流體包裹體及C-O同位素對錢家店砂巖型鈾礦床成因制約

單芝波

(遼河油田勘探開發(fā)研究院，遼寧 盤錦124010)

位于內蒙古東部的錢家店地區(qū)已經探明多個砂巖型鈾礦床，并且近年來取得了較大的找礦突破，儲量規(guī)模穩(wěn)定提升，已經基本實現(xiàn)連片，形成特大型可地浸開采砂巖型鈾礦床。盡管前人已對該礦床沉積環(huán)境、成礦古氣候特征、層間氧化帶、鈾成礦條件、成礦規(guī)律以及成礦模式做過較多研究[1-5]，取得了諸多成果，認為該礦床存在多期鈾成礦作用，并且在同生沉積和層間氧化雙重鈾成礦成因方面達成了一定的共識[6-8]，然而對于產自沉積巖中的鈾礦床與深部油氣和輝綠巖侵入是否有成因聯(lián)系，一直存在很大爭議。

運用流體包裹體和同位素地球化學相結合手段，并借鑒前人的研究資料，通過對錢家店鈾礦床姚家組砂巖流體包裹體及C-O同位素特征的研究，結合該區(qū)中-新生代構造演化特征，探討油氣和輝綠巖侵入與鈾成礦之間的效應，限定該礦床成礦控制因素，既為探討油氣和熱液流體與鈾成礦關系提供了一些證據(jù)，同時也為深刻理解錢家店鈾富集規(guī)律提供嶄新視角。

1 地質背景

開魯盆地位于松遼盆地的西南部(即原松遼盆地西南隆起)。盆地基底地層由石炭-二疊系碳酸鹽巖、淺變質巖以及下白堊統(tǒng)陸相含煤火山碎屑巖建造構成。開魯盆地經歷了早白堊世斷陷、早白堊世末抬升剝蝕、晚白堊世坳陷及末期的構造反轉、抬升剝蝕4個階段。錢家店凹陷位于開魯盆地的東北部(圖1)，呈北東—南西向狹長帶狀展布，長約100 km，寬約15～25 km，面積 1 280 km2，為海西皺褶基底上發(fā)育起來的中新生代斷坳轉換型凹陷。

注：a為研究區(qū)位置示意；b為開魯盆地構造。

圖 2 松遼盆地西南部錢家店鈾礦床流體包裹體均一溫度和鹽度Figure 2 Homogenization temperatures and salinities of fluid inclusion in Qianjiadian uranium deposits in southwestern Songliao Basin

研究區(qū)內斷裂發(fā)育，可分為NE-NNE、EW和NW向三組。其中以NE-NNE向最發(fā)育，其次為EW和NW向。出露的地層自下而上為上白堊統(tǒng)青山口組(K2qn)、姚家組(K2y)、嫩江組(K2n)和第四系(Q)，缺失四方臺組-古近系。姚家組是本區(qū)的主要含礦層位，青山口組為次要含礦層位。青山口組以紫紅色泥巖和紫紅色、細砂巖為主，局部夾紫紅色粉砂質泥巖和灰色泥巖，與上覆姚家組呈平行不整合接觸關系。姚家組可以分為兩段，姚下段以淺灰色細砂巖、淺紅色細砂巖為主，夾灰色泥巖、紫紅色泥巖，厚 60～80 m；姚上段以淺灰色細砂巖、淺灰色含泥礫細砂巖為主，夾紫紅色、淺灰色泥質粉砂巖，厚 65～90 m，與上覆嫩江組呈整合接觸關系。嫩江組上部以灰色泥巖為主，夾淺灰色泥質粉砂巖；下部以淺灰色細砂巖為主，夾淺紅色泥巖、淺紅色泥質細砂巖，厚 150～210 m，與上覆新生界呈角度不整合接觸關系。第四系由灰黃色表土層和灰黃色砂礫層構成，厚約 110 m。錢家店凹陷具有豐富的油氣資源，目前已在多個洼陷的下白堊統(tǒng)地層中找到了工業(yè)油氣流，而錢家店鈾礦床則產于上白堊統(tǒng)姚家組的辮狀河沉積砂體中[6]。

2 樣品情況與測試分析方法

23件研究樣品均采自錢家店鈾礦床鉆孔中上白堊統(tǒng)姚家組新鮮含礦和無礦砂巖。包裹體鑒定、均一溫度分析、顯微激光拉曼光譜分析以及C-O同位素組成測定工作均在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成。

挑選出10件樣品均做流體包裹體測試分析。首先對樣品進行預處理，用無水乙醇或是丙酮浸泡薄片2～3 d，待薄片完全脫落并洗凈樹膠后，將樣品制成兩面拋光的流體包裹體薄片，在制片過程中溫度不能超過80℃，以保證低溫包裹體不能爆破；隨后在偏光和UV激發(fā)熒光顯微鏡下觀察其特征，并劃分出包裹體類型和期次；初期觀測完成后，用酒精浸泡包裹體片，并去除樹膠卸載載玻片，最后在英國Renishaw公司生產的LINKAM THMS600冷熱臺上測溫，溫度控制范圍 -196～+600℃，精度及穩(wěn)定性均在 ±0.1之內，測溫對象首選石英顆粒微裂隙、次生加大邊及后生碳酸鹽礦物中的流體包裹體。同時，利用INVIA型激光拉曼光譜儀測定包裹體成分，掃描范圍100～400 cm-1，分辨率優(yōu)于2 cm-1，重復性+0.2 cm-1。檢測依據(jù)：《沉積盆地流體包裹體顯微測溫方法》SY/T6010-2011。

對5件樣品碳酸鹽膠結物做C-O同位素分析。在25℃條件下，用100%的磷酸與方解石反應4 h，提取出膠結物碳酸鹽中的CO2氣體，隨后將收集得到的CO2在MTA252質譜儀上測定，分析精度優(yōu)于±0.2‰，以GBW04417方解石標準作為碳酸鹽分析的參考標準，其δ18OPDB和δ13CV-PDB分別是-24.12‰和 -6.10‰，依據(jù)GB/T6041-2002質譜分析方法通則。方解石樣品的δ18OPDB和δ13CV-PDB直接從CO2測得，氧同位素比值以SMOW為標準，采用公式：δ18OV-SMOW=1.030 86 × δ18OPDB+30.86。

3 流體包裹體特征

3.1 烴類流體性質分析

不同均一溫度及鹽度流體包裹體代表不同期次的流體作用。本研究對姚家組砂巖樣品中碳酸鹽膠結物及石英次生加大邊中含烴鹽水包裹體測試了60個點，其中用來計算冰點及鹽度的數(shù)據(jù)有11個。結果顯示，包裹體均一溫度介于87～160℃之間，平均為131℃。由均一溫度直方圖(圖2a)可見，次生包裹體溫度有2個明顯區(qū)間，第一個區(qū)間主峰85～95℃，第二個區(qū)間主峰145～155℃，這表明錢家店鈾礦床成礦流體具較高溫度熱流體特征。含礦砂巖的熱液流體均一溫度區(qū)間為127～159℃，平均為140℃；無礦砂巖的熱液流體溫度區(qū)間為87～160℃，平均為128℃。含礦和無礦砂巖樣品熱液流體的溫度區(qū)間大體相當，無礦砂巖范圍略微寬泛。烏拉爾定律指出，運用包裹體冰點溫度和NaCl-H2O溶液溶質摩爾濃度呈正相關的原理可以計算流體鹽度。通過冰點-鹽度換算公式：W=0.00+1.78Tm-0.044 2Tm2+0.000 557Tm3[9]，計算流體包裹體鹽度值，式中T代表冰點下降溫度的絕對值，W為NaCl重量百分數(shù)。從表1中可知，錢家店鈾礦床砂巖包裹體鹽度在12.9～22.38wt%之間，平均為17.52wt%；其中碳酸鹽膠結物中包裹體鹽度為12.9～19.8wt%之間，平均值為17.05wt%；石英次生加大邊中包裹體鹽度為14.90～22.38wt%，平均值為18.08wt%。由包裹體鹽度頻率直方圖(圖2b)可知，錢家店鈾礦床砂巖包裹體鹽度區(qū)間可分為3組，即低鹽度區(qū)12～16wt%、中鹽度區(qū) 17～20wt%和高鹽度區(qū)21～23wt%。一般認為不同鹽度數(shù)據(jù)代表了不同性質的流體，結合均一溫度，表明錢家店鈾礦床至少經歷了3期不同性質的流體作用。含礦砂巖的熱液流體鹽度區(qū)間為12.9～19.8wt%NaCl，平均為 17.78wt%；無礦砂巖的熱液流體鹽度區(qū)間為13.5～22.38wt% NaCl，平均為16.35wt%。含礦和無礦砂巖樣品中熱液流體的鹽度沒有很明顯的差異。

3.2 激光拉曼成分分析

基于流體包裹體巖相學研究，選取不同類型包裹體進行單個包裹體激光拉曼分析(圖3)。結果顯示，錢家店鈾礦床各個類型砂巖中氣液兩相包裹體的液相成分以H2O(寬泛的包絡峰，3 000～3 600 cm-1)、高頻和低頻CO2(1 388 cm-1和1 288 cm-1)占絕對的優(yōu)勢，除H2O以外，石英次生加大邊中包裹體氣相成分常見不同強度的CH4(約2 913 cm-1)及N2(2 328 cm-1)；碳酸鹽膠結物中包裹體見CH(1 375 cm-1)特征峰，并有少量強度較弱的C=C(1 600 cm-1)等有機烴類組分。由包裹體測溫數(shù)據(jù)可知，不同類型包裹體的冰點溫度明顯低于純CO2包裹體的冰點(-56.5℃)，表明氣相成分中含有一定量的CH4(冰點介于-90～-110℃之間)、N2(冰點約-210℃)等組分[10]，這與激光拉曼測定的包裹體中含CH4、N2等組分相吻合。

圖 3 松遼盆地西南部錢家店鈾礦床流體包裹體激光拉曼光譜分析Figure 3 Representative Raman spectra of fluid inclusion in Qianjiadian uranium deposits in southwestern Songliao Basin

圖 4 松遼盆地西南部錢家店鈾礦床油氣充注GOI/%Figure 4 Hydrocarnbon infilling GOI in Qianjiadian uranium deposits in southwestern Songliao Basin

3.3 油氣充注強度

GOI(含油氣包裹體的顆粒碎屑礦物顆粒指數(shù))可以指示地質歷史中油氣的充注程度[11]。計算公式為：GOI(%)=(含油氣包裹體的顆粒碎屑礦物顆粒數(shù))/(參加統(tǒng)計的顆?？倲?shù))。一般而言，GOI<1%，代表地層未經歷油氣充注史；GOI介于1%～5%之間，代表地層經歷過少量油氣充注；GOI>5%，則表明地層經歷過大規(guī)模石油充注史。通過錢家店鈾礦床流體包裹體中GOI統(tǒng)計計算(圖4)，樣品GOI全部介于1%～5%之間，且大部分在1%～2%之間，本次GOI統(tǒng)計數(shù)據(jù)未有超過5%的，暗示姚家組地層發(fā)生過一期油氣充注事件，然而規(guī)模較小，只表現(xiàn)為弱的油氣流體運移，對鈾礦的形成起到積極作用，油氣可能造就了含礦層較強的還原環(huán)境，降低了原生灰色砂體的Eh值。當富氧富鈾水流經該地區(qū)時，在成礦物質的沉淀方面扮演了一定的角色。

圖 5 松遼盆地西南部錢家店鈾礦床C-O同位素組成判別Figure 5 Carbon and oxygen isotopics composition in Qianjiadian uranium deposits in southwestern Songliao Basin

4 C-O同位素組成

方解石的C同位素值可以近似作為該礦床成礦熱液中的總碳同位素組成。研究區(qū)姚家組砂巖廣泛發(fā)育碳酸鹽化蝕變。以分離后的成礦期碳酸鹽膠結物為研究對象，測試其C-O同位素是研究成礦流體的關鍵。從表1數(shù)據(jù)中可以看出，錢家店鈾礦床5件碳酸鹽膠結物樣品同位素組成相對均一，δ13CV-PDB介于-2.3‰～1.21‰之間，平均為-1.8‰；與碳酸鹽熱分解形成的CO2的δ13CV-PDB值(-3‰～2‰)范圍相一致；δ18OV-PDB介于-14.9‰～-12.95‰之間，平均為 -13.89‰，δ18OV-PDB值在大氣降水的δ18OV-PDB值(-55‰～8‰)范圍內。在方解石δ13C-δ18O同位素關系圖方面(圖5)，數(shù)據(jù)點分布較集中，方解石樣品點均落入海相碳酸鹽巖溶解作用范圍之內，上述碳氧同位素組成表明，錢家店鈾礦床成礦過程中流體溶解了圍巖中的碳酸鹽巖，成礦流體中的碳主要由海相碳酸鹽巖提供，反映出深源熱液的特點，結合本區(qū)輝綠巖廣泛分布的特點，可能同時受到巖漿熱液的改造作用。在自然界中，從碳酸鹽(CO32-)到CO2、石墨(C)，到甲烷(CH4)，逐漸虧損δ13C，δ13C值從殼源海相碳酸鹽的3.5‰～-3.5‰，降低到沉積有機物的-15‰～-35‰，到天然氣的-40‰。綜上，該礦床的形成可能下伏碳酸鹽巖和巖漿熱液密切相關。

表 1 松遼盆地西南部錢家店鈾礦床碳酸鹽膠結物中流體包裹體C-O同位素組成/‰ Table 1 Carbon and oxygen isotopics composition of carbonate cement in Qianjiadian uranium deposits in southwestern Songliao Basin

5 討論

錢家店鈾礦床中C-O同位素組成暗示了成礦流體中C為海相碳酸鹽巖溶解來源，流體包裹體中液烴包裹體及含烴鹽水包裹體的出現(xiàn)表明了有機質參與成礦作用。羅毅[12]指出錢家店鈾礦床含礦層酸解烴含量較高，暗示了烴類流體的充注，GOI的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明姚家組地層經歷過一期小規(guī)模油氣充注事件，只表現(xiàn)為弱的油氣流體運移，對鈾礦的形成影響較小。分析礦床中各類巖石與酸解烴的甲烷含量之間的關系，結果表明甲烷與鈾成礦關系并不明顯，可能暗示了油氣提高了含礦層整體的還原強度，僅僅在鈾礦體的區(qū)域定位方面扮演了重要的角色。李宏濤[13]針對錢家店鈾礦床砂巖測試了10件樣品碳酸鹽膠結物C同位素組成，結果顯示除一個點δ13CV-PDB略高，位于有機質氧化作用外，其余全部介于-7.8‰～-1.3‰之間，同樣表現(xiàn)出海相碳酸鹽巖溶解及弱的有機質參與成礦作用的特征。因此，追蹤海相碳酸鹽巖及有機質的來源成為探索成礦流體來源的關鍵。

開魯盆地在石炭-二疊紀時期屬濱海-淺海-半深海環(huán)境，海底為大洋殼，沉積了大套的海相碳酸鹽及淺海相碎屑巖[14-15]。位于松遼盆地南部的松南6井和來1井鉆遇的石炭紀灰?guī)r驗證了基底的組成。石炭-二疊紀的海相碳酸鹽巖基底可為該區(qū)鈾成礦流體提供充足的C源。在早白堊世，錢家店凹陷內主要為湖相環(huán)境，沉積了一套含煤、石油和天然氣碎屑巖建造，九佛堂組、沙海組和阜新組中的湖相暗色泥巖為良好的烴源巖，烴源巖巖系在晚白堊時期，有機質達到生油門限，形成大量的石油、油氣和高礦化度的油田鹵水，短距離運移、就近聚集成藏，這些有機烴類便可作為姚家組成礦流體中有機質的來源[14, 16]。礦化砂巖包裹體烴類色譜-質譜測試得出的地球化學特征，表明油源應主要來自九佛堂組烴源巖。

李勝祥[1]所測的5件含礦砂巖礦化階段的黃鐵礦δ34S值介于-31.4‰～-47.1‰之間，遠低于已知有機硫同位素的下限 -17‰，同時也不在巖漿成因硫(-5‰～5‰)范圍內，非地幔來源無機硫，表明其來自于地層中硫酸鹽的還原作用，而非廣泛發(fā)育基性巖。在礦區(qū)內雖然大規(guī)模的基性巖漿巖沿控凹斷裂穿插到姚家組及嫩江組中，形成大面積的玄武巖蓋和輝綠巖墻脈，并引起周圍強烈的圍巖蝕變[15, 17]，然而這種淺成基性侵入巖為“干巖漿”產物，在冷凝結晶過程中基本不釋放熱液或釋放少量的熱液。另外，高鹽度的流體包裹體常常被認為是巖漿熱液，由巖漿結晶分異過程中產生的流體最高鹽度為26.4%，然而這種高鹽度的巖漿分異流體只能在溫度高于700℃時出現(xiàn)，低溫流體包裹體鹽度通常低于5%。錢家店礦區(qū)流體包裹體溫度介于87～160℃之間，鹽度在12.9～22.38wt%之間，表現(xiàn)出較高溫度的鹵水特征。綜上所述，礦區(qū)廣泛發(fā)育的基性巖侵入，僅加熱地層水，使其表現(xiàn)出較高的熱異常和地溫梯度，并沒有或很少為成礦流體貢獻物質組分。

吳柏林[18]測試并統(tǒng)計了西北地區(qū)鈾礦床的流體包裹體溫度和鹽度，結果顯示，伊犁、吐哈和鄂爾多斯盆地鈾礦床流體包裹體溫度分別介于73～93℃(平均85℃)、64～117℃(平均85℃)和50～125℃(平均103℃)之間，而錢家店鈾礦床流體包裹體溫度介于87～160℃之間，平均為131℃，高于西北各礦區(qū)成礦流體溫度；伊犁礦區(qū)、吐哈礦區(qū)和東勝礦區(qū)鹽度分別介于5.3～7.5wt%之間，7.0～9.7wt%之間和0.6～4.2wt%之間，而錢家店鈾礦床流體包裹體鹽度介于12.9～22.38wt%之間，平均為17.52wt%，遠高于西北各礦區(qū)成礦流體鹽度。這種顯著差異的成礦流體性質表明錢家店鈾礦床不同于經典的單一層間氧化流體成因的鈾礦，屬非典型層間氧化帶型鈾礦床。

6 結論

1)錢家店鈾礦床至少發(fā)育兩期流體包裹體，成分以H2O為主，其次為烴類及CO2，且均具中高溫、高鹽度的特征。GOI統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明姚家組地層經歷過一期小規(guī)模油氣充注事件。

2)C-O同位素組成特征顯示，碳源主要為錢家店地區(qū)石炭-二疊紀基底海相碳酸鹽巖的溶解作用，但考慮到本區(qū)鈾成礦的復雜性，含鈾巖系可能同時受到了巖漿熱液的改造作用。

3)通過綜合前人資料分析，錢家店鈾礦床不同于經典的單一層間氧化流體成因的鈾礦，屬非典型層間氧化帶型鈾礦床，油氣的逸散及輝綠巖的侵入對成礦起到積極作用。