十萬大山盆地東部侏羅紀(jì)古氣候與鈾成礦關(guān)系

王小明，朱小兵，彭新發(fā)

（核工業(yè)二三〇研究所，湖南 長沙 410007）

十萬大山盆地位于華南板塊的西南緣是我國南方重要的中生代產(chǎn)鈾盆地，面積約11 600 km2。在盆地東部已發(fā)現(xiàn)了屯林鈾礦床和一系列鈾礦（化）點(diǎn)，具有較大的鈾成礦潛力。前人大多認(rèn)為十萬大山盆地為紅色盆地，缺乏對侏羅紀(jì)古氣候系統(tǒng)研究。野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，整個(gè)侏羅系，尤其中侏羅統(tǒng)那蕩組，可作為十萬大山盆地砂巖型鈾礦主要找礦目的層，其發(fā)育多層灰色砂體。

古氣候研究在砂巖型鈾礦成礦理論及成礦模式的建立方面起著十分重要的作用［1-9］。古氣候?qū)ι皫r型鈾礦床成礦作用的控制，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，首先是古氣候控制有利含礦建造的形成，其次是古氣候控制含鈾氧化流體的形成［1］。沉積巖中的微量元素對沉積環(huán)境的水介質(zhì)變化有著較高的敏感度，可以為古環(huán)境、古氣候的變遷提供可靠信息［10］。通過研究盆地東部侏羅系地球化學(xué)特征，恢復(fù)侏羅紀(jì)古氣候演化、湖盆沉積水體特征，對確定砂巖型鈾礦找礦目的層、查明灰色砂體成因、重建古地理具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 地質(zhì)背景

十萬大山盆地大地構(gòu)造位于歐亞板塊華南微板塊西南緣（圖1），與太平洋板塊、特提斯三江造山帶和印度板塊相鄰，處于新華夏系第二沉降帶南部與南嶺緯向構(gòu)造帶的復(fù)合部位。盆地按基底形態(tài)劃分出3 個(gè)二級構(gòu)造單元：西部凹陷、中央隆起和東部凹陷。本文重點(diǎn)對盆地東部進(jìn)行研究。

圖1 十萬大山盆地構(gòu)造位置示意圖［11］Fig.1 The tectonic location of Shiwandashan basin［11］

1.1 沉積構(gòu)造演化

寒武紀(jì)—中三疊世，區(qū)域上為海相沉積，經(jīng)歷了湘桂-江南古島弧碰撞階段、欽防海槽關(guān)閉、早期弧后前陸盆地3 個(gè)階段；從晚三疊世開始，進(jìn)入了陸相盆地階段，早—中侏羅世為盆地迅速擴(kuò)大充填階段，晚侏羅世盆地萎縮結(jié)束沉積，早白堊世盆地短暫接受沉積后再次因造山運(yùn)動湖盆封閉；新生代以來，進(jìn)入走滑斷陷-擠壓反轉(zhuǎn)階段，盆地受擠壓全面抬升結(jié)束沉積，伴隨強(qiáng)烈剝蝕除了盆地西部凹陷局部地段外均缺失新生界沉積。

十萬大山盆地為前陸盆地，侏羅系廣泛分布，整體沉積建造特征相似，發(fā)育陸相雜色碎屑巖建造組合，西部凹陷蓋層總厚度為702～2 176 m，東部凹陷為372～1 384 m。整體為曲流河-三角洲-淺湖相砂巖-泥巖組合，砂巖主要呈灰色，泥巖主要呈紅色。

早侏羅世，地殼下沉，沉積范圍急劇擴(kuò)大，盆地形成。盆地總體NE 向，以河流相和湖泊相為主，沉積中心位于那楠-新棠一帶，沉積了紫紅色泥巖夾灰白色砂巖建造。

中侏羅世開始，盆地中央隆起，分為東部凹陷和西部凹陷。凹陷兩翼斜坡帶上發(fā)育穩(wěn)定曲流河-三角洲相灰色細(xì)砂巖和紅色泥巖互層的雜色建造。

晚侏羅世，湖盆萎縮，發(fā)育河流相黃灰色砂巖夾紫紅色泥巖建造。

1.2 地層特征

十萬大山盆地基底為上三疊統(tǒng)陸相沉積物以下的海相碳酸鹽、碎屑巖、硅質(zhì)巖建造夾火山巖建造和加里東期-印支期花崗巖建造。

盆地蓋層主要為上三疊統(tǒng)、侏羅系、白堊系，局部可見古近系，其中侏羅系分布最廣，沉積厚度最大。侏羅系為一套以紫紅色泥巖和灰色砂巖相間出露的陸相地層。侏羅系主要包含汪門組、百姓組、那蕩組、崠力組（表1）。

表1 十萬大山盆地東部侏羅紀(jì)地層表Table 1 The lithological feature of the Jurassic in eastern Shiwandashan basin

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集

本次研究在十萬大山盆地東部選取典型剖面P22（圖2）采集了16 件樣品，覆蓋了侏羅系各組地層。選擇具有代表性的新鮮的、受成巖作用影響小、風(fēng)化蝕變改造弱的泥巖樣品，最大程度上減少機(jī)械分異對沉積物成分的影響以及取樣差異的影響。

圖2 十萬大山盆地東部采樣剖面位置Fig.2 The location of sampling line in Shiwandashan basin

2.2 分析測試

樣品送往核工業(yè)二三〇研究所分析測試中心檢測。將樣品用清水沖洗、烘干，用陶瓷研缽研磨后去除粗碎屑顆粒，再用瑪瑙研缽研磨，取小于200 目的樣品進(jìn)行檢測。其中元素B 檢測儀器為直讀光譜儀，檢出限為3×10-6；Fe2O3和MnO采用X 射線熒光光譜儀，檢出限分別為0.09%、0.002%；Ga、Ba、V、Li、Sr、Ni 分析檢測儀器為電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS），檢出限分別為0.2×10-6、0.5×10-6、2.0×10-6、1×10-6、0.2%、1.0×10-6。分析檢測結(jié)果見表2。

表2 樣品分析結(jié)果及計(jì)算表Table 2 The analysis result of the samples

3 巖石地球化學(xué)特征與古氣候

獲取古水體鹽度是推測沉積時(shí)期環(huán)境特征的一個(gè)重要手段。對巖石地球化學(xué)特征研究，計(jì)算古鹽度變化規(guī)律，推斷侏羅紀(jì)沉積環(huán)境演變。

3.1 B 含量

3.1.1 沉積介質(zhì)古鹽度判別

微量元素B 常用來指示古鹽度，古鹽度是古代沉積物中水體鹽度的記錄，可作為分析地質(zhì)歷史中沉積環(huán)境特征的一個(gè)重要信息［12-13］。一般而言，咸水環(huán)境下的B 含量在（80～125）×10-6之間，而淡水環(huán)境的硼含量多小于60×10-6。

侏羅系泥巖B含量為（36.6～91.8）×10-6，平均為57×10-6（n=16），反映了侏羅紀(jì)沉積介質(zhì)整體為淡水-微咸水環(huán)境。根據(jù)B、V 含量關(guān)系建立了B-V 散點(diǎn)圖［12］（圖3），有3 個(gè)樣品在咸水相中，整體都靠近分界線，說明侏羅紀(jì)十萬大山盆地水體為淡水-微咸水。利用硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對古鹽度進(jìn)行定量計(jì)算［14］。常用的陸相古鹽度計(jì)算公式為Couch 公式：Sp=lgB'－0.11/1.28（式中B'為校正“硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)”）［15］。結(jié)果表明，侏羅系沉積時(shí)湖泊水體的古鹽度為1.89‰～2.39‰，平均為2.10‰，說明東部凹陷古水體為淡水-微咸水。

圖3 古鹽度判別圖Fig.3 The discrimination diagram of paleo-salinity

3.1.2 沉積環(huán)境指示意義

從B 含量的變化曲線看出，不同時(shí)期B含量差異具有旋回性，反映古鹽度變化的同時(shí)也指示了古氣候波動歷程。

B 含量垂向變化：J1w＞J1b＜J2n1＜J2n2＜J2n3＜J3d。推斷沉積環(huán)境變化：半潮濕逐漸變干旱（早侏羅世，J1w）→半潮濕逐漸變干旱（中侏羅世早期，J2n1）→半潮濕逐漸變干旱（中侏羅世中期，J2n2）→半干旱半潮濕（中侏羅世晚期，J2n3）→變干旱（晚侏羅世，J3d）。早侏羅世早期到早侏羅世晚期，古鹽度逐漸降低，潮濕的古氣候逐漸變得更加潮濕，之后到早侏羅世末期古氣候變得略干旱，古鹽度逐漸升高；中侏羅世早期開始，古氣候又開始變得更加潮濕，到中侏羅世末期氣候較為穩(wěn)定，出現(xiàn)了一次小幅度的變潮濕然后恢復(fù)的過程；進(jìn)入晚侏羅世，古氣候呈現(xiàn)逐漸變干旱的過程，古鹽度逐漸升高。整個(gè)侏羅紀(jì)，古氣候?yàn)榘敫珊?半潮濕交替出現(xiàn)，具有明顯的旋回性，沉積水體為淡水-微咸水，晚侏羅世氣候最為干旱古鹽度最高，沉積水體為微咸水。

3.2 Sr/Ba 值

Sr/Ba值可以作為古鹽度判別標(biāo)志［16］。Sr、Ba在水體中與SO42-結(jié)合，分別形成SrSO4和BaSO4，SrSO4溶解度比BaSO4高。當(dāng)鹽度增大時(shí)，BaSO4先沉淀下來，因而在沉積物中Sr/Ba 值與古鹽度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。Sr 在咸水中含量一般為（800～1 000）×10-6，在淡水中的含量一般為（100～300）×10-6。Sr/Ba 值小于1 為淡水介質(zhì)，Sr/Ba 值大于1 為咸水介質(zhì)［17］。

Sr含量均小于200×10-6，平均值為108.98×10-6，Sr/Ba 值均小于1（峰值0.27，平均0.17），反映了古水體介質(zhì)整體為淡水介質(zhì)環(huán)境。從Sr/Ba 值曲線上看出（圖4），中侏羅統(tǒng)那蕩組沉積期比值較為穩(wěn)定，在那蕩組上段沉積時(shí)期出現(xiàn)小幅度波動，晚侏羅世比值明顯升高，說明古氣候明顯變得更加干旱。古氣候變化特征與前述一致。

圖4 B 含量與Sr/Ba 值垂向曲線圖Fig.4 The content of B，Sr/Ba in strata

3.3 Li、Sr、Ni、Ga 含量

沉積盆地的地球化學(xué)環(huán)境對元素的分布起控制作用，表現(xiàn)出一定規(guī)律性。Li、Sr、Ni、Ga 含量對水體鹽度變化均有較好的指示作用：Li 含量大于150×10-6，Sr 含量介于（800～1 000）×10-6，Ni含量大于40×10-6，Ga 含量小于8×10-6，指示咸水沉積環(huán)境，反映干旱氣候；Li含量小于90×10-6，Sr 含量介于（100～500）×10-6，Ni 含量介于（20～25）×10-6，Ga 含量大于17×10-6，指示淡水沉積環(huán)境，反映潮濕氣候［18］。

本區(qū)樣品中Li含量平均為46.58×10-6；Sr含量平均為112.42×10-6；Ni含量平均為39.36×10-6，其中7 件樣品值大于40×10-6；Ga 含量平均為20.35×10-6。Ga 與古鹽度關(guān)系呈反相關(guān)特征，曲線形態(tài)與其他元素具有鏡像特征。Li、Sr、Ni、Ga含量指示了東部凹陷侏羅紀(jì)整體上屬于淡水-微咸水沉積環(huán)境，判斷十萬大山盆地東部侏羅紀(jì)整體上屬于淡水沉積環(huán)境，整體背景均為半潮濕半干旱氣候。

從元素含量垂向曲線看出（圖5），早侏羅世，古水體鹽度逐漸降低，古氣候逐漸潮濕；中侏羅世早期、中期、晚期古氣候?yàn)橐粋€(gè)旋回，古鹽度從低到高再降低，反映了古氣候潮濕變干旱再次潮濕的過程；晚侏羅世古鹽度再次明顯上升，反映了古氣候變得干旱。

3.4 Fe2O3/MnO 值

Mn是喜干性元素，在干旱炎熱環(huán)境中含量較高，F(xiàn)e 在潮濕環(huán)境中易以Fe（OH）3膠體的形式快速沉淀?？梢杂肍e2O3/MnO值來判別古氣候條件，高值對應(yīng)溫濕氣候，低值代表干熱氣候［19］。

本區(qū)樣品中Fe2O3/MnO 值與Li、Sr、Ni、Ga 元素含量垂向曲線具有明顯的相似性（圖5），反映了侏羅紀(jì)同樣的古氣候演化規(guī)律，說明這些古氣候指示元素含量變化具有明顯的協(xié)同性。沉積旋回轉(zhuǎn)換時(shí)往往伴隨古氣候變化，使得微量元素含量及比值變化具有旋回性。

圖5 Li、Sr、Ni、Ga 含量及Fe2O3/MnO 值垂向曲線圖Fig.5 The content of Li，Sr，Ni，Ga，F(xiàn)e2O3/MnO in strata

4 野外宏觀標(biāo)志

侏羅系主要發(fā)育紅色泥巖與灰色砂巖互層建造，局部砂體為灰黃色、紫紅色。野外調(diào)查中在多個(gè)層位砂體中發(fā)現(xiàn)了植物化石、炭屑、煤線（圖6a、b），尤其中侏羅統(tǒng)那蕩組最為豐富。在紫紅色泥巖露頭中觀察到大量蟲孔、泥裂（圖6c、d）等，說明了水體較淺。整體而言，侏羅紀(jì)為半干旱半潮濕交替的古氣候，在特定的古氣候條件下可以形成鈾成礦有利砂體。下侏羅統(tǒng)剝蝕程度高，砂體規(guī)模普遍較小，鈾成礦潛力相對有限。中侏羅世，在相對潮濕的古氣候條件下形成了鈾成礦有利灰色砂體，如屯林鈾礦床。

圖6 盆地東部那蕩組巖性照片F(xiàn)ig.6 The photos of rock samples in Nadang Formation in the eastern basin

5 古氣候與鈾成礦關(guān)系

有機(jī)質(zhì)與鈾空間上密切共生已形成共識［2］，有機(jī)質(zhì)含量取決于沉積期古氣候條件。古氣候環(huán)境從宏觀上決定了砂巖鈾礦賦存的物質(zhì)基礎(chǔ)和形成過程。含礦建造一般為溫暖潮濕氣候條件下形成的“灰色”建造，富含炭屑等還原劑，具有較高還原容量，是砂巖鈾礦賦存的有利層位。當(dāng)古氣候演變?yōu)檠谉岣珊禇l件時(shí)則是鈾礦的形成時(shí)期［2，20］。鈾礦化常產(chǎn)于淺（灰）、紫（紅）色交互層中的淺（灰）色砂巖中，是我國砂巖型鈾礦賦礦層中位居第二的含鈾沉積建造，不容忽視［8］。因此，鈾礦勘查目標(biāo)層位首選溫暖潮濕氣候條件下形成的灰色沉積建造。

近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對紅層的研究成果較多。大洋紅層的研究成果表明，紅層是在富鐵鎂物質(zhì)的氧化條件下形成的，而否定了其是干旱條件下形成的認(rèn)識［3］。侏羅紀(jì)廣泛發(fā)育的紅層是在淺水富氧環(huán)境下形成的，而在潮濕古氣候條件下形成的富含炭屑等有機(jī)質(zhì)的砂體則普遍呈灰色。中侏羅世那蕩期形成了區(qū)域上穩(wěn)定發(fā)育的紅色泥巖和灰色砂巖互層的雜色碎屑巖建造。

在那蕩組中段、上段沉積期古氣候呈半干旱-半潮濕交替出現(xiàn)（圖7），盆地中心為大面積的淡水-微咸水湖泊，植被較為茂盛，形成了一套富含植物碎屑的灰色砂體，為鈾成礦提供了豐富的還原介質(zhì)，其頂?shù)装l(fā)育的淺湖相泥巖，為含礦層的區(qū)域性隔水底板，構(gòu)成了有利鈾成礦的“泥-砂-泥”地層結(jié)構(gòu)，形成了最有利的容礦空間。

圖7 盆地東部侏羅系綜合柱狀圖Fig.7 Composite stratigraphic column of Jurassic in the eastern basin

干旱氣候條件下，有利于大氣中的氧和鈾的滲入，上覆地層有機(jī)質(zhì)含量低，耗氧少，十分有利于氧化帶向深部發(fā)育［21］。晚侏羅世崠力期及其后盆地隆升，古氣候持續(xù)干旱，廣泛發(fā)育沉積間斷，那蕩組上段（J2n3）長期暴露地表遭受氧化滲入作用。含氧含鈾地下水在那蕩組上段（J2n3）灰色砂體中逕流，有利于氧化帶的形成、發(fā)育，進(jìn)而形成層間氧化帶型鈾礦，該時(shí)期為屯林礦床主成礦期。

在新生代喜山運(yùn)動作用下盆地持續(xù)隆升，下侏羅統(tǒng)河流相-三角洲相砂體普遍被剝蝕，僅殘存濱淺湖相粉砂巖-泥巖建造，不作為主要找礦目標(biāo)層考慮。那蕩組中段（J2n2）殘留三角洲相灰色砂體，厚度為15～60 m，延伸穩(wěn)定，值得進(jìn)行研究探索。那蕩組上段（J2n3）礦化線索豐富，殘留大面積三角洲相雜色砂體，在三角洲前緣相砂體中已發(fā)現(xiàn)屯林礦床和一大批鈾礦點(diǎn)，值得進(jìn)一步開展工作。上侏羅統(tǒng)三角洲相砂體發(fā)育，但還原劑偏少，隔水層連續(xù)性差，不作為主要找礦目標(biāo)層考慮。

綜上所述，古氣候演化與十萬大山盆地中雜色建造的形成關(guān)系十分密切。侏羅系那蕩組為找礦目標(biāo)層，進(jìn)一步細(xì)分又以上段沉積建造條件最優(yōu)，砂體厚度適中（10～40 m），有機(jī)質(zhì)含量最為豐富，中段次之。

6 結(jié)論

經(jīng)過元素地球化學(xué)分析對比，結(jié)合宏觀沉積特征，推斷了侏羅紀(jì)十萬大山盆地東部古氣候演化，分析了其與鈾成礦關(guān)系。通過研究得出以下結(jié)論：

1）據(jù)古水體鹽度推斷，侏羅紀(jì)古水體為淡水-微咸水。

2）沉積旋回轉(zhuǎn)換時(shí)往往伴隨古氣候變化，侏羅紀(jì)古氣候演化為：早侏羅世為潮濕氣候，中侏羅世氣候逐漸變?yōu)楦珊?，但是中侏羅世中期出現(xiàn)一次古氣候變得潮濕的過程，到晚侏羅世氣候逐漸變干旱。

3）古氣候制約了沉積建造和后生氧化，對古層間氧化帶型鈾礦的形成具有重要的意義，篩選鈾成礦目的層應(yīng)綜合考慮古氣候因素。那蕩組上段沉積建造條件最優(yōu)，為主要找礦目標(biāo)層，那蕩組中段值得進(jìn)行探索。

致謝：研究過程得到了中國地質(zhì)大學(xué)焦養(yǎng)泉教授、核工業(yè)二三〇研究所黃宏業(yè)研究員、王敢研究員的熱情指導(dǎo)和幫助，野外期間得到了廣西三〇五核地質(zhì)大隊(duì)李國軍同志的大力協(xié)助，在此一并表示感謝！