柴北缘冷湖砂岩型铀矿铀矿物赋存特征及成因机制

2022-02-17王善博俞礽安程银行滕雪明

岩石矿物学杂志 2022年1期

张超，王善博，俞礽安，程银行，奥琮，滕雪明，冯平，于航

(1. 中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170； 2. 四川省核工业地质局二八三大队，四川达州 635000)

砂岩型铀矿因其规模大、埋藏浅、开采成本相对较低等特点成为近年来具有重要经济及工业价值的铀矿类型(陈祖伊， 2002；陈戴生等， 2003；张金带等， 2008；焦养泉等， 2015；冯晓曦等， 2019；魏佳林等， 2019；肖志斌等， 2020；张超等， 2020a)。伴随着开采技术的不断革新及先进找矿理论的提出，在我国内蒙古及新疆等地陆续发现一批大型、超大型砂岩型铀矿床(Fengetal.， 2017；金若时等， 2017； Hanetal.， 2018；程银行等， 2020；刘波等， 2020；俞礽安等， 2020；张超等， 2020b， 2021a；司庆红等， 2021；汤超等， 2021；王善博等， 2021)。前人对我国西北砂岩型铀矿铀赋存特征进行了初步研究(权志高等， 2012； Yangetal., 2015；程银行等， 2020； Wangetal., 2021)，认为伊犁盆地蒙其古尔铀矿主要为沥青铀矿，铀石较少，矿物主要赋存在长石或石英等颗粒边缘，与有机质及黄铁矿等关系密切(张鑫等， 2015；丁波等， 2019)；鄂尔多斯盆地东胜地区铀矿物主要为水硅铀矿和铀石，沥青铀矿较少(杨晓勇等， 2009；易超等， 2018)；巴音戈壁、二连、吐哈盆地铀矿物以少量铀石以及部分沥青铀矿赋存于其他矿物颗粒边缘(陈路路等， 2017)。

柴达木盆地是一个典型的多能源中、新生代沉积盆地，蕴含丰富的钾盐、煤、石油、天然气、芒硝及铀等多种矿产资源。前人认为侏罗系在柴北缘边缘造山带及沉降带均有分布，下侏罗统形成于伸展环境，上侏罗统以粗碎屑沉积为主，中下侏罗统以湖相含煤岩系为主，柴西北缘花土沟地区砂岩孔隙度及渗透系数较大，其中狮子沟组因富含黄铁矿等还原性物质，具有砂岩型铀矿成矿地质条件。

在柴达木盆地北缘中下侏罗统含煤碎屑岩建造中发现一批砂岩型铀矿点及异常点(陈贵华， 2001；刘林， 2008；权志高等， 2014)，但铀矿找矿工作至今未取得重大突破，其关键地质问题是铀矿物赋存特征及铀成矿作用。笔者在前人研究基础上，通过对冷湖地区铀矿区进行野外钻孔岩心编录、系统采样等工作，选取典型铀矿物作为主要研究对象，通过矿相学、电子探针及背散射电子成像等工作，对该地区铀矿物类型、成分特征及赋存形式进行研究，以期查明不同铀矿物存在形式、与其他矿物之间的关系、铀矿物形成期次及成矿环境，进而分析铀成矿机制，为该地区进一步铀矿找矿提供地质依据。

1 区域地质概况

柴达木盆地位于青藏高原东北缘(图1a)，在印支期由于特提斯洋壳向古欧亚大陆的不断俯冲，导致俯冲带后的走滑拉张，后期受喜山期构造运动影响形成大型内陆断坳盆地(黄汉纯等， 1989；刘永乐等， 2018；陈敏等， 2020；庄玉军等， 2020；张超等， 2021b)。柴北缘铀矿带主要分布于前寒武纪及中生代地层，砂岩型铀矿异常点主要分布于冷湖、德令哈、绿草山及北大滩地区(傅成铭， 2009)，其中冷湖地区位于柴北缘西北部，冷湖镇西北约10 km处。中生代以来经历南祁连和阿尔金多期性质不同的构造运动，形成复杂断裂系统，同时区内发育一系列断褶构造，控制区内侏罗系及白垩系分布。

图 1 青藏高原及邻区大地构造简图(a，据张超等， 2020a)和冷湖地区地质简图(b)Fig. 1 Simplified geological map of Tibetan Plateau (a, after Zhang Chao et al., 2020a) and Lenghu area(b)

区内地层从老到新依次为下元古界达肯达坂群(Pt1dk)、下侏罗统小煤沟组(J1x)、古新统-始新统路乐河组(E1-2l)、中新统上干柴沟组(N1g)、上新统油砂山组(N2y)、更新统洪积物(Q3pl)及全新世盐湖化学堆积物(Q42ch)，其中下元古界达肯达坂群(Pt1dk)仅在小孤山和小红山附近出露，岩性主要由石英云母片岩及花岗片麻岩组成; 下侏罗统小煤沟组(J1x)为区域内主要含铀层位，总体走向呈北西-南东向，倾向南西，条带状展布，主要为浅灰、绿黄、灰白色碎屑岩，局部夹灰黑色碳质泥岩、泥质粉砂岩和薄煤层，东部埋藏较浅，西部较深；古新统-始新统路乐河组(E1-2l)以棕红色粗碎屑岩为主，由砂岩、泥岩及砾岩混杂堆积而成，发育有灰色碳质泥岩，与下伏小煤沟组呈不整合接触，为生油层；中新统上干柴沟组(N1g)以灰绿、黄绿色厚层状砂岩为主，夹紫红、棕灰色泥灰岩及泥质粉砂岩，其中泥灰岩夹层较稳定；上新统油砂山组(N2y)上部为灰色细粒长石石英砂岩与砾岩互层，中部为灰白色长石石英砂岩及泥质粉砂岩夹少量砾岩，自下而上碎屑物由细变粗，与下伏上干柴沟组呈整合接触；区域内第四系(Q)发育较广泛，主要由盐湖沼泽及冲洪积砂砾岩堆积而成。其中下侏罗统较发育，局部受到褶皱和断裂构造破坏，其西山组泥岩是良好的烃源岩，上部小煤沟组砂岩为铀矿物良好的储集层。

冷湖地区在中生代晚期发生大规模隆升构造运动，侏罗系遭到剥蚀，断裂发育，致使对其含铀岩系研究的困难程度增大(付锁堂， 2009)。研究区构造主体方向为NW-NWW，发育F1、F2、F3、F4及F6五条断裂，本文研究的工业矿体分布在F4断裂南部(图1b)， F1位于小红山与第四系风积沉积之间，走向北西，倾向北东，为推测逆断层； F2为呼北断裂、F3为呼南断裂，两者近乎平行分布； F4为F5断裂的分支， F2、F3、F4三个断裂走向、倾向与F1断裂几乎一致，其中F2为正断层， F3、F4为逆断层， F6断裂走向NNE，与F2、F3、F4相交。

2 含铀矿目的层特征

按照产出地质背景及成因机制，冷湖铀矿床属于层间氧化带型中的古层间氧化带亚型。喜山期构造运动对古层间氧化带进行了强烈改造。冷湖铀矿化位于褶皱翼部，铀矿体及层间氧化带受褶皱和构造双重控制，属于褶-断保存型(权志高等， 2012)。冷湖地区下侏罗统由于受气候和构造影响，小煤沟组植物化石丰富，发育一套湖泊-三角洲-河流相巨厚灰色含煤碎屑沉积，岩性主要为灰黑色富含有机质煤及碎屑沉积的中细粒石英岩屑砂岩、砂质泥岩、页岩等，单层砂体发育且厚度不大，具有泥-砂-泥互层沉积结构，具有形成铀矿环境基础，有利于含铀含氧水大量富集形成层间氧化带，所以小煤沟组是该区砂岩型铀矿找矿主要目的层之一。

对冷湖铀矿床3个工业铀矿孔(ZK001、ZK014、ZK028)进行了岩相学及矿物分析，其中ZK001见多层铀异常，产于灰黑色碳质砂岩、灰色粗砂岩和煤层中； ZK014见2层铀异常，产于灰黑色碳质砂岩、灰色含砾中砂岩中，岩石疏松，透水性好，顶板为灰黑色含砾中砂岩，岩石致密，渗透性差；底板为绿灰色中砂岩，岩石弱固结，渗透性差； ZK028见1层铀异常，发育在灰黑色碳质砂岩中，顶板为红褐色中砂岩，岩石致密；底板为灰色中砂岩，岩石弱固结； 3个钻孔铀异常均产于下侏罗统小煤沟组中(图2)。

图 2 冷湖铀矿床钻孔连井剖面图Fig. 2 Profile of bore-well of uranium deposit in Lenghu area1—古近系路乐河组； 2—下侏罗统小煤沟组； 3—砂砾岩； 4—含泥砾砂岩； 5—含砾粗砂岩； 6—粗砂岩； 7—中砂岩； 8—细砂岩； 9—碳质砂岩； 10—泥质砾岩； 11—粉砂岩； 12—炭屑泥岩； 13—泥岩； 14—煤层； 15—不整合界线； 16—采样位置1—Paleogene Lulehe Formation； 2—Jurassic Xiaomeigou Formation； 3—glutenite； 4—sandstone contain mudstone and conglomerate； 5—gravelly grit； 6—coarse sandstone； 7—medium sandstone； 8—fine sandstone； 9—carbonaceous sandstone； 10—argillaceous conglomerate； 11—siltstone； 12—carbonaceous mudstone； 13—mudstone； 14—coal seam； 15—unconformity boundary； 16—sampling position

冷湖地区小煤沟组矿石类型按产出的主岩可分为杂砂岩型及碳质砂岩型两种矿石类型： ① 杂砂岩型矿石，主要由陆源碎屑和填隙物组成，中细粒杂砂状结构，块状构造；主要为基底式胶结；岩石碎屑中的部分长石发生黏土化，黑云母发生不同程度的水黑云母化、蛭石化(图3a、3b)； ② 碳质砂岩型矿石，主要由碎屑物、碳质和泥质组成，含碳质杂砂状结构，块状构造，胶结物为粘土矿物。炭屑呈细纹层状产出，局部与黑云母、方解石细脉连生在一起，受后期挤压及拉伸作用，炭屑及与炭屑相关矿物整体变形，炭屑呈长条状，内部形成一系列平行排列炭屑胞腔，胞腔内常有黄铁矿充填(图3c、3d)。区内的矿化蚀变有碳酸盐化、黄铁矿化等。碳酸盐化蚀变作用在下侏罗统小煤沟组上部发育，尤其是含矿层灰黑色杂砂岩中较为常见。黄铁矿化蚀变作用在下侏罗统小煤沟组上部普遍发育，特别是矿石中均见到黄铁矿。

图 3 冷湖地区小煤沟组含矿样品正交偏光显微照片Fig. 3 Microphotographs under crossed nicols of ore-bearing samples of Xiaomeigou Formation in Lenghu areaa—含粗粒质中细粒岩屑杂砂岩， ZK028(294.4 m)； b—细粒岩屑杂砂岩， ZK001(305.0 m)； c—碳质粉砂质泥岩， ZK028(315.1 m)； d—含碳质不等粒砂质泥岩， ZK001(308.6 m)； Cal—方解石； Qtz—石英； Pl—斜长石； Bt—黑云母； C—炭屑； Py—黄铁矿a—coarse-grained fine-grained lithic sandstones, ZK028(294.4 m)； b—fine-grained lithic miscellaneous sandstone, ZK001(305.0 m)； c—carbonaceous silty mudstone，ZK028(315.1 m)； d—carbonaceous unequal sandy mudstone，ZK001(308.6 m)； Cal—calcite； Qtz—quartz； Pl—plagioclase； Bt—biotite； C—carbo； Py—pyrite

结合冷湖三号地区钻孔岩心取样分析、测井资料和地震资料的综合研究，对3个剖面的岩石学特征、沉积构造特征等典型相标志分析，认为工作区下侏罗统小煤沟组沉积岩系属于河流-三角洲-湖泊相(表1)。

表 1 冷湖地区小煤沟组沉积相、亚相和微相划分Table 1 Division of sedimentary facies, sub-facies and micro-facies of Xiaomeigou Formation in Lenghu area

下侏罗统小煤沟组总体上为一套河流沼泽相含煤粗碎屑沉积。地震勘探结果表明冷湖三号地区下侏罗统小煤沟组沉积时期主要发育三凸两凹的古构造格局，区内发育北东向、北西向及南东向三大物源剥蚀区，沉积沉降中心主要位于盆地北中缘(图4)。研究区3个钻孔中砂岩砂体的自然伽玛均呈明显的箱形、钟形、漏斗形等特征，且锯齿化不明显(图2)，反映砂体杂基含量低的特点，具有河道心滩、辫状河河漫滩微相特征。

图 4 冷湖地区早侏罗世小煤沟期沉积相展布图Fig. 4 Distribution map of sedimentary facies of Early Jurassic Xiaomeigou period in Lenghu area1—蚀源区； 2—冲积扇； 3—辫状河； 4—辫状河三角洲； 5—滨浅湖； 6—钻孔1—erosion source； 2—alluvial fan； 3—discernable river； 4—discernable river delta； 5—shallow lake； 6—bore hole

小煤沟组底部属低位体系域的辫状河、辫状河三角洲、滨湖、浅湖相沉积；中部为湖侵体系域的半深湖-深湖相沉积；顶部为辫状河、辫状河三角洲、滨湖、浅湖相沉积，以灰白色砾岩为主，岩石搬运距离较短，水动力条件较强，颗粒磨圆度以次棱角状-棱角状为主、分选中等，颗粒支撑，填隙物含量少。

3 研究手段及方法

对3个典型工业钻孔进行全孔地质编录，详细观察3个钻孔岩相学和矿物蚀变差异，利用岩心γ+β编录仪对岩心进行编录并确定铀含矿层位，对典型含矿段进行样品采集(表2)，根据典型矿物共生组合特征磨制电子探针片，利用偏光显微镜对探针片进行观察，利用电子显微镜对不同类型含铀矿物进行背散射图像分析，分别对3种铀矿物进行微区化学成分测定，研究不同铀矿物的类型、赋存形式及其与其他矿物之间的共生组合关系。

表 2 冷湖铀矿床下侏罗统小煤沟组样品特征及采样位置Table 2 Sample characteristics and sampling location from Xiaomeigou Formation of Lower Jurassic in Lenghu uranium deposit

微区化学成分测定测试仪器为JXA-8100，方法为波谱分析，用ZAF修正，束斑直径1 μm，测试U、Si、Th、Ti、Fe、P等19种元素，测试结果见表3，测试单位为核工业北京地质研究院。

4 主要铀矿物类型及赋存形式

在镜下观察电子探针片铀矿物特征的基础上，结合电子探针数据发现冷湖铀矿床铀矿物以铀石为主,沥青铀矿次之，铀硒铅矿含量最少(表3)。

4.1 铀石特征

铀石是四价铀的硅酸盐，是以U4+和[SiO4]4-为主要成分的化合物。样品中UO2含量为39.85%～80.76%， SiO2含量为4.27%～19.41%， FeO含量为0.10%～8.50%， SO3含量为0.03%～16.90%， CaO含量为1.13%～3.94%， Al2O3含量为0.08%～3.68%，部分矿石中Y2O3含量为0.35%～10.35%，其次为K2O、MgO、TiO2、MnO等，含量均小于1%，测点UXS-2-3、UXS-7-2及UXS-7-5铀含量偏低，应该是含有FeO、Y2O3及SO3等强氧化剂成分。因铀石中含水，所以其化学总量为81.63%～97.04%(表3)。背散射显示铀石主要赋存于矿物颗粒孔隙中，无明显晶形，粒径一般介于0.01～0.05 mm之间，大部分呈似胶状、网脉状或不规则细脉状围绕草莓状黄铁矿产出或充填于黄铁矿裂隙中，少部分呈不规则粒状、微细柱状围绕碎屑石英、岩屑等矿物颗粒产出，是冷湖地区含矿砂岩铀矿物的主要产出形式(图5a、5b)。

表 3 冷湖铀矿床铀矿物电子探针分析结果wB/%Table 3 Results of electron probe analysis of uranium mineral from Lenghu uranium deposit

图 5 冷湖铀矿床铀矿物赋存形式的背散射图像Fig. 5 BSE images of occurrence forms of uranium minerals of Lenghu deposit a—铀石(Cf)围绕草莓状黄铁矿(Py)产出； b—铀石(Cf)围绕石英(Qtz)产出； c—沥青铀矿(Ph)围绕黄铁矿(Py)产出； d—含铀硒铅矿(PbSe)； Ph—沥青铀矿； Cf—铀石； Py—黄铁矿； Qtz—石英； PbSe—硒铅矿a—uraninite occurs around strawberry-shaped pyrite； b—uraninite occurs around quartz； c—pitchblende occurs around strawberry-shaped pyrite； d—selenite which contain selenite; Ph—pitchblende； Cf—uranite； Py—pyrite； Qtz—quartz； PbSe—selenite

为了较好地分析冷湖铀矿床铀石的化学成分特征，将我国北方典型砂岩型铀矿床铀石与冷湖铀矿床铀石主要元素含量进行了对比(表4、图6)，结果显示，冷湖铀矿床铀石P、Y元素含量分为低磷低钇和高磷高钇两种类型，与鄂尔多斯盆地纳岭沟地区(陈路路等， 2017)及伊犁盆地蒙其古尔地区(黄广文等， 2017)铀矿床铀石具有相似的化学成分特征，其中冷湖铀矿床钛的氧化物含量非常低，推测其钛铁矿等矿物可能受到后期流体强烈的蚀变改造作用。

4.2 沥青铀矿特征

沥青铀矿是U4+和U6+以不同比例组成的简单氧化物。样品中UO2含量一般为48.33%～84.82%， SiO2含量为0.49%～9.38%， FeO含量为0.25%～3.76%， CaO含量为0.09%～3.90%， K2O含量为0.16%～2.69%， Al2O3含量为0.02%～1.19%，部分矿石中ThO2含量为2.57%～9.86%， PbO含量为0.11%～8.63%， MgO、TiO2、MnO、Y2O3等含量均小于1%(表3)。沥青铀矿呈不规则锯齿状围绕黄铁矿产出，与铀石相比颜色更亮，为原铀矿物的蚀变残留，无明显晶形，粒径一般介于0.005～0.01 mm之间(图5c)。

4.3 硒铅矿特征

硒铅矿化学式为PbSe，伴随着铀矿物产出。样品中主要成分UO2含量为15.03%～23.08%， PbO含量为40.43%～50.79%， SeO2含量为17.90%～22.04%， SiO2含量为2.49%～3.93%， P2O5含量为0.81%～1.20%， SO3含量为1.12%～1.39%， Na2O、K2O、FeO、Al2O3等成分含量均小于1%(表3)。硒铅矿呈不规则集合体产出，局部较破碎，可能因破碎部位易吸附U或类质同像而富集铀矿物，无明显晶形，集合体粒径介于0.02～0.04 mm之间，在冷湖地区含矿砂岩铀矿物中含量较少(图5d)。

表 4 我国北方典型砂岩型铀矿床铀石主要元素含量统计表wB/%Table 4 Major elements compositions of the uranite from typical sandstone-hosted uranium deposits in northern China

图 6 北方砂岩型铀矿铀石主要元素含量对比图Fig. 6 A diagram for comparing major elements of uranite in the north sandstone-hosted uranium deposits

5 地质意义及讨论

通过对典型矿物电子探针分析测试，发现冷湖铀矿床主要铀矿物为铀石和沥青铀矿，其次为含铀硒铅矿。研究发现，相对于沥青铀矿和硒铅矿，铀石矿物中元素Y含量较高。铀石中UO2含量平均约60.80%， SiO2含量平均约11.10%， TiO2介于0～0.79%之间， Y2O3含量介于0～10.35%之间，大部分介于4.54%～10.35%之间(表3)，而沥青铀矿中元素Y含量小于1%，硒铅矿中元素Y含量小于2%，两者Y元素含量明显小于铀石中含量。马晔等(2013) 认为铀石中Y元素含量高与成矿后期携带Y元素的热液从构造裂隙进入铀异常区与铀石发生反应有关。陈祖伊等(2010)认为层间氧化带前锋区Y元素的迁移受pH值和Eh值地球化学障影响，以碳酸或硫酸络合物形式迁移，在铀矿富矿体区域富集(图7b)。鉴于此，笔者认为冷湖铀矿床中铀石、沥青铀矿及硒铅矿3种铀矿物存在高Y型和低Y型两种类型(图7a)是由Y2O3含量不同的两期成矿流体所致。

图 7 冷湖地区小煤沟组Y2O3含量分布图(a)和中亚地区不同铀矿床Y元素含量统计图(b，据陈路路等， 2017)Fig. 7 Distribution map of Y2O3 content in Xiaomeigou Formation in Lenghu area(a) and statistics of Y element content from different uranium deposits in Central Asia(b， after Chen Lulu et al., 2017)

电子探针分析结果表明沥青铀矿中UO2平均含量为60.80%， SiO2平均含量为11.10%。铀石矿物中UO2含量与Y2O3含量呈负相关关系，其中Y2O3含量小于5%的铀石中UO2含量均大于60%，沥青铀矿和硒铅矿中Y2O3含量较少，与UO2含量无明显相关关系，结合所研究部分铀矿物成分中不含元素Y及陈祖伊等(2010)关于Y元素易于在铀矿富矿体区域富集的认识，推测冷湖矿床铀元素为原铀矿物残留，该地区富铀岩系经历多期流体改造作用(图3b)且后期流体中Y元素含量很低或不含Y元素。

3种铀矿物呈微细柱状、似胶状、不规则锯齿状或集合体分布于石英、长石等岩屑颗粒之间或蚀变矿物解理缝隙中(图5)。该地区铀矿物与黄铁矿及有机质密切共生，其中很多铀石、沥青铀矿等铀矿物围绕黄铁矿产出，两者之间界限清晰(图5a、5c)。围岩中黑云母、磁铁矿、赤铁矿等矿物经过后期富氧含铀流体蚀变，成矿流体作用携带的U6+以铀石、沥青铀矿或硒铅矿等矿物形式呈透镜状集合体在解理缝隙中沉淀或者吸附在黏土矿物的解理面上，其中复杂的还原-沉淀-吸附作用是铀矿物产于矿物颗粒间及被蚀变矿物解理缝隙中的主要模式。

黄铁矿为岩石中常见的金属矿物，有五角十二面体状黄铁矿、立方体状黄铁矿、它形粒状黄铁矿和草莓状黄铁矿等。冷湖地区下侏罗统小煤沟组含矿层砂岩富含有机炭和黄铁矿，反映其处于氧逸度低的还原环境，成矿流体中U、SiO2在该环境下发生沉淀，形成铀矿富集区。

观察研究区下侏罗统小煤沟组岩心发现大量高岭土化蚀变矿物，局部可见黄铁矿团块及方解石脉切穿砾石现象(图3b)，反映后期流体的作用。铀矿物富集成矿经历了成矿物质从源区溶解-迁移-沉淀(富集)的过程。综合岩心、显微镜下观察和背散射图像、铀矿物存在高Y与低Y两种类型及Y2O3化学特征分析，认为该地区铀矿是多期成矿流体作用的产物。

前人研究证明，柴北缘砂岩型铀矿主成矿期在25 Ma左右，找矿类型以古层间氧化带型为主(王夏涛等， 2008)，柴北缘中生代晚期及新生代地层分布范围较广，埋藏深度适中，处于基底较平缓的斜坡带，补-径-排系统完善，具有较好的水文地质条件；小煤沟组砂泥互层且单层砂体厚度适中，为富含有机质的碎屑沉积，具备多物源、堆积快等特点，属原生黑色岩系，具有形成砂岩型铀矿的物质基础；柴北缘北大滩、鱼卡等地也发现砂岩型铀矿体产出，赛什腾山及安南坝山为柴北缘新生代盖层主要蚀源区，岩性主要为花岗岩、海西期二长花岗岩及达肯达坂群片岩及片麻岩，因其铀含量整体较高被认为是该地区典型含铀建造，同时柴北缘新生代地层本身铀含量相对较高，表明成矿源岩在风化、搬运过程中不断有活化铀析出，在一定的地质条件下在适当位置富集成矿形成工业铀矿体。