准噶尔盆地东部卡姆斯特地区头屯河组下段砂岩地球化学特征及地质意义

廉刚，唐湘飞，黄松

（核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011）

卡姆斯特地区位于准噶尔盆地东北缘，近几年来核工业二一六大队在该区头屯河组发现并控制了一定规模的工业铀矿带，为中型砂岩型铀矿床［1］，并且具有成为大型砂岩型矿床的前景。前人对该区中侏罗统沉积建造、构造、砂体、层间氧化带及古气候演化等方面进行了分析研究［2-6］，其相关研究主要集中于控矿因素、成矿模式分析，然而对岩石地球化学特征、母岩性质及所处的构造-沉积环境背景的研究相对较少。沉积岩的碎屑物质与母岩关系密切，尽管沉积过程中会有一定的改造作用，但其地球化学成分仍然主要受母岩的控制［7］。本文通过碎屑岩岩矿鉴定与地球化学分析，确定了头屯河组下段砂岩的岩石学和地球化学特征，厘定了头屯河组下段的母岩性质、构造-沉积环境，对研究区的沉积演化及铀成矿作用的分析具有重要意义。

1 区域地质概况

卡姆斯特地区位于哈萨克斯坦-准噶尔地块东端乌伦古坳陷与陆梁隆起的交接地带，属古亚洲铀成矿域阿尔泰-准噶尔铀成矿省乌伦古河铀成矿远景带，具有丰富的铀矿资源及良好的找矿潜力［8］。

研究区在中-新生代盆地演化进程中，持续受到西伯利亚板块向南拼接的挤压应力，在乌伦古坳陷内形成自北向南的一系列推覆构造，主线构造多呈北西及北西西向展布，表现为复背斜压扭性构造带，主要发育乌伦古东断裂、红盆断裂、喀拉萨依断裂等逆冲断裂（图1）。这些断裂多切穿侏罗系，有的控制了侏罗系的空间分布，有的在第四纪仍在活动，对地层的分布及构造格局产生影响。

图1 卡姆斯特地区铀矿地质简图（a）及中上侏罗统综合柱状图（b）Fig.1 The uranium geology sketch of Kamster area（a）and comprehensive column of Middle-Upper Jurassic（b）

区内基底具双层结构，下部为前寒武纪结晶基底，上部为活动性较强古生界浅变质基底［9］。古生界主要为海陆交互相火山碎屑岩、陆源碎屑岩、碳酸盐岩等。研究区东南部分布有大面积的晚石炭世-早二叠世富碱花岗岩带。中-新生代盖层主要为中-上三叠统小泉沟群，下侏罗统八道湾组、三工河组，中侏罗统西山窑组、头屯河组，上侏罗统齐古组，上白垩统红砾山组，渐新统-中新统沙湾组，中新统塔西河组及第四系。区内侏罗系发育最齐全，沉积范围最广，为一套河湖交互相含煤碎屑岩建造，是区内主要找矿目的层，其中头屯河组为主要的赋矿层位。

研究区头屯河组为古气候由温暖潮湿向干旱炎热过渡时期的产物，具有明显的“上红下灰”结构。上段为半潮湿-半干旱气候条件的滨湖、浅湖相沉积，具体表象为一套杂色层，主要岩性为紫色、紫褐色、棕红色泥岩、粉砂岩及砂岩；下段为潮湿-半潮湿气候条件下沉积的一套原生灰色层位，属于辫状河三角洲沉积，底部通常发育一套辫状河相砂体，一般分为三层砂体，多含砾石，砂体中普遍含黄铁矿和炭化植物碎屑，具有较高的还原容量。

2 样品采集与分析方法

本次研究所用的样品为取自卡姆斯特地区头屯河组的新鲜岩心样品，共计37 件，采样深度为215～770 m，岩性主要为灰色细、中砂岩，少量粗砂岩。样品主微量元素的分析及加工均由核工业新疆理化分析测试中心完成，依据规范EJ/T 1121—2000、DZ/T 0130—2006，将样品加工至160～200 目，质量为200 g/样。主量元素（除FeO、Fe2O3）、微量元素分析采用美国Thermo Fisher 公司生产的型号为NexION 350X 的电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）和荷兰PANalyticalB.V.公司生产的型号为AxiosmAx 的X 射线荧光光谱仪（XRF），FeO、Fe2O3分析采用氢氟酸、硫酸溶样、重铬酸钾滴定容量法，测试流程遵照《硅酸盐岩石化学分析方法》（GB/T 14506—2010）。电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）分析精度优于3 %，分析环境温度为20 ℃，相对湿度为30 %；X 射线荧光光谱仪（XRF）分析精度优于5 %，分析环境温度为20 ℃，相对湿度为30 %。

3 砂体岩石学特征

镜下观察显示，头屯河组下段砂岩主要为岩屑砂岩，少量为长石岩屑砂岩（图2a），碎屑成分以岩屑为主（40 %～62 %），石英次之（24 %～43 %），长石少量（9 %～14 %），黑云母和白云母微量，填隙物主要为杂基，以黏土矿物为主，少量为碳酸盐矿物。碎屑颗粒之间表现为点-线接触，孔隙式胶结，分选性中等—差，磨圆度差，其结构和成分成熟度均低，反映了低能深水或快速堆积的沉积环境。砂岩中岩屑类型多样，其中火成岩岩屑含量较多，以花岗岩岩屑、英安岩岩屑、安山岩岩屑为主（图2b、c），火山碎屑岩岩屑主要为凝灰岩岩屑（图2b、c、d），沉积岩岩屑以泥岩为主，变质岩岩屑以千枚岩和石英岩为主（图2d），表明头屯河组下段砂岩碎屑物质的母岩以中酸性火成岩为主，次为火山碎屑岩，少量为沉积岩和变质岩。石英主要由单晶石英和多晶石英组成，其中单晶石英的占比较高，多晶石英占比相对较低，单晶石英呈典型的波状消光，其母岩可能为变质岩或深成岩；多晶石英主要为玉髓、石英岩等碎屑。长石主要为钾长石和斜长石，钾长石占比总体高于斜长石。

4 砂岩地球化学特征

4.1 主量元素

由表1 可以看出，研究区头屯河组下段砂岩主量元素具有w（SiO2）、w（Al2O3）值高，大部分主量元素质量分数差别不大的特点，唯有CaO、Na2O、MnO 存在较大波动，反映了其物源主要源自于长英质物源区，物源相对富含石英和长石矿物；w（K2O＋Na2O）值较高，且K2O/Na2O 平均值为1.23，说明岩石中钾长石含量较斜长石偏高，与镜下鉴定结果一致。砂岩中w（SiO2）、w（Al2O3）、w（K2O＋Na2O）值高的特征与研究区东南部卡姆斯特花岗岩体富碱、高硅、弱过铝的特征相类似［10］，推测东南部大面积的卡姆斯特花岗岩体可能是物源。

表1 卡姆斯特地区头屯河组下段砂岩主量元素/%及相关参数计算结果表Table 1 Calculated results of main element content (%)and related parameters of sandstone in the lower member of Toutunhe Formation in Kamst area

从主量元素相关性图解可以看出（图3），样品中w（SiO2）值与w（Al2O3）、w（Fe2O3）、w（FeO）、w（CaO）、w（MgO）、w（TiO2）、w（P2O5）、w（MnO）值呈较为显著的负相关，与w（K2O）、w（Na2O）值无明显相关性。w（SiO2）与w（Al2O3）值呈负相关，表明砂岩中的石英和富铝质黏土矿物含量对其地球化学特征造成了影响［12］。w（SiO2）与w（CaO）值呈负相关表明砂岩中碳酸盐为原生沉积［13］。w（TiO2）与w（Al2O3）、w（MgO）值之间呈较显著的正相关关系，表明物源区以中酸性岩浆岩为主［14］。

图3 卡姆斯特地区头屯河组下段砂岩主量元素关系图解Fig.3 Relationship diagrams between major elements of sandstones in the lower member of Toutunhe Formation in Kamst area

4.2 微量元素

由表2可见，研究区头屯河组下段砂岩的微量元素中亲铁元素w（Zn）、w（Ni）、w（Cr）值与上地壳丰度接近；高场强元素w（Th）值、大离子亲石元素w（U）值明显高于上地壳丰度；高场强元素w（Nb）值与上地壳丰度相近。在PAAS（后太古宙平均页岩）标准化微量元素蛛网图中（图4a），砂岩中明显富集Pb、Mo、Cd、U，亏损其余元素；在UCC（上地壳）标准化微量元素蛛网图中（图4b），Mo、Cd、U 相对富集，Ni、Co、V、Cr与上地壳接近，而Th、Sr、Nb、Ba、Pb、Cu相对亏损。总体上，研究区头屯河组下段砂岩主要富集大离子亲石元素U、亲铁元素Mo和亲硫元素Cd，其他亲铁元素Ni、Co、V、Cr、Cu，亲石元素Sr、Ba、Pb 及高场强元素Th、Nb 等相对亏损，说明头屯河组本身铀含量较高，是成矿的铀源之一。

表2 卡姆斯特地区头屯河组下段砂岩样品微量元素分析结果w（B）/10-6Table 2 Analysis results of trace elements of sandstone samples in the lower member of Toutunhe Formation in Kamst area w(B)/10-6

图4 卡姆斯特地区头屯河组下段砂岩PASS（a）和UCC（b）标准化微量元素蛛网图Fig.4 The spider diagrams of PASS（a）and UCC（b）standardized trace elements of sandstones in the lower member of Toutunhe Formation in Kamst area

5 讨论

5.1 沉积环境分析

5.1.1 古气候

研究表明，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，当CIA≤50 为未风化，50＜CIA≤65 为中等风化，65＜CIA≤100 为强烈风化，当50＜CIA≤65 为寒冷干燥气候，65＜CIA≤85 为温暖湿润气 候，85＜CIA≤100 为炎热潮湿气候［17-18］。卡姆斯特地区头屯河组下段砂岩样品的化学蚀变指数（CIA）介于62.42～77.60 之间，平均为68.23（表1）。仅有2 个样品的CIA在50～65 之间，指示中等分化程度，反映出较干旱的古气候特征；其余样品的CIA 均在65～85 之间，指示强风化程度，反映出温暖湿润的古气候特征。因此，上述特征总体上反映出头屯河组下段沉积时源区中等—强的风化程度和温暖湿润、半湿润的古气候。

Sr/Cu 值也是判断古气候的良好指标，当Sr/Cu 值介于1～10 之间为温湿气候，而大于10为干热气候［19-20］。卡姆斯特地区头屯河组下段砂岩Sr/Cu 值介于1.83～14.43，平均值为7.32，指示了其为温暖湿润、半湿润的古气候特点。

综上所述，通过化学蚀变指数（CIA）、Sr/Cu 值的分析，可以判断出头屯河组下段沉积古气候为温暖潮湿-半潮湿气候。

5.1.2 古氧化还原环境

研究表明，一些元素比值，如U/Th、V/Cr、Ni/Co 和V/（V+Ni）对沉积环境的判别效果较好，它们在缺氧、极贫氧环境下分别大于1.25、4.25、7.00 和0.77，在富氧环境下分别小于0.75、2.00、5.00 和0.60［19-20］。由表2 可知，卡姆斯特地区头屯河组下段砂岩U/Th 值介于0.82～2.96之间，平均值 为1.58；V/Cr 值在1.90～5.89 之间，平均值为2.91。Ni/Co值在1.25～1.99 之间，平均值为1.58。V/（V+Ni）值介于0.76～0.80 之间，平均值为0.79。综合分析U/Th、V/Cr、Ni/Co 和V/（V+Ni）等比值，可判断出头屯河组下段沉积古水体为缺氧、极贫氧-富氧的过渡环境，总体为贫氧、次富氧环境。

5.1.3 古盐度

微量元素w（Sr）值、Sr/Ba 值是沉积岩古盐度的有效判别标志，当w（Sr）值在800×10-6～1 000×10-6之间为咸水环境，在100×10-6～300×10-6之间为淡水环境，当Sr/Ba 值小于1 为淡水环境，而大于1 为咸水环境［19-20］。从表2可以看出，卡姆斯特地区头屯河组下段砂岩的w（Sr）值介于97.85×10-6～190.10×10-6之间，平均值为144.44×10-6，不高于300×10-6，指示沉积古水体为淡水环境；Sr/Ba 值介于0.30～0.44 之间，均小于1，也指示了淡水环境。综上所述，微量元素w（Sr）与Sr/Ba 值反映的头屯河组下段砂岩沉积古水体盐度情况相一致，指示了淡水环境。

5.2 源区构造背景判别

5.2.1 物源区的成分特征

沉积岩的碎屑物质与源岩关系密切，尽管沉积过程中会有一定的改造作用，其地球化学成分也主要受源岩的控制，可以指示沉积岩源岩特征。在Roser 等［21］提出的F1-F2判别图解中（图5a），研究区绝大数样品落入长英质火成岩物源区及与石英岩沉积物物源区相交线附近，少数完全落入石英岩沉积物源区，个别样品落入中性火成岩物源区，反映头屯河组下段砂岩碎屑物质源自混合物源区，物源主要为长英质火成岩物源，也有部分石英岩沉积物源和少量中性火成岩物源的混入。Schieber［22］提出的Al2O3-TiO2图解可以很好地反映沉积物源区母岩性质。在Al2O3-TiO2判别图中（图5b），头屯河组下段砂岩主要落入花岗闪长岩区域，个别落入花岗岩区域，表明头屯河组下段砂岩源区母岩主要为花岗闪长岩类。综上所述，头屯河组下段砂岩物源主要为长英质火成岩物源，也有部分石英岩沉积物源和少量中性火成岩物源的混入，其源区母岩主要为花岗闪长岩类，少量为花岗岩，此外还有石炭、泥盆系的安山岩、英安斑岩和硅质岩，与北东部、东南部的花岗岩体和大面积分布的石炭、泥盆系岩性具有较高的一致性。

图5 卡姆斯特地区头屯河组下段砂岩主量元素物源及源岩属性判别图解Fig.5 Identification diagrams of provenance and source rock attribute of major elements of sandstones in the lower member of Toutunhe Formation in Kamst area

5.2.2 物源区的构造背景

在SiO2-K2O/Na2O 关系图解中（图6a），头屯河组下段砂岩样品主要集中在活动大陆边缘区域，个别分布在被动大陆边缘区域；在K2O/Na2O-SiO2/Al2O3关系图解中（图6b），样品投影显示与SiO2-K2O/Na2O 关系图解有较高的一致性。在（TFe2O3＋MgO）-TiO2关系图解中（图6c），样品主要投影在大陆岛弧及其附近，少部分落入活动大陆边缘区域。在（TFe2O3＋MgO）-Al2O3/SiO2关系图解中（图6d），样品主要集中在活动大陆边缘与大陆岛弧相交线附近，以活动大陆边缘为主，个别样品分布在被动大陆边缘与活动大陆边缘相交区域的内测。在（TFe2O3＋MgO）-K2O/Na2O图解中（图6e），样品主要落入活动大陆边缘及其边缘附近，个别在活动大陆边缘与被动大陆边缘相交区域。在（TFe2O3＋MgO）-Al2O3/（Na2O＋CaO）关系图解中（图6f），样品主要投影到活动大陆边缘区域，部分受主量元素本身稳定性及蚀变影响，出现分散现象，少数在被动大陆边缘及其附近。上述证据表明，研究区头屯河组砂岩母岩整体处于活动大陆边缘和大陆岛弧的构造环境，与石炭纪时期西伯利亚板块向南挤压准噶尔地块，卡拉麦里造山带呈相对隆起状态关系密切。

图6 卡姆斯特地区头屯河组下段砂岩主量元素构造环境关系图解Fig.6 Diagrams of the relationship between major elements and tectonic environment of sandstones in the lower member of Toutunhe Formation in Kamst area

5.3 沉积演化及铀成矿分析

砂岩的碎屑物质与母岩关系密切，恢复碎屑物质的物源对研究区的沉积演化及铀成矿作用的分析具有重要意义。研究区头屯河组沉积期，受燕山Ⅰ幕构造运动影响，处于活动大陆边缘和大陆岛弧的构造背景，经历了两个沉积演化阶段：第一阶段为下段沉积期，卡拉麦里山强烈隆升，盆地基底相对下降，卡拉麦里物源区大量碎屑物质由河流作用搬运到盆地边缘的缓坡地区，沉积了一套富含还原介质的辫状河相粗碎屑岩，同时形成了早期的铀预富集；第二阶段为上段沉积期，盆地基底相对抬升，发生了一次湖侵作用，沉积物以滨湖相泥岩为主。从主微量元素的分析可知，研究区头屯河组下段沉积期，处于气候温暖潮湿-半潮湿，水体相对较深且贫氧的环境，沉积的辫状河相砂体中富含有机质、炭屑及黄铁矿等还原性物质，为铀的沉淀富集和后期改造（层间氧化-还原作用的进行和氧化带发育）提供了物质基础。自早白垩世以来，研究区整体处于半干旱-干旱气候环境，来自卡拉麦里蚀源区的含铀富氧水径流至还原性砂体沉积相带，在水动力作用下形成稳定的层间氧化带，并在砂体氧化带前锋线（氧化-还原过渡部位）持续铀的富集，形成铀矿化。

6 结论

1）卡姆斯特地区头屯河组下段砂岩主量元素具有较高的w（SiO2）和w（Al2O3）值，大部分主量元素差别不大的特点，反映了其物源主要源自长英质物源区。微量元素富集大离子亲石元素U、亲铁元素Mo 和亲硫元素Cd，其他亲铁元素Ni、Co、V、Cr、Cu，亲石元素Sr、Ba、Pb及高场强元素Th、Nb 等相对亏损。

2）化学蚀变指数指示了头屯河组下段沉积时源区岩石具有中等—强的分化程度和温暖潮湿-半潮湿的古气候特点；微量元素特征综合反映了头屯河组下段沉积时古水体总体为贫氧的淡水还原环境。

3）砂岩的岩屑特征、主量元素比值和关系图解说明头屯河组下段砂岩物源主要为长英质火成岩物源，也有部分石英岩沉积物源和少量中性火成岩物源的混入，其源区母岩主要为花岗闪长岩类，此外还有少量为花岗岩、安山岩、英安斑岩、硅质岩和火山碎屑岩，与东北部、东南部的花岗岩体和大面积分布的石炭系、泥盆系火山碎屑岩、沉积岩、变质岩岩性具有较高的一致性。

4）卡姆斯特地区头屯河组下段沉积时整体处于活动大陆边缘和大陆岛弧的构造环境，与卡拉麦里造山带相对隆起关系密切。