杭錦旗砂巖型鈾礦床地質(zhì)特征及成因探討

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

砂巖型鈾礦泛指賦存于松散透水砂巖層中的工業(yè)鈾礦床，常形成于河湖相或?yàn)I淺海相沉積環(huán)境，是世界上發(fā)現(xiàn)較早的工業(yè)鈾礦床之一[1-2]。截止2014年底，我國(guó)砂巖型鈾礦資源量占“四大類型”鈾總礦資源量的52.3%，2014年國(guó)內(nèi)砂巖型鈾礦開(kāi)采量占“四大類型”鈾總開(kāi)采量的31.0%[3]。鑒于此優(yōu)勢(shì)，本文重點(diǎn)對(duì)鄂爾多斯盆地北部杭錦旗鈾礦地質(zhì)特征及成因進(jìn)行論述，以期說(shuō)明盆地砂巖型鈾礦“源—運(yùn)—匯”成礦系統(tǒng)，探討大型砂巖型鈾礦成礦的控礦地質(zhì)因素。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是發(fā)育于華北板塊的三疊紀(jì)多旋回殘延內(nèi)克拉通盆地，區(qū)內(nèi)地層較全，產(chǎn)狀平緩[4]；現(xiàn)今盆地構(gòu)造面貌是古生代“大華北盆地”演化—改造的殘留盆地[5]。盆地發(fā)育時(shí)限為T2—K1，受古太平洋構(gòu)造體制的影響，紙坊期始鄂爾多斯盆地作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)演化發(fā)育[5]。中新生代盆地沉積演化至少經(jīng)歷了明顯的四個(gè)階段[6]：延長(zhǎng)組代表了盆地發(fā)育的鼎盛階段；三疊紀(jì)末不均衡抬升，早侏羅世盆地廣泛沉積富縣—延安組河流、沼澤相沉積；直羅—安定期盆地古氣候潮濕—干旱轉(zhuǎn)化中形成沖積體系沉積充填；晚侏羅世燕山運(yùn)動(dòng)活動(dòng)強(qiáng)烈，盆地再次隆升，至早白堊世沉積厚層粗粒沙漠相和河流相沉積。早白堊世末，盆地整體抬升進(jìn)入后期改造—演化階段。

依據(jù)盆地現(xiàn)今的構(gòu)造格局及其演化特征，鄂爾多斯盆地可劃分為六個(gè)小的構(gòu)造單元[7]；盆地北部鈾礦化集中在伊盟隆起中北部斜坡帶[8]。伊盟隆起繼承了盆地前寒武結(jié)晶基地的隆起形態(tài)，受加里東運(yùn)動(dòng)、海西運(yùn)動(dòng)的影響，一直處于隆起剝蝕狀態(tài)，至早二疊世山西期開(kāi)始接受沉積[9-12]；自中生代晚三疊世以來(lái)經(jīng)歷多期次的東強(qiáng)西弱、東早西晚的構(gòu)造隆升—?jiǎng)兾g事件，逐漸形成現(xiàn)今東南高西北低的鼻狀構(gòu)造格局，區(qū)內(nèi)地層多以平行不整合或角度不整合接觸，強(qiáng)烈構(gòu)造變形受差異剝蝕地層殘留厚度變化較大。依近年來(lái)的地震解釋成果和鉆探等資料將杭錦旗地區(qū)劃分為天環(huán)向斜局部、陜北斜坡一角、公卡汗凸起、杭錦旗斷階、烏蘭格爾凸起[7]，區(qū)內(nèi)斷層不發(fā)育，地層整體表現(xiàn)為向西南緩傾斜的單斜，但礦區(qū)南側(cè)發(fā)育有受基底斷裂控制深切的斷面北傾的泊爾江海子斷裂[13-14]，這條斷裂架起了深部流體向盆地北部運(yùn)移逸散的橋梁，為砂巖型鈾成礦提供了良好的富集條件和保礦環(huán)境。

2 杭錦旗鈾礦床地質(zhì)特征

近年來(lái)盆地北部在伊盟隆起帶陸續(xù)發(fā)現(xiàn)東勝、杭錦旗(納令溝)、大營(yíng)砂巖型鈾礦床[15-17]，伊盟隆起帶成為繼中亞、北美巨型砂巖型鈾礦帶的另一巨型砂巖型鈾礦帶[15-16,18]。杭錦旗鈾礦床位于鄂爾多斯盆地北部邊緣伊盟隆起帶上(圖1)，是伊盟隆起帶上典型的砂巖型鈾礦床之一。

2.1 含礦巖系的巖性組合及礦化特征

礦區(qū)鈾礦化段主要為直羅組J2Z1-2辮狀河厚層砂巖[19-20]；砂巖碎屑中石英和長(zhǎng)石成分最多，石英平均含量約為23%，顆粒表面光滑，具綠泥石薄膜，含大量流體包裹體；長(zhǎng)石類平均含量18%左右，以斜長(zhǎng)石為主，多發(fā)生絹云母化或綠簾石化。膠結(jié)類型為孔隙式膠結(jié)和薄膜式膠結(jié)，砂巖的滲透性能較好。通過(guò)電子探針和α徑跡蝕刻分析指出礦化砂巖中鈾主要以獨(dú)立鈾礦物(鈾石等)和吸附態(tài)鈾的形式產(chǎn)出，鈾礦物顆粒細(xì)小，以微粒集合體形式存在[21]。

針對(duì)鈾石的微區(qū)原位稀土元素測(cè)試識(shí)別出兩種不同組合的鈾礦物[17]。第一種是與富釩云母共生的鈾石(I)，鈾石富釩(V)貧鐵(Fe)釔(Y)、球粒隕石稀土標(biāo)準(zhǔn)化LREE富集的配分模式，這與中亞等地的典型卷狀砂巖型鈾礦床特征相似，I類鈾石的輕稀土富集特征表明這類鈾石與外源氧化(堿性)大氣滲入水控制的層間氧化成礦相關(guān)；第二種鈾石(Ⅱ)與同時(shí)期的亮晶方解石共生，鈾石富鐵(Fe)釔(Y)貧釩(V)，球粒隕石稀土元素分配呈平坦型，與變質(zhì)型鈾礦形成的鈾礦物相類似，因而鈾石(Ⅱ)的形成是典型的高鹽度成礦流體與熱液鈾礦化相兼容的模式，間接表明礦區(qū)可能存在深部鈾源。

2.2 層狀氧化帶與鈾礦化

眾所周知，層狀氧化帶對(duì)砂巖型鈾礦床具有重要意義。研究區(qū)層間氧化帶呈北西—東南方向展布，并推測(cè)與東勝鈾礦區(qū)層間氧化帶相連接，在杭錦旗油氣探區(qū)內(nèi)長(zhǎng)約100 km的范圍內(nèi)均有分布。針對(duì)各分帶進(jìn)行巖芯觀察、地化分析等信息的提取[10]，從氧化帶→過(guò)渡帶→還原帶，巖石顏色依次為紅褐色→綠、灰綠色→灰色→灰白色，過(guò)渡帶具有最高豐度的鈾含量，有機(jī)碳和∑S也同樣顯示了這種特征；二次還原綠色砂巖(古氧化帶)表現(xiàn)較為特殊的地球化學(xué)特征，有機(jī)碳含量和Fe2+/Fe3+特征和還原帶相似，說(shuō)明其現(xiàn)在確為還原性質(zhì)，但其總鐵和∑S的含量卻和紅色氧化砂巖相似，說(shuō)明其前身為氧化砂巖，在后來(lái)的還原作用事件中氧化砂巖轉(zhuǎn)化成了還原性的綠色化砂巖。結(jié)合鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，綠色砂巖的綠色為綠泥石和蒙脫石包裹在碎屑顆粒表面所呈現(xiàn)的色調(diào)。

圖1 鄂爾多斯盆地北部伊盟隆起東勝-杭錦旗-大營(yíng)巨型成礦帶鈾礦地質(zhì)圖(內(nèi)部報(bào)告)

3 成因分析及控礦因素探討

杭錦旗鈾礦床與盆地北部的構(gòu)造演化及其北部可能的物源區(qū)河套盆地的隆升沉降密切相關(guān)。鄂爾多斯盆地從晚三疊世至早白堊世發(fā)育一定厚度的泥巖與砂巖互層，此階段盆地古氣候以干旱炎熱或干旱為主,是賦礦層位形成的有利氣候。游離氧的產(chǎn)生和鈾源區(qū)鈾元素的分解帶出形成富鈾含氧地下水向含礦層滲流，有利于層間氧化帶持續(xù)向盆地方向發(fā)展。在東勝組沉積之前與直羅組沉積之后的地質(zhì)演化歷史里，杭錦旗地區(qū)與北部大青山隆起區(qū)相連，一直處在隆起剝蝕的環(huán)境之中，此時(shí)河套地區(qū)的南部斜坡帶的成礦物質(zhì)來(lái)源為大青山—陰山蝕源區(qū)穩(wěn)定提供。晚侏羅紀(jì)至白堊紀(jì)早期，直羅組一度遭受風(fēng)化剝蝕，隨著地表含鈾含氧水的順層滲入，杭錦旗地區(qū)層間氧化帶逐漸形成并發(fā)展同時(shí)形成層間氧化帶型鈾礦化。晚白堊世以來(lái)，受特提斯洋板塊和太平洋板塊的聯(lián)合擠壓作用，鄂爾多斯盆地北部地區(qū)逐漸停止沉積并隨之隆升；進(jìn)入風(fēng)化剝蝕期，全盆地各層位都有可能進(jìn)入滲入進(jìn)下水活動(dòng)期，這時(shí)河套斷陷尚未形成，繼續(xù)保持著大青山—河套蝕源區(qū)與南部斜坡帶的成礦環(huán)境格局。第三紀(jì)時(shí)，盆內(nèi)大范圍隆起，周緣形成地塹系，隨著北緣斷裂的形成發(fā)育和河套斷陷的下沉，成礦區(qū)與大青山蝕源區(qū)隔開(kāi)。

對(duì)杭錦旗地區(qū)流體作用與成礦的研究指出[21]，鈾礦化與3種流體作用相關(guān)—氧化滲入水帶來(lái)鈾成礦原始物質(zhì)、源于地層深部的酸性流體作用、后期有機(jī)碳參與的堿性熱流體，其中堿性熱液活動(dòng)區(qū)為砂巖鈾高礦化區(qū)。含氧含鈾水進(jìn)入直羅組高孔辮狀河砂體促使形成層間氧化帶，同時(shí)，杭錦旗探區(qū)是上古生界天然氣運(yùn)移、逸散的有利指向區(qū)[15]，貫穿盆地基地的泊爾江海子斷裂及其伴生的次級(jí)斷裂為成礦流體進(jìn)入容礦層提供了便捷通道，易于形成有深部物質(zhì)參與的成礦環(huán)境和作用；油氣提供的還原條件，利于鈾的二次富集和保礦。晚白堊世后期，深部堿性熱液流體進(jìn)入成礦層，使原先存在的微生物成礦作用停止并萃取砂層中分散存在的鈾礦物和吸附態(tài)存在的鈾礦物，此后，隨著堿性流體活動(dòng)的停止和地層水溫度的降低，微生物活動(dòng)繼續(xù)開(kāi)始還原成礦。第三紀(jì)以來(lái)，隨著河套盆地的形成，切斷了北部氧化滲入水向礦區(qū)的流動(dòng)，加之油氣二次還原作用，杭錦旗地區(qū)直羅組(古)層間氧化帶呈現(xiàn)為特殊的灰綠色或淺灰綠色。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)杭錦旗鈾礦體位于直羅組下段上亞段辮狀河三角洲平原砂體中，其展布受(古)層間氧化帶前鋒線綠色砂巖的控制。鈾主要以獨(dú)立鈾礦物(鈾石等)和吸附態(tài)鈾的形式產(chǎn)出，針對(duì)鈾石的微區(qū)原位稀土元素測(cè)試識(shí)別出兩種不同組合的鈾礦物：與富釩云母共生的鈾石(I)和與同時(shí)期的亮晶方解石共生的鈾石(Ⅱ)。

(2)與中國(guó)西部發(fā)現(xiàn)的典型層間氧化帶砂巖型鈾礦不同，杭錦旗鈾礦遭受3中類型的流體作用，由于油氣二次還原作用，杭錦旗地區(qū)直羅組(古)層間氧化帶呈現(xiàn)為特殊的灰綠色或淺灰綠色，即經(jīng)歷了早期的氧化階段和晚期的二次還原階段。