开鲁盆地钱家店铀矿床铀的赋存状态及成因探讨

2021-08-16张博李建国苗培森赵龙司庆红里宏亮曹民强朱强魏佳林

华北地质 2021年2期

张博，李建国，苗培森，赵龙，司庆红，里宏亮，曹民强，朱强，魏佳林

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；2.中国地质调查局铀矿地质重点实验室，天津 300170；3.自然资源实物地质资料中心，河北三河 065201；4.绵阳师范学院，四川绵阳 621006；5.辽河石油勘探局新能源开发公司，辽宁盘锦 124010）

砂岩型铀矿床具有埋藏浅、储量大、成本低、环保等特点，已成为国内外重点勘探和开发的铀矿床类型之一[1-3]。开鲁盆地位于松辽盆地西南缘，是中国北方砂岩铀成矿带的重要组成部分。20世纪90年代以来，核工业、油田等部门陆续在该区域发现钱家店铀矿床、白兴吐铀矿等大型铀矿床、铀矿化区。前人围绕成矿地质特征[4-6]、沉积环境[7-10]、层间氧化作用[11-12]、油气还原作用[13]、蚀变矿物[14-16]、成矿模式[4,6,17]等问题开展了深入的研究。

铀的赋存状态作为研究铀成矿作用的重要内容之一，前人对钱家店铀矿区铀的赋存状态方面的研究也做了一定的工作。夏毓亮等认为铀的主要存在形式为分散吸附铀[4]，主要为有机质及黏土吸附；张明瑜等[5]、于文斌[18]认为铀的主要存在形式为铀矿物，铀矿物为沥青铀矿，但很细小，只在部分富矿石中才能见到；以含铀矿物存在的铀很少，且含铀矿物主要是砂岩中的碎屑锆石；徐喆等利用α径迹蚀刻方法研究表明通辽地区铀主要以分散吸附状态和铀矿物两种形式存在[19]；吴仁贵等对与钱家店铀矿相邻的白兴吐地区铀赋存形式研究认为，矿区低品位矿石中铀的存在形式主要为分散吸附态，高品位矿石中主要以铀矿物的形式存在[20]，铀矿物主要为铀石，其次为沥青铀矿，少量含钛的铀矿物；翁海蛟等对区内会田召地区的研究结果表明，铀矿物主要是铀石和钛铀矿[21]。综上，该地区铀的赋存形式总体包括铀矿物、吸附态铀、含铀矿物等，但对于起主导作用的铀赋存形式还存在一定分歧。

为了进一步查明铀的赋存形式及其共生矿物组合关系，笔者选择钱家店铀矿床近年重点勘查、开采的钱Ⅲ、钱Ⅳ地块部分含矿样品，主要通过薄片鉴定、扫描电镜、电子探针、能谱分析和微区X射线荧光等实验方法，并结合前人研究成果，对铀的赋存形式、铀矿物及其矿物组合的成因以及在部分铀矿物中存在磷元素明显富集的现象等进行探讨，以期为钱家店铀矿床含铀成矿流体、成矿作用研究等方面提供理论支撑，揭示铀的形成环境。

1 地质背景

松辽盆地位于中国东北地区，是晚中生代开始形成的大型陆相沉积盆地，也是世界上规模较大的陆相含油气盆地[22-23]。盆地四周环山，其东南为张广才岭，东北为小兴安岭，主要发育晚三叠世到中侏罗世岩浆岩；西为大兴安岭，主要发育晚古生代和早白垩世花岗岩、火山岩，南为丘陵地带。基于区域隆起和坳陷发育特征，松辽盆地可划分为西部斜坡区、北部倾没区、中央坳陷区、东北隆起区、东南隆起区和西南隆起区6个一级构造单元（图1a）。开鲁盆地位于松辽盆地西南隆起区，总面积约3.1×104km2，构造走向北东。钱家店凹陷位于开鲁盆地的东北部，是其一个次级负向构造单元，呈北北东-北东向狭长带状展布，面积约1 280 km2，是一个在海西褶皱基底上发育起来的中、新生代断坳叠合型凹陷。凹陷内基底为前震旦纪花岗片麻岩和石炭-二叠系变质岩组成；盖层主要为侏罗系上统义县组、九佛堂组、沙海组、阜新组的断陷湖盆沉积和白垩系泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组的坳陷型河流相-湖相沉积；其上是古近系-第四系松散堆积物[9]。

图1 开鲁盆地区域地质背景及综合柱状图Fig.1 The regional geological background and comprehensive histogram of Kailu basin

钱家店铀矿床构造上处于开鲁盆地与架玛吐隆起带的过渡带，呈NE向带状展布[7,12]。钱家店地区钻孔所揭露的地层主要包括上白垩统青山口组（K2qn）、姚家组（K2y）、嫩江组（K2n）和第四系，缺失四方台组-古近系，其中姚家组是主要的含铀层位（图1c），是本文研究含铀矿物的主要目的层位。姚家组地层产状平缓，褶皱不发育，属构造弱活化区。姚家组岩层具有稳定的泥-砂-泥结构特征，是冲积扇-冲积平原体系中辫状河流相的沉积产物[24]。在钱家店铀矿区，姚家组可分为上、下两个岩性段。姚家组下段底部以含泥砾粗砂岩和中细砂岩为主，夹有薄层状的泥岩；中部为浅灰色中细砂岩及紫红色粉砂岩和泥岩；顶部为一套稳定的泛滥平原沉积的粉砂质泥岩，厚度在8～15 m之间，是姚家组上下岩性段划分的标志性岩层。姚家组上亚段与下亚段为冲刷接触关系，由多个下粗上细的正沉积旋回组成，底部为含砾中粗砂岩，向上变为厚层中细砂岩，并夹有红色和灰色粉砂质泥岩。岩层以三角洲平原砂质辫状河道沉积为主，交错层理发育；泛滥平原沉积的粉砂质泥岩层中可见水平层理。

2 样品采集及分析方法

本次研究的砂岩型铀矿样品主要采自开鲁盆地钱家店铀矿床钱III、钱IV地块铀工业孔中，共计5个铀工业孔（图1），16件样品。样品岩性均以浅灰色、灰色中-细砂岩为主，个别样品中肉眼可见黄铁矿颗粒，取样层位均为上白垩统姚家组下段。样品总体比较新鲜。

实验分析方法及参数如下：

电子探针及背散射图像观察在中国地质调查局天津地质调查中心实验测试室进行。电子探针仪器型号为Shimadzu EPMA-1600，测试条件：加速电压为15 kV，电子束流为20 nA，束斑直径根据铀矿物颗粒大小选择为1 μm，元素测量时间为20 s，测试元素主要包括U、Si、Ca、Ti、Al、Fe等13种元素。

扫描电镜及能谱分析均在核工业北京地质研究院分析测试研究所完成，扫描电镜的仪器型号为Nova Nano SEM450，检测方法依据GB/T17361-2013《微束分析、沉积岩中自生粘土矿物鉴定、扫描电子显微镜及能谱仪方法》。X射线衍射分析测试的仪器型号为Panalytical X’Pert PRO X 射线衍射仪，工作电压40 kV，电流40 mA，X射线靶为Cu靶，测量角度范围5～70°。

元素微区面扫描使用的仪器为M4 Tornado微区X射线荧光光谱仪，扫描对象为从含矿砂岩样品中切割的探针片。仪器中X-射线光管靶材为铑（Rh），电压为50 kV，电流为800 μA，光斑小于30 μm，探测器为Flash@硅漂移探测器，能量分辨率在计数率250 000 cps时分别优于125 eV和135 eV，扫描速度最快可达3 ms/点，可检测钠以上元素的分布（Na-U），最大分辨率可达30～100 μm。

3 赋矿岩石学及矿化特征

3.1 赋矿岩石学特征

研究区主要含矿目的层为上白垩统姚家组下段。赋矿岩性以浅灰色、灰白色中-细粒砂岩为主，局部为杂色砂岩、灰色粉砂岩、灰色（含砾）粗砂岩等，常含碳质碎屑、黄铁矿颗粒，常夹多层红色、灰色泥岩透镜体，垂向上岩石粒度变化频繁，为辫状河道的沉积产物。

本区砂岩类型主要为长石质岩屑（杂）砂岩和岩屑（杂）砂岩（图2），少见粗粒杂砂岩。岩石结构方面，赋矿砂岩多数胶结致密，碎屑颗粒之间主要以点接触和线接触为主，孔隙-接触式胶结，碎屑颗粒分选中等，磨圆多为次棱角-棱角状，磨圆度中等偏差。总体上，研究区姚家组下段砂岩按矿物成分和化学成分分类均属于低成熟度的（长石）岩屑砂岩和（岩屑）长石砂岩类，符合辫状河道亚相沉积的一般特征，对铀成矿十分有利。碎屑以石英、长石、岩屑为主，成分复杂，碎屑成分主要为长石、石英和岩屑，部分样品可见少量云母。砂岩填隙物成分有杂基和胶结物两类，胶结物含量占砂岩总量的3%～20%，平均值8%，成分主要为方解石、白云石，其次为黏土矿物、黄铁矿、菱铁矿、有机质等，胶结类型主要为孔隙式、接触式。杂基是碎屑岩中的细小的机械成因组分，占砂岩总量的5%～30%，平均值16%，成分主要为火山灰及高岭石、伊利石，少量蒙脱石、绿泥石等黏土类矿物。岩屑含量丰富，类型多样，凝灰岩和石英砂岩岩屑居多，其次为花岗质岩屑、碳酸盐岩屑等。

图2 钱家店地区姚家组含铀砂岩特征Fig.2 Characteristics of uranium bearing sandstone of Yaojia Formation in Qianjiadian area

3.2 铀矿化特征

目前，钱家店地区发现的铀矿体（化）总体呈半环状围绕白兴吐构造剥蚀天窗发育，平面上主要分布于氧化-还原过渡带内，垂向上主要赋存于姚家组下段浅灰色、灰色中-细粒砂体中。铀矿体产状多与地层（含矿砂体）产状一致，在剖面上总体表现为似层状、透镜状及板状透镜状的组合。在平面上受辫状河道洼地的限制，呈圆饼状和不规则状，含铀层一般厚2.10～6.00 m，最厚可达12 m，品位0.0 104%～0.034%，埋深在280～330 m 之间。此外，不同区块由于构造部位不同矿体埋深不同，总体埋深在180～450 m之间，其中钱II和钱V地块埋深180～350 m，钱III和钱IV地块埋深300～450 m。矿石类型主要为浅灰色-灰白色细粒砂岩型铀矿，中粒砂岩型铀矿次之。矿石结构为细粒结构及中粒结构，矿石构造主要为块状构造。矿石多较疏松易碎、松散，少数含矿砂体胶结较好，矿石致密。

4 铀的赋存形式

通过对钱家店地区含铀砂岩样品开展研究，以及综合前人科研成果，认为研究区铀的存在形式主要有铀矿物、吸附态，少量为含铀矿物。本文重点研究铀矿物类型及其矿物组合。

4.1 铀矿物类型及主要成分

对含铀样品开展了电子探针实验。分析结果表明（表1），钱家店铀矿区主要铀矿物为沥青铀矿、铀石。沥青铀矿和铀石的元素组成具有规律性差异，沥青铀矿中U元素含量高而Si和P元素含量低，其UO2为67.75%～89.19%（平均77.07%）、SiO2为0.37%～7.52%（平均3.61%）、P2O5为2.13%～8.46%（平均4.86%）。铀石中U元素含量相对较低，而Si和P 元素含量较高，其UO2、SiO2和P2O5的含量分别为66.38%～72.40%（平均70.13%）、9.12%～10.35%（平均9.49%）和6.54%～7.52%（平均7.02%）；此外，沥青铀矿和铀石中均含有Th、Ca、Fe、Ti等元素。

表1 钱家店矿区铀矿物电子探针分析结果Table 1 EPMA result of uranium ore from Qianjiadian mining area

除沥青铀矿、铀石以外，研究还发现少数含钛铀矿物（图3）。含钛铀矿物以碎屑颗粒状分布于石英颗粒间，铀、钛元素分布不均匀。

图3 含钛铀矿物背散射图像及能谱图Fig.3 BSE image and energy spectrum of titanium bearing uranium minerals

从上述电子探针实验结果可以看出，铀石明显比沥青铀矿中磷、硅元素的含量要高。为了进一步查明铀与磷的关系，对含铀石矿物的样品探针片开展了微区X射线荧光分析实验，结果表明：在同一视域下，铀元素与磷元素分布趋势一致。同时，根据上述铀矿物分析结果中UO2与“P2O5+SiO2”的含量数据，对二者进行了线性回归分析，结果显示，在含铀样品中，UO2与“P2O5+SiO2”呈现明显的负相关关系（图4d）,相关系数R2值为0.778 2。

图4 铀元素与磷元素分布关系Fig.4 Distribution of uranium and phosphorus

此外，在本次研究实验中，发现部分低品位甚至高品位的铀矿石，野外现场伽马测试枪测量和实验室ICP-MS测定可达到工业品位，但是在显微镜和电子探针能谱中却检测不到铀的存在。这类型铀属于吸附态铀。徐喆等利用α径迹蚀刻法对该研究区矿石中铀矿物的分布状态进行研究，认为有分散吸附状态的铀存在[19]。

4.2 铀矿物的赋存特点及共生关系

综合分析电子探针数据和背散射图像，认为铀矿物赋存特点及共生关系有以下几类：

4.2.1 独立铀矿物

该类铀矿物主要以独立铀矿物为主，呈粒状、斑点状、团块状、条带状、网状、环带状及分散显微颗粒、显微颗粒集合体，多与石英、长石等岩屑共生。图5a，5b 所示，铀矿物呈不规则粒状富集在岩屑颗粒中，以长石、石英等碎屑颗粒裂隙面和解理面作为赋存空间。颗粒大小一般为5 μm左右，甚至更小，呈不规则状。该类铀矿物的出现说明有原生铀矿物呈碎屑进入砂岩，可作为铀矿床铀的物质来源之一。

4.2.2 与黄铁矿共生

在大多数含铀样品中，均可看到铀矿物与黄铁矿紧密共生，它们多分布于砂岩碎屑颗粒孔隙、裂隙内，或碎屑内部溶蚀空洞中。通过研究，将铀矿物与黄铁矿的共生关系总结为以下四类：（1）铀矿物分布在胶状黄铁矿颗粒内部；（2）铀矿物分布在块状黄铁矿边缘或颗粒间的缝隙中（图5c）；（3）铀矿物充填在石英边部溶蚀形成的裂隙内，且围绕脉状黄铁矿边缘生长（图5d、5e）；（4）部分铀矿物也可以与草莓状黄铁矿共生（图5f），可能是先存在的黄铁矿与水反应生成H2S还原作用的结果。

4.2.3 与碳酸盐共生

此类铀矿物主要以集合体的形式存在于矿物的裂隙之中，有些呈现出沿裂隙分布的特征，并且与黄铁矿和碳酸盐关系比较密切，且碳酸盐以铁白云石、方解石最为常见。铀矿物基本分布于黄铁矿和碳酸盐的分布区域，说明该铀矿物的形成与黄铁矿和碳酸盐的关系比较密切，且碳酸盐一般不直接与铀矿物接触。主要分布在过渡带（灰色含矿砂岩）中，常为孔隙式胶结，多为镶嵌粒状结构（图5g）。

图5 钱家店矿区铀矿物背散射图像Fig.5 BSE image of uranium minerals in Qianjiadian mining area

4.2.4 黏土矿物、有机质的吸附

首次发现铀矿物与黏土矿物在空间上具有密切关系（图5h，5i），尤其铀矿物与高岭石具有明显的空间接触关系。如图5h所示，高岭石呈层片状发育，铀矿物集合体附着在高岭石表面，并在局部保持了前者的矿物形态，显示了铀矿物与高岭石同期或晚于高岭石形成。同时，也可观察到铀矿物与蠕虫状高岭石集合体共生（图5i）。李建国等利用红外光谱和X射线衍射对钱家店地区黏土矿物研究时发现，铀工业孔含矿段主要富集的黏土矿物为高岭石，且与铀含量有明显的的正相关关系[16]。另外，植物炭屑、碳质碎片化石等有机质是研究区含矿层中常见的物质，它为铀成矿提供了物理障作用及地球化学还原性物质基础。一些学者也在研究成果中提及植物炭屑与铀成矿在宏观上有紧密的空间分布关系[14,26]。

5 讨论

砂岩型铀矿通常形成于埋藏较浅的开放系统中，经历了长时间、多期次的成矿或改造作用，形成不同形态特征和化学组成的铀矿物。研究铀矿物自身的特征及与其它矿物的共生关系是探索铀成矿机理的直接证据。本次研究发现，钱家店铀矿区铀矿物主要包括独立铀矿物，与黄铁矿、碳酸盐共生的铀矿物，被高岭石、植物炭屑等吸附的铀矿物等几大类。其中，铀矿物与黄铁矿、铁白云石等矿物的共生组合是最常见的一种类型。通过分析它们的穿插关系，将铀矿物细分为两类：一类是铀矿物围绕黄铁矿边缘发育，形成环边、似环边状，同时，呈胶状充填在黄铁矿与其它颗粒的缝隙间（图5d，5e），在这类穿插关系中，铁白云石常常围绕黄铁矿外围发育（图5g）；另一类是铀矿物呈脉状充填在黄铁矿内部（图5c），无铁白云石、方解石等碳酸盐与之共生，这表明至少存在两期不同性质的含铀流体参与成矿。黄铁矿与铀矿物的共生关系存在两种情况：一是含铀溶液中Fe3+与U6+有先后沉淀的特点，形成FeS2和UO2，在Eh值降低的过程中，Fe3+总是先于U6+还原沉淀，所以可见铀矿物围绕新生的黄铁矿分布；二是先存在的黄铁矿在无氧环境中可与水发生反应生成H2S，还原U6+，铀矿物在黄铁矿表面富集[27]。结合前述研究结果，笔者认为该区域铀矿物与黄铁矿的形成关系主要属于第二种类型。此外，钱家店铀矿区主含矿层姚家组下部的下白垩统九佛堂组为烃源岩层，含有丰富的烃类及有机质，且区内断裂、裂隙发育，烃类物质、二氧化碳等可以沿断裂上移至含矿地层并引起成矿作用。与铀矿物共生的菱铁矿、铁白云石等碳酸盐矿物可能受深部油气裂解与CO2渗出作用而形成。

同时，在铀成矿过程中，黏土矿物、植物炭屑等有机质的吸附性也发挥着作用。铀元素常呈吸附状态赋存于表生带的岩石和矿物中,这是铀元素地球化学的一个重要特点[28-30]。表生带中带正电荷的铀酰离子由于水解能力弱，迁移能力差，因而很容易被黏土矿物、有机质等高吸附性粒子所吸附[31]。杨晓勇等对鄂尔多斯铀矿区研究表明：砂岩型铀矿的铀矿物可以寄主在钾长石、微斜长石、云母、石英、方解石以及胶结物中，呈微细粒浸染状铀矿物吸附态存在于砂岩中[32]。但是目前对于黏土矿物吸附铀矿物的机理还不太明确。钱家店地区主要是黏土矿物中的高岭石吸附铀矿物（图5h）,未发现其它黏土矿物与铀矿物有直接关系。在黏土矿物中，蒙脱石、伊利石的吸附能力均大于高岭石[33]，这与笔者观察到的实际现象存在一定矛盾。所以，对于该区域铀矿物在空间上与高岭石紧密共生的具体成因是吸附作用还是流体成因还有待进一步研究。

铀矿物中丰富的磷元素是生物铀矿化的有利证据[13,34]。本文电子探针分析数据（表1）及元素面扫描结果显示，磷元素与铀矿物有很好的相关性。一般地，沉积地层中的磷元素富集被认为是微生物的产物。细菌在降解有机质的时候会使有机磷酸酯中的键断裂，释放出其中的磷元素。同时，在细菌硫酸盐还原作用过程中，细菌活动能产生有机酸等物质，降低环境pH值，导致磷灰石等富磷矿物的溶解[35]。笔者研究团队曾通过扫描电镜的二次电子图像观察发现，富矿砂岩中存在形似微球菌的微球粒状铀石集合体，且X射线能谱显示这些微球粒状铀石中富含磷元素[36]。由此推测这些富磷元素的微球粒状铀石集合体很有可能是矿化的微生物，是微生物在新陈代谢过程中或者死亡后被UO2交代的产物[37-38]。结合矿区主要流体温度，这可能指示了低温流体下微生物参与铀成矿作用。