鄂尔多斯盆地乃马岱地区直罗组砂岩元素地球化学特征及其地质意义

司庆红，俞礽安，蔡洪广，王善博，王道华，张超，朱强

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；2.华北地质科技创新中心，天津 300170；3.内蒙古煤炭地质勘查（集团）117有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017000）

鄂尔多斯盆地东北部乃马岱地区中生代含煤岩系发现了较好的铀找矿线索，探讨源岩属性对探索铀矿成因具有重要意义。沉积岩的元素地球化学特征能够反映地质历史信息，是研究沉积古环境和源区构造背景的有效手段。众多学者对鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿的地质特征[1-5]、铀赋存状态[6-8]、成矿模式[1,9-11]、蚀变矿物相关流体[12-18]、元素地球化学特征[19-23]等方面进行了大量的研究，并取得了较大研究进展。前人在砂岩型铀矿床的放射性元素本身（U、Ra、Th）、铀成矿相关的部分微量元素（如Se、Mo、V、Ge 等）、敏感参数（TOC、S、Fe 等）、稀土元素（如La/Yb 比值）示踪铀矿的物质来源[24-26]等方面做了很多工作，为矿床成因研究提供了重要线索。

目前，关于鄂尔多斯盆地北部乃马岱地区含铀岩系地质特征，尤其是针对直罗组砂岩开展元素地球化学的研究工作还很少，乃马岱地区含铀岩系沉积物质来源和构造背景有待深入探讨，这在一定程度上制约了对该区直罗组铀成矿条件和铀富集规律的认识。

为此，笔者以鄂尔多斯盆地乃马岱地区含铀岩系直罗组砂岩为研究对象，从含铀岩系铀矿地质特征和岩石主、微量及稀土元素特征两方面进行分析，从元素地球化学指标探讨直罗组砂岩的沉积古环境与源岩构造背景。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是中生代发育起来的大型内陆拗陷盆地，大地构造位于华北板块西部，北邻内蒙-大兴安岭褶皱带，南接秦岭-祁连山褶皱带，东、西与山西地块和阿拉善地块毗邻。乃马岱地区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡（图1a），地层西低东高，南低北高，构造总体形态为一向西南倾斜的单斜构造，地层倾角1°左右，在单斜构造的总体框架之上延走向、倾向发育有一些宽缓的波状起伏。

图1 研究区构造位置及地层综合柱状图（据参考文献[4]）Fig.1 Comprehensive histogram of structure location and stratigraphy in the study area

研究区发育中生代以来的地层由老至新依次有：侏罗系中下统延安组（J1-2y）、侏罗系中统直罗组（J2z）、侏罗系中统安定组（J2a）、白垩系下统志丹群（K1z）、第四系（Q），缺失侏罗系下统富县组（J1f）、新生界的古近系（E）、新近系（N）（图1b）。

2 实验与研究方法

本次研究选择乃马岱钻孔T1和T2（钻孔位置见图1）进行岩心蚀变观察，尤其对含铀层段进行精细编录描述。在钻孔编录和岩心观察的基础上，采集直罗组含矿砂岩进行薄片鉴定、U 含量分析。采集T1和T2钻孔直罗组10个砂岩样品开展主量、微量和稀土元素地球化学分析，其中主量元素采用X衍射荧光光谱（XRF）分析，FeO采用氢氟酸、硫酸溶样、重铬酸钾滴定容量法，分析精度优于2%。微量、稀土元素采用美国XSERIES-II型号ICP-MS等离子体质谱仪进行测定，分析精度优于5%。

3 直罗组砂岩地质特征

钻孔揭露乃马岱的地层主要为志丹群、安定组和直罗组，主要含铀地层为直罗组（图2a），直罗组下段为辫状河沉积，砂岩粒度较粗，以灰色、灰白色砂砾岩、含砾砂岩、粗砂岩为主，结构疏松；上段为曲流河沉积，岩性以泥岩、粉砂岩、中-细砂为主，夹有薄层中-粗砂岩。乃马岱T1和T2两个钻孔联井剖面图反映了该区铀矿目的层深度在600～700 m之间，异常层厚度0.25～3.7 m之间，含铀砂体厚度呈由东北部向西南部厚度变薄的特点。直罗组含铀岩段砂岩主要为灰-灰绿色中粗砂岩，在矿段及围岩砂岩中可清晰见到油迹残留、有机质条带以及黄铁矿化蚀变（图2b）。

图2 乃马岱地区钻孔联井剖面及岩心照片Fig.2 Drilling joint well profile and core photos in Naimadai area

直罗组砂岩成分以石英为主，其次为长石及云母，可见大量的碎屑；砂岩分选中等，颗粒呈次棱角状，固结程度低。乃马岱地区直罗组含铀砂岩主要为疏松、较疏松的浅灰色、灰色长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩（图3），中粒、粗粒砂状结构，分选性中等为主，多为次棱角状。矿石中碎屑粒间以接触式胶结为主，少数为孔隙式胶结。单矿物碎屑主要为石英，平均含量50%；碎屑物粒径55%～70%主要在0.25 mm以下的细砂级，其余粒径在0.25～0.55 mm的中砂级，磨圆程度低，呈棱角-次棱角状，分选程度中等，矿物成熟度较高。杂基主要成分为水云母、高岭石、伊利石、绿泥石和蒙脱石。胶结物以方解石、黄铁矿、针铁矿为主。

图3 直罗组含矿砂岩及围岩岩石碎屑组成Fig.3 Clastic composition of ore-bearing sandstone and surrounding rock of Zhiluo formation

4 直罗组砂岩元素地球化学特征

4.1 主量元素含量特征

实验表明，乃马岱地区直罗组SiO2含量介于54.56%～74.66%之间，平均含量为64.73%；Al2O3含量介于10.88%～18.71%之间，平均含量为15.08%；Fe2O3含量介于0.93%～8.35%之间，平均含量为3.32%；FeO含量介于0.45%～3.55%之间，平均含量为1.86%；CaO含量介于0.52%～1.69%之间，平均含量为0.91%；MgO含量介于0.62%～3.76%之间，平均含量为2.19%；K2O含量介于2.73%～3.58%之间，平均含量为3.15%；Na2O含量介于0.95%～3.89%之间，平均含量为2.52%；TiO2含量介于0.26%～0.86%之间，平均含量为0.64%；P2O5含量介于0.05%～0.41%之间，平均含量为0.15%；MnO 含量介于0.04%～0.12%之间，平均含量为0.06%。

由图4可看出，除了SiO2、Fe2O3、FeO和P2O5存在一定波动外，其余主量元素在各类样品中的质量分数差别不大，说明其物质来源较为稳定。

图4 乃马岱地区直罗组砂岩主量元素含量条形图Fig.4 Bar graph of major element content in Zhiluo formation sandstone in Naimadai area

4.2 微量元素含量特征

表2为样品的微量元素分析结果，将微量元素分析结果以中国沉积岩元素平均含量作为基准进行标准化，得到丰度系数K=ω（样品）/ω（标准）。按照横坐标从左向右微量元素不相容性程度下降的顺序分别绘制两个钻孔样品微量元素蛛网（图5）。观察发现两钻孔样品均出现标准化值，从左到右总体上逐渐减小但个别元素如Rb、U、Nb、Sr、Zr、Hf则出现不同程度的正或负异常现象。

图5 乃马岱地区直罗组岩石微量元素原始地幔标准蛛网图Fig.5 Standard spider web map of primitive mantle of trace elements in the Zhiluo formation in Naimadai area

两钻孔样品元素总体分布模式基本一致，但某些元素（Th、U、P、Y等）的含量具有显著的分异性，这其中Th和U含量差异最为明显。Th含量在3.3～20.3×10-6之间，U含量在0.72～5.29×10-6之间。这些元素的分异在很大程度上可能与后期流体蚀变作用有关。

4.3 稀土元素（REE）含量特征

乃玛岱地区直罗组样品的稀土元素分析结果见表3。直罗组稀土总量ΣREE在84.56～306.77之间，平均199.09。轻稀土总量ΣLREE 在78.13～279.41之间，平均为182.21。重稀土总量ΣHREE在14.37～264.52 之间，平均为82.99。ΣLREE/ΣHREE 值介于0.90～13.91 之间，平均为5.96。反映直罗组砂岩具有轻稀土富集、重稀土亏损的特点。

将稀土元素测试结果根据球粒陨石平均值进行标准化后，绘制出研究区直罗组稀土元素配分模式曲线（图6）。研究区直罗组的稀土元素配分模式曲线类型属轻稀土富集、重稀土亏损的右倾型，曲线中La-Eu段较陡而Eu-Lu段较平缓，绝大多数样品δCe无异常或弱负异常。

图6 乃马岱直罗组稀土元素球粒陨石标准化分布型式图Fig.6 Standardized distribution pattern of rare earth element chondrites from the Naimadaizhiluo Formation

5 讨论

5.1 沉积物源条件

5.1.1 古气候特征

化学蚀变指数（CIA）可以指示源区岩石的化学风化程度，大致能够反映地层沉积时的古气候[27-28]。化学蚀变指数的计算公式为：

式中各成分均以摩尔分数表示，其中CaO*为限定硅酸盐中的CaO含量（不包括碳酸盐以及磷酸盐矿物中的CaO），在实际工作中其取值往往采用近似值。

一般认为，CIA≤50表示未风化；50＜CIA≤65表示中等风化；65＜CIA≤100表示强烈风化；同时，化学蚀变指数（CIA）也可以在一定程度上反映物源区的气候。当50＜CIA≤65，反映寒冷干燥气候条件；当65＜CIA≤85，反映温暖湿润气候条件；当85＜CIA≤100，反映炎热潮湿气候环境。

由表1 可知，乃马岱地区直罗组地层样品的化学蚀变指数（CIA）介于56.7～79.58 之间，平均为68.9。4 个样品CIA 略低于在50～65 之间，其余样品的CIA均在65～85之间，指示该区直罗组地层岩石风化强度为中等-强，其古气候具有总体温暖半湿润的特点。

表1 乃马岱地区直罗组地层主量元素含量（%）及CIA计算结果表(×10-2)Table 1 The major element concentrations(%)and CIA correction of lower section of Zhiluo formation in Naimadai area

5.1.2 古水体氧化还原环境

在微量元素中，U、V、Cr和Co等对氧化和还原环境较为敏感，在富氧环境下易溶，在缺氧环境下不易溶解而富集；Ni、Cu、Zn 和Cd 等元素则在富氧环境下呈溶解状态，而在缺氧环境下常以硫化物形式富集沉淀。一般而言，U/Th、V/Cr、Ni/Co 和V/（V+Ni）比值是反映古水体氧化还原环境的有效指标[19-22]（表4）。

由表2可知，乃马岱地区直罗组U/Th比值介于0.08～0.4 之间，平均0.22；V/Cr 比值在0.84～3.4 之间，平均为1.57。Ni/Co比值在1.56～2.36之间，平均为1.94。V/（V+Ni）比值均介于0.69～0.90 之间，平均为0.77。综合分析U/Th、V/Cr、Ni/Co和V/（V+Ni）比值，可以判断乃马岱地区直罗组沉积古水体局部为贫氧-富氧环境过渡，总体为偏富氧环境。

表2 乃马岱地区直罗组砂岩微量元素含量及特征参数表(×10-6)Table 2 The trace element concentrations of lower section of Zhiluo formation in Naimadai area and geochemical parameters

除Ce和Eu以外的稀土元素在氧化和还原条件下均为正三价。Ce和Eu都是变价元素，在氧化和还原条件下呈现不同的价态：Ce在氧化条件下为正四价，在还原条件下则为正三价；Eu在氧化条件下为正三价，在还原条件下则为正二价，因Ce3+在水体中的溶解度大于Ce4+，氧化条件下Ce在水体中亏损而在沉积物中富集，沉积物呈现δCe 正异常或无明显异常；Eu在氧化条件下主要以Eu3+存在，与其他三价稀土元素行为一致，因此在风化过程中不易产生Eu的分异，但在还原条件下，Eu形成易溶于水的Eu2+，因而在水体中富集而在沉积物中亏损。因此，稀土元素在判断古水体氧化-还原环境条件时也具有重要参考价值。从表3可看出，乃马岱地区直罗组砂岩样品δCe无明显异常；直罗组上部样品分异不明显，而下部样品Eu分异较明显，反映直罗组沉积古水体可能具有从还原逐渐过渡到氧化条件的特点。

表3 乃马岱地区直罗组砂岩稀土元素含量表(×10-6)Table 3 The contents of REE for sandstons of Zhiluo formation in Naimadai area(×10-6)

表4 古水体氧化-还原环境微量元素判别表（据文献[22]）Table 4 Geochemical indicates of redox environment[22]

综上，利用微量元素和稀土元素均判断直罗组古水体环境总体为偏富氧环境，具有从还原到氧化过渡的环境特点。

5.1.3 古水体盐度

微量元素Sr 含量可作为沉积岩古盐度的有效判别标志。通常咸水环境的沉积岩Sr 含量通常在800×10-6～1 000×10-6，淡水环境下的沉积岩Sr 含量在100×10-6～300×10-6之间[20-22]。本次实验测试数据显示（表2），乃玛岱地区直罗组砂岩的Sr 含量在214×10-6～526×10-6之间，平均为342×10-6，不高于800×10-6，说明沉积古水体应属于淡水环境-微咸水环境。

另外，Sr/Ba 比值也是判别古盐度的灵敏标志。一般认为淡水环境下沉积岩Sr/Ba比值小于1（其中小于0.5为微咸水相，0.5～1为半咸水相），而咸水环境下沉积岩Sr/Ba 比值大于1[20,22]。样品Sr/Ba 比值介于0.19～0.79之间，均小于1，指示了研究区直罗组砂岩沉积古水体为淡水环境。

上述微量元素Sr含量与Sr/Ba反映的直罗组砂岩沉积古水体盐度情况是吻合的，指示了一种淡水-微咸水环境。

5.2 构造背景条件

5.2.1 微量元素对源岩构造背景的判别

本次研究根据微量元素Th-Co-Zr/10、La-Th-Sc及Th-Sc-Zr/10的构造环境判别图解（图7a、7b和7c）进行源区构造背景分析。图7显示，大部分样品的数据点均落在大陆岛弧范围内，其余数据点落在活动大陆边缘及周边区域。这反映乃马岱区直罗组砂岩的源区主要构造背景为大陆岛弧，可能与活动大陆边缘有密切关系。

图7 乃马岱地区直罗组Th-Co-Zr/10、La-Th-Sc及Th-Sc-Zr/10判别图Fig.7 Th-Co-Zr/10，La-Th-Sc and Th-Sc-Zr/10 diagrams of lower section of Zhiluo formation in Naimadai area

5.2.2 稀土元素对源岩构造背景的指示

由于各稀土元素（REE）的化学性质相近，受后期风化、成岩及蚀变作用的影响较弱，主要受控于其源区岩石组成，因而REE对岩石源区构造背景有着重要指示作用[29-30]。Eu异常（δEu）往往也可以作为判别物质来源的重要依据，δEu＜0.9表示母岩为花岗岩；1.01＜δEu＜2.33时代表母岩为中性斜长岩。根据这一标准，所测10件样品中有7件的Eu异常（δEu）落在花岗岩分布范围，其余3件样品的δEu落于中性斜长岩分区范围（表5）。

表5 乃马岱地区直罗组砂岩稀土元素特征表Table 5 Characteristics of REE parameters in sandstones of Zhiluo formation in Naimadai area

为进一步确定研究区直罗组的物源属性，笔者将研究区直罗组稀土元素与不同岩体的稀土元素进行对比，图8a反映乃马岱地区直罗组的物源主要来自花岗岩。同各种构造背景下砂岩的稀土元素特征相比，研究区直罗组大部分样品的稀土元素特征与大陆岛弧构造背景下的稀土元素特征较匹配（图8b），少数样品稀土元素特征与活动大陆边缘背景下的稀土元素特征较接近，暗示了其物源区可能受到大陆岛弧和活动大陆边缘两种构造背景的影响。因此，推测乃马岱地区直罗组地层物源构造背景主要为大陆岛弧，还受到活动大陆边缘的影响，源岩主要为花岗岩，其次为中性斜长岩。

图8 乃马岱地区直罗组砂岩La/Yb-ΣREE源岩和La/Th-Hf源区构造环境判别图Fig.8 Tectonic environment discriminant map of La/Yb-ΣREE source rock and La/Th-Hf source area of Zhiluo formation sandstone in Naimadai area

为了进一步判断乃马岱地区直罗组砂岩的物源，根据研究区直罗组砂岩源区构造背景，以下重点分析鄂尔多斯盆地北部周缘的大青山-乌拉山、阴山及吕梁山等花岗岩的亲缘关系。

俞礽安等通过锆石测年，发现研究区周边钻孔直罗组砂岩碎屑锆石年龄在255～314 Ma[4]，与乌拉山地区大桦背岩体时代330 Ma[31]、大青山地区哈拉少花岗岩体时代261.1±0.5 Ma[32]等地区形成于二叠纪中酸性岩石年龄较为一致，而与鄂尔多斯盆地元古代岩体年龄相差甚远。自晚古生代以来，鄂尔多斯盆地北部经历了持续的碰撞造山作用，除了形成单一的隆升拱起还发生了冲断与褶皱作用，基底结晶岩系广泛剥露，同时还有部分华力西期、印支期侵入岩，在直罗组沉积前被抬升至地表并遭受剥蚀[33]，为直罗组沉积提供物源条件。前人研究发现鄂尔多斯盆地东北缘吕梁山太古宙火成岩（主要为花岗岩）的稀土元素总量ΣREE为（35.6～676.57）×10-6;平均为141.23×10-6，LREE/HREE 为0.44～13.38，平均4.19；δEu平均0.21，严重亏损；δCe平均为1.01，微亏损[34-36]。这与本次研究得出的乃马岱地区直罗组砂岩稀土元素特征差别很明显。此外，前人磷灰石裂变径迹研究表明吕梁山最早隆升过程可追溯到发生在早白垩世晚期-新生代[37-38]，发生在直罗组沉积之后。

因此，我们基本可以判断乃马岱地区直罗组物源极可能主要来自鄂尔多斯盆地北部的大青山-乌拉山、阴山地区。

6 结论

（1）乃马岱地区直罗组砂岩主量元素具有SiO2和Al2O3含量高的特点，大部分主量元素在各类样品中的质量分数差别不大，唯有Fe2O3、FeO和P2O5存在较大的波动。直罗组砂岩微量元素出现标准化值，总体上Rb-Lu呈逐渐减小，某些元素（Th、U、P、Y等）的含量具有显著的分异性，其中Th和U含量差异最为明显。直罗组砂岩总体具有轻稀土富集、重稀土亏损的特点。

（2）化学蚀变指数指示乃马岱地区直罗组地层岩石风化强度为中等-强，其古气候具有总体温暖半湿润的特点；微量元素U/Th、V/Cr、Ni/Co 和V/（V+Ni）比值以及稀土元素Ce、Eu的分异特点反映了直罗组砂岩的古水体环境具有从还原到氧化过渡、总体偏富氧的环境特点；Sr含量与Sr/Ba综合反映直罗组砂岩沉积古水体为淡水-微咸水环境。

（3）直罗组沉积构造背景主要为大陆岛弧，与活动大陆岛弧边缘也有一定关联。源岩主要为花岗岩，其次为中性花岗岩，物源与吕梁山火成岩关系不大，可能主要来自盆地北部大青山-乌拉山和阴山地区。