楊 燁

(1.核工業(yè)北京地質研究院,北京 100029;2.中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室,北京 100029)

新疆準噶爾盆地東緣卡姆斯特地區(qū)為中國北方砂巖型鈾礦找礦的熱點區(qū)域,中上侏羅統(tǒng)石樹溝群為該區(qū)砂巖型鈾礦重點找礦層位。近年來有學者從地層結構、構造、巖性、巖相、地貌、水文地質、古氣候環(huán)境等方面對石樹溝群進行了研究,認為該地層砂巖型鈾成礦條件好(金若時等,2014;王果等,2016;楊燁等,2016;孫瀟等,2019;杜杰等,2017;冀華麗等,2021;劉明等,2021),但針對石樹溝群物源的研究偏少。

鈾是大離子親石元素,傾向于在酸性巖中富集。砂巖型鈾礦賦礦層源巖性質與鈾成礦關系密切,酸性源巖有利于沉積地層中鈾的預富集,沉積之后亦為鈾成礦提供有利的鈾源,所以沉積源巖為酸性巖是砂巖型鈾成礦有利的判別標志之一。沉積巖記錄著源區(qū)物質成分、構造環(huán)境等豐富且重要的信息(龍曉平等,2008;楊仁超等,2013;張賓等,2020;王海濤,2022)。沉積巖的地球化學特征是追蹤沉積物源類型、恢復和重建古構造背景的重要指標(杜遠生等,2006;Nance et al., 1976;石威科等,2020;劉成東等,2023)。筆者通過研究卡姆斯特地區(qū)中上侏羅統(tǒng)石樹溝群下段砂巖的物質成分、元素地球化學特征,揭示其沉積物質源巖類型及形成環(huán)境,探討其對砂巖型鈾成礦的影響,為進一步研究卡姆斯特地區(qū)砂巖型鈾成礦條件提供依據。

1 區(qū)域地質背景

研究區(qū)位于喀拉薩依單斜帶東端部位,緊鄰卡拉麥里造山帶,北部出露泥盆系火山巖,局部為石炭紀、志留紀酸性侵入巖;東部出露卡拉麥里石炭紀花崗巖,石炭系變質碎屑巖、火山巖;南部出露泥盆系火山巖,局部為石炭紀酸性侵入巖。喀拉薩依單斜帶位于克拉美麗山以北,喀拉薩依斷裂以南,東西走向,長約50 km,寬為15～18 km,面積約850 km2(王學斌等,2014),如圖1所示。喀拉薩依單斜帶南高北低,東高西低,地表坡度平均為1°。底部傾角平均為1°～2.5°,地層由南向北加厚,表現為緩傾的單斜構造,為砂巖型鈾成礦有利的構造單元?？_依斷裂為逆沖斷裂,傾向北,傾角為47°,長度為47 km,最大斷距為1 km,斷開層位為三疊系和侏羅系,該斷裂是喀拉薩依單斜帶區(qū)域性地下水排泄構造。研究區(qū)沉積蓋層為侏羅系、新近系、第四系,具體描述見圖2,其中侏羅系石樹溝群和西山窯組分別為主要賦鈾層和鈾礦化層。

圖2 研究區(qū)綜合柱狀圖Fig.2 Generalized column of the study area

2 樣品采集及分析

筆者采集了28件砂巖樣品和23件物源區(qū)樣品。其中砂巖樣品采自卡姆斯特地區(qū)ZK-1、ZK-2、ZK-3鉆孔(圖1)中上侏羅統(tǒng)石樹溝群下段(圖2)新鮮無污染的巖芯,采樣深度為465～770 m。物源區(qū)樣品采自卡拉麥里造山帶地表露頭,采樣位置見圖1,樣品為新鮮或風化程度弱的中酸性巖漿巖?；瘜W分析在核工業(yè)北京地質研究院分析測試研究中心完成。常量元素使用荷蘭Philips公司生產的PW2404型號X射線熒光光譜儀測定,精度優(yōu)于5%。微量元素使用Finnigan-MAT公司生產的ELEMENT XR型號高分辨電感耦合等離子質譜儀(HR-ICP-MS)測定,精度優(yōu)于10%。

3 源巖分析

研究區(qū)石樹溝群下段為溫暖濕潤氣候下近物源的辮狀河-辮狀河三角洲相粗碎屑沉積,表明碎屑沒有經歷長期、長距離的搬運和分選。通過對石樹溝群砂巖鏡下鑒定,砂巖碎屑顆粒中石英含量為33%～60%,長石含量為8%～14%,巖屑含量為30%～55%,雜基含量為3%～10%,膠結物含量為1%～4%。碎屑分選差-中等,磨圓度差,呈棱角-次棱角狀,顆粒支撐,孔隙式膠結(圖3a)。長石以條紋長石、微斜長石、斜長石為主,其中斜長石常見聚片雙晶。巖屑以花崗巖巖屑、酸性火山巖巖屑、脈石英巖屑、云母為主,見少量板巖巖屑、泥巖巖屑、燧石(圖3b)。雜基主要為黏土礦物,以高嶺石、蒙皂石為主,其次為伊利石及綠泥石。膠結物主要為碳酸鹽及少量沸石。砂巖成巖固結作用較弱,巖石較為疏松。砂巖巖屑含量高,巖屑成分復雜,成分成熟度低,以巖屑砂巖為主,為近物源的沉積,搬運距離近,分選作用弱,碎屑特征能反映其源區(qū)的性質。

圖3 研究區(qū)石樹溝群砂巖顯微鏡下照片Fig.3 Microscope images of sandstones of Shishugou group in the study area

砂巖SiO2含量為64.32%～74.02%,ω(SiO2)/ω(Al2O3)值為4.19～6.29(表1),反映砂巖成分成熟度低,為近物源沉積,這與顯微鏡下薄片鑒定結果一致。將樣品投于ω(Al2O3)-ω(CaO+Na2O)-ω(K2O)三角圖中(圖4),樣品整體呈現出與ω(Al2O3)-ω(CaO+Na2O)邊界平行的趨勢,顯示砂巖成分的主要控制因素為風化作用,沉積期后的成巖作用對砂巖化學成分影響小(McLennan et al., 1993)。

表1 卡姆斯特地區(qū)石樹溝群砂巖常量元素含量

圖4 ω(Al2O3)-ω(Cao+Na2O)-ω(K2O)圖解Fig.4 Ternary diagram of ω(Al2O3)-ω(CaO+Na2O)-ω(K2O)

研究區(qū)石樹溝群砂巖微量元素含量(表2)和上地殼標準化蛛網圖(圖5)顯示Cs、U、Cr、Hf富集,Nb、Ta、Th虧損,表明沉積母巖為富鈾巖石。

圖5 研究區(qū)石樹溝群砂巖微量元素上地殼標準化蛛網圖(Taylor et al., 1985)Fig.5 Upper crust normalized trace element spider diagrams of sandstones from Shishugou group in the study area

稀土元素具有不可溶性,在風化、搬運過程中呈顆粒搬運,受沉積環(huán)境、成巖作用等影響小,所以碎屑巖中的稀土元素含量及特征主要受控于源區(qū)巖石成分,因此稀土元素可用于反應物源及源區(qū)構造背景(Fleet, 1984;McLennan, 1989)。沉積巖對其源巖的稀土元素具有強繼承性,稀土元素中的Eu異常程度是示蹤沉積物源的重要參數。源自上地殼的稀土元素具有輕稀土富集、重稀土含量穩(wěn)定、Eu負異常明顯的特點(Shao et al., 2001)。長英質巖具有高LREE/HREE值、Eu負異常明顯的特點;鐵鎂質巖具有低LREE/HREE值、Eu弱負異常或無異常特點(Cullers, 2000)。若沉積源巖為花崗巖,則沉積巖具Eu負異常;若沉積源巖為玄武巖,沉積巖具Eu無負異常(劉英俊等,1987)。

將28件砂巖稀土元素含量用球粒隕石標準化,稀土元素配分曲線整體形態(tài)相似,只是隨含量變化平行上下移動,顯示沉積物具有同源性(表3,圖6a)。稀土元素配分模式呈向右傾斜模式,LREE/HREE值為5.51～9.33,平均值為7.42;LaN/YbN值為4.50～8.51,平均值為6.43;輕稀土富集,重稀土虧損;δEu值為0.16～0.76,平均值為0.60,Eu具負異常,顯示沉積源巖為花崗巖或長英質巖。在ω(La/Yb)-∑REE源巖判別圖解中(圖7),樣品落在花崗巖和沉積巖兩種巖性交匯區(qū)及沉積巖區(qū),顯示沉積源巖為花崗巖和沉積巖。

圖6 研究區(qū)石樹溝群砂巖稀土元素球粒隕石標準化配分圖(Taylor et al., 1985)Fig.6 Chondrite normalized REE patterns of sandstones from Shishugou group in the study area

圖7 ω(La/Yb)-∑REE源巖判別圖解Fig.7 Source rock discrimination diagram of ω(La/Yb)-∑REE

將23件物源區(qū)樣品稀土元素含量用球粒隕石標準化,稀土元素配分模式整體呈右傾模式(表3,圖6b),LREE/HREE值為2.04～11.44,平均值為5.82;LaN/YbN值為1.09～16.91,平均值為5.34;輕稀土富集,重稀土虧損;δEu值范圍為0.01～1.13,平均值為0.47,除樣品Y10具有弱的正異常,其他均為負異常。可以看出,研究區(qū)砂巖與物源區(qū)的稀土元素配分特征具有較好的相似性,沉積物源主要來自卡拉麥里造山帶。碎屑巖中K、Rb能反映沉積物源區(qū)特征(Floyd et al., 1989),在ω(K2O)-ω(Rb)源巖判別圖解中(圖8a),樣品ω(K/Rb)值集中,均落在中酸性巖區(qū)域,顯示石樹溝群沉積物主要來源于中酸性巖。在ω(Co/Th)-ω(La/Sc)源巖判別圖解中(圖8b),樣品多數落在長英質火山巖與安山巖之間,有3個樣品落在花崗巖附近區(qū)域,顯示沉積物源以長英質火山巖為主,部分為花崗巖。在ω(TiO2)-ω(Ni)源巖判別圖解中(圖8c),多數樣品落在酸性巖區(qū)域,3個樣品落在酸性巖區(qū)域外,顯示沉積物源以酸性巖為主。在ω(La/Th)-ω(Hf)源巖判別圖解中(圖8d),多數樣品落在長英質源和混合長英質/基性源區(qū)域,2個樣品落在上地殼區(qū)域,2個樣品落在增加古老沉積物成分區(qū)域,顯示沉積物源巖以長英質巖為主,部分為古老沉積物。砂巖巖相學特征、常微量元素特征及各源巖判別圖解特征顯示,沉積源巖以花崗巖、酸性火山巖為主,部分源巖可能為古老沉積物。

圖8 源巖判別圖解Fig.8 Source rock discrimination diagrams

4 源巖構造背景

運用構造背景圖解對研究區(qū)28件砂巖樣品進行源巖構造背景判別(圖9)。如圖9所示,在ω(F1)-ω(F2)構造環(huán)境判別圖解中(圖9a),樣品落在大陸島弧和活動大陸邊緣區(qū),指示石樹溝群源巖的構造背景與大陸島弧-大陸邊緣有關。在ω(Al2O3/SiO2)-ω(TFe2O3+MgO)構造環(huán)境判別圖解中(圖9b),多數樣品落在活動大陸邊緣區(qū),部分落在大陸島弧區(qū),指示石樹溝群源巖的構造背景與活動大陸邊緣有關,部分與大陸島弧有關。在ω(TiO2)-ω(TFe2O3+MgO)構造環(huán)境判別圖解中(圖9c),多數樣品落在活動大陸邊緣區(qū),部分樣品落在大陸島弧區(qū),個別樣品落在活動大陸邊緣上方區(qū)域,指示石樹溝群源巖的構造背景與活動大陸邊緣有關,部分與大陸島弧有關。在ω(Zr)-ω(Th)構造環(huán)境圖解中(圖9d),多數樣品落在大陸島弧區(qū),2個樣品落在活動大陸邊緣區(qū),1個樣品落在被動大陸邊緣區(qū),指示石樹溝組源巖的構造背景與大陸島弧有關,部分與活動大陸邊緣有關。上述構造背景判別圖解特征顯示,石樹溝群源巖的構造背景為活動大陸邊緣-大陸島弧,與古生代準噶爾地塊與西伯利亞板塊的俯沖、碰撞,以及卡拉麥里造山活動相關,在板塊俯沖碰撞過程中,形成的古生代巖漿巖中富集了鈾。

圖9 源巖構造背景判別圖解Fig.9 Tectonic setting discrimination diagrams of source rocks

5 結論

(1)卡姆斯特地區(qū)石樹溝群砂巖以巖屑砂巖為主,成分及結構成熟度低,為近物源沉積,未經歷高度分選,成巖作用對化學成分影響弱,其地球化學特征能夠指示源特征。

(2)石樹溝群砂巖具Cs、U、Cr、Hf富集,Nb、Ta、Th虧損的特點;其輕稀土富集、重稀土虧損、Eu具負異常,稀土元素特征與卡拉麥里造山帶中酸性巖漿巖具有相似性。

(3)砂巖源巖判別顯示其母巖主要為中酸性巖漿巖,指示卡姆斯特地區(qū)石樹溝群砂巖的沉積母巖主要來自卡拉麥里造山帶的富鈾中酸性巖漿巖;富鈾母巖為砂巖型鈾成礦提供物質來源。