鄂爾多斯盆地東北部納嶺溝鈾礦床黏土礦物特征

駱效能，李子穎，張玉燕，何升

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

黏土礦物是大多數(shù)海相和陸相碎屑沉積物的重要組成部分，也是鈾礦化過程中的常見產(chǎn)物。它們的晶體結(jié)構(gòu)和顆粒細(xì)小使得它們對(duì)地質(zhì)環(huán)境的變化特別敏感。黏土礦物的類型及其組合與沉積環(huán)境、沉積物源、古氣候、成巖作用和構(gòu)造背景等有密切關(guān)系。前人對(duì)納嶺溝鈾礦床的研究主要從構(gòu)造［1］、沉積體系［2-4］、 流體特征以及地球化學(xué)特征［5-6］、 成礦機(jī)理和成礦模式［7-9］等幾個(gè)方面來闡述，而對(duì)黏土礦物在鈾成礦過程中的行為研究較少。黏土礦物在納嶺溝鈾礦床中又廣泛存在，并且與鈾成礦關(guān)系密切。研究區(qū)地層發(fā)育有一條規(guī)模宏大的綠色蝕變帶，沿著盆地的東北部呈弧形展布。綠色蝕變帶是控礦的區(qū)域?qū)娱g氧化帶被二次還原的結(jié)果，二次還原起保礦作用［10］。李子穎等研究認(rèn)為綠色砂巖（氧化帶）與灰色砂巖（還原帶）的最大區(qū)別是碎屑顆粒表面的黏土成分差異，綠色砂巖碎屑顆粒表面均覆蓋有一層極薄的針葉狀綠泥石，是巖石呈綠色的主要原因［11］。因此，對(duì)納嶺溝鈾礦床成礦過程中黏土礦物所起的作用進(jìn)行研究顯得尤為必要。

本次研究共采集了55件樣品，采樣位置包括綠色古氧化帶、氧化-還原過渡帶、鈾礦石帶和原生灰色帶4個(gè)地球化學(xué)分帶。在室內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行了X射線衍射和掃描電子顯微鏡分析。新鮮樣品的黏土礦物含量和類型分析測試工作均由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究所完成。

1 礦床地質(zhì)

納嶺溝鈾礦床位于鄂爾多斯盆地東北部，構(gòu)造上處于鄂爾多斯中新生界盆地北部的伊盟隆起區(qū)（圖1a）。礦床內(nèi)出露的沉積蓋層包括三疊系、中侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)、上新統(tǒng)、第四系，上白堊統(tǒng)至中新統(tǒng)缺失。鉆孔揭露到的主要層位有中侏羅統(tǒng)延安組、直羅組及下白堊統(tǒng)。礦床主要賦礦層位為侏羅系中侏羅統(tǒng)直羅組下段下亞段 （圖1b），地層呈單斜產(chǎn)出，傾角較緩，平均為1°～3°，地層厚度一般在30～190 m。鈾礦化明顯受綠色砂巖與灰色砂巖分界控制，主要產(chǎn)于分界附近的灰色砂巖中，少部分產(chǎn)于灰綠色砂巖中。礦體呈板狀、透鏡狀，主要受直羅組下段下亞段辮狀河砂體的非均質(zhì)性控制。礦石中鈾礦物主要以鈾石為主，見少量的瀝青鈾礦和晶質(zhì)鈾礦，部分鈾呈絡(luò)合物形式被黏土礦物和有機(jī)質(zhì)吸附。

2 納嶺溝鈾礦床黏土礦物特征

2.1 主要黏土礦物組成

納嶺溝鈾礦床的黏土礦物主要包括：蒙脫石、高嶺石、綠泥石、伊利石，以及少量的伊蒙混層。從分析測試結(jié)果中可以看出（表1），各種黏土礦物的含量大致有以下關(guān)系：蒙脫石＞高嶺石＞綠泥石＞伊利石，伊蒙混層含量非常低，所以在此不詳述。現(xiàn)將納嶺溝鈾礦床的主要黏土礦物特征詳細(xì)說明：

蒙脫石：蒙脫石在光學(xué)顯微鏡下很難鑒定，主要依據(jù)X射線衍射分析和掃描電子顯微鏡進(jìn)行鑒定。納嶺溝鈾礦床目的層無論是原生灰色帶砂巖、礦化帶灰色砂巖或綠色古氧化帶砂巖，黏土礦物均以蒙脫石為主，在掃描電子顯微鏡下，蒙脫石集合體主要呈蜂巢狀產(chǎn)出 （圖2A，B）。其中綠色古氧化帶砂巖和原生灰色帶砂巖蒙脫石相對(duì)含量相差不大，鈾礦石帶灰色砂巖蒙脫石的相對(duì)含量最低。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置 ［12］（a）和地層結(jié)構(gòu)模式圖［13］（b）Fig.1 Tectonic location（a）and stratigraphic pattern（b） of research area1—構(gòu)造分區(qū)線；2—研究區(qū)；3—礦化。

表1 納嶺溝鈾礦床各地球化學(xué)分帶砂巖黏土礦物含量Table 1 Clay mineral content of sandstone in geochemical zones of Nalinggou uranium deposit

續(xù)表1

高嶺石：砂巖的高嶺石化分為鉀長石的高嶺石化和雜基的高嶺石化。納嶺溝鈾礦床雜基中的高嶺石化相對(duì)較強(qiáng)，在掃描電子顯微鏡下，雜基中（粒間）的高嶺石呈較大的假六方片狀集合體，鱗片相互疊置呈蠕蟲狀（圖 2C， D）。

綠泥石：納嶺溝鈾礦床砂巖的綠泥石化主要以三種形式存在：黑云母的綠泥石化，雜基中的綠泥石化和碎屑顆粒表面針葉狀的綠泥石化。黑云母綠泥石化常沿解理分布，呈片狀結(jié)構(gòu)，在鏡下呈淺綠色，中正突起，具靛藍(lán)的異常干涉色（圖2E，F(xiàn)）。雜基中綠泥石多以膠結(jié)物的形式存在，在掃描電鏡下觀察可呈絨球狀（圖2G）。另外，碎屑顆粒表面可見針葉狀的綠泥石化 （圖2H），且在古氧化帶砂巖中普遍發(fā)育。

圖2 納嶺溝鈾礦床主要黏土礦物掃描電鏡圖Fig.2 SEM photos of main clay minerals in Nalinggou uranium depositA，B—蒙脫石；C，D—高嶺石；E，F(xiàn)—黑云母的綠泥石化；G—絨球狀綠泥石；H—針葉狀綠泥石。

2.2 主要黏土礦物分布及含量

通過X射線衍射對(duì)各種黏土礦物相對(duì)含量和黏土礦物總量的分析測試結(jié)果（表1），可以看出：

1）各地球化學(xué)分帶中黏土礦物平均含量以蒙脫石為主，含量為47.77%～66.82%；高嶺石次之，含量為18.09%～39.54%；其次為綠泥石 （3.75%～12.93%）和伊利石 （1.36%～3.08%）。

2）各帶砂巖中黏土礦物總量變化于15.69%～17.47%之間。氧化-還原過渡帶砂巖和鈾礦石帶砂巖中黏土含量較綠色古氧化帶砂巖降低，后者含量最低（15.69%）。綠色古氧化帶砂巖中的黏土礦物含量最高（17.47%），說明氧化帶砂巖在沉積之后遭受過后生改造作用，黏土蝕變強(qiáng)烈。

3）綠色古氧化帶砂巖，黏土礦物總量最高，綠泥石含量在各帶中也是最高 （12.93%），這也是巖石呈現(xiàn)綠色的主要原因［11］；氧化-還原過渡帶，高嶺石含量和綠泥石含量相對(duì)于綠色砂巖略降低，蒙脫石含量相反，含量有所增加；鈾礦石帶，隨著鈾含量的升高，蒙脫石含量相比氧化-還原過渡帶砂巖降低，高嶺石含量升高，綠泥石含量繼續(xù)降低，且在各地球化學(xué)分帶中，高嶺石含量和伊利石含量最高，蒙脫石含量最低；原生灰色帶，綠泥石含量最低，保留最原始的沉積特征。

原生帶灰色砂巖在形成之后基本未受到后期氧化流體的改造作用，其黏土礦物組成和元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)能近似代表本地區(qū)同類巖石形成時(shí)的面貌。為了更好的說明后生地質(zhì)作用對(duì)各地球化學(xué)分帶的改造，本文將各地球化學(xué)分帶的黏土礦物的平均含量減掉原生帶灰色砂巖的黏土礦物的平均含量來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。從各地球化學(xué)分帶相對(duì)于原生灰色砂巖黏土礦物含量圖（圖3）可以看出，相對(duì)于原生帶灰色砂巖：1）綠色古氧化帶砂巖黏土礦物含量增加，蒙脫石、伊利石和高嶺石含量減少，綠泥石含量增加； 2）氧化還原過渡帶砂巖，黏土礦物含量基本不變，蒙脫石和綠泥石含量增加，伊利石和高嶺石含量下降； 3）鈾礦石帶砂巖黏土礦物總量有所下降，高嶺石含量在各帶中增加最多，蒙脫石的變化趨勢卻與之相反，下降的最多。

圖3 納嶺溝鈾礦床各地球化學(xué)分帶相對(duì)于原生灰色砂巖黏土礦物含量圖Fig.3 Comparison of clay minerals content in different geochemical zones and gray sandstone in Nalinggou uranium deposit

各地球化學(xué)分帶的黏土礦物在總量上雖然相差不大，但是對(duì)具體黏土礦物的含量而言卻差異明顯，尤其是蒙脫石和高嶺石的含量變化均較大，呈現(xiàn)出一種負(fù)相關(guān)的關(guān)系，這種含量的變化主要與后生蝕變過程中二者之間的轉(zhuǎn)化有關(guān)。

3 黏土礦物與鈾成礦環(huán)境分析

黏土礦物的存在代表了一定的沉積環(huán)境，通常認(rèn)為蒙脫石代表堿性環(huán)境，高嶺石代表酸性介質(zhì)環(huán)境［14］；伊利石代表中性介質(zhì)環(huán)境，在各帶中含量變化不大，是黏土礦物中最穩(wěn)定的組分。據(jù)李子穎等［15］對(duì)東勝地區(qū)砂巖型鈾礦床的研究，納嶺溝地區(qū)目的層砂巖的酸、堿環(huán)境在成巖期后主要有三次大的變化，即早期氧化酸性蝕變、氧化期后的堿性蝕變以及晚期還原-弱堿性蝕變。

在早期氧化酸性蝕變階段，長石水解形成高嶺石：

造成綠色古氧化帶、氧化-還原過渡帶和鈾礦石帶砂巖中的高嶺石含量相較于原生帶砂巖明顯增高。隨著氧化帶不斷向前推移，流體介質(zhì)逐漸由酸性向弱堿性轉(zhuǎn)變，早期被溶解的碳酸鹽在礦化帶附近沉淀形成方解石雜基，造成鈾礦石帶砂巖的滲透性急劇降低。對(duì)于黏土礦物，在鈾礦石帶，蒙脫石的含量顯著下降，而高嶺石的含量卻顯著上升。這并不符合原先的高嶺石代表的酸性介質(zhì)環(huán)境。劉寶珺［14］研究認(rèn)為，當(dāng)堿性介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝越橘|(zhì)時(shí)，蒙脫石會(huì)向高嶺石轉(zhuǎn)化，這與氧化-還原過渡帶砂巖到鈾礦石帶砂巖蒙脫石含量明顯降低 （47.77%～66.82%），而高嶺石含量（18.09%～39.54%）卻大幅度升高的特征相一致。這說明鈾礦石帶偏堿性的基礎(chǔ)上也存在相對(duì)酸性的環(huán)境。

進(jìn)入晚期還原弱堿性蝕變階段，有大量的非硫化氫的還原性氣體滲入，這些還原性氣體可使綠色古氧化帶的砂巖中Fe3＋還原轉(zhuǎn)化為Fe2＋，高嶺石在有Fe2＋存在的條件下會(huì)向綠泥石轉(zhuǎn)化：

此反應(yīng)可以解釋相對(duì)于原生灰色砂巖，綠色古氧化帶砂巖的高嶺石含量下降，而綠泥石含量大幅度上升。研究區(qū)的鈾礦物主要是鈾石，其形成于△Eh值相對(duì)較高的還原環(huán)境（表1）。同時(shí)鈾石主要形成于相對(duì)偏堿性的環(huán)境，并要求有一定的可溶性SiO2濃度。因此，鈾石很可能形成于這個(gè)時(shí)期，交代早先已形成的膠狀形態(tài)的晶質(zhì)鈾礦，形成極細(xì)微的柱狀晶體集合體的鈾石。

黏土礦物在表生條件下對(duì)鈾的沉淀與富集主要是通過吸附作用來實(shí)現(xiàn)的。表生帶的鈾酰離子通常帶有正電荷，因此很容易被帶有負(fù)電荷的黏土礦物等膠體粒子所吸附。但是對(duì)于黏土礦物本身而言，不同的黏土礦物對(duì)鈾的吸附能力是不同的，比表面積越大，吸附鈾的能力越強(qiáng)。納嶺溝鈾礦床的黏土礦物主要是以蒙脫石為主，高嶺石次之，且蒙脫石吸附鈾的能力遠(yuǎn)大于高嶺石。對(duì)于納嶺溝鈾礦床，黏土礦物對(duì)鈾的吸附能力主要體現(xiàn)在蒙脫石，高嶺石含量的變化雖然對(duì)吸附能力的影響有限，但是可以反映流體環(huán)境的變化。鈾礦石帶高嶺石含量的突然增加，可以反映成礦時(shí)弱堿條件下也存在一個(gè)相對(duì)酸性的環(huán)境。

4 結(jié)論

1）各地球化學(xué)分帶中黏土礦物以蒙脫石為主，高嶺石次之，其次為綠泥石和伊利石。各帶黏土礦物總量雖然差別不大，但是各種黏土礦物之間含量相差懸殊。鈾礦石帶高嶺石含量和伊利石含量最高，蒙脫石含量最低。

2）納嶺溝鈾礦床中黏土礦物對(duì)鈾的吸附能力主要體現(xiàn)在蒙脫石。高嶺石含量的變化雖然對(duì)吸附能力的影響有限，但是可以反映流體環(huán)境的變化。