鄂尔多斯盆地南缘彬州地区直罗组岩石地球化学与铀富集特征*

2022-01-17魏安军郝关清赵天林尹永朋

现代矿业 2021年12期

魏安军郝关清赵天林尹永朋

（中陕核工业集团地质调查院有限公司）

鄂尔多斯南缘铀成矿带是近年来研究的重要区域，围绕黄陵—宜君—旬邑—彬州一带开展了大量铀矿勘查工作，已发现了双龙铀矿床等一系列矿床（点），揭示了该成矿带具有一定成矿潜力［1-2］。大量的研究工作主要围绕黄陵地区开展，对直罗组下段的铀矿地质特征、富集规律等方面进行了大量研究［3-6］，对成矿带的西部彬州一带研究相对薄弱。本研究在该地区开展“煤铀兼探”工作基础上，从彬州地区直罗组下段发现的铀矿化信息出发，结合含铀岩系地层岩石学矿物学特征、化学蚀变指数及环境地化指标等，对该地区铀储层特征及铀富集规律进行综合研究，为后续勘查研究工作提供依据。

1 研究区地质背景

鄂尔多斯盆地是我国大型的中新生代叠合盆地，也是重要的能源基地［7］。研究区位于盆地的东南缘，处于渭北隆起与陕北斜坡的过渡部位。地层整体走向北东，向西北缓倾［8-9］。构造较简单，以褶皱变形为主，断裂不发育，侏罗系、白垩系、三叠系地层均受到褶皱构造的影响［10］。通过钻孔揭露地层从上至下分别为第四系、新近系、华池环河组、洛河组、宜君组、直罗组以及延安组。第四系在区内分布广泛，其余地层出露极少（图1）。

2 样品分析方法与结果

本次研究工作的主要内容为探究直罗组铀储层物质组成、古气候特征以及铀元素富集规律。采集直罗组铀储层的岩芯样品，通过薄片观察查明岩石矿物、胶结物组成；利用全岩主量元素分析计算化学蚀变指数（CIA）来判断岩石沉积过程中的古气候特征。在充分对比铀储层中矿层与围岩环境地化指标的基础上，分析铀与有机质、S、CO32-等指示元素的相关性，进而判断该地区铀富集过程中规律与特征。

本次研究的样品采集自鄂尔多斯盆地南缘彬州地区的铀矿调查钻孔岩心。样品全部取自直罗组下段目的层砂岩中的矿石与围岩。采集目的层砂体样品9件进行主量元素分析，以及部分薄片鉴定样品。采集矿石样品14件，围岩样品25件进行环境地化分析。主量元素全分析在核工业二〇三研究所分析测试中心完成，采用Axios X射线光谱仪测定。环境地化分析与薄片鉴定在中陕核工业集团综合分析测试中心完成，分别采用iCAPQ型电感耦合等离子体质谱仪、ICAP6300型电感耦合等离子体发射光谱仪、TOC-L型总有机碳分析仪、G5CriusHF型碳硫分析仪以及透反射偏光显微镜分别测定。

3 分析结果与讨论

3.1 矿层岩石学特征

直罗组下段为一套辫状河沉积形成的灰色、灰绿色砂体［5］，砂岩粒度为细粒—粗粒，由碎屑和填隙物组成，其中碎屑约占70%～90%，主要由石英长石组成，其次为岩屑、黑云母等，次棱角～次圆状（图2）。本次对岩石类型判断采用朱筱敏［11］提出的判别图解，在统计碎屑矿物组成的基础上，根据石英、长石、岩屑的比例在图解中进行投影（图3），由投影结果可知，数据点主要落在长石质石英砂岩的范围内，其次为长石岩屑质石英砂岩。表明铀储层岩性以长石质石英砂岩与长石岩屑质石英砂岩为主，具有近物源沉积的特征。

薄片镜下观察可见石英颗粒呈无色，部分石英具有次生加大边。长石主要由斜长石、条纹长石和微斜长石组成，以斜长石居多，可见聚片双晶。黑云母为片状，薄片下呈淡褐—淡绿色，多色性明显，部分片晶在压实作用下成弯曲形态。岩屑的主要成分为石英岩。岩石的胶结方式以孔隙式胶结为主。填隙物的主要成分为钙质、铁质和绿泥石。钙质为方解石，充填在碎屑颗粒之间，部分结晶程度较高；绿泥石呈微片状；铁质充填在碎屑颗粒之间形成胶状，部分铁质矿物发生褐铁矿化（图4）。反映了灰色、灰绿色砂岩中存在后生氧化流体的改造，代表了层间氧化成矿作用的发生。

3.2 矿层沉积古气候特征

碎屑岩的化学组成主要继承于源区，受到源区性质、风化、搬运等因素的影响［12-13］。化学蚀变指数CIA（式（1））可反映物源区的风化程度，进而判断碎屑岩沉积形成期的气候条件。较高的CIA值反映了温暖、潮湿气候下相对较强的风化程度；反之则为寒冷、干燥气候下的弱风化程度。Fedo等［14］总结得出，CIA=50～60反映了寒冷、干燥气候下弱的风化程度；CIA=60～80反映了温暖、湿润气候下中等风化程度；CIA=80～100反映了炎热、潮湿气候下强烈风化程度［14］。

式中，各组分含量中的n均表示物质的摩尔数；CaO*为硅酸盐中的CaO含量。

在计算化学蚀变指数CIA之前，首先要考虑沉积再旋回作用的影响，判断样品是否适合计算。再旋回的母岩物质在经历二次风化后，不能准确地反映源区风化程度及古气候［15］。Cox等［16］提出的成分变异指数ICV用来判断物源区物质是否经历了再旋回作用。成分变异指数ICV的计算公式如下［16］。

式中，各组分含量中的n均表示物质的摩尔数。

ICV＜1，说明样品中含有较高的黏土组分，代表可能经历了再旋回作用或首次沉积后遭受了强烈的风化。ICV＞1，说明含有较高的硅酸盐矿物，属于构造背景下的首期沉积［17］。本次样品的ICV值介于1.044～1.990，平均为1.482，ICV值均＞1，不存在再旋回作用的影响，可用于CIA的计算。

CIA的计算中还需要考虑成岩作用过程中钾交代作用会代入新的钾元素，而导致计算结果偏低。因此计算的CIA值需要进行钾交代作用的修正才能得到准确的值。本次采用A-CN-K组分的三角图解（图5）修正钾交代作用［19］，图中①代表了理论风化趋势，即没有发生钾交代作用的变化范围。本次样品均偏离了理论趋势线，大致沿着②演化。修正后的CIA*值的范围介于③～④，一部分样品落在了⑤～⑥，代表了温暖潮湿气候下的中等风化强度，另一部分则落在⑥以上，代表了炎热、潮湿气候下强分化作用。整体反映了由温暖潮湿向炎热潮湿过渡的特征。

最终计算得到化学蚀变指数CIA介于72.9～84.9，平均为78.6（图5）。其中5个样品的CIA值介于72.9～76.5，平均为74.6（处于60～80），反映了温暖、湿润气候下中等风化作用；4个样品的CIA值＞80（处于81.4～84.9，平均83.3），反映了炎热、潮湿气候下强烈风化作用。直罗组下段目的层整体形成于温暖潮湿气候之下，古气候逐步向炎热、潮湿变化的趋势已初步显现出来，进而向直罗组沉积晚期炎热、干旱的沉积环境转变。

3.3 铀与环境地化指标相关性

层间氧化砂岩型铀成矿为次生成矿作用，由含铀含氧的流体通过补给区进入原生还原地层中，与地层发生岩水反应，消耗地层中的还原物质，进而导致铀的还原、卸载、富集。铀元素丰度与环境地化指标的相关性，间接反映了铀富集过程与还原剂矿物的关系。通过采集目的层砂体矿层与围岩样品，对铀及环境地化指标分析，进而研究铀成矿过程中的富集规律。

3.3.1 铀与有机碳特征

矿层中有机碳含量在0.01%～0.84%，平均为0.17%；围岩中有机碳含量在0.01%～0.46%，平均为0.12%。矿层与围岩中有机碳含量相差较小，且整体偏低，与原生沉积富集作用和次生氧化带发育过程中对有机质的消耗有关。矿层中有机碳含量略高于围岩，并且与铀呈正相关，而在围岩中有机碳与铀的变化无明显相关性，这一现象在高品位矿石中尤为明显，而中低品位矿石中则变化较大（图6）。表明了含矿层中有机碳对铀的富集作用起到了重要作用，但并不是铀富集的主要因素。

3.3.2 铀与全S特征

矿层中全S的含量在0.13%～3.21%，平均为1.00%；围岩中全S含量在0.034%～1.66%，平均为0.65%。矿层中硫含量偏高，与黄铁矿的局部富集有关（图7）。全S在矿层与围岩中的表现与有机碳相似，矿层中全S与铀呈较强的正相关，在各品位矿石中均表现一致。地层中的硫主要以硫酸盐与硫化物的形式存在，通过观察发现目的层中黄铁矿分布较广泛，是硫的主要赋存形式，因此，全S的表现特征间接代表了地层中黄铁矿的特征。因此，认为在铀的富集过程中黄铁矿起到了重要的还原作用，是铀富集的最主要影响因素。