湯 超，司馬獻章，朱強，馮曉曦，陳 印，陳路路，劉曉雪

中國地質調查局天津地質調查中心（天津地質礦產研究所），天津300061

東勝地區(qū)直羅組含鈾砂巖中方解石的碳氧同位素組成及鈾成礦意義

湯 超，司馬獻章，朱強，馮曉曦，陳 印，陳路路，劉曉雪

中國地質調查局天津地質調查中心（天津地質礦產研究所），天津300061

方解石是東勝地區(qū)直羅組含鈾砂巖中重要的膠結物類型，同時碳酸鹽化與鈾成礦作用關系密切。通過方解石膠結物巖石學、礦物學、碳氧同位素分析，研究了含鈾砂巖中方解石碳氧同位素組成、沉淀機制及鈾成礦意義。研究表明，東勝地區(qū)砂巖類型為長石巖屑砂巖、巖屑砂巖和石英砂巖，粘土礦物主要由蒙皂石、伊利石、高嶺石和綠泥石組成，方解石類型以含鐵礦方解石為主，其次為鐵方解石。方解石δ13CPDB為-15.7‰～-1.6‰，平均-9.08‰，δ18OPDB為-15.6‰～-10‰，平均-12.4‰，顯示其形成與有機酸脫羧作用有關，碳來源為有機碳。碳氧同位素分析數(shù)據(jù)計算表明，與方解石平衡的水相氧同位素組成變化范圍較寬，為-7.66‰～9.71‰，推測較輕的同位素組成具有封存大氣降水的特征，而較重同位素組成則反映成巖成礦過程中深部富含油氣低溫熱流體的加入。綜合分析認為，東勝地區(qū)直羅組砂巖中方解石是地表水和深部油氣共同作用的結果：早期有機酸促使長石類骨架顆粒溶蝕，形成石英顆粒次生加大邊，并伴隨著自生高嶺石沉淀；后期隨著大量烴類注入砂巖中，成巖成礦環(huán)境由酸性向堿性轉變，還原性增強，介質水中的CO2與Ca2+及Fe2+結合形成含鐵為特征的方解石，沉淀在原生粒間孔和各類次生溶蝕孔隙中。整個過程都伴隨有鈾元素運移和沉淀，暗示東勝鈾礦床是地表水和深部油氣混合作用形成的。

方解石膠結物；碳氧同位素；成巖成礦環(huán)境；古流體；東勝地區(qū)

碳酸鹽膠結物是砂巖中較為重要的膠結物類型，也是巖石在成巖過程中與流體相互作用的產物，具有分布普遍性、形成多期性、成因多樣性的特點（Carlos etal.,2001）。碳酸鹽充填裂縫和孔隙，影響砂巖滲透性，對鈾成礦作用產生重要影響。不同的成巖環(huán)境下形成的碳酸鹽膠結物的碳氧同位素組成不一樣，對成巖過程中流體具有示蹤意義，特別是膠結物中碳同位素組成可以指示成巖流體中碳的來源（陳榮坤，1994；胡宗全，2003；劉德良等，2007；Morad et al.,1990;Macaulay et al.,1993;Fayek et al.，2001）。此外，碳酸鹽膠結物的化學性質活潑，對孔隙流體的酸堿性異常敏感，極易發(fā)生溶解-沉淀-再溶解-再沉淀，是成巖環(huán)境酸堿度變化的良好礦物指示計。因此，碳酸鹽膠結物中碳氧同位素組成可為判斷其形成時的地球化學環(huán)境特征和物質來源等提供重要信息，進而有助于闡明成巖過程中流體-巖石相互作用、流體演化等地質問題（Chowdhury and Noble,1996;王琪等，2010）。

鄂爾多斯盆地東北部東勝地區(qū)是砂巖型鈾礦的重要礦集區(qū)，相繼發(fā)現(xiàn)了皂火壕、孫家梁、納嶺溝、大營等大型-超大型鈾礦床，已成為我國新的鈾資源基地。中侏羅統(tǒng)直羅組是本區(qū)主要含鈾目的層。筆者在野外巖芯觀察發(fā)現(xiàn)，該區(qū)直羅組砂巖中含有大量的碳酸鹽膠結物，部分鈾含量高的地段碳酸鹽含量也較高，同時也注意到部分碳酸鹽含量高的地段無鈾礦體產出、而部分無碳酸鹽含量的地段產出鈾礦體的現(xiàn)象。前人研究也發(fā)現(xiàn)在成礦過程中方解石與鈾礦物的沉淀有關（楊曉勇等，2007；易超等，2014；馮喬等，2016）。因而查明碳酸鹽膠結物成因機理，探討其與鈾成礦作用的關系，是十分必要的。本文以含鈾砂巖中方解石膠結物為研究對象，利用巖石學和地球化學等研究方法探討方解石膠結物碳氧同位素組成及成因，為成巖流體演化及砂巖型鈾礦成礦地球化學研究提供依據(jù)。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西部，由不同時期（Mz/Pz2/Pz1）多個大型盆地疊加、復合而成，是典型的克拉通邊緣多重疊合型盆地（劉池洋，2006）。盆地由結晶基底、地臺沉積蓋層及中生代沉積蓋層組成。結晶基底由太古界及下元古界變質巖系組成；地臺沉積蓋層由中元古界和古生界寒武系（∈）、奧陶系（O）、上石炭系（C2）、二疊系（P）組成，下古生界發(fā)育一套以碳酸鹽巖為主的淺海相沉積，上古生界以暗色泥巖及砂巖為主夾煤層，富含油氣；中生代沉積蓋層有中新生界三疊系（T）、侏羅系（J）、白堊系下統(tǒng)（K1）、古近系漸新統(tǒng)（E3）、新近系上新統(tǒng)（N2）及第四系（Q），其中三疊系、侏羅系和白堊系是盆地沉積蓋層的主體。盆地自燕山期以來劃分為伊盟隆起、西緣逆沖帶、天環(huán)向斜、伊陜斜坡、晉西撓褶帶及渭北隆起6個構造單元。

東勝地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部，構造上處于伊盟隆起區(qū)（圖1a），區(qū)內出露的地層有侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組和白堊系下統(tǒng)伊金霍洛組、東勝組，其中直羅組是本內主要含礦層。延安組為一套以河湖三角洲相為主的沉積地層，主要為一套暗色砂巖、泥巖與頁巖互層，發(fā)育穩(wěn)定的煤層，含有豐富的動植物化石和有機質。直羅組可分為下段及上段，下段以原生灰色碎屑巖建造為主，河流相砂體發(fā)育，上段為一套原生紅色碎屑巖建造，以洪泛沉積為主，砂體相對不發(fā)育。直羅組下段又分為上、下兩個亞段，下亞段巖性為灰色、淺灰色、灰綠色砂巖夾泥巖，砂體中富含炭屑、黃鐵礦等還原介質，該層位是區(qū)內最主要的含礦層；上亞段巖性以灰綠色、淺灰色中細砂巖為主，夾淺綠色、褐紅色泥巖、粉砂巖，局部地段見炭屑、黃鐵礦等還原介質，是區(qū)內次要含礦層（圖1b）。鈾礦化產于層間氧化還原帶前鋒線附近，鈾礦體或礦化體主要呈板狀、卷狀、透鏡狀，鈾礦物以鈾石為主，少量為瀝青鈾礦和鈦鈾礦（肖新建等，2004；苗愛生等，2010）。鈾礦化的U-Pb等時線年齡主要集中在177～149Ma（中-晚侏羅世）、124～107Ma（早白堊世）、85～74Ma（晚白堊世）和20～8Ma（中新世），顯示鈾礦化經(jīng)歷了長期的成礦作用（夏毓亮等，2003；劉漢彬等，2007）。

圖1 東勝地區(qū)構造位置（a，據(jù)王毅等，2014）和地層結構模式（b，據(jù)焦養(yǎng)泉等，2005）Fig.1 Tectonic settingand thegeneralized stratigraphy in Dongshengarea

2 樣品與方法

在本區(qū)3個鈾礦工業(yè)鉆孔巖芯中共采集43件樣品，樣品分布在直羅組下段下亞段（J2z1-1）含礦層及其附近圍巖，巖性為砂巖。首先，通過偏光顯微鏡及X射線衍射分析對樣品進行巖石學和礦物學的研究。為識別碳酸鹽礦物，對其中3件樣品進行了電子探針測試。優(yōu)選28件具有代表性的樣品進行了碳氧同位素分析測試。

樣品X射線衍射定量分析在核工業(yè)北京地質研究院分析測試研究所完成，測試儀器型號為PanalyticalX’Pert PROMPD。電子探針分析在天津地質調查中心完成，儀器型號為EPMA1600，測試條件：加速電壓15 kV，束流20 nA，束斑直徑最低可至1μm，測試元素主要包括Ca、Mg、Fe、Mn等10種元素，分析總量誤差在3%以內，主元素相對雙差≤5%。碳氧同位素分析在中國地質科學院重點實驗室完成。砂巖樣品用100%的磷酸在25℃反應4 h，提取出膠結物碳酸鹽中的CO2氣體，收集得到的CO2在Delta+質譜儀上測量。氧同位素比值以SMOW為標準，碳同位素比值以PDB為標準，分別記為δ18O和δ13C，分析精度優(yōu)于±0.2‰。分析中使用的碳酸鹽參考標準為GBW04417方解石標準，其δ18O和δ13C分別是-24.12‰和-6.10‰。

3 測試結果

表1 直羅組含鈾砂巖X-射線衍射定量分析結果表Table1 X-ray diffraction analysisof the Zhiluo Formation uranium-bearing sandstones

3.1 巖石學特征

11件樣品的鏡下鑒定表明，砂巖為長石巖屑砂巖、巖屑砂巖和石英砂巖。其中，石英含量為25%～85%，長石為5%～35%，巖屑含量為5%～55%。長石骨架以鉀長石為主，其次為斜長石。巖屑成分主要為變質巖碎屑和少量花崗巖屑，巖性以石英巖、云母石英片巖為主。砂巖粒度為中粗粒—中細粒，磨圓分選差，填隙物主要為粘土礦物和方解石。

15件砂巖樣品X-射線衍射定量分析結果（表1）顯示，砂巖全巖石英含量為38.50%～62.7%（平均47.27%），鉀長石含量為9.30%～20.10%（平均13.71），斜長石為3.30%～13.30%（平均8.94%），方解石含量較高，為1.10%～24.60%（平均12.62%）。粘土礦物總量為12.30%～340%，成分主要由蒙皂石、伊利石、高嶺石和綠泥石組成。將樣品按灰綠色砂巖和灰色砂巖分成兩類后發(fā)現(xiàn)，灰綠色砂巖石英含量略高于灰色砂巖，平均分別為50.3%和46.17%，鉀長石含量低于灰色砂巖，長石總量二者相差不大；灰色砂巖中普遍發(fā)育黃鐵礦和方解石，其中方解石含量較高，而灰綠色砂巖則不發(fā)育黃鐵礦和方解石，考慮目前發(fā)現(xiàn)的鈾礦體主要分布在灰色砂巖中，推測鈾礦化與碳酸鹽化有關?；揖G色砂巖粘土含量為15.6%～34%（平均23.8%）；灰色砂巖粘土含量12.3%～28.4%（平均20.93），灰綠色砂巖粘土含量高于灰色砂巖?；揖G色砂巖與灰色砂巖之間在粘土分成上的差異主要表現(xiàn)在蒙皂石和高嶺石的含量上。前者蒙皂石和高嶺石含量均較低（平均分別為11.04%及10.35%）；后者蒙皂石含量較高（平均12.95%），高嶺石含量較低（平均5.54%）?；揖G色砂巖與灰色砂巖伊利石與綠泥石含量相當，二者均不含混層礦物。

3.2 方解石膠結物類型

前人通過鏡下觀測，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內碳酸鹽膠結物類型主要為方解石，且以泥晶方解石和亮晶方解石最為常見。泥晶方解石分布于綠泥石薄膜外緣并充填于粒間，亮晶方解石多充填于泥晶方解石外圍的顆粒孔隙中，部分位于石英次生加大邊外，并強烈交代石英、長石顆粒和泥晶方解石膠結物（林潼等，2010）。本次研究樣品中碳酸鹽膠結物含量在0.5%～8%之間，以接觸膠結為主，孔隙式膠結為輔；部分含礦砂巖碳酸鹽化強烈，碳酸鹽含量達10%～15%，碳酸鹽幾乎全為方解石，方解石多為粒徑較大的亮晶方解石（圖2a），鈾礦化常與方解石共生，溶蝕石英和長石（圖2b）。3件砂巖樣品共20個碳酸鹽膠結物的電子探針成分數(shù)據(jù)（表2），通過地球化學成分，對東勝地區(qū)直羅組砂巖中的碳酸鹽礦物進行分類表明，碳酸鹽膠結物各測點元素組成大致相同，CaO百分含量介于58.57%～69.41%之間（平均64.24%），MgO百分含量介于0.05%～0.61%之間（平均0.31%），F(xiàn)eO百分含量介于0.22%～1.27%之間（平均0.42%），MnO含量較高，為0.18%～1.85%（平均0.69%）。根據(jù)FeO的質量分數(shù)，方解石膠結物通?？煞譃?類：w(FeO)≤0.05為無鐵方解石，w（FeO）大于等于0.5為鐵方解石，w（FeO）介于0.05～0.5之間為含鐵方解石。測試結果表明本區(qū)方解石膠結物以含鐵礦方解石為主，其次為鐵方解石。

3.3 碳氧同位素組成特征

方解石膠結物碳氧同位素分析結果見表3。方解石膠結物石碳同位素δ13CPDB為-15.7‰～-1.6‰，平均-9.08‰，極差-10.4‰，數(shù)據(jù)相對離散，δ18OPDB為-15.6‰～-10‰，平均-12.4‰，極差-5.6‰，變化范圍較窄，δ18OSMOW為14.8‰～20.6‰，平均18.1‰。在δ13C-δ18O圖解（圖3）上，方解石膠結物的碳、氧同位素比值呈負相關關系，指示方解石膠結物形成時沉積環(huán)境的變遷，或者成巖過程中外來流體與碳酸鹽巖間發(fā)生了同位素交換。

圖2 直羅組含鈾砂巖中方解石鏡下顯微（a）及背散射照片（b）Fig.2 Calciteendoscopicmicrograph(a)and backscattered(b)photosof the Zhiluo Formation uranium-bearing sandstones

表2 直羅組含鈾砂巖方解石膠結物電子探針成分分析結果表Table2 Electronmicroprobeanalytical resultsof calcite cements in the Zhiluo Formation uranium-bearing sandstones

4 討論

4.1 物質來源和沉淀機制

4.1.1 碳來源

碳同位素在各個碳庫中含量穩(wěn)定，同時具有深循還性。東勝地區(qū)直羅組含鈾砂巖碳酸鹽膠結物的δ13CPDB變化范圍較大，為-15.7‰～-1.6‰，小于海相沉積碳酸鹽（δ13C=-1‰～2‰，平均0‰，鄭永飛，2000）的δ13C變化范圍，略高于有機來源（δ13C=-18‰～-33‰，Mack et al.,1991）CO2的δ13C范圍，涵蓋了淡水沉積碳酸鹽巖（δ13C=-4.93‰± 2.75‰，鄭永飛和陳江峰，2000）和大氣中CO2碳同位素（δ13C一般在-7‰左右）的δ13C范圍，說明在碳酸鹽膠結物形成時，僅僅由沉積時保存的介質水是不能形成如此寬泛的δ13C值，因此，在成巖成礦過程中一定有外來輕碳源的加入。在碳酸鹽礦物δ13CPDB-δ18OSMOW圖解（圖4）上投影點落在與有機質有關的碳酸鹽區(qū)，說明有機質是碳源；在碳酸鹽礦物δ18OSMOW-δ13CPDB圖解（圖5）上投影點主要落在沉積有機物脫羧基作用變化趨勢范圍內，部分投點落在海相碳酸鹽巖溶解作用范圍內，進一步說明流體中CO2主體是沉積有機質脫羥基過程中轉化成因，部分是深部海相碳酸鹽巖溶解產生。有機質碳可能有沉積巖自身有機物、煤成氣和深部油氣三種來源：直羅組砂巖中普遍含有豐富的有機質，此部分有機質通過沉積成巖壓實作用，導致氧化、降解和脫羧基作用，生成CO2，與介質水中Ca2相互作用，生成CaCO3沉淀；東勝地區(qū)直羅組之下為延安組煤系地層，煤炭儲量豐富，其產生的煤成氣有可能沿構造或巖石裂隙上升到含礦砂巖層中；鄂爾多斯盆地上古生界富含油氣，深部油氣氧化產生的CO2也可能沿構造或巖石裂隙上升到含礦砂巖層中，包裹體中石油烴具有生物降解的證據(jù)（李宏濤等，2007），大量的研究也表明，盆地北部古生界油氣具有向上往侏羅紀地層運移的普遍現(xiàn)象（馮喬等，2006；楊曉勇等，2007）。另外，鄂爾多斯盆地下古生界發(fā)育一套以碳酸鹽巖為主的淺海相沉積，普遍分布海相石灰?guī)r地層，深部含油氣流體在淋濾與溶解下古生界的海相碳酸巖的過程中富含CO2，可能沿構造或巖石裂隙上升到含礦砂巖層中，這也正好說明部分樣品落在海相碳酸鹽巖溶解作用范圍內。

表3 東勝地區(qū)直羅組砂巖方解石膠結物碳、氧同位素分析結果

圖3 直羅組砂巖方解石膠結物碳氧同位素組成相關圖解Fig.3 Cross-plotshowingtherelationshipofcarbonand oxygen compositionofcalcitecementsin theZhiluoFormation sandstones

4.1.2 鈣離子來源

在成巖成礦過程中，自生碳酸鹽膠結物主要是從碎屑巖孔隙流體中沉淀，其形成所需的鈣離子主要通過以下幾種途徑獲得。①長石（主要是斜長石）的溶解。鈣長石的溶解方程為CaAl2Si2O8（鈣長石）→Al2Si2O5(OH)4（高嶺石）+Si++Ca；在合適的物理化學條件下，上述化學反應過程提供的Ca2+可以進入到碳酸鹽膠結物中。②粘土礦物的轉化。主要是指蒙皂石與伊利石之間相互轉化，反應方程為4.5K++8Al3++蒙皂石=伊利石+Na++2Ca2++2.5Fe3++ 2Mg2++3Si4+。④碳酸鹽巖屑的溶解再沉淀作用。

X-射線衍射定量分析表明東勝地區(qū)直羅組含鈾砂巖中高嶺石含量較高，反映了成巖成礦過程中長石的溶解。鏡下觀測也發(fā)現(xiàn)，砂巖中長石發(fā)生了溶蝕，部分碳酸鹽膠結物交代長石顆粒。說明砂巖中長石類碎屑顆粒的溶解是碳酸鹽膠結物鈣離子的主要來源之一。另外，電子探針分析結果可知，直羅組砂巖碳酸鹽膠結物為含鐵碳方解石，X-射線衍射定量分析顯示砂巖中蒙皂石含量較高，伊利石含量較低，表明蒙皂石與伊利石之間轉化鈣、鐵、鎂離子的來源之一，但提供的量應該不大。直羅組砂巖中很少見到碳酸鹽巖屑，故碳酸鹽巖屑的溶解再沉淀作用非碳酸鹽膠結物鈣離子的來源。綜上分析可知，直羅組碳酸鹽膠結物鈣離子的主要來源來自長石溶解，粘土礦物的轉化提供了少量鈣、鐵、鎂離子。

圖4 方解石膠結物碳氧同位素成因圖解（據(jù)王大銳，2000）Fig.4 Cross-plotof carbon and oxygen composition of calcite cements

圖5 方解石膠結物δ18O-δ13C圖解（據(jù)劉建明等，1997）Fig.5 Cross-plotofδ18O-δ13Cof calcite cements

4.1.3 碳酸鹽膠結物的沉淀機制

隨著碎屑沉積物的不斷埋深，溫度壓力升高，巖石中自身有機質發(fā)生熱解脫羧并釋放部分CO2，這時CO2的碳同位素明顯較輕，容易進入經(jīng)壓實作用所釋放出的介質水中，從而形成具有較強溶蝕能力的有機酸和碳酸溶液。當這些酸性溶液進入砂巖中，可以對其中的長石進行溶蝕，一方面形成次生溶蝕孔隙，另一方面提供Ca2+。在此期間，由于溶液的pH值較低，不形成碳酸鹽膠結物，而主要是長石發(fā)生溶蝕，產生二氧化硅，形成石英顆粒次生加大邊，并伴隨著自生高嶺石沉淀。隨后伴隨深部含烴類流體的注入，由于含烴類流體具有極強的還原性，砂巖中成巖成礦環(huán)境由酸性轉變?yōu)閴A性，將高價鐵離子還原成二價鐵離子，這時介質水的CO2很容易與鈣離子和二價鐵離子結合形成鐵方解石或含鐵方解石，并對碎屑石英、長石顆粒進行交代。由于本區(qū)碳酸鹽礦物中的碳主要來自有機質，因此，與有機酸脫羧作用有關的碳酸鹽膠結物普遍以δ13C高負值為特征。

4.2 氧同位素特征及對成巖成礦流體的指示

膠結物和流體的氧同位素均受到多種因素影響，其中主要包括沉積時期沉積水的氧同位素和鹽度、沉積時期溫度及成巖改造（劉四兵等，2014）。Keith和Weber(1964)曾把碳、氧同位素結合起來，提出了一個區(qū)分海相和淡水灰?guī)r的經(jīng)驗公式，即Z=2.048×(13C+50)+0.498×(18O+50)，式中13C值和18O值均為PDB標準。當Z大于120時，水介質的性質為海水來源；當Z小于120時，則為陸相淡水來源。因此，有關學者利用Z值來探討砂巖中碳酸鹽膠結物形成時的古流體條件（董福湘等，2004；何生等，2009；田亞銘等，2011）。根據(jù)28塊樣品碳酸鹽膠結物氧碳同位素Z值計算結果，樣品的Z值為90.17～117.55，平均為102.51（表3），均小于120，說明本區(qū)直羅組砂巖中方解石膠結物的形成古流體總體為礦化度較高的淡水。

O’Neil（1969）提出了一個方解石-H2O的分餾方程來計算與方解石平衡的流體相同位素組成，即δ18OCc-δ18OH2O=2.78×106/T2-2.89，式中溫度（T）采用肖新建等（2004）測得的本區(qū)方解石中流體包裹體的均一溫度（58～176℃），方解石的氧同位素組成采用本文的測定值，計算的與成巖碳酸鹽平衡的流體相同位素組成（表3）表明，成巖成礦期的水相流體δ18O值變化范圍在-7.66‰～9.71‰，變化范圍較寬，較鄂爾多斯地區(qū)現(xiàn)在大氣降水-7.4‰（Yang etal.,2009）偏重，說明成巖成礦期水相流體極有可能為混合流體。推測較輕的同位素組成代表地表水，與大氣降水有關；而較重的同位素組成表明這一來源的水與沉積物有同位素交換，可能受深部流體影響。前人曾獲得成礦流體的δDV-SMOW值為-130‰～-55.8‰（薛春紀等，2010；李榮西等，2006），明顯比鄂爾多斯盆地大氣降水δD的平均值（-49.6‰）低很多，指示成巖成礦流體中氫因烴類的消耗而變輕。另外，鄂爾多斯盆地構造穩(wěn)定，巖漿活動不活躍，火山巖漿熱液來源可能性較小。那么深部流體很有可能來自下部富含油氣的低溫熱流體。

4.3 方解石膠結物水巖作用與鈾成礦的關系

來自砂巖的巖石學、礦物學特征、碳氧同位素以及碳酸鹽膠結物的等證均顯示，研究區(qū)方解石膠結物水巖相互作用模式為開放體系。方解石膠結物具有相對較輕的碳、氧同位素（-15.7‰～-1.6‰），有機質參與的長石溶蝕過程是該類碳酸鹽膠結物沉淀的重要物質來源，同時有機質的參與對本區(qū)砂巖型鈾礦形成起了重要作用，反映這種較為開放的水巖相互作用體系對鈾成礦十分有利。

實際上，東勝地區(qū)直羅組砂巖中方解石膠結物水巖作用與攜帶有CO32-、HCO3-的地表水和深部油氣密切相關。東勝地區(qū)侏羅紀末期和白堊紀中晚期存在較長時期的沉積間斷，缺失上侏羅統(tǒng)和上白堊統(tǒng)沉積，攜帶有[UO2(CO3)3]2-、CO32-、HCO3-的地表水向下滲濾，可進入直羅組砂巖層中，砂巖中沉積有機質本身對鈾具有良好的還原作用，能夠促使鈾沉淀，環(huán)境的改變也形成一定量的方解石。早白堊世晚期-晚白堊世，上古生界油氣大量向上和向東北方向運移，在東勝一帶與含鈾地下水混合，使成巖成礦環(huán)境由酸性轉變?yōu)閴A性，也為鈾成礦提供了大量的還原劑，進一步促使方解石和鈾發(fā)生沉淀。因此，東勝地區(qū)含鈾砂巖中的方解石是地表水和深部油氣共同作用的結果，也暗示了東勝鈾礦床是混合流體作用形成。

5 結論

（1）方解石是東勝地區(qū)直羅組砂巖的主要自生礦物之一，方解石膠結物類型以含鐵礦方解石為主，其次為鐵方解石。方解石δ13CPDB為-15.7‰～-1.6‰，平均-9.08‰，δ18OPDB為-15.6‰～-10‰，平均-12.4‰。其形成主要與有機酸脫羧基作用有關，暗示沉淀過程中有有機碳的加入。

（2）研究區(qū)方解石中有機碳可能有三種來源，一是沉積巖自身有機物氧化、降解和脫羧基作用產生的CO2，二是來源于直羅組下部含煤巖系生成的煤成氣，三是來源于深部油氣氧化產生的CO2。有機質參與的長石溶蝕過程是方解石沉淀的主要物質來源，粘土礦物轉化過程為方解石沉淀提供了少部分鈣、鐵、鎂離子。

（3）計算表明，與成巖碳酸鹽平衡的水相氧同位素組成變化范圍較寬，說明成巖成礦期水相流體極有可能為混合流體。即封存的大氣降水與自下部富含油氣的低溫熱流體。

（4）東勝地區(qū)直羅組砂巖中方解石是地表水和深部油氣共同作用的結果。早期有機酸促使長石類骨架顆粒溶蝕，形成石英顆粒次生加大邊，并伴隨著自生高嶺石沉淀。后期隨著大量烴類注入砂巖中，成巖成礦環(huán)境由酸性向堿性轉變，還原性增強，介質水中的CO2與Ca2+及Fe2+結合形成含鐵為特征的方解石，沉淀在原生粒間孔和各類次生溶蝕孔隙中。整個過程都伴隨有鈾元素運移和沉淀，暗示東勝鈾礦床是地表水和深部油氣混合作用形成的。

致謝：感謝匿名審稿專家提出的建設性修改意見。

陳榮坤.1994.穩(wěn)定氧碳同位素在碳酸鹽巖成巖環(huán)境研究中的應用[J].沉積學報，12(4):11-21.

董福湘，劉立，馬艷萍.2004.大港灘海地區(qū)沙一段下部砂巖儲層中方解石膠結物碳、氧同位素研究[J].石油實驗地質，26(6):590-593.

馮喬，張小莉，王云鵬，等.2006.鄂爾多斯盆地北部上古生界油氣運聚特征及其鈾成礦意義[J].地質學報，80(5):748-752.

馮喬，秦宇，付鎖堂，等.2016.東勝鈾礦砂巖中方解石富集及鈾礦成因[J].高校地質學報，22(1):053-059.

何生，楊智，何治亮，等.2009.準噶爾盆地腹部超壓頂面附近深層砂巖碳酸鹽膠結作用和次生溶蝕孔隙形成機理[J].地球科學－中國地質大學學報，34(5):759-768．

胡宗全.2003.鄂爾多斯盆地上古生界砂巖儲層方解石膠結物特征[J].石油學報，23(4):40-43.

焦養(yǎng)泉，陳安平，王敏芳，等.2005.鄂爾多斯盆地東北部直羅組底部砂體成因分析—砂巖型鈾礦床預測的空間定位基礎[J].沉積學報，23(3):371-378.

劉池洋，趙紅格，桂小軍，等.2006.鄂爾多斯盆地演化-改造的時空坐標及其成藏（礦）響應[J].地質學報，80(5):617-638.

劉德良，孫先如，李振生，等.2007.鄂爾多斯盆地奧陶系碳酸鹽巖脈流體包裹體氧碳同位素分析[J].石油學報，28(3):68-79.

劉漢彬，夏毓亮，田時豐.2007.東勝地區(qū)砂巖型鈾礦成礦年代學和成礦鈾源研究[J].鈾礦地質，23(1):23-29.

李宏濤，蔡春芳，李開開，等.2007.內蒙古東勝鈾礦床成礦主巖中球狀磁鐵礦的成因[J].地質論評，53(4):564-570.

劉建明，劉家軍，顧雪祥.1997.沉積盆地中的流體活動及其成礦作用[J].巖石礦物學雜志，16(4):341-352.

劉四兵，黃思靜，沈忠民，等.砂巖中碳酸鹽膠結物成巖流體演化和水巖作用模式—以川西孝泉—豐谷地區(qū)上三疊統(tǒng)須四段致密砂巖為例[J].中國科學（D輯），44(7):1403-1417.

林潼，羅靜蘭，劉小洪，等.2007.東勝地區(qū)直羅組砂巖型鈾礦包裹體特征與鈾礦成因研究[J].石油學報，28(5):72-78.

李榮西，赫英，李金保.2006.東勝鈾礦流體包裹體同位素組成與成礦流體來源研究[J].地質學報，80(5):753-759.

苗愛生，陸琦，劉惠芳，等.2010.鄂爾多斯盆地東勝砂巖型鈾礦中鈾礦物的電子顯微鏡研究[J].現(xiàn)代地質，24(4):785-792.

田亞銘，施澤進，宋江海.2011.鄂爾多斯盆地宜川－旬邑地區(qū)長8儲集層碳酸鹽膠結物特征[J].成都理工大學學報（自然科學版），38 (4):378-384.

王大銳.2000.油氣穩(wěn)定同位素地球化學[M].北京:石油工業(yè)出版社：1-295.

王琪，郝樂偉，陳國俊，等.2010.白云凹陷珠海組砂巖中碳酸鹽膠結物的形成機理[J].石油學報，31(4):553-558.

王毅，楊偉利，鄧軍，等.2014.多種能源礦產同盆共存富集成礦（藏）體系與協(xié)同勘探—以鄂爾多斯盆地為例[J].地質學報，88(5): 815-824.

薛春紀，池國祥，薛偉.2010.鄂爾多斯盆地砂巖型鈾成礦中兩種流體系統(tǒng)相互作用—地球化學證據(jù)和流體動力學模擬[J].礦床地質，29 (1):134-142.

夏毓亮，林錦榮，劉漢彬，等.2003.中國北方主要產鈾盆地砂巖型鈾礦成礦年代學研究[J].鈾礦地質，19(3):129-136.

肖新建，李子穎，方錫珩，等.2004.東勝砂巖型鈾礦床低溫熱液流體的證據(jù)及意義[J].礦物巖石地球化學通報，23(4):301-304.

易超，韓效忠，李西得，等.2014.鄂爾多斯盆地東北部直羅組砂巖巖石學特征與鈾礦化關系研究[J].高校地質學報，20(2):185-197.

楊曉勇，羅賢冬，凌明星.2007.鄂爾多斯盆地含鈾砂巖碳酸鹽膠結物C-O同位素研究及地質意義[J].中國科技大學學報，37(8): 979-985.

鄭永飛，陳江峰.2000.穩(wěn)定同位素地球化學[M].北京:科學出版社.

Carlos R,Rafaela M,Karl R,et al.2001.Facies-related diagenesis and multiphase siderite cementation and dissolution in the reservoir sandstones of the Khatatba Formation,Egyptwestern desert[J].Journal ofSedimentary Research,71(3):459-472.

Chowdhury A H and Noble JP A.1996.Origin,distribution and significance of carbonate cement in the Albert Formation reservoir sandstones,New Brunswick,Canada[J].Mar.Petrol.Geol.,13:837-846.

Fayek M，Harrison TM and Grove M.2001.In situ stable isotopic evidence for protracted and complex carbonate cementation in a petroleum reservoir,North Coles Levee,San Joaquin basin,California,USA[J]. Journal of Sedimentary Research,71(3):444-458.

Keith M L and Weber JN.1964.Carbon and oxygen isotopic composition and environmental classification of selected limestones and fossils[J]. GeochimicaCosmochim iActa,28:1786-1816.

Macaulay C I,Haszeine R Sand Fallick A E.1993.Distribution chemistry isotopic composition and origin of diagenetic carbonates:Magnus Sandstone,North Sea[J].JournalofSedimentary Petrology,63:33-43.

Mack GH,Cole D R,Giordano TH,et al.1991.Palaeoclimate controls on stable oxygen and carbon isotopes in the caliche of the Abo Formation (Permian),southcentral,New Mexico,USA[J].JSediment.Petrol.,61: 458-472.

Morad S,Al-Aasm I S,Ramseyer R,et al.1990.Diagenesis of carbonate cements in Permo-Trissic sandstones from the Iberian Range,Spain: Evidence from chemical composition and stable istopes[J].Sediment. Geol.,67:281-295.

O’Neil J R,Clayton R N and Mayeda T K.1969.Oxygen isotope fractionation in divalent metal carbonates[J].Journal of Chemical Physics,51:5547-5548．

Yang X Y,Ling M X,Sun W D,etal.2009.Secondary fluid inclusion hosted in quartz from sandstonetype uranium depositsin Ordos Basin, northwestern China[J].InternationalGeology Review,51:422-455.

Carbon and Oxygen IsotopicComposition and Uranium M ineralization SignificanceofCalciteof Zhiluo Formation Uranium-bearing Sandstones in Dongsheng Area

TANG Chao,SIMA Xianzhang,ZHU Qiang,FENG Xiaoxi,CHEN Yin,CHEN Lulu,LIU Xiaoxue
Tianjin Centre(Tianjin InstituteofGeology and MineralResources),ChinaGeological Survey,Tianjin 300061,Chian

Calcite isan importantcement type of Zhiluo Formation uranium-bearing sandstones in Dongsheng area,and the carbonation is closely related to the uranium mineralization.Based on petrographic，mineralogical,carbon and oxygen isotope analysis of calcite cements,the composition,precipitationmechanism,and uranium mineralization significance of carbon and oxygen isotope of calcite were researched in the study area.The results show that sandstones include feldspathic lithic sandstone,lithic sandstone and quartz sandstone,and clay minerals aremainly composed of smectite,illite,kaolinite and chlorite and iron-containing calcite,followed by iron calcite,as the main types of carbonate cements.Theδ13CV-PDBis-15.7‰～-1.6‰with an average of-9.08‰.Theδ18OV-PDBis-15.6‰～-10‰with an average of-12.4‰.The results indicate that the formation of calcite is related to the organic acid decarboxylation and the carbon source is organic carbon.Analysesof carbon and oxygen isotopic results reveal that the composition ofaqueousphaseoxygen isotope,balance to the carlcite,hasawide range ofvalues from-7.66‰to9.71‰.We presumed that the lighter isotope composition has characteristics of sealed atmospheric precipitation and the heavier isotope composition reflects the participation of deep low-temperature thermal fluid with oil and rich-gas during the process of diagenetic mineralization.The comprehensive analysis indicated that calcite in Zhiluo Formation sandstones of Dongsheng area was a result of interaction of surface water and deep oil and gas.Early organic prompted feldspathicmatrix particle dissolution and the quartz grains overgrowth edge was formed,alongwith kaolinite precipitation.Later,with a large number ofhydrocarbons injected into sandstones,diageneticmetallogenic environment changed from acidic to basic and the reducibility is enhanced.The combination of CO2,Ca2+,and Fe2+in medium water formed the iron calcite and precipitated in all kinds of primary and secondary pores.The uranium migration and precipitation during thewhole process,which indicate the formation ofuranium deposits,wasa resultof interaction ofsurfacewaterand deep oiland gas.

calcite cements；carbon and oxygen isotope；diageneticmetallogenic environment；paleofluid；Dongsheng area

TANGChao，Engineer；E-mail:tjtangchao@163.com

P619.14；597+.2

A文獻標識碼：1006-7493（2016）04-0698-09

10.16108/j.issn1006-7493.2016055

2016-04-17；

2016-08-22

中國地質調查局項目（1212011307800DD20160128）；國家重點基礎計劃項目（2015CB53000）聯(lián)合資助

湯超，男，1982年生，碩士，高級工程師，礦床學專業(yè)，礦床地球化學方向；E-mail:tjtangchao@163.com