内蒙古东胜地区砂岩型铀矿赋矿地层方解石胶结物C、O同位素特征和成因模型

刘汉彬，金贵善，张建锋，韩娟，李军杰，张佳，石晓，徐可

核工业北京地质研究院，北京，100029

内容提要: 砂岩型铀矿赋矿地层方解石胶结物C、O同位素组成对研究成矿机制具有重要的理论和实践意义。前人在成矿流体来源定性判断方面做了大量的研究工作，但缺乏对成矿混合流体的组分特征及相关参数的定量认识。根据内蒙古东胜地区东南部皂火壕和西北部纳岭沟铀矿床赋矿地层直罗组方解石胶结物C、O同位素组成特征，建立了渗出热卤水和渗入地层水两种不同流体混合生成方解石胶结物C、O同位素组成定量成因模型，并研究了两种流体来源、溶解碳的浓度比、流体比例以及热液温度等综合因素。除少数样品方解石胶结物为地层沉积时形成外，大部分方解石胶结物是热卤水与地层水两种流体混合作用的结果，古生界有机酸脱羧作用导致热卤水中富含CO2。东胜地区砂岩型铀矿成矿流体地层水与热卤水比例为0.5～0.9，地层水所占的比例较大；热卤水与地层水溶解碳浓度比主要范围为1.5～5.0，部分大于10.0，热卤水中溶解碳浓度较高，是富含CO2的流体。混合流体温度分为两个主要范围55～80℃、90～140℃，结合古盐度和盐度指数反演，表明成矿流体为有机与无机混合成因的低温热液流体。用砂岩型铀矿赋矿地层方解石胶结物C、O同位素组成，可定量模拟两种流体溶解碳浓度比、流体比例和方解石形成时温度等流体成矿条件，解释碳酸盐胶结物成因，以便从成矿流体角度更好地理解成矿作用过程。

鄂尔多斯盆地是一个重要的石油、天然气、煤炭能源基地。自从20世纪90年代末，在该盆地东北部东胜地区先后发现并探明了皂火壕、纳岭沟、大营等砂岩型铀矿床(张金带，2016)。铀矿床成因模式为叠合铀成矿模式，即在古层间氧化作用的基础上，叠加后期还原性低温热流体改造而成矿(李子颖等，2006；秦明宽等，2017；彭云彪等，2017；易超等，2018)。

目前，砂岩型铀矿赋矿地层方解石胶结物C、O同位素组成已经在东胜地区成矿作用研究中得到很好的利用，研究手段主要是根据不同成因C同位素组成分析、δ13CV-PDB及δ18OV-SMOW图解投图、用方解石胶结物和流体之间的氧同位素分馏系数计算流体氧同位素组成等方法，对其成因进行判断分析，获得对流体来源的认识(冯乔等，2016；吴柏林等，2016；汤超等，2016；张宾等，2020)：C同位素组成主要受有机酸脱羟基作用的控制，O同位素组成揭示其来源于地层水与低温深层热卤水的混合。但模式比较法只能进行定性分析，利用分馏系数计算流体O同位素组成时，只把温度作为限定条件，没有限定两种流体混合比例以及各自的同位素组成等条件，制约了碳酸盐胶结物C、O同位素组成在砂岩型铀矿床成矿作用过程中的示踪应用。

在对东胜地区东南部皂火壕铀矿床赋矿地层直罗组方解石胶结物C、O同位素特征进行分析基础上，试图根据已有的研究资料，假定地层水和低温热卤水的C、O同位素组成，用两种不同流体混合生成方解石C、O同位素组成计算方法(郑永飞等，2000)，从渗入地层水、渗出低温热卤水两种流体来源、溶解碳的浓度比、流体比例以及热液温度等因素综合考虑，建立定量成因模型，分析并解释碳酸盐胶结物成因，以便从成矿流体角度更好地理解成矿作用过程。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地是在华北克拉通基础上，受古亚洲、特提斯和环太平洋三大构造域的作用交切、叠加与复合而成(李子颖等，2019)。盆地划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、陕北斜坡、天环坳陷和西缘冲断带6个一级构造单元(李宏涛等，2007)。东胜地区砂岩型铀矿位于伊盟隆起的东北部。盆地由结晶基底、稳定型地台沉积盖层和活动型盆地沉积盖层组成。其中，结晶基底为太古宇—古元古界，地台沉积盖层为中元古界—三叠系，盆地盖层为侏罗系—第四系(图1)。

图1 鄂尔多斯盆地东胜地区砂岩型铀矿地质简图(据陈路路等，2017修改)Fig. 1 Geological map of sandstone type uranium deposit in Dongsheng area, Ordos Basin (modified from Chen Lulu et al., 2017&)

侏罗系直罗组为东胜地区砂岩型铀矿赋矿地层，直罗组分为上段和下段，上段为杂色的中细砂岩、泥岩。下段分为上、下两个亚段(焦养泉等，2005)，上亚段主要为绿色砂岩、泥岩；含矿主岩为直罗组下段的下亚段砂岩，岩石颜色以灰色为主，结构较疏松。直罗组砂岩总体成熟度较低，砂岩中碎屑磨圆度和分选性均较差，分为粗砂岩、中粒砂岩、细砂岩。

直罗组砂岩氧化还原分带具有其独特特征，在垂向上具有后生蚀变分带(李子颖等，2007；肖新建等，2004a)，直罗组下段上亚段绿色砂岩为氧化带，是发生后生蚀变作用的主要分带。直罗组下段下亚段灰色砂岩为还原带，绿色砂岩与灰色砂岩之间为氧化—还原过渡带，铀矿化位于过渡带内。

2 方解石胶结物同位素组成

2.1 方解石矿物特征

东胜地区砂岩型铀矿一个重要的成矿特征是发生较强的碳酸盐化蚀变作用，碳酸盐胶结物含量一般小于0.5%，因胶结物含量较少，碎屑颗粒相互接触，胶结物仅存在于碎屑颗粒的接触处，以接触胶结为主，孔隙式胶结为辅。部分砂岩碳酸盐化强烈，碳酸盐含量可达10%～20%或更高，砂岩基质和胶结物含量相对较高，碎屑颗粒分布于其中，呈基底式胶结。据X-射线衍射分析，碳酸盐几乎全为方解石，有少量菱铁矿(李子颖等，2019)。

在赋矿地层直罗组砂岩特别是矿化段砂岩中，碳酸盐化较强，胶结物为亮晶方解石或粗晶方解石。碎屑颗粒主要有石英、长石和岩屑等，结构成熟度及成分成熟度为中等。碎屑物中少部分石英颗粒出现次生加大边现象(图2a)。填隙物主要以方解石胶结物为主，另外，方解石常与黄铁矿伴生(图2)。

图2 东胜地区皂火壕铀矿床直罗组砂岩特征: (a)方解石(Cal)胶结物胶结石英(Qtz)、长石(Or)颗粒(正交偏光)；(b)黄铁矿(Py)与方解石(Cal)(反射光)；(c)粒状黄铁矿(Py)充填颗粒孔隙，方解石(Cal)胶结物胶结石英(Qtz)颗粒，钛铀矿(Bra)(反射光)；(d)浸染状黄铁矿(Py)与方解石(Cal)胶结物(反射光)Fig. 2 Sandstone characteristics of Zhiluo Formation in Zaohuohao uranium deposit，Dongsheng area: (a) Calcitecement cemented quartz and feldspar particles ( magnification , crossed-polarized light); (b) pyriteand calcite ( magnification, reflected light); (c) granular pyrite filled in particle pores, calcite cement colloidal quartz particles, uraninite (× 5 magnification , reflected light); (d) disseminated pyrite and calcite cement (× 5 magnification, reflected light) 方解石—Cal; 石英—Qtz; 长石—Or; 黄铁矿— Py; 钛铀矿—Bra Calcite—Cal; Quartz—Qtz; Feldspar—Or; Pyrite— Py; Uraninite—Bra

为研究东胜地区成矿流体作用，特别是成矿流体来源及组成、成矿温度及氧化还原不同分带差异等，在研究区东南部皂火壕矿床进行赋矿地层直罗组砂岩取样，在对砂岩方解石胶结物C、O同位素组成分析测试基础上，进行了同位素特征和成因模型研究。

2.2 分析过程

分析测试过程主要为，先将样品粉碎至180目，在真空、25℃恒温条件下，将适量100%的磷酸加入盛有2 g砂岩样品的反应试管中，反应时间4 h以上, 用冷冻法分离、除去生成的水，收集由方解石胶结物与磷酸反应生成的纯净CO2气体。在中国地质科学院矿产资源研究所用MAT251气体同位素质谱仪进行双路法测量，测得C、O同位素组成数据(表1)。测量结果以V-PDB和V-SMOW为标准, 分别记为δ13CV-PDB和δ18OV-PDB、δ18OV-SMOW。分析精度优于±0. 2‰。碳酸盐参考标准为GBW04417方解石, 其δ18OV-PDB和δ13CV-PDB分别是-24.12‰ 和-6.06‰(丁悌平，2002)。δ18OV-PDB与δ18OV-SMOW两种表示之间的转化关系为，δ18OV-SMOW=1.03091×δ18OV-PDB+30.91。

2.3 C、O同位素组成特征

对分析数据进行统计(表1)，东胜地区皂火壕铀矿床方解石胶结物C、O同位素组成范围：

表1 东胜地区皂火壕铀矿床方解石胶结物C、O同位素组成Table 1 Carbon and oxygen isotopic compositions of calcite cements in Zaohuohao uranium deposit, Dongsheng area

(1)灰色及绿色含矿砂岩的δ13CV-PDB范围为-12.5‰～-1.5‰，平均值为-7.8‰；δ18OV-PDB范围为-12.9‰～-9.7‰，平均为-11.3‰，δ18OV-SMOW范围为17.5‰ ～22.0‰，平均值为19.3‰。

(2)灰色砂岩的δ13CV-PDB范围为-12.1‰～-1.5‰，平均值为-7.3‰；δ18OV-PDB范围为-14.0‰～-5.0‰，平均值为-10.6‰，δ18OV-SMOW范围为16.5‰ ～25.7‰，平均值为20.0‰。

(3)绿色砂岩的δ13CV-PDB范围为-17.8‰～-1.6‰，平均值为-6.8‰；δ18OV-PDB范围为-13.6‰～-7.5‰，平均值为-10.4‰，δ18OV-SMOW范围为16.9‰～23.1‰ ，平均值为20.2‰。全部样品的δ13CV-PDB范围为-17.8‰～-1.5‰，平均值为-7.3‰；δ18OV-PDB范围为-14.0‰～-5.0‰，平均值为-10.7‰，δ18OV-SMOW范围为16.5‰ ～25.7‰，平均值为19.9‰。

可以看出，除个别绿色砂岩的方解石胶结物δ13CV-PDB值相对较低，个别灰色砂岩的方解石胶结物 O同位素值相对较低外，三种不同砂岩的方解石胶结物C、O同位素组成范围基本一致。

2.4 流体来源

根据方解石胶结物C、O同位素组成，可以判断砂岩型铀矿成矿流体的来源(杨晓勇等，2009；薛春纪等，2010；冯乔等，2016；吴柏林等，2016；汤超等，2016；李子颖等，2019；张宾等，2020)。本次测量的砂岩方解石胶结物δ13CV-PDB范围为-17.8‰～-1.5‰，总体上比海相碳酸盐C同位素组成(δ13CV-PDB=-4.0‰～4.0‰; Bath et al.，1987)偏负，也比大气降水中C同位素组成(δ13CV-PDB=-7.0‰～-3.5‰; Schmidt et al.，2005)偏负，但比有机质的C同位素组成(δ13CV-PDB=-33.0‰～-18.0‰; Schmidt et al.，2005)偏正，与上古生界气田中CO2碳同位素组成范围(δ13CV-PDB=-20‰～-4‰; 张龙，2017)大致相当，且约有五分之一样品的δ13CV-PDB<-10.0‰。因此，可以推测盆地热卤水中溶解碳参与了砂岩胶结物方解石形成。

在东胜地区很多学者对赋矿地层直罗组方解石胶结物进行了C、O同位素组成特征研究(表2)，冯乔等(2016)对东胜铀矿区方解石C、O同位素研究表明，方解石的δ13CV-PDB值范围为-19.6‰ ～-1.11‰，δ18OV-PDB值范围-17.13‰～-9.00‰，由于地层渗入水和渗出热卤水影响程度不同，导致δ13C值的变化范围较宽，方解石是由低温热液成矿作用形成的。杨晓勇等(2009)对碳酸盐胶结物的C、O同位素测定结果表明，δ13CV-PDB值变化范围为-23.62‰ ～-4. 24‰，δ18OV-SMOW范围为10. 32‰ ～19. 52‰，且碳酸盐含量与δ13CV-PDB值呈负相关关系，说明有机碳加入使砂岩中碳酸盐胶结物含量增加，碳同位素组成δ13CV-PDB反而变负，证明了赋矿地层直罗组碳酸盐胶结物方解石部分来源于有机质脱羧作用。吴柏林等(2016)对方解石样品的C、O 同位素组成特征进行了研究，δ13CV-PDB范围为- 0.3‰～-14.59‰，平均值为-6.19‰，δ18OV-PDB范围为-9.6‰～-12.31‰，平均值为-11.34‰，其碳的来源具有明显有机碳特征。薛春纪等(2010)研究表明，方解石的δ13CV-PDB范围为-14. 0‰～ 2.7‰，δ18OV-SMOW范围为18.4‰ ～24.6‰，认为碳同位素组成指示铀成矿流体中的大量碳来自烃类的氧化。汤超等(2016)研究结果表明，方解石胶结物δ13CV-PDB范围为-15.7‰～-1.6‰，平均值为-9.08‰，δ18OV-PDB范围为-15.6‰～-10‰，平均-12.4‰，方解石的碳来源为有机碳，与有机酸脱羧作用有关。

表2 东胜地区砂岩型铀矿直罗组碳酸盐胶结物 方解石C、O同位素组成范围

另外，还有学者针对东胜地区砂岩型铀矿成矿具有“叠合成因”的特殊性，按砂岩不同颜色分类进行了研究。李子颖等(2019)研究了东胜地区赋矿地层直罗组方解石胶结物C、O同位素组成，其中，灰色砂岩的δ13CV-PDB范围为-21.9‰～-7.9‰，δ18OV-PDB范围为-12.9‰～-9.7‰；灰绿色砂岩的δ13CV-PDB范围为-31.0‰～-0.4‰，δ18OV-PDB范围为-13.8‰～-9.9‰；褐红色砂岩的δ13CV-PDB范围为-20.9‰～-1.9‰，δ18OV-PDB范围为-12.8‰～-8.9‰。总体上，砂岩的δ13CV-PDB范围为-31.0‰～-0.4‰，表现出差别较大的特征；δ18OV-PDB范围为-13.8‰～-8.9‰，具有相对集中的特征，说明成矿流体来源于油气、地层热卤水的双重参与，具有有机、无机流体双重成因。

张宾等(2020)研究了东胜地区西北部纳岭沟铀矿床直罗组碳酸盐胶结物C、O同位素组成特征，含矿砂岩δ13CV-PDB为-14.0‰～-8.7‰，平均值为-11.12‰，δ18OV-PDB为-13.4‰～-12.4‰，平均值为-12.8‰；灰色砂岩δ13CV-PDB为-14.3‰～-3.8‰，平均值为-8. 44‰，δ18OV-PDB为-14. 3‰～-7. 9‰，平均值为-11. 41‰；绿色砂岩δ13CV-PDB为-20. 6‰～-5.2‰，平均值为-10. 28‰，δ18OV-PDB为-16.3‰～-7.0‰，平均值为-11.61‰。有机酸脱羧作用产生的方解石δ13CV-PDB以高负值为特征，大部分样品方解石胶结物中的碳主要是有机质脱羧作用形成(图3)。汤超等(2016)研究东胜地区砂岩型铀矿胶结物方解石C、O同位素结果表明，方解石的形成与有机质脱羧作用有关，碳来源为有机碳(图3)。

图3 方解石胶结物δ 13CV-PDB-δ18OV-SMOW图解(据刘建明等，1997)Fig. 3 Diagram of δ 13CV-PDB-δ18OV-SMOW in calcite cement (modified from Liu Jianming et al., 1997&)

综上所述，东胜地区砂岩型铀矿赋矿地层直罗组方解石胶结物C、O同位素研究表明，除个别样品呈较为偏负的C同位素组成外，大部分样品的δ13CV-PDB范围在-20.6‰～0.3‰之间，δ18OV-PDB范围在-20.0‰～-6.1‰，δ18OV-SMOW范围在10.3‰～24.6‰，本次测量数据范围与前人分析数据范围基本一致。

在方解石胶结物δ13CV-PDB-δ18OV-SMOW图解上(图3)，样品点主要分布在沉积有机物脱羧基作用形成的碳酸盐分布范围内，有10个样品分布在海相碳酸盐范围内的左下部。在方解石胶结物碳氧同位素组成成因图解上(图4)，样品点主要分布在与有机质有关的碳酸盐及成岩碳酸盐分布范围内。这说明碳酸盐胶结物方解石的碳主要来源是有机酸脱羧基作用提供的，还有部分方解石(C、O同位素组成相对较大)主要是在地层沉积时形成的。

图4 方解石胶结物C、O同位素组成成因图解(据王大锐，2000)Fig. 4 Origin diagram of carbon and oxygen isotopic composition of calcite cement (modified from Wang Darui,2000&)

3 成因模型及模型判断

3.1 模型建立

如果流体混合作用导致方解石沉淀，那么可以根据A、B两种流体的C、O同位素组成，计算方解石C、O同位素组成(郑永飞等，2000)：

(1)

δ18O方解石=δ18Ob+103lnα方解石—H2O+

XA(δ18Oa-δ18Ob)

(2)

式中：XA为混合流体中流体A的摩尔分数；P为流体B与流体A之间全部溶解碳的浓度比；a、b分别表示流体A、流体B；δ13Ca为流体A的碳同位素组成；δ13Cb为流体B的碳同位素组成；αm—n为组分m和n之间的分馏系数，1000 lnαm—n为组分m和n之间的富集系数(Ohmoto and Rye, 1979)。

表3东胜地区砂岩型铀矿赋矿地层直罗组方解石胶结物C、O同位素组成模拟参数Table 3 Simulation parameters of carbon and oxygen isotopic compositions of calcite cements in Zhiluo Formation in sandstone type uranium deposit in Dongsheng area

1000 lnα方解石—CO2=2.962-11.346×103/T+5.358×106/T2-0.388×109/T3

方解石与H2O之间的氧同位素平衡分馏系数由下列方程表示：

1000lnα方解石—H2O=2.78×106/T2-2.89

(3)

因此，给定XA、P、T参数条件，XA=0、T=250 ℃；XA=0.25、T=200℃；XA=0.5、T=150℃；XA=0.75、T=100℃；XA=1、T=50℃时，分别对应取值P=0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0，另外，根据已有地质资料，可假设或根据已有研究资料确定两种流体的C、O同位素组成，用上述公式分别计算出方解石C、O同位素组成(表3)，这样制作成δ13CV-PDB—δ18OV-SMOW成因图解，通过图解能综合判断方解石形成的流体参数条件，进而对其成因进行分析。

薛春纪等(2010)通过盆地内流体流动的数值模拟研究表明，在侏罗纪—白垩纪时，鄂尔多斯盆地边缘相对抬升导致地层发生轻微变倾，产生渗出流和渗入流两种流体流动系统。渗出流系统是盆地下部受超压驱动流向盆地边缘浅部、富含烃、碳的热卤水，渗入流系统是受重力驱动沿盆边地层向下流的地层水。

吴柏林等(2006)对东胜地区蚀源区水的H、O同位素组成进行研究，其δDV-SMOW为-54. 6‰，δ18OV-SMOW为-0.15‰。研究区白垩系地层地下水溶解无机碳δ13CV-PDB实测值范围-19.3‰～-4.5‰(吴春勇等，2011)，盆地北部上古生界气田中CO2碳同位素组成δ13CV-PDB主要分布在-20‰～-4‰(张龙，2017)。汤超等(2016)研究成矿期混合流体同位素组成，混合流体δ18OV-SMOW的平均值为7.19‰。根据上述资料综合，假定渗入流体的C、O同位素组成分别为δ18OV-SMOW=0.0‰；δ13CV-PDB=0.0‰；渗出热卤水流体的C、O同位素组成分别为δ18OV-SMOW=7.0‰；δ13CV-PDB=-20.0‰(表3)。

在此基础上进行模拟(图5)并对成矿条件加以判断。在公式计算和模拟图中，XA代表东胜地区砂岩型铀矿赋矿地层直罗组混合流体中地层水的摩尔分数；P代表热卤水与地层水之间全部溶解碳的浓度比；a、b分别代表地层水、热卤水。

图5 东胜地区砂岩型铀矿赋矿地层直罗组方解石胶结物C、O同位素组成模型Fig. 5 Carbon and oxygen isotopic compositions model of calcite cements in Zhiluo Formation in sandstone type uranium deposit in Dongsheng area 假定渗入地层水的C、O同位素组成分别为δ18OV-SMOW=0.0‰；δ13CV-PDB=0.0‰；渗出热卤水流体的C、O同位素组成分别为δ18OV-SMOW=7.0‰；δ13CV-PDB=-20.0‰。XA代表混合流体中地层水的摩尔分数；P代表热卤水与地层水之间全部溶解碳的浓度比 It is assumed that the isotopic compositions of carbon and oxygen in the seeping formation water are that δ18OV-SMOW is 0.0‰ and δ13CV-PDB is 0.0‰; the isotopic compositions of carbon and oxygen in the seeping hot brine fluid are that δ18OV-SMOW is 7.0‰; δ13CV-PDB is -20.0‰. XA represents the mole fraction of formation water in the mixed fluid; P represents the concentration ratio of all dissolved carbon between hot brine and formation water

从公式(2)、(3)可以看出，方解石C、O同位素组成是两种同位素在方解石与混合流体之间分馏作用的综合体现，受两种流体来源、溶解碳浓度比、流体比例以及热液温度等多个因素影响，不仅仅受盆地热卤水中碳同位素组成控制，因此，需根据成矿条件综合考虑，建立并利用成因模型，从更全面的对赋矿地层方解石胶结物成因进行深入分析。

从模拟图可以看出(图5)，随混合流体中地层水的摩尔分数XA即地层水的比例增大，方解石的δ18OV-SMOW增大；混合流体温度降低，方解石的δ18OV-SMOW增大；随热卤水与地层水之间全部溶解碳的浓度比P增大，方解石C同位素组成δ13CV-PDB减小。从热卤水中溶解碳含量浓度比P的变化情况，也可对热卤水上升期次做出粗略判断。方解石胶结物O同位素组成δ18OV-SMOW的变化对温度较灵敏。

3.2 模型判断

将皂火壕铀矿床赋矿地层直罗组方解石胶结物C、O同位素组成在建立的模型图上按灰色及绿色含矿砂岩、灰色砂岩、绿色砂岩、全部砂岩分别投图，并进行讨论。

所有含矿砂岩测试样品点都落在两种流体混合模拟曲线范围内，混合流体中地层水的摩尔分数约为0.6～0.9，即地层水的比例约占2/3以上，总体上，地层水在混合流体中所占比例较大。热卤水与地层水之间全部溶解碳的浓度比P为1.5～5.0，即热卤水中溶解碳的浓度是地层水中溶解碳的浓度的1.5至5倍左右。方解石形成温度具有2个温度段，分别为60～80℃和100～110℃(图6)。形成温度主要在90～110℃范围内，与灰色砂岩、绿色砂岩相比，温度不是最高，可能这与两种流体混合后温度会相应降低有关。

图6 东胜地区皂火壕砂岩型铀矿直罗组含矿砂岩方解石胶结物C、O同位素组成模型Fig. 6 Carbon and oxygen isotopic compositionsmodel of calcite cements in Zhiluo Formation in Zaohuohaosandstone type uranium deposit in Dongsheng area

灰色砂岩测试样品点大部分落在两种流体混合模拟曲线范围内，混合流体中地层水的摩尔分数约为0.5～0.9，即地层水的比例约占一半以上，地层水在混合流体中所占比例相对较大。热卤水与地层水之间全部溶解碳的浓度比P为1.5～5.0，部分样品在10.0以上。热卤水中溶解碳的浓度是地层水中溶解碳的浓度的1.5至5倍左右，部分样品落在曲线以外，说明热卤水中溶解碳的浓度是地层水中溶解碳的浓度的10倍以上，热卤水中含碳浓度大大高于地层水。方解石形成温度也具有2个温度段，分别为50～80℃和90～140℃(图7)。形成温度主要在90～120℃范围内，与含矿砂岩、绿色砂岩相比，个别样品温度达到最高，最高温度约为135℃，可能是地层水所占比例较小(0.5左右)，热卤水所占比例相对较大，两种流体混合后温度会比原地层水的温度相应增高。

图7 东胜地区皂火壕砂岩型铀矿直罗组灰色砂岩方解石胶结物C、O同位素组成模型Fig. 7 Carbon and oxygen isotopic compositions model of calcite cement in gray sandstone in Zhiluo Formation in Zaohuohao sandstone type uranium deposit in Dongsheng

绿色砂岩样品基本落在两种流体混合模拟曲线范围内，混合流体中地层水的摩尔分数约为0.6～0.9，即地层水的比例约占2/3以上，地层水在混合流体中所占比例也较大。热卤水与地层水之间全部溶解碳的浓度比P主要范围为2.0～10.0，即热卤水中溶解碳的浓度是地层水中溶解碳的浓度的2至10倍左右。方解石形成温度具有2个温度段，分别为较低温度段55～80℃和较高温度段90～130℃(图8)，最高温度约为130℃，最高温度比含矿砂岩温度高，比灰色砂岩低。

图8 皂火壕砂岩型铀矿直罗组绿色砂岩方解石胶结物C、O同位素组成模型Fig. 8 Carbon and oxygen isotopic compositions model of calcite cement in green sandstone in Zhiluo Formation in Zaohuohao sandstone type uranium deposit

皂火壕砂岩型铀矿直罗组砂岩方解石胶结物C、O同位素组成成因(图9)说明，该矿床混合流体中地层水的摩尔分数约为0.5～0.9，即地层水的比例约占一半以上，地层水在混合流体中所占比例较大，但在含矿砂岩、灰色砂岩、绿色砂岩之间所占比例有所差异。热卤水与地层水之间全部溶解碳的浓度比P主要范围为1.5～5.0，即热卤水中溶解碳的浓度是地层水中溶解碳的浓度的2至5倍左右，个别样品达到了10倍左右。方解石形成温度具有2个温度段，分别为较低温度段55～80℃和较高温度段90～140℃(表4)。

图9 纳岭沟砂岩型铀矿直罗组胶结物方解石C、O同位素组成成因Fig. 9 Carbon and oxygen isotopic composition genesis of calcite in cement in Zhiluo Formation in Nalinggou sandstone type uranium deposit

表4 直罗组方解石胶结物C、O同位素模拟 流体成分及温度参数

通过上述模拟判断综合说明，赋矿地层中含矿砂岩、灰色砂岩、绿色砂岩都存在热卤水及地层水两种流体的混合作用，只不过两种流体的比例有所差别。地层中方解石胶结物的成因不能简单分为有机成因还是无机成因，事实上是两种流体共同作用的结果，只是两种流体在不同部位对方解石的形成所起的作用不同，成矿类型为双重成因。

需要说明的是，灰色砂岩、绿色砂岩中都有部分样品热卤水与地层水流体溶解碳浓度比在10.0以上，这可能是成矿后期直罗组砂岩经受了一期更加富含CO2热卤水的蚀变作用。

3.3 纳岭沟铀矿床模型 判断

为说明整个东胜地区区域研究的代表性，根据张宾等(2020)在东胜地区西北部纳岭沟铀矿床赋矿地层直罗组方解石胶结物C、O同位素组成分析数据，利用建立的模型对该矿床进行有关参数研究(图9)。

该矿床含矿砂岩、灰色砂岩、绿色砂岩测试样品点大部分落在两种流体混合模拟曲线范围内，与皂火壕矿床的分布趋势大致相同(图5)。混合流体中地层水的摩尔分数主要约为0.5～0.9，主要在0.6左右，即地层水的比例约占一半以上，总体上，地层水在混合流体中所占比例较大。热卤水与地层水之间全部溶解碳的浓度比P为1.5～5.0，部分样品在10.0以上。热卤水中溶解碳的浓度是地层水中溶解碳的浓度的1.5至5倍左右，部分样品落在曲线以外，说明热卤水中溶解碳的浓度是地层水中溶解碳的浓度的10倍以上，热卤水中含碳浓度比地层水明显增高。方解石形成温度也具有2个温度段，分别为60～80℃和90～140℃(图9)。形成温度主要在100～120℃范围内。部分方解石胶结物在较低温度、地层水比例较高且热卤水中碳含量比例高条件下形成，分布在模拟曲线的右下位置，可能是由一期含溶解碳较高的少量热卤水与大量的低温地层水混合后形成方解石。样品数据点在模拟图上总体分布特征与皂火壕矿床相近，说明东胜地区不同铀矿床(矿化点)成矿类型具有相似性，矿床类型相同。

4 成因讨论

4.1 流体温度

通过东胜地区方解石胶结物C、O同位素组成混合流体模拟，可知方解石胶结物形成环境具有明显的两个温度段：较低温度段55～80℃和较高温度段90～140℃。

肖新建等(2004b)对东胜地区铀矿床矿石中方解石胶结物的流体包裹体研究表明，所测均一温度区间为58～ 176℃，平均值为 114.9℃，且有两个比较明显的区间，第一个区间主峰在90～100℃，第二个区间主峰为 140～150℃。吴柏林等(2006)对方解石包裹体均一法测温，流体温度主要在40～60℃和100～125℃两个温度段，平均是103℃。通过模型所得温度数据与实际测量的包裹体测温数据范围大致对应。

总体上，流体包裹体温度范围表明流体是一种低温热液流体，部分流体温度相对较高。包裹体温度大致分为两个温度段，单凭温度数据，表明赋矿地层可能至少经历过两期以上的热流体活动，或流体比例不同引起了混合流体温度差异现象。总之，该地区铀成矿作用具有低温热液作用特征，即发生热卤水沿盆地边缘渗出，在赋矿地层直罗组与地层水渗入流体相互作用而成矿。

4.2 流体古盐度与盐度指数

利用皂火壕矿床碳酸盐方解石胶结物C、O同位素组成和古盐度(S)、盐度指数(Z)之间的关系，S=δ18OV-PDB+21.2/0.61，Z=2.048(δ13CV-PDB+50)+0.498(δ18OV-PDB+50)(Keith and Weber，1964)，换算出成矿时流体的古盐度和盐度指数，可以探讨方解石胶结物形成时的流体环境(汤超等，2016)。全部50件样品方解石胶结物流体古盐度的范围为20.8%～29.8%，平均值为24.0%。其中，含矿砂岩方解石胶结物流体古盐度的范围为21.8%～26.2%，平均值为23.4%；灰色砂岩方解石胶结物流体古盐度的范围为20.8%～29.8%，平均值为24.1%；绿色砂岩方解石胶结物流体古盐度的范围为21.2%～27.3%，平均值为24.3%(表1)。

同样也统计了全部50件样品方解石胶结物流体盐度指数，其范围为86.4～120.5，平均值为107.0。其中，含矿砂岩方解石胶结物流体盐度指数范围为95.6～119.1，平均值为105.8；灰色砂岩方解石胶结物流体盐度指数范围为96.5～120.5，平均值为107.0；绿色砂岩方解石胶结物流体盐度指数范围为84.6～119.9，平均值为108.1(表1)。

李平等(2017)对包裹体盐度研究结果表明，石英次生包裹体盐度(NaCl)为25.2%～25.3%，平均25.3%。李荣西等(2011)对砂岩方解石胶结物包裹体盐度进行了研究，结果表明包裹体流体盐度一般为0.8%～15. 0%，其中气液两相包裹体的盐度从0.5%～9.0%，而含NaCl子矿物的包裹体盐度较高，最高达27.7%，且具有随着温度增高盐度也相应增大趋势，流体属于一种较高密度的流体。

因此，赋矿地层直罗组砂岩方解石胶结物流体古盐度整体较高，古盐度指数接近120，说明该区铀成矿形成时其盐度与近似湖水咸化环境相近，有含盐较高的热卤水参与。富含烃、碳的热卤水起源于盆地下部, 从盆地中心下部流向盆地边缘浅部(薛春纪等，2010)。因此，胶结物方解石具有深部热液成因特征。

4.3 流体来源与盆地构造演化

中生代以来三叠纪末、晚侏罗世和早白垩世末，鄂尔多斯盆地北部经历了三期主要强烈构造运动，其中，晚侏罗世在盆地东北部边缘东胜地区发生构造变形和隆升作用，早白垩世末(100 ～20 Ma)发生快速抬升冷却(张龙，2017)。盆地边缘地层抬升和地层构造变形控制着成矿流体的形成和矿体赋存空间的定位，侏罗纪—白垩纪时期发育渗出流和渗入流，两种流体相互混合，矿体定位空间即铀矿化地层恰好是上侏罗统(薛春纪等，2010)，这是东胜地区砂岩型铀矿成矿显著的特征。

根据东胜地区砂岩型铀矿赋矿地层直罗组方解石胶结物C、O同位素组成模型解释结果(图6 ～图10)，在东胜地区砂岩型铀矿成矿作用过程中，地层水渗入流体所占混合的比例较大，一般为2/3以上，吴柏林等(2006)研究认为成矿流体主要来自大气降水。本次研究根据大量分析数据定量给出地层渗入水在混合流体所占比例范围，进一步深化了对东胜地区砂岩型铀矿成矿理论认识。

从热卤水与地层水之间全部溶解碳的浓度比P的变化，可以划分出P的三个主要分布范围：1.0～2.0、2.0～5.0、5.0～10.0，P变化范围较大，说明热卤水流体来源具有较大差异，推测低温热液活动有多个期次，至少在三个期次以上。

5 结论

通过鄂尔多斯盆地东北部东胜地区砂岩型铀矿赋矿地层直罗组含矿砂岩、灰色砂岩及绿色砂岩中方解石胶结物C、O同位素组成分析，建立了渗入地层水和渗出热卤水两种流体混合C、O同位素组成定量模型，并根据该模型反演两种流体中溶解碳的浓度比、流体比例以及热液温度等成矿因素，得到以下主要结论：

(1)方解石胶结物C、O同位素组成特征表明，除部分样品方解石胶结物是地层沉积形成外，大部分方解石胶结物形成与有机酸脱羧基作用相关。其形成的主要过程为，盆地深部岩石圈热活动增强，古生界有机酸脱羧基作用形成CO2，晚侏罗世至早白垩世末盆地边缘抬升和盆地地层变形，伴随构造运动富含CO2的热卤水与地层水两种流体混合后形成含较高盐度的成矿流体，伴随有大量的方解石胶结物沉淀。

(2)根据地层水和地下热卤水C、O同位素组成已有基础资料，假定成矿作用发生时渗入地层水和渗出热卤水两种流体C、O同位素组成参数，用赋矿地层方解石胶结物C、O同位素组成建立了东胜地区砂岩型铀矿模型，可定量模拟出方解石形成时温度、两种流体溶解碳浓度比及流体比例等流体成矿条件。

(3)东胜地区砂岩型铀矿成矿流体地层水与热卤水比例为0.5～0.9，地层水所占混合流体的比例较大，一般在2/3以上；热卤水与地层水溶解碳浓度比为主要范围为1.5～5.0，部分大于10.0，热卤水中溶解碳浓度较高，是富含CO2的流体。混合流体温度分为两个主要范围55～80℃、90～140℃，结合古盐度和盐度指数反演，说明成矿流体为有机与无机混合成因的低温热液流体。

致谢：对核工业二〇八大队彭云彪研究员、苗爱生研究员、杨建新研究员在野外工作提供的热情帮助以及审稿专家和责任编辑在文章修改方面付出的辛劳表示诚挚的感谢。

参 考 文 献／References

(The literature whose publishing year followed by a “&” is in Chinese with English abstract; The literature whose publishing year followed by a “#” is in Chinese without English abstract)

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