鄂尔多斯盆地北部巴音青格利—宿亥图地区延安组黏土矿物特征

骆效能，易 超，张字龙，张 艳，胡立飞

（1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029；3.核工业二〇八大队，内蒙古包头，014010）

鄂尔多斯盆地是我国北方砂岩型铀矿基地之一，近年来勘查成果显著，相继发现了皂火壕、纳岭沟、大营三个大型以上铀矿床，并发现了罕台庙、柴登壕、巴音青格利等一批铀矿产地，研究程度较高。前人对鄂尔多斯盆地东北部砂岩型铀矿床的构造特征及演化［1-3］、岩石学及沉积特征［4-6］、铀成矿过程中的还原剂［7-10］、流体特征以及地球化学特征［11-13］、成矿年龄［14-15］和铀矿物赋存形式及铀成矿模式［16-18］等几个方面进行了研究，层位主要针对中侏罗统直罗组，对中侏罗统延安组研究甚少。

中侏罗统延安组是鄂尔多斯盆地内最重要的含煤地层，根据沉积演化的特点及煤层发育的周期性，可将延安组从下往上划分为五个不同的岩性段［19］。延安组第Ⅰ岩段在研究区内发育了规模较大的辫状河河道砂体，厚度大、面积广，成岩程度相对较低，为铀成矿提供了非常有利的储集空间。且在宿亥图地区已发现铀矿化信息，后期蚀变过程及特征与直罗组相似，可作为本区新的找矿层位。

黏土矿物广泛存在于砂岩型铀矿中，在各地球化学分带中均有分布，且具有一定的吸附能力，是铀迁移、沉淀富集过程中重要的吸附剂之一，与铀成矿关系密切［20-22］。查明中侏罗统延安组铀矿化形成过程中黏土矿物的类型、组合特征、分布及演化规律，深入分析黏土矿物与铀反应的影响因素和反应机理，对完善研究区铀成矿理论有极其重要的意义。笔者以中侏罗统延安组砂岩为研究对象，通过X-衍射分析、光学显微镜及扫描电镜镜下观察等手段，分析砂岩中黏土矿物组成及特征，并与中侏罗统直罗组砂岩中黏土矿物特征进行简要对比，探讨了黏土矿物与铀矿化的关系。

1 地质概况

中侏罗统延安组在鄂尔多斯盆地广泛发育且沿盆地东北和东缘大面积裸露（图1），主要岩性下部为绿色、灰色含砾粗砂岩，向上夹灰色、紫红色粉砂质泥岩，灰黑、浅灰色粉砂岩，煤层及煤线，富含丰富的动植物化石。与下伏上三叠统延长组呈角度不整合接触，与上覆直罗组呈平行不整合接触。延安组厚度约50～250 m，自下而上分为五个岩性段（图2）。延安组第Ⅰ岩段主要发育河流和浅湖相的沉积环境，岩性为灰白、黄灰色厚层块状中粗粒长石砂岩，顶部由深灰色泥岩、砂质泥岩及煤组成，常夹中细粒砂岩，含植物化石；延安组第Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ岩段主要发育河流相、湖泊三角洲和深湖相的沉积环境，岩性主要为灰黑色、深灰色、灰绿色泥岩及粉砂质泥岩，发育煤层和炭质泥岩；延安组第Ⅴ岩段主要发育河流冲积体系，岩性下部主要为灰白色细粒长石砂岩，与灰褐色泥岩、页岩互层。上部为黄绿色长石砂岩，部分为紫红色的砂泥岩互层，顶部有煤层。

图1 鄂尔多斯盆地构造分布图（a）及巴音青格利—宿亥图地区地质简图（b）（修改自易超，2014）Fig.1 Structural distribution map of Ordos Basin（a）and geological map of bayinqinggeli-Suhaitu area（b）（Modified after YI Chao，2014）

图2 宿亥图地段延安组地质剖面示意图（据核工业二〇八大队，2018）Fig.2 Geological profile of Yan'an Formation in Suhaitu area（After geologic party No.208，CNNC，2018）

2 样品分析方法

本次研究系统采集了巴音青格利—宿亥图地区钻孔ZKY2016-1、ZKY2016-2和ZKY2017-6的新鲜砂岩样品，共计15件。野外取样时已将岩心外表覆盖的泥浆清理干净，确保样品纯净、新鲜以及分析结果的准确性。光薄片的制备以及样品的破碎加工由天津市三叶虫岩矿技术服务有限公司完成；扫描电镜及黏土矿物X射线衍射定量分析均在江苏地质矿产设计研究院完成，扫描电镜的仪器型号为Nova Nano SEM450，检测方法依据SY/T 5162—2014《岩石样品扫描电子显微镜分析方法》。X射线衍射全岩分析依据SY/T 5163—2010《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X衍射分析方法》。

3 延安组砂岩黏土矿物特征

通过对巴音青格利—宿亥图地区采集的砂岩样品进行室内实验分析，X射线衍射定量分析结合光学显微镜和扫描电镜镜下观察，较系统地揭示了延安组砂岩及其黏土矿物特征。

延安组砂岩主要为中-粗粒岩屑长石砂岩（图3），碎屑颗粒大小不等，分选和磨圆较差，棱角-次棱角状，颗粒支撑为主。发育有机质和黄铁矿，长石和岩屑含量较高，岩屑主要为花岗岩、中酸性火山岩等，具有近源沉积的特点。填隙物主要是杂基中的黏土矿物，胶结物大多为钙质及铁质胶结物。

图3 巴音青格利—宿亥图地区延安组砂岩镜下照片Fig.3 Microscopic feature of sandstone in Yan’an Formation，Bayinqinggeli-Suhaitu area

15件延安组砂岩样品全岩组分及黏土矿物组分数据见表1，扫描电镜镜下鉴定，延安组砂岩中主要有蒙皂石、高岭石、绿泥石和伊利石4种黏土矿物，不发育伊/蒙混层、绿/蒙混层等黏土矿物，与前人在纳岭沟、大营地区对直罗组砂岩分析结果基本相同［23］。4种黏土矿物特征为：

表1 巴音青格利—宿亥图地区延安组砂岩全岩组分及黏土矿物含量分析结果/%Table 1 The total rock chemical compositions and clay mineral abundance/% of SE Yan'an Formation sandstones in Bayinqinggeli-Suhaitu area

蒙皂石总体含量很高，相对含量（占黏土矿物总量）约42%～96%，平均含量为79%，是巴音青格利—宿亥图地区延安组砂岩中最主要的黏土矿物。灰色砂岩中蒙皂石相对含量为65%～96%，平均含量为81.7%，略高于绿色砂岩中蒙皂石含量（72%～94%，平均含量为81.5%）。扫描电镜下，蒙皂石形貌多呈片网状（图4 a）、弯曲片状及片絮状（图4 b）集合体，分布在碎屑颗粒的表面或者孔隙中。蒙皂石一般是由母岩物质（通常为长石或中酸性火成岩岩屑）在碱性条件下形成的（图4 a），因此在碱性条件下存在较为稳定，酸性条件下不稳定。在温度升高过程中，会转化为绿泥石和伊利石（图4 b）。

高岭石含量仅次于蒙皂石，在巴音青格利—宿亥图地区延安组砂岩中相对含量占3%～33%，平均含量16.67%，常与蒙皂石、绿泥石等其他黏土矿物相伴生。灰色砂岩中高岭石相对含量为3%～33%，平均含量为16.2%，高于绿色砂岩中高岭石含量（4%～23%，平均含量13.75%）。扫描电镜下，高岭石形貌多呈蠕虫状存在于碎屑颗粒之间（图4 c）。高岭石通常由母岩物质（一般为长石）风化或流体作用在酸性条件下形成（图5 a），因此在酸性条件下存在较为稳定。

绿泥石是一种砂岩中常见的富含Fe、Mg的黏土矿物，在巴音青格利—宿亥图地区延安组砂岩中相对含量占1%～22%，平均含量为3.4%，与高岭石一样，常与蒙皂石等其他黏土矿物相伴生。灰色砂岩中绿泥石相对含量为1%～3%，平均含量为1.3%，略低于绿色砂岩中绿泥石含量（为2%～7%，平均含量为4%）。光学显微镜下观察发现，绿泥石通常覆盖在黑云母表面，推测其形成大多由黑云母蚀变而来，与流体作用关系密切；扫描电镜下，绿泥石往往呈叶片状集合体附着在颗粒表面和裂隙中（图4d）。

图4 巴音青格利—宿亥图地区延安组砂岩样品黏土矿物扫描电镜照片Fig.4 SEM image of clay minerals in the sandstons of Yan’an Formation in Bayinqinggeli-Suhaitu area

伊利石在巴音青格利—宿亥图地区延安组砂岩中含量最低，相对含量仅占1%～3%，平均含量为1.17%，在灰色砂岩和绿色砂岩中差别不大。伊利石多形成于富钾环境中，常由高岭石在碱性环境或蒙皂石在温度升高过程中转化而来（图5b）。

图5 黏土矿物的生成关系图解（a）及黏土矿物之间相互转化关系图解（b）Fig.5 Diagram of formation relationship of clay minerals（a）and mutual transformation between clay minerals（b）

将延安组砂岩全岩分析数据及黏土矿物相对含量数据按砂岩不同的颜色进行了分类整理，进而分析其黏土矿物及砂岩成分特征。统计结果表明，不同颜色砂岩在长石含量及黏土矿物含量上有较为明显的变化（图6 a）：（1）绿色砂岩相对于灰色砂岩，钾长石和斜长石含量存在一定程度的升高（图6 a）；（2）在绿色砂岩中，高岭石相对含量较灰色砂岩明显减少，而绿泥石含量明显增加，伊利石和蒙皂石相对含量没有明显变化（图6 b）。

图6 巴音青格利—宿亥图地区延安组砂岩X-衍射全岩分析柱状图（a）及黏土含量对比柱状图（b）Fig.6 Histograms showing the comparison of Total rock chemical compositions（a）and clay mineral comparisons（b）of the sandstone of Yan’an Formation in Bayinqinggeli-Suhaitu area

根据延安组砂岩中黏土相对含量数据，对主要黏土矿物进行了线性回归相关性分析。相关性分析结果显示，高岭石含量与蒙皂石含量具有较强的负相关性（图7 a），相关性系数R2值为0.862 4；蒙皂石含量与绿泥石含量也具有较强的负相关性（图7 b），相关性系数R2值为0.517 8，表明蒙皂石与高岭石、蒙皂石与绿泥石之间存在较为明显的转化关系。而高岭石含量与绿泥石含量具有一定的正相关性（图7 c），相关性系数R2值为0.169 3，说明两者在一定的条件下可能同时形成。

图7 巴音青格利—宿亥图地区延安组砂岩黏土组分含量关系图Fig.7 Correlations of clay minerals in the sandstone Yan’an Formation in Bayinqinggeli-Suhaitu area

4 讨论

4.1 延安组-直罗组黏土矿物特征

纳岭沟和大营铀矿床直罗组的黏土矿物含量统计数据①列入表2。直罗组-延安组黏土矿物含量对比图见图8。

图8 鄂尔多斯盆地北部直罗组-延安组黏土矿物含量对比图Fig.8 Comparison of clay mineral contents of Zhiluo and Yan'an Formations in northern Ordos Basin

表2 纳岭沟和大营铀矿床直罗组黏土矿物含量统计表Table 2 Statistics of clay mineral content in Nalinggou and Daying uranium deposits

4.1.1 黏土矿物总量

总体上而言，延安组的黏土矿物总量（15%～20.3%）低于直罗组的黏土矿物总量（15.59%～28.66%）；其中，大营铀矿床的黏土矿物总量（21.81%～28.66%）高于纳岭沟铀矿床的黏土矿物总量（15.59%～18.47%）。对于各地球化学分带而言，直罗组的绿色砂岩中的黏土矿物总量普遍高于其他砂岩中的黏土矿物总量，反映绿色砂岩经历过强烈的后生蚀变作用。

4.1.2 蒙皂石

延安组中蒙皂石的含量除了黄绿色砂岩中含量较低外，绿色砂岩和灰色砂岩中的蒙皂石含量几乎一致。直罗组砂岩中，大营铀矿床各地球化学分带中蒙皂石的含量（72.60%～90.00%）普遍高于纳岭沟铀矿床各地球化学分带中蒙皂石的含量（48.92%～74.68%）。且相对于其他地球化学分带而言，纳岭沟铀矿床矿化砂岩中的蒙皂石含量显著下降，而大营铀矿床矿化砂岩中的蒙皂石含量显著上升，两者呈现相反的变化趋势。

4.1.3 高岭石

延安组，黄绿色砂岩中的高岭石含量最高，绿色砂岩和灰色砂岩中高岭石的含量相差不大。直罗组砂岩中，纳岭沟铀矿床中各地球化学分带中的高岭石含量（12.83%～37.92%）普遍高于大营铀矿床中各地球化学分带中的高岭石含量（3.70%～20.23%）。且相对于其他地球化学分带而言，纳岭沟铀矿床矿化砂岩中的高岭石含量显著上升，而大营铀矿床矿化砂岩中的高岭石含量有所下降；两个铀矿床矿化砂岩中的高岭石的变化趋势与蒙皂石相反。

4.1.4 绿泥石

延安组砂岩中，黄绿色砂岩中绿泥石的含量最高（22.00%），显著高于绿色砂岩（4.00%）和灰色砂岩（1.30%）中的绿泥石含量。直罗组砂岩中，纳岭沟铀矿床和大营铀矿床中灰绿色砂岩中的绿泥石含量普遍高于其他地球化学分带砂岩中的绿泥石含量。

4.1.5 伊利石

延安组黄绿色砂岩中的伊利石含量最高，绿色砂岩和灰色砂岩中伊利石的含量相差不大。直罗组砂岩中，纳岭沟铀矿床中各地球化学分带中的伊利石含量（1.48%～3.64%）普遍低于大营铀矿床中各地球化学分带中的伊利石含量（3.38%～9.70%）。且相对于其他地球化学分带而言，纳岭沟铀矿床矿化砂岩中的伊利石含量显著上升，而大营铀矿床矿化砂岩中的伊利石含量有所下降。

总的来说，延安组黏土矿物蚀变不如直罗组蚀变强烈，可见其遭受的后期蚀变作用相对于直罗组而言较弱。

4.2 延安组成矿环境

黏土矿物是母岩物质风化的产物，且在某些特定的条件下可以相互转换（图5），古气候条件不同，风化产物必然有所差异。

蒙皂石是在富盐基，特别是贫K+而富含Na+和Ca2+的碱性介质中形成的，其主要阳离子为Si、Al、Mg、Na、Ca，若温度升高，风化强度增大，蒙皂石易发生脱水反应，造成某些层间塌陷，进而导致晶格重排和碱性阳离子的吸附，在富钾的碱性条件下转化成伊利石，而在富铁、镁的碱性环境时转化成绿泥石。对巴音青格利—宿亥图地区延安组砂岩pH-Eh值的测试结果显示（图9），该地区延安组砂岩的形成环境为碱性（pH均值9.26～9.52）。而蒙皂石多由长石或中酸性火成岩岩屑在碱性条件下生成，说明延安组砂岩中的蒙皂石主要就是在这种碱性条件下由岩屑转变形成。延安组砂岩中绿泥石与蒙皂石负相关性较好，说明成岩过程中绿泥石大部分由蒙皂石转化而来。在延安组砂岩成岩过程中，大量的蒙皂石以其强大的吸附富集能力可为延安组预富集大量的铀，为后期层间氧化作用及铀的还原沉淀成矿奠定了基础。

图9 巴音青格利—宿亥图地区延安组砂岩pH-Eh直方图Fig.9 Histogram of pH-Eh in the sandstones of Yan’an Formation in Bayinqinggeli-Suhaitu area

高岭石是岩石在潮湿气候、酸性介质中被强烈淋滤形成的，其主要阳离子为Si、Al。酸性介质条件下，长石、石英等碎屑矿物可直接蚀变为高岭石，或者长石受酸性水淋滤，在铝、硅富集到一定程度时，从介质中析出高岭石。因此温暖潮湿的气候有利于高岭石的形成和保存，若高岭石处于碱性条件会发生转化，在K+的参与下向伊利石转化，而有Na+、Ca2+或Mg2+存在时则向蒙皂石或绿泥石转化。早侏罗世古气候潮湿，为成煤环境，古水介质一般呈酸性［24］，有利于高岭石的形成和保存，因此延安组砂岩中具有丰富的高岭石。层间氧化带型铀矿床形成过程中，在前锋线的区域，pH值从氧化带的弱碱性向中性、酸性转变并不断向前推移［25］。这就导致砂岩经历了碱性-酸性-碱性的环境变化，同时早期形成的铀矿化体会因再一次氧化导致的酸化而溶解，并随着层间地下水向前迁移。碱性向酸性转变的过程中，长石溶解形成部分高岭石，且前一阶段碱性条件下形成的大量蒙皂石可能存在部分向高岭石转化［26］，同时可将砂岩中赋含的副矿物中的铀淋滤出来，增加铀成矿的铀源。而酸性向碱性转变的过程中，高岭石也可以向蒙皂石转化。因此，延安组砂岩中的蒙皂石和高岭石就在碱性-酸性-碱性的环境变化过程中相互转化。

绿泥石形成于碱性环境，且淋滤作用不强，其主要阳离子为Si、Al、Fe、Mg，在风化作用期间，绿泥石内二价铁容易氧化，因此并不容易保存下来。绿色砂岩相对于灰色砂岩，高岭石含量减少，绿泥石含量增加，说明绿色砂岩形成过程中遭受过碱性流体的改造作用。在层间氧化型铀矿床晚期还原弱碱性蚀变阶段，有大量的非硫化氢的还原性气体渗入，这些还原性气体可使古层间氧化带的砂岩中Fe3+还原转化为Fe2+，高岭石在有Fe2+存在的条件下也会向绿泥石转化。李子颖等在对东胜铀矿田研究过程中发现使绿色砂岩呈现绿色的主要为绿泥石［27］，且绿泥石主要形成于还原的环境，说明这期碱性流体同时也具有还原性质，这有利于铀矿化的形成。

伊利石是由母岩物质在稍低气温、弱碱性环境下经受风化脱钾形成的，其主要阳离子为Si、Al、K，若钾离子继续淋失，伊利石可向蒙皂石演化，若气候变得湿热，化学风化进行得彻底，伊利石将进一步分解为高岭石，因此气候干冷，淋滤作用弱的环境有利于伊利石的形成和保存。而绿色砂岩和灰色砂岩中伊利石含量相差不大，说明绿色砂岩蚀变过程中，外界环境条件变化不大。

5 结论

1）延安组砂岩中主要有蒙皂石、高岭石、绿泥石和伊利石四种黏土矿物。蒙皂石多呈片网状弯曲片状及片絮状集合体分布在碎屑颗粒的表面或者孔隙中，高岭石多呈蠕虫状存在于碎屑颗粒之间，绿泥石往往呈叶片状集合体附着在颗粒表面和裂隙中，伊利石含量太低，扫描电镜下未观察到伊利石形貌特征。

2）延安组黏土矿物蚀变不如直罗组强烈，可见其遭受的后期蚀变作用相对于直罗组而言较弱。在延安组砂岩成岩过程中，大量的蒙皂石以其强大的吸附富集能力可为延安组预富集大量的铀，为后期层间氧化作用及铀的还原沉淀成矿奠定基础。蒙皂石和高岭石在碱性-酸性-碱性的环境变化过程中相互转化。灰色砂岩蚀变为绿色砂岩过程中，经历了碱性还原流体的改造作用，有利于铀的沉淀富集。