流体包裹体及C-O同位素对钱家店砂岩型铀矿床成因制约

2021-10-27单芝波

亚热带资源与环境学报 2021年3期

单芝波

(辽河油田勘探开发研究院，辽宁盘锦124010)

位于内蒙古东部的钱家店地区已经探明多个砂岩型铀矿床，并且近年来取得了较大的找矿突破，储量规模稳定提升，已经基本实现连片，形成特大型可地浸开采砂岩型铀矿床。尽管前人已对该矿床沉积环境、成矿古气候特征、层间氧化带、铀成矿条件、成矿规律以及成矿模式做过较多研究[1-5]，取得了诸多成果，认为该矿床存在多期铀成矿作用，并且在同生沉积和层间氧化双重铀成矿成因方面达成了一定的共识[6-8]，然而对于产自沉积岩中的铀矿床与深部油气和辉绿岩侵入是否有成因联系，一直存在很大争议。

运用流体包裹体和同位素地球化学相结合手段，并借鉴前人的研究资料，通过对钱家店铀矿床姚家组砂岩流体包裹体及C-O同位素特征的研究，结合该区中-新生代构造演化特征，探讨油气和辉绿岩侵入与铀成矿之间的效应，限定该矿床成矿控制因素，既为探讨油气和热液流体与铀成矿关系提供了一些证据，同时也为深刻理解钱家店铀富集规律提供崭新视角。

1 地质背景

开鲁盆地位于松辽盆地的西南部(即原松辽盆地西南隆起)。盆地基底地层由石炭-二叠系碳酸盐岩、浅变质岩以及下白垩统陆相含煤火山碎屑岩建造构成。开鲁盆地经历了早白垩世断陷、早白垩世末抬升剥蚀、晚白垩世坳陷及末期的构造反转、抬升剥蚀4个阶段。钱家店凹陷位于开鲁盆地的东北部(图1)，呈北东—南西向狭长带状展布，长约100 km，宽约15～25 km，面积 1 280 km2，为海西皱褶基底上发育起来的中新生代断坳转换型凹陷。

注：a为研究区位置示意；b为开鲁盆地构造。

图 2 松辽盆地西南部钱家店铀矿床流体包裹体均一温度和盐度Figure 2 Homogenization temperatures and salinities of fluid inclusion in Qianjiadian uranium deposits in southwestern Songliao Basin

研究区内断裂发育，可分为NE-NNE、EW和NW向三组。其中以NE-NNE向最发育，其次为EW和NW向。出露的地层自下而上为上白垩统青山口组(K2qn)、姚家组(K2y)、嫩江组(K2n)和第四系(Q)，缺失四方台组-古近系。姚家组是本区的主要含矿层位，青山口组为次要含矿层位。青山口组以紫红色泥岩和紫红色、细砂岩为主，局部夹紫红色粉砂质泥岩和灰色泥岩，与上覆姚家组呈平行不整合接触关系。姚家组可以分为两段，姚下段以浅灰色细砂岩、浅红色细砂岩为主，夹灰色泥岩、紫红色泥岩，厚 60～80 m；姚上段以浅灰色细砂岩、浅灰色含泥砾细砂岩为主，夹紫红色、浅灰色泥质粉砂岩，厚 65～90 m，与上覆嫩江组呈整合接触关系。嫩江组上部以灰色泥岩为主，夹浅灰色泥质粉砂岩；下部以浅灰色细砂岩为主，夹浅红色泥岩、浅红色泥质细砂岩，厚 150～210 m，与上覆新生界呈角度不整合接触关系。第四系由灰黄色表土层和灰黄色砂砾层构成，厚约 110 m。钱家店凹陷具有丰富的油气资源，目前已在多个洼陷的下白垩统地层中找到了工业油气流，而钱家店铀矿床则产于上白垩统姚家组的辫状河沉积砂体中[6]。

2 样品情况与测试分析方法

23件研究样品均采自钱家店铀矿床钻孔中上白垩统姚家组新鲜含矿和无矿砂岩。包裹体鉴定、均一温度分析、显微激光拉曼光谱分析以及C-O同位素组成测定工作均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。

挑选出10件样品均做流体包裹体测试分析。首先对样品进行预处理，用无水乙醇或是丙酮浸泡薄片2～3 d，待薄片完全脱落并洗净树胶后，将样品制成两面抛光的流体包裹体薄片，在制片过程中温度不能超过80℃，以保证低温包裹体不能爆破；随后在偏光和UV激发荧光显微镜下观察其特征，并划分出包裹体类型和期次；初期观测完成后，用酒精浸泡包裹体片，并去除树胶卸载载玻片，最后在英国Renishaw公司生产的LINKAM THMS600冷热台上测温，温度控制范围 -196～+600℃，精度及稳定性均在 ±0.1之内，测温对象首选石英颗粒微裂隙、次生加大边及后生碳酸盐矿物中的流体包裹体。同时，利用INVIA型激光拉曼光谱仪测定包裹体成分，扫描范围100～400 cm-1，分辨率优于2 cm-1，重复性+0.2 cm-1。检测依据：《沉积盆地流体包裹体显微测温方法》SY/T6010-2011。

对5件样品碳酸盐胶结物做C-O同位素分析。在25℃条件下，用100%的磷酸与方解石反应4 h，提取出胶结物碳酸盐中的CO2气体，随后将收集得到的CO2在MTA252质谱仪上测定，分析精度优于±0.2‰，以GBW04417方解石标准作为碳酸盐分析的参考标准，其δ18OPDB和δ13CV-PDB分别是-24.12‰和 -6.10‰，依据GB/T6041-2002质谱分析方法通则。方解石样品的δ18OPDB和δ13CV-PDB直接从CO2测得，氧同位素比值以SMOW为标准，采用公式：δ18OV-SMOW=1.030 86 × δ18OPDB+30.86。

3 流体包裹体特征

3.1 烃类流体性质分析

不同均一温度及盐度流体包裹体代表不同期次的流体作用。本研究对姚家组砂岩样品中碳酸盐胶结物及石英次生加大边中含烃盐水包裹体测试了60个点，其中用来计算冰点及盐度的数据有11个。结果显示，包裹体均一温度介于87～160℃之间，平均为131℃。由均一温度直方图(图2a)可见，次生包裹体温度有2个明显区间，第一个区间主峰85～95℃，第二个区间主峰145～155℃，这表明钱家店铀矿床成矿流体具较高温度热流体特征。含矿砂岩的热液流体均一温度区间为127～159℃，平均为140℃；无矿砂岩的热液流体温度区间为87～160℃，平均为128℃。含矿和无矿砂岩样品热液流体的温度区间大体相当，无矿砂岩范围略微宽泛。乌拉尔定律指出，运用包裹体冰点温度和NaCl-H2O溶液溶质摩尔浓度呈正相关的原理可以计算流体盐度。通过冰点-盐度换算公式：W=0.00+1.78Tm-0.044 2Tm2+0.000 557Tm3[9]，计算流体包裹体盐度值，式中T代表冰点下降温度的绝对值，W为NaCl重量百分数。从表1中可知，钱家店铀矿床砂岩包裹体盐度在12.9～22.38wt%之间，平均为17.52wt%；其中碳酸盐胶结物中包裹体盐度为12.9～19.8wt%之间，平均值为17.05wt%；石英次生加大边中包裹体盐度为14.90～22.38wt%，平均值为18.08wt%。由包裹体盐度频率直方图(图2b)可知，钱家店铀矿床砂岩包裹体盐度区间可分为3组，即低盐度区12～16wt%、中盐度区 17～20wt%和高盐度区21～23wt%。一般认为不同盐度数据代表了不同性质的流体，结合均一温度，表明钱家店铀矿床至少经历了3期不同性质的流体作用。含矿砂岩的热液流体盐度区间为12.9～19.8wt%NaCl，平均为 17.78wt%；无矿砂岩的热液流体盐度区间为13.5～22.38wt% NaCl，平均为16.35wt%。含矿和无矿砂岩样品中热液流体的盐度没有很明显的差异。

3.2 激光拉曼成分分析

基于流体包裹体岩相学研究，选取不同类型包裹体进行单个包裹体激光拉曼分析(图3)。结果显示，钱家店铀矿床各个类型砂岩中气液两相包裹体的液相成分以H2O(宽泛的包络峰，3 000～3 600 cm-1)、高频和低频CO2(1 388 cm-1和1 288 cm-1)占绝对的优势，除H2O以外，石英次生加大边中包裹体气相成分常见不同强度的CH4(约2 913 cm-1)及N2(2 328 cm-1)；碳酸盐胶结物中包裹体见CH(1 375 cm-1)特征峰，并有少量强度较弱的C=C(1 600 cm-1)等有机烃类组分。由包裹体测温数据可知，不同类型包裹体的冰点温度明显低于纯CO2包裹体的冰点(-56.5℃)，表明气相成分中含有一定量的CH4(冰点介于-90～-110℃之间)、N2(冰点约-210℃)等组分[10]，这与激光拉曼测定的包裹体中含CH4、N2等组分相吻合。

图 3 松辽盆地西南部钱家店铀矿床流体包裹体激光拉曼光谱分析Figure 3 Representative Raman spectra of fluid inclusion in Qianjiadian uranium deposits in southwestern Songliao Basin

图 4 松辽盆地西南部钱家店铀矿床油气充注GOI/%Figure 4 Hydrocarnbon infilling GOI in Qianjiadian uranium deposits in southwestern Songliao Basin

3.3 油气充注强度

GOI(含油气包裹体的颗粒碎屑矿物颗粒指数)可以指示地质历史中油气的充注程度[11]。计算公式为：GOI(%)=(含油气包裹体的颗粒碎屑矿物颗粒数)/(参加统计的颗粒总数)。一般而言，GOI<1%，代表地层未经历油气充注史；GOI介于1%～5%之间，代表地层经历过少量油气充注；GOI>5%，则表明地层经历过大规模石油充注史。通过钱家店铀矿床流体包裹体中GOI统计计算(图4)，样品GOI全部介于1%～5%之间，且大部分在1%～2%之间，本次GOI统计数据未有超过5%的，暗示姚家组地层发生过一期油气充注事件，然而规模较小，只表现为弱的油气流体运移，对铀矿的形成起到积极作用，油气可能造就了含矿层较强的还原环境，降低了原生灰色砂体的Eh值。当富氧富铀水流经该地区时，在成矿物质的沉淀方面扮演了一定的角色。

图 5 松辽盆地西南部钱家店铀矿床C-O同位素组成判别Figure 5 Carbon and oxygen isotopics composition in Qianjiadian uranium deposits in southwestern Songliao Basin

4 C-O同位素组成

方解石的C同位素值可以近似作为该矿床成矿热液中的总碳同位素组成。研究区姚家组砂岩广泛发育碳酸盐化蚀变。以分离后的成矿期碳酸盐胶结物为研究对象，测试其C-O同位素是研究成矿流体的关键。从表1数据中可以看出，钱家店铀矿床5件碳酸盐胶结物样品同位素组成相对均一，δ13CV-PDB介于-2.3‰～1.21‰之间，平均为-1.8‰；与碳酸盐热分解形成的CO2的δ13CV-PDB值(-3‰～2‰)范围相一致；δ18OV-PDB介于-14.9‰～-12.95‰之间，平均为 -13.89‰，δ18OV-PDB值在大气降水的δ18OV-PDB值(-55‰～8‰)范围内。在方解石δ13C-δ18O同位素关系图方面(图5)，数据点分布较集中，方解石样品点均落入海相碳酸盐岩溶解作用范围之内，上述碳氧同位素组成表明，钱家店铀矿床成矿过程中流体溶解了围岩中的碳酸盐岩，成矿流体中的碳主要由海相碳酸盐岩提供，反映出深源热液的特点，结合本区辉绿岩广泛分布的特点，可能同时受到岩浆热液的改造作用。在自然界中，从碳酸盐(CO32-)到CO2、石墨(C)，到甲烷(CH4)，逐渐亏损δ13C，δ13C值从壳源海相碳酸盐的3.5‰～-3.5‰，降低到沉积有机物的-15‰～-35‰，到天然气的-40‰。综上，该矿床的形成可能下伏碳酸盐岩和岩浆热液密切相关。

表 1 松辽盆地西南部钱家店铀矿床碳酸盐胶结物中流体包裹体C-O同位素组成/‰ Table 1 Carbon and oxygen isotopics composition of carbonate cement in Qianjiadian uranium deposits in southwestern Songliao Basin

5 讨论

钱家店铀矿床中C-O同位素组成暗示了成矿流体中C为海相碳酸盐岩溶解来源，流体包裹体中液烃包裹体及含烃盐水包裹体的出现表明了有机质参与成矿作用。罗毅[12]指出钱家店铀矿床含矿层酸解烃含量较高，暗示了烃类流体的充注，GOI的统计数据表明姚家组地层经历过一期小规模油气充注事件，只表现为弱的油气流体运移，对铀矿的形成影响较小。分析矿床中各类岩石与酸解烃的甲烷含量之间的关系，结果表明甲烷与铀成矿关系并不明显，可能暗示了油气提高了含矿层整体的还原强度，仅仅在铀矿体的区域定位方面扮演了重要的角色。李宏涛[13]针对钱家店铀矿床砂岩测试了10件样品碳酸盐胶结物C同位素组成，结果显示除一个点δ13CV-PDB略高，位于有机质氧化作用外，其余全部介于-7.8‰～-1.3‰之间，同样表现出海相碳酸盐岩溶解及弱的有机质参与成矿作用的特征。因此，追踪海相碳酸盐岩及有机质的来源成为探索成矿流体来源的关键。

开鲁盆地在石炭-二叠纪时期属滨海-浅海-半深海环境，海底为大洋壳，沉积了大套的海相碳酸盐及浅海相碎屑岩[14-15]。位于松辽盆地南部的松南6井和来1井钻遇的石炭纪灰岩验证了基底的组成。石炭-二叠纪的海相碳酸盐岩基底可为该区铀成矿流体提供充足的C源。在早白垩世，钱家店凹陷内主要为湖相环境，沉积了一套含煤、石油和天然气碎屑岩建造，九佛堂组、沙海组和阜新组中的湖相暗色泥岩为良好的烃源岩，烃源岩岩系在晚白垩时期，有机质达到生油门限，形成大量的石油、油气和高矿化度的油田卤水，短距离运移、就近聚集成藏，这些有机烃类便可作为姚家组成矿流体中有机质的来源[14, 16]。矿化砂岩包裹体烃类色谱-质谱测试得出的地球化学特征，表明油源应主要来自九佛堂组烃源岩。

李胜祥[1]所测的5件含矿砂岩矿化阶段的黄铁矿δ34S值介于-31.4‰～-47.1‰之间，远低于已知有机硫同位素的下限 -17‰，同时也不在岩浆成因硫(-5‰～5‰)范围内，非地幔来源无机硫，表明其来自于地层中硫酸盐的还原作用，而非广泛发育基性岩。在矿区内虽然大规模的基性岩浆岩沿控凹断裂穿插到姚家组及嫩江组中，形成大面积的玄武岩盖和辉绿岩墙脉，并引起周围强烈的围岩蚀变[15, 17]，然而这种浅成基性侵入岩为“干岩浆”产物，在冷凝结晶过程中基本不释放热液或释放少量的热液。另外，高盐度的流体包裹体常常被认为是岩浆热液，由岩浆结晶分异过程中产生的流体最高盐度为26.4%，然而这种高盐度的岩浆分异流体只能在温度高于700℃时出现，低温流体包裹体盐度通常低于5%。钱家店矿区流体包裹体温度介于87～160℃之间，盐度在12.9～22.38wt%之间，表现出较高温度的卤水特征。综上所述，矿区广泛发育的基性岩侵入，仅加热地层水，使其表现出较高的热异常和地温梯度，并没有或很少为成矿流体贡献物质组分。

吴柏林[18]测试并统计了西北地区铀矿床的流体包裹体温度和盐度，结果显示，伊犁、吐哈和鄂尔多斯盆地铀矿床流体包裹体温度分别介于73～93℃(平均85℃)、64～117℃(平均85℃)和50～125℃(平均103℃)之间，而钱家店铀矿床流体包裹体温度介于87～160℃之间，平均为131℃，高于西北各矿区成矿流体温度；伊犁矿区、吐哈矿区和东胜矿区盐度分别介于5.3～7.5wt%之间，7.0～9.7wt%之间和0.6～4.2wt%之间，而钱家店铀矿床流体包裹体盐度介于12.9～22.38wt%之间，平均为17.52wt%，远高于西北各矿区成矿流体盐度。这种显著差异的成矿流体性质表明钱家店铀矿床不同于经典的单一层间氧化流体成因的铀矿，属非典型层间氧化带型铀矿床。