二連盆地哈達(dá)圖古河道砂巖型鈾礦成礦地球化學(xué)特征研究

張文東， 劉武生， 張梓楠， 史清平， 劉持恒

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

二連盆地屬于中新生代重要的產(chǎn)鈾盆地之一，盆地東西長約1 000 km，南北寬20～40 km，總面積約11×104km2。整個(gè)盆地包括了6個(gè)二級構(gòu)造單元，即“五坳一隆”，從北往南依次為烏尼特坳陷、馬尼特坳陷、蘇尼特隆起、烏蘭察布坳陷、川井坳陷和騰格爾坳陷(劉武生等，2015；曠文戰(zhàn)等，2014)。在鈾成礦過程中，成礦流體會沿著含礦層進(jìn)行運(yùn)移，且主量元素、微量元素及稀土元素會隨著介質(zhì)物理化學(xué)條件(Eh、pH)的變化而發(fā)生改變(劉漢彬等，2012；湯超，2014)，進(jìn)而對鈾成礦環(huán)境產(chǎn)生影響。哈達(dá)圖古河道砂巖型鈾礦位于烏蘭察布坳陷中東部，頂板發(fā)育比較厚的蓋層，經(jīng)過強(qiáng)烈層間氧化后在砂體中形成了高品位的礦體，礦體平均厚度3.67 m，礦體埋深230～552 m，平均品位為0.09%(劉波等，2017)。基于此，筆者在前人研究和大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對哈達(dá)圖古河道砂巖型鈾礦不同帶砂巖進(jìn)行地球化學(xué)分析，探究該地區(qū)元素遷移規(guī)律及與鈾成礦的關(guān)系，以期為該區(qū)找礦工作提供思路和參考。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于烏蘭察布坳陷古河道的中部，該坳陷以阿爾善-本巴圖凸起和江岸-塔木欽塔拉凸起為界，分為北、中、南三個(gè)次級凹陷帶(曠文戰(zhàn)等，2014)，總體呈北東向展布(圖1)。烏蘭察布坳陷區(qū)域構(gòu)造存在明顯的拉張?zhí)卣?，?nèi)部凹陷可以分為單斷式箕狀凹陷(半地塹)和雙斷式凹陷(地塹)，一般靠近內(nèi)部的凹陷呈雙斷式，靠近隆起的凹陷呈單斷式向隆起上超覆分布。烏蘭察布坳陷基底由華力西-燕山期的基性-中酸性侵入巖及元古界和古生界變質(zhì)巖系構(gòu)成，為近北東東向和東西向的主體構(gòu)造線，是古生代近東西向古構(gòu)造經(jīng)燕山期北東向構(gòu)造疊加改造的結(jié)果(陳戴生等，2006)。同時(shí)，烏蘭察布坳陷周邊各中酸性巖漿巖比較發(fā)育，鈾豐度較高，平均3.6×10-6～8.3×10-6，為哈達(dá)圖古河道砂巖型鈾礦成礦提供了豐富的鈾源。

研究區(qū)主要地層有新近系(N)、古近系(E)、上白堊統(tǒng)二連組(K2e)、下白堊統(tǒng)賽漢組(K2s)、騰格爾組(K2t)和阿爾善組(K2a)。其中賽漢組上段分布著比較廣泛的古河道沉積，且砂體沿古河道呈朵狀、帶狀分布。巖性主要為灰色粗碎屑巖，其不僅成熟度低，而且還富含黃鐵礦和有機(jī)質(zhì)等還原性介質(zhì)，為鈾礦化提供了有利環(huán)境(劉武生等，2013)。

在擠壓抬升作用下，賽漢組地層發(fā)生了構(gòu)造反轉(zhuǎn)，使哈達(dá)圖北部強(qiáng)烈抬升，由北向南發(fā)生了逆向潛水-層間氧化作用，且疊加后生還原作用可以為鈾富集成礦提供條件(李洪軍等，2012)，如圖2所示。

2 樣品采集與分析

本次研究基于巖石的特征礦物(褐鐵礦、赤鐵礦、黃鐵礦等)、顏色和在剖面中的相對位置將砂巖劃分為氧化帶、過渡帶及還原帶。為了獲取砂巖的地球化學(xué)數(shù)據(jù)，對哈達(dá)圖地區(qū)的FZK0-7、FZK15-0、FZK16-0三個(gè)鉆孔進(jìn)行系統(tǒng)取樣，并在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成測試，采樣位置如圖3和表1所示。

表1 不同帶砂巖樣品采集結(jié)果

3 元素地球化學(xué)分析

3.1 主量元素特征

在砂巖型鈾礦中，含氧含鈾水運(yùn)移過程中將會與原生礦物發(fā)生一系列反應(yīng)，出現(xiàn)了元素遷入與遷出過程。在對氧化帶、過渡帶及還原帶巖石樣品進(jìn)行主量元素化學(xué)分析，其結(jié)果見表2。

(1)氧化帶：Al2O3含量為7.21%～8.36%，平均7.92%；TFe2O3含量為0.73%～1.51%，平均1.15%；CaO含量為0.28%～0.56%，平均0.38%；FeO含量為0.44%～0.81%，平均0.58%；S含量為0.01%～0.09%，平均0.03%；Al2O3+CaO含量為7.49%～8.73%，平均8.30%；Fe3+/Fe2+含量為0.15～1.17，平均0.69。

(2)過渡帶：Al2O3含量為8.58%～10.65%，平均9.35%；TFe2O3含量為1.85%～5.22%，平均3.14%；CaO含量為0.41%～0.58%，平均0.47%；FeO含量為0.63%～0.88%，平均0.75%；S含量為0.27%～2.81%，平均1.38%；Al2O3+CaO含量為9.20%～11.23%，平均9.82%；Fe3+/Fe2+含量為0.09～0.85含量為，平均0.32。

(3)還原帶：Al2O3含量為6.16%～9.43%，平均7.51%；TFe2O3含量為0.78%～1.11%，平均0.93%；CaO含量為0.25%～0.39%，平均0.30%；FeO含量為0.42%～0.77%，平均0.56%；S含量為0.01%～0.29%，平均0.11%；Al2O3+CaO含量為6.41%～9.82%，平均7.81%；Fe3+/Fe2+含量為0.09～0.56，平均0.23。

3.2 微量元素特征

對研究區(qū)15件樣品進(jìn)行微量元素分析(表3)。

(1)從表3可以得出，氧化帶、過渡帶及還原帶都具有極高的U峰值，其范圍為499.00×10-6～3 887.00×10-6，平均2 007.80×10-6，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的富鈾特征；而氧化帶U峰值范圍為4.05×10-6～28.70×10-6，平均13.13×10-6，還原帶U峰值范圍為13.80×10-6～88.10×10-6，平均42.98×10-6，均呈現(xiàn)出輕微-弱富集特征。同時(shí)在三組樣品中，相對富集的元素有Rb、Mo、Sb、Ba、W、Tl、Pb、U，相對虧損的元素有Li、Sc、V、Cr、Ni、Cu、Sr、Y、In、Nb、Ta、Zr、Hf，其他元素富集和虧損不明顯。

(2)在微量元素蛛網(wǎng)圖(圖4)中，氧化帶、過渡帶及還原帶均呈現(xiàn)“W”式形態(tài)，反映它們具有基本相同的物源特征，只不過在后期含礦流體改造作用下，不同元素富集和虧損程度不一。

3.3 稀土元素特征

稀土元素具有非常相近的地球化學(xué)性質(zhì)，其特征和組成是地球化學(xué)的重要指示劑，可以借助稀土元素來對成礦物質(zhì)來源、環(huán)境特征及形成條件進(jìn)行探討(湯超，2014)。研究區(qū)砂巖樣品稀土元素分析結(jié)果如表4所示，采用了球粒隕石進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，(La/Sm)N、(Gd/Yb)N、δEu值和δCe 值的計(jì)算均參考趙志根等(1998)計(jì)算公式，即δEu=EuN/(SmN*GdN)1/2；δCe=CeN/(LaN*PrN)1/2，其中EuN、SmN、GdN、CeN、LaN、PrN均為元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值。

(1)從表4可知，氧化帶、過渡帶及還原帶的∑REE平均值分別為86.16×10-6、117.09×10-6、87.18×10-6，LREE平均值分別為78.75×10-6、101.63×10-6、80.35×10-6；HREE平均值分別為7.41×10-6、15.46×10-6、6.83×10-6；LREE/HREE平均值分別為10.69、8.39、11.78，呈現(xiàn)出較明顯的輕重稀土分異現(xiàn)象；δEu平均值分別為0.44、0.46、0.41，為Eu負(fù)異常；δCe平均值分別為0.98、0.97、0.96，為Ce弱負(fù)異常；(La/Sm)N平均值分別為4.51、3.68、4.56，反映了輕稀土元素之間存在比較明顯的分餾作用；(Gd/Yb)N平均值分別為1.53、1.30、1.72，反映了重稀土元素之間分餾作用不明顯。

(2)圖5描述的是稀土元素配分模式特征，氧化帶、過渡帶及還原帶砂巖配分曲線均向右傾，且表現(xiàn)出明顯的Eu異常。除了EW16-48樣品外，其他樣品的LREE、HREE、∑REE均低于上地殼。氧化帶、過渡帶及還原帶的LREE/HREE值偏大，存在明顯的LREE富集，HREE虧損現(xiàn)象，且輕重稀土分異程度高。與上地殼相比，該地區(qū)經(jīng)歷了比較充分的后期改造作用，地殼演化成熟度較高。EW16-48樣品從Ce開始到Lu呈現(xiàn)出富集狀態(tài)，說明該樣品流體與其他樣品存在不同的物源來源。過渡帶鈾礦石的配分曲線與氧化帶、還原帶相似，具有同源性，但又有差異，可能是經(jīng)歷了后期流體改造成礦作用，從而形成鈾礦石。

4 討論

4.1 主量元素與鈾成礦作用

Al2O3、CaO的含量可以表征黏土礦物含量，且具有良好的分帶性(單廣寧等，2015)。本次研究中，過渡帶Al2O3+CaO的平均含量高于氧化帶和還原帶(圖6)，說明該帶具有相對比較高的黏土含量，有利于黏土吸附成礦。同時(shí)，F(xiàn)e3+/Fe2+的比值在氧化帶最高，過渡帶次之，還原帶最低(圖6)。在氧化帶中，原生砂體被氧化，二價(jià)亞鐵被氧化成三價(jià)鐵形成赤鐵礦、水針鐵礦和褐鐵礦等礦物，與鈾成礦所需環(huán)境相符。

4.2 微量元素與鈾成礦作用

在氧化帶中，Th/U值最高，其次為還原帶，過渡帶最低(圖6)。這說明在氧化還原過程中，U以U6+離子形式遷移到過渡帶轉(zhuǎn)變成U4+沉淀下來，為成礦作用提供部分鈾源(羅晶晶等，2018)。在氧化環(huán)境中，V易于吸附富集，而在還原環(huán)境中，Ni易于吸附富集，此時(shí)可以用V/(V+Ni)比值來對沉積水體的氧化還原環(huán)境進(jìn)行判斷(范玉海等，2012)。如果V/(V+Ni)>0.84，反映水體分層的厭氧環(huán)境，0.62～0.82反映水體分層不強(qiáng)的厭氧環(huán)境，0.46～0.60反映水體分層弱的貧氧環(huán)境。本次研究結(jié)果中，氧化帶、過渡帶及還原帶V/(V+Ni)比值的平均值分別為0.77、0.72、0.73，因此成礦環(huán)境為分層不強(qiáng)的厭氧環(huán)境。

4.3 稀土元素與鈾成礦作用

在賦存環(huán)境中，隨著氧化還原條件的變化，Eu、Ce會轉(zhuǎn)化成不同的價(jià)態(tài)(涂光熾等，1998)。在本次研究中，氧化帶、過渡帶及還原帶中Eu均表現(xiàn)為負(fù)異常，且其平均值均低于世界各地砂巖δEu平均值(0.7，王中剛，1989)，反映該環(huán)境富含有機(jī)質(zhì)和烴類氣體，具有強(qiáng)烈的還原性，有利于鈾成礦。Ce總體變化不大，均表現(xiàn)為弱負(fù)異常。通過對Eu和Ce的元素特性進(jìn)行分析得知，Eu在二價(jià)態(tài)沉淀，三價(jià)態(tài)可溶，Ce在四價(jià)態(tài)沉淀，三價(jià)態(tài)可溶。因此δEu和δCe可以作為判斷氧化還原環(huán)境的主要標(biāo)志(張成江等，2010)。

4.4 Eh、pH與鈾成礦作用

(1)氧化還原電位(△Eh)可以對巖石的氧化還原能力給予直觀反映?！鱁h值越高，說明巖石具有比較強(qiáng)的氧化還原能力。同時(shí)在鈾成礦過程中，△Eh值變化梯度越大，越有利于形成品位較富的鈾礦體(張祖還等，1984)。本次研究中，氧化帶、過渡帶及還原帶巖石樣品的△Eh平均值分別為8.6 mV、30 mV、22.2 mV(圖6)，說明過渡帶具有比較強(qiáng)的氧化還原能力，有利于鈾成礦的進(jìn)行。

(2)黃鐵礦和硫化氫的存在對鈾成礦也非常重要，尤其是黃鐵礦的存在會導(dǎo)致溶液△Eh值發(fā)生改變，進(jìn)而使鈾離子被還原沉淀。本次所取樣品中含有較多的黃鐵礦顆粒，測試結(jié)果顯示氧化帶、過渡帶及還原帶巖石樣品的S含量平均值分別為0.03%、1.38%、0.11%(圖6)，其反映了過渡帶黃鐵礦的含量比較高。因此滿足了鈾成礦所需條件。

(3)典型層間氧化帶砂巖型鈾礦的酸堿度(pH)均存在堿-中性(或弱酸)-堿的水平分帶特點(diǎn)，二連盆地巴彥烏拉、賽漢高畢等礦床的氧化帶一般呈弱堿性特征，過渡帶呈中性，還原帶呈弱堿性，造成這種現(xiàn)象的主要原因是過渡帶發(fā)生了高嶺土化酸性蝕變作用(單廣寧等，2015)。本次研究結(jié)果中，氧化帶、過渡帶及還原帶的pH平均值分別為9.29、6.95、8.30(圖6)，符合堿-中性(或弱酸)-堿的水平分帶特點(diǎn)，有利于鈾礦床的形成。

5 結(jié)論

(1)本次研究中，過渡帶Al2O3+CaO的平均含量高于氧化帶和還原帶，說明該帶具有相對比較高的黏土含量，有利于黏土吸附鈾成礦。同時(shí)，F(xiàn)e3+/Fe2+的比值在氧化帶最高，過渡帶次之，還原帶最低，與鈾成礦所需環(huán)境相符。

(2)還原帶具有極高的U峰值，其范圍為499.00×10-6～3 887.00×10-6，平均2 007.80×10-6，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的富鈾特征。

(3)本次研究中Eu均表現(xiàn)為負(fù)異常，Ce總體變化不大，表現(xiàn)為弱負(fù)異常。Eu的虧損反映成礦環(huán)境為還原環(huán)境，與鈾成礦的形成機(jī)理相符，反映了層間氧化帶中地球化學(xué)環(huán)境與鈾成礦的內(nèi)在聯(lián)系。

(4)氧化帶、過渡帶及還原帶巖石樣品的△Eh平均值分別為8.6 mV、30 mV、22.2 mV，說明過渡帶具有比較強(qiáng)的氧化還原能力；pH平均值分別為9.29、6.95、8.30，符合堿-中性(或弱酸)-堿的水平分帶特點(diǎn)，這些均有利于鈾礦床的形成。