鄂爾多斯盆地東北部塔然高勒地區(qū)侏羅系直羅組含鈾地層地球化學(xué)特征分析

王善博,張 超,張?zhí)旄?朱 強,俞礽安,司慶紅

(中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

鄂爾多斯盆地是中國重要的能源礦產(chǎn)基地，盆地不僅煤炭、油氣等常規(guī)資源儲量豐富[1-4]，而且隨著盆地北部納嶺溝、大營、皂火壕等大-特大型砂巖型鈾礦床的發(fā)現(xiàn)，使鄂爾多斯盆地成為中國重要的砂巖型鈾礦產(chǎn)區(qū)。前人對鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦的地質(zhì)特征、富集規(guī)律、成礦模式、地化特征等方面進行了大量的研究[5-15],取得了豐富的研究成果。但對盆地含礦目的層直羅組地層沉積古氣候恢復(fù)及沉積物源判別方面的研究工作相對較少，特別是尚未見到通過鉆孔巖心的地球化學(xué)參數(shù)垂向演化特征結(jié)合鉆孔巖芯黏土礦物掃描垂向特征對沉積古氣候進行系統(tǒng)的研究工作。因此，通過對盆地東北部塔然高勒地區(qū)直羅組地層鉆孔巖芯樣品主量、微量、稀土元素含量及黏土礦物組合特征進行測試分析，還原研究區(qū)中侏羅世直羅期的古氣候特征和古水體條件，分析直羅組地層的源區(qū)的構(gòu)造背景及源巖屬性。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location map of the study area

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地構(gòu)造位于華北克拉通西部，盆地周邊構(gòu)造運動強烈，盆地北部為興蒙褶皺帶，西北部為阿拉善斷塊，西南緣和秦祁褶皺帶相連，東南與豫皖斷塊相接，東部為山西地塊[16]。盆地內(nèi)構(gòu)造相對穩(wěn)定，主要發(fā)育寬緩的褶皺、斷陷和隆起，可進一步劃分為河?xùn)|斷皺帶、河套斷陷、天環(huán)向斜、西緣斷皺帶、汾渭斷陷、渭北斷隆和鄂爾多斯斷塊7個次級構(gòu)造單元[17]。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部的塔然高勒地區(qū)(圖1)。中侏羅統(tǒng)直羅組(J2z)為區(qū)內(nèi)主要含鈾地層，是本次研究的目標層位(圖2)。其上段發(fā)育一套紫紅色曲流河相沉積建造，下段發(fā)育一套灰色、灰綠色夾紫紅色辮狀河相沉積建造。

2 樣品采集及測試方法

本次研究采集了17件Zk004鈾礦調(diào)查鉆孔的巖心樣品，其中直羅組下段11件、直羅組上段6件。樣品的主量、微量、稀土元素含量測定由天津地礦所完成，測試結(jié)果見表1～表3。巖心黏土礦物掃描由中科遙感科技集團有限公司完成。主量元素分析使用X衍射熒光光譜儀(XRF)進行，分析誤差小于2%。微量、稀土元素分析使用等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)進行，測試精度優(yōu)于5%。巖心黏土礦物掃描采用CMS350A型巖心掃描儀進行掃描，近紅外波段光譜和可見光譜分辨率為3 nm，短波紅外波段光譜分辨率為10 nm。

3 測試結(jié)果分析與討論

3.1 古氣候分析

3.1.1 主、微量元素分析

元素地球化學(xué)可以作為判斷古氣候的理想方法，Tribovillard等[18]研究認為 Sr/Cu、Rb/Sr、FeO/MnO、Mg/Ca及Al2O3/MgO均可以有效用于古氣候的判斷。Sr/Cu>5.0反映干旱的古氣候條件，Sr/Cu=1.3～5.0可以反映溫濕的古氣候條件[19-21]。Rb元素在風(fēng)化作用中較為穩(wěn)定，而 Sr 則較易發(fā)生淋失[13]。所以在氣候干燥時，降水較少，Sr淋失較少，因此表現(xiàn)為Rb/Sr較低；而在濕潤氣候下，由于Sr的大量淋失，使得Rb/Sr較高。Mn在潮濕環(huán)境下含量較低，在干旱環(huán)境中含量較高。Fe則正好相反，潮濕環(huán)境下含量較高。因此FeO/MnO高指示潮濕環(huán)境，比值低指示干旱環(huán)境。Mg/Ca在干旱環(huán)境較高，在潮濕環(huán)境較低[22]。Al2O3/MgO同樣表現(xiàn)為在干旱氣候較高，而在潮濕氣候較低[23]。

研究區(qū)直羅組地層樣品的主、微量元素及稀土元素含量如表1～表3所示，可知，Sr/Cu=4.88～56.54，平均為28.26(表2)，指示出整體上直羅組沉積古氣候為干旱氣候。垂向上從直羅組底部到直羅組頂部Sr/Cu表現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢(圖2)，特別是在直羅組下段頂部Sr/Cu<5，說明研究區(qū)直羅早期為干旱氣候，到直羅中期氣候逐漸濕潤，再到直羅晚期氣候再次變得干旱。

表1 塔然高勒地區(qū)直羅組地層主量元素含量及化學(xué)蝕變指數(shù)計算結(jié)果表Table 1 The major element concentrations and CIA correction of sections of Zhiluo Formation in Taran Gol area

表2 塔然高勒地區(qū)直羅組地層微量元素含量及特征參數(shù)表Table 2 The trace element concentrations of sections of Zhiluo formation in Taran Gol area and geochemical parameters

表3 塔然高勒地區(qū)直羅組地層稀土元素含量表Table 3 The contents of REE for sections of Zhiluo formation in Taran Gol area

研究區(qū)直羅組地層的Rb/Sr的垂向變化基本和Sr/Cu呈現(xiàn)出鏡像的特征，表現(xiàn)出先增大后減小的變化特點。進一步印證了直羅組沉積古氣候的這種變化特征。直羅組地層的FeO/MnO、Mg/Ca和Al2O3/MgO也反映出了相同古氣候特征。

3.1.2 化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)分析

化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)可以從側(cè)面反映出古氣候的特征[24]。其計算公式為

CIA={n(Al2O3)/[n(Al2O3)+n(CaO*)+

n(Na2O)+n(K2O)]}×100

(1)

式(1)中:CaO*指硅酸鹽礦物中的CaO,不包括碳酸鹽以及磷酸鹽礦物中的CaO。

一般認為干旱氣候條件下巖石風(fēng)化強度較弱，CIA指數(shù)一般在50～60；溫暖潮濕的氣候條件下，巖石的風(fēng)化強度中等，CIA指數(shù)一般在60～80；炎熱潮濕氣候條件下，巖石風(fēng)化強度較高，CIA指數(shù)一般在80～100[25-26]。

研究區(qū)直羅組下段地層樣品的化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)介于52.41～58.93，平均為56.6(表1)，說明風(fēng)化強度較弱，指示出古氣候較為干旱；直羅組上段的化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)介于52.5～77.6，平均為66.8，反映了較直羅組下段相對濕潤的古氣候特征。另外直羅組地層樣品的化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA) 在垂向上表現(xiàn)為先增大后減小的變化特點(圖2)，也反映出了研究區(qū)直羅期古氣候由早期干旱-中期濕潤-晚期干旱的變化特征。

3.1.3 黏土礦物組合特征分析

黏土礦物含量及組合特征對古沉積環(huán)境有重要的指示意義[27-28]，伊利石和綠泥石主要在干冷的氣候條件下形成[29]，蒙脫石在溫暖潮濕環(huán)境條件下含量比較高，高嶺石是風(fēng)化程度較高的礦物，可以反映出炎熱潮濕氣候條件[30]。

通過對鉆孔巖心進行黏土礦物掃描可以看出(圖3)，研究區(qū)直羅組地層上部和下部伊利石和綠泥石含量較高，反映了較為干冷的古氣候條件。而直羅組地層中部伊利石和綠泥石含量較低，反映出濕熱的氣候特征。同時高嶺石的含量與伊利石、綠泥石基本呈鏡像特征，在直羅組地層中部含量較高，在直羅組下部和上部含量較低，也反映出了古氣候相同的變化特征。蒙脫石的含量較為穩(wěn)定，在直羅組內(nèi)變化不大。黏土礦物含量變化所反映出的古氣候特征與主微量元素、化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)分析結(jié)果一致，既研究區(qū)直羅組古氣候經(jīng)歷了從由早期干旱-中期濕潤-晚期干旱的變化特征。

圖3 鄂爾多斯盆地東北部塔然高勒地區(qū)直羅組地層黏土礦物含量垂向分布圖Fig.3 The vertical distribution of clay mineral content in the Zhiluo Formation of the Taran Gol district in the northeastern Ordos Basin

3.2 古氧化還原環(huán)境分析

U、V、Cr、Co 等微量元素由于在氧化條件下易溶于水，使得沉積物中含量較低；而在還原條件下不易溶于水，使得沉積物中含量相對較高[31-32]。Ni、Cu、Zn、Cd 等金屬元素同樣在氧化條件下易溶于水，使得沉積物中含量較低；在還原條件下常以硫化物的形式沉淀，使得沉積物中含量較高[18]。因此U/Th、V/Cr 和Ni/Co可以作為指示古水體氧化還原條件的指標[33](表4)。

研究區(qū)直羅組上段U/Th=0.22～0.7，平均為0.39，指示出沉積古水體為氧化條件；直羅組下段由于鈾礦富集的原因，對使用U/Th判定沉積古水體的氧化還原條件產(chǎn)生干擾，直羅組下段U/Th=0.32～152.74，變化范圍較大。直羅組上段的V/Cr=0.64～1.28，平均為1.0，反映了水體整體為富氧條件；直羅組下段的V/Cr略高于直羅組上段，為1.07～2.5，平均為1.47，整體上也反映了富氧的古水體條件。直羅組上、下段的Ni/Co均小于5，也反映出直羅組上、下段水體均為富氧條件。

表4 古水體氧化還原環(huán)境微量元素判別表[33]Table 4 Geochemical indicates of redox environment[33]

3.3 古水體鹽度分析

沉積巖中微量元素Sr含量是判斷沉積古水體鹽度的常用指標，Sr元素含量小于300×10-6時，指示沉積古水體為淡水環(huán)境；而Sr元素含量大于800×10-6時，指示沉積古水體為咸水環(huán)境[34]。研究區(qū)直羅組上段樣品的Sr元素含量在304×10-6～331×10-6，平均為318×10-6，而直羅組下段樣品的Sr元素含量為227×10-6～309×10-6，平均為277×10-6。可以看出直羅組上段樣品的Sr元素含量全部略高于300×10-6，沉積古環(huán)境應(yīng)屬于淡水與咸水之間的半咸水環(huán)境。直羅組下段大部分樣品的Sr元素含量在300×10-6以內(nèi)，少部分大于300×10-6，說明直羅組下段的沉積古鹽度整體上為淡水環(huán)境，鹽度低于直羅組上段，從圖2也可以看出明顯的規(guī)律。

Sr/Ba也是判別古鹽度的常用指標，一般認為Sr/Ba<1指示沉積古水體為淡水環(huán)境(其中小于0.5為微咸水相，0.5～1 為半咸水相)；而Sr/Ba>1則指示沉積古水體為咸水環(huán)境[35]。研究區(qū)直羅組下段樣品Sr/Ba=0.26～0.37，平均為0.31；直羅組上段樣品Sr/Ba=0.35～0.49，平均為0.41?？梢钥闯鲋绷_組上、下段樣品的Sr/Ba均小于0.5，指示了微咸水的淡水環(huán)境，而且直羅組下段的Sr/Ba比值明顯小于直羅組上段，說明了直羅組下段鹽度小于直羅組上段。利用Ba-Sr判別圖解(圖4)，可以看出相同的規(guī)律，直羅組下段樣品的投點更靠近淡水區(qū)域。

圖5 鄂爾多斯盆地東北部塔然高勒地區(qū)直羅組源區(qū)構(gòu)造背景判別圖解Fig.5 Tectonic setting discrimination diagrams of the Zhiluo Formation in Taran Gol area in the Northeastern Ordos Basin

3.4 源區(qū)構(gòu)造背景分析

3.4.1 主量元素分析

利用Al2O3/SiO2-(Fe2O3+MgO)圖解和K2O/Na2O-SiO2圖解可以判斷源區(qū)的大地構(gòu)造背景[36-37]。在Al2O3/SiO2-(Fe2O3+MgO)圖解上可以看出，研究區(qū)直羅組樣品大部分投點落在活動大陸邊緣和大陸島弧范圍內(nèi)，個別樣品投點偏向大洋島弧[圖5(a)]。在K2O/Na2O-SiO2圖解上研究區(qū)直羅組樣品投點整體分布在活動大陸邊緣和大陸島弧之間，更偏向活動大陸邊緣[圖5(b)]。整體上研究區(qū)直羅組地層源區(qū)構(gòu)造背景主要與大陸島弧及大陸邊緣聯(lián)系較多。

Ⅰ為現(xiàn)代三角洲半咸水黏土區(qū)；Ⅱ為太平洋遠海相沉積物區(qū)；Ⅲ為俄羅斯地臺不同年代海相碳酸鹽巖區(qū)；Ⅳ為現(xiàn)代高咸水沉積物區(qū)圖4 古水體鹽度Ba-Sr判別圖Fig.4 Ancient water body salinity Ba-Sr discriminant map

3.4.2 稀土元素 (REE)含量特征與源區(qū)構(gòu)造背景判別

沉積巖的稀土元素(REE)含量組合特征主要受控于其源巖的巖石成分，受后期風(fēng)化作用、成巖作用和蝕變作用影響相對較弱，因此可以用于源巖屬性及源區(qū)構(gòu)造背景研究[38-39]。

研究區(qū)直羅組下段稀土總量∑REE=86.07～355.15，平均為151.17，輕稀土總量∑LREE=79.56～336.96，平均為139.57，重稀土總量∑HREE=6.51～18.22，平均為11.59，∑LREE/∑HREE=7.55～18.49，平均為11.95；直羅組上段稀土總量∑REE=140.84～398.31，平均為226.51，輕稀土總量∑LREE=125.93～371.87，平均為207.51，重稀土總量∑HREE=14.91～26.44，平均為18.99，∑LREE/∑HREE=7.97～14.06，平均為9.79(表3)。均表現(xiàn)出輕稀土富集而重稀土虧損的特點，分配曲線如圖5(e)。

文獻[36]總結(jié)了大洋島弧、大陸島弧、大陸邊緣等構(gòu)造背景下的稀土元素含量范圍 (表5)，通過對比可以看出本次研究的大部分樣品與大陸邊緣背景下的稀土元素特征較為匹配，少部分樣品與大陸島弧背景下的稀土元素特征較為匹配。

此外，利用稀土元素La含量和微量元素Th、Sc、Zr含量繪制的La-Th-Sc三角圖解和Th-Co-Zr/10三角圖解也可以用于構(gòu)造背景的分析[37]?？梢钥闯鲈贚a-Th-Sc圖解中[圖5(c)]，研究區(qū)直羅組少量樣品落在大陸島弧內(nèi)，大部分樣品落在了大陸島弧和大陸邊緣周邊的位置。在Th-Co-Zr/10圖解中[圖5(d)]，除直羅組上段一個樣品落點偏離4個區(qū)域之外，絕大多數(shù)樣品均落在大陸島弧之內(nèi)。

因此，綜合上述常量、微量、稀土元素各種構(gòu)造背景判別結(jié)果，認為鄂爾多斯盆地東北部塔然高勒地區(qū)直羅組地層的源區(qū)構(gòu)造背景主要是與活動大陸邊緣和大陸島弧聯(lián)系較多。

3.5 源巖屬性分析

通過繪制F1/F2源巖屬性判別圖解可以看出，研究區(qū)直羅組地層樣品投點大部分落入長英質(zhì)火成巖區(qū)域，少量樣品投點落入中性巖火成巖區(qū)域，個別樣品投點落入石英巖沉積物源區(qū)和鎂鐵質(zhì)火成巖區(qū)域[圖5(f)]。說明直羅組地層的物源主要來自上地殼長英質(zhì)源區(qū)，并混合基性玄武巖及花崗巖等。此外，前人研究得到的鄂爾多斯盆地北部直羅組砂巖碎屑鋯石年齡主要集中在250～450 Ma、1 750～2 000 Ma和2 300～2 500 Ma三個峰值[40]，年齡跨度較大。這也說明了源巖的復(fù)雜性，不僅包括古生代中酸性侵入巖，還包含前寒武紀古老變質(zhì)巖系。結(jié)合構(gòu)造判別結(jié)果，研究區(qū)直羅組地層的源巖主要為盆地北部陰山造山帶內(nèi)古生代中酸性侵入巖和大青山-烏拉山-集寧地區(qū)前寒武紀變質(zhì)巖。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)中侏羅世直羅早期為干旱氣候，到直羅中期氣候逐漸濕潤，而后到直羅晚期氣候再次變得干旱。

(2)研究區(qū)直羅組地層沉積古水體為富氧的氧化條件。直羅組下段的沉積古水體整體上為淡水環(huán)境，少部分為半咸環(huán)境，其上段整體上為半咸水環(huán)境。

(3)綜合常量、微量、稀土元素各種構(gòu)造背景判別結(jié)果，研究區(qū)源區(qū)構(gòu)造背景與活動大陸邊緣和大陸島弧聯(lián)系較多。源巖主要為盆地北部陰山造山帶內(nèi)古生代中酸性侵入巖和的大青山-烏拉山-集寧地區(qū)前寒武紀變質(zhì)巖。

表5 四種構(gòu)造背景稀土元素含量范圍對比表Table 5 Comparison table of rare earth elements content in four tectonic backgrounds