巴音塔拉凹陷呼和砂岩型铀矿床微量元素地球化学特征

李仁泽，刘成东，李志文，梁 良

(东华理工大学 省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地，江西 南昌 330013)



巴音塔拉凹陷呼和砂岩型铀矿床微量元素地球化学特征

李仁泽，刘成东，李志文，梁 良

(东华理工大学 省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地，江西 南昌 330013)

巴音塔拉凹陷呼和砂岩型铀矿床矿体主要赋存于下白垩统赛汉组(K1bs)下段辫状河相砂体中。对该矿床的铀矿石、矿化岩石和围岩样品进行微量元素和稀土元素地球化学分析表明：铀矿石、矿化岩石和围岩中明显富集Mo、Cd、W和U，相对亏损V、Cr、Co、Ni等相容元素，Sr元素强烈亏损；U与其他微量元素相关性较差。铀矿石、矿化岩石和围岩表现出相似的稀土元素地球化学特征和配分模式。不同岩性的铀矿石表现出相近但有差异的微量元素地球化学特征。笔者认为，呼和铀矿床经历了沉积成岩和后期热液改造与沿断裂上升的含H2S油气的(二次)还原叠加两个阶段的成矿作用。

微量元素；稀土元素；地球化学；砂岩型铀矿；巴音塔拉凹陷

砂岩型铀矿床因其资源储量大、矿石质量好、易于开采和选冶等诸多优点，已成为重要的铀矿床类型。二连盆地作为我国北方中、新生代重要的产铀盆地之一，已成为砂岩型铀矿床的重点勘查区域。巴音塔拉凹陷是二连伸展断陷盆地群南缘温都尔庙隆起带上的一个次级构造单元[1]，目前在凹陷北缘呼和地区已发现具有工业价值的砂岩型铀矿床。本文通过对铀矿石、矿化岩石和围岩(赋矿层位下白垩统赛汉组)(K1bs)等进行元素地球化学研究，试图揭示铀矿化的元素地球化学信息，为该区的砂岩型铀矿勘查提供地球化学标志[2]。

1 地质背景

巴音塔拉凹陷位于华北地台北缘与内蒙古海西褶皱带接合部位，属于二连盆地腾格尔坳陷南缘的次级构造单元[1]。它是在加里东褶皱带基底上发展起来，由温都尔庙-多伦复背斜演化而来的温都尔庙隆升带上的北北东向狭长断陷系列湖盆之一(图1)。

图1 巴音塔拉地区所处二连盆地构造位置略图Fig.1 Sketch map of structural setting of Bayintala area in Erlian basinⅠ—川井坳陷；Ⅱ—乌兰察布坳陷；Ⅲ—腾格尔坳陷；Ⅳ—马尼特坳陷；Ⅴ—乌尼特坳陷；1—复背斜；2—复向斜；3—断裂；4—凹陷区；5—凸起区；6—工作区范围。

凹陷主体呈北东向展布，南北长64km，宽7～15km，呈狭长的“L”形，面积近700km2[3]。凹陷基底由下二叠统海底火山喷发建造和上侏罗统中酸性火山碎屑岩及熔岩组成，东南侧蚀源区出露大面积燕山期岩体，岩性主要为黑云母花岗岩和石英闪长岩，岩石铀含量较高，为(2.7～6.3)×10-6，铀浸出率可达20%～40%，易于风化淋出，为沉积富铀砂岩提供了基本条件[3]。凹陷盖层以下白垩统巴彦花群(K1b)为沉积主体，其上缺失上白垩统(K2)、古近系(E)和新近系中新统(N1)，仅不整合覆盖了新近系上新统宝格德乌拉组(N2b)和少量第四系(Q)。下白垩统巴彦花群(K1b)主体是一套地形起伏大、气候温热为主的陆相断陷盆地沉积[3]，由下而上分为阿尔善组(K1ba)、腾格尔组(K1bt)和赛汉组(K1bs)。赛汉组(K1bs)为一套以河流体系为主的山间河谷盆地沉积，呈不整合覆于腾格尔组(K1bt)湖泊-扇三角洲相沉积之上[3]。巴彦花群(K1b)上部的腾格尔组(K1bt)上段和赛汉组(K1bs)下段是铀矿化的主要层位。

2 铀矿地质特征

巴音塔拉凹陷铀矿化主要赋存于下白垩统赛汉组(K1bs)沉积岩层中，该组可划分为上、下两段[3]：下段为辫状河沉积体系, 在横剖面上具有典型的深切谷特征, 岩性以浅灰色、黄绿色、蓝灰色中粗砂岩、含砾粗砂岩、泥质砂岩为主,夹黄绿色泥岩、粉砂岩；上段向曲流河过渡，以河道沉积与洪泛沉积频繁交替出现为特征，构成了“二元结构”的沉积组合, 其中洪泛细碎屑沉积较发育[3]。呼和地区是巴音塔拉凹陷边部最重要的铀矿化区，砂岩型铀矿体产于赛汉组(K1bs)下段辫状河河道中心, 走向明显受下切型辫状河道控制[3]。矿体呈似板状、透镜状，铀在矿石中以分散吸附状态存在。矿化主岩岩性以蓝色中细砂岩、泥质砂岩和蓝色泥岩为主，少量为灰色粗砂岩、黑色泥岩。砂岩碎屑物成分以石英、长石为主，黏土矿物主要为高岭石和蒙皂石。砂岩分选性较好，疏松、透水性好。根据前人研究成果可知[4]，铀矿化的U-Pb等时线年龄为7 Ma，主要发生在新近纪中新世。

3 样品采集与分析

为了获取铀矿石、矿化岩石和围岩的全岩微量元素数据，对呼和地区3个钻孔(ZK0-3、 ZK8-11、ZK32-35)铀矿化目的层下白垩统赛汉组(K1bs)取样20件，在核工业北京地质研究院分析测试中心等离子体质谱实验室完成分析。所用仪器为Finnigan MAT制造的HR-ICP-MS(ElementⅠ)质谱仪，分析测试方法据DZ/T0223-2001电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)方法通则[5,6]。

4 地球化学特征

4.1 微量元素

根据铀元素的地球化学性质和铀矿石品级将样品分为3组进行统计：ω(U) <30×10-6，为不含矿围岩；30×10-6≤ω(U) <100×10-6，为铀矿化岩石；ω(U) ≥100×10-6，为铀矿石[7]。以中国沉积岩微量元素含量为标准，巴音塔拉凹陷呼和砂岩型铀矿床的铀矿石、矿化岩石和围岩的微量元素标准化蛛网图如图2所示。

由图2可知，呼和铀矿床各种样品的微量元素含量存在较大差异。铀矿石样品中强烈富集U元素，含量变化范围为(120～191)×10-6，富集程度最高达95倍；与U元素伴生富集的有Li、Be、Zn、Ga、Rb、Nb、Mo、Cd、Sb、Cs、Ba、Ta、W、Tl、Pb、Bi、Th、Zr、Hf等元素，其中较强富集Mo[(8.61～87.60)×10-6]、Cd[(0.27～0.84)×10-6]、W[(8.85～17.10)×10-6]元素；铀矿石样品中Sr元素明显亏损，相对亏损V、Cr、Co、Ni等相容元素。铀矿化岩石样品中U元素[(32.10～98.30)×10-6]相对富集，但没有达到工业品位；较强富集Mo[(3.01～26.20)×10-6]、Cd[(0.11～3.73)×10-6]、W[(7.67～33.20)×10-6]等元素，Sr元素明显亏损，相对亏损V、Cr、Co、Ni等相容元素，其含量变化范围与铀矿石样品相似。围岩样品中U元素含量范围为(8.89～26.20)×10-6，平均值为14.88×10-6；相对富集Li、Be、Zn、Ga、Rb、Y、Nb、Mo、Cd、Sb、Cs、Ta、W、Tl、Pb、Bi、Th、Zr、Hf等元素，但富集程度低于其他两种样品，Sr元素明显亏损，相对亏损V、Cr、Co、Ni等相容元素。

4.2 稀土元素

由图2可知，铀矿石样品中ω(ΣREE)含量变化范围较大，可分为两组，一组样品(C0-3-004、C8-11-002、C8-11-006)中ω(ΣREE)变化范围为(105.01～169.80)×10-6，另一组样品(C32-35-004、C32-35-005)中ω(ΣREE)变化范围为(314.33～319.45)×10-6；ω(LREE)/ ω(HREE)值为7.55～8.11，显示较强的分馏作用；铀矿石样品中δCe(0.93～1.05)表现无异常，δEu(0.39～0.64)表现负异常。铀矿化岩石样品中ω(ΣREE)同样可分为两组，一组样品(C8-11-001、C8-11-003、C8-11-004、C8-11-005)中ω(ΣREE)变化范围为(54.64～64.95)×10-6，另一组样品中ω(ΣREE)变化范围为(150.00～343.75)×10-6；ω(LREE)/ ω(HREE)值为5.78～9.28，表现较强的分馏作用；铀矿化岩石样品中δCe值为0.88～1.02，显示无异常，δEu值变化范围可分为两组，一组样品(C8-11-001、C8-11-003、C8-11-004、C8-11-005)中δEu值为0.88～0.98，显示弱负或无异常，另一组样品δEu(0.36～0.61)显示负异常。围岩样品中ω(ΣREE)变化范围为(153.74～303.28)×10-6；ω(LREE)/ ω(HREE)值为7.67～9.83，显示较强的分馏作用；δCe值为0.88～1.02，显示无异常，δEu值为0.41～0.62，显示负异常。

图2 巴音塔拉凹陷呼和铀矿床的矿石、矿化岩石与围岩微量元素标准化蛛网图和球粒陨石标准化稀土元素配分模式图Fig.2 Spider diagram of trace elements and chondrite-normalized REE pattern of uranium ores， mineralized rocks and wall rocks in the Huhe uranium deposit, Bayintala depression

5 讨论

5.1 微量元素地球化学标志

使用SPSS统计软件对呼和铀矿床铀矿石、矿化岩石和围岩样品的微量元素数据进行R型聚类分析，分别找出与U关系密切的微量元素组合[8]。从表1和图3可以看出，铀矿石中U与其他微量元素的相关性不强，相关系数在0.7～0.9的仅有Nb元素，说明U与Nb呈正相关趋势；铀矿化岩石中U与各种元素的相关性弱，范围在-0.54～0.28，元素间分类无规律；围岩中U与其他元素的相关性可分为两类，一类为负相关性，趋势显著，范围在-0.43～-0.98;另一类为正相关性，但不明显，范围为0.14～0.48。

巴音塔拉凹陷呼和铀矿床的铀矿石、矿化岩石和围岩等3种样品均表现出Sr元素的强烈亏损，推测与凹陷东南侧蚀源区大面积出露的燕山期花岗岩体有关。该区花岗岩是从低μ值的下地壳源区演化而来的，研究表明其属于非造山大陆伸展环境的A型花岗岩[9]。夏毓亮等(2003)对巴音塔拉凹陷含矿砂体碎屑锆石的研究表明，其U-Pb同位素年龄为119～144 Ma，与凹陷东南部蚀源区广泛分布的黑云母花岗岩年龄(112～129 Ma)吻合[4]。

表1 呼和铀矿床铀矿石、矿化岩石和围岩样品中U与其他微量元素的相关系数

图3 呼和铀矿床矿石、矿化岩石和围岩微量元素R型聚类分析树状图Fig.3 Cluster diagram of correlation of trace elements of ores,mineralized rocks and wall rocks in Huhe uranium deposit

岩性、物性不同以及热液改造作用会导致各类地质体微量元素相对富集或亏损程度存在差异[2]。呼和铀矿床中，铀矿石、矿化岩石和围岩等3种样品按岩性可分为两组：一组岩性为未蚀变岩，如灰色粗砂岩、黑色泥岩；另一组岩性为蓝色蚀变岩，以蓝色泥质砂岩、蓝色中砂岩为主。由微量元素蛛网图(图2)所示，岩性为未蚀变岩的样品微量元素蛛网曲线相近，含量变化幅度较小，除个别元素相对富集程度不同外，其他微量元素相对富集或亏损程度相似，说明未蚀变岩后期受(热液)改造作用影响较小。岩性为蓝色蚀变岩的样品蛛网曲线锯齿状变化幅度较大，微量元素相对富集或亏损程度明显，可能受到成岩后期(热液)改造作用的影响。祝民强等(2003)对巴音塔拉凹陷含矿砂体地质特征的研究认为，其原生岩性为灰色-灰黑色岩系并富含有机质，可为成矿提供还原性物质，而蓝色砂岩为后期蚀变作用所致[3]。根据不同岩性(铀矿石)的微量元素特征，可推断铀矿的富集与形成存在不同机制，即经历沉积成岩和后期(热液)改造作用两个阶段。

5.2 稀土元素地球化学标志

稀土元素是一组性质极为相似，地球化学行为相近的特殊微量元素，广泛分布于地壳各类岩石中，在岩石成因、成矿物源、成岩成矿物理化学条件等研究中具有重要意义[10]。由图2可知，除了4个铀矿化岩石样品(C8-11-001、C8-11-003、C8-11-004、C8-11-005)ω(ΣREE)含量较低，Eu表现弱负异常或无异常外，铀矿石、矿化岩石和围岩表现出相似的稀土元素配分模式，反映相近的REE地球化学行为。碎屑岩中REE主要受控于物源区的岩石成分，风化和成岩作用对REE的再分配影响较小,除非碎屑岩存在巨大的水、岩比值[11]。由此可以推断，呼和铀矿床3种样品具有同一物源、沉积成岩演化环境和构造背景。

图4 巴音塔拉凹陷呼和铀矿床矿石北美页岩标准化稀土元素配分模式Fig.4 North American shale-standardized REE patterns of uranium ores in Huhe uranium deposit, Bayintala depression

不同岩性在稀土元素的富集程度上存在较大差异，灰色粗砂岩、黑色泥岩明显富集稀土元素，ω(ΣREE)范围为(205.30～343.75)×10-6，δEu值为0.36～0.50，呈现负异常；蓝色泥质砂岩较富集ΣREE，范围为(105.01～260.03)×10-6，δEu值为0.50～0.64，呈现负异常；蓝色中砂岩ω(ΣREE)含量较低，ΣREE范围为(54.64～64.95)×10-6，δEu值为0.88～0.98，呈现弱负异常或无异常。岩石中有机质、黏土矿物等对REE的吸附作用，是导致其REE富集程度不同的主要机制[12]，灰色粗砂岩、黑色泥岩中富含有机质，以及蓝色泥质砂岩中富含黏土矿物成分等，对REE有明显的吸附作用。灰色粗砂岩、黑色泥岩中Eu呈现负异常，是由于其中有机质成分不断热解、裂解使岩石长期处于还原环境，易形成Eu2+并被带走， 从而形成Eu负异常现象[2]。祝民强等(2003)对凹陷含矿蓝色蚀变砂岩进行成分分析表明，蓝色砂体中硫含量较高，显示有外来硫的加入，而且其中的长石蒙皂石化、高岭石化强烈，可能与沿断裂上升的含H2S的油气二次还原作用有关。由此可以推断，蓝色泥质砂岩中Eu呈现负异常可能与二次还原作用以及较强的黏土化作用有关[3]。

采用北美页岩标准化分析呼和铀矿床不同岩性含矿砂岩的稀土元素配分模式，可以了解特定元素的微小富集或亏损情况[11]。从图4可知，灰色粗砂岩铀矿石较蓝色泥质砂岩铀矿石明显富集稀土元素，且δEu明显负异常，二者配分曲线相似但又相互分离，表明两者形成于相似的沉积环境，但后者是以前者为基础，沉积成岩后又经后期(热液)改造作用，造成铀再次富集并形成矿石。蓝色蚀变矿化砂岩层存在强烈的蒙皂石化、高岭石化等低温热液蚀变作用[3]，含有蒙皂石、伊利石、高岭石等矿物，暗示其存在很大的水、岩比值，蓝色蚀变作用范围较局限，并与沿断裂上升的含H2S的油气二次还原作用有关[3]。由此认为，后期热液改造与含H2S的油气还原叠加作用是蓝色蚀变砂岩富集成矿的主要机制。

6 结论

巴音塔拉凹陷呼和砂岩型铀矿床的微量元素地球化学特征显示，铀矿石、矿化岩石和围岩中与U伴生富集的有Li、Be、Zn、Ga、Rb、Y、Nb、Mo、Cd、Sb、Cs、Ta、W、Tl、Pb、Bi、Th、Zr、Hf等元素。其中，Mo、Cd、W较强富集，相对亏损V、Cr、Co、Ni等相容元素。由R型聚类分析可知，U与其他微量元素的相关性较差，铀矿石中U仅与Nb正相关性明显。铀矿石、矿化岩石和围岩中均表现出Sr元素的强烈亏损，这与凹陷东南侧蚀源区大面积出露的从低μ值下地壳源区演化而来的燕山期花岗岩体有关。蓝色蚀变砂岩相对于灰色未蚀变岩(灰色粗砂岩、黑色泥岩)微量元素蛛网图曲线锯齿状幅度较大，微量元素相对富集或亏损程度明显，可能受到成岩后期(热液)改造作用的影响。

呼和铀矿床的铀矿石、矿化岩石和围岩样品表现出相似的稀土元素配分模式，反映相近的REE地球化学特征，推断其具有同一物源、沉积成岩演化环境和构造背景。铀矿石中Ce表现无异常，Eu表现明显负异常，推测灰色粗砂岩铀矿石因其富含的有机质不断热解、裂解而使岩石长期处于还原环境，利于Eu2+的产生并迁移，从而形成Eu的负异常；结合前人研究成果，推测蓝色泥质砂岩型铀矿石中Eu的负异常可能与沉积成岩后期热液改造和含H2S的油气还原叠加作用有关，并且导致蓝色蚀变矿化砂岩层存在强烈的蒙皂石化、高岭石化等低温热液蚀变作用。综上所述，笔者认为呼和铀矿床经历了沉积成岩和后期热液改造与沿断裂上升的含H2S油气的二次还原叠加作用，具有两阶段成矿的特点。

致谢：野外工作中得到了核工业北京地质研究院夏毓亮高级工程师(研究员级)的大力指导和帮助，同时获得王明利高级工程师、刘晋高级工程师等的帮助和关心，在此表示衷心感谢。

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(，Continuedonpage466)(，Continuedfrompage444)

Geochemical Characteristics of Trace Elements of Sandstone-type Uranium Deposit in Huhe Area, Bayintala Depression

LI Ren-ze , LIU Cheng-dong , LI Zhi-wen, LIANG Liang

(StateKeyLaboratoryBreedingBaseofNuclearResourcesandEnvironment,EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang,Jiangxi330013,China)

Sandstone-type uranium mineralization in Huhe area of Bayintala depression has been found out mainly hosted in braided channel sedimentary sand of lower member of Late Cretaceous Saihan formation (K1bs). The paper provides the geochemical indicators for the uranium exploration by the analysis of trace elements and REE geochemical characteristic of samples from uranium ores, mineralized rocks and surrounding rocks. The results shew that uranium ore, mineralized rocks and surrounding rocks were clearly enriched in Mo, Cd, W, U and relative depleted in compatible elements (V, Cr, Co, Ni),and strong depleted in Sr, U is poorly correlated with other trace elements. Uranium ore, uranium mineralized rocks and surrounding rocks were with similar REE geochemical characteristics and distribution patterns. Ores of different lithologic type bear similan geochemical feature of trace elements but little differences. Therefore the uranium mineralization in Huhe area was believed to have experienced two mineralization stage: sedimentation-diagenesis and superposition action which combine the latter hydrothermal transformation and the secondary reducing action of hydrocarbon (contain H2S) that rose along the fault.

trace elements ; REE ; geochemistry ; sandstone-type uranium deposit ; Bayintala depression

10.3969/j.issn.1000-0658.2015.04.004

2014-10-30 [改回日期]2014-11-21

李仁泽(1988—)，男，在读硕士研究生，矿物学、岩石学、矿床学专业。E-mail：410135027@qq.com

1000-0658(2015)04-0438-08

P595

A