二连盆地哈达图古河道砂岩型铀矿成矿地球化学特征研究

2020-12-15张文东刘武生张梓楠史清平刘持恒

东华理工大学学报(自然科学版) 2020年4期

张文东，刘武生，张梓楠，史清平，刘持恒

(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)

二连盆地属于中新生代重要的产铀盆地之一，盆地东西长约1 000 km，南北宽20～40 km，总面积约11×104km2。整个盆地包括了6个二级构造单元，即“五坳一隆”，从北往南依次为乌尼特坳陷、马尼特坳陷、苏尼特隆起、乌兰察布坳陷、川井坳陷和腾格尔坳陷(刘武生等，2015；旷文战等，2014)。在铀成矿过程中，成矿流体会沿着含矿层进行运移，且主量元素、微量元素及稀土元素会随着介质物理化学条件(Eh、pH)的变化而发生改变(刘汉彬等，2012；汤超，2014)，进而对铀成矿环境产生影响。哈达图古河道砂岩型铀矿位于乌兰察布坳陷中东部，顶板发育比较厚的盖层，经过强烈层间氧化后在砂体中形成了高品位的矿体，矿体平均厚度3.67 m，矿体埋深230～552 m，平均品位为0.09%(刘波等，2017)。基于此，笔者在前人研究和大量实验的基础上对哈达图古河道砂岩型铀矿不同带砂岩进行地球化学分析，探究该地区元素迁移规律及与铀成矿的关系，以期为该区找矿工作提供思路和参考。

1 地质背景

研究区位于乌兰察布坳陷古河道的中部，该坳陷以阿尔善-本巴图凸起和江岸-塔木钦塔拉凸起为界，分为北、中、南三个次级凹陷带(旷文战等，2014)，总体呈北东向展布(图1)。乌兰察布坳陷区域构造存在明显的拉张特征，内部凹陷可以分为单断式箕状凹陷(半地堑)和双断式凹陷(地堑)，一般靠近内部的凹陷呈双断式，靠近隆起的凹陷呈单断式向隆起上超覆分布。乌兰察布坳陷基底由华力西-燕山期的基性-中酸性侵入岩及元古界和古生界变质岩系构成，为近北东东向和东西向的主体构造线，是古生代近东西向古构造经燕山期北东向构造叠加改造的结果(陈戴生等，2006)。同时，乌兰察布坳陷周边各中酸性岩浆岩比较发育，铀丰度较高，平均3.6×10-6～8.3×10-6，为哈达图古河道砂岩型铀矿成矿提供了丰富的铀源。

研究区主要地层有新近系(N)、古近系(E)、上白垩统二连组(K2e)、下白垩统赛汉组(K2s)、腾格尔组(K2t)和阿尔善组(K2a)。其中赛汉组上段分布着比较广泛的古河道沉积，且砂体沿古河道呈朵状、带状分布。岩性主要为灰色粗碎屑岩，其不仅成熟度低，而且还富含黄铁矿和有机质等还原性介质，为铀矿化提供了有利环境(刘武生等，2013)。

在挤压抬升作用下，赛汉组地层发生了构造反转，使哈达图北部强烈抬升，由北向南发生了逆向潜水-层间氧化作用，且叠加后生还原作用可以为铀富集成矿提供条件(李洪军等，2012)，如图2所示。

2 样品采集与分析

本次研究基于岩石的特征矿物(褐铁矿、赤铁矿、黄铁矿等)、颜色和在剖面中的相对位置将砂岩划分为氧化带、过渡带及还原带。为了获取砂岩的地球化学数据，对哈达图地区的FZK0-7、FZK15-0、FZK16-0三个钻孔进行系统取样，并在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成测试，采样位置如图3和表1所示。

表1 不同带砂岩样品采集结果

3 元素地球化学分析

3.1 主量元素特征

在砂岩型铀矿中，含氧含铀水运移过程中将会与原生矿物发生一系列反应，出现了元素迁入与迁出过程。在对氧化带、过渡带及还原带岩石样品进行主量元素化学分析，其结果见表2。

(1)氧化带：Al2O3含量为7.21%～8.36%，平均7.92%；TFe2O3含量为0.73%～1.51%，平均1.15%；CaO含量为0.28%～0.56%，平均0.38%；FeO含量为0.44%～0.81%，平均0.58%；S含量为0.01%～0.09%，平均0.03%；Al2O3+CaO含量为7.49%～8.73%，平均8.30%；Fe3+/Fe2+含量为0.15～1.17，平均0.69。

(2)过渡带：Al2O3含量为8.58%～10.65%，平均9.35%；TFe2O3含量为1.85%～5.22%，平均3.14%；CaO含量为0.41%～0.58%，平均0.47%；FeO含量为0.63%～0.88%，平均0.75%；S含量为0.27%～2.81%，平均1.38%；Al2O3+CaO含量为9.20%～11.23%，平均9.82%；Fe3+/Fe2+含量为0.09～0.85含量为，平均0.32。

(3)还原带：Al2O3含量为6.16%～9.43%，平均7.51%；TFe2O3含量为0.78%～1.11%，平均0.93%；CaO含量为0.25%～0.39%，平均0.30%；FeO含量为0.42%～0.77%，平均0.56%；S含量为0.01%～0.29%，平均0.11%；Al2O3+CaO含量为6.41%～9.82%，平均7.81%；Fe3+/Fe2+含量为0.09～0.56，平均0.23。

3.2 微量元素特征

对研究区15件样品进行微量元素分析(表3)。

(1)从表3可以得出，氧化带、过渡带及还原带都具有极高的U峰值，其范围为499.00×10-6～3 887.00×10-6，平均2 007.80×10-6，呈现出强烈的富铀特征；而氧化带U峰值范围为4.05×10-6～28.70×10-6，平均13.13×10-6，还原带U峰值范围为13.80×10-6～88.10×10-6，平均42.98×10-6，均呈现出轻微-弱富集特征。同时在三组样品中，相对富集的元素有Rb、Mo、Sb、Ba、W、Tl、Pb、U，相对亏损的元素有Li、Sc、V、Cr、Ni、Cu、Sr、Y、In、Nb、Ta、Zr、Hf，其他元素富集和亏损不明显。

(2)在微量元素蛛网图(图4)中，氧化带、过渡带及还原带均呈现“W”式形态，反映它们具有基本相同的物源特征，只不过在后期含矿流体改造作用下，不同元素富集和亏损程度不一。

3.3 稀土元素特征

稀土元素具有非常相近的地球化学性质，其特征和组成是地球化学的重要指示剂，可以借助稀土元素来对成矿物质来源、环境特征及形成条件进行探讨(汤超，2014)。研究区砂岩样品稀土元素分析结果如表4所示，采用了球粒陨石进行标准化处理，(La/Sm)N、(Gd/Yb)N、δEu值和δCe 值的计算均参考赵志根等(1998)计算公式，即δEu=EuN/(SmN*GdN)1/2；δCe=CeN/(LaN*PrN)1/2，其中EuN、SmN、GdN、CeN、LaN、PrN均为元素球粒陨石标准化值。

(1)从表4可知，氧化带、过渡带及还原带的∑REE平均值分别为86.16×10-6、117.09×10-6、87.18×10-6，LREE平均值分别为78.75×10-6、101.63×10-6、80.35×10-6；HREE平均值分别为7.41×10-6、15.46×10-6、6.83×10-6；LREE/HREE平均值分别为10.69、8.39、11.78，呈现出较明显的轻重稀土分异现象；δEu平均值分别为0.44、0.46、0.41，为Eu负异常；δCe平均值分别为0.98、0.97、0.96，为Ce弱负异常；(La/Sm)N平均值分别为4.51、3.68、4.56，反映了轻稀土元素之间存在比较明显的分馏作用；(Gd/Yb)N平均值分别为1.53、1.30、1.72，反映了重稀土元素之间分馏作用不明显。

(2)图5描述的是稀土元素配分模式特征，氧化带、过渡带及还原带砂岩配分曲线均向右倾，且表现出明显的Eu异常。除了EW16-48样品外，其他样品的LREE、HREE、∑REE均低于上地壳。氧化带、过渡带及还原带的LREE/HREE值偏大，存在明显的LREE富集，HREE亏损现象，且轻重稀土分异程度高。与上地壳相比，该地区经历了比较充分的后期改造作用，地壳演化成熟度较高。EW16-48样品从Ce开始到Lu呈现出富集状态，说明该样品流体与其他样品存在不同的物源来源。过渡带铀矿石的配分曲线与氧化带、还原带相似，具有同源性，但又有差异，可能是经历了后期流体改造成矿作用，从而形成铀矿石。

4 讨论

4.1 主量元素与铀成矿作用

Al2O3、CaO的含量可以表征黏土矿物含量，且具有良好的分带性(单广宁等，2015)。本次研究中，过渡带Al2O3+CaO的平均含量高于氧化带和还原带(图6)，说明该带具有相对比较高的黏土含量，有利于黏土吸附成矿。同时，Fe3+/Fe2+的比值在氧化带最高，过渡带次之，还原带最低(图6)。在氧化带中，原生砂体被氧化，二价亚铁被氧化成三价铁形成赤铁矿、水针铁矿和褐铁矿等矿物，与铀成矿所需环境相符。

4.2 微量元素与铀成矿作用

在氧化带中，Th/U值最高，其次为还原带，过渡带最低(图6)。这说明在氧化还原过程中，U以U6+离子形式迁移到过渡带转变成U4+沉淀下来，为成矿作用提供部分铀源(罗晶晶等，2018)。在氧化环境中，V易于吸附富集，而在还原环境中，Ni易于吸附富集，此时可以用V/(V+Ni)比值来对沉积水体的氧化还原环境进行判断(范玉海等，2012)。如果V/(V+Ni)>0.84，反映水体分层的厌氧环境，0.62～0.82反映水体分层不强的厌氧环境，0.46～0.60反映水体分层弱的贫氧环境。本次研究结果中，氧化带、过渡带及还原带V/(V+Ni)比值的平均值分别为0.77、0.72、0.73，因此成矿环境为分层不强的厌氧环境。

4.3 稀土元素与铀成矿作用

在赋存环境中，随着氧化还原条件的变化，Eu、Ce会转化成不同的价态(涂光炽等，1998)。在本次研究中，氧化带、过渡带及还原带中Eu均表现为负异常，且其平均值均低于世界各地砂岩δEu平均值(0.7，王中刚，1989)，反映该环境富含有机质和烃类气体，具有强烈的还原性，有利于铀成矿。Ce总体变化不大，均表现为弱负异常。通过对Eu和Ce的元素特性进行分析得知，Eu在二价态沉淀，三价态可溶，Ce在四价态沉淀，三价态可溶。因此δEu和δCe可以作为判断氧化还原环境的主要标志(张成江等，2010)。

4.4 Eh、pH与铀成矿作用

(1)氧化还原电位(△Eh)可以对岩石的氧化还原能力给予直观反映。△Eh值越高，说明岩石具有比较强的氧化还原能力。同时在铀成矿过程中，△Eh值变化梯度越大，越有利于形成品位较富的铀矿体(张祖还等，1984)。本次研究中，氧化带、过渡带及还原带岩石样品的△Eh平均值分别为8.6 mV、30 mV、22.2 mV(图6)，说明过渡带具有比较强的氧化还原能力，有利于铀成矿的进行。

(2)黄铁矿和硫化氢的存在对铀成矿也非常重要，尤其是黄铁矿的存在会导致溶液△Eh值发生改变，进而使铀离子被还原沉淀。本次所取样品中含有较多的黄铁矿颗粒，测试结果显示氧化带、过渡带及还原带岩石样品的S含量平均值分别为0.03%、1.38%、0.11%(图6)，其反映了过渡带黄铁矿的含量比较高。因此满足了铀成矿所需条件。

(3)典型层间氧化带砂岩型铀矿的酸碱度(pH)均存在碱-中性(或弱酸)-碱的水平分带特点，二连盆地巴彦乌拉、赛汉高毕等矿床的氧化带一般呈弱碱性特征，过渡带呈中性，还原带呈弱碱性，造成这种现象的主要原因是过渡带发生了高岭土化酸性蚀变作用(单广宁等，2015)。本次研究结果中，氧化带、过渡带及还原带的pH平均值分别为9.29、6.95、8.30(图6)，符合碱-中性(或弱酸)-碱的水平分带特点，有利于铀矿床的形成。