内蒙古二连盆地哈达图铀矿床地球化学特征及其地质意义

刘武生，李西得，薛宗安，吕永华，刘持恒

（1.核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029；2.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083；3.核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010）

内蒙古二连盆地哈达图铀矿床是近年来发现的大型建造间古河道型铀矿床，它具有品位高，规模大，矿体呈板状等特征，其地球化学特征和成因机制受到铀矿地质工作者广泛关注，并提出了多种成因观点，从不同侧面解释了该矿床的成因。李子颖（2019）提出了深部渗出流体还原成矿模式，认为深部还原性流体（主要为含烃类、CO、H2S 等气体）沿断裂、不整合面或下切的河道砂体运移至已完全氧化的砂体中，发育氧化还原反应，形成的铀矿化与海底喷流成矿模型类似。此外，学者们相继提出了多期次强烈氧化叠加成矿、油气还原、吸附叠加改造成矿、多期多阶段成矿［1-9］等观点。总之，该矿床成因复杂，各位学者从不同角度阐述矿床的渗入氧化、渗出还原、油气改造等不同成矿作用，但未对哈达图矿床超常富集机理、板状矿体成因、矿体“悬空”于灰色砂体的成因等予以说明。本文基于大量分析测试数据，在阐述哈达图矿床－矿石特征的基础上，详细分析了矿床的主量元素、微量元素、还原容量、氧化还原能力、酸碱度、共伴生元素等成矿环境地球化学特征、流体包裹体特征、同位素特征，结合同位素年代学、热力学（T）和抬升史分析，以期对哈达图矿床超常富集和板状矿体成因提供地球化学依据。

1 矿床-矿石特征

1.1 矿床特征

哈达图铀矿床位于二连盆地中部乌兰察布坳陷齐哈日格图凹陷中央，处于巴-赛-齐铀成矿带的西部。矿床沿凹陷长轴方向呈近南北向展布，总面积约700 km2（图1）。

铀矿化主要产于下白垩统赛汉组上段第二旋回古河道内，该河道宽10～20 km，长约60 km。铀矿化分布于河道拐弯、变缓等水文情势发生变化部位［10］。含矿岩性主要为灰色含砾中细、中粗砂岩；铀矿体“悬空”赋存在氧化砂体之间的灰色残留体内，灰色砂体控矿性明显；矿体呈板状、透镜状，略向南倾斜，倾角小于2°［4］（图2）；矿化平均品位达0.100 8%，平米铀量平均为7.41 kg/m2，最高达63.77 kg/m2，矿体平均厚度为3.3 m，矿体空间分布连续性好［11］，规模达大型以上，具超常富集特征。

图1 哈达图铀矿区古河道砂体氧化率等值图Fig.1 Isoline map of oxidation ratio of paleo-valley sandstone body in Hadatu uranium deposit

图2 哈达图铀矿床F47 线地质剖面图Fig.2 Geological Section F47 in Hadatu uranium deposit

1.2 铀矿物特征

哈达图矿石中铀矿物颗粒非常细小（多为0.n～n μm），主要为沥青铀矿为主，还含有少量的铀石和磷钙铀矿。沥青铀矿主要呈胶状，多见葡萄状、皮壳状的颗粒，多分布于黄铁矿周边、附着于黏土矿物或碎屑颗粒的表面还有充填于碎屑颗粒的裂隙、孔隙中。

与铀矿物伴生的金属矿物主要是黄铁矿。黄铁矿明显分为3组： 铀含量较低的样品中几乎未发现完整晶型的黄铁矿，在显微镜下观察铀矿物一般围绕着不规则的小颗粒黄铁矿产出（图3a）；中等铀含量的样品其中的黄铁矿主要以八面体组成的草莓状集合体形式产出，其中见到一些黄铁矿呈现不完全的立方体形态，有明显的晶面台阶反映其晶体的生长情况，铀矿物多围绕黄铁矿颗粒产出（图3b）；高品位样品中的黄铁矿主要以立方体状为主，见五角十二面体黄铁矿，铀矿物产于黄铁矿颗粒边缘缝隙中（图3c）。其成因有二： 一是溶液中的Fe3＋和U6＋先后被还原，形成FeS2和UO2，但在Eh 值降低过程中Fe3＋总是先于U6＋还原沉淀［10］，故后沉淀的UO2常围绕新生的FeS2分布；二是在有氧的介质中因FeS2表面优先被针铁矿化、水针铁矿化而失去还原能力［17］，先期富集的铀矿物微粒经机械搬运沉积在大颗粒黄铁矿晶体附近。

图3 哈达图矿石扫描电镜、能谱分析图Fig.3 Scanning electron microscope image and energy spectrum of ores in Hadatu uranium deposit

哈达图矿床铀矿物存在两种铀赋存状态，第一种铀矿物为普遍含P、Ca 等杂质的沥青铀矿（图3e、f），为早期铀成矿的产物，形成层状、板状铀矿体；第二种为呈鲕粒状附在早期铀矿物表面，形成纯净的沥青铀矿（图3e、g）。

与铀矿物共伴生的矿物还见有雄黄、五角十二面体黄铁矿、针柱状石膏等表征中低温热液的矿物（图3d），说明该矿床在经历氧化还原作用的前提下，曾遭受了中低温热液改造作用。

2 成矿环境地球化学特征

本文将哈达图矿床内褐黄色、亮黄色、黄色砂体确定为强氧化带，浅黄色、淡黄色、斑点黄色砂体确定为弱氧化带，灰白色、浅灰色砂体确定为铀增高带，将灰色砂体确定为正常矿石带，暗灰色、灰黑色砂体确定为富矿石带，灰色、灰绿色砂体确定为原生带。不同蚀变带内微量元素、还原容量元素、酸碱度、氧化还原能力、铁氧化物、黏土含量等地球化学特征呈现规律性变化（表1）。

2.1 微量元素特征

利用微量元素不同特点对各种岩石所处沉积微相、水动力环境等进行识别。

1） Sr/Ba

根据Sr/Ba 值判别沉积介质环境，一般淡水沉积相中Sr/Ba 值＞1，半咸水相为1～0.6，微咸水相为＜0.6［12］。哈达图矿石属微咸水范围，Sr/Ba 值为0.27。

表1 哈达图铀矿床蚀变带内矿物-地球化学特性表Table 1 Geochemical characteristics of mineral in the alteration zone of Hadatu uranium deposit

2） V/（V＋Ni）

V 在氧化环境被吸附富集，Ni 则在还原环境更易富集。V/（V＋Ni）＞0.82，反映水体分层及底层水体出现H2S 的厌氧环境；0.56～0.82 中等比值范围，反映其水体分层不强的厌氧环境；＜0.56，反映水体未分层的弱氧化环境。哈达图V/（V＋Ni）＝0.43，说明矿床处于未分层的弱氧化环境。

2.2 主量元素特征

主量元素中的铁氧化特征能够表征岩石沉积及其后期经历的氧化还原环境，Al2O3、CaO 的含量来表征黏土含量。

1） 铁氧化物

在砂岩型铀矿研究中可用铁氧化物含量作为地球化学环境的标志［13］。哈达图强氧化带内FeO 含量为0.73%，Fe3＋/Fe2＋达5.44，说明氧化程度高，二价铁大都被氧化为三价铁；弱氧化带FeO 含量为0.62%，Fe3＋/Fe2＋为1.55，说明氧化程度较高，二价铁部分氧化为三价铁；铀增高带和正常铀成矿带FeO 含量为0.73%～0.77%，Fe3＋/Fe2＋为0.81～0.82，说明氧化程度降低，还原能力增高；富矿石带FeO 含量为1.16%，Fe3＋/Fe2＋为0.77，说明二价铁相对富集，还原能力进一步增高；原生带FeO 含量为0.60%、Fe2＋/Fe3＋为0.97，说明处于还原能环境，二价铁含量趋于正常。

2） Al2O3＋CaO 的含量

在砂岩型铀矿石分析中，常用Al2O3＋CaO 的含量来反应黏土含量特征［14］。哈达图矿床中强氧化带－弱氧化带中Al2O3为8.65%～8.82%，CaO 为0.42%～0.43%，Al2O3＋CaO 含量为9.07%～9.25%，含量较少；铀增高带－正常矿带Al2O3、CaO 含量较高，Al2O3为9.34%～9.53%，CaO 为0.47%～0.52%，Al2O3＋CaO含量为9.81%～10.05%，说明黏土的吸附作用对铀正常富集具较大作用；富矿石带Al2O3、CaO 含量较低，Al2O3为8.50%，CaO 为0.44%，Al2O3＋CaO 含量为8.94%，与强氧化带相当，说明铀超常富集中黏土的吸附作用较弱；原生带Al2O3、CaO 含量最低，Al2O3为7.82%，CaO 为0.33%，Al2O3＋CaO 含量为8.15%，说明岩石未经历后生改造。

2.3 还原容量特征

砂岩型铀矿中还原容量可用有机碳含量、油气（烃类气体）、ΔEh（氧化还原能力）等来表示。

1） 有机碳质量分数

有机物质对铀的富集主要因素是还原作用、吸附作用和形成有机化合物的化学反应［7］。哈达图矿床有机碳含量在富矿石带最大，达4.78%，烧失量为7.37%，远高于典型层间氧化带中矿石带中各相应要素的含量，表明富矿石带具有强烈的还原能力；铀增高带－正常矿带有机碳含量次之，为0.21%～0.28%，与正常氧化还原过渡带含量相当［14］；强氧化带－弱氧化带有机碳含量最小，仅为0.03%；原生带有机碳含量较稳定，为0.18%。

2） 油气（烃类气体）

油气参与铀成矿作用主要体现在H2S、CH4、H2的还原作用上。哈达图矿床氧化带至矿石带油气含量呈现均一性，CH4含量为105～466 μL·kg-1；富矿石带油气含量反而降低至43 μL·kg-1，酸解烃含量不具分带性，说明矿石未曾遭受或遭受极弱的油气还原作用，矿床的成因可能与油气还原作用无关。

3） ΔEh（氧化还原能力）

氧化还原电位（ΔEh）能较好地反映岩石的氧化还原能力，ΔEh 值越高，表明岩石的氧化还原能力越强。哈达图矿床从强氧化带—弱氧化带—铀增高带—铀矿石带—富矿石带氧化还原电位（ΔEh）逐渐增高，由强氧化带的5.77 mV 上升至108.78 mV，二者之间相差近20 倍，一般氧化还原过渡与氧化带相差2～3 倍［14］。这么强烈的地球化学障是哈达图超强富集的原因之一。

2.4 酸碱度特征

从氧化带至原生带，一般典型砂岩铀矿具有碱-中性（或弱酸）-碱的分带性［15］。哈达图矿床在氧化带亦具有弱碱性特征，pH 值为8.79～9.11；铀增高带－正常铀矿石带具弱酸性特征，pH 值为6.75；但在富矿石带呈酸性，且品位越高，pH 值越低，最低至3.12。这与层间氧化带砂岩型铀成矿共识pH 值＞8 或者pH 值＜4.5 的碱性或者酸性介质是铀迁移的最有利条件相矛盾［13］，说明哈达图矿床富矿石可能具深部油气或热水参与作用。

2.5 共伴生元素特征

哈达图矿床铀增高带－正常矿石带中共伴生元素主要有V、Mo、Re，与典型砂岩型铀矿床一致（表2）。但是，在哈达图矿床中U 含量大于500×10-6的富矿石中Re 含量最高达96.20×10-6，平均含量达9.56×10-6，达综合利用价值。其成因可能与深部油气或热水作用有关。

表2 二连盆地典型铀矿床矿石中U、Re 含量分析对比表Table 2 Uranium and rhenium content in ores of the typical uranium deposits in Erlian Basin

3 流体包裹体特征

图4 哈达图铀矿床不同品级矿石均一温度与频数直方图Fig.4 Histogram of homogeneous temperature of different grade ore in Hadatu uranium deposit

通过哈达图矿石中石英颗粒内部的富液盐水包裹体分析表明，本矿床包裹体均一温度为65～175℃，盐度为1.5%～10.5%（NaCl），说明温度和盐度变化范围较大。进一步分析发现，品位小于0.05%矿石包裹体的均一温度主要集中于75～100℃，盐度为6.0%～8.0%（NaCl）；品位大于0.05%矿石包裹体的均一温度主要集中于100～125℃，盐度为分为两个区间，即2.0%～6.0%（NaCl） 和8.0%～10.5%（NaCl），说明高品位矿石经历了热水叠加改造作用（图4、5）。

图5 哈达图铀矿床不同品级矿石包裹体均一温度与盐度关系图Fig.5 Relation of homogeneous temperature to the salinity of inclusions in different grade ore of Hadatu uranium deposit

单个包裹体液相成分主要为H2O，其次为CO2，含少量CH4，一般不含SO2和C2＋；单个包裹体气相成分主要以CO2为主，其次为O2和H2S，所有包裹体气相中均不含SO2和C2＋。包裹体成分中较高含量的H2S 表明，铀成矿时古流体具有较强的还原性，为铀的沉淀、富集提供了有利的成矿介质环境条件；包裹体成分中较高含量的CO2与含矿砂岩中高含量碳酸盐胶结物的现象暗示了流体中的CO2及其转化的参与了哈达图矿床铀的迁移与沉淀作用。

4 同位素特征

通过矿石中黄铁矿S 同位素测试显示，黄铁矿的δ34S 介于－45.0‰～5.0‰，表明本区黄铁矿中的硫应该来自细菌硫酸盐还原作用，是在温度≤50 ℃的相对开放环境下，硫酸根离子的供给速率高于被还原的速率形成的。硫源主要是地表淡水的硫酸盐，表明地表渗入氧化作用强，铀矿体正在遭受破坏，且矿化品位与δ34S 呈反比，说明富矿体经历过多期氧化还原铀成矿作用（图6）。方解石胶结物的C、O 同位素测试结果表明，C 同位素（δ13CPDB值为－9.5‰～－0.8‰） 属生物、海相碳酸盐复成因，反映了碳酸盐胶结物中的碳与生物成因有关；δ18OPDB值 为－13.8‰～－8.9‰、δ18OSMOW值为17.8‰～23.9‰，说明铀成矿与有机质氧化作用和脱羟基作用有关。

综合本区C、S 同位素的分布特征以及草莓状黄铁矿的产出，认为哈达图矿床铀成矿全程有微生物的参与。喜氧菌在氧化带的地下水中较为活跃，氧化带砂岩中的金属硫化物在喜氧菌的作用下被氧化为硫酸，使地下水的Eh 值升高，pH 值降低。此时，岩石中的U4＋转变为较为活跃的U6＋随地下水进行迁移。当迁移至氧化带前锋，地下水随着迁移距离的增加及自身含氧量的降低，使得地层由富氧环境转变为缺氧环境，厌氧菌开始大量繁殖，在硫酸盐还原菌（厌氧菌）的作用下，地层中的被还原为H2S 气体及，pH 值随之发生改变。与地层中的Ca2＋形成CaCO3沉淀。H2S 气体具有很强的还原性，在其还原作用下，地下水中的Fe3＋被还原生成黄铁矿，U6＋也被还原为U4＋沉淀，形成铀矿物［16］。同时，pH 值的改变导致一部分水中的铀酰离子被破坏，离解为或水解为UO2OH＋，被地层中的负胶体吸附（图7）。

图6 哈达图铀矿床不同品位矿石中硫同位素值分布范围图Fig.6 Distribution of sulfur isotope of different grade ores of Hadatu uranium deposit

图7 哈达图矿床微生物铀富集机制示意图Fig.7 Schematic diagram of microbial uranium enrichment mechanism for Hadatu uranium deposit

5 热力学（T）及抬升史

磷灰石的裂变径迹（FT）分析是沉积盆地构造热年代学研究的主要方法之一。本文通过哈达图矿区北部的二连盐池石炭系沉积岩和哈达图矿区内EZK800-2031 砂岩磷灰石裂变径迹反演结果表明，哈达图自70 Ma 开始抬升，二连盐池自35 Ma 才开始隆升，从而形成南高北低构造格局。35 Ma 以来，二连盐池快速隆升，至20 Ma 构造反转，形成北高南低构造格局。这次地貌的翘翘板运动，对哈达图矿床多期次渗入氧化作用奠定了构造－地貌基础水动力条件［17-18］（图8）。

图8 齐哈日格图和二连盐池代表性磷灰石裂变径迹模拟的时间-温度曲线图Fig.8 Time-temperature relation derived from apatite fission track for Qiharigetu and salt pond in Erlian Basin

地震平衡剖面法是重塑盆地沉积充填史的有效手段。本文通过哈达图矿区L12-1 地震剖面开展平衡剖面恢复表明，早白垩世阿尔善期—腾格尔期（138～121 Ma），在前白垩系基底之上形成断陷盆地；早白垩世赛汉早期（121～113 Ma），进入断-坳转换期，盆地内仅有少量正断层活动［19］；早白垩世赛汉二期早期（K1s2-1），全面进入坳陷阶段，沉积的K1s2-1范围远超过断陷期，表现为典型的“牛头”状；在早白垩世赛汉二期中期（K1s2-2），开始出现区域的挤压应力，发生构造正反转，表现为早期沉积的K1s2发生明显的褶皱，在剖面中部形成一背斜构造，形成有利的泛连通河道砂体；早白垩世赛汉二期晚期（K1s2-3），在短暂的挤压环境下恢复了区域热沉降，在之前的背斜构造两翼形成负地形，继续沉积，并且背斜核部被剥蚀，剥蚀量约100～300 m，有利于古潜水氧化成矿作用发育；晚白垩世二连期，区内继承性沉积了K2e，并在K1s2变形的背斜出现明显削截，为角度不整合，有利于潜水－层间氧化成矿作用发育，其余区域均为整合接触；进入新生代以后，差异升降，构造地貌反转对铀成矿产生深远影响（图9）。

6 同位素年代学特征

二连盆地砂岩型铀矿主成矿年龄主要集中在古近纪［10，20］（表3），与K2e/E2y 角度不整合密切相关［10］。本文通过采集分析哈达图矿床低品位（小于0.05%）矿石U-Pb 同位素组成，获得（62.4±1.1）Ma 和（48.3±5.1）Ma 两期铀成矿年龄，与二连盆地砂岩型铀矿主成矿年龄相当；分析高品位（大于0.1%）矿石中沥青铀矿单矿物U-Pb 同位素组成，得出16.0～3.2 Ma成矿年龄（表4），与哈达图与二连盐池地区构造地貌反转（20 Ma）和阿巴嘎旗玄武岩喷发（15.0～0.16 Ma）密切相关［21］，说明哈达图矿床年龄具多期多阶段性，主成矿期为晚白垩世—始新世；叠加改造期为渐新世—中新世，由于构造地貌反转，造成成矿作用方向反转；同时由于玄武岩喷发，地热梯度增加，深部热水上涌，对早期形成的铀矿体进行叠加改造。

图9 哈达图矿区L12-1 地震测线构造演化剖面图Fig.9 Structural evolution of seismic Profile L12-1 in Hadatu deposit

表3 二连盆地砂岩型铀矿的成矿年龄Table 3 Metallogenic age of the sandstone-type uranium deposits in Erlian Basin

表4 二连盆地哈达图铀矿床沥青铀矿表观年龄一览表Table 4 Apparent age of pitchblende in the Hadatu deposit，Erlian Basin

7 结论

1） 哈达图铀矿床具矿化品位高、矿体呈板状、连续性好、规模大等特征；铀矿物以沥青铀矿为主，且存在两期，早期呈层状含P、Ca 等杂质为特征，晚期呈鲕粒状纯净的沥青铀矿附在早期层状沥青铀矿表面。

2） 通过哈达图矿床主量元素、微量元素、还原容量、氧化还原能力ΔEh、酸碱度pH 值、共伴生元素等成矿环境参数分析表明，哈达图矿床低品位（＜0.05%）矿石的成矿环境参数特征与巴彦乌拉矿床相似；但高品位（＞0.05%）矿石与强氧化还原能力ΔEh、中强酸、富Re 等密切相关，说明与深部流体参与叠加成矿作用有关。

3） 基于流体包裹体分析，液相成分主要为H2O，其次为CO2，气相成分主要以CO2为主，其次为O2和H2S，表明铀成矿时古流体具有较强的还原性，流体中的CO2及其转化的参与了哈达图矿床铀的迁移与沉淀作用；包裹体均一温度为65～175 ℃，盐度为1.5%～10.5%（NaCl），但品位小于0.05%矿石包裹体为地温梯度内的正常温度和盐度；品位大于0.05%矿石包裹体均一温度显示低温热液特点，盐度分化为两极，说明高品位矿石经历了热水叠加改造作用。

4） 通过同位素年代学和热力学及抬升史分析，认为哈达图矿床具多期多阶段成矿特点。其中，预富集阶段（105～70 Ma）与赛汉组上段沉积后发生的构造正反转形成褶皱有关；主要成矿期（70～35 Ma）与哈达图70 Ma快速抬升形成K2e/E2y 角度不整合密切相关；叠加改造期（16.0～3.2 Ma）与构造地貌反转和玄武岩喷发密切相关。

5） 通过矿石中C、S 同位素分析表明，哈达图矿床在硫酸盐还原菌（厌氧菌）的作用下，地层中的被还原为H2S 气体及，促使铀沉淀富集；同时pH 值降低，导致一部分水中的铀酰离子被破坏，离解为或水解为UO2OH＋，被地层中的负胶体吸附富集。