二连盆地巴彦乌拉铀矿床微量元素地球化学特征

2019-04-02张展适史清平

世界核地质科学 2019年1期

晏彦，张展适，史清平

（1.东华理工大学地球科学学院，南昌330013；2.核工业北京地质研究院，北京100029）

二连盆地是我国重要的砂岩型铀矿产铀盆地之一，盆地中部已探明多个具有工业价值的大中型铀矿床，其中巴彦乌拉矿床具有矿体埋藏浅，矿层渗透性好，有利于地浸开采、铀资源量大等特点，在该盆地铀矿床中占有重要的地位。前人对巴彦乌拉矿床的研究主要集中在黏土矿物特征、碎屑物粒度特征、辫状河砂体赋矿规律、铀矿水文地质研究、含矿地层时代、成矿特征研究及古地理环境探讨等方面。研究结果表明黏土矿物主要为蒙脱石，次为高岭石、伊利石，少量绿泥石［1］，砂岩碎屑物粒度较粗、结构成熟度低［2］，矿体主要赋存在于低可容纳空间下形成的具有一定规模的心滩坝体内部、辫状河道与心滩坝交汇处［3-4］，矿床主要形成于水动力条件由强变弱的过渡带部位［5-6］，含矿层时代为早白垩世晚期［7-8］，巴彦乌拉矿床受潜水-层间氧化带控制［9-12］。尽管众多学者对此矿床的研究取得了诸多成果，但矿床元素地球化学的研究比较薄弱，矿床元素地球化学能对成矿作用起到良好的指示，也是重要的勘查标志［13-14］。笔者主要对巴彦乌拉矿床的氧化带砂岩、氧化还原过渡带砂岩、还原带砂岩及泥岩进行元素地球化学研究，试图通过铀成矿作用过程中元素地球化学信息来探讨铀成矿作用特征及认识该矿床的勘查地球化学标志，为该区外围及其他类似地区提供找矿标志。本研究依据层间氧化带型铀矿水平分带规律，对巴彦乌拉氧化带、氧化还原过渡带和还原带砂岩和未发育蚀变的泥岩进行系统取样，共计16件。

1 区域地质背景

二连盆地位于内蒙古自治区中北部，呈NE向展布。大地构造上处于西伯利亚板块与中朝—塔里木板块的缝合线部位，是在内蒙古—大兴安岭褶皱基底上，燕山期拉张构造应力场作用下发育起来的中、新生代断坳转换型沉积盆地［15］。东以大兴安岭为界，南以温都尔庙隆起为界，西以狼山隆起为界，北以巴音宝力格隆起为界，盆地整体走向为北东向。

巴彦乌拉矿床位于二连盆地马尼特坳陷的西部（图1），马尼特坳陷呈北东向展布，夹持于巴音宝力格隆起和苏尼特隆起之间，两个隆起为马尼特坳陷沉积和成矿提供了物源和铀源。研究区内的盖层沉积物主要为下白垩统巴彦花群（K1b），地层从老到新可分为：下白垩统赛汉组下段（K1s1）、下白垩统赛汉组上段（K1s2）；古近系伊尔丁曼哈组（E2y）和第四系（Q）。下白垩统赛汉组上段为找矿目的层，该层岩性为灰色砂岩、砂质砾岩、含砾砂岩夹薄层泥岩，岩石松散，可见炭屑和黄铁矿等还原介质。

2 铀矿化特征

巴彦乌拉矿床的铀矿化主要赋存于下白垩统赛汉组上段（K1s2）（图2），铀矿体产于氧化带前锋线部位靠还原带一侧灰色砂体中，矿体垂向上主要呈板状，受古河道和氧化带前锋线控制。砂岩矿石碎屑物以石英为主，其次为长石；砾岩矿石碎屑物以岩屑为主，次为石英。黏土矿物以高岭石、蒙皂石和水云母为主。黄铁矿多以胶结物的形式产出。矿床中铀的赋存状态主要为独立铀矿物、吸附态铀和含铀矿物。独立铀矿物有沥青铀矿、铀黑、铀石和铀钍矿等；吸附态的铀主要赋存于黏土矿物、有机碳和胶黄铁矿中；含铀矿物有含铀钛铁矿、含铀锐钛矿及含铀稀土矿物等，以细小颗粒分布在石英、长石和杂基中［16-17］。前人铀铅等时线年龄研究成果表明主成矿时期是（66.1±4.4）～（63.4±5.5）Ma，叠加成矿期是（51.2±4.3）～（37.1±1.9）Ma［18］。

图1 二连盆地早白垩世断陷分布Fig.1 Distribution of Early Cretaceous faulted depression in Erlian basin

图2 巴彦乌拉矿床地质略图（据刘武生等修改，2015）Fig.2 Geological sketch of Bayanwula deposit（Modified after LIU Wusheng，et al.，2015）

3 微量元素地球化学特征

3.1 微量元素特征

二连盆地巴彦乌拉矿床的氧化带、氧化还原过渡带、还原带砂岩及泥岩的微量元素含量列于表1，蛛网图示于图3，中国沉积岩微量元素含量选自文献《中国陆壳及其沉积层和上陆壳的化学元素丰度》。

氧化带中U元素含量变化范围在3.69×10-6～8.05×10-6，平均值为5.90×10-6，该带相对富集Rb、Mo、Sb、Ba、W、Pb等元素，但富集程度远低于还原带和氧化还原过渡带；明显亏损Sr元素，相对亏损的元素有Sc、Co、Cu、In、Cs。

表1 巴彦乌拉矿床主要微量元素含量/10-6Table 1 The main trace elements content/10-6 in Bayanwula deposit

表1（续）Table 1 （Continued）

图3 巴彦乌拉矿床各地球化学带砂岩和泥岩微量元素标准化图Fig.3 Normalized spider diagram of trace elements in sandstone and mudstone of different geochemical zones in Bayanwula deposit

氧化还原过渡带中强烈富集U元素，含量变化范围在173.00×10-6～698.00×10-6，平均值为336.75×10-6，富集程度高达350倍。此外Mo、Sb和Ba也表现出较强的富集；明显亏损Sr元素，相对亏损的元素有Cr、Cu、In、Cs。

还原带中相对富集U元素，含量变化范围在44.60×10-6～66.40×10-6，平均值为54.98×10-6，未达到工业品位。相对富集Mo、Sb、Ba元素，富集程度低于氧化还原过渡带；明显亏损Sr元素，相对亏损的元素有Co、Cu、In、Cs，含量变化范围与氧化还原过渡带相似。

泥岩中U元素含量变化范围在18.70×10-6～24.30×10-6，平均值为21.40×10-6，跟中国沉积岩比相对富集Be、Mo、Sb、W元素，明显亏损Sr元素，相对亏损Co、In、Cs等元素。

综上所述，氧化带、氧化还原过渡带、还原带砂岩及泥岩之间微量元素含量存在较大的差异，具体表现为氧化带Sc含量1.25×10-6～1.91×10-6，平均值为1.59×10-6，Co含量1.45×10-6～2.61×10-6，平均值为2.22×10-6，Sr含量88.70×10-6～113.00×10-6，平均值为104.61×10-6；氧化还原过渡带中强烈富集Mo和U元素，Mo含量25.10×10-6～197.00×10-6，平均值为122.28×10-6，U含量173.00×10-6～698.00×10-6，平均值为336.75×10-6，Sr含量146.00×10-6～175.00×10-6，平均值为154.25×10-6；还原带Mo含量12.80×10-6～33.40×10-6，平均值为24.13×10-6，Sb含量0.54×10-6～0.98×10-6，平均值为0.70×10-6，U含量44.60×10-6～64.40×10-6，平均值为56.47×10-6，Sr含量82.10×10-6～124.00×10-6，平均值为105.03×10-6。泥岩Co含量4.45×10-6～5.93×10-6，平均值为5.12×10-6，Sr含量132.00×10-6～135.00×10-6，平均值为133.33×10-6，各地球化学带砂岩蛛网图曲线变化较大，微量元素的富集和亏损较明显，而泥岩的蛛网曲线相对平坦，微量元素富集和亏损较小。

3.2 稀土元素特征

巴彦乌拉矿床氧化带、氧化还原过渡带、还原带砂岩及泥岩中稀土元素含量及特征参数列于表2，配分模式见图4。整体稀土元素特征表现出右倾的配分模式，具有轻稀土富集，重稀土亏损特点。

表2 巴彦乌拉矿床各地球化学带砂岩和泥岩稀土元素含量及参数/10-6Table 2 REE content/10-6 and parameters of trace elements in sandstone and mudstone of different geochemical zones in Bayanwula deposit

图4 巴彦乌拉矿床各地球化学带砂岩和泥岩稀土配分模式Fig.4 REE patterns of sandstone and mudstone in different geochemical zones in Bayanwula deposit

氧化带（图4a）中稀土元素特征基本与泥岩相似，表现为右倾型。∑REE变化范围在62.86×10-6～92.35×10-6，平均值为82.39×10-6；LREE/HREE比值为7.86～11.09，平均值为9.76；δEu值为0.72～0.94，平均值为0.84，为Eu负异常；δCe值为1.04～1.15，平均值为1.10，为正异常。

氧化还原过渡带（图4b）中稀土元素特征明显分成两类。第一类为轻稀土富集，Eu弱负异常的右倾配分模式，如样品Em12-140。其∑REE为142.41×10-6，LREE/HREE比值为11.17；δEu值为0.70，δCe值为0.95，稀土配分曲线模式基本与泥岩、氧化带及还原带砂岩一致。第二类为重稀土富集，Eu弱负异常，δCe无异常。如样品Em12-107、Em12-115和Em12-131，这些样品的∑REE变化范围在161.16×10-6～296.29×10-6，平均值为208.84×10-6； LREE/HREE比值为3.92～14.21，平均值为8.05；δEu值为0.33～0.63，平均值为0.51；δCe值为1.04～1.10，平均值为1.07。

还原带（图4c）中稀土元素特征基本与泥岩、氧化带相似，表现为右倾型。∑REE变化范围在76.97×10-6～111.24×10-6，平均值为92.68×10-6；LREE/HREE比值为8.97～10.34，平均值为9.65；δEu值为0.66～0.85，平均值为0.75，为Eu负异常；δCe值为1.00～1.13，平均值为1.09，弱正异常。

泥岩（图4d）中稀土元素特征整体表现为轻稀土富集，Eu负异常的右倾型。∑REE变化范围在192.10×10-6～259.75×10-6，平均值为217.43×10-6；LREE/HREE比值为8.36～9.07，平均值为8.82；表现较强的分馏作用，轻重稀土元素分异明显。δEu值为0.56～0.62，平均值为0.59，Eu负异常明显；δCe值为0.96～0.98，平均值为0.97，为弱负异常。

氧化带、氧化还原过渡带、还原带与泥岩稀土配分模式相似，∑REE、LREE/HREE比值、δEu及δCe各参数较为相似，表明它们在含矿建造形成期和后生改造成矿期有相同的物质来源，排除热液改造成矿的可能。同时，氧化还原过渡带内∑REE达208.84×10-6，远高于氧化带的∑REE含量82.39×10-6和还原带的∑REE含量92.68×10-6，表明铀成矿与稀土元素密切相关，可作为铀成矿指示元素。

4 讨论

4.1 微量元素变化与铀成矿

微量元素地球化学分析表明：不同地球化学分带内砂岩的微量元素蛛网图锯齿状变化巨大，表明砂体内经历了强烈的后生改造作用；泥岩内的微量元素蛛网图相对平坦，表明基本未接受后生改造作用影响。各地球化学带砂岩的微量元素蛛网图相对于中国沉积层丰度值来说［19］表现出略微亏损态势，泥岩内的微量元素蛛网图基本与中国沉积层丰度值一致，亦说明砂岩遭受了较为强烈的流体改造作用。

还原带和氧化还原过渡带砂岩均富集Mo元素，且随着U含量增加，Mo含量也增加，U与Mo的呈正相关性，Mo元素可作为巴彦乌拉矿床的指示元素。

4.2 稀土元素变化与铀成矿

稀土元素间地球化学性质相似，行为相近，在成岩、成矿研究中具有重要的意义［20］。由于泥岩渗透性差，后生改造作用难以深入其中，因此，将二连盆地巴彦乌拉矿床下白垩统赛汉组上段的泥岩作为原生未改造的沉积岩，可以较好的反映出物源区的稀土元素特征。分析表明，巴彦乌拉矿区内氧化带、还原带及氧化还原过渡带砂岩与泥岩具有相似的稀土配分模式，具有相似的稀土元素地球化学特征，因此，认为它们具有相同物源；同时，根据经过后生改造的砂岩稀土配分模式与泥岩相似以及Co、Ni等深部热液元素含量偏低等特征，说明后生改造期无热液参与成矿作用。

泥岩、还原带及氧化还原过渡带砂岩中有Eu的负异常，推断可能与氧化还原作用有关。Eu属于变价元素，还原条件下Eu3＋还原为Eu2＋，由于电价和离子半径的差异，导致Eu2＋与其他REE3＋分离被流体带出，导致Eu的负异常［21］。

为了更加清楚的反映各地球化学带砂岩中稀土元素组成的差异性，制作了U与稀土元素关系图（图5），从图中可以看出，ΣREE、LREE及HREE与U含量呈正相关性，部分氧化还原过渡带样品有明显的HREE富集的现象。这些特征反映了成矿过程中稀土元素的活动特点，U含量较低时，稀土元素的活动性比较弱，U含量较高时，稀土元素的活动性较强，且重稀土元素的活动性比轻稀土元素强，进而说明利用稀土元素的活性，可作为该矿床的指示标志。

一般情况下，δCe对氧化还原环境具有指示作用，其中，δCe＜1时为氧化环境，δCe＞1时为还原环境。巴彦乌拉矿床中各分带砂岩中δCe均位于1的附近，结合铀铅等时线年龄，说明巴彦乌拉矿床成矿作用具有滚动向前叠加的特征，进而说明成矿作用主要为渗入氧化作用。

图5 巴彦乌拉矿床U与稀土元素关系Fig.5 U and REE relation of Bayanwula deposit

4.3 勘查地球化学标志

综上所述，巴彦乌拉矿床勘查地球化学标志主要有ΣREE、LREE及HREE，Mo元素含量等，均与铀含量呈正相关关系。其中，Mo元素在氧化带约1.60×10-6，氧化还原过渡带达122.30×10-6，还原带回归为16.70×10-6；∑REE在氧化带含量为82.39×10-6，在氧化还原过渡带达208.84×10-6，还原带的为92.68×10-6。