种地质环境中，如从地表环境到地壳深部，寄主岩岩石成分可以从长英质到碳酸岩到超镁铁质。但与之成因上相关的火成岩则主要为长英质，且具有钙含量低、氟含量高的显著特点。与铍相关的火成岩化学成分范围从强过铝质到过碱性均可能出现，甚至还出现二氧化硅不饱和的情况。铍矿床（点）也可以出现在变质环境和沉积盆地环境中，并通过表生过程发生迁移，并重新分布富集（BartonandYoung，2002)。 在非伟晶岩型铍矿床中，火山岩型铀铍矿床作为一种重要的矿床类型，在成因上、时间上和空间上均与火山岩密切相关。空间上它常位于火山岩和火山碎屑沉积物充填的火山口及其附近。在Barton和Young(2002)的分类中，火山岩型铀铍矿床是具有经济意义铍矿床的端元成员，它们主要形成于富集亲石元素的火山-侵入杂岩体的中心，是热液流体与碳酸盐岩地层相互作用的结果（图0-2)。 代表性火山岩型轴被矿床主要有美国的SporMountain矿床、SierraBlanca矿床、BlackHills矿床，澳大利亚的Brockman矿床，墨西哥的Aguachile矿床以及中国的白杨河铀铍矿床等。火山岩型铀铍矿床常伴生其他关键金属元素，使之成为多元素组合的矿床，如美国SporMountain矿床成矿元素组合为U-Be-F、秘鲁Macusani矿床成矿元素组合为U-Sn-Ag-Be、澳大利亚Brockman矿床成矿元素组合为Nb-Be-REE等。在这些矿床中铍资源量往往较大（如美国SporMountain矿床和我国白杨河铀铍矿床中的铍资源量均达到了超大型），因此，这种类型的铍矿床往往是人们优先勘查和开采的对象。火山岩型铀铍矿床已经成为全球铀和铍资源的主要来源（Ledereretal.，2016)。 图0-2不同类型铍矿床成矿模式图及其代表性矿床（据BartonandYoung，2002，有修改） 目前，关于火山岩型铀铍矿床成因机制的研究还相对薄弱。20世纪50~80年代苏联学者开展了经典性的、综合性的研究工作（Beus，1966；Vlasov，1968；Zabolotnaya，1977)，但在西方文献中很少有系统的总结和报道。更为遗憾的是，这些研究工作只撰写了专著和报告，很少有论文发表，具体研究资料也很难获得。幸运的是几十年来，与之相关的、涉及稀有金属成矿相关的论文文献已经大量出版，特别是与美国SporMountain铀铍矿床相关论文的出版（Lindsey，1977，1979a，1979b，1982，1998，2001;Ludwingetal.，1980;Wabsteretal.，1989;Pollard，1995;Kremenetskyetal.，2000;BartonandYoung，2002;Mulleretal.，2018;Daileyetal.，2018;Ayasoetal.，2018，2020;FoleyandAyaso，2018)，使人们能够全面了解前人在这些方面所进行的主要研究工作，并形成对火山岩型铀铍矿床的成矿基本地质特征及成矿背景的初步认识。然而，到目前为止，国内外对于火山岩型铀铍矿床成因机理、元素超常富集机制、共生-分离的关键控制因素等关键科学问题还有待于深入研究。 金属矿床成矿作用研究中，尤其是铀铍矿床的研究，寻找成矿物质来源的直接证据往往比较困难，大多是采用间接（如矿物学、同位素地球化学和成矿年代学等方面）的证据，有些即使是间接证据，其争论也往往比较大。但是成矿物质源区的正确确定可以有助于确定该矿床的成因类型，发现*有潜力的成矿地段，从而为找矿工作部署提供重要的科学依据。因此，源区成矿作用研究已成为当前矿床学和经济地质研究的热点和前沿领域(Munteanetal.，2011;LeeandK()h，2012;Tomkins，2013;TomkinsandEvans，2015)。 火山岩型铀铍矿床中铀和铍的来源一直是大家关注的科学问题。铍通常赋存于长石和云母等造岩矿物中，而铀一般赋存于火山玻璃或副矿物中。因此，源岩的蚀变作用和富铀矿物的脱玻化作用是铀铍等成矿物质能否释放的关键。与火山岩型铀铍矿床有关的岩石多为碱性、准铝质至弱过铝质，往往表现出A型花岗岩特征。富铀铍的过碱性流纹岩和亚碱性花岗岩往往是大型铀铍矿床的主要源岩（Chabironetal.，2003)，如美国犹他州火山岩型铀铍矿床（包括SporMountain、HoneycombHills等矿床）的源岩是流纹岩，岩石具有富铀、偏碱的特征。有关火山岩型铀铍矿床铀源和铍源的研究大部分是靠间接的手段来证实、推测或者推断的，而缺乏直接证据。因此，建立的成矿模型和找矿勘查模型在找矿勘查中往往缺之普适性（CuneyandKyser，2015)。 现代测试分析技术的发展，特别是原位分析技术的应用，为解决火山岩型铀铍矿床源区成矿作用研究提供了重要的契机，建立具有普适性的火山岩型铀铍矿床成矿模型的时机逐步成熟。研究表明，岩浆的源区及其演化控制着铀铍的初始富集，如纳米比亚Riissing铀矿是深部花岗岩极端分异的结果或者是富铀的变质沉积岩或者变质火山岩低程度部分熔融的产物；加拿大魁北克Grenville成矿带成矿伟晶岩是深部花岗岩极端分异的产物(Lentz，1996)等。 虽然铀铍的富集成矿与一定的岩石类型有关，但是这些岩石中所含铀和铍的矿物可能并不能够完全提供成矿所需的全部金属铀或者铍。McGloin等（2016)对澳大利亚MountIsa地区造山型铀矿的研究表明，该地区铀源主要来自邻近的高钾钙碱性花岗岩或者A2型花岗岩。花岗岩中锆石高放射性导致其蜕晶化，从而使锆石中的铀易于活化迁移。铀在富Na、富CO:、高盐度流体的作用下发生迁移并沉淀，因此，锆石是主要的铀源。但是，Cuney(2016)认为除了锆石之外，晶质铀矿和褐帘石也是该矿床铀的主要来源。Zr的富集是由于Zr在与钠质蚀变有关的高碱性流体中溶解度增加。如果认为蜕晶化锆石中U的释放是铀的来源的话，那么至少它不是铀的主要来源。因此，富铀铍火山岩有可能提供了部分成矿物质，在成矿作用过程中成矿流体可能也携带了其他来源的铀和铍参与了成矿。 Ayuso等（2018)、Foley和Ayuso(2018)利用锆石和蛋白石U-Pb年代学和微区元素地球化学对美国SporMountain铀铍矿床进行研究，发现该矿床具有较长的岩浆热液演化历史，与成矿有关的岩浆主要来源于大陆岩石圈。富铍凝灰岩中铍的含量为1x10—6？300x10-6，较长时期的淋滤作用是造成美国SporMountain矿床铍和铀巨量堆积的关键。岩浆副矿物微区LA-ICP-MS微量元素、电气石B-Li-Mg同位素技术，以及微颗粒沥青铀矿U-Th-Pb定年技术的飞速发展使其在示踪成矿流体来源及其组成方面的研究发挥了重要的作用，为进一步揭示铀铍等金属物质的来源提供了可能性（SmithandYardley，1996;Xavieretal.，2008;Paletal.，2010;Mercadieretal.，2012;Fingeretal.，2017)。因此，在深人研究岩石成因类型和矿石结构构造的基础上，对火山岩中铀铍载体矿物和成矿流体组成进行研究，有可能真正揭示铀铍富集成矿过程中铀和铍的主要来源，正确理解火山岩型铀铍矿床的成因机制和成矿过程。 第二节 白杨河大型铀铍矿床勘查史 新疆白杨河铀铍矿床是我国唯一的大型火山岩型铀铍矿床，其独特的U-Be-Mo-F成矿元素组合，全球罕见。白杨河铀铍矿床赋矿围岩杨庄花岗斑岩岩石成因类型独特，与区域上同时代花岗岩的物质组成明显不同，其含矿岩石与美国SporMountain火山岩型铀铍矿床相关的黄玉流纹岩类似（王中刚，1995)。白杨河铀铍矿床已探明铍资源量5万余吨，达到超大型规模、居亚洲**，铀和钼资源量也已达到中型规模（陈奋雄和张雷，2008)。 新疆白杨河铀铍矿床发现于20世纪50？60年代，当时称为520矿田，主要是勘查铀矿。该矿田由数个矿床和矿点组成，矿床主要包括中心工地（也称一号工地）、二号工地(即新西工地）、三号工地（也称老西工地）等；矿点包括四号工地（也称东工地）、五号工地、六号工