松辽盆地钱家店砂岩型铀矿床含矿岩系组成特征与铀成矿作用*

2020-03-26宋柏荣杨松林韩洪斗李青春施玉华唐洁云刘玉婷

古地理学报 2020年2期

宋柏荣孙慧杨松林韩洪斗李青春施玉华唐洁云刘玉婷

1 中国石油辽河油田分公司勘探开发研究院，辽宁盘锦 124010 2 西北大学地质学系，陕西西安 710069 3 辽河石油勘探局有限公司通辽铀业分公司，辽宁盘锦 124010

自20世纪90年代松辽盆地钱家店铀矿勘查以来，取得了良好的勘探和开发效果，陆续发现了钱Ⅱ块、钱Ⅲ块和钱Ⅳ块、钱Ⅳ东、钱Ⅴ块5个铀矿体，是一个具有重要工业价值的国内超大型砂岩型铀矿。钱家店铀矿床是目前在松辽盆地白垩系中发现的唯一可地浸开采的砂岩型铀矿床(李林强，2014)，与中国在伊犁盆地南缘、吐哈盆地西南缘、鄂尔多斯盆地北部东胜地区发现的砂岩型铀矿床一样，都具有矿石平均品位低、分布面积较大、储量可观、地浸开采成本低且无污染等特点(李子颖等，2009)，因此也突显其重要性。作者着重从钱家店钱Ⅳ块砂岩型铀矿床赋矿母岩物质来源及赋矿岩石岩石学特征入手，深入剖析了赋矿岩石组合、碎屑种类及含量、填隙物成分、有机质、黄铁矿含量以及矿化蚀变、铀赋存形成与铀成矿等，取得了许多新的认识。提出了赋矿岩石类型主要为中—细粒长石岩屑砂岩、细粒长石岩屑砂岩、含泥砾砂岩和砂砾岩等，并且砂岩的碎屑成分反映了高铀背景值的母岩特点。铀的赋存状态为铀矿物(沥青铀矿、铀石)和吸附铀，本区的暗色泥岩由于区域辉绿岩脉侵入带来的热流加速了有机质成熟转化，增强了其还原能力，促进了铀的矿化。这些成果对钱家店砂岩型铀矿床的深入勘探及区域找矿具有重要意义。

图 1 松辽盆地及钱家店凹陷位置Fig.1 Songliao Basin and location of Qianjiadian depression

1 区域地质概况

钱家店砂岩型铀矿床位于松辽盆地西南部的西南隆起区(图 1)。松辽盆地地处华北板块北缘、中亚造山带东侧、滨太平洋新构造域三者邻接聚合部位(闫枫等，2018)。中生代的燕山运动即已形成本区NNE向“两隆夹一坳”的地质构造背景特征，奠定了现代地貌的总体格局。

松辽盆地内部组成是在天山—内蒙—兴安古生代海槽褶皱系基础上发育起来的中—新生代内陆断陷—坳陷盆地，盆地基底由加里东褶皱系、海西褶皱系沉积变质岩系和海西期及燕山期中酸性喷出及侵入岩岩石单元组成(陈晓林等，2008)，局部地段出露前寒武纪古老变质岩系。盆地基底与盆地周缘蚀源区地层岩石组成基本相似，但发育程度及其产出状态与分布存在一定差别。基底上部轻微变质的沉积岩系及侵入其中的岩浆岩岩石单元为盆地沉积的重要物质来源。

钱家店凹陷呈NNE-NE向窄条状展布，长约100ikm，宽9～10ikm，面积约1300ikm。钱家店凹陷经历了早白垩世断陷、早白垩世末抬升剥蚀、晚白垩世拗陷及末期的构造反转、抬升剥蚀4个阶段(殷敬红等，2000)。地层主要为下白垩统义县组、九佛堂组、沙海组、阜新组断陷湖盆沉积和上白垩统泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组拗陷河流—湖泊沉积构成，砂岩型铀矿床主要赋存上白垩统姚家组地层中。

2 含矿建造岩石学及岩石化学特征

2.1 岩石类型及碎屑组成特点

姚家组是铀的主要赋存层位，对钱Ⅳ块目的层多个钻孔中含矿、矿化及低品位矿石的岩心观察、描述以及薄片鉴定、X衍射和扫描电镜分析等的研究表明，目的层岩性为砂岩、砂砾岩和泥岩，具体类型见表 1。碎屑粒径以细砂、中—细砂为主，次为粉砂、粗砂和砾石。砂岩成分类型以长石岩屑砂岩为主，次为岩屑砂岩(图 2，图 3)。碎屑成分成熟度差，结构成熟度较好。石英、长石碎屑多为次圆状、次棱状。

表 1 钱家店铀矿钱Ⅳ块含矿建造岩石类型Table1 Rock types of the ore-bearing formation in QⅣ block of Qianjiadian uranium deposits

图 2 钱家店铀矿砂岩成分类型三角图Fig.2 Triangular diagram of sandstone composition in Qianjiadian uranium deposits

图 3 钱家店铀矿薄片鉴定碎屑含量统计Fig.3 Bar chart of debris contents based on slice analysis in Qianjiadian uranium deposits

勘查区含矿与赋矿岩石主要为细粒长石岩屑砂岩、中—细粒长石岩屑砂岩、含泥砾长石岩屑细砂岩和泥砾砂砾岩(图 4)。砂岩碎屑成分石英与长石之和与岩屑含量相近，岩屑以酸性火山岩为主(流纹岩、流纹质凝灰岩)，次为粗面岩、正长细晶岩、花岗岩、花岗斑岩、安山岩、硅质岩、泥岩等，偶见石英片岩和硅质板岩等。砂砾岩砾石成分以泥砾为主，局部层段发育泥晶灰岩、泥—粉晶云岩和钙质砂岩砾石。由于砂岩粒度以中、细砂岩为主，花岗岩岩屑都已破碎为石英、长石碎屑，因此，从碱性长石含量较高并以长石碎屑存在等分析，来自花岗岩的可能性较大。另外本区重矿物组合中，除了钛磁铁矿和白钛石来自岩浆岩的组合为主外，次为石榴子石组合，说明本区物源有少量的高级变质岩。

2.2 砂岩填隙物特征

含矿目的层砂岩胶结较疏松，制片过程中泥质胶结物有被冲刷掉的可能，因此，为准确确定填隙物含量，采用了铸体薄片和X衍射全岩黏土总量分析结合的方法。分析认为本区砂岩孔隙较发育，填隙物含量较低，填隙物主要为黏土矿物、碳酸盐及黄铁矿等。不含矿砂岩和含矿砂岩(包括矿化砂岩和矿石)X衍射分析(图 5)表明: 无矿砂岩平均黏土总量为7.15%，含矿砂岩平均黏土总量为6.73%，黏土矿物类型以伊蒙混层和高岭石为主(图 6)，少量伊利石和绿泥石，并且随着砂岩含矿性增强高岭石增高，反映了高岭石矿化蚀变沉淀，伴随铀的沉淀；无矿砂岩平均碳酸盐含量8.26%，含矿砂岩平均碳酸盐含量5.13%，其中以铁白云石为主，次为方解石和菱铁矿。

a—细粒长石岩屑砂岩，QⅣ-41-05井，336.9im，岩屑以酸性岩屑为主，粒间高岭石胶结；b—极细—细粒长石岩屑砂岩，QⅣ-20-23井，413im，长石砂屑、酸性岩屑及白云石胶结物；c—含灰细—中粒长石岩屑砂岩，QⅣ-20-23井，426.85im，矿化蚀变方解石连晶分布；d—砾质不等粒长石岩屑砂岩，QⅣ-41-05井，337.3im，砾石为泥岩岩屑，砾间为砂质碎屑图 4 钱家店铀矿赋矿砂岩类型图版Fig.4 Charts of the ore-bearing sandstone in Qianjiadian uranium deposits

图 5 钱家店铀矿X衍射砂岩矿物含量直方图Fig.5 Histogram of minerals contents in sandstone obtained by X-ray diffraction in Qianjiadian uranium deposits

图 6 钱家店铀矿砂岩黏土矿物相对含量直方图Fig.6 Histogram of clay minerals contents in sandstone in Qianjiadian uranium deposits

表 2 钱家店砂岩型铀矿钱Ⅵ块赋矿岩石全分析*

2.3 含矿主岩岩石化学特征

对钱家店砂岩型铀矿Ⅳ块赋矿岩石进行岩石化学全分析(表 2)。SiO2/Al2O3值介于3.17～8.71之间，平均为6.52，比值低于佩蒂庄的长石砂岩的平均值(8.86)，反映了本区姚家组砂岩的成分成熟度较低。CaO含量0.51%～10.81%，以方解石砂屑及泥晶灰岩岩屑存在砂岩中。砂岩中碳酸盐含量低，胶结物中由雏晶状泥质杂基组成，符合河流相以成分成熟度低的砂屑、岩屑及泥质沉积物为主的沉积特点。

赋矿岩石样品K2O+Na2O含量为4.12%～6.32%，平均值5.25%；K2O/Na2O值绝多大多数大于1，平均为1.65，具有明显的富钾特征，砂岩中长石碎屑以钾长石为主，与岩石的镜下鉴定微斜条纹长石含量普遍大于斜更长石含量是一致的，另外含有正长细晶岩—粗面岩岩屑是一致的，反映蚀源区发育偏酸性—偏碱性的花岗岩质岩石。

3 含矿主岩矿化蚀变特征

钱家店铀矿床矿化蚀变的产生是由于上部流体渗入氧化蚀变、深部流体(油气等)渗出还原以及辉绿岩脉侵入带来的岩浆热液蚀变造成(罗毅等，2012)。通过大量含矿砂岩系、矿化砂岩和矿石显微镜的鉴定，矿化蚀变主要包括碳酸盐化(亮晶方解石化、亮晶白云石化、菱铁矿化)、高岭石化、黄铁矿化，少见重晶石化，此外，还可见氧化铁质与油气逸散产生的油斑、油渍的污染等，它们在铀的矿化作用中扮演着积极角色，与含铀的流体成矿作用联合起来，起着不可替代的综合作用。

3.1 碳酸盐化

砂岩中的碳酸盐化蚀变是钱家店凹陷砂岩型铀矿化的主要矿化蚀变类型，从后生热液中解离出的铀在还原过渡带上还原为U4+以独立铀矿物(沥青铀矿、铀石)沉淀或呈吸附状态，同时碳酸盐亦发生蚀变充填及交代。

3.2 高岭石化

钱家店Ⅳ块赋矿砂岩中普遍高岭石化。高岭石化的出现表明成矿热液已转变为弱酸性环境，这种转变预示着3种情况：其一，蚀源区含矿原岩风化剥蚀的彻底程度，预示着含矿性好的蚀变花岗岩与碱性花岗岩风化彻底；其二，弱酸性介质条件有可溶性铀的带入有利于成矿；其三，它的出现造成与碳酸盐化弱酸—弱碱性的交替发生，方可使得可溶性铀的沉淀与富集。因此，在钱家店地区，存在着高岭石化与赋矿砂岩铀的含量同步消长。

a—矿化蚀变方解石交代杂基(QⅣ-20-23，335.2im，正交偏光)；b—重晶石交代早期方解石(QⅣ-120-57，456.28im，正交偏光); c—粒间后生氧化铁(QⅣ-41-05，332.5im，单偏光)；d—油泥痕或逸散晕圈(QIV-53-08，338.4im，正交偏光)图 7 钱家店铀矿赋矿砂岩类型微观图版Fig.7 Microscopic charts of the ore-bearing sandstones in Qianjiadian uranium deposits

3.3 重晶石化

重晶石化在钱家店砂岩型铀矿层中偶尔出现，与碳酸盐化同属于低温热液蚀变，常在矿化蚀变的砂岩中交代亮晶方解石(图 7-b)，显示其形成晚于碳酸盐化的蚀变类型。从重晶石化的组成与形成地质条件分析，其来源于富集碱性花岗岩的蚀源区。钡元素是大离子半径的碱金属元素，在花岗岩中多与碱性长石中钾—钠—钙形成类质同象，地表强烈风化—分解氧化条件及地表水硫酸盐较为丰富的酸性介质中有钡离子的存在，并随地表水下渗参与了后期成岩及后生矿化蚀变作用，是与U6+的活化迁移一同活动的成矿物质之一。

3.4 后生氧化铁化

该泥状氧化铁化是本研究首次提出，薄片鉴定在赋矿砂岩中较为发育，粉末状、泥状氧化铁质聚合物极不均匀在碎屑边缘或粒间充填(图 7-c)，或被泥质杂基吸附，显示后生叠加的关系。这种氧化铁质来自地表或近地表含铁矿物风化分解产物，在地表水的作用下以胶体方式被搬运或下渗，在一定物理化学条件下，经去水氧化，铁质胶体被泥质杂基吸附沉淀于砂体碎屑缝隙或碎屑粒间。与层间同生氧化铁的区别是后生氧化铁在赋矿灰色砂岩中不均匀出现，具有随着含矿流体下渗特征。

后生氧化铁化的成矿意义在于，地表风化剥蚀作用，使氧化铁质分解产出的同时，可溶性铀(U6+)同步出现，U6+即与可结合阴离子与大离子半径的阳离子形成活化的络合物，或被氧化铁质吸附，下渗到有利的物理化学环境中，U6+被还原的同时，超量的氧化铁质以充填方式沉淀在杂砂岩中，可见后生氧化铁化属于层间氧化成矿作用的产物。

3.5 油气还原蚀变

油气的还原作用主要是通过强还原气体(H2、CO、H2S等)将高价、活化的铀离子还原成四价、稳定的铀矿物，油气的参与也增加了对铀的吸附能力(刘武生等，2017)。钱家店砂体中多见油渍、油斑、油泥痕或逸散晕圈(图 7-d)，油气作为含铀氧化水的还原介质或酿造还原性物理化学环境，同时伴随引发铀成矿的黄铁矿化蚀变，黄铁矿呈莓球群或微细粒聚合体，显微粒状铀石、沥青铀矿填充黄铁矿莓子粒间。可以认为，钱家店砂岩型铀矿床油气直接参与了铀的成矿作用。

3.6 黄铁矿化

a—成岩阶段莓球状黄铁矿群，沿层理断续分布，光片(QⅣ-69-148，289.3im);b—后生莓球状黄铁矿聚集体，莓子显微粒间孔隙充填铀石聚晶。莓球群外缘氧化铁质(灰色)，光片(QⅣ-69-148，288.8，m)；c、d—黄铁矿显微粒间孔隙充填沥青铀矿，探针片(QⅣ56～8317.9im)图 8 钱家店铀矿黄铁矿化微观图版Fig.8 Microscopic charts of the pyritization in Qianjiadian uranium deposits

砂岩型铀矿床矿石中黄铁矿化普遍出现，除莓球状黄铁矿外，不同粒径黄铁矿聚晶常常出现。本次研究发现，姚家组砂岩中莓球状黄铁矿计有2种成因，沉积成岩成因(图 8-a)和与深部油气渗入有关后生成因。沉积成岩成因莓球状黄铁矿含量总体偏低，并零星出现在砂岩中，对后期成矿起到吸附还原作用。与油气有关的后生莓球状黄铁矿多呈莓球群产出，与油渍、油斑、油气逸散晕圈共生且集中产出。本次研究已查明，该黄铁矿莓球群莓子粒间充填有铀石(图 8-b)和沥青铀矿(图 8-c，8-d)独立矿物，显示出铀矿化与硫、铁在还原条件下密切的地球化学关系，同时表明铀矿化与油气蚀变的成因联系。

此外，对于不均匀星点—稀疏浸染状、斑杂状微细粒黄铁矿聚晶和断续微细脉状黄铁矿聚合体，认为属于后期低温热液矿化蚀变产物。在层间氧化还原带中的成矿作用和与油气渗入还原成矿作用中均有出现。矿化蚀变黄铁矿是含铀氧化铁经还原蚀变形成，与铀矿化同期形成。

3.7 暗色泥岩还原

钱家店姚家组铀矿床砂岩中夹有一定规模的灰色、灰黑色泥岩薄层，局部还含有大量的炭屑和炭化植物叶片及各种形态的黄铁矿分布(陈晓林，2008)，炭屑和黄铁矿等还原组分的存在有利于铀的沉淀成矿(张莉娟等，2018)。本区的暗色泥岩具有很强的还原能力，主要表现在：暗色泥岩TOC含量1.02%左右，属于好的烃源岩，由于辉绿岩脉的大量侵入带来的热源，促使暗色泥岩成熟，荧光显微镜下暗色泥岩发暗黄色荧光，具有生烃特征，因此，这期间可以排出还原气体，增加其还原能力，伴生着铀矿化。

图 9 QⅣ-125铀矿石X衍射图谱3、4点位二次电子图像及U、P、Si元素的能谱图像Fig.9 Secondary electron images of 3 and 4 points by X-ray spectrum of QⅣ-125 uranium ore，and energy spectrum of U，P and Si element

4 铀的赋存状态

砂岩型铀矿床铀赋存状态的查定是铀矿研究中的难点，表现在矿石铀的品位低，铀的赋存形式多样，独立铀矿物多呈显微—超显微状，部分铀矿化呈吸附状态存在，铀矿化极不均匀。铀矿工作者通过不懈努力，采用偏光显微镜鉴定、ICP-MS等离子体质谱仪分析、放射性感光底片照射、电子探针微区分析等方法进行查定，认为钱家店地区铀的矿化主要有2种形式：铀矿物和吸附铀。铀矿物以沥青铀矿和铀石为主，另外还发现含钛铀矿物等，铀矿物呈粒状、球状、团块状、条带状及分散显微粒状、显微粒状集合体。沥青铀矿常与胶状黄铁矿共生，以团块状分散分布于砂岩胶结物中；铀石存在砂岩粒间胶结物中或泥岩黄铁矿晶间及裂隙中。

4.1 铀的独立矿物

东华理工大学聂逢君老师在钱Ⅳ块砂岩中发现沥青铀矿、铀石和含钛铀矿物(私下交流获悉)。罗毅(2007)在钱Ⅱ块发现沥青铀矿。本次铀赋存状态查定在泥岩(QⅣ-125)中发现铀石矿物，泥岩型铀矿石具有明显的油气污染，泥岩中油渍、油斑发育，油渍—油斑内部见有斑杂浸染状莓球状黄铁矿。近3个月的放射性底片感光照射局部有明显的放射性感光效应，铀的矿化形式偏光显微镜下不易觉察，电子探针二次电子图像进一步放大可见清楚的黄铁矿莓球群，莓球显微粒间孔隙中亮白色金属矿物(图 9)，经电子探针能谱和波谱分析含有UO2、SiO2、P2O5(表 3)，二次电子图像及U、P、Si元素扫描进一步证实以铀石独立矿物存在。铀石中P2O5含量介于7.042%～9.821%之间，说明该铀石的形成与油气中有机质关系密切。

表 3 钱家店砂岩型铀矿钱Ⅳ块QⅣ-125号样电子探针波谱测定数据(10-2)*

4.2 铀矿石中吸附形式铀

吸附状态的铀普遍存在，在低品位的铀矿石中ICP-MS测定可达到工业品位，而显微镜下既查不到铀的独立矿物，电子探针能谱亦不可分析到铀的存在，甚至通过较长时间的放射性感光照射亦没有反应。由以上事实可以推测，该种低铀品位的铀矿石中的铀属于吸附状态。

将钱家店Ⅳ区块砂岩型铀矿石QⅣ-85、QⅣ-105、QⅣ-107、QⅣ-115、QⅣ-123、QⅣ-125，6件光片进行放射性底片感光照射(75id)，除QⅣ-125一件之外大部分铀矿石光片不显示铀放射性感光效应或聚集形成铀的独立矿物，仍以吸附形式的铀存在于砂岩型铀矿石中。

砂岩型铀矿矿化蚀变中的铀常呈吸附状态赋存于具高吸附性的岩石及矿物中，这是铀地球化学的一个重要特点。表生带中的铀酰离子常带有正电荷，水解能力弱，很容易被带负电荷的胶体粒子所吸附。高吸附性的粒子为黏土矿物、有机质、炭屑、硅胶、铁—锰—钛的氢氧化物，它们是促使铀沉淀的有利因素，也是铀矿化的主要存在形式之一(闵茂中等，2006)。

5 钱家店砂岩型铀矿床成矿作用

砂岩型铀矿床多形成于河湖相和滨海相沉积环境，一般属于沉积—后生改造成因(汤其韬，2000)。铀的富集与成矿可受沉积岩形成的各个因素影响，其中包括地质构造背景、风化剥蚀区的物质来源、沉积环境与沉积作用、沉积成岩作用、后生改造作用、油气还原作用等。钱家店凹陷周边蚀源区剥蚀区物质来源及其风化剥蚀是成矿前提，沉积环境—沉积岩相及其沉积—成岩作用是富集基础或主导，在多数情况下，后生叠加改造成矿作用起着关键作用。

通过较系统的含矿建造岩石学、矿化蚀变岩石学与矿石的研究，将钱家店砂岩型铀矿成矿作用划分为4种作用方式，4种成矿作用方式既有先后顺序，又有交叉叠置关系。

5.1 沉积成岩预富集阶段

该预富集阶段主要发生在姚家组沉积时期及其沉积后的成岩阶段，形成砂体铀的异常或胚胎矿。钱家店姚家组含矿建造的砂岩碎屑成分为含矿性好的流纹岩、粗面岩、安山岩、花岗岩、硅化岩、硅质岩、碳质硅板岩—硅板岩屑以及微斜条纹长石、炭屑等，同时，碎屑中有机炭屑、钛铁矿、磁铁矿重矿物，成岩黄铁矿等还原性组分附近可局部形成还原环境，或作为还原剂直接吸附或还原可溶性六价铀。

5.2 层间氧化下渗成矿阶段

层间渗入成矿阶段是钱家店铀矿床的主要成矿方式，铀矿化及其伴随的矿化蚀变，主要定位于渗入地下水的氧化—还原界面及其以下的氧化还原过渡带上，该层间渗入时发生较大规模的矿化蚀变的成矿作用。

层间氧化下渗成矿发育期可划分为2个阶段：第1阶段于晚白垩世至古近纪的构造活动期间，首先，晚白垩世末盆地大面积抬升、剥蚀、掀斜，使盆地南部姚家组大面积出露掀斜，地下水开始向下渗入并形成层间氧化带，铀矿化不断在氧化—还原过渡带聚集。另外，继本区嫩江隆升构造活动之后，在钱家店凹陷盆地北东部形成几十平方千米姚家组的剥蚀天窗，该天窗可作为局部地下水排泄区，构成完整的古地下水“补—径—排”水动力系统，为后期层间氧化作用创造了条件。该层间氧化矿化蚀变作用持续时间较长，是钱家店凹陷砂岩型铀矿成矿作用的主期。

第2阶段为新近纪中晚期阶段至今，新近纪中晚期钱家店凹陷盆地中北部由于进一步隆升姚家组遭到剥蚀，天窗范围进一步扩大，形成了局部由天窗向四周分布的潜水氧化带，该氧化带主要是由大气降水携带大量的活性氧所致，对姚家组中铀进行重新分配，对之前形成的铀矿床进行了改造，使局部地区形成低品位铀矿床，而局部地区形成高品位铀矿床。该氧化带破坏了之前形成的“卷头”，形成了透镜状、板状矿体。由于本地区构造较为活跃，渗流的地表水、地下水的流向变化大，使得钱家店砂岩型铀矿属于不典型的层间氧化带型。

5.3 油气渗入还原富集成矿阶段

后生改造富集成矿阶段在钱家店凹陷普遍发生，一般与新构造作用有关，但极不均匀，叠加于先期层间渗入成矿带中，形成铀的更为富集地段。改造富集成矿阶段具有多种表现形式：亮晶方解石化的显微细脉—显微网脉状分布；显微细粒黄铁矿集合体的裂隙脉状产出；泥粉状氧化铁质沿微构造裂隙充填分布；油气逸散形成的油渍、油斑、晕圈、火焰等形态的污染地段，往往形成微细粒黄铁矿聚集体或显微细脉状黄铁矿聚合体，形成与油气有关的后生黄铁矿莓球群，铀的矿化与黄铁矿化密切相关。

油渍、油斑、油气晕斑多分布于岩石构造微裂隙之中，碎屑岩和泥岩2种岩性接触界面上，这些油浸斑痕作为含铀大气水的还原介质或酿造还原性物理化学环境，致使下渗的氧化铀被还原沉淀。形成油渍—油斑—方解石—莓球状黄铁矿—铀石组合或油渍—油斑—方解石—黄铁矿—沥青铀矿组合。