陳夢(mèng)雅, 聶逢君*, Mostafa FAYEK

1)東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西南昌 330013;2)曼尼托巴大學(xué)地質(zhì)科學(xué)系, 加拿大溫尼伯 MB R3T 2N2

黃鐵礦是地殼中常見的硫化物之一, 在砂巖型鈾礦中黃鐵礦常作為鈾成礦作用過程中主要的還原劑, 其形成過程貫穿了整個(gè)鈾礦化過程(黃廣文等,2021)。研究黃鐵礦的礦物學(xué)和地球化學(xué)特征, 對(duì)了解礦床的成礦流體運(yùn)移具有重要意義(趙鳳民和沈才卿, 1986; 鄒明亮等, 2017; 張成勇等, 2021)。因此, 對(duì)黃鐵礦的特征和成因進(jìn)行研究, 有助于我們揭示成礦物質(zhì)的來源和礦床成因, 為下一步找礦勘查提供指導(dǎo)作用。

開魯盆地位于松遼盆地西南部, 是砂巖型鈾礦勘查的重點(diǎn)地區(qū)。自20世紀(jì)90年代在盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)了錢家店鈾礦床以來, 正式拉開了開魯盆地的鈾礦勘查工作的帷幕。隨著鈾礦勘查工作的不斷深入,在盆地內(nèi)上白堊統(tǒng)姚家組中發(fā)現(xiàn)了理想的鈾賦礦目的層位和鈾礦化, 顯示出盆地良好的找礦前景。前人針對(duì)開魯盆地的基底構(gòu)造、沉積相、砂體構(gòu)造、成礦規(guī)律、鈾礦化特征、成礦機(jī)制及成礦年齡等做了大量的工作(朱筱敏等, 2000; 殷敬紅等, 2000; 夏毓亮等, 2003; 張振強(qiáng)等, 2006; 蔡煜琦和李勝祥,2008; 馬漢峰等, 2009; 林錦榮等, 2009; 陳祖伊等,2010; 羅毅等, 2012; 焦養(yǎng)泉等, 2018; 聶逢君等,2021), 并取得了較為明顯的成果和認(rèn)識(shí)。但研究多側(cè)重于礦石或區(qū)域構(gòu)造的研究, 而對(duì)于成礦過程中與鈾礦物伴生的礦物(如黃鐵礦)研究較少。因此本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上, 對(duì)開魯盆地錢家店—白興吐鈾礦床含礦層中鈾礦物賦存形式以及黃鐵礦中硫同位素進(jìn)行研究, 初步探討了黃鐵礦的成因及其與鈾礦化的關(guān)系, 為研究區(qū)下一步找礦工作提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

開魯盆地位于松遼盆地的西南部, 是松遼盆地7個(gè)二級(jí)單元之一, 形狀呈條帶狀(陳方鴻等, 2005),是在海西地槽褶皺基底上發(fā)育起來的中生代斷陷型沉積盆地(陳娟等, 2008; 唐克東等, 2011)。其內(nèi)部可劃分為 5個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元: 西緣斜坡帶、陸家堡坳陷、舍伯吐隆起、哲中坳陷、哲東南隆起(許坤和李瑜, 1995)(圖1a)。盆地基底主要為前寒武紀(jì)中深變質(zhì)巖系和晚古生代淺變質(zhì)巖系以及各時(shí)期的花崗巖組成。蝕源區(qū)為中生代火山巖、古生代變質(zhì)巖及海西期、燕山期花崗巖等(陳曉林等, 2008; 陳程等,2018)。白堊系是該盆地的主要沉積蓋層, 覆蓋全區(qū)。下白堊統(tǒng)由義縣組、九佛堂組、沙海組、阜新組組成; 上白堊統(tǒng)由泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺(tái)組及明水組組成。研究區(qū)位于錢家店凹陷北部(圖 1b), 姚家組是該區(qū)主要的鈾礦賦礦層位。

圖1 開魯盆地區(qū)域構(gòu)造圖(a)及錢家店—白興吐礦床平面地質(zhì)圖(b)(據(jù)聶逢君等, 2017)Fig.1 Regional structure map of Kailu Basin (a) and geological map of Qianjiadian–Baixingtu deposit in Kailu Basin (b) (modified after NIE, 2017)

1.2 礦床地質(zhì)特征

姚家組在盆地內(nèi)分布廣泛, 是研究區(qū)最主要的找礦層位。姚家組上覆地層為上白堊統(tǒng)嫩江組, 巖性為灰色、灰黑色泥巖, 局部夾薄層粉砂質(zhì)泥巖;下伏地層為上白堊統(tǒng)青山口組, 巖性為紫紅色泥巖夾灰色細(xì)砂巖(郭福能, 2017)。這兩層泥巖給姚家組提供了穩(wěn)定的頂部和底部的隔水層, 使姚家組具備了良好的泥-砂-泥結(jié)構(gòu), 有利于含鈾流體的運(yùn)移和富集。

圖2為研究區(qū)礦化孔ZK18-1含礦層段巖心描述。姚家組從沉積相可以分為姚上段及姚下段兩段。姚下段砂體厚度大, 分布較穩(wěn)定, 側(cè)向連續(xù)性好,孔滲性好, 以灰色、灰白色中粗砂巖為主, 灰色砂巖中可見炭屑及黃鐵礦, 頂部發(fā)育較穩(wěn)定的紫紅色泥巖。綜合分析認(rèn)為, 姚家組下段形成于辮狀河環(huán)境, 主要由滯留、心灘及少量的決口扇、落於、洪泛平原微相組成。姚上段砂體不如姚下段厚大, 巖性主要為灰白色或者亮黃色中細(xì)砂巖, 含較多的粉砂, 細(xì)砂巖中發(fā)育小型交錯(cuò)層理, 砂體也具有一定的規(guī)模, 泥巖較發(fā)育, 沉積微相主要為滯留、邊灘、決口扇、洪泛平原, 砂:泥接近或<1:1, 為典型的曲流河環(huán)境沉積特征?？碧奖砻? 盆地中砂巖型鈾礦化主要發(fā)育在姚下段的粗粒心灘砂體中, 姚上段曲流河砂體中也有少量的鈾礦化。

圖2 開魯盆地鉆孔ZK18-1巖芯剖面解釋Fig.2 Interpretation of the core section of borehole ZK18-1 in Kailu Basin

2 巖相學(xué)特征

姚家組砂巖主要為巖屑砂巖, 砂體成分成熟度低, 具有近物源, 沉積較快的特征。碎屑顆粒粒徑主要集中在0.2～0.5 mm之間, 為中粒砂狀結(jié)構(gòu)。碎屑顆粒的磨圓度主要為次棱—棱角狀, 分選性多為中等—差。砂巖普遍膠結(jié)較為致密, 碎屑顆粒之間以點(diǎn)接觸和線接觸為主, 膠結(jié)類型多為孔隙式膠結(jié)。

砂巖碎屑含量較高, 多在80%～90%之間, 碎屑成分主要為石英、長石、巖屑及少量云母和重礦物。其中巖屑含量為 40%～70%, 石英的含量為30%～50%, 長石的含量為 5%～10%。石英顆粒多為單晶石英, 表面較為光潔, 少量石英為多晶石英顆粒, 各晶粒形狀不規(guī)則, 彼此間多為縫合接觸。可見細(xì)條狀、尖角狀石英(圖 3A), 沒有經(jīng)過搬運(yùn), 應(yīng)為火山晶屑直接掉落形成, 指示盆地周圍酸性火山活動(dòng)(陳夢(mèng)雅, 2020)。長石含量較少, 以鉀長石、斜長石為主。長石表面絹云母化蝕變較為發(fā)育, 鏡下表現(xiàn)為表面粗糙, 多呈破碎狀(圖 3B)。云母多以黑云母為主, 見少量絹云母和白云母。薄片中常見黑云母, 可見部分黑云母條帶被碎屑顆粒擠壓導(dǎo)致彎曲變形(圖 3C)。黑云母具有易風(fēng)化的特點(diǎn), 在搬運(yùn)過程中不易保存, 鏡下觀察常見黑云母, 說明了研究區(qū)距離母巖近, 黑云母能較為完整地保存下來。研究區(qū)的重礦物含量不高但是種類豐富, 主要有鋯石、石榴石、綠簾石、電氣石、磷灰石、榍石等(圖3D)。巖屑含量較為豐富且類型多樣, 以凝灰?guī)r巖屑和石英巖屑為主, 含有少量的花崗質(zhì)巖屑、碳酸鹽巖屑及千枚巖巖屑等。

研究區(qū)砂巖填隙物成分為雜基和膠結(jié)物兩種,成分 8%～20%, 總體含量較高。雜基是碎屑巖中的機(jī)械成因組分, 都較為細(xì)小, 成分包括了火山灰、伊利石、高嶺石及少部分綠泥石等黏土類礦物。此外, 雜基中還含有原始機(jī)械沉積的粉砂級(jí)碎屑礦物,如石英、長石微晶等, 粒徑很小。砂巖中的膠結(jié)物主要為黏土礦物和碳酸鹽膠結(jié)物, 黏土礦物以高嶺石為主, 高嶺石多呈書頁狀或魚鱗片狀(圖 3E), 還可見部分伊利石、絹云母、綠泥石及綠脫石等(陳夢(mèng)雅, 2020)。碳酸鹽膠結(jié)物主要為方解石。方解石又可分為兩種類型, 即亮晶方解石和泥晶方解石。研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物多為亮晶膠結(jié), 呈連晶式膠結(jié)在石英、長石顆粒之間(圖3F)。

圖3 開魯盆地目的層砂巖巖相學(xué)特征Fig.3 Petrographic characteristics of the target sandstone in Kailu Basin

開魯盆地含礦砂體中的硫化物主要為黃鐵礦(表1)。研究區(qū)黃鐵礦較為發(fā)育, 野外觀察可見其多呈結(jié)核狀、粒狀及浸染狀分布在姚家組灰白色過渡帶及還原帶砂巖中, 常與炭屑等有機(jī)質(zhì)伴生。鏡下觀察發(fā)現(xiàn), 研究區(qū)黃鐵礦的產(chǎn)狀可以分為以下幾類:草莓狀黃鐵礦、膠狀黃鐵礦及粒狀黃鐵礦, 且多與葉片狀或不規(guī)則狀瀝青鈾礦共生。草莓狀黃鐵礦雖單體為草莓狀但是多呈現(xiàn)出團(tuán)塊狀聚集的特征(圖4A), 多分布在碎屑顆粒之間, 通常與鈾礦物密切共生(吳仁貴等, 2012)(圖4B)。膠狀黃鐵礦晶形粗大,分布在碎屑顆粒之間的孔隙中(圖 4C), 起到膠結(jié)碎屑顆粒的作用(陳超等, 2016), 有時(shí)可見膠狀黃鐵礦圍繞草莓狀黃鐵礦周圍產(chǎn)出(圖4D)。粒狀黃鐵礦大小不一, 部分粒狀黃鐵礦為半自形-自形結(jié)構(gòu), 晶形較好且晶體較大; 部分黃鐵礦粒徑很小, 多產(chǎn)出于碎屑顆粒的邊緣或凹坑內(nèi)及碎屑顆粒之間(圖 4E),常與鈾礦化密切相關(guān)。同時(shí)研究區(qū)還可見大量的黃鐵礦充填炭屑細(xì)胞腔內(nèi), 具有交代炭屑的特征(圖4F)。另外姚家組砂巖在成巖過程中還廣泛發(fā)育黏土化, 主要包括高嶺石化、絹云母化、伊利石化以及綠泥石化等(賈立城等, 2018), 這些黏土礦物主要是巖石中不穩(wěn)定組分經(jīng)歷溶蝕后形成的, 從而進(jìn)一步改變了砂體中地球化學(xué)環(huán)境(黃廣文, 2017)。在成巖成礦過程中, 新生的蝕變黏土礦物對(duì)含鈾含氧流體中的鈾表現(xiàn)出了吸附作用, 而黃鐵礦則為鈾沉淀富集提供了良好的還原環(huán)境。

圖4 黃鐵礦鏡下特征Fig.4 Characteristics of pyrite under microscope

3 樣品與分析方法

本文所有電子探針樣品均為來自于開魯盆地錢家店—白興吐礦床含礦目的層姚家組不同鉆孔內(nèi)的礦石樣品, 均為灰白色砂巖, 具體取樣位置及巖性特征見表1。

表1 開魯盆地姚家組砂巖取樣表Table 1 Sandstone sampling table of Yaojia Formation in Kailu Basin

鈾礦物成分鑒定的電子探針實(shí)驗(yàn)在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行, 實(shí)驗(yàn)所用的儀器為 JXA-8100M 型電子探針和與之配套的IncaEnergy型能譜儀, 測試條件為: 加速電壓15.0 kV, 探針電流20.0 nA, 束斑直徑＜2 μm。

S同位素測試采用二次離子質(zhì)譜(SIMS)進(jìn)行分析測試, 該分析測試在加拿大曼尼托巴大學(xué)同位素研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行, 所用儀器型號(hào)為 Cameca 7F, 分析條件為: 2 nA Cs+初始離子束, 加速電壓 10 kV,束斑直徑15 μm。

4 分析結(jié)果

4.1 鈾礦物種類

由于電子探針無法檢測水和有機(jī)質(zhì), 且研究區(qū)鈾礦物顆粒普遍較小, 局部直徑小于束斑直徑, 因此在分析測試時(shí)周圍礦物可能會(huì)對(duì)鈾礦物的含量產(chǎn)生影響, 導(dǎo)致電子探針分析結(jié)果偏離 100%, 但是結(jié)果并不影響對(duì)鈾礦物種類的定性判別。由于水和有機(jī)質(zhì)不參與鈾礦物的晶格, 因此將電子探針數(shù)據(jù)換算成干組分, 按照 100%標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)測試數(shù)據(jù), 校準(zhǔn)后的電子探針分析數(shù)據(jù)見表 2。根據(jù)電子探針定量分析可知, 研究區(qū)鈾礦物類型以瀝青鈾礦為主,含部分鈦鈾礦及少量鈾石。

表2 開魯盆地鈾礦物電子探針分析結(jié)果/%Table 2 Electronic probe analysis results /% of uranium minerals in Kailu Basi

瀝青鈾礦(Pitchblende), 化學(xué)式為:

Pb0.001O2, UO2含量極高, 為58.043%～85.924%,平均含量 73.705%; SiO2含量為 1.082%～13.696%,平均含量7.508%; TiO2含量為 0.144%～7.743%, 平均含量2.944%; CaO含量為1.957%～5.186%, 平均含量3.972%; 其是研究區(qū)鈾含量最高的礦物種類。

鈦鈾礦(Brannerite), 化學(xué)式為:

UO2含量為 33.766%～39.58%, 平均含量36.816%; TiO2含量為 52.83%～54.78%, 平均含量53.543%, TiO2含量明顯比其他類型鈾礦物高; FeO含量較其他鈾礦物也較高, 接近3%。在研究區(qū)發(fā)現(xiàn)鈦鈾礦在一定意義上說明本區(qū)鈾礦可能與中低溫?zé)嵋夯顒?dòng)有關(guān)(閔茂中和張富生, 1992)。

鈾石(Coffinite), 化學(xué)式為:

UO2含量為 51.041%～66.574%, 平均含量56.792%; SiO2含量為19.544%～27.178%, 平均含量22.917%; 鈾石中含少量 Al2O3、Y2O3、FeO 等, Al2O3平均含量3.634%, Y2O3平均含量0.911%, FeO平均含量0.845%。和瀝青鈾礦相比, 鈾石的SiO2含量相對(duì)較高, UO2含量相對(duì)較低。

4.2 鈾礦物賦存形式

綜合電子探針結(jié)果及背散射圖像, 研究區(qū)鈾礦物存在形式主要為獨(dú)立鈾礦物及吸附鈾兩種形式,其分布規(guī)律大致可以分為以下幾類:

4.2.1 產(chǎn)于黑云母解理中的鈾礦物

觀察研究區(qū)背散射圖像可見鈾石呈細(xì)脈狀在黑云母的解理縫中產(chǎn)出(圖5A)。其主要原因是在成巖過程中, 黑云母發(fā)生蝕變, 體積變得疏松膨脹,具有一定的吸附性, 吸附了流體中的游離鈾。同時(shí)黑云母析出的 Fe2+創(chuàng)造了良好的還原環(huán)境, 使得流體中的 U6+發(fā)生還原, 并最終在黑云母的解理縫中富集沉淀(苗愛生等, 2009)。

4.2.2 被黏土礦物吸附的鈾礦物

吸附態(tài)鈾礦物是研究區(qū)常見的鈾礦賦存形式之一, 其主要分布在碎屑顆粒邊緣及填隙物中(圖5B)。研究區(qū)砂巖中吸附鈾的物質(zhì)主要為黏土礦物。研究表明, 黏土礦物具有很強(qiáng)的吸附性, 其含量越高就越有利于鈾的富集(易超等, 2014)。研究區(qū)砂巖填隙物中的黏土礦物含量較高, 背散射圖像下可見鈾礦物被黏土礦物吸附呈網(wǎng)脈狀或浸染狀分布。吸附態(tài)的鈾礦物大多顆粒十分細(xì)小, 在電子探針下難以辨認(rèn)。個(gè)別樣品中可見吸附態(tài)鈾大規(guī)模分布, 一般為瀝青鈾礦或鈾石。

圖5 開魯盆地鈾礦物BSE圖像Fig.5 BSE images of uranium minerals in Kailu Basin

4.2.3 碎屑顆粒周圍及中間的鈾礦物

堿性環(huán)境下, 含鈾含氧流體的活動(dòng)能力較強(qiáng),容易在碎屑顆粒的邊緣或者溶蝕孔洞中富集沉淀(苗愛生等, 2009), 因此在研究區(qū)的背散射圖像中可見鈾礦物呈星點(diǎn)狀、不規(guī)則粒狀或微細(xì)脈狀等形式分布于碎屑石英、長石等顆粒邊緣及裂隙或凹坑內(nèi)(圖 5C, D)。

4.2.4 與黃鐵礦共生的鈾礦物

野外觀察發(fā)現(xiàn)研究區(qū)在還原帶和過渡帶砂巖中都出現(xiàn)了黃鐵礦,特別是在礦層周圍黃鐵礦十分發(fā)育, 這與鈾礦的形成具有十分密切的關(guān)系。背散射圖像顯示大量鈾礦物與黃鐵礦共生的現(xiàn)象, 主要表現(xiàn)為瀝青鈾礦或鈾石圍繞草莓狀黃鐵礦或膠狀黃鐵礦周邊生長(圖 6A, B, C), 可見黃鐵礦與瀝青鈾礦產(chǎn)出于有機(jī)質(zhì)胞腔內(nèi)(圖6D), 局部還可見鈾礦物呈脈狀充填在黃鐵礦裂隙中(吳仁貴等, 2012)。由于黃鐵礦為強(qiáng)還原物質(zhì), 為含鈾含氧流體提供了良好的還原環(huán)境, 可以將流體中的U6+還原為穩(wěn)定U4+并富集沉淀, 造成鈾礦物與黃鐵礦密切共生的現(xiàn)象。

圖6 黃鐵礦與鈾礦物BSE圖像Fig.6 BSE images of pyrite and uranium minerals

4.3 黃鐵礦原位硫同位素分析結(jié)果

黃鐵礦硫同位素測試結(jié)果詳見表 3。分析測試結(jié)果表明, 開魯盆地錢家店—白興吐礦床目的層姚家組砂巖中黃鐵礦的d34SCDT分布范圍為–55.6‰ ～23.2‰, 平均值為–20.87‰, 極差值為 78.8‰, 變化范圍大, 說明硫的分餾程度相對(duì)較高, 硫的來源范圍較廣。

表3 黃鐵礦硫同位素測試結(jié)果Table 3 Characteristics of sulfur isotopes of pyrite

5 討論

5.1 黃鐵礦成因

硫同位素是成礦物質(zhì)來源的有效指示劑之一(Chinnasamy和 Mishra, 2013), 其能夠反映成礦過程中地球化學(xué)環(huán)境的變化。黃鐵礦是研究區(qū)最主要的硫化物, 其S同位素的值基本可以代表成礦熱液中的硫同位素組成(Ohmoto, 1972; Robert and Ohmoto, 1974)。因此對(duì)黃鐵礦的微觀形貌和S同位素進(jìn)行研究可以探究黃鐵礦的成因及成礦熱液的S來源, 從而為礦床成因的研究提供重要依據(jù)。

研究區(qū)錢家店-白興吐礦床含礦目的層礦石樣品中黃鐵礦的d34S分布范圍在–55.6‰ ～ 23.2‰, 平均值為–20.87‰, 變化較大, 顯示兩種不同的特征,草莓狀黃鐵礦及生物細(xì)胞腔內(nèi)的黃鐵礦在硫同位素上表現(xiàn)為虧損d34S, 其范圍為–55.6‰ ～ –4.3‰,平均值為–32.24‰; 自形-半自形黃鐵礦及膠狀黃鐵礦在硫同位素上顯示較為富集d34S, 其范圍為0.9‰～23.2‰, 平均值為7.04‰。這兩種不同特征的硫可能表明兩個(gè)不同的參與鈾礦化的黃鐵礦的結(jié)晶過程。

前人研究發(fā)現(xiàn), 黃鐵礦中S主要來源于四種作用, 分別為細(xì)菌硫酸鹽還原作用(BSR)、有機(jī)物熱解(TDS)、熱化學(xué)硫酸鹽還原作用(TSR)及無機(jī)還原作用(玄武巖與海水)(丁波等, 2019)。無機(jī)還原作用(玄武巖與海水)形成的d34S多趨于正值, 通常為20‰,而研究區(qū)d34S值并沒有達(dá)到20‰, 因此基本可以排除無機(jī)還原作用。有機(jī)物熱解作用是在溫度50℃以上時(shí), 含S有機(jī)物受熱發(fā)生分解, 生成H2S, 在熱解過程中含d32S的鍵比d34S的鍵容易破裂, 造成d34S比原始物質(zhì)低,d34S通常在–17‰～10‰(丁波等,2019)。從硫同位素組成上看, 開魯盆地黃鐵礦有可能為有機(jī)物熱解成因, 但是一般有機(jī)成因不大可能形成開魯盆地大量的H2S和黃鐵礦, 且綜合考慮到開魯盆地目的層在成礦過程中曾經(jīng)歷過表生成礦作用及巖漿熱作用(聶逢君等, 2017), 因此推測黃鐵礦中 S來源于細(xì)菌硫酸鹽還原作用(BSR)和熱化學(xué)硫酸鹽還原作用(TSR)。

細(xì)菌硫酸鹽還原作用(BSR)一般是在溫度≤50℃的條件下, 地下水中的硫酸鹽在厭氧細(xì)菌的作用下被還原,32SO2–3優(yōu)先被還原成 H232S, 因此生成富含32S的“輕”H232S, H232S與溶解在流體中的Fe2+發(fā)生反應(yīng)生成了黃鐵礦。這種還原作用使含礦層的S同位素發(fā)生分餾, 造成了d34S出現(xiàn)較大負(fù)值(王正其等, 2005), 一般為–42.7‰ ～ –5‰(鄭永飛和陳江峰, 2000)。研究區(qū)d34S 范圍在–55.6‰ ～ –4.3‰的黃鐵礦應(yīng)為BSR作用所形成。這類黃鐵礦鏡下主要表現(xiàn)為草莓狀及交代炭屑細(xì)胞腔的形式, 草莓狀黃鐵礦一般被認(rèn)為與細(xì)菌作用有關(guān)(Chen et al.,2006), 是通過有機(jī)質(zhì)球粒的交代或充填作用而形成的(Raiswell et al., 1988; 陳超等, 2016), 這類黃鐵礦中高As、Cu、Ni、Co含量及輕S同位素特征證明了其細(xì)菌成因(Bonnetti et al., 2017)。野外觀察中開魯盆地錢家店—白興吐礦床出露大量的炭屑及煤線等有機(jī)質(zhì), 在成巖過程中有機(jī)質(zhì)的存在促進(jìn)了厭氧細(xì)菌的繁殖, 厭氧細(xì)菌將流體中的硫酸鹽還原(張曉, 2012), 生成大量H2S, H2S與Fe2+反應(yīng)最終形成大量草莓狀黃鐵礦(圖 4A, B)。同時(shí)研究區(qū)還可見黃鐵礦充填炭屑細(xì)胞腔并交代炭屑的現(xiàn)象(圖4F), 也證明了區(qū)內(nèi)黃鐵礦具備生物成因的特點(diǎn)。

熱化學(xué)硫酸鹽還原作用(TSR)是在溫度相對(duì)較高的情況下, 地層中的硫酸鹽類礦物中的S在有機(jī)質(zhì)的作用下發(fā)生還原, 生成大量還原 S。研究表明,TSR發(fā)生的最低溫度為140℃(Machel et al., 1995;Worden et al., 1995), 聶逢君等(2017)對(duì)開魯盆地含礦目的層砂巖展開巖石學(xué)研究并發(fā)現(xiàn), 姚家組含礦目的層砂巖中存在大量的熱流體改造現(xiàn)象, 產(chǎn)生了大量的新生膠結(jié)物, 并對(duì)碳酸鹽膠結(jié)物進(jìn)行測溫,結(jié)果顯示目的層砂巖膠結(jié)物平均溫度為 118.7℃,最高溫度為178.8℃, 并在140～150℃范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值, 其溫度達(dá)到了 TSR作用發(fā)生所要求的最低溫度。TSR反應(yīng)的另一個(gè)條件是充足的烴類有機(jī)質(zhì)(氣態(tài)烴或液態(tài)烴), 目的層砂巖中烴含量豐富, 整體顯示 CH4、H2S等還原性物質(zhì)含量較高(閆楓, 2018),同時(shí)研究區(qū)斷裂貫通目的層與深部地層, 為物質(zhì)的運(yùn)移提供了通道。除此之外, TSR反應(yīng)還需要充足的硬石膏。研究表明, 盆地內(nèi)白堊系泉頭組和姚家組紅層中, 普遍發(fā)育蒸發(fā)鹽沉積(王璞珺等, 1995)。蒸發(fā)鹽多產(chǎn)于紫紅色粉砂質(zhì)泥巖中, 常與鈣質(zhì)結(jié)核共生, 其主要成分為硬石膏、重晶石及天青石和少量交代殘余石膏。泉頭組及姚家組中充足的蒸發(fā)鹽沉積為 TSR反應(yīng)提供了必要的硬石膏條件,使得反應(yīng)能夠順利進(jìn)行。

5.2 黃鐵礦與鈾礦化關(guān)系

砂巖型鈾礦中鈾主要以 U6+形式存在于成礦流體中進(jìn)行遷移, 在還原環(huán)境下, 流體中的 U6+被還原成 U4+從而富集沉淀形成鈾礦物。研究區(qū)出露大量黃鐵礦, 多以草莓狀黃鐵礦、膠狀黃鐵礦及粒狀黃鐵礦形式出現(xiàn), 部分充填在有機(jī)質(zhì)細(xì)胞腔內(nèi), 部分在碎屑顆粒凹坑內(nèi)及膠結(jié)物中, 多與葉片狀及不規(guī)則狀瀝青鈾礦共生, 兩者存在極為密切的關(guān)系。

早白堊世時(shí)期, 開魯盆地處于伸展斷陷成盆階段, 該時(shí)期古氣候條件較為溫暖潮濕, 盆地中沉積的碎屑巖建造富含煤、石油和天然氣(于文斌, 2009),同時(shí)砂體中富含有機(jī)質(zhì)炭屑等還原物質(zhì)。晚白堊世嫩江期末開魯盆地遭受擠壓全面隆升, 目的層姚家組出露地表, 接受來自蝕源區(qū)含鈾含氧流體滲入到目的層砂體中, 同時(shí)帶入了一定的活性鐵、硫酸鹽還原菌、SO2–4及 U6+。有機(jī)質(zhì)等在厭氧的硫酸鹽還原菌的作用下與砂體中的硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)生成大量H2S氣體。在充足的活性鐵濃度的條件下, H2S首先與含鈾含氧流體中帶入的活性鐵發(fā)生反應(yīng), 形成四方硫鐵礦(Fe9S8), 四方硫鐵礦通過結(jié)構(gòu)中鐵的散出轉(zhuǎn)變?yōu)槟z黃鐵礦(Fe3S4), 膠黃鐵礦具磁性, 在磁性吸引力的作用下, 黃鐵礦最終聚合成草莓狀(丁波等, 2019)。同時(shí)在黃鐵礦形成的強(qiáng)還原環(huán)境下, 含鈾含氧流體中帶入的 U6+不斷被還原成 U4+并富集沉淀, 形成鈾礦物與草莓狀黃鐵礦密切共生的現(xiàn)象。前人(Goldhaber et al., 1987)研究表明, 成礦溶液的pH值是控制鈾吸附的關(guān)鍵因素之一, 在pH值接近 6時(shí), 鈾吸附量達(dá)到最大?？紤]到研究區(qū)含礦砂巖中廣泛發(fā)育高嶺石化, 說明成礦流體可能是偏酸性的, 有利于鈾的吸附, 造成有機(jī)質(zhì)、黏土礦物及顆粒表面都會(huì)吸附一定量的鈾, 當(dāng)其達(dá)到一定濃度的時(shí)候, 會(huì)被硫酸鹽還原菌的產(chǎn)物H2S還原形成以膠狀形式產(chǎn)于有機(jī)質(zhì)細(xì)胞腔內(nèi)的瀝青鈾礦(圖6D)。研究區(qū)常見含礦層中發(fā)育富鈾有機(jī)質(zhì)也說明了鈾成礦過程中經(jīng)歷了生物作用。

古近紀(jì)時(shí)期開魯盆地持續(xù)隆升剝蝕, 構(gòu)造天窗進(jìn)一步發(fā)育。同時(shí)該階段的差異升降活動(dòng)伴隨著斷裂構(gòu)造, 輝綠巖脈沿?cái)嗔焉嫌? 改變了成礦區(qū)域的熱場, 并為后期熱流體形成提供了物質(zhì)條件。研究區(qū)輝綠巖蝕變發(fā)育, 其暗色礦物如輝石、角閃石、黑云母等釋放出大量的Fe2+、Mg2+、Ca2+、Ti2+進(jìn)入砂巖形成成礦熱流體(聶逢君等, 2017)。過量的Fe2+創(chuàng)造了良好的還原環(huán)境, 并與砂體中的還原產(chǎn)物 H2S結(jié)合形成新生的黃鐵礦(劉斌等, 2019)。Mg2+、Ca2+、Ti4+等離子與其他陰離子結(jié)合, 形成了鐵綠泥石、鐵白云石、菱鐵礦等。由于熱流體的作用, 研究區(qū)發(fā)育強(qiáng)烈的蝕變現(xiàn)象, 大量長石蝕變?yōu)榻佋颇负宛ね恋V物; 黑云母強(qiáng)烈蝕變成綠泥石, 并保留黑云母假象;碳酸鹽化和赤鐵礦化進(jìn)一步發(fā)育(徐喆等, 2011; 朱強(qiáng)等, 2015; 榮輝等, 2016; 陳夢(mèng)雅, 2020)。先前形成的部分瀝青鈾礦中的鈾被活化, 重新遷移并在合適的地方富集沉淀。在研究區(qū)發(fā)現(xiàn)的鈦鈾礦也說明了鈾礦化與熱液作用密切相關(guān)。此外, 研究區(qū)的礦體在空間上和斷裂及輝綠巖脈關(guān)系十分密切, 也為鈾礦后期熱液疊加改造成礦提供了佐證。

6 結(jié)論

(1)開魯盆地鈾礦床中鈾主要以獨(dú)立鈾礦物及吸附鈾形式存在, 吸附鈾礦物主要為黏土礦物吸附。獨(dú)立鈾礦物主要以瀝青鈾礦為主, 含有部分鈦鈾礦及少量鈾石, 瀝青鈾礦多圍繞黃鐵礦產(chǎn)出, 二者關(guān)系密切。

(2)開魯盆地錢家店—白興吐礦床含礦目的層砂巖中黃鐵礦主要以草莓狀、膠狀及粒狀產(chǎn)出, 多與瀝青鈾礦共生, 其中黃鐵礦的d34SCDT分布范圍為–55.6‰ ～ 23.2‰, 平均值為–20.87‰, 極差值為78.8‰, 變化范圍大, 綜合區(qū)內(nèi)成礦地質(zhì)背景, 認(rèn)為黃鐵礦具有細(xì)菌硫酸鹽還原作用及熱化學(xué)硫酸鹽還原作用兩種成因。

(3)綜合開魯盆地含礦目的層砂巖的巖相學(xué)、鈾礦物特征以及黃鐵礦 S同位素, 結(jié)合前人研究, 認(rèn)為研究區(qū)鈾礦經(jīng)歷了層間氧化成礦和熱液流體疊加改造成礦, 黃鐵礦和炭屑等有機(jī)質(zhì)為鈾成礦作用提供了必要的還原劑, 創(chuàng)造了良好的還原環(huán)境, 使得U6+被還原成 U4+最終富集形成瀝青鈾礦及鈾石等,并造成黃鐵礦與鈾礦密切共生的現(xiàn)象。

致謝: 感謝核工業(yè)二四三大隊(duì)在野外樣品采集過程中的支持和幫助。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos.U2067202;41772068; 41562006), and National Program on Key Basic Research Project (973 Program) (No.2015CB453002).