蒙其古爾鈾礦床灰白色砂巖成因及其成礦作用機制

張曉，秦明寬，蔡煜琦，劉紅旭，宋繼葉，倪仕琪

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.國防科技工業(yè)核材料技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100029）

蒙其古爾鈾礦床位于伊犁盆地南緣中東部地區(qū)，屬于特大型砂巖型鈾礦床，較之我國北方已知的其他砂巖型鈾礦床，具有埋藏深（最深可達1 000 m 以上）、品位高（普遍高于0.1%，最高品位達10%［1］）、平米鈾量高的特點。其鈾礦化主要發(fā)育在中下侏羅統(tǒng)水西溝群的一套含煤碎屑巖建造中，賦礦層灰白色砂體大規(guī)模發(fā)育，與鈾礦化在空間上關(guān)系密切，鈾礦化一般產(chǎn)于灰白色砂體和灰色原生砂體的接觸帶上。

國內(nèi)外學(xué)者對灰白色砂巖的成因均有研究，國外自1922 年起就有過研究，稱該現(xiàn)象為砂巖的“紅層漂白”［2］；近些年，國內(nèi)許多學(xué)者對我國北方油氣盆地的研究過程中，也發(fā)現(xiàn)了大量砂巖褪色現(xiàn)象，稱之為砂巖的“漂白現(xiàn)象”或“白色化”［3-7］。對這一現(xiàn)象的成因認(rèn)識主要有3 種：一是耗散的天然氣等還原性氣體的還原作用使砂巖中的Fe3+還原為Fe2+，并發(fā)生遷移所致［3］；二是與其臨近的灰色砂巖相比，大量有機質(zhì)被氧化使得砂體顏色變?yōu)榛野咨?；三是成巖期后，大量酸性還原性流體的滲入，增加了砂巖孔隙流體的H+濃度，形成大量高嶺石等黏土礦物，顯示出“白色化”。本文以蒙其古爾鈾礦床灰白色砂體成因研究為切入點，通過研究蒙其古爾鈾礦床豐富還原物質(zhì)來源，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化，探討蒙其古爾礦床灰白色砂體與鈾成礦的關(guān)系。

1 礦床地質(zhì)特征

蒙其古爾鈾礦床位于伊犁盆地南緣構(gòu)造斜坡帶東部構(gòu)造活動區(qū)與西部構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)的過渡部位，屬于次級構(gòu)造單元扎吉斯坦向斜東南翼的組成部分。該向斜整體呈東西南三面翹起的屜狀向斜構(gòu)造，向斜軸部位于扎吉斯坦河谷，傾向45°～48°，傾角6°～8°［8-9］。該礦床同時受到F1和F3逆斷裂的雙向夾持，使得蒙其古爾鈾礦床形成了完善、獨立的成礦體系（圖1）。

圖1 蒙其古爾礦床地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.1 Geological structure map of Mengqigur deposit

礦床南部蝕源區(qū)大面積出露石炭系-二疊系的中酸性-酸性火山巖、火山碎屑巖。中上三疊統(tǒng)基本缺失，廣泛發(fā)育中下侏羅統(tǒng)水西溝群、中侏羅統(tǒng)頭屯河組、白堊系和新近系。主要含礦地層為中下侏羅統(tǒng)水西溝群，為一套潮濕氣候條件下形成的含煤碎屑巖沉積。

礦床主要含礦目的層為中下侏羅統(tǒng)水西溝群（J1-2sh），自下而上劃分為7 個沉積旋回，其中，含礦層位主要為Ⅶ旋回和Ⅴ旋回。該地區(qū)發(fā)育有穩(wěn)定的煤-泥-砂-泥-煤、泥-砂-泥地層結(jié)構(gòu)，有利于形成大規(guī)模層間氧化砂體。該礦床的層間氧化帶可劃分為氧化帶、過渡帶和還原帶，其中氧化帶又可劃分出強氧化亞帶、中等強度氧化亞帶以及弱氧化亞帶3 個亞帶（圖2）。其中，灰白色砂巖在該礦床含礦目的層中廣泛分布，主要賦存在弱氧化亞帶以及弱氧化亞帶與過渡帶接觸部分（圖2），鈾礦化主要富集于氧化-還原過渡帶的砂體中，灰白色砂體尾部常見鈾異常。

圖2 蒙其古爾鈾礦床層間氧化帶分帶模型圖Fig.2 Model of interlayer oxidation zonation of Mengqigur deposit

2 灰白色砂巖的巖石地球化學(xué)特征

樣品采自蒙其古爾礦床含礦目的層鉆孔巖心。為了更好地認(rèn)識灰白色砂巖特征，將其與研究區(qū)其他類型砂巖進行對比研究，筆者按一定間隔選?、餍睾廷跣氐幕野咨皫r、紅色/灰黃色氧化砂巖、灰色/灰黑色原生砂巖以及礦化砂巖。對樣品進行了薄片鑒定、掃描電鏡分析（SEM）、黏土礦物X-衍射分析、全巖主要元素和微量元素地球化學(xué)分析。

2.1 巖石學(xué)特征

巖石薄片鑒定表明，灰白色砂巖以中-粗粒砂巖為主，部分含礫石，偶見砂礫巖，分選磨圓較差，呈次棱角至次圓狀。巖屑含量為20%～30%，成分以石英為主，含量為50% 左右；其次為火山巖和花崗巖巖屑，含少量鉀長石和斜長石巖屑，大部分被淋濾且黏土化，發(fā)育粒間孔洞（約5%～10%）；偶見石英晶屑發(fā)育有硅化次生加大邊，可見較多的草莓狀黃鐵礦發(fā)育；含少量黑云母，且大多已水化褪色，將鐵質(zhì)析出，部分黃鐵礦氧化為褐鐵礦，并具黃鐵礦殘留（圖3a），偶見未被完全氧化的炭屑?xì)埩?。紅色氧化砂巖中Fe2+氧化為Fe3+，其基質(zhì)由于被鐵質(zhì)浸染而呈現(xiàn)紅褐色（圖3b），其中長石也大多發(fā)生淋濾現(xiàn)象，有機質(zhì)幾乎完全被氧化，石英多具次生加大現(xiàn)象（圖3c）。

掃描電鏡（SEM）研究顯示，灰白色砂巖中高嶺石形態(tài)類型較多，呈現(xiàn)分散片狀、層片狀和蠕蟲狀（圖3d、e、f），粒間自生石英晶體發(fā)育（圖3d、g），可見草莓狀黃鐵礦和單晶八面體黃鐵礦等自生黃鐵礦晶體（圖3f、h）和石英次生加大（圖3c、i）現(xiàn)象，一般認(rèn)為草莓狀黃鐵礦形成與氧化還原界面附近，需要保證充足的Fe2+才能形成草莓狀黃鐵礦，這就指示了灰白色砂體形成于還原環(huán)境；紅色砂巖中長石發(fā)生了明顯的淋濾現(xiàn)象（圖3g），發(fā)育有大量粒間分散片狀高嶺石和自生石英顆粒（圖3j），鐵的低價礦物被氧化為褐鐵礦甚至脫水轉(zhuǎn)化為赤鐵礦（圖3k、l）。

圖3 蒙其古爾鈾礦床目的層砂體顯微特征Fig.3 Microscopic characteristics of ore-bearing sand bodies in Mengqigur deposite.

蒙其古爾礦床含礦層普遍遭受了強烈的黏土化蝕變，對該礦床層間氧化帶不同地球化學(xué)分帶砂巖進行黏土礦物X-衍射分析，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示（表1）：層間氧化帶砂巖中黏土礦物總量在7.4%～35.1%之間，且不同地球化學(xué)分帶砂巖中黏土礦物總量不同；黏土礦物分量顯示黏土礦物以高嶺石（K）為主，伊利石（I）次之，偶見伊蒙混層（I/S）、綠泥石（C）和蒙脫石（S），高嶺石相對含量變化為54%～90%，說明含礦層砂巖中高嶺石化發(fā)育，黏土礦物分量顯示砂體中黏土礦物組合是K＋I＋I/S 為主，為典型的含煤沉積盆地黏土礦物組合類型［10］?；野咨皫r中黏土礦物含量最高，平均值達到19.79%，各類黏土礦物相對含量中高嶺石含量偏高，平均為83.8%，最高可達90%，伊利石平均含量為11.93%，綠泥石平均為1.87%，蒙脫石平均為1%；紅色氧化砂巖中黏土礦物含量最低，平均值達到12.75%，各類黏土礦物相對含量平均值中高嶺石為77.75%，伊利石為15.13%，綠泥石為2.75%，蒙脫石為4.38%；黃色氧化砂巖中黏土礦物含量平均值為15.58%，各類黏土礦物相對含量平均值中高嶺石為78.33%，伊利石為14.17%，綠泥石為3.83%，蒙脫石為3.67%；砂巖礦石中黏土礦物含量平均值為19.60%，各類黏土礦物相對含量平均值中高嶺石為79.40%，伊利石為13.40%，綠泥石為2.40%，蒙脫石為3.60%，還有1.20%的伊蒙混層；原生灰色砂巖中黏土礦物含量平均值為17.72%，各類黏土礦物相對含量平均值中高嶺石為78.17%，伊利石為14.58%，綠泥石為2.83%，蒙脫石為2.50%，伊蒙混層1.92%。從其結(jié)果來看，灰白色砂巖較其他砂巖中高嶺石含量最高，這是砂巖發(fā)生“白色化”的重要原因之一。

表1 蒙其古爾礦床含礦層砂巖全巖及黏土礦物X-衍射一覽表Table 1 The X-ray diffraction result of clay mineral and ore-bearing sandstone of Mengqigur deposit

表1（續(xù)）

分散片狀高嶺石是在表生低溫環(huán)境下由地表水對長石的淋濾溶解在低溫環(huán)境下快速析出，水動力條件動蕩；蠕蟲狀高嶺石是在成巖過程中，由有機酸產(chǎn)生的酸性水溶解長石，并在較高溫度環(huán)境下緩慢結(jié)晶析出形成，且析出水動力條件相對穩(wěn)定且平靜［10］?；野咨皫r中含有大量高嶺石指示其形成環(huán)境為缺氧的酸性環(huán)境，且水動力條件經(jīng)歷過動蕩期與穩(wěn)定期的交疊，指示了構(gòu)造環(huán)境的活躍期和穩(wěn)定期的交替，說明黏土的蝕變經(jīng)歷了長期的、復(fù)雜的改造作用。

2.2 全巖主量元素化學(xué)特征

對蒙其古爾礦床層間氧化帶灰白色砂巖、紅色氧化砂巖、黃色氧化砂巖、砂巖礦石和原生灰色砂巖的主量元素分析統(tǒng)計見表2。其中，灰白色砂巖中Al2O3含量偏高，平均含量為8.22%，其他砂巖平均含量為6.50%～8.09%，說明灰白色砂巖中的膠結(jié)物以高嶺石為主，從而引起Al2O3含量較其他砂巖偏高；灰白色砂巖和氧化砂巖中SiO2含量略有增加，主要是因為在蝕變過程中巖石的重結(jié)晶作用造成，表現(xiàn)為石英顆粒邊部的次生加大；灰白色砂巖總鐵（TFe）平均含量為1.50%，較氧化砂巖（1.30%～1.37%）略高，明顯低于原生砂巖（2.23%）和砂巖礦石（1.63%），說明灰白色砂巖中鐵質(zhì)發(fā)生了一定遷移；Fe3+/Fe2+自氧化砂巖至原生砂巖其值逐漸降低，灰白色砂巖Fe3+/Fe2+值（1.46）略高于原生砂體（1.36），且遠低于氧化砂體（1.98～2.26），說明灰白色砂體形成過程中不僅經(jīng)歷了還原作用，也經(jīng)歷過氧化作用，氧化作用導(dǎo)致其鐵元素的流失，還原作用使其Fe3+/Fe2+值降低，主要表現(xiàn)為自生黃鐵礦的形成（圖3f、h）；全硫含量主要反映黃鐵礦的含量，其中礦化砂巖中最高（0.15%），氧化砂巖中最低（0.5%～0.6%），表明一定量的黃鐵礦是在鈾的沉淀過程中與鈾礦物同時形成，灰白色砂巖中硫的平均含量為0.11%，與原生砂巖中硫的含量（0.12%）接近，遠高于氧化砂巖中硫的含量，表現(xiàn)在灰白色砂巖中全硫曾在氧化環(huán)境下被消耗，可能是黃鐵礦作為還原劑被氧化造成，這與鏡下觀察到的具黃鐵礦殘留的褐鐵礦相吻合（圖3a），而后期由于還原作用，大量含硫還原物質(zhì)的滲入造成了硫含量的升高，還原硫與高價鐵作用形成大量自生黃鐵礦，反映了灰白色砂巖的形成與還原流體有關(guān)。

表2 蒙其古爾礦床含礦層砂巖主量元素含量/%Table 2 Contents（%）of major elements in ore-bearing sandstone of Mengqigur deposit

2.3 有機碳含量變化特征

與其他蝕變類型砂巖中有機碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比，灰白色砂巖中有機碳含量也較低，平均為0.11%，明顯低于原生灰色砂巖中有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（圖4），這與鏡下觀察到的灰白色砂巖中有機質(zhì)幾乎看不到，偶見未被完全氧化的炭屑?xì)埩衄F(xiàn)象一致（圖3c）。有機碳是沉積巖中常見的色素之一，含有一定量有機質(zhì)的原生砂巖一般顏色較深，呈現(xiàn)深灰色、灰黑色等，隨著有機碳的含量逐漸降低，砂巖的顏色會隨之變淺，逐漸呈現(xiàn)灰色、灰白色等。有機質(zhì)作為含礦砂巖中重要的還原物質(zhì)，在氧化流體的滲流過程中，有機質(zhì)很容易被氧化消耗，這可能是巖石褪色的原因之一。

圖4 蒙其古爾礦床含礦層砂巖有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比圖Fig.4 Comparison diagram of organic carbon content of ore-bearing sandstone in Mengqigur deposit

3 灰白色砂巖成因及與鈾成礦作用探討

3.1 灰白色砂巖形成環(huán)境及成因分析

通過灰白色砂巖巖石學(xué)、地球化學(xué)以及黏土礦物類型的分析，認(rèn)為灰白色砂巖呈現(xiàn)“白色化”的原因主要是：1）砂巖發(fā)生了強烈的黏土化蝕變，且黏土礦物以高嶺石為主；2）砂巖中鐵離子發(fā)生遷移，且高價鐵離子發(fā)生了還原反應(yīng)；3）砂巖中的有機質(zhì)被氧化。前人研究紅色氧化砂巖和黃色氧化砂巖中的色素主要來自鐵元素的色染現(xiàn)象，紅色砂巖中的紅色素來自赤鐵礦，其中的鐵元素是Fe3+［11］，鏡下觀察發(fā)現(xiàn)了大量褐鐵礦和其脫水轉(zhuǎn)化而生成的赤鐵礦印證了這一說法（圖3l），赤鐵礦和褐鐵礦通過與烴類、有機酸、甲烷或者硫化氫等的化學(xué)反應(yīng)而被還原成Fe2+，呈溶解態(tài)遷移，從而相對氧化砂巖來說發(fā)生了“漂白現(xiàn)象”，而形成灰色、灰白色砂巖。伊犁盆地水西溝群古氣候以潮濕、半潮濕的氣候為主，形成了原生的還原性沉積環(huán)境，在這樣的古氣候條件下，形成呈現(xiàn)深灰色、灰黑色等富含有機質(zhì)等還原劑的砂巖，之后氣候逐漸向干旱-半干旱的轉(zhuǎn)變，有利于層間氧化帶的發(fā)育，在含鈾含氧水的補給下，砂體中的有機質(zhì)逐步被氧化，砂巖發(fā)生褪色變化。黏土礦物是含礦目的層砂巖中最重要的填隙物，其中灰白色砂巖中高嶺石的平均含量高達83.8%，最高可達90%，砂巖中大量高嶺石的聚集是致使砂巖顏色發(fā)白的重要原因。前人對砂巖中高嶺石的形成機理做了大量研究，認(rèn)為高嶺石的形成是因為由長石類礦物在粒間孔隙孔間由酸性還原水介質(zhì)的溶蝕作用形成的，即形成環(huán)境為酸性還原性環(huán)境［4，12-13］。綜上分析，灰白色砂巖的形成是由有機質(zhì)和鐵元素的“褪色反應(yīng)”以及高嶺石的“增白反應(yīng)”共同作用的結(jié)果。其中，有機質(zhì)的“褪色反應(yīng)”是由氧化環(huán)境導(dǎo)致的，鐵元素的“褪色反應(yīng)”和高嶺石的“增白反應(yīng)”均在還原環(huán)境中形成，且大量高嶺石的形成才是砂巖呈現(xiàn)灰白色的關(guān)鍵。

3.2 還原性物質(zhì)來源分析

蒙其古爾礦床含礦目的層是一套含煤碎屑沉積巖建造，區(qū)域上有12層煤，并夾有多層煤線。有機質(zhì)在盆地構(gòu)造沉降過程中的熱演化程度會隨埋藏深度的加大而增高，蒙其古爾含礦層有機質(zhì)鏡質(zhì)體反射率（Ro）整體介于0.4%～0.74%之間，平均值為0.61%，有機質(zhì)成熟度整體處于未成熟-低成熟階段，正值煤層中有機質(zhì)或干酪根向輕烴轉(zhuǎn)化時期［13］。其中，八道灣組煤屬于較好的煤成烴源巖，富含有利生烴組分［14］。前人對伊犁盆地油氣包裹體研究表明伊犁盆地曾有過至少一次天然氣運移、聚集的過程，其烴源巖為二疊系或更老的地層［15］。盆地構(gòu)造格局的發(fā)展和演化，后期的構(gòu)造抬升-沉降作用，使得古老地層中天然氣可通過斷裂或裂隙向上運移，在目的層中順層逸散，造成斷裂附近形成較強的還原障，進而控制了礦體的空間分布。該礦床礦體受控于F1斷裂與F3斷裂，由于后期流體不斷作用，礦體不斷沿流體方向向北東向推移，使得礦體靠近F3斷裂。這說明含礦目的層中天然氣以煤成氣為主，并來源廣泛，一為含礦目的層煤系建造析出的煤成氣，二為深部烴源巖中天然氣沿裂隙的逸散作用。

3.3 灰白色砂巖與鈾成礦作用探討

蒙其古爾鈾礦床中灰白色砂體的廣泛發(fā)育，主要受控于成礦流體的組分和層間滲入作用，同時，成礦流體性質(zhì)和滲流作用直接作用于鈾的活化、遷移以及沉淀富集。該礦床成礦流體可分為無機流體和有機流體兩類，其中無機流體來源于地表大氣降水的層間滲入，且攜帶了大量的氧氣和活化鈾。中新世早期，礦區(qū)內(nèi)向斜和F2、F3等斷裂形成，F(xiàn)2斷裂的形成，將地表潛水與層間承壓水溝通。上新世末以來，盆地南緣斷裂（F1）繼承性復(fù)活并向盆地方向逆沖，發(fā)生強烈的隆升與沉降作用，屜形向斜形成，向斜南翼抬升剝露地表，遭受風(fēng)化剝蝕，產(chǎn)生一個天然的構(gòu)造天窗，成為承壓含水層的重要補給源。有機流體有兩種來源，一種來源于深部二疊紀(jì)或更老的地層的較成熟的烴源層，另一種來源于含礦建造熱演化過程中釋放出的煤成氣。中新生代以來盆地內(nèi)埋藏-沉降、構(gòu)造-抬升演化期次對應(yīng)烴類氣體發(fā)生逸散作用的時期，因此構(gòu)造演化為有機流體的逸散提供了通道，提高了地層的還原容量，同時為后期含鈾含氧水的滲入，為成礦提供了充足的載體。

無機流體主要由層間含鈾含氧水組成，沿層間裂隙滲入，參與含礦目的層的氧化-還原反應(yīng)，氧的滲入直接改變了含礦目的層砂體的氧化還原環(huán)境，可以將沉積建造中的鈾活化出來并隨層間流體遷移至氧化-還原障，且與還原性的有機流體反應(yīng)，該過程可將高價鈾還原為低價鈾并發(fā)生沉淀富集。有機流體在鈾沉淀富集過程中的工作原理體現(xiàn)在兩個方面：1）烴類等有機物質(zhì)改變含礦目的層的酸堿環(huán)境，使得目的層中H+濃度提高，砂巖中高嶺石等黏土礦物含量增加，出現(xiàn)“紅層漂白”現(xiàn)象，有機質(zhì)和黏土礦物（高嶺石）對鈾離子及鈾礦物均有吸附作用，加速了鈾的富集，同時黏土礦物對鈾的吸附與解吸相互作用，有利于流體中鈾濃度的增加及鈾的遷移；2）烴類的水-巖反應(yīng)產(chǎn)物（硫化氫、黃鐵礦等）具有還原性，有機質(zhì)和還原性次生礦物作為還原物質(zhì)可直接將六價鈾還原為四價鈾，并沉淀富集。

4 結(jié)論

1）通過分析蒙其古爾礦床含礦目的層巖石學(xué)和地球化學(xué)等特征，灰白色砂巖呈現(xiàn)“白色化”的原因主要有：有機質(zhì)經(jīng)歷氧化作用的“褪色反應(yīng)”、鐵元素由于還原作用的“褪色反應(yīng)”和酸性還原環(huán)境下高嶺石的“增白反應(yīng)”。其中，在穩(wěn)定與動蕩的酸性還原性水環(huán)境蝕變作用形成的大量以高嶺石為主的黏土礦物，是該礦床“白色化”現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。

2）蒙其古爾鈾礦床成礦流體中酸性還原性物質(zhì)包括：含礦目的層形成的煤成氣和深部烴源巖沿裂隙的逸散的天然氣。兩種天然氣的補給，導(dǎo)致層間水溶液呈現(xiàn)酸性還原環(huán)境，利于長石類礦物在粒間孔間由酸性還原水介質(zhì)的溶蝕作用。

3）蒙其古爾礦床中流體由無機流體和有機流體組成，無機流體由氧化性質(zhì)的含鈾含氧水構(gòu)成，直接參與氧化-還原反應(yīng)，可將沉積建造中的鈾元素活化出來，并隨層間流體遷移；有機流體主要由天然氣等烴類物質(zhì)構(gòu)成，構(gòu)造演化為有機流體中天然氣提供逸散通道，有機流體改變成礦環(huán)境的氧化還原能力和酸堿度，是形成灰白色砂體的直接原因，加速鈾的富集作用，同時有機流體中的烴類成分可以直接將高價鈾還原為低價鈾，并沉淀富集。