鄂爾多斯盆地乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖元素地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

司慶紅，俞礽安，蔡洪廣，王善博，王道華，張超，朱強(qiáng)

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2.華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，天津 300170；3.內(nèi)蒙古煤炭地質(zhì)勘查（集團(tuán)）117有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

鄂爾多斯盆地東北部乃馬岱地區(qū)中生代含煤巖系發(fā)現(xiàn)了較好的鈾找礦線索，探討源巖屬性對(duì)探索鈾礦成因具有重要意義。沉積巖的元素地球化學(xué)特征能夠反映地質(zhì)歷史信息，是研究沉積古環(huán)境和源區(qū)構(gòu)造背景的有效手段。眾多學(xué)者對(duì)鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦的地質(zhì)特征[1-5]、鈾賦存狀態(tài)[6-8]、成礦模式[1,9-11]、蝕變礦物相關(guān)流體[12-18]、元素地球化學(xué)特征[19-23]等方面進(jìn)行了大量的研究，并取得了較大研究進(jìn)展。前人在砂巖型鈾礦床的放射性元素本身（U、Ra、Th）、鈾成礦相關(guān)的部分微量元素（如Se、Mo、V、Ge 等）、敏感參數(shù)（TOC、S、Fe 等）、稀土元素（如La/Yb 比值）示蹤鈾礦的物質(zhì)來源[24-26]等方面做了很多工作，為礦床成因研究提供了重要線索。

目前，關(guān)于鄂爾多斯盆地北部乃馬岱地區(qū)含鈾巖系地質(zhì)特征，尤其是針對(duì)直羅組砂巖開展元素地球化學(xué)的研究工作還很少，乃馬岱地區(qū)含鈾巖系沉積物質(zhì)來源和構(gòu)造背景有待深入探討，這在一定程度上制約了對(duì)該區(qū)直羅組鈾成礦條件和鈾富集規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

為此，筆者以鄂爾多斯盆地乃馬岱地區(qū)含鈾巖系直羅組砂巖為研究對(duì)象，從含鈾巖系鈾礦地質(zhì)特征和巖石主、微量及稀土元素特征兩方面進(jìn)行分析，從元素地球化學(xué)指標(biāo)探討直羅組砂巖的沉積古環(huán)境與源巖構(gòu)造背景。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是中生代發(fā)育起來的大型內(nèi)陸拗陷盆地，大地構(gòu)造位于華北板塊西部，北鄰內(nèi)蒙-大興安嶺褶皺帶，南接秦嶺-祁連山褶皺帶，東、西與山西地塊和阿拉善地塊毗鄰。乃馬岱地區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡（圖1a），地層西低東高，南低北高，構(gòu)造總體形態(tài)為一向西南傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角1°左右，在單斜構(gòu)造的總體框架之上延走向、傾向發(fā)育有一些寬緩的波狀起伏。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置及地層綜合柱狀圖（據(jù)參考文獻(xiàn)[4]）Fig.1 Comprehensive histogram of structure location and stratigraphy in the study area

研究區(qū)發(fā)育中生代以來的地層由老至新依次有：侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）、侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）、侏羅系中統(tǒng)安定組（J2a）、白堊系下統(tǒng)志丹群（K1z）、第四系（Q），缺失侏羅系下統(tǒng)富縣組（J1f）、新生界的古近系（E）、新近系（N）（圖1b）。

2 實(shí)驗(yàn)與研究方法

本次研究選擇乃馬岱鉆孔T1和T2（鉆孔位置見圖1）進(jìn)行巖心蝕變觀察，尤其對(duì)含鈾層段進(jìn)行精細(xì)編錄描述。在鉆孔編錄和巖心觀察的基礎(chǔ)上，采集直羅組含礦砂巖進(jìn)行薄片鑒定、U 含量分析。采集T1和T2鉆孔直羅組10個(gè)砂巖樣品開展主量、微量和稀土元素地球化學(xué)分析，其中主量元素采用X衍射熒光光譜（XRF）分析，F(xiàn)eO采用氫氟酸、硫酸溶樣、重鉻酸鉀滴定容量法，分析精度優(yōu)于2%。微量、稀土元素采用美國(guó)XSERIES-II型號(hào)ICP-MS等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)定，分析精度優(yōu)于5%。

3 直羅組砂巖地質(zhì)特征

鉆孔揭露乃馬岱的地層主要為志丹群、安定組和直羅組，主要含鈾地層為直羅組（圖2a），直羅組下段為辮狀河沉積，砂巖粒度較粗，以灰色、灰白色砂礫巖、含礫砂巖、粗砂巖為主，結(jié)構(gòu)疏松；上段為曲流河沉積，巖性以泥巖、粉砂巖、中-細(xì)砂為主，夾有薄層中-粗砂巖。乃馬岱T1和T2兩個(gè)鉆孔聯(lián)井剖面圖反映了該區(qū)鈾礦目的層深度在600～700 m之間，異常層厚度0.25～3.7 m之間，含鈾砂體厚度呈由東北部向西南部厚度變薄的特點(diǎn)。直羅組含鈾巖段砂巖主要為灰-灰綠色中粗砂巖，在礦段及圍巖砂巖中可清晰見到油跡殘留、有機(jī)質(zhì)條帶以及黃鐵礦化蝕變（圖2b）。

圖2 乃馬岱地區(qū)鉆孔聯(lián)井剖面及巖心照片F(xiàn)ig.2 Drilling joint well profile and core photos in Naimadai area

直羅組砂巖成分以石英為主，其次為長(zhǎng)石及云母，可見大量的碎屑；砂巖分選中等，顆粒呈次棱角狀，固結(jié)程度低。乃馬岱地區(qū)直羅組含鈾砂巖主要為疏松、較疏松的淺灰色、灰色長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑長(zhǎng)石砂巖（圖3），中粒、粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，分選性中等為主，多為次棱角狀。礦石中碎屑粒間以接觸式膠結(jié)為主，少數(shù)為孔隙式膠結(jié)。單礦物碎屑主要為石英，平均含量50%；碎屑物粒徑55%～70%主要在0.25 mm以下的細(xì)砂級(jí)，其余粒徑在0.25～0.55 mm的中砂級(jí)，磨圓程度低，呈棱角-次棱角狀，分選程度中等，礦物成熟度較高。雜基主要成分為水云母、高嶺石、伊利石、綠泥石和蒙脫石。膠結(jié)物以方解石、黃鐵礦、針鐵礦為主。

圖3 直羅組含礦砂巖及圍巖巖石碎屑組成Fig.3 Clastic composition of ore-bearing sandstone and surrounding rock of Zhiluo formation

4 直羅組砂巖元素地球化學(xué)特征

4.1 主量元素含量特征

實(shí)驗(yàn)表明，乃馬岱地區(qū)直羅組SiO2含量介于54.56%～74.66%之間，平均含量為64.73%；Al2O3含量介于10.88%～18.71%之間，平均含量為15.08%；Fe2O3含量介于0.93%～8.35%之間，平均含量為3.32%；FeO含量介于0.45%～3.55%之間，平均含量為1.86%；CaO含量介于0.52%～1.69%之間，平均含量為0.91%；MgO含量介于0.62%～3.76%之間，平均含量為2.19%；K2O含量介于2.73%～3.58%之間，平均含量為3.15%；Na2O含量介于0.95%～3.89%之間，平均含量為2.52%；TiO2含量介于0.26%～0.86%之間，平均含量為0.64%；P2O5含量介于0.05%～0.41%之間，平均含量為0.15%；MnO 含量介于0.04%～0.12%之間，平均含量為0.06%。

由圖4可看出，除了SiO2、Fe2O3、FeO和P2O5存在一定波動(dòng)外，其余主量元素在各類樣品中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別不大，說明其物質(zhì)來源較為穩(wěn)定。

圖4 乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖主量元素含量條形圖Fig.4 Bar graph of major element content in Zhiluo formation sandstone in Naimadai area

4.2 微量元素含量特征

表2為樣品的微量元素分析結(jié)果，將微量元素分析結(jié)果以中國(guó)沉積巖元素平均含量作為基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到豐度系數(shù)K=ω（樣品）/ω（標(biāo)準(zhǔn)）。按照橫坐標(biāo)從左向右微量元素不相容性程度下降的順序分別繪制兩個(gè)鉆孔樣品微量元素蛛網(wǎng)（圖5）。觀察發(fā)現(xiàn)兩鉆孔樣品均出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化值，從左到右總體上逐漸減小但個(gè)別元素如Rb、U、Nb、Sr、Zr、Hf則出現(xiàn)不同程度的正或負(fù)異常現(xiàn)象。

圖5 乃馬岱地區(qū)直羅組巖石微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)蛛網(wǎng)圖Fig.5 Standard spider web map of primitive mantle of trace elements in the Zhiluo formation in Naimadai area

兩鉆孔樣品元素總體分布模式基本一致，但某些元素（Th、U、P、Y等）的含量具有顯著的分異性，這其中Th和U含量差異最為明顯。Th含量在3.3～20.3×10-6之間，U含量在0.72～5.29×10-6之間。這些元素的分異在很大程度上可能與后期流體蝕變作用有關(guān)。

4.3 稀土元素（REE）含量特征

乃瑪岱地區(qū)直羅組樣品的稀土元素分析結(jié)果見表3。直羅組稀土總量ΣREE在84.56～306.77之間，平均199.09。輕稀土總量ΣLREE 在78.13～279.41之間，平均為182.21。重稀土總量ΣHREE在14.37～264.52 之間，平均為82.99。ΣLREE/ΣHREE 值介于0.90～13.91 之間，平均為5.96。反映直羅組砂巖具有輕稀土富集、重稀土虧損的特點(diǎn)。

將稀土元素測(cè)試結(jié)果根據(jù)球粒隕石平均值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，繪制出研究區(qū)直羅組稀土元素配分模式曲線（圖6）。研究區(qū)直羅組的稀土元素配分模式曲線類型屬輕稀土富集、重稀土虧損的右傾型，曲線中La-Eu段較陡而Eu-Lu段較平緩，絕大多數(shù)樣品δCe無異常或弱負(fù)異常。

圖6 乃馬岱直羅組稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布型式圖Fig.6 Standardized distribution pattern of rare earth element chondrites from the Naimadaizhiluo Formation

5 討論

5.1 沉積物源條件

5.1.1 古氣候特征

化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）可以指示源區(qū)巖石的化學(xué)風(fēng)化程度，大致能夠反映地層沉積時(shí)的古氣候[27-28]?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)的計(jì)算公式為：

式中各成分均以摩爾分?jǐn)?shù)表示，其中CaO*為限定硅酸鹽中的CaO含量（不包括碳酸鹽以及磷酸鹽礦物中的CaO），在實(shí)際工作中其取值往往采用近似值。

一般認(rèn)為，CIA≤50表示未風(fēng)化；50＜CIA≤65表示中等風(fēng)化；65＜CIA≤100表示強(qiáng)烈風(fēng)化；同時(shí)，化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）也可以在一定程度上反映物源區(qū)的氣候。當(dāng)50＜CIA≤65，反映寒冷干燥氣候條件；當(dāng)65＜CIA≤85，反映溫暖濕潤(rùn)氣候條件；當(dāng)85＜CIA≤100，反映炎熱潮濕氣候環(huán)境。

由表1 可知，乃馬岱地區(qū)直羅組地層樣品的化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）介于56.7～79.58 之間，平均為68.9。4 個(gè)樣品CIA 略低于在50～65 之間，其余樣品的CIA均在65～85之間，指示該區(qū)直羅組地層巖石風(fēng)化強(qiáng)度為中等-強(qiáng)，其古氣候具有總體溫暖半濕潤(rùn)的特點(diǎn)。

表1 乃馬岱地區(qū)直羅組地層主量元素含量（%）及CIA計(jì)算結(jié)果表(×10-2)Table 1 The major element concentrations(%)and CIA correction of lower section of Zhiluo formation in Naimadai area

5.1.2 古水體氧化還原環(huán)境

在微量元素中，U、V、Cr和Co等對(duì)氧化和還原環(huán)境較為敏感，在富氧環(huán)境下易溶，在缺氧環(huán)境下不易溶解而富集；Ni、Cu、Zn 和Cd 等元素則在富氧環(huán)境下呈溶解狀態(tài)，而在缺氧環(huán)境下常以硫化物形式富集沉淀。一般而言，U/Th、V/Cr、Ni/Co 和V/（V+Ni）比值是反映古水體氧化還原環(huán)境的有效指標(biāo)[19-22]（表4）。

由表2可知，乃馬岱地區(qū)直羅組U/Th比值介于0.08～0.4 之間，平均0.22；V/Cr 比值在0.84～3.4 之間，平均為1.57。Ni/Co比值在1.56～2.36之間，平均為1.94。V/（V+Ni）比值均介于0.69～0.90 之間，平均為0.77。綜合分析U/Th、V/Cr、Ni/Co和V/（V+Ni）比值，可以判斷乃馬岱地區(qū)直羅組沉積古水體局部為貧氧-富氧環(huán)境過渡，總體為偏富氧環(huán)境。

表2 乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖微量元素含量及特征參數(shù)表(×10-6)Table 2 The trace element concentrations of lower section of Zhiluo formation in Naimadai area and geochemical parameters

除Ce和Eu以外的稀土元素在氧化和還原條件下均為正三價(jià)。Ce和Eu都是變價(jià)元素，在氧化和還原條件下呈現(xiàn)不同的價(jià)態(tài)：Ce在氧化條件下為正四價(jià)，在還原條件下則為正三價(jià)；Eu在氧化條件下為正三價(jià)，在還原條件下則為正二價(jià)，因Ce3+在水體中的溶解度大于Ce4+，氧化條件下Ce在水體中虧損而在沉積物中富集，沉積物呈現(xiàn)δCe 正異?；驘o明顯異常；Eu在氧化條件下主要以Eu3+存在，與其他三價(jià)稀土元素行為一致，因此在風(fēng)化過程中不易產(chǎn)生Eu的分異，但在還原條件下，Eu形成易溶于水的Eu2+，因而在水體中富集而在沉積物中虧損。因此，稀土元素在判斷古水體氧化-還原環(huán)境條件時(shí)也具有重要參考價(jià)值。從表3可看出，乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖樣品δCe無明顯異常；直羅組上部樣品分異不明顯，而下部樣品Eu分異較明顯，反映直羅組沉積古水體可能具有從還原逐漸過渡到氧化條件的特點(diǎn)。

表3 乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖稀土元素含量表(×10-6)Table 3 The contents of REE for sandstons of Zhiluo formation in Naimadai area(×10-6)

表4 古水體氧化-還原環(huán)境微量元素判別表（據(jù)文獻(xiàn)[22]）Table 4 Geochemical indicates of redox environment[22]

綜上，利用微量元素和稀土元素均判斷直羅組古水體環(huán)境總體為偏富氧環(huán)境，具有從還原到氧化過渡的環(huán)境特點(diǎn)。

5.1.3 古水體鹽度

微量元素Sr 含量可作為沉積巖古鹽度的有效判別標(biāo)志。通常咸水環(huán)境的沉積巖Sr 含量通常在800×10-6～1 000×10-6，淡水環(huán)境下的沉積巖Sr 含量在100×10-6～300×10-6之間[20-22]。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示（表2），乃瑪岱地區(qū)直羅組砂巖的Sr 含量在214×10-6～526×10-6之間，平均為342×10-6，不高于800×10-6，說明沉積古水體應(yīng)屬于淡水環(huán)境-微咸水環(huán)境。

另外，Sr/Ba 比值也是判別古鹽度的靈敏標(biāo)志。一般認(rèn)為淡水環(huán)境下沉積巖Sr/Ba比值小于1（其中小于0.5為微咸水相，0.5～1為半咸水相），而咸水環(huán)境下沉積巖Sr/Ba 比值大于1[20,22]。樣品Sr/Ba 比值介于0.19～0.79之間，均小于1，指示了研究區(qū)直羅組砂巖沉積古水體為淡水環(huán)境。

上述微量元素Sr含量與Sr/Ba反映的直羅組砂巖沉積古水體鹽度情況是吻合的，指示了一種淡水-微咸水環(huán)境。

5.2 構(gòu)造背景條件

5.2.1 微量元素對(duì)源巖構(gòu)造背景的判別

本次研究根據(jù)微量元素Th-Co-Zr/10、La-Th-Sc及Th-Sc-Zr/10的構(gòu)造環(huán)境判別圖解（圖7a、7b和7c）進(jìn)行源區(qū)構(gòu)造背景分析。圖7顯示，大部分樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在大陸島弧范圍內(nèi)，其余數(shù)據(jù)點(diǎn)落在活動(dòng)大陸邊緣及周邊區(qū)域。這反映乃馬岱區(qū)直羅組砂巖的源區(qū)主要構(gòu)造背景為大陸島弧，可能與活動(dòng)大陸邊緣有密切關(guān)系。

圖7 乃馬岱地區(qū)直羅組Th-Co-Zr/10、La-Th-Sc及Th-Sc-Zr/10判別圖Fig.7 Th-Co-Zr/10，La-Th-Sc and Th-Sc-Zr/10 diagrams of lower section of Zhiluo formation in Naimadai area

5.2.2 稀土元素對(duì)源巖構(gòu)造背景的指示

由于各稀土元素（REE）的化學(xué)性質(zhì)相近，受后期風(fēng)化、成巖及蝕變作用的影響較弱，主要受控于其源區(qū)巖石組成，因而REE對(duì)巖石源區(qū)構(gòu)造背景有著重要指示作用[29-30]。Eu異常（δEu）往往也可以作為判別物質(zhì)來源的重要依據(jù)，δEu＜0.9表示母巖為花崗巖；1.01＜δEu＜2.33時(shí)代表母巖為中性斜長(zhǎng)巖。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，所測(cè)10件樣品中有7件的Eu異常（δEu）落在花崗巖分布范圍，其余3件樣品的δEu落于中性斜長(zhǎng)巖分區(qū)范圍（表5）。

表5 乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖稀土元素特征表Table 5 Characteristics of REE parameters in sandstones of Zhiluo formation in Naimadai area

為進(jìn)一步確定研究區(qū)直羅組的物源屬性，筆者將研究區(qū)直羅組稀土元素與不同巖體的稀土元素進(jìn)行對(duì)比，圖8a反映乃馬岱地區(qū)直羅組的物源主要來自花崗巖。同各種構(gòu)造背景下砂巖的稀土元素特征相比，研究區(qū)直羅組大部分樣品的稀土元素特征與大陸島弧構(gòu)造背景下的稀土元素特征較匹配（圖8b），少數(shù)樣品稀土元素特征與活動(dòng)大陸邊緣背景下的稀土元素特征較接近，暗示了其物源區(qū)可能受到大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣兩種構(gòu)造背景的影響。因此，推測(cè)乃馬岱地區(qū)直羅組地層物源構(gòu)造背景主要為大陸島弧，還受到活動(dòng)大陸邊緣的影響，源巖主要為花崗巖，其次為中性斜長(zhǎng)巖。

圖8 乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖La/Yb-ΣREE源巖和La/Th-Hf源區(qū)構(gòu)造環(huán)境判別圖Fig.8 Tectonic environment discriminant map of La/Yb-ΣREE source rock and La/Th-Hf source area of Zhiluo formation sandstone in Naimadai area

為了進(jìn)一步判斷乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖的物源，根據(jù)研究區(qū)直羅組砂巖源區(qū)構(gòu)造背景，以下重點(diǎn)分析鄂爾多斯盆地北部周緣的大青山-烏拉山、陰山及呂梁山等花崗巖的親緣關(guān)系。

俞礽安等通過鋯石測(cè)年，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)周邊鉆孔直羅組砂巖碎屑鋯石年齡在255～314 Ma[4]，與烏拉山地區(qū)大樺背巖體時(shí)代330 Ma[31]、大青山地區(qū)哈拉少花崗巖體時(shí)代261.1±0.5 Ma[32]等地區(qū)形成于二疊紀(jì)中酸性巖石年齡較為一致，而與鄂爾多斯盆地元古代巖體年齡相差甚遠(yuǎn)。自晚古生代以來，鄂爾多斯盆地北部經(jīng)歷了持續(xù)的碰撞造山作用，除了形成單一的隆升拱起還發(fā)生了沖斷與褶皺作用，基底結(jié)晶巖系廣泛剝露，同時(shí)還有部分華力西期、印支期侵入巖，在直羅組沉積前被抬升至地表并遭受剝蝕[33]，為直羅組沉積提供物源條件。前人研究發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地東北緣呂梁山太古宙火成巖（主要為花崗巖）的稀土元素總量ΣREE為（35.6～676.57）×10-6;平均為141.23×10-6，LREE/HREE 為0.44～13.38，平均4.19；δEu平均0.21，嚴(yán)重虧損；δCe平均為1.01，微虧損[34-36]。這與本次研究得出的乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖稀土元素特征差別很明顯。此外，前人磷灰石裂變徑跡研究表明呂梁山最早隆升過程可追溯到發(fā)生在早白堊世晚期-新生代[37-38]，發(fā)生在直羅組沉積之后。

因此，我們基本可以判斷乃馬岱地區(qū)直羅組物源極可能主要來自鄂爾多斯盆地北部的大青山-烏拉山、陰山地區(qū)。

6 結(jié)論

（1）乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖主量元素具有SiO2和Al2O3含量高的特點(diǎn)，大部分主量元素在各類樣品中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別不大，唯有Fe2O3、FeO和P2O5存在較大的波動(dòng)。直羅組砂巖微量元素出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化值，總體上Rb-Lu呈逐漸減小，某些元素（Th、U、P、Y等）的含量具有顯著的分異性，其中Th和U含量差異最為明顯。直羅組砂巖總體具有輕稀土富集、重稀土虧損的特點(diǎn)。

（2）化學(xué)蝕變指數(shù)指示乃馬岱地區(qū)直羅組地層巖石風(fēng)化強(qiáng)度為中等-強(qiáng)，其古氣候具有總體溫暖半濕潤(rùn)的特點(diǎn)；微量元素U/Th、V/Cr、Ni/Co 和V/（V+Ni）比值以及稀土元素Ce、Eu的分異特點(diǎn)反映了直羅組砂巖的古水體環(huán)境具有從還原到氧化過渡、總體偏富氧的環(huán)境特點(diǎn)；Sr含量與Sr/Ba綜合反映直羅組砂巖沉積古水體為淡水-微咸水環(huán)境。

（3）直羅組沉積構(gòu)造背景主要為大陸島弧，與活動(dòng)大陸島弧邊緣也有一定關(guān)聯(lián)。源巖主要為花崗巖，其次為中性花崗巖，物源與呂梁山火成巖關(guān)系不大，可能主要來自盆地北部大青山-烏拉山和陰山地區(qū)。