有机碳与微量元素成矿作用机理研究——以新疆511砂岩型铀矿床某号勘探线为例

曾爱花， 潘家永

(东华理工大学地球科学学院，江西 抚州 344000)

有机碳与微量元素成矿作用机理研究
——以新疆511砂岩型铀矿床某号勘探线为例

曾爱花， 潘家永

(东华理工大学地球科学学院，江西 抚州 344000)

为了探求有机碳与微量元素对成矿作用的影响，以新疆511砂岩型铀矿床某号勘探线为例对两者的关系进行了研究。511砂岩型铀矿床位于新疆伊犁盆地南缘，产于侏罗系水西沟群组含煤碎屑岩的沉积地层中。矿床受岩相、层间氧化带、水文地球化学等多种因素控制。在某勘探线的8个钻孔中采集到37个样品，并对样品进行了测定。利用相关系数对有机碳、微量元素和铀的富集规律做了分析。研究认为，矿化与有机碳密切相关，与成矿有关的有机碳主要是一种浅变质的植物碎屑。成矿元素铀、硒、铼等在层间氧化带各个亚带中的不均匀分布，主要与有机碳的氧化-还原程度有关。

元素成矿；有机碳；砂岩型铀矿床；新疆

曾爱花，潘家永.2014.有机碳与微量元素成矿作用机理研究——以新疆511砂岩型铀矿床某号勘探线为例[J].东华理工大学学报：自然科学版，37(4)：367-372.

Zeng Ai-hua，Pan Jia-yong.2014.Relationship between organic carbon and elements mineralization—— Taking one of prospecting line of 511 uranium deposit as example[J].Journal of East China Institute of Technology (Natural Science), 37(4)：367-372.

511铀矿床是中国最早发现的可地浸砂岩型铀矿床之一，因其矿体厚、铀资源规模大、含矿砂岩疏松、可地浸、开采成本低而受到高度重视，成为当今铀矿床学研究的重要矿床类型之一(张金带，2003)。自1990年代以来，我国针对砂岩铀矿床的研究工作，主要集中在铀成矿作用和成矿特征方面，对伴生微量元素特征研究缺乏系统性，有关有机碳与元素成矿作用之间的关系研究更少。近年来在该矿床，已发现有Se，Re等分散元素超常富集现象(王正其等，2006),并在该矿床某号线勘探过程中发现的大量的植物碎屑(曾爱花等，2012),因此，探讨该铀矿床中有机碳与成矿元素的关系，对砂岩铀矿床成因机理研究、找矿预测、伴生组分的综合回收利用等具有重要意义。本文通过系统取样、分析测试、对比研究，较完整地揭示了511砂岩铀矿床元素成矿富集规律与有机碳之间的关系。

1 矿床地质概况

伊犁盆地处于哈萨克斯坦板块伊犁微板块内，是在石炭纪-二叠纪弧间裂隙槽基础上发展演化而成的陆相中新生代山间盆地，呈东窄西宽的楔形体，向西延伸进入哈萨克斯坦共和国境内。石炭纪-二叠纪的陆相火山碎屑岩、酸性火山岩构成盆地基底，呈北陡南缓的不对称构造形态，构造格局总体为北强南弱，南缘由南往北总体呈简单的构造单斜带(王正其等，2006，图1)。511矿床位于新疆察布查尔县境地内(伊犁盆地南缘)，其大地构造位置属伊犁盆地南缘单斜带西部。

矿区地层包括下-中侏罗统水西沟群(J1-2sh)、白垩系、古近系、新近系、第四系，产状平缓，倾角3°～8°。含矿岩系水西沟群呈超覆不整合于基底之上，为一套潮湿气候条件下沉积的暗色含煤碎屑岩系，自下而上可划分为八个沉积旋回，其中I-IV旋回形成由冲积扇-扇平原相辫状河沉积的灰色粗碎屑岩，V旋回以扇三角洲体系沉积为特征，主要形成一套含砾粗砂岩、中-粗砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩、泥岩和煤岩等。上部VI-VIII旋回以水退型三角洲-河流相沉积为主。V旋回砂体在剖面上呈泥-砂-泥结构，砂体平均厚约18 m，构成511铀矿床的主要赋矿层位。

511矿床属于后生淋积成因的疏松砂岩型铀矿床，含铀物质通过地下水的迁移、搬运在氧化还原过渡带富集成矿。研究表明，层间水中游离氧与围岩中有机碳及变价元素(S，Fe、成矿元素等)之间发生的氧化还原反应，导致层间氧化带不同分带地球化学性质(如Eh，pH)不同并发生铀成矿作用(王正其等，2007)。该矿床的矿带呈东西向展布(总体走向)，局部走向变化很大。矿体呈“卷”状，走向总体近东西向；断续延伸长度约2 800 m，宽度数十米至200 m，厚度变化较大，以“卷头”部位最厚；矿体埋深约220～250 m。

铀元素主要呈吸附状态和铀矿物形式存在，其中，铀矿物主要为沥青铀矿及少量铀石。已有的研究表明，沥青铀矿为显微粒状或超显微粒状，属弱氧化程度，常与乳滴状，星点状草霉黄铁矿及炭屑共生(闽茂中等，2003)。

图1 伊犁盆地结构示意图(据王正其等,2006修改)Fig.1 Structural diagram of Yili basin

2 样品采集与分析方法

511铀矿床为一隐伏砂岩型矿床。矿区地表广泛为第四系覆盖，矿体埋深最浅约190 m。所有样品均采自钻孔岩芯。样品采集实施连续分段劈半取样法。采集层位为V旋回砂体，采集对象为铀矿石及其围岩，氧化带、氧化-还原过渡带、还原带的矿石与围岩分别采集。

本次研究工作分别在某勘探线的8个钻孔中共采集样品37个。分析项目包括Fe2+， Fe3+、有机碳含量，S，Se，Mo，V，Re，Th和U等元素含量。

样品粉碎到250目后，缩分出适量样品，送往国土资源部武汉矿产资源监督检测中心(武汉综合岩矿测试中心)测试待研究组分的含量。用岩石中微量铀的分析方法(TBP萃淋树脂色层分离分光光度法，标准方法编号为EJ 349.2-1988)分析岩石与矿石样品中铀含量；用氢化物无色散原子荧光法(标准方法编号为DZG 1993-03)测定岩石中硒含量；用ICP-MS分析其他微量元素含量；用元素分析仪与质谱联机(EA-MAT253)在线分析样品中有机碳与硫的含量及其同位素组成。

3 有机碳的特征

3.1 有机碳类型

511砂岩铀矿床中有机碳是一种对成矿元素有还原作用的有机物质，主要为一种浅变质的植物碎屑(浅变质的植物碎屑横切面及细胞腔，部分已变形破碎，图2)，这种植物碎屑在微生物如厌氧细菌的参与下通过一系列分解反应，产生H2S，CH4等烃类气体，导致有机质周围的Eh值急剧下降，并能使介质由碱性向中性转变，最终使水溶液中的U6+，Se6+，Re7+等还原沉淀。

511矿床中，被有机质还原的铀等元素，首先附着于有机体内，当有机质含量较高时，产生的还原气体浓度高，易扩散到周围并被粘土所吸附，导致部分铀等元素矿物沉淀于砂岩的泥质填隙物中，造成铀等元素矿物充填于植物细胞腔，或分布在泥质填隙物中。另外，由于有机质由氧化带向过渡带迁移，造成过渡带有机碳含量明显偏高，导致产生高反差的地球化学障，使得高品位大厚度的卷状矿体形成。

3.2有机碳、铁、硫元素在层间氧化带中的富集特征

在层间氧化带砂岩中，有机碳(Corg)含量是还原地球化学环境的重要指示参数，此外，铁的价态、化学物相等是层间氧化带砂岩型铀矿研究的重要内容之一，也是层间氧化带分带和判别成矿地球化学环境的重要依据(刘杰等，2013)。本研究在511铀矿床某号勘探剖面(图3)系统采集砂岩样品17个，分别进行Fe2+，Fe3+、有机碳含量、硫等分析测试。

分析结果表明(表1)，氧化带砂岩中有机碳平均含量为0.25%(n=3)，而原生带砂岩中较低(0.14%，n=4)，且变化不大。但过渡带砂岩中有机碳含量变化范围较宽(0.08%～53.99%)，平均值为10.77%(n=10)。说明有机碳在氧化带砂岩中由于强烈的氧化作用，绝大部分已经被氧化，或者随着流体迁移到过渡带中。另一方面,过渡带砂岩中有机碳含量过高，是因为过渡带中氧化作用较弱，更可能的是大量有机碳随流体从氧化带砂岩中迁移出来，进入到过渡带(向伟东，2000)。

图2 有机碳的镜下鉴定特征Fig.2 The features of organic carbon observed under microscope

图3 某号勘探线含矿含水层钻孔剖面图Fig.3 Section of drill hole in mine-bearing and water-bearing strata along No.x exploration line

全硫的平均含量，在氧化带砂岩中为0.04%，过渡带砂岩中为0.47%，原生带砂岩中为0.048%。其变化与有机质一致，与层间氧化带所处的氧化-还原环境变化相对应。同时，硫还是层间氧化带中次生矿物FeS2矿物的主要组成元素，其含量与铁矿物的次生变化紧密相关，过渡带中FeS2矿物的大量富集，也是过渡带中硫含量增高的原因之一。

过渡带中Fe2+含量与氧化带砂岩中Fe2+含量相近，分别为0.11%，0.15%(表1，图4)，原生带砂岩中平均含量为0.15%。Fe3+在氧化、过渡、原生带中的平均值分别为1.31%，0.37%，0.16%。

表1 某号勘探剖面岩石化学成分分析结果Table 1 The elements of one section rock chemistry analysis

图4 某号勘探线有机碳、S，Fe2+， Fe3+、含量变化曲线Fig.4 Organic carbon，S，Fe2+and Fe3+ of No.x section line

由于Fe2+在不同环境中变化不明显，所以用Fe3+/Fe2+比值作为判别地球化学酸碱性环境指数，一般认为，Fe3+/Fe2+<3.5，为弱酸性地球化学环境， Fe3+/Fe2+>6.5，为弱碱性地球化学环境(秦明宽，1997)，511矿床氧化带、过渡带、还原带中Fe3+/Fe2+平均比值分别8.8，3.4，0.9，表明过渡带已经进入弱酸性的地球化学环境，有利于从氧化带中溶蚀迁移来的U4+的结晶沉淀。而Fe3+/Fe2+比值以氧化带最高，还原带最低。由氧化带到还原带，该比值快速降低。表明黄铁矿(图5)的生成是因为Fe2+在过渡带中的大量存在有关。

在某号勘探线，硫的含量、Fe2+的含量都比前人测试的含量低，这充分说明地质体在地质作用过程中不是一成不变的。有机碳、Fe3+/Fe2+比值的变化还是有规律性的。以上分析结果表明，氧化-还原过渡带属于层间氧化带中的一个弱酸性(Fe3+/Fe2+<3.5)地球化学带，与氧化带中的弱碱性(Fe3+/Fe2+>6.5)地球化学环境组合，在此有利于形成流体中铀酰络合离子吸附沉淀的酸碱地球化学障。

3.3 有机碳、黄铁矿与成矿元素的相互作用

成矿元素U和Se，Re均属氧化还原敏感变价元素，在氧化条件下有较强的活动性，易形成Re7+，Se6+，U6+等易溶化合物溶入含氧地表水，当含氧地表水渗流至氧化还原过渡带、与砂岩中还原剂相遇时，硒与铀等氧化还原敏感变价元素就会被有机碳还原，由高价态转变为低价态，从而失去活动性并于氧化-还原过渡带富集(王正其等,2006)。以某号勘探线分析出来的元素数据，研究有机碳与成矿元素之间的相关性(表2)是具意义的。

图5 黄铁矿的镜下鉴定特征Fig.5 The features of organic carbon observed under microscope

表2 成矿元素与Corg，S，Fe3+/Fe2+相关系数表Table 2 The correlation-coefficient among metallogenic element and Corg，S，Fe3+/Fe2+

从表1，2可以看出：

(1)U的平均含量，在氧化带砂岩中为8.85 μg/g，过渡带砂岩181.32 μg/g，原生带砂岩中是17.47 μg/g。在过渡带上平均含量达到最高，进一步证实了六价铀在氧化条件下迁移；U与Fe3+/Fe2+、有机碳都成负相关，说明U是在Fe3+/Fe2+和有机碳减少的条件下沉淀富集。

(2)V平均含量，在氧化带砂岩中为17.15%原生带砂岩中为29.92%，过渡带砂岩中其含量平均值为21.45 μg/g，波动较平缓。V与有机碳的相关系数为-0.36，与Fe3+/Fe2+相关系数为0.16，说明了V的富集受环境的影响较小。

(3)Mo在氧化带砂岩中的平均含量为0.85 μg/g，过渡带砂岩2.02 μg/g，原生带砂岩中是1.63 μg/g。钼与有机碳、Fe3+/Fe2+的相关系数分别为-0.2、-0.19，表明Mo元素的变化，与Fe3+/Fe2+和有机碳两者关系相当，均呈负相关性。

(4)Se的平均含量，在氧化带砂岩中为2.21 μg/g，过渡带砂岩1.51 μg/g，原生带砂岩中是0.43 μg/g。Se与Fe3+/Fe2+的相关系数为0.45，说明在氧化条件下更利于Se的富集。Se与有机碳的相关系数呈-0.17，这可能跟有机碳的吸附作用有很大的关联。

(5)Re的平均含量，在氧化带砂岩中为2.3 μg/g，过渡带砂岩256.9 μg/g，原生带砂岩中93.41 μg/g。Re与有机碳的相关系数为-0.12，与Fe3+/Fe2+为-0.16。比较Re，U两元素在与有机碳、Fe3+/Fe2+的相关系数，可推断Re，U的富集对环境的要求基本一致。

(6)Th的平均含量在氧化-还原过渡带砂岩中变化不大，分别为5.27 μg/g，过渡带砂岩5.76 μg/g，原生带砂岩中4.25 μg/g。Th与有机碳、Fe3+/Fe2+相关系数均很小(0.04，0.03)，说明Th的富集几乎不受环境影响。

(7)S与有机质的相关系数高达0.79，且S与Fe3+/Fe2+呈负相关(-0.04)，说明过渡带中二价铁和硫含量增高，加上有机碳的还原作用，都是导致FeS2矿物的大量富集于过渡带的重要原因。

4 结论

(1)发生层间氧化作用前，成矿主岩曾经发生了广泛的成岩溶蚀作用，这可能与成矿岩系-中下侏罗统水西沟群内已经达到成熟状态的大量有机质有关，溶蚀作用使水西沟群砂岩变得疏松而多孔，为后生层间氧化带的发育和成矿提供了有利条件。

(2)成矿主岩中铀含量高低和有机碳丰度直接影响了层间氧化带的含矿性。

(3)有机碳和硫元素在剖面线上的变化规律基本一致。

(4)成矿元素在线上的富集具有分带性：Mo略偏向铀矿体的前方原生岩石一侧；Se偏向铀矿体的后方局部氧化亚带一侧；Re与U相似，主要在过渡带上成矿。

(5)Re，Mo，V与U含量之间的相关性最好，Se元素与U含量之间的相关性较差。说明Se，Re，Mo，V元素的地球化学性质与U元素虽具有相似性，但元素富集的地球化学条件存在一定差异。成矿元素富集分带是层间氧化带分带性、地球化学障特征、元素地球化学特性差异以及有机质的参与等因素综合所致。

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RelationshipBetweenOrganicCarbonandElementsMineralization—— Taking one of Prospecting Line of 511 Uranium Deposit as example

ZENG Ai-hua， PAN Jia-yong

(Faculty of Earth Sciences, East China Institute of Technology, Fuzhou, JX 344000,China)

To find the effect of organic carbon, trace elements on the mineralization, 511 sandstone type uranium deposit was chosen as an example, which locates on the Southern Yili basin of Xinjiang, mineralized in Jurassic Shuixi Channel Group strata. The deposit controlled by such factors as lithofacies, interlayer oxidation, hydro-geochemistry,etc. 37 samples collected from 8 drills of one section of 511 deposit, analyzed by authorized institution. With the data from experience, the correlation coefficient among organic carbon, S，Fe2+and Fe3+and uranium was calculated.The conclusion is that the mineralization has a direct relation with organic carbon which is one kind of Low-grade metamorphic plant scrap. The distribution of main elements as mineralization including uranium, selenium, rhenium are not even, mainly affected by the organic carbon oxidation-reduction.

element mineralization； organic carbon; sandstone uranium deposit; Xinjiang

2013-11-25

国家自然科学基金项目(40872072)

曾爱花(1974—)，女，硕士，主要从事地球化学方面的教学科研工作。E-mail：aihzeng@ecit.cn

10.3969/j.issn.1674-3504.2014.04.003

P619.4

A

1674-3504(2014)04-0367-06