巴音戈壁盆地南部塔木素鈾礦床成因探討

王鳳崗， 侯樹仁， 范存琨， 張 良， 夏宗強， 門 宏， 王俊林

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團鈾資源勘查與評價技術(shù)重點實驗室， 北京 100029；2.核工業(yè)二〇八大隊， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.濰坊澤安安全技術(shù)咨詢有限公司， 山東 濰坊 261599)

塔木素鈾礦床具有成巖度高、礦體埋深大、地下水礦化度高等特征[1]，而且還具有含礦層位多、礦體連續(xù)性差、礦石巖性多樣、控礦因素復雜等特點，顯示其成礦的復雜性和獨特性[2]。

由于不能采用地浸法采鈾，長期以來一直將類似塔木素鈾礦床中的鈾資源看作是不經(jīng)濟的、潛在的鈾資源，總體認知程度較低。近年來，隨著塔木素地區(qū)鈾礦找礦工作取得了重大突破，對該類型鈾礦化的重視和研究程度也在不斷加強，對該類型鈾礦化的成因也在做積極的探討，但因研究時間較短，目前可查閱到的文獻較少。鄧繼燕[3]認為塔木素鈾礦床在沉積成巖期有鈾的富集，以層間氧化作用為主并受后期熱液疊加改造；張成勇等[4]認為是層間氧化成因并受后期熱液改造；彭云彪等[2]認為泥(灰)巖鈾礦為沉積成巖成因特征，而砂巖中的礦體為層間氧化成因；王鳳崗等[5]認為砂巖中的礦體具有沉積成巖及后生層間氧化雙重成因特征，并指出沉積成巖期的鈾礦化與水巖作用有關(guān)；劉波等[6]認為鈾礦化在成因上受層間氧化和沉積相雙重因素控制。目前對塔木素鈾礦床成因的認識還存在以下幾個方面的爭論：是否存在沉積成巖期的鈾礦化作用，特別是砂巖中是否存在沉積成巖期鈾礦化目前還存在較大爭論；砂巖中鈾礦化是以沉積成巖為主還是后期層間氧化- 還原作用為主目前還無定論；塔木素地區(qū)是否存在后期熱液活動及熱液活動對鈾礦化的影響也是塔木素鈾礦床爭論的熱點。此外，對塔木素鈾礦化過程中成礦物質(zhì)來源、鈾遷移形式及沉淀機制等一些關(guān)鍵地質(zhì)要素的認識也不夠系統(tǒng)、全面。筆者在前人研究的基礎上分別針對不同類型的鈾礦化開展了沉積成巖特征、鈾的賦存狀態(tài)、同位素示蹤及同位素年齡測試等方面的研究，并在綜合研究的基礎上分析了成礦物質(zhì)來源、鈾遷移形式及沉淀機制，探討了礦化成因并分析了后期熱液作用對鈾礦化的影響。

1 礦床地質(zhì)概況

1.1 大地構(gòu)造位置

塔木素鈾礦床位于巴音戈壁盆地南部因格井坳陷東段北緣。因格井坳陷是蘇亥圖坳陷的次級構(gòu)造單元，其北緣為宗乃山—沙拉扎山隆起，南緣為巴彥諾爾公隆起(圖1a)，均受區(qū)域深大斷裂控制，南緣為巴丹吉林斷裂，北緣為宗乃山—沙拉扎山南緣斷裂。

1—第四系沉積物；2—巴音戈壁組上段；3—巴音戈壁組下段；4—中-下侏羅統(tǒng)碎屑巖；5—三疊紀花崗巖；6—二疊紀花崗閃長巖；7—二疊紀花崗巖；8—石炭紀閃長巖；9—斷層及編號；10—邊境示意線；11—塔木素礦床范圍。1—Quaternary; 2—Upper section of Lower Cretaceous Bayingebi Formation; 3—Under lying section of Lower Cretaceous Bayingebi Formation; 4—Middle and Lower Jurassic; 5—Triassic granite; 6—Permian granodiorite; 7—Permian granite; 8—Carboniferous diorite; 9—Fracture and number; 10—Border line; 11—Range of Tamusu uranium deposit. 圖1 塔木素大地構(gòu)造位置圖(a)和鈾礦床地質(zhì)簡圖(b)Fig.1 Tectonic location (a) and geological sketch (b) of Tamusu uranium deposit

1.2 礦床地質(zhì)特征

塔木素地區(qū)基底主要為阿拉善地塊，巖性為太古宙- 古元古代變質(zhì)巖，此外還有古生代火山巖、砂巖等。蓋層主要為侏羅紀、白堊紀等沉積地層，此外，在礦區(qū)東南部還有第四系沉積物分布(圖1b)。侏羅系主要呈零星狀分布于礦區(qū)的南西部和東北部，屬中- 下侏羅統(tǒng)(J1-2)含煤碎屑巖為主的火山- 沉積；白堊系有下白堊統(tǒng)巴音戈壁組(K1b)和上白堊統(tǒng)烏蘭蘇海組(K2w)，在塔木素礦區(qū)范圍內(nèi)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組可分為下段(K1b1)和上段(K1b2)，上段是主要含礦層，該段根據(jù)巖性特征又可進一步分為下(K1b2-1)、中(K1b2-2)、上(K1b2-3)3層巖性結(jié)構(gòu)：其下部巖層(K1b2-1)以深灰色、灰色泥巖為主，巖石中多見水平層理，局部為頁理構(gòu)造，炭屑與黃鐵礦較發(fā)育，為區(qū)域內(nèi)一級標志層；中部巖性結(jié)構(gòu)(K1b2-2)以淺紅色、紫紅色、褐黃色、黃色、灰色砂巖、粉砂巖為主，夾薄層泥巖、泥灰?guī)r和石膏夾層，為濕熱- 干旱古氣候環(huán)境沉積的產(chǎn)物，整體粒度較粗，砂巖厚度大，可見交錯層理和平行層理，為塔木素地區(qū)鈾礦主要找礦層位；上部巖層(K1b2-3)整體以細粒沉積物為特征，湖盆一側(cè)以厚層灰色、深灰色泥灰?guī)r為主，是塔木素地區(qū)重要的鈾礦化層位，發(fā)育炭屑與黃鐵礦等，湖盆邊緣由于相變主要發(fā)育粉砂巖、細砂巖等，見少量含礫砂巖，為區(qū)域性標志層。下白堊統(tǒng)巴音戈壁組下段(K1b1)主要分布于礦區(qū)的北西緣，由一套紅色碎屑巖組成，即紅色礫巖、砂礫巖、砂質(zhì)泥巖夾粉砂質(zhì)泥巖，局部發(fā)育灰色粉砂質(zhì)泥巖。

斷裂構(gòu)造總體上沿襲了區(qū)域斷裂與控盆斷裂構(gòu)造系統(tǒng)的特點，以NE向為主，主要斷裂有F1、F2、F3(圖1b)。F1斷裂相當區(qū)域上的烏蘭鐵布科斷裂，傾向NW，傾角70°～85°，表現(xiàn)為逆沖斷層特點；F2斷裂傾向NW，傾角70°～87°，表現(xiàn)為正斷層特點；F3斷裂傾向SE，傾角為57°～73°，表現(xiàn)為正斷層特點。3條斷裂延伸均在40 km以上，NE向斷裂形成于燕山期，在喜馬拉雅期仍有活動。

區(qū)內(nèi)巖漿巖從志留紀- 三疊紀均有，以二疊紀最為發(fā)育，主要分布于礦床西北部，少量出露于東南部，總體呈北西向展布。巖性主要為斑狀黑云母花崗巖、二長花崗巖、斜長花崗巖、正長花崗巖及英云閃長巖、花崗閃長巖。

1.3 鈾礦化類型及分布特征

1.3.1 鈾礦化類型

根據(jù)含礦巖性，可將塔木素礦床鈾礦化劃分為砂巖型、泥灰?guī)r型及砂泥混合型三種類型，劃分的標準為主要礦化巖性占比超過礦化的80%以上，如砂巖型礦化中礦化砂巖占比超過80%，若泥砂混合比例小于80%時劃分為砂泥混合型[2]。砂巖型礦化占塔木素鈾礦床73.20%，其他類型占26.80%，且越往深部砂巖類礦化的占比也越大[2]。

1.3.2不同類型鈾礦化分布特征

砂巖型礦化主要分布于塔木素礦床的中部與北部，而泥灰?guī)r型礦化主要分布于北礦帶的南側(cè)前三角洲泥發(fā)育部位。在垂向上，泥灰?guī)r型礦化產(chǎn)于巴音戈壁組上段上亞段(K1b2-3)的角礫化泥灰?guī)r中，砂巖型礦化產(chǎn)于巴音戈壁組上段中亞段(K1b2-2)，鈾礦體具有多層板狀分布特征(圖2)。

圖2 塔木素鈾礦床巴音戈壁組上段地層綜合柱狀圖(引自彭云彪，等，2018)Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of upper member of Bayingebi Formation in Tamusu uranium deposit(After PENG Yunbiao, et al., 2018).

1.3.3鈾在不同類型礦化中的分布特征

王鳳崗等[7]對不同類型礦化中鈾的分布特征進行了研究，砂巖型鈾礦化中的鈾絕大多數(shù)分布于膠結(jié)物中，少量分布于礦物中，泥灰?guī)r礦化中的鈾主要分布于暗色角礫狀的泥灰?guī)r中，而角礫周邊的淺色膠結(jié)物中無鈾的分布，混合型鈾礦化中的鈾主要分布于呈條帶狀展布的泥灰?guī)r中。

2 樣品及分析方法

樣品主要采自于塔木素鈾礦床各工業(yè)鉆孔，其中砂巖型鈾礦石樣品42件，泥灰?guī)r型鈾礦石樣品15件，混合型鈾礦石樣品4件，地下水定深取樣5件，地表水體樣品2件。對采集的巖心樣品開展了巖石薄片觀察、陰極發(fā)光、徑跡蝕刻、電子探針(EMPA)、掃描電鏡(SEM)及C、O、S同位素分析。

在偏光顯微鏡下運用巖相學方法對樣品中的礦物含量進行統(tǒng)計。碳酸鹽礦物主要運用茜素紅S染色法及茜素紅S+鐵氰化鉀混合染色法結(jié)合電子探針和陰極發(fā)光分析進行識別，上述工作均在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院完成，其中陰極發(fā)光運用英國CITL公司CL8200 MK5型陰極發(fā)光儀，真空度為0.003 Pa，加速電壓為20 kV，速流為0.2 mA。電子探針儀器型號為JXA-8100，工作電壓20 kV，束斑電流20 nA，電子束直徑10 μm。

測試的碳酸鹽C、O同位素樣品分別采自鉆孔ZKH36-20孔上部礦化泥灰?guī)r(K1b2-3)及中部礦化砂巖(K1b2-2)。S同位素測試的黃鐵礦樣品采自泥巖、泥灰?guī)r。瀝青鈾礦U-Pb同位素樣品主要采自礦化砂巖，在分析測試前對樣品中的瀝青鈾礦提取、挑純，并按相關(guān)規(guī)范完成測試工作，上述測試工作均在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試所進行，鈾礦物U-Pb同位素年齡采用TIMS測試方法，以206Pb扣除普通鉛。

地下水樣品采自水文鉆孔中，采用礦層定深采樣方法，地下水D-O并在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院進行水化學分析，采用的標準為DZ/T 0184.19—1997《水中氫同位素鋅還原法測定》及DZ/T 0184.21—1997《天然水中氧同位素二氧化碳- 水平衡法測定》，分析儀器為MAT253型氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀。

鈾的存在形式主要采用徑跡蝕刻方法結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)、電子探針(EMPA)完成，徑跡蝕刻由本項目完成，其中掃描電子顯微鏡(SEM)為NAVA NANO SEM450型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡，工作電壓15 kV條件下分辨率為1.0 nm。

同時，收集了前人一些研究成果一并進行分析。

3 分析結(jié)果

碳酸鹽C-O同位素測試對象、寄主巖石和測試結(jié)果見表1。δ34S測試對象、寄主巖石和測試結(jié)果見表2。地下水D-O同位素取樣位置、采樣方法及測試結(jié)果見表3。鈾礦物U-Pb同位素年齡測試結(jié)果見表4。

表1 塔木素鈾礦床δ13C、δ18O同位素分析結(jié)果Table 1 Assayed results of δ13C and δ18O in Tamusu uranium deposit

表2 塔木素鈾礦床δ34S分析結(jié)果Table 2 Assayed results of δ34S in Tamusu uranium deposit

表3 塔木素地區(qū)地下水D-O同位素分析結(jié)果Table 3 Assayed results of groundwater D-O in Tamusu area

表4 塔木素鈾礦床鈾成礦年齡Table 4 U-Pb isotope age of pitchblende in Tamusu uranium deposit

4 討 論

4.1 含鈾主巖沉積成巖特征分析

塔木素鈾礦床是否存在沉積成巖期鈾礦化目前還存有爭議，為了便于討論，對塔木素地區(qū)不同含鈾巖石的沉積成巖特征進行了研究，鑒于混合型礦化中鈾主要分布于泥灰?guī)r中，鈾礦化成因與泥灰?guī)r型相同，且其所占比例較小，故不再單獨討論，僅對含鈾泥灰?guī)r和含鈾砂巖的成巖特征進行討論。

4.1.1 礦化泥灰?guī)r成巖特征

通過野外巖心觀察及偏光顯微觀察，礦化泥灰?guī)r具有明顯的角礫化特征，早期角礫由不純泥晶方解石組成，泥晶角礫至少發(fā)生過兩次角礫化現(xiàn)象(圖3a)，礫邊部具有淺色環(huán)邊現(xiàn)象(圖3a、b)，并被后期淺色亮晶碳酸鹽膠結(jié)(圖3a)，局部可見更晚期的螢石網(wǎng)脈及天青石脈。茜素紅S染色后角礫均變?yōu)榧t色，顯示其主要成分為方解石，淺色環(huán)邊亮晶碳酸鹽不染色，顯示其為白云石，膠結(jié)物有些染色，有些不染色，顯示膠結(jié)物主要為亮晶方解石和白云石(圖3b)。陰極發(fā)光圖像顯示，暗色角礫顯弱棕色，亮晶白云石基本不發(fā)光，亮晶碳酸鹽膠結(jié)物顯亮的橘黃色和弱的棕色(圖3c)。

a—角礫狀泥灰?guī)r；b—泥灰?guī)r茜素紅S染色結(jié)果；c—泥灰?guī)r陰極發(fā)光照片。a—breccia marlite；b—alizarin red S dyeing result of marlite；c—the CL image of marlite. 圖3 塔木素鈾礦床含鈾泥灰?guī)r特征Fig.3 Characteristics of uranous marlite in Tamusu uranium deposit

從上述分析可以看出，塔木素含鈾泥灰?guī)r至少經(jīng)歷4個期次的變化，其中暗色角礫中至少2次，淺色膠結(jié)物中至少2次，因此，泥灰?guī)r成巖過程可分為以下4個階段：第1階段形成暗色角礫中包裹的角礫；第2階段形成暗色泥灰?guī)r角礫；第3階段形成角礫間淺色亮晶方解石膠結(jié)物；第4階段為后期形成的螢石細脈或天青石脈。

4.1.2 礦化砂巖成巖特征

1)碎屑物特征

通過偏光顯微鏡、試劑染色等對含礦砂巖進行了研究，結(jié)果表明含礦砂巖碎屑物主要由石英、斜長石及鉀長石組成，其中石英含量占砂巖總量的12%左右，約占碎屑物總量的20%。長石以斜長石為主，鉀長石相對較少，二者含量約占巖石總量的一半，占碎屑物總量70%～80%。巖屑發(fā)育不均勻，多者可達5%左右，少者基本不含巖屑。巖屑粒徑通常與砂巖中的碎屑物粒徑相當，主要由石英、斜長石、鉀長石聚合而成，具有花崗巖巖屑特征。

a—砂巖鈾礦石中的石膏(Gp)、白云石(Dol)、含鐵白云石(Fe-Dol)及鐵白云石(Ank)膠結(jié)物；b—白云石(Dol)、含鐵白云石(Fe-Dol)及鐵白云石(Ank)關(guān)系；c—白云石(Dol)與含鐵白云石(Fe-Dol)關(guān)系。a—cements of gypsum (Gp), dolomite (Dol), ferruginous dolomite (Fe-Dol) and ankerite (Ank); b—relationship of dolomite (Dol), ferruginous dolomite (Fe-Dol) and ankerite (Ank); c—relationship between dolomite (Dol) and ferruginous dolomite (Fe-Dol). 圖4 塔木素鈾礦床含鈾砂巖特征Fig.4 Characteristics of uranous sandstone in Tamusu uranium deposit

2)膠結(jié)物特征

運用偏光顯微鏡、混合染色劑(鐵氰化鉀+茜素紅S)對砂巖鈾礦石中的膠結(jié)物進行了研究，研究結(jié)果顯示膠結(jié)物主要為白云石系列礦物及石膏(圖4a)?；旌先旧珓?鐵氰化鉀+茜素紅S)染色結(jié)果顯示白云石系列礦物有白云石(不染色)，含鐵白云石(淺藍色)及鐵白云石(藍黑色)。白云石系列礦物形成時間要早于石膏，且白云石系列礦物生成順序具有明顯的規(guī)律性：鐵白云石常位于核部，最先形成，向外為含鐵白云石和白云石(圖4b、c)。巖相學統(tǒng)計結(jié)果顯示，膠結(jié)物總含量約占全巖含量的37.2%，其中石膏為12.6%，白云石為9.8%，含鐵白云石為9.3%，鐵白云石為3.2%，其他雜基為2.3%。

3)含礦砂巖與不含礦砂巖的區(qū)別

系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，含礦砂巖與不含礦砂巖有兩個顯著的區(qū)別：一是含礦砂巖中的斜長石因水巖作用已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)殁c長石，而非礦化砂巖中的斜長石主要為更長石；二是含礦砂巖的膠結(jié)物主要以白云石系列礦物為主，包括白云石、含鐵白云石及鐵白云石，而不含礦砂巖中的膠結(jié)物主要為方解石。

4.2 水巖作用- 碳酸鹽膠結(jié)物- 鈾礦化之間的關(guān)系

4.2.1 地下水特征

4.2.2 水巖作用特征

王鳳崗等[5]將塔木素鈾礦床的水巖作用分為2個階段，并對水巖作用與碳酸鹽膠結(jié)物形成及鈾礦化關(guān)系進行了探討。

1)第1階段水巖作用特征

2)第2階段水巖作用特征

可以看出，砂巖鈾礦化存在2個期次的水巖作用，與之相對應，在每個階段都有礦化作用的形成，即既有沉積成巖期的鈾成礦作用，也有后期層間氧化的鈾成礦作用。

4.3 物質(zhì)來源分析

4.3.1 物質(zhì)來源

1)碎屑物源

砂巖碎屑物主要由石英、長石類礦物組成，少量為花崗巖巖屑，由此判斷砂巖碎屑物應主要來自北部的花崗巖。而泥灰?guī)r與砂巖為同一沉積體系不同沉積相的體現(xiàn)，其來源與砂巖具有相同性。

2)膠結(jié)物來源

3)鈾源

鑒于鈾與碳酸鹽之間密切的成因聯(lián)系，特別是砂巖中鈾與白云石系列膠結(jié)物之間的密切聯(lián)系，不排除老地層中的部分鈾被一同帶入到水體中。鈾應該具有雙重來源，一是來自于老的變質(zhì)巖基底中的鈾，二是來自于花崗巖蝕源區(qū)中的鈾。在沉積成巖期，受炎熱干旱的古氣候影響，水體蒸發(fā)濃縮形成了富鈾的高礦化地下水，進而發(fā)生了水巖作用，導致鈾在特定的層位富集，故沉積成巖期的鈾主要來自水中溶解的鈾。層間氧化階段的鈾也具有雙重來源特征，一是地層中再活化的鈾，二是地表水帶入的鈾。

4.3.2 絡合形式及遷移過程

鑒于砂巖中的鈾與白云石系列具有密切的成因聯(lián)系，顯然Mg2+的存在對鈾從巖石中轉(zhuǎn)入水溶液、鈾在地下水中遷移及鈾沉淀均起著十分重要的作用，隨礦化度增高，水中Mg2+的含量也相應增高，在富含碳酸根的水溶液中，鎂可以與碳酸根形成溶解度較大的MgCO3溶液(2.2 g/l)，遠大于CaCO3在水中的溶解度(0.013 g/l)[14]。由于水中有MgCO3的存在，MgCO3可與鈾酰碳酸鹽絡合物生成非常穩(wěn)定的MgCO3·Na2UO2(CO3)2復鹽[14]，并可在水中遷移。此外，從離子電位序數(shù)看，Mg2+≈2.5，Ca2+≈1.9，Na+≈1.0，因此Mg2+在對鈾轉(zhuǎn)入水溶液及在水溶液中對鈾的遷移過程中所起的作用也較大。由此可見，砂巖沉積成巖期MgCO3·Na2UO2(CO3)2復鹽是主要的絡合形式。

4.3.3 鈾沉淀機制

鈾的沉淀需要有其誘發(fā)沉淀的機制才可以發(fā)生，也就是需要有物理的、化學的條件發(fā)生改變。對于塔木素地區(qū)鈾的沉淀機制有以下幾個方面：

1)水體蒸發(fā)濃縮

2)地下水中Ca2+活度的增加

3)地下水溫度升高

現(xiàn)階段白云石化研究的最新成果表明，雖然白云石也可在較低的溫度下形成，但形成白云石化作用時要具備“相對高溫”，也就是白云石化水溶液的溫度要比圍巖高10～20 ℃[16]。塔木素地區(qū)砂巖礦層中發(fā)育有大量成巖期白云石系列膠結(jié)物，由此判斷，在砂巖成巖過程中地下水溫度可能經(jīng)歷過溫度升高的過程，而水中CO2溶解度對溫度及其敏感，溫度升高，CO2在水中的溶解度降低，從而發(fā)生脫碳作用，從而導致鈾沉淀。

4.4 后期熱液疊加對鈾礦化的作用

是否存在熱液疊加作用是塔木素鈾礦床成因爭論焦點之一，前人在研究區(qū)砂巖碎屑礦物粒間發(fā)現(xiàn)了富硒礦物，認為富硒礦物形成與熱液作用有關(guān)，進而推斷存在后期熱液活動[4,17]。僅根據(jù)富硒礦物與熱液活動是否存在必然聯(lián)系目前還存在疑問，富硒礦物主要存在于碎屑粒間空隙中，并未發(fā)現(xiàn)與之相對應的熱液載體(如螢石脈、石英脈)以及熱液蝕變現(xiàn)象，故不排除上述礦物在蝕源區(qū)巖石中早已形成，僅是受后期剝蝕、搬運作用遷移至砂巖中所致。此外，鑒于含硒礦物在典型層間- 滲入型砂巖鈾礦床中常見，有些甚至可以達到綜合利用水平，如哈薩克斯坦含錸和硒的砂巖鈾礦床[18]。對于熱液活動與鈾成礦的關(guān)系應基于兩個方面考慮：一方面要確認是否存在熱液活動現(xiàn)象；另一方面要確認熱液活動是否對鈾礦化有實質(zhì)性的作用，如改造作用、疊加作用等。

根據(jù)野外詳細觀察及室內(nèi)綜合研究，發(fā)現(xiàn)塔木素地區(qū)礦化泥灰?guī)r巖心有網(wǎng)脈狀紫黑色螢石(圖5a)，對樣品進一步研究發(fā)現(xiàn)，螢石形成的時間最晚(圖5a, b)，由此推斷在塔木素地區(qū)存在后期熱液活動。根據(jù)放射性照相結(jié)果看，鈾主要存在于早期形成的角礫中(圖5c)，而晚期螢石中未發(fā)現(xiàn)含鈾礦物，可見熱液活動與鈾礦化并無直接的關(guān)系。泥灰?guī)rC同位素分析結(jié)果顯示(表1)，δ14C基本均為正值，應該與沉積成巖期水體強烈蒸發(fā)分餾作用有關(guān)，強烈的蒸發(fā)作用導致水體中13C減少及14C增加。

4.5 礦化成因

4.5.1 泥灰?guī)r型礦化成因

泥灰?guī)r(包括混合型中泥灰?guī)r部分)具有致密，滲透性極差等特征，故不具備形成氧化- 還原作用的條件。泥灰?guī)r中鈾礦化可由兩種作用形成，一是沉積成巖期形成的同沉積鈾礦化，二是成巖后期受熱液作用有關(guān)的熱液鈾礦化，兩種作用形成的鈾礦化具有較為典型的識別特征，故較容易識別。根據(jù)泥灰?guī)r礦石放射性照相結(jié)果可知，鈾主要存在于早期暗色角礫中，而后期角礫間的膠結(jié)物中基本無鈾礦化顯示(圖5c，圖6b)，從而證明鈾不具有后生成因特征。電子探針背散射圖像研究結(jié)果顯示，泥灰?guī)r中的鈾主要呈微粒浸染狀分布，鈾礦物粒徑<1 μm，且在巖石中分布較均勻(圖6c)，具典型沉積成巖期成因特征。泥灰?guī)r形成的地質(zhì)環(huán)境中存在大量的碳酸根，而鈾與碳酸根具有很強的親和性，可以形成絡合物，在形成泥灰?guī)r的過程中，絡合物分解，從而鈾在此過程中發(fā)生同步的沉淀。

a—含鈾泥灰?guī)r中的螢石脈；b—含鈾泥灰?guī)r中的螢石脈(Fl)鏡下特征；c—圖5b放射性照相疊合圖(紅色為鈾蝕刻徑跡)。a—fluorite veines in marlite-type ore；b—fluorite characterisitics under microscope；c—radiographic superposition map of 5b (red is the etching track of uranium). 圖5 塔木素鈾礦床含鈾泥灰?guī)r中的螢石脈及其與鈾礦化的關(guān)系Fig.5 Fluorite veins and relation with uranium mineralization in uranous marlite in Tamusu uranium deposit

a—角礫狀含鈾泥灰?guī)r；b—圖7a徑跡蝕刻疊合圖；c—泥灰?guī)r中的微粒浸染狀瀝青鈾礦。 a—breccia marlite；b—the track etching congruent map of Fig.7a ；c—microparticle disseminated pitchblende(Ur)in marlite-type ore. 圖6 塔木素鈾礦床含鈾泥灰?guī)r中鈾的分布特征Fig.6 Uranium in the marlite of Tamusu uranium deposit

綜上分析，塔木素地區(qū)泥灰?guī)r中的鈾礦化與二連盆地泥巖中的鈾礦化成因相似[19-20]，具有沉積成巖成因特征?；旌闲外櫟V中的鈾主要分布于巖石中泥灰?guī)r部分，因此，其成因上與泥灰?guī)r具有相似性，即沉積成巖成因。

4.5.2 砂巖型鈾礦化成因

4.5.2.1沉積成巖與鈾礦化關(guān)系

1)碳酸鹽膠結(jié)物特征

礦物晶形特征：砂巖鈾礦石中的膠結(jié)物主要為白云石系列礦物及石膏，通過染色劑染色發(fā)現(xiàn)，白云石系列礦物形成過程中具有明顯的規(guī)律性，最早形成鐵白云石，然后形成含鐵白云石，最后形成白云石，且最早形成的鐵白云石、含鐵白云石因具有較大的粒間生長空間從而具有很好的結(jié)晶形態(tài)并具有生長紋現(xiàn)象(圖4)，由此推斷鐵白云石、含鐵白云石是在靜水的環(huán)境中經(jīng)歷了長期、緩慢的生長過程而形成。

陰極發(fā)光特征：不同成因的白云石，陰極發(fā)光的顏色明顯不同，埋藏白云巖發(fā)光多為亮紅、玫瑰紅、亮橙黃、亮橙紅色。準同生白云巖多呈中等黃、紅、橙紅、桔紅、藍、綠等色。與混合水有關(guān)的白云石呈明亮的藍色。淡水白云石發(fā)光昏暗[21]。此外，根據(jù)陰極發(fā)光原理，Mn是重要的激活劑，而Fe為主要的猝火劑[22-24]。塔木素地區(qū)位于中心的鐵白云石因含鐵多而基本無陰極發(fā)光的現(xiàn)象，中間的含鐵白云石發(fā)弱光或不發(fā)光，而最外圍不含鐵的白云石則具有鮮亮的橙紅、桔紅等顏色，少量為桔黃色(圖7a、c)，根據(jù)陰極發(fā)光特征并結(jié)合染色結(jié)果判斷含鈾砂巖中的白云石系列膠結(jié)物具有深埋條件下準同生成因特征。

a—砂巖鈾礦石CL圖像；b—鈾礦石中的白云石(Dol)和鐵白云石(Ank)膠結(jié)物；c—圖7b的CL圖像。a—the CL image of sandstone-type uranium ore；b—the cements of dolomite(Dol)and ankerite(Ank)in sandstone-type uranium ore；c—the CL image of Fig.7b.圖7 塔木素鈾礦床含鈾砂巖碳酸鹽膠結(jié)物陰極發(fā)光特征Fig.7 CL characteristics of carbonate in uranous sandstone of Tamusu uranium deposit

a—鈉長石(Ab)解理縫隙中的瀝青鈾礦(Ur)；b—鈉長石(Ab)表面孔洞中的瀝青鈾礦(Ur)；c—交代植物胞腔的瀝青鈾礦(Ur)；d—粒間與黃鐵礦(Py)共生的瀝青鈾礦(Ur)；e—碳酸鹽膠結(jié)物溶洞中的瀝青鈾礦(Ur)；f—白云石(Dol)溶洞中的瀝青鈾礦(Ur)。a—pitchblende(Ur)in cleavage of albite(Ab)；b—pitchblende(Ur)in holes of albite(Ab)；c—pitchblende(Ur)metasomatic plant cell；d—pitchblende(Ur)associated with pyrite(Py)in intergranular；e—pitchblende(Ur)in carbonate caverns；f—pitchblende(Ur)in dolomite caverns. 圖8 塔木素鈾礦床含鈾砂巖中鈾的分布特征Fig.8 Uranium in the sandstone of Tamusu uranium deposit

2)砂巖中鈾的分布特征

通常，典型的氧化- 還原作用形成的砂巖鈾礦中的鈾主要存在于膠結(jié)物中，碎屑礦物中的鈾主要形成于礦物裂隙中，很少存在于礦物的解理中。塔木素鈾礦床斜長石解理縫及表面孔洞中的鈾較為常見，這種分布特征與塔木素地區(qū)存在沉積成巖期的水巖作用有關(guān)。水巖作用對斜長石的改造作用主要表現(xiàn)為兩個特征：一是礦化范圍內(nèi)的斜長石基本由更長石轉(zhuǎn)變?yōu)檩^純的鈉長石；二是因溶蝕作用導致沿斜長石解理形成縫隙及在斜長石表面形成孔洞，同時也發(fā)生了鈾的沉淀。此外，還發(fā)現(xiàn)了交代植物胞腔的瀝青鈾礦，進一步證明在沉積成巖期鈾礦化的存在(圖8)。

3)鈾礦化年齡

根據(jù)鈾礦物U-Pb同位素測年結(jié)果(表4)，塔木素地區(qū)鈾礦化的年齡最老的約111.6±8.1Ma[25]，鈾礦化年齡與砂巖的形成時代較為接近，說明存在沉積成巖期的鈾礦化。同時，也發(fā)現(xiàn)有明顯晚于賦礦砂巖的鈾礦化，最年輕的鈾礦化僅2.5 Ma，具有顯著后生成因特征，即與后期層間氧化作用有關(guān)。

4.5.2.2 同位素示蹤

1)碳酸鹽C-O同位素：根據(jù)同位素分析結(jié)果，形成塔木素地區(qū)δ13C-δ18O關(guān)系圖，從圖9可以看出，塔木素地區(qū)碳酸鹽排除了生物成因、巖漿成因，根據(jù)表1中分析結(jié)果結(jié)合δ13C-δ18O關(guān)系圖可知塔木素地區(qū)碳酸鹽也不具有海相碳酸鹽成因特征。

圖9 塔木素鈾礦床δ13C-δ18O關(guān)系圖Fig.9 Relation of δ13C and δ18O in Tamusu uranium deposit

由表1可見，碳酸鹽樣品中δ13CPDB值稍大于0，結(jié)合古氣候特征推斷，塔木素地區(qū)在沉積成巖過程中經(jīng)歷了由濕熱到干旱的轉(zhuǎn)變過程，在早期形成的植物有機質(zhì)等中富集了較多的12C同位素，從而產(chǎn)生了同位素的分餾，因此導致同位素庫中在后期富集較重的13C同位素。

而δ18OPDB主要集中于-16.7～-16.2，顯示沉積成巖期的水體并非海水，而是主要以大氣降水為主。在深埋條件下，隨深埋深度加大、溫度升高會引起δ18O降低[26]，鑒于塔木素地區(qū)δ18O值總體偏低，推測塔木素地區(qū)沉積成巖形成于深度較大且溫度較高的水體環(huán)境中。

2)黃鐵礦及石膏S同位素：表2中可以看出，塔木素地區(qū)的黃鐵礦δ34S值均為負，但從分析結(jié)果可以看出，石膏硫同位素與黃鐵礦硫同位素差別十分明顯。上述結(jié)果反映在塔木素鈾成礦過程是在相對封閉的環(huán)境中形成，黃鐵礦形成時間較石膏早，所以富32S而貧34S，其δ34S值顯示為負，從而產(chǎn)生了同位素的分餾，石膏形成的時間相對較晚，由于受形成黃鐵礦的過程中硫同位素分餾影響，在形成石膏的硫中，富34S而貧32S，導致同位素庫中在后期形成的石膏具有的同位素δ34S均為正值。

3)水中D-O同位素

塔木素地區(qū)不同水體的D-O同位素分析結(jié)果(表3)可知，地表河水和井水δD值比較接近，分別為-56.5、-58.9。地下水δD值也較為集中，范圍為-72.92-75.1，地表水與地下水數(shù)值差距較為明顯。與δD值相似，地表河水和井水δ18O值較為接近，分別為-7.1和-7.4，而地下水δ18O值變化范圍為-7.2-8.9，也較為接近。與δD相比，地表水與地下水δ18O變化范圍較小，顯示在地下水封存期間，氧同位素分餾較弱。塔木素地區(qū)水中δD-δ18O關(guān)系圖顯示地表水與地下鈾礦層采集的地下水具有明顯的區(qū)別，顯示地表水與地下水并沒有形成廣泛的交換[1]，由此說明地表水對含鈾砂巖的改造作用不明顯，即后期成礦特征不明顯。

4.5.2.3 砂巖型礦化成因

根據(jù)砂巖成巖特征及水巖作用表現(xiàn)形式分析，砂巖中的鈾礦化具有雙重成因特征。沉積成巖期古氣候由濕熱到干旱炎熱轉(zhuǎn)變導致水體蒸發(fā)濃縮，并隨著深埋作用而形成了含鈾的高礦化度地下水，并因水巖作用致使鈾在特定的層位富集成礦，成礦物質(zhì)來源于沉積成巖期蒸發(fā)濃縮的水體。沉積成巖后，地表水沿層間下滲，酸性的地表水溶解了部分碳酸鹽膠結(jié)物，并導致地層中的鈾發(fā)生了再次遷移，從而形成了鈾的疊加改造作用，鈾沉淀于溶解的孔洞內(nèi)，成礦物質(zhì)來源于沉積巖層及下滲的地表水。

從總體表現(xiàn)出的礦化特征看，塔木素鈾礦床碳酸鹽膠結(jié)物仍總體保留沉積成巖期形成的特征，且地下水與地表水具有明顯的區(qū)別，同時考慮含礦砂巖成巖度高，不利于氧化- 還原作用形成的因素，塔木素砂巖中的鈾礦化主要以沉積成巖期的鈾礦化為主，而層間氧化作用疊加為輔。

5 結(jié) 論

1)塔木素礦床鈾礦化共有砂巖型、泥灰?guī)r型及砂泥混合型三種類型，以砂巖型為主，泥灰?guī)r型次之，泥砂混合型最少。

2)經(jīng)成巖研究及放射性照相研究結(jié)果顯示，礦化泥灰?guī)r具有多階段成巖特征，鈾主要呈微粒浸染狀分布于早期形成的暗色角礫中，鈾礦化具有單一的沉積成巖成因特征，鑒于混合型鈾礦中的鈾主要存在于泥灰?guī)r成分中，其鈾礦化成因與泥灰?guī)r具有統(tǒng)一性。砂巖型鈾礦化具有沉積成巖及層間氧化改造雙重成因特征，礦區(qū)內(nèi)高品位的礦石多為層間氧化與沉積成巖礦化作用疊加的結(jié)果。

3)塔木素地區(qū)有熱液活動跡象，但暫未發(fā)現(xiàn)熱液活動與鈾礦化有直接的成因聯(lián)系。