毛 寧，武正乾，劉坤鵬，于宏偉，王 凱，王奇輝

(核工業(yè)二〇三研究所， 陜西 西安 710086)

0 前 言

鄂爾多斯盆地作為油氣、煤、鈾資源的集中產(chǎn)地[1]，前人在該區(qū)開展了一定的研究工作，主要是針對(duì)中侏羅統(tǒng)直羅組目的層位，發(fā)現(xiàn)了雙龍鈾礦床，落實(shí)了金家渠、武村鋪、鴨河灣鈾礦產(chǎn)地和眾多的礦化點(diǎn)和異常點(diǎn)，這些鈾礦資源含礦層位主要為中侏羅統(tǒng)直羅組，鈾礦化主要產(chǎn)于直羅組下段灰綠色砂巖和灰色砂巖之間的過渡帶。特別是近幾年在鉆探勘查過程中新發(fā)現(xiàn)了高品位鉆孔，充分展示了盆地南部直羅組具有較大的鈾成礦潛力，也為研究工作的開展提供了重要的依據(jù)和理論基礎(chǔ)。有學(xué)者認(rèn)為該盆地東北緣鈾礦床成因與古層間氧化帶有關(guān)，也有學(xué)者認(rèn)為是由于油氣與淺成低溫?zé)嵋喊l(fā)生水巖作用，從而形成鈾礦床[2]。近期的研究成果表明，直羅組砂巖顏色的垂直分帶分別具有各自的地球化學(xué)特征(紅色-灰綠色-灰色)，鈾礦體以板狀或?qū)訝畛霈F(xiàn)于綠色砂巖和灰色砂巖的接觸部位；近2年在盆地西部鎮(zhèn)原、南部靈臺(tái)、北部特拉敖包等相繼在下白堊統(tǒng)發(fā)現(xiàn)工業(yè)鈾礦化，顯示出盆地西南部具有有利的成礦地質(zhì)背景。在現(xiàn)有對(duì)砂巖型鈾礦成因的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，通過分析鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)原地區(qū)下白堊統(tǒng)環(huán)河組砂巖的主、微量元素地球化學(xué)特征及油氣與鈾成礦關(guān)系，探討了該區(qū)鈾礦成礦規(guī)律，為后續(xù)成礦作用研究提供了依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北陸塊區(qū)的西南部，北臨天山-興蒙造山系，南臨秦祁昆造山系，是一個(gè)在古生代地臺(tái)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的大型疊合盆地，總面積約26萬km2；盆地結(jié)晶基底為太古界-古元古界，地臺(tái)沉積蓋層為中元古界-古生界，二者分別充當(dāng)了盆地蓋層的間接基底和直接基底，具有“雙重”基底的特點(diǎn)[3]。盆地自中元古代開始便接受穩(wěn)定沉積，晉寧運(yùn)動(dòng)、薊縣運(yùn)動(dòng)、加里東運(yùn)動(dòng)及海西運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為垂向運(yùn)動(dòng)，印支期相對(duì)平靜，到燕山期活動(dòng)加劇，并與華北盆地分離形成一個(gè)封閉穩(wěn)定的克拉通盆地。進(jìn)入中晚中生代以后，繼續(xù)接受穩(wěn)定沉積。晚三疊世時(shí)期，盆地由地臺(tái)環(huán)境轉(zhuǎn)為克拉通盆地，沉積作用也隨之由古生代的海相沉積轉(zhuǎn)變?yōu)橹猩年懴喑练e。中侏羅-早白堊世的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致盆地發(fā)生強(qiáng)烈隆升，為油、天然氣向上運(yùn)移提供通道，并為鈾沉淀提供氧化-還原環(huán)境，有利于大型砂巖型鈾礦床形成。盆地可劃分為伊盟隆起、西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶和渭北隆起6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元(見圖1)，研究區(qū)處在天環(huán)坳陷部位，西部為西緣沖斷帶，區(qū)內(nèi)斷裂較為發(fā)育。西緣沖斷帶主體呈南北向展布，南北長600 km，東西寬20～50 km，燕山運(yùn)動(dòng)中期，該區(qū)受到強(qiáng)烈的擠壓與剪切，形成了沖斷構(gòu)造帶的基本面貌，斷裂與局部構(gòu)造發(fā)育；天環(huán)坳陷東界始于鹽池-環(huán)縣，西鄰西緣褶斷帶，南北長600 km，東西寬50～60 km。早白堊世，隨著西緣褶斷帶的持續(xù)向東推進(jìn)，天環(huán)坳陷成為其前淵坳陷，構(gòu)造面貌為東翼緩西翼陡不對(duì)稱性向斜，呈西高東低的不對(duì)稱形態(tài)，是盆地地下水的主要排泄區(qū)。

1.構(gòu)造單元邊界；2.地名；3.鈾礦床、礦點(diǎn)

2 賦礦地層砂巖巖石學(xué)特征

研究區(qū)大部分被第四系黃土層覆蓋，該區(qū)地層由老到新主要發(fā)育:早白堊世志丹群(K1zh),主要是一套受水力、風(fēng)力交替作用形成的巨厚碎屑巖沉積。大致以白于山北麓為界，盆地南北兩側(cè)沉積相在空間結(jié)構(gòu)上存在明顯差異，包括洛河組(K1l)、環(huán)河組(K1h)、羅漢洞組(K1lh)和涇川組(K1j)、新近紀(jì)甘河溝組(N1g)、第四系黃土(Q)。鈾礦化位于下白堊統(tǒng)環(huán)河組內(nèi)，垂向上產(chǎn)于層間氧化帶翼部的灰色砂巖中，平面上受層間氧化還原過渡帶控制，多發(fā)育在氧化還原過渡帶之中。礦體形態(tài)相對(duì)簡單，剖面上呈似層狀。礦體頂板主要為淺灰色粉砂巖及淺灰色粉砂質(zhì)泥巖，圍巖主要為淺黃色、棕紅色細(xì)砂巖，含礦主巖為淺灰(綠)色細(xì)砂巖夾淺灰色中砂巖，可見褐紅色、棕紅色斑塊(見圖2a～b)。

通過近2年研究成果分析，將環(huán)河組分為上、下2段，環(huán)河組上段即為原環(huán)河組，主要為灰白色、淺灰色、灰綠色泥巖、粉砂巖和淺灰色、淺黃色細(xì)砂巖、中砂巖，局部夾泥灰?guī)r、富含鹽類及石膏晶屑；環(huán)河組下段即為原華池組，主要為暗棕紅色、紫紅色中厚層至塊狀粉砂巖、泥巖及細(xì)砂巖、中粗砂巖。

環(huán)河組下段砂體巖石主要為長石石英砂巖，主要由碎屑物(約85%)及填隙物(約15%)2部分組成，少見雜基；碎屑物成分以石英、長石為主，次為巖屑、云母，少量褐鐵礦、綠泥石、黃鐵礦等，多呈次棱角狀-次圓狀，分選中等，碎屑顆粒之間多呈線接觸關(guān)系，為顆粒支撐類型；填隙物一般為碳酸鹽和黏土礦物膠結(jié)物，其中黏土礦物主要為高嶺石、伊利石和綠泥石等。環(huán)河組上段砂體巖石主要為長石石英砂巖，主要由碎屑物(約82%)及填隙物(約18%)2部分組成，少見雜基；碎屑物成分以石英、長石為主，次為巖屑，少量黑云母、黃鐵礦等(見圖2d)，多呈次棱角-次圓狀，分選中等，碎屑顆粒之間多呈點(diǎn)-線接觸關(guān)系，為顆粒支撐類型；填隙物主要為褐鐵礦、碳酸鹽、有機(jī)質(zhì)和黏土礦物膠結(jié)物(見圖2c)，巖石的膠結(jié)類型主要為孔隙式膠結(jié)。

a.淺灰綠色細(xì)砂巖含褐紅色斑塊；b.淺灰色中砂巖含棕紅色斑塊；c.有機(jī)質(zhì)沿裂隙充填；d.黃鐵礦分布于碎屑顆粒之間圖2 標(biāo)本和鏡下照片

3 元素地球化學(xué)特征

本次采集鄂爾多斯盆地西南緣鎮(zhèn)原地區(qū)下白堊統(tǒng)環(huán)河組砂巖型鈾礦化孔、工業(yè)鈾礦孔巖心樣品共計(jì)18件，均為下白堊統(tǒng)環(huán)河組(上段+下段)。代表巖性為灰色、淺灰綠色細(xì)砂巖、中砂巖、含礫中砂巖。

3.1 主量元素特征

經(jīng)過對(duì)主量元素以及圖3分析可以得出，鎮(zhèn)原地區(qū)含鈾砂巖SiO2(55.84%～83.69%，平均值為71.26%)，Al2O3(4.49%～11.66%，平均值為7.51%)，CaO(1.90%～9.22%，平均值為5.22)，K2O(1.63%～6.09%，平均值為2.48%)，Na2O(0.47%～3.01%，平均值為1.68%)。其中SiO2含量較高，代表樣品成熟度高；Al2O3含量較低，指示長石風(fēng)化分解較為嚴(yán)重，這與鉆孔中看到的現(xiàn)象一致；CaO值高于MgO反映了填隙物中方解石多于白云石；K2O/Al2O3介于0.21～0.52，平均值為0.33，說明物源區(qū)鉀長石匱乏；Al2O3值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TiO2，代表長英質(zhì)組分在物源區(qū)含量較高；CaO、K2O和Na2O成分較多，Al2O3含量較低，說明該地區(qū)黏土礦物較為富集；另外SiO2與MgO、TiO2呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與Na2O和P2O5呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；其他氧化物含量，如CaO、MnO、K2O等，與SiO2并無明顯的相關(guān)關(guān)系。含鈾砂巖的巖石化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA=100×[Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)])的平均值可判定物源區(qū)風(fēng)化水平：若CIA≤50，代表未風(fēng)化；若50

圖3 鎮(zhèn)原地區(qū)下白堊統(tǒng)環(huán)河組砂巖主量元素哈克圖解

3.2 微量元素

經(jīng)過對(duì)稀土元素特征分析得出(見表1)，稀土元素總量(ΣREE)介于43.58×10-6～163.37×10-6，平均值為85.02×10-6，稀土總量約為球粒隕石的稀土總量(3.89×10-6)的21.86倍，但小于北美頁巖的稀土總量(173.2×10-6)。δEu介于1.06～1.79，平均值為1.43。δEu值整體上大于1，說明存在Eu正異常；δCe介于0.64～1.07，平均值為0.86，說明存在負(fù)異常；稀土元素由于化學(xué)性質(zhì)相似，地球化學(xué)行為相近，在成巖與變質(zhì)作用過程中基本不分異，分配模式與源巖相似，可作為有效的地球化學(xué)示蹤劑。根據(jù)配分曲線顯示(見圖4)，輕稀土元素右傾，富集程度偏高，重稀土元素曲線較為平緩，富集程度較低，總體來看Eu存在較弱的正異常，僅個(gè)別樣品出現(xiàn)負(fù)異常。

表1 鄂爾多斯盆地西南緣鎮(zhèn)原地區(qū)下白堊統(tǒng)環(huán)河組含鈾砂巖微量元素分析結(jié)果 ×10-6

圖4 鎮(zhèn)原地區(qū)下白堊統(tǒng)環(huán)河組砂巖稀土元素配分模式

根據(jù)表1可以看出，U含量變化范圍為13.8×10-6～833×10-6，平均值為197.62×10-6，Th含量變化范圍在2.12×10-6～18.37×10-6，平均值為5.81×10-6，Th/U比值范圍在0.01～1.14，平均值為0.39。U與Th、Re、Mo、V元素呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與Mo元素相關(guān)性較明顯，當(dāng)U含量大于100×10-6時(shí)，相關(guān)性尤為明顯(見圖5)。

圖5 砂巖物源U-Th(a)、U-Mo(b)、U-Re(c)、U-V(d)關(guān)系

4 不同地球化學(xué)類型巖石環(huán)境指標(biāo)特征

顏色是指示巖石地球化學(xué)環(huán)境最直接宏觀的標(biāo)志，有機(jī)質(zhì)和鐵質(zhì)是影響顏色的主要因素，其他的環(huán)境指標(biāo)還有巖石氧化還原電位等，分析其在不同巖石中的含量變化可判斷巖石的地球化學(xué)環(huán)境[6]。根據(jù)對(duì)工作區(qū)主要找礦目的層環(huán)河組所取的樣品分析統(tǒng)計(jì)表明，不同巖石地球化學(xué)類型具有不同的環(huán)境指標(biāo)[7]：

環(huán)河組下段從棕紅色、淺黃色到灰綠色再到灰黑色，全硫及有機(jī)碳呈遞增趨勢(shì)，說明從棕紅色向灰色巖石的還原能力逐漸加強(qiáng)；從氧化色向還原色，巖石中的Fe3+、Fe3+/Fe2+均呈遞減趨勢(shì)，而Fe2+遞增，說明巖石經(jīng)過氧化作用形成鐵的氧化物；灰黑色巖石較灰綠色巖石的Fe3+及Fe2+均增高、Fe3+/Fe2+變化不大，說明灰黑色巖石發(fā)生了更強(qiáng)的還原蝕變(見表2)。

表2 環(huán)河組下段不同巖石地球化學(xué)類型環(huán)境指標(biāo)特征一覽

環(huán)河組上段從淺黃色到黃綠色再到灰色，全硫及有機(jī)碳呈遞增趨勢(shì)，說明從淺黃色向灰色巖石的還原能力逐漸加強(qiáng)；從氧化色向還原色，巖石中的Fe3+、Fe3+/Fe2+均呈遞減趨勢(shì)，而Fe2+遞增，說明巖石經(jīng)過氧化作用形成鐵的氧化物(見表3)。

表3 環(huán)河組上段不同巖石地球化學(xué)類型環(huán)境指標(biāo)特征一覽

5 討 論

隨著U元素的富集，稀土總量ΣREE也逐漸升高(見圖6a)，由于稀土元素容易吸附于黏土中，故稀土總量的升高可能與赤鐵礦化、黏土化引起的黏土質(zhì)含量升高有關(guān)[8]，重稀土虧損一般反映了鈾礦形成過程中鉀化和硅化2種蝕變，所以在鎮(zhèn)原地區(qū)，深部熱液流體的參與對(duì)鈾的富集起到了一定作用；另外，不同的氧化還原條件會(huì)導(dǎo)致Ce、Eu呈現(xiàn)不同價(jià)態(tài)而分餾，從而形成Ce、Eu異?！，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，在高氧逸度條件下，Ce被氧化成Ce4+，由于Ce4+溶解度小，易被黏土礦物等吸附脫離溶液體系，導(dǎo)致從溶液中沉淀出來的礦物具Ce負(fù)異常[9-10];在還原條件下，Eu易形成可溶的Eu2+。因此，隨還原作用增強(qiáng)，Eu、Ce愈加富集；隨著U含量的增高，δEu和δCe含量也逐漸升高(除個(gè)別樣品外)(見圖6b～c)，說明砂體顏色由氧化色向還原色退變(氧化環(huán)境向還原環(huán)境轉(zhuǎn)化)；由于Eu在偏堿性環(huán)境下多呈易溶于水的Eu2+，當(dāng)沉積環(huán)境轉(zhuǎn)為酸性時(shí)，Eu2+溶解度下降，被黏土礦物吸附而沉淀。在個(gè)別樣品中，δEu值隨U含量增高而降低，說明沉積環(huán)境由堿性轉(zhuǎn)為酸性，隨酸性增強(qiáng)，Eu虧損亦增強(qiáng)。砂巖中Th、Re、V、Mo含量與U含量呈正相關(guān)關(guān)系，所以Th、Re、V、Mo可作為鈾礦富集的指示元素[11]。

圖6 砂巖物源U-ΣREE、U-δEu、U-δCe關(guān)系

6 鎮(zhèn)原地區(qū)鈾成礦探討

綜合環(huán)河組砂巖地球化學(xué)特征分析，可以推測(cè)出下白堊統(tǒng)環(huán)河組鈾礦化主要形成于弱氧化-弱還原沉積過渡環(huán)境，在氧化條件下，U6+隨流體遷移至還原環(huán)境，變?yōu)閁4+發(fā)生沉淀，在氧化還原過渡帶與有機(jī)質(zhì)、硫化物和油氣等還原物質(zhì)結(jié)合進(jìn)而聚集成礦。

綜合研究分析地質(zhì)調(diào)查以及油田資料，發(fā)現(xiàn)鎮(zhèn)原地區(qū)發(fā)育小型斷裂，主要為NS、NEE、NWW向，其中NEE向斷裂可能為喜山運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，切穿中侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)，在野外涇川組露頭也發(fā)現(xiàn)多條斷層(NEE向，傾向155°～160°，傾角60°～80°)，結(jié)合鉆孔中觀察到微裂隙，并充填碳酸鹽細(xì)脈，在裂隙面往往發(fā)育團(tuán)簇狀、星點(diǎn)狀黃鐵礦化。表明斷層具有連通性，鉆孔及地表發(fā)現(xiàn)大量油浸砂巖，并且在環(huán)河組發(fā)現(xiàn)厚度不等的油氣還原砂巖，通常伴生鈾礦化及異常。此外，天環(huán)坳陷西翼構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈，產(chǎn)生大量破碎帶及裂隙，含氧含鈾水滲入后，加上斷裂為深部油氣提供了向上運(yùn)移的通道，大大提升了還原容量。目前在該部位環(huán)河組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)工業(yè)礦體，下白堊統(tǒng)洛河組油田鉆孔也存在厚大天然伽馬異常，充分顯示天環(huán)坳陷中心是下白堊統(tǒng)層間氧化滲入型鈾礦形成的有利成礦部位。另外，由于砂體上部的泥巖的隔水頂板作用，使得在砂體上部聚集了大量的油氣，并且沿砂體向氧化帶方向運(yùn)移，形成氧化-還原地球化學(xué)障，將活化的U6+還原成U4+鈾礦物進(jìn)而聚集成礦，形成環(huán)河組大面積鈾異常，持續(xù)運(yùn)移的油氣流體為鈾礦體提供還原環(huán)境，避免了鈾礦體再次活化遷移。

7 結(jié) 論

1)鎮(zhèn)原地區(qū)環(huán)河組含鈾砂巖主量元素反映其可能來自古老沉積地體或克拉通/再旋回造山帶的石英巖沉積物源區(qū)；根據(jù)CIA指數(shù)判斷，物源區(qū)風(fēng)化程度處于弱風(fēng)化水平；富集LREE，虧損HREE；U與Th、Re、Mo、V元素呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與Mo元素相關(guān)性較明顯，可作為鈾礦富集的指示元素。

2)鎮(zhèn)原地區(qū)不同地球化學(xué)類型巖石環(huán)境指標(biāo)特征可得環(huán)河組下段從棕紅色、淺黃色到灰綠色再到灰黑色，全硫及有機(jī)炭呈遞增趨勢(shì)；環(huán)河組上段從淺黃色到黃綠色再到灰色，全硫及有機(jī)碳呈遞增趨勢(shì)；灰黑色巖石發(fā)生了更強(qiáng)的還原蝕變。

3)鎮(zhèn)原地區(qū)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，結(jié)合鉆孔中觀察到的現(xiàn)象，推測(cè)油氣還原作用為下白堊統(tǒng)環(huán)河組鈾成礦起到了積極作用，且持續(xù)擴(kuò)散運(yùn)移的油氣為鈾礦體提供還原環(huán)境，避免再次活化遷移。