張建軍, 牟傳龍, 劉成東, 夏彧, 伍皓, 陳婷, 吳波

(1.東華理工大學地質調查研究院, 南昌 330013; 2.成都地質調查中心, 成都 610081;3.東華理工大學水資源與環(huán)境工程學院, 南昌 330013; 4.陜西省一三一煤田地質有限公司, 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)利用是實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑,具有廣闊的市場前景。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,戶撒盆地新進發(fā)現(xiàn)了鈾礦化顯示[1-2]。文獻[3-4]開展沉積特征、成礦條件、成礦年齡以及水文地質特征等方面的研究工作,但缺乏對該盆地古氣候特征與鈾成礦作用的相關研究。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,一些元素對古氣候環(huán)境十分敏感,導致元素在巖石中呈不均勻分布,文獻[7-8]采用這些元素來恢復沉積期古氣候特征。泥巖具有成分相對均一、受成巖期后流體影響作用小等優(yōu)點,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象,利用元素地球化學方法恢復古氣候特征,探討古氣候與鈾成礦關系,以期彌補該區(qū)域元素地球化學研究的缺失,同時為探討鈾成礦與古氣候之間的關系提供了地球化學依據(jù)。

1 地質背景

戶撒盆地位于騰沖地體之上(圖1),東側為歐-亞板塊,西側為印度板塊。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、變質巖以及新近紀沉積巖,混合花崗巖、變質巖為盆地基底[12],位于盆地周緣,新近紀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 樣品與實驗

為了研究古氣候與砂巖型鈾礦成礦關系,選取戶撒盆地新施工鉆孔YZ-45(鉆井位置如圖1所示)為研究對象,結合測井資料對放射性異常層位(芒棒組第二、三段)進行系統(tǒng)觀察、采樣,在巖心標本觀察和薄片顯微鏡鑒定的基礎上選取29個典型樣品開展室內測試工作(采樣編號、深度如表1所示)。首先將樣品編號、打包送至河北省廊坊市誠信地質服務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試、一份用于微量元素測試、另一份備用。主量元素采用X熒光光譜法分析,詳細測試過程如下: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,最后儀器測定,儀器型號為Axios。微量元素采用等離子質譜儀分析,詳細測試過程為: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,重復一次;接著加入1 mL 內標溶液、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 后用于分析測試,測試儀器型號為iCAP-Q,精度誤差小于5%。主量元素、微量元素測試均在中國地質調查局成都地質調查中心的國土資源部沉積盆地與油氣資源重點實驗室完成。

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比[14]可知,Ga、Zn、U、Rb、Th元素相對富集,Cu、Ni、Cr、Co元素相對虧損,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準化蛛網(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準化如圖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,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指示相對溫暖潮濕環(huán)境;低Fe/Mn指示相對干旱炎熱環(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、搬運程度,通常認為:sa≤4,源巖以化學風化為主,氣候濕潤,淋濾、溶解、搬運程度高;sa>4,源巖以物理風化為主,氣候干燥,淋濾、溶解、搬運程度低[22]。樣品sa平均為2.00(1.67～2.43),小于4。REE也是源巖化學風化作用的判斷指標,(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(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水體氧化還原狀態(tài)的控制,從而導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負異常。通常認為: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。以北美頁巖為標準值計算出Ce異常計算值也是氧化-還原環(huán)境判斷指標,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。搬運過程中元素Cr、Ni多與碎屑顆粒一起搬運,而元素V多與有機質結合,此外還原環(huán)境有利于有機質的保存,而氧化環(huán)境則不然,通常認為: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Ce/La>2.0時,指示還原環(huán)境;當Ce/La比值為1.5～1.8時,指示貧氧環(huán)境;當Ce/La<1.5時,指示氧化環(huán)境[圖6(a)]。V/(V+Ni)>0.84指示水體分層性強,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[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準

4.4 古氣候與鈾成礦

不同時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若為溫暖-潮濕古氣候條件,則有利于容礦層中還原介質(如煤、碳質、硫化物等)的富集;后期成礦時期為炎熱-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空分布[29]。

沉積盆地中砂巖型鈾礦富集成礦過程實質是鈾儲層中還原介質對可遷移的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,還原介質重要性主要體現(xiàn)在限制成礦時期層間氧化帶的發(fā)育,在鈾儲層砂體中構建起氧化-還原地球化學障[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)及有機質碎屑顆粒相吻合,地層還原容量充足,芒棒組第二段是良好的鈾儲層。此外,溫暖潮濕環(huán)境下化學風化作用強烈,更有利于蝕原區(qū)鈾的活化和淋濾,沉積物的搬運介質-水體中具有更高鈾濃度,并匯聚到水流相對滯流區(qū)域(靜水區(qū)),造成該區(qū)域水體中鈾濃度升高,而此時形成于水流相對滯流區(qū)域(靜水區(qū))的暗色泥巖因含有較高濃度的有機質或還原或吸附水體中鈾離子而發(fā)生強烈預富集作用,從而導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因壓實作用,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層中,從而導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,也就制約了早期預富集鈾的再次活化、遷移、富集。然而,當成礦期水體由還原環(huán)境過渡為氧化-還原環(huán)境時,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。