戶撒盆地芒棒組第二段古氣候特征及其對(duì)鈾成礦作用的影響

張建軍, 牟傳龍, 劉成東, 夏彧, 伍皓, 陳婷, 吳波

(1.東華理工大學(xué)地質(zhì)調(diào)查研究院, 南昌 330013; 2.成都地質(zhì)調(diào)查中心, 成都 610081;3.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院, 南昌 330013; 4.陜西省一三一煤田地質(zhì)有限公司, 西安 715499)

核能是正在快速發(fā)展的可替代傳統(tǒng)化石燃料的清潔能源,其開發(fā)利用是實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑,具有廣闊的市場(chǎng)前景。砂巖型鈾礦作為中外最重要的鈾資源類型之一,其勘探開發(fā)的不確定性是全球核能產(chǎn)業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。隨著中國砂巖型鈾礦找礦工作的持續(xù)推進(jìn),戶撒盆地新進(jìn)發(fā)現(xiàn)了鈾礦化顯示[1-2]。文獻(xiàn)[3-4]開展沉積特征、成礦條件、成礦年齡以及水文地質(zhì)特征等方面的研究工作,但缺乏對(duì)該盆地古氣候特征與鈾成礦作用的相關(guān)研究。研究表明,成礦期古氣候特征影響蝕原區(qū)鈾源供給,控制著鈾礦體空間展布特征,然而對(duì)直接決定著含鈾巖系還原劑類型、豐度、分布的沉積期古氣候特征卻未引起足夠的重視[5-6]。沉積過程中,一些元素對(duì)古氣候環(huán)境十分敏感,導(dǎo)致元素在巖石中呈不均勻分布,文獻(xiàn)[7-8]采用這些元素來恢復(fù)沉積期古氣候特征。泥巖具有成分相對(duì)均一、受成巖期后流體影響作用小等優(yōu)點(diǎn),是研究古鹽度、古氣候、古環(huán)境的理想載體[9-10]?；诖?以戶撒盆地芒棒組第二段泥巖為研究對(duì)象,利用元素地球化學(xué)方法恢復(fù)古氣候特征,探討古氣候與鈾成礦關(guān)系,以期彌補(bǔ)該區(qū)域元素地球化學(xué)研究的缺失,同時(shí)為探討鈾成礦與古氣候之間的關(guān)系提供了地球化學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

戶撒盆地位于騰沖地體之上(圖1),東側(cè)為歐-亞板塊,西側(cè)為印度板塊。隨著歐-亞板塊與印度板塊的持續(xù)匯聚,騰沖地體由開始的碰撞、俯沖環(huán)境逐漸過度為碰撞后伸展環(huán)境,早期走滑-擠壓斷裂過度為走滑-拉張斷裂,戶撒盆地明顯受戶撒走滑-拉張斷裂影響,呈北東-南西向狹長帶狀[11]。戶撒盆地巖性主要為混合花崗巖、變質(zhì)巖以及新近紀(jì)沉積巖,混合花崗巖、變質(zhì)巖為盆地基底[12],位于盆地周緣,新近紀(jì)沉積巖與基底呈不整合接觸,為一套含煤碎屑巖建造(圖2)[2]。戶撒盆地芒棒組第一-第三段為鈾礦層,巖性主要為砂泥巖、粗砂巖、夾薄層泥巖;鈾礦化具有層數(shù)多、厚度大等特征。

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

為了研究古氣候與砂巖型鈾礦成礦關(guān)系,選取戶撒盆地新施工鉆孔YZ-45(鉆井位置如圖1所示)為研究對(duì)象,結(jié)合測(cè)井資料對(duì)放射性異常層位(芒棒組第二、三段)進(jìn)行系統(tǒng)觀察、采樣,在巖心標(biāo)本觀察和薄片顯微鏡鑒定的基礎(chǔ)上選取29個(gè)典型樣品開展室內(nèi)測(cè)試工作(采樣編號(hào)、深度如表1所示)。首先將樣品編號(hào)、打包送至河北省廊坊市誠信地質(zhì)服務(wù)有限公司開展前期處理,將樣品無污染粉碎至200目,將樣品分為3份:一份用于主量元素測(cè)試、一份用于微量元素測(cè)試、另一份備用。主量元素采用X熒光光譜法分析,詳細(xì)測(cè)試過程如下:首先將樣品無污染粉碎至200目,然后分別稱取0.7、7 g助熔劑裝入坩鍋,攪拌均勻后倒入鉑金坩鍋,接著在鉑金坩鍋中加入適量LiBr后加熱至1 200 ℃并保持20 min,倒入模具冷卻制成玻璃樣片,最后儀器測(cè)定,儀器型號(hào)為Axios。微量元素采用等離子質(zhì)譜儀分析,詳細(xì)測(cè)試過程為:首先稱取200目樣品50 mg裝入坩鍋,加入1 mL HF蒸干,然后再加入1 mL HF和1 mL HNO3后加蓋密封,加熱至200 ℃并保持48 h,取出坩堝冷卻后加入1 mL HNO3蒸干,重復(fù)一次;接著加入1 mL 內(nèi)標(biāo)溶液、5 mL 蒸餾水、2 mL HNO3,密封后加熱至130 ℃并保持4 h,冷卻稀釋到50 mL 后用于分析測(cè)試,測(cè)試儀器型號(hào)為iCAP-Q,精度誤差小于5%。主量元素、微量元素測(cè)試均在中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心的國土資源部沉積盆地與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

表1 戶撒盆地芒棒組泥巖古氣候、沉積水體類型判斷特征值

3 分析結(jié)果

Al2O3/(CaO+K2O)值可以用于判定碎屑巖穩(wěn)定組分與不穩(wěn)定組分的相對(duì)含量[13],樣品Al2O3/(CaO+K2O)值平均為0.05%(0.04%～0.08%),比值小表明不穩(wěn)定組分含量多,推測(cè)有較多黏土礦物。CaO含量大于MgO含量,暗示方解石豐度大于白云石豐度。樣品微量元素與上地殼平均含量對(duì)比[14]可知,Ga、Zn、U、Rb、Th元素相對(duì)富集,Cu、Ni、Cr、Co元素相對(duì)虧損,Sc、V、Ba、Sr元素弱虧損(圖3)。樣品MnO含量平均為0.89%(0.64%～1.39%);P2O5含量平均為0.07%(0.05%～0.10%),少量MnO、P2O5暗示有重礦物(如磷灰石、綠簾石)存在。

圖3 戶撒盆地芒棒組微量元素上地殼標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖Fig.3 UCC-normalized spider diagram of mudstones of the Mangbang Formation in Husa Basin

樣品總稀土(∑REE)平均為398×10-6(182×10-6～707×10-6),高于北美頁巖平均值。輕稀土與重稀土比值(LREE/HREE)平均為10.08(8.67～12.35),高于北美頁巖。稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化如圖4所示,(La/Yb)N平均為16.66(12.41～24.63),指示輕稀土(LREE)相對(duì)重稀土(HREE)明顯富集。(Gd/Yb)N平均為2.63(2.06～3.53),指示重稀土元素呈較弱分餾。(La/Sm)N平均為4.66(4.31～5.43)指示輕稀土元素呈中等分餾。δCe平均為0.95(0.78～1.08),指示Ce呈微負(fù)異常。樣品δEu平均為0.50(0.41～0.64),指示Eu中等虧損。

圖4 戶撒盆地芒棒組稀土元素配分模式Fig.4 The chondrite-normalized rare-earth element patterns of the Mangbang Formation in Husa Basin

4 討論

4.1 古鹽度的判別

圖5 芒棒組沉積水體類型B-Ga-Rb判別圖解Fig.5 B-Ga-Rb diagrams for type of water of the samples from Mangbang Formation

綜合表1、圖5可知,芒棒組第二段為淡水沉積環(huán)境。

4.2 古氣候特征

過渡元素的化學(xué)遷移行為除了受原子、中子影響外,離子半徑也是其重要影響因素之一。Rb和Sr原子數(shù)、中子數(shù)相近,遷移行為相似,然而Sr離子半徑相對(duì)Rb離子半徑較小,易于在地下水、地表水中穩(wěn)定存在,搬移距離較遠(yuǎn),Rb已被吸附保留在原地或較近距離遷移[18]。因此,溫暖潮濕環(huán)境下,地表水、地下水徑流量大,更多Sr元素被遷移帶走,Rb元素遷移帶走有限,Rb/Sr較大;寒冷干燥環(huán)境下,地表水、地下水徑流量小,Sr、Rb基本不遷移帶走,Rb/Sr值較小。樣品Rb/Sr平均為1.36(0.81～2.08),遠(yuǎn)高于澳大利亞后太古代平均頁巖(約0.8)[19]。Mg2+、Ca2+與Rb、Sr元素類似,干旱、半干旱環(huán)境下,Mg2+優(yōu)先于Ca2+沉淀,Mg/Ca較大;溫暖、濕潤環(huán)境下,Mg2+、Ca2+均較少沉淀,Mg/Ca較小[20];當(dāng)出現(xiàn)堿層,Mg/Ca極低值和K+、Na+高值共同指示干熱氣候。樣品K2O、Na2O平均含量分別為3.24%(2.40%～4.07%),0.83%(0.20%～1.33%),含量低指示K+、Na+未參與沉淀。樣品Mg/Ca平均為0.54(0.32～0.93),低于蘭坪盆地溫暖潮濕氣候環(huán)境下形成的云龍組,指示潮濕氣候環(huán)境。高Fe/Mn指示相對(duì)溫暖潮濕環(huán)境;低Fe/Mn指示相對(duì)干旱炎熱環(huán)境[21]。樣品Fe/Mn平均為87.71(71.92～103.73),比值大指示為溫暖潮濕環(huán)境。硅鋁率(sa=SiO2/Al2O3)常用于判定沉積源巖淋濾、溶解、搬運(yùn)程度,通常認(rèn)為:sa≤4,源巖以化學(xué)風(fēng)化為主,氣候濕潤,淋濾、溶解、搬運(yùn)程度高;sa>4,源巖以物理風(fēng)化為主,氣候干燥,淋濾、溶解、搬運(yùn)程度低[22]。樣品sa平均為2.00(1.67～2.43),小于4。REE也是源巖化學(xué)風(fēng)化作用的判斷指標(biāo),(La/Yb)N越高,REE分異越明顯,指示溫暖潮濕環(huán)境;(La/Yb)N越低,REE分異不明顯,指示干旱炎熱環(huán)境。樣品(La/Yb)N平均值為16.66(12.41～24.63),比值高,明顯高于溫暖濕潤環(huán)境下形成的江陵古新統(tǒng)新溝嘴組(平均為10.81)。

綜合Rb/Sr、Mg/Ca、Fe/Mn、SiO2/Al2O3、(La/Yb)N等指標(biāo)(表1)可知:芒棒組第二段總體為溫暖潮濕環(huán)境,這與該地層發(fā)育多層不等厚煤線且以灰色,暗灰色沉積巖相吻合。

4.3 古沉積水體介質(zhì)的氧化-還原性

氧化還原敏感微量元素在碎屑巖中的富集程度受沉積時(shí)水體氧化還原狀態(tài)的控制,從而導(dǎo)致其易向還原性的水體和沉積物中遷移而富集。確定古水體氧化還原條件常用的過渡元素有V、Ni、U、Th、Sc、Co及Cr等氧化還原敏感元素[23]。元素Eu、V、Ce以及V/Cr、V/Sc、Ce/La、Ni/Co、U/Th、V/(V+Ni)、V/(V+Cr)等可用于氧化還原環(huán)境判別(表2)[24]。氧化環(huán)境,Eu3+不被還原、遷移,呈Eu正異常;還原環(huán)境,Eu3+還原成Eu2+溶解遷移,呈Eu負(fù)異常。Ce與Eu相似,還原環(huán)境呈Ce正異常,氧化環(huán)境呈Ce負(fù)異常。通常認(rèn)為:次氧化-氧化環(huán)境,Ce/Ce*<1,Eu/Eu*<1;還原環(huán)境,Ce/Ce*>1,Eu/Eu*>1。以北美頁巖為標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算出Ce異常計(jì)算值也是氧化-還原環(huán)境判斷指標(biāo),Ceanom<-0.1,為氧化環(huán)境;Ceanom>-0.1,為還原環(huán)境[25]。樣品Eu/Eu*平均為0.50(0.41～0.64);Ce/Ce*平均為0.95(0.78～1.08);Ceanom平均為-0.03(-0.11～0.03,多數(shù)大于-0.1),指示沉積水體為還原環(huán)境,部分過渡為次氧化環(huán)境。搬運(yùn)過程中元素Cr、Ni多與碎屑顆粒一起搬運(yùn),而元素V多與有機(jī)質(zhì)結(jié)合,此外還原環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的保存,而氧化環(huán)境則不然,通常認(rèn)為:V/Cr>4.25,指示還原環(huán)境,V/Cr為2～4.25,指示氧化-還原環(huán)境;V/Cr<2,指示氧化環(huán)境[26]。還原環(huán)境沉積巖V/Sc較高,氧化環(huán)境沉積巖V/Sc較低[27]。與V/Cr、V/Sc類似,當(dāng)Ce/La>2.0時(shí),指示還原環(huán)境;當(dāng)Ce/La比值為1.5～1.8時(shí),指示貧氧環(huán)境;當(dāng)Ce/La<1.5時(shí),指示氧化環(huán)境[圖6(a)]。V/(V+Ni)>0.84指示水體分層性強(qiáng),水體底層出現(xiàn)H2S,為靜水條件下的還原環(huán)境;V/(V+Ni)為0.54～0.84,指示水體分層性中等,為缺氧環(huán)境;V/(V+Ni)為0.46～0.60,指示水體分層性差,為氧化環(huán)境。與V/(V+Ni)類似,V/(V+Cr)也是水體氧化還原環(huán)境判斷指標(biāo)[圖6(b)][28]。

表2 戶撒盆地芒棒組泥巖沉積水體氧化還原判斷特征值

圖6 戶撒盆地芒棒組V/Cr-Ce/La、V/(V+Ni)-V/(V+Cr)圖解Fig.6 Diagram of V/Cr-Ce/La、V/(V+Ni)-V/(V+Cr) for manganese of the samples from Mangbang Formation in Husa Basin

樣品V/Cr平均為3.99(0.94～6.47),多數(shù)介于2～4.25,少量大于4.25;V/Sc平均為5.97(4.05～7.45);Ce/La平均為1.87(1.54～2.13);V/(V+Ni)平均為0.88(0.79～0.92);V/(V+Cr)平均為0.78(0.48～0.87)。由表3可知,戶撒盆地芒棒組第二段沉積水體為還原環(huán)境,部分過渡為氧化-還原環(huán)境。

表3 氧化還原環(huán)境的微量元素判斷標(biāo)準(zhǔn)

4.4 古氣候與鈾成礦

不同時(shí)期古氣候條件影響著砂巖鈾成礦作用,如早期含鈾巖系沉積時(shí)若為溫暖-潮濕古氣候條件,則有利于容礦層中還原介質(zhì)(如煤、碳質(zhì)、硫化物等)的富集;后期成礦時(shí)期為炎熱-干旱古氣候條件,則有利于地表富鈾含氧流體滲入到早期形成的容礦層中發(fā)生層間氧化作用而成礦[6]。古氣候演變的轉(zhuǎn)折期和古氣候分帶之間的過渡區(qū)控制著砂巖型鈾礦的時(shí)空分布[29]。

沉積盆地中砂巖型鈾礦富集成礦過程實(shí)質(zhì)是鈾儲(chǔ)層中還原介質(zhì)對(duì)可遷移的U6+離子的還原或吸附作用。因此,鈾成礦作用過程離不開還原劑,還原介質(zhì)重要性主要體現(xiàn)在限制成礦時(shí)期層間氧化帶的發(fā)育,在鈾儲(chǔ)層砂體中構(gòu)建起氧化-還原地球化學(xué)障[5-6]。滇西地區(qū)龍川江盆地芒棒組第二段沉積環(huán)境總體為溫暖潮濕環(huán)境下的還原水體,地表植被發(fā)育且易于保存,這與鉆井巖心和露頭剖面中見大量灰色碎屑巖、煤層(線)及有機(jī)質(zhì)碎屑顆粒相吻合,地層還原容量充足,芒棒組第二段是良好的鈾儲(chǔ)層。此外,溫暖潮濕環(huán)境下化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)烈,更有利于蝕原區(qū)鈾的活化和淋濾,沉積物的搬運(yùn)介質(zhì)-水體中具有更高鈾濃度,并匯聚到水流相對(duì)滯流區(qū)域(靜水區(qū)),造成該區(qū)域水體中鈾濃度升高,而此時(shí)形成于水流相對(duì)滯流區(qū)域(靜水區(qū))的暗色泥巖因含有較高濃度的有機(jī)質(zhì)或還原或吸附水體中鈾離子而發(fā)生強(qiáng)烈預(yù)富集作用,從而導(dǎo)致暗色泥巖具有更高的鈾含量。而這些高鈾含量的泥巖在早期成巖作用過程中會(huì)因壓實(shí)作用,將孔隙水中被還原或被吸附的大量鈾排泄到鄰近的砂巖儲(chǔ)層中,從而導(dǎo)致其附近砂巖中聚集較高含量的鈾,再疊加后期層間氧化作用而在高鈾含量的暗色泥巖附近成礦[6,30]。

沉積期水體總體為還原環(huán)境,部分過度為氧化-還原環(huán)境。沉積期水體總體為還原環(huán)境,不利于成礦期形成含鈾含氧水,也就制約了早期預(yù)富集鈾的再次活化、遷移、富集。然而,當(dāng)成礦期水體由還原環(huán)境過渡為氧化-還原環(huán)境時(shí),地表含氧水萃取蝕原區(qū)鈾元素形成含鈾含氧水,沿地層遷移,活化、遷移沉積期預(yù)富集鈾(地層鈾),并在氧化-還原前鋒帶吸附、還原而富集成礦。

5 結(jié)論

(1)戶撒盆地芒棒組第二段為溫暖潮濕環(huán)境下的淡水沉積,沉積水體總體為還原環(huán)境,部分過渡為氧化-還原環(huán)境。

(2)戶撒盆地芒棒組第二段沉積水體是制約鈾成礦的關(guān)鍵因素,沉積水體由還原環(huán)境逐漸過渡為氧化-還原環(huán)境是砂巖型鈾礦的有利成礦層位。