東準(zhǔn)卡姆斯特地區(qū)中侏羅—漸新世古氣候環(huán)境分析及對(duì)砂巖型鈾礦的影響

孫瀟 王國(guó)榮 王果

摘 ? 要：砂巖型鈾礦屬沉積盆地內(nèi)表生水滲入成礦類型，古氣候條件、沉積環(huán)境對(duì)含礦建造的形成、后生改造及鈾元素的富集成礦等具重要影響。本次研究主要對(duì)該區(qū)內(nèi)多個(gè)鉆孔不同層位、不同顏色巖石系統(tǒng)采樣測(cè)試，據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)卡姆斯特地區(qū)不同地質(zhì)時(shí)期巖石地球化學(xué)特征及古氣候條件、沉積環(huán)境進(jìn)行研究，并探討古氣候條件對(duì)該區(qū)鈾元素遷移富集的影響。本次共采取234件侏羅—新近系巖石樣品，開展常、微量元素分析、有機(jī)碳含量分析及粘土礦物相對(duì)含量分析。結(jié)果表明，從中侏羅世西山窯期至古近紀(jì)中晚期研究區(qū)氣候總體為溫濕-干旱，中侏羅世頭屯河期早期沿襲了溫濕氣候，后期逐漸向干旱轉(zhuǎn)變，為一個(gè)氣候過渡期，有利于卡姆斯特地區(qū)與氧化帶相關(guān)鈾成礦作用的發(fā)育。

關(guān)鍵詞：卡姆斯特地區(qū);古氣候;沉積環(huán)境;砂巖型鈾礦

砂巖型鈾礦的形成受控于氧化-還原作用，古氣候不僅決定了含礦巖系沉積時(shí)的氧化、還原性質(zhì)，同時(shí)對(duì)沉積期后蝕源區(qū)及地層中鈾的淋濾、遷移及沉淀具重要影響。因此，古氣候條件研究在某一地區(qū)砂巖型鈾成礦條件評(píng)價(jià)工作中是不容忽視的。陳戴生等對(duì)我國(guó)中新生代古氣候演化及對(duì)盆地砂巖型鈾礦的控制作用進(jìn)行了探討[1]，楊燁、何中波通過尋找古生物、沉積體系、孢粉證據(jù)，分析了準(zhǔn)噶爾盆地中新生代古氣候演化特征，并對(duì)砂巖型鈾成礦作用進(jìn)行了探討[2]。另有學(xué)者通過研究地球化學(xué)指標(biāo)（常量元素、微量元素、稀土元素、有機(jī)質(zhì)等）的變化規(guī)律及粘土礦物組合特征對(duì)古氣候、古沉積環(huán)境進(jìn)行了研究[3-5]。本次通過對(duì)卡姆斯特地區(qū)多個(gè)鉆孔巖心樣品的系統(tǒng)采集和分析測(cè)試，開展了不同地質(zhì)時(shí)期的沉積地球化學(xué)特征及古氣候環(huán)境條件研究，并探討了古氣候條件對(duì)鈾元素遷移富集的影響。

1 ?研究區(qū)概況

準(zhǔn)噶爾盆地及周邊經(jīng)歷了多旋回的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。石炭紀(jì)早期為洋盆，在海西構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中完成與周圍板塊的拼合。新生代前發(fā)育各種繼承性、持續(xù)性或階段性隆起與坳陷。研究區(qū)地處準(zhǔn)噶爾盆地東北緣，構(gòu)造上縱向橫跨索索泉凹陷及滴北凸起（圖1），發(fā)育上古生界和中新生界，分別構(gòu)成盆地基底和蓋層。蓋層由中新生界三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系組成。侏羅系發(fā)育較齊全，包括八道灣組、三工河組、西山窯組、頭屯河組和齊古組。八道灣組巖性以灰色泥巖、砂巖、碳質(zhì)泥巖、褐煤互層為主，底部為礫巖層;三工河組巖性以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖為主，底部為礫巖或含礫砂巖層，下部主要為低彎曲度砂質(zhì)辮狀河沉積，中、上部沉積了一套以濱湖、淺湖相為主的泥質(zhì)粉砂巖及泥巖，局部夾有分流河道相砂體;西山窯組巖性以灰白色砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖互層為主，夾煤層和碳質(zhì)泥巖、礫巖，總體沉積相以濱湖相、湖相為主，下部沉積了一套辮狀河相砂體;頭屯河組下部為原生灰色層，由礫巖、砂巖、泥巖和泥質(zhì)粉砂巖組成，為一套辮狀河、濱湖、淺湖相、分流河道沉積物，底部泥礫巖為標(biāo)志層;上部為一套雜色層，以河道相、河漫灘相、濱湖、淺湖相沉積物為主，由灰、灰綠色與紫紅、褐紅色砂泥巖互層組成，以泥巖為主;齊古組為一套棕紅色、紫紅色細(xì)碎屑巖，下部為中、細(xì)砂巖，中上部為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖;下白堊統(tǒng)吐谷魯群僅在鉆孔中被古近系超覆，地表未見出露。巖性以紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖為主，夾細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖，底部礫巖層;古近系烏倫古河組巖性為厚層淺黃、淺黃白及灰白色中細(xì)砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖夾泥巖，底部為礫巖、砂礫巖;新近系沙灣組以黃色、淺褐色砂礫巖、礫巖為主。

2 ?樣品采集及分析方法

本次研究234件樣品的加工及常、微量元素分析、有機(jī)碳含量分析均由核工業(yè)新疆理化分析測(cè)試中心完成，沉積巖粘土礦物相對(duì)含量分析由中國(guó)石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院分析測(cè)試。按規(guī)范EJ/T1121-2000、DZ/T0130-2006，樣品加工粒度物理項(xiàng)目80～100目，化學(xué)分析項(xiàng)目160～200目，質(zhì)量200 g/樣。本次研究Th、微U、CaO、MgO、Al2O3、Ga、Rb分析項(xiàng)采用ICP-OES，ICP-MS分析， B分析項(xiàng)采用一米平面光柵攝譜儀WWP1分析，F(xiàn)eO、Fe2O3、有機(jī)碳分析項(xiàng)采用滴定管滴定，沉積巖粘土礦物相對(duì)含量x衍射分析采用D8 X射線衍射儀分析。

3 ?古氣候及古沉積環(huán)境分析

3.1 ?元素地球化學(xué)分析

地球化學(xué)元素的遷移與富集特征是古氣候環(huán)境的忠實(shí)記錄者。地球化學(xué)元素遷移與富集同盆地演化的構(gòu)造背景、物源區(qū)地質(zhì)特征等因素有關(guān)。目前很難采集與地層沉積時(shí)期相一致的物源區(qū)巖石樣品進(jìn)行比對(duì)研究，因此，本次研究?jī)H討論地球化學(xué)元素的遷移與富集對(duì)古氣候環(huán)境變化的記錄。

沉積巖中的常量元素、微量元素及某些元素的比值被廣泛用于恢復(fù)古氣候和判別沉積環(huán)境[3-6] 。粒度粗的沉積物在較強(qiáng)的水動(dòng)力條件下接受沉積，水動(dòng)力較強(qiáng)的分選作用使得粒度細(xì)的顆粒被帶走。在弱水動(dòng)力條件下，粒度較細(xì)的沉積物（粉砂級(jí)、泥級(jí)）經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間搬運(yùn)和分選后沉積，因此，較細(xì)沉積物中會(huì)保留反映該時(shí)段完整豐富的地球化學(xué)記錄[4]。本文用來分析古氣候及沉積環(huán)境的樣品主要來自卡姆斯特地區(qū)侏羅—漸新世地層中的泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖，共計(jì)72件。下白堊統(tǒng)吐谷魯群24件，上侏羅統(tǒng)齊古組24件，中侏羅統(tǒng)頭屯河組上段7件，中侏羅統(tǒng)頭屯河組下段10件，中侏羅統(tǒng)西山窯組5件。

常量元素中CaO、MgO、Al2O3對(duì)古氣候環(huán)境具敏感反映，Al2O3喜濕， CaO/MgO值高指示古環(huán)境氣溫相對(duì)較高，CaO/MgO值低指示古環(huán)境氣溫相對(duì)較低[7]。據(jù)分析（圖2），Al2O3含量平均值總體呈下降趨勢(shì)，但在晚侏羅世齊古期至早白堊世吐谷魯期略有升高，反映中侏羅世西山窯期至中侏羅世齊古期，該地區(qū)古氣候逐漸由濕潤(rùn)向干旱轉(zhuǎn)變，齊古晚期至早白堊世吐谷魯期，該地區(qū)古氣候干旱程度降低，向半干旱氣候過渡。CaO/MgO值變化不大，中侏羅世西山窯期略有下降，說明該時(shí)期氣溫較之前有所降低，但還屬溫?zé)釟鉁?。硼元素（B）在海相泥質(zhì)沉積物中含量較高，稼元素（Ga）多富集在淡水沉積物中，利用泥質(zhì)沉積物的硼與稼的比值指示古鹽度是有效的[8-9]。Fe2+/Fe3+的值及有機(jī)碳含量往往對(duì)地層沉積時(shí)的氧化、還原環(huán)境有一定指示作用，當(dāng)Fe2+/Fe3+>1時(shí)為還原環(huán)境[8]。

研究表明，B/Ga值越大古鹽度越大，陸相環(huán)境B/Ga比值一般小于3.0～3.3[9]。如圖3所示，卡姆斯特地區(qū)中侏羅世西山窯期至早白堊世吐谷魯期沉積物B/Ga值都小于3.0，但整體呈增加趨勢(shì)，表明該地區(qū)這一時(shí)期為淡水環(huán)境，古鹽度略有增加。下白堊統(tǒng)吐谷魯群砂巖及粉砂巖中見大量鈣質(zhì)結(jié)核也印證了這一推斷。中侏羅世西山窯期至早白堊世吐谷魯期，樣品Fe2+/Fe3+均值呈遞減趨勢(shì)（圖4），中侏羅世西山窯期至頭屯河期早期Fe2+/Fe3+值大于1，為還原環(huán)境，其中西山窯期Fe2+/Fe3+均值為18.641，遠(yuǎn)大于1，呈強(qiáng)還原環(huán)境。頭屯河晚期各地層中Fe2+/Fe3+均值小于1，呈氧化環(huán)境，說明頭屯河期為一個(gè)由還原環(huán)境向氧化環(huán)境轉(zhuǎn)變的過渡時(shí)期。古近系—中侏羅統(tǒng)齊古組有機(jī)碳含量具有同F(xiàn)e2+/Fe3+值一致的變化趨勢(shì)。有機(jī)碳高值區(qū)基本重疊于還原相帶，且位于古鹽度較低處，可見Fe2+/Fe3+>1及較低的古鹽度有利于沉積物中有機(jī)碳的含量升高。

3.2 ?粘土礦物組分分析

粘土礦物為次生礦物，廣泛分布于地表沉積物中，其組合特征及結(jié)晶程度與外部氣候環(huán)境變化密切相關(guān)。在風(fēng)化作用下，綠泥石水鎂石層內(nèi)的二價(jià)鐵易被氧化;高嶺石常發(fā)育于高溫多濕及強(qiáng)酸性條件下;堿性、高鎂的溫暖氣候條件有利于蒙脫石的形成;干燥氣候、弱淋濾作用有利于伊利石的形成和保存[10-11];伊利石-蒙脫石混層礦物指示著其出現(xiàn)時(shí)的成巖強(qiáng)度[12]。

本次采集樣品中粘土礦物含量分析結(jié)果顯示（表1），卡姆斯特地區(qū)西山窯期高嶺石含量最高，伊利石含量較低，綠泥石含量不高但略高于其它時(shí)期。說明當(dāng)時(shí)為溫暖、潮濕的氣候條件，伊利石-蒙脫石混層礦物檢出，但未檢出蒙脫石，表明成巖過程中存在蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)化;頭屯河期高嶺石含量驟減，綠泥石含量較低，伊利石含量較前一時(shí)期略有增加，伊利石-蒙脫石混層礦物、蒙脫石均有檢出，說明該時(shí)期較前一時(shí)期溫度和濕度有所降低，但仍屬于溫暖潮濕的氣候環(huán)境，且成巖過程也存在蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化;齊古期未檢出高嶺石，綠泥石含量較低，伊利石-蒙脫石混層礦物檢出，蒙脫石含量略低于與相鄰的兩個(gè)時(shí)期，伊利石含量與蒙脫石呈相反趨勢(shì)，說明齊古期相對(duì)其它時(shí)期較干燥，氣溫較前期增高;吐谷魯期未檢出高嶺石，綠泥石含量低，伊利石-蒙脫石混層礦物檢出，蒙脫石含量較前期有所增加，伊利石含量與蒙脫石呈相反趨勢(shì)，說明吐谷魯期該區(qū)仍處于溫暖環(huán)境，相對(duì)前期干旱程度有所降低;烏倫古河期未檢出高嶺石和蒙脫石，伊利石-蒙脫石混層礦物檢出，綠泥石含量低，伊利石含量接近于零，反映烏倫古河期該區(qū)氣溫較之前有所下降且轉(zhuǎn)向干旱環(huán)境。

4 ?古氣候及古環(huán)境對(duì)砂巖型鈾礦的影響

樣品元素地球化學(xué)分析及粘土礦物組分特征表明，東準(zhǔn)卡姆斯特地區(qū)中侏羅—漸新世古氣候逐漸由溫?zé)帷⒊睗裣騺啛?、干旱轉(zhuǎn)變，雖有冷干與暖濕波動(dòng)，但總體上呈較溫暖的氣候特征，沉積環(huán)境均為淡水環(huán)境，但古鹽度增加。本次采取的樣品中鈾含量結(jié)果顯示（圖5），古近系、新近系樣品U含量均小于3×10-6;上侏羅統(tǒng)齊古組、下白堊系樣品U含量2×10-6～6×10-6;中侏羅統(tǒng)頭屯河組U含量相對(duì)偏高，為3×10-6～7×10-6，部分樣品U含量高達(dá)10×10-6;西山窯組U含量2×10-6～5×10-6。

鈾的表生地球化學(xué)行為突出，在氧化環(huán)境中遷移強(qiáng)，還原環(huán)境中遷移性弱。中侏羅世西山窯期沉積階段氣候濕熱，頭屯河期呈過渡型特征。早期延續(xù)了西山窯期潮濕的古氣候，氣溫略有降低。西山窯—頭屯河早期，地層中有機(jī)碳含量較高，為還原沉積環(huán)境。巖石中氧化物CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2等，經(jīng)地面溫濕氣候作用，與含氧水共同產(chǎn)生堿性、酸性溶液，并將巖石中鈾元素溶解、搬運(yùn)，遇到地層中有機(jī)碳、黃鐵礦等還原介質(zhì)，溶液中鈾元素被還原沉積。頭屯河晚期濕度逐漸降低，至晚侏羅世齊古期轉(zhuǎn)為干旱氣候，為氧化沉積環(huán)境。干旱氣候有利于大氣氧深入到地下水位以下，甚至滲入到承壓水系統(tǒng)中[16]。蝕源區(qū)高鈾地質(zhì)體中鈾元素被富氧的大氣降水及地表徑流淋濾、活化遷出、運(yùn)移，至中侏羅統(tǒng)頭屯河組下段和西山窯組還原為砂體，在水動(dòng)力作用下，形成穩(wěn)定的層間氧化帶，并在氧化-還原過渡部位持續(xù)鈾的富集。早白堊世吐谷魯期濕度增加，轉(zhuǎn)為半干旱、暖熱氣候。豐富的地表含氧水的補(bǔ)給，有利于氧化帶的持續(xù)發(fā)育。古近紀(jì)后，該區(qū)氣候逐漸變得溫涼、干旱，為氧化沉積環(huán)境。這種濕潤(rùn)-干旱-半干旱-干旱的交替變化，有利于地層中氧化發(fā)育及鈾元素的富集。頭屯河組底部及西山窯部分灰色砂體中發(fā)育較大規(guī)模工業(yè)鈾礦體。

5 ?結(jié)論

（1） 元素地球化學(xué)及粘土礦物組分顯示，東準(zhǔn)卡姆斯特地區(qū)中侏羅世西山窯期為溫濕的古氣候，頭屯河晚期至晚侏羅世齊古期，氣溫升高變?yōu)楦珊?，齊古至晚白堊世吐古魯期氣溫繼續(xù)升高，但濕度略有增加，進(jìn)入新生代古近紀(jì)后轉(zhuǎn)為溫涼干旱氣候。

（2） 中侏羅世西山窯期至頭屯河期早期，地層中有機(jī)碳、黃鐵礦等還原介質(zhì)豐富，為還原環(huán)境， 頭屯河晚期之后為氧化環(huán)境。

（3） 東準(zhǔn)卡姆斯特地區(qū)中侏羅—漸新世古氣候及古環(huán)境，有利于蝕源區(qū)富鈾地質(zhì)體中鈾元素遷出，并為中侏羅統(tǒng)西山窯組和頭屯河組下段灰色砂巖中的氧化帶的持續(xù)發(fā)育和鈾礦形成提供了保障。

參考文獻(xiàn)

[1] ? ?陳戴生，劉武生，賈立城.我國(guó)中新生代古氣候演化及其對(duì)盆地砂巖型鈾礦的控制作用[J].鈾礦地質(zhì)，2011，27（6）：321-326.

[2] ? 楊燁，何中波.準(zhǔn)噶爾盆地中新生代古氣候演化特征及對(duì)砂巖型鈾成礦作用的制約 [J].世界核地質(zhì)科學(xué)，2016，33（3）：140-145.

[3] ? 金明，李嫵巍.烏蘭花地區(qū)下白堊統(tǒng)、上新統(tǒng)巖石地球化學(xué)特征及其古氣候演變[J].鈾礦地質(zhì)，2003，19（6）：349-353.

[4] ? 許中杰，程日輝，沈艷杰等.閩西南地區(qū)晚三疊-早侏羅世溫濕-干熱氣候轉(zhuǎn)變的沉積記錄[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41（5）：783-791.

[5] ? 王明振，吳朝東，王陸新等.準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅系泥巖粘土礦物組合及地球化學(xué)特征[J].礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)，2014，33（4）：421-429.

[6] ? ?靳建輝，李志忠，陳秀玲，等.新疆伊犁塔克爾莫乎爾沙漠全新世晚期沉積微量元素反映的古氣候變化[J].沉積學(xué)報(bào)，2011，29（2）：336-346.

[7] ? ?陳敬安，萬國(guó)江，陳振樓等.洱海沉積物化學(xué)元素與古氣候演化[J].地球化學(xué)，1999，28（6）：

[8] ? ?鄧宏文，錢凱.沉積地球化學(xué)與環(huán)境分析[M].甘肅科學(xué)技術(shù)出版社，1993：4-63.

[9] ? ?王益友，郭文瑩，張國(guó)棟.幾種地球化學(xué)標(biāo)志在金湖凹陷阜寧群沉積環(huán)境中的應(yīng)用[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1979，2：51-60.

[10] ?陳濤，王歡，張祖青.粘土礦物對(duì)古氣候指示作用淺析[J]. 巖石礦物學(xué)雜志，2003，2（4）：416-419.

[11] ?洪漢烈.粘土礦物古氣候意義研究的現(xiàn)狀與展望[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2010，29（1）：1-6.

[12] ?黃思靜.混層伊利石-蒙脫石的鑒定及其成巖意義[J].巖相古地理，1990，5：23-28.

[13] ?王粉麗，洪漢烈，殷 科等.循化盆地中新世沉積物粘土礦物的特征及其古氣候指示[J].地球科學(xué)—中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，35（5）：829-836.

[14] ?王國(guó)棟，程日輝，于民鳳等.沉積物的礦物和地球化學(xué)特征與盆地構(gòu)造、古氣候背景[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2006，36（2）：202-206.

[15] ?杜杰，唐湘飛.新疆卡姆斯特地區(qū)中侏羅統(tǒng)鈾成礦控制因素與找礦前景[J].鈾礦地質(zhì)，2017，33（3）：129-136.

[16] ?馬克西莫娃，什瑪廖維奇.層間滲入成礦作用[M].核工業(yè)西北地質(zhì)局二〇三所.1996，12-13.

[17] ?Dietz R S.Clay minerals in recent marine sediments[D].Urbana： ?University of Illinois，1941.

[18] ?Millot G.Geology of clays：Weathering，sedimentology，geochemistry[M].New York：Springer-Verlag，1970，1-429.

Abstract：The sandstone-type uranium deposit belongs to the type of the mineralization that sedimentary basin in which the surface water infiltrates for mineralizing，the paleoclimatic conditions and depositional environment have important effects on the construction of ore-bearing， ?the epigenetic alteration and the enrichment of uranium elements for mineralization.In this study， the systematic sampling and testing of rock samples from different layers and various color rock systems in multiple boreholes in this area were carried out.According to the test results， the geochemical characteristics of rocks formed in different geological periods，paleoclimatic conditions and sedimentary environment in Kamuster area were studied， and the influence of paleoclimatic conditions on the migration and enrichment of uranium elements in this area was discussed.In this study， a total of 234 Jurassic-neogene rock samples were taken for the analysis of ordinary and trace elements，organic carbon content and relative content of clay minerals.The results show that the area from the Xishanyao period in middle Jurassic to the middle-late paleogene had a climate that is generally by temperature humidity-drought，the early of Toutunhe period in middle Jurassic followed humid climate，which gradually became drought in the late and it was a transitional climate that is benefit to the development of regional uranium mineralization is associated with the oxidation zone in this area.

Key words：Kamuster area;Paleoclimate;Sedimentary environment;Sandstone-type Uranium deposit