鄂尔多斯盆地西南缘砂岩型铀矿含矿目的层——洛河组砂岩的沉积物源特征

张翔，胡永兴，杨涛，胡妍，柳永刚，欧扬剑

（1.甘肃省地质调查院，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省地质勘查基金管理中心，甘肃 兰州 730000）

近年来，我国核能开发的飞速发展使得铀资源需求日益增大。自20 世纪80 年代开始，伴随着地浸采铀技术的突破［1］，我国铀矿勘探重点已逐渐由南方的“硬岩型”向北方可地浸的“砂岩型”转变［2］，其中，鄂尔多斯盆地便是我国北方的重要砂岩型铀矿产地之一。

鄂尔多斯盆地北部毗邻内蒙-大兴安岭褶皱带，南接秦岭-祁连山褶皱带，东连山西地块，西与阿拉善地块相接，属多构造发育叠合盆地［3］，煤炭、油气与铀矿等能源矿产极为富集。近年来，依托盆地煤、油气等勘探成果，相继在盆地多处发现大型砂岩型铀矿床［4-7］，且基于盆地不同赋矿层位与成矿模式，在砂岩型铀矿找矿创新驱动下，盆地铀矿勘探与成矿理论研究取得显著成果。目前，鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿找矿目的层主要以侏罗系和白垩系为主，且伴随着在盆地北部中侏罗统直罗组、延安组中的重大找矿发现，相关学者对于其赋矿层位做了诸多研究，建立了相应的砂岩型铀成矿机制［8-16］。近年来，甘肃省地质调查院完成了甘肃省科技重大专项“陇东地区砂岩型铀矿成矿规律研究”、中国地质调查局天津地质调查中心委托甘肃省地质调查院实施“甘肃省鄂尔多斯盆地南缘泾川一带铀矿地质调查”等项目，通过钻孔验证在盆地西南缘白垩系洛河组中发现多个铀工业孔，表明盆地西南缘白垩系洛河组具备良好的砂岩型铀成矿条件与成矿潜力［17-20］。

沉积物源研究对于砂岩型铀矿铀源追索、铀迁移及富集规律研究尤为重要，并可进一步为铀矿勘探提供理论依据。朱欣然等［21］通过对洛河组风成砂岩中常量元素、稀土元素含量分析，确定洛河组风成砂岩物源区为被动大陆边缘构造背景占主导地位的再旋回造山带；陈岳龙等［22］采集盆地周缘岩石进行锆石U-Pb 年龄测定及Hf同位素实验方法，联合分析研究盆缘构造单元之间不同的演化历史，从而进一步反演盆地物源方向与各构造之间的关系；程先钰等［23］对比分析盆地西南部洛河组下段含铀砂岩碎屑锆石U-Pb 年龄结果，研究盆地西南缘洛河组下段赋矿砂体主要物源来源，探讨含铀地层物质来源与其构造联系；李向平［24］针对西南缘中生代构造格架与物源环境关系，联合采用锆石测年、磷灰石裂变径迹和构造岩石地球化学等分析方法，厘清构造演化阶段沉积物源-环境与构造的相关关系，综合研究了鄂尔多斯盆地西南缘中生代的沉积物源-环境及沉积-构造响应特征及两者之间的地质关联性。总体而言，前人对鄂尔多斯盆地西南缘洛河组地球化学特征、构造演化等进行了较多研究，但对于洛河组沉积环境-物源方面的研究相对较少，而这是近年来洛河组中找矿突破理论认识的基础，因此具有重要的研究意义。

本文针对盆地西南缘洛河组沉积物来源，选取区内4 个见矿钻孔岩心砂岩样品，开展碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb 测年，进行洛河组物源示踪，并结合区内岩相组合、构造条件及重矿物组合分析结果，判断物源区母岩类型，推断洛河组沉积物的物源方向，综合探讨盆地西南缘洛河组沉积物源特征，为该区铀矿找矿提供支持。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地地处华北地块西部，具有双重基底的大型叠合盆地，盆地基底由前寒武世老变质岩系组成［3］。晚白垩世以来，盆地在改造期内部构造活动较弱，盆地边缘活动较强［25］。最终形成一坳（天环坳陷）、一坡（陕北斜坡）、两隆（伊盟隆起、渭北隆起）和两带（西缘冲断构造带和晋西挠褶带）的构造格局。研究区主体位于天环坳陷，西侧位于西缘冲断带（图1a）。

图1 研究区大地构造位置（a）、区域地质简图（b）及ZK07 号钻孔铀矿段柱状图（c）Fig.1 Tectonic location（a），regional geological map（b）of the research area and the lithological column of ZK07（c）

根据钻孔岩心可知，研究区内发育的地层由老至新依次为中侏罗统延安组（J2y）、直罗组（J2z）含煤碎屑岩和安定组（J2a）湖泊相泥岩层段、下白垩统洛河组（K1l）沙漠相砂岩及冲积扇亚相砂砾岩、环河华池组（K1h）湖泊相泥岩和泥质粉砂岩、罗汉洞组（K1lh）沙漠相砂岩及泾川组（K1jc）河湖相细粉砂岩和泥岩、新近系干河沟组（N2g）及第四系。含铀砂体为风成沙漠相沉积，砂体厚度大、渗透性好，主要岩性由灰色、浅灰绿色、浅红色中细砂岩和灰色复成分砾岩等组成，铀矿化主要位于绿灰色、灰绿色中细砂及砾岩中（图1c）。

通过施工完成的9个钻孔（图1b），间距为5～12 km 不等，其中5 个为工业铀矿孔（铀品位大于0.01%，平米铀量大于2.0 kg/m2），4个为铀矿化孔。矿体埋深在790～1 420 m之间，厚度在9.1～16.3 m之间。铀矿体主要有砾岩型和中细粒砂岩型，其中砾岩型铀矿体（ZK01）位于研究区西侧，受冲积扇沉积相控制；根据对各钻孔岩心编录和分层对比，中细粒砂岩型铀矿体在洛河组上部（ZK03）、中部（ZK02、ZK07）及下部（SD01）均有分布［26-27］。

2 样品测试分析方法

2.1 碎屑锆石U-Pb 定年

本次碎屑锆石U-Pb 测年样品分别采自于施工完成的钻孔岩心，选取4 个工业铀矿孔含矿岩心采取全岩锆石样品（图1b），岩性为绿灰色中细砂岩、浅灰色中细砂岩。

本次研究锆石制靶由河北省地质测绘院完成，首先将岩心样品进行无污染处理，碎样过80目筛，采用浮选、电磁选及磁选方法遴选出锆石矿物颗粒；然后在双目镜下随机选取且整齐放置于双面胶之上，并对其灌注环氧树脂进行锆石靶。锆石阴极发光图像（CL）采集以及LA-ICP-MS 锆石U-Pb 定年相关测试分析均在中国地质调查局天津地质调查中心同位素实验室进行，将抛光处理后的锆石样品靶进行阴极发光（CL）图像采集，获取锆石镜下存在形态与内在结构，从而进一步选取实验锆石颗粒及分析激光剥蚀测点位置；锆石激光剥蚀LA-ICP-MS 采用Geolas 200M 激光剥蚀系统与ELAN 6100DRC ICP-MS 连接测定，采用单点激光剥蚀，激光束直径为30 µm；锆石U-Pb 同位素分析以氦气作为剥蚀载气介质，样品测定中为每测定5个点以国际标准锆石91500进行一次标样测定。

2.2 重矿物组合分析

重矿物以其耐磨蚀、较稳定的物理特征，可以更好的保存母岩信息。因此作为最敏感的物源指示剂，分析岩石中重矿物组合及其特征指数可判别该矿物物源区母岩特征，推测沉积物搬运距离以及物源方向［28-29］。本次重矿物组合研究在洛河组选取4 个铀矿孔和4 个铀矿化孔（图1b），共采集49 个样品进行重矿物组合分析，其中4 个铀工业矿孔中采集27 个样品，4 个矿化孔中采集22 个样品。

重矿物组合研究由河北欣航测绘院分析完成，首先基于不同类型重矿物在镜下对其颜色、形态、大小、光泽等光学特征进行鉴定，并采用数学统计计数法量化重矿物相对含量，使其判断该矿物来源及物源区母岩特征提供理论支撑；其次针对岩石中重矿物组合及其含量在其原始风化搬运、沉积成岩过程中常因多种因素（水动力条件、化学溶蚀等）影响，分析研究重矿物指数（ATi 指数、GZi 指数、MZi 指数、ZTR 指数）特征，从而为厘定物源提供进一步证据支撑。

3 测试结果

3.1 锆石U-Pb 定年

3.1.1 锆石特征及成因

研究区洛河组4 个钻孔中选取的含矿砂岩测年样品所筛选分离出来的碎屑锆石，在镜下所呈现出的形态相似，颜色为白色透明、深灰色、棕红色及浅黄色，呈浑圆状、次浑圆状以及少部分短柱状。表面较为粗糙，磨圆度多为次圆—圆均有，少量见有次棱状，其磨圆度较高以及显著的擦痕表明该矿物经历了较长时间、距离的搬运、风化作用。

锆石CL 图像中显示（图2），大部分碎屑锆石颗粒晶型完整，小部分锆石晶型呈碎片状；锆石主要呈短柱状、次圆状形态，见有个别核-边环状结构，大小不一，锆石粒度一般在60～120 µm 之间，个别直径可达150 µm，磨圆度为次棱—次圆。基于锆石颗粒内部结构的复杂多样，其锆石所反映的地质意义也不同。从碎屑锆石CL 图像中可以看出，大部分锆石颗粒发育较多清晰的振荡型环带及板状环带，晶体自形程度较好，内部结构均匀单一，表现为典型的岩浆成因锆石。且基于锆石内部环带结构的不同，具有均匀单一环带形状、年龄较小的锆石表征为一期岩浆锆石，而环带状变化较大、年龄较大的锆石表征为多期岩浆锆石；其中核部锆石被岩浆锆石所包裹（SD01-77、ZK07Y3-54），形态结构与典型岩浆锆石差别明显，为继承或捕获锆石［30］。第二类锆石具有明显的颗粒边部窄宽相间的色带，呈现为扇形结构（SD01-5、SD01-32、ZK02Y2-59、ZK03Y2-77、ZK07Y3-46），属于变质成因锆石；其个别锆石颗粒（SD01-59、ZK03Y2-51、ZK07Y3-30）边部结构与核部锆石存在明显差异，为继承变质锆石，属于变质增生成因的产物。

图2 洛河组砂岩样品中典型碎屑锆石CL 图像Fig.2 CL images of typical detrital zircon from sandstone samples of the Luohe Formation

碎屑锆石中Th/U值大小可以用来判断该锆石的地质成因特征，从而进一步佐证CL图像结果。因此，依据研究区洛河组砂岩碎屑锆石U-Pb定年同位素分析数据，绘制锆石年龄与Th/U关系（图3）。从图中可以看出，4 个钻孔样品中Th/U 值大部分均介于0.4 之上。由锆石U-Pb 同位素统计得出，Th/U＞0.4的碎屑锆石颗粒约占总数的81.56%，表明研究区洛河组含矿砂岩样品中锆石仍以岩浆锆石为主体。Th/U＜0.1的碎屑锆石颗粒较少，约占总数的1.88%，属于变质锆石特征；而Th/U值介于0.1～0.4之间的锆石颗粒约占总数的16.56%，反映该期锆石为浅变质成因特征，表明原生岩浆锆石在后期发生不同程度上的变质改造作用。

图3 研究区砂岩样品碎屑锆石年龄与Th/U 关系图Fig.3 Relationship between detrital zircon age and Th/U of sandstone samples in the study area

3.1.2 锆石年龄组成

锆石U-Pb 年龄谱特征是分析追溯研究区洛河组砂岩物源的重要手段。但需要说明的是，鉴于地壳中238U 和235U 两种放射性元素半衰期不同且其丰度值差异较大，且锆石颗粒中207Pb 的丰度值较于206Pb 的丰度值低约20倍，致使采用207Pb 测年导致锆石U-Pb 年龄谱往往无法真实反映岩石的年龄。因此，在分析锆石U-Pb 年龄谱时，对于放射成因组分积累较少的年轻锆石（＜1 000 Ma），采用206Pb/238U年龄对应锆石所形成的时间；对于放射成因组分积累较高的年老锆石（＞1 000 Ma），选择207Pb/206Pb 代表锆石真实年龄［31-32］。

本次锆石测年4 个样品均为含矿砂岩，每个样品测试分析80 个数据点，共计分析320 个数据点。依据上述年龄分析原则，锆石U-Pb年龄所测4 组样品中共计320 个点谐和度均都符合要求，所测样品锆石年龄基本分布于谐和线上（图4）。从图4 中整体可以看出，4 组见矿钻孔砂岩样品中碎屑锆石颗粒U-Pb 谐和年龄分布特征基本一致，其年龄峰值分布具有较好的对应性，这反映出研究区洛河组见矿砂岩中碎屑锆石其物源追溯具有同源性。

图4 研究区洛河组碎屑锆石年龄协和图、直方图Fig.4 Diagram of concordant age and their histogram of detrital zircon from Luohe Formation in the study area

综合研究区洛河组砂岩样品锆石颗粒谐和年龄分布特征，按其分布范围为2 660～95 Ma（N＝320）主要分为4 组，其中第一组锆石206Pb/238U年龄范围为460～95 Ma，分布较为集中，峰值较为突出，年龄峰值分别为287 Ma、288 Ma、289 Ma、310 Ma，占总数的47%；第二组年龄范围为1 133～982 Ma，峰值为977 Ma、997 Ma、1 133 Ma，为弱峰值，占总数的3%；第三组锆石协和年龄介于2 114～1 483 Ma，峰值年龄为1 895 Ma、1 908 Ma、1 948 Ma，占总数的34%，呈较弱峰值，年龄较为分散；第四组锆石颗粒协和年龄分布于2 660～2 271 Ma，峰值年龄为2 490 Ma、2 566 Ma，占总数16%，呈较弱峰值。

3.2 重矿物分析

本次重矿物分析在研究区8 个钻孔中共采集重矿物样品49 个，样品均位于洛河组矿化砂体中，共分析鉴定出17 种重矿物类型，分别为锆石、磷灰石、金红石、锐钛矿、白钛石、重晶石、黄铁矿、石榴子石、电气石、赤褐铁矿、铬铁矿、方铅矿、黄铜矿、钛铁矿、铬尖晶石、独居石、软硬锰矿，其中方铅矿、钛铁矿、铬尖晶石、独居石、软硬锰矿只在少数样品中出现且相对含量较低，本文将不做分析。

对49 个样品中鉴定的重矿物含量进行统计分析，绘制不同钻孔重矿物百分含量分布图（图5）。从图中可以看出，研究区洛河组主要矿物（相对含量百分数＞10%）为锆石、黄铁矿、石榴子石、赤褐铁矿；次要矿物（相对含量百分数为1%～10%）为磷灰石、金红石、锐钛矿、白钛石、重晶石、电气石等。以重矿物组合的地质属性来看，以锆石＋赤褐铁矿＋磷灰石为主要矿物组合表示洛河组砂岩以中酸性岩浆岩碎屑为主，而以石榴石＋白钛石＋电气石＋锆石（变质成因）的重矿物组合反映出物源中含有部分的变质岩碎屑。根据每个钻孔重矿物含量分布特征，显示区内主要矿物以及次要矿物分布不均一，存在一定的差异性，表明洛河组砂岩中重矿物成因类型相对复杂，反映了区内洛河组沉积物源属于多源或多种母岩类型的综合影响。

图5 不同钻孔重矿物百分含量分布图Fig.5 Distribution of heavy mineral percentage in different boreholes

重矿物依据其抗风化程度与化学稳定性，可划分为不稳定重矿物、较不稳定重矿物、稳定重矿物和极稳定重矿物［29］。本次洛河组砂岩样品中鉴定出的17 种重矿物类型，其中稳定重矿物与最稳定重物含量占比最高，分别为锆石、金红石、电气石、锐钛矿、白钛石、石榴子石等；较不稳定重矿物和不稳定重矿物含量相对较少。因此，就研究区洛河组砂岩在其物源搬运过程中，均属于稳定型矿物，其砂岩成熟度相对较高。

4 讨论

研究区洛河组砂岩原始物源沉积与周围相邻山体演化活动密切相关。需要说明的是，盆地中的沉积地层，其沉积物物源来源若来自同一物源区，则其砂岩碎屑锆石年龄谱分布具一定的相似性，否则反之［33］。统计研究盆地周缘相应岩体年龄分布特征，与研究区洛河组砂岩碎屑锆石年龄谱对比分析，可为判断沉积物来源提供重要参考。

对于鄂尔多斯盆地周缘各岩体年龄谱分布特征，前人已经做了大量研究。为了确定研究区洛河组砂岩沉积物源方向，收集统计研究区周缘不同岩体的碎屑锆石U-Pb 年龄数据，其盆地周缘各岩体测年数据分别来自于北秦岭造山带［34］、北祁连山造山带［35-38］、华北克拉通北缘［22，38-44］、阿拉善地块［45］以及兴蒙造山带［46-48］，使其基本反映出鄂尔多斯盆地西南缘周缘不同物源区各岩体碎屑锆石年龄的时空展布特征（图6、7）。

图6 研究区及邻区构造简图（据雷开宇等，2017［30］）Fig.6 Simplified tectonic map of the study area and its adjacent regions（from Lei Kaiyu et al.，2017［30］）

4.1 洛河组砂岩锆石年龄谱特征及物源分析

研究区洛河组砂岩碎屑锆石中碎屑颗粒分选和磨圆度均较好，表明区内砂岩沉积物源属于远源沉积。将本次研究所测试的研究区洛河组砂岩碎屑锆石年龄谱与盆地西南缘周缘不同地区岩体年龄谱对比从中可以看出（图7），与研究区洛河组（图7a）碎屑锆石年龄分布特征最相似的是盆地北侧华北克拉通北缘（图7e），其锆石年龄值分布以及峰值年龄与研究区碎屑锆石年龄谱特征较为一致，极有可能为研究区提供沉积物源；与此同时，西北侧阿拉善-地块（图7d）在古元古代晚期、新太古代末-古元古代初期整体的年龄分布特征与研究区也有较多的可比性；而北秦岭地区（图7b）显生宙与新元古代主峰值年龄分别为470 Ma、941 Ma，且在新元古代1 500～500 Ma 年龄分布较为集中，而研究区在该区仅有6 个点，这与研究区洛河组碎屑锆石样品年龄分布特征不一致，因此秦岭地区的物源可能性也不大或者极少；北祁连山造山带（图7c）在显生宙的碎屑锆石年龄为540～400 Ma，主峰值年龄分别为438 Ma，与研究区显生宙年龄谱特征不相匹配，且北祁连山造山带地区存在大量新元古代年龄样品，与区内洛河组年龄谱特征亦不相符；兴蒙造山带（图7f）显生宙主峰值年龄为320 Ma，且年龄样品集中分布在显生宙600～300 Ma，对比研究区显生宙年龄（主峰值年龄为310 Ma）分布特征能较好的相对应，与此同时，兴蒙造山带（图7f）在古元古代晚期、新太古代末-古元古代初期分布有少量的年龄，与研究区也有较好的对应，因而兴蒙造山带存在为研究区提供物源的可能性；由此可知，研究区洛河组物源来源于鄂尔多斯盆地西部的北祁连造山带、北秦岭造山带可能性较小，其锆石年龄分布特征与研究区样品锆石年龄分布不对应。综上碎屑锆石年龄谱分布特征，研究区洛河组砂岩沉积时物源应主要来自盆地北侧华北克拉通北缘，同时也可能有来自西北部阿拉善地块的贡献，少部分也可能来自于兴蒙造山带（图6）。

图7 研究区与盆地周缘岩体年龄谱对比图Fig.7 Comparison of age spectrum of plutons around the study area and the basin

4.2 重矿物特征指数及物源分析

重矿物组合及其特征指数分析是物源区分析的重要手段。通过该方法，利用重矿物组合的稳定性、空间分布等特征，可以判断物源区的母岩类型和构造背景，推测沉积物的搬运距离和物源方向。重矿物特征指数如ATi 指数（100×磷灰石/（磷灰石＋电气石）用于判断物源为火山岩的样品数量和风化程度；GZi 指数（100×石榴子石/（石榴子石＋锆石）用来分析是否存在角闪岩或麻粒岩物源；MZi 指数（100×独居石/（独居石＋锆石）可用来探讨物源含有深成岩的比例等［29］；而ZTR 指数则是指稳定矿物锆石、电气石和金红石在透明重矿物中所占的比例，代表重砂矿物的成熟度，ZTR 指数越大，重砂矿物的成熟度越高。前人研究表明，重砂矿物成熟度受古气候、古构造、搬运距离及成岩作用等多种因素制约，对其开展系统研究，有望指示沉积搬运距离和物源方向，或反映不同时期的古构造和古气候变化［28］。

研究发现区内的不稳定重矿物有一定比例，并且重矿物ZTR 指数偏高，说明矿物的成熟度越高，距离物源区越远；GZi 和ATi 指数均相对偏高，说明源岩可能以变质岩和岩浆岩体为主；MZi 指数全部为0，说明没有深成岩体参与物源提供（表1）。综合重矿物特征、组合和特征指数三方面，表明研究区洛河组的物源主要由盆地北部及周缘的中高级变质岩和中酸性岩浆岩提供。

表1 重矿物特征指数/%Table 1 Characteristic index of heavy minerals in the study area (%)

表1 （续）

5 结论

1）鄂尔多斯盆地西南缘白垩系洛河组砂岩中碎屑锆石U-Pb 年龄谱特征主要分为4 个阶段：第一阶段为显生宙的460～95 Ma，分布集中，峰值较为突出；第二阶段为新元古代的1 133～982 Ma，为弱峰值，仅占总体的3%；第三阶段为中元古代早期—古元古代中期的2 114～1 483 Ma（峰值为1 895 Ma），呈较弱峰值，年龄较为分散，主体对应于古元古代晚期；第四阶段为古元古代初期—新太古代末期的2 719～2 230 Ma（峰值为2 566 Ma），呈较弱峰值，主体对应于新太古代。

2）综合研究区碎屑锆石年龄与盆地周缘不同岩体年龄谱对比以及重矿物分析结果表明，区内洛河组砂岩沉积物源属于远源沉积，物源主要来自于华北克拉通北缘地区，少部分可能来自西北侧阿拉善地块与兴蒙造山带；其源岩主要以显生宙、古元古代以及新太古代中酸性岩浆岩和中高级变质岩提供。