鄂尔多斯盆地西北部特拉敖包矿产地铀成矿机理研究

2023-12-09贺锋李子颖刘鑫扬张字龙王龙辉刘持恒张艳邱林飞韩美芝

铀矿地质 2023年6期

贺锋，李子颖，刘鑫扬，2，张字龙，王龙辉，刘持恒，张艳，邱林飞，韩美芝

（1.核工业北京地质研究院中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029；2.中国核工业地质局，北京 100013；3.核工业二〇八大队，内蒙古包头 014010）

鄂尔多斯盆地目前是我国最大的砂岩型产铀盆地之一，已查明区内砂岩型铀矿主要赋存于盆地东北部侏罗纪直罗组下段灰色碎屑岩建造［1-3］。近几年，核工业二〇八大队在下白垩统志丹群洛河组和环河组取得了砂岩型铀矿找矿突破，铀矿体位于巨厚层灰绿色砂岩内部，显示了白垩系砂岩型铀矿的勘探潜力［4］。层间氧化型铀成矿强调了“泥-砂-泥”地层结构和氧化-还原分带性，铀矿体一般产于氧化还原的过渡带［5-8］。鄂尔多斯盆地下白垩统铀矿体位于巨厚层砂岩内部，泥-砂-泥结构并不明显，与层间氧化带型相比明显不同；铀矿化深度距砂岩顶部达180～500 m，发育在盆地内部，成矿类型也与潜水氧化型不相符。鄂尔多斯盆地西北部下白垩统红杂色层的铀成矿类型不明确，铀成矿环境和厚大灰绿色砂体的成因有待查明，铀矿化特征还需进一步分析，这些都严重制约对其铀成矿机理的认识。

本文以鄂尔多斯盆地西北部下白垩统环河组为研究目标，以特拉敖包矿产地为重点研究对象，分析下白垩统环河组铀成矿环境、铀成矿特征，开展砂岩致色原因和灰绿色砂体成因分析，对下白垩统铀成矿机理和铀成矿模式进行探讨。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地西北部出露地层主要有三叠系延长组、中侏罗统延安组、直罗组、下白垩统志丹群和第四系（图1）。其中下白垩统志丹群自下而上依次为洛河组、环河组、罗汉洞组、泾川组和东胜组［9］。洛河组与侏罗系不整合接触，上段主要发育褐色细砂岩和泥岩薄层，下段主要发育褐色砾岩、棕红色粗砂岩；环河组主要发育褐色、灰绿色、褐灰色中细砂岩和褐色泥岩；罗汉洞组发育褐红色、紫红色中粗砂岩，偶夹薄层灰绿色中细砂岩［10］。特拉敖包矿产地位于伊和乌素东南部，其主要含矿目标层位为下白垩统环河组［4］。

图1 鄂尔多斯盆地西北部铀矿地质简图（据文献［4］修改）Fig.1 Sketch geology map of uranium deposits in northwest Ordos Basin（modified after reference［4］）

2 铀成矿环境

2.1 构造-沉积环境

鄂尔多斯盆地西北部下白垩统环河组以天环坳陷为沉降中心，呈狭长带状位于亚斯图—鄂托克旗西—白土井一带，底板构造一般在海拔750～800 m，天环坳陷两侧发育东、西部斜坡带，东部斜坡带比西部斜坡带宽缓［11］。研究区断裂呈北东-东西向和北北西向，具有典型的花状构造，并且大部分断裂切穿下白垩统至三叠系（图2）。特拉敖包矿产地处于天环坳陷以及东部斜坡带，位于环河组底部构造低处，南部发育近东西向断裂。环河组沉积中心位于伊和乌素—鄂托克旗西一线，沉积中心比沉降中心更靠东部，呈南北向带状展布［12］。东、西部斜坡带环河组厚度较薄，一般在100～300 m 之间，中部天环坳陷厚度较大，一般在300～700 m 之间，最厚可达700 m（图3）。

图3 鄂尔多斯盆地西北部环河组厚度等值线图Fig.3 Contour map of Huanhe Formation thickness in northwest Ordos Basin

环河组砂体厚度较厚处呈南北向展布，位于亚斯图—鄂托克旗—布拉格一带，砂体厚度在200～500 m 之间，最厚可达近600 m，岩性以含砾粗砂岩、粗砂岩和中粗砂岩为主，含砂率一般在60%～90%之间［13］；鄂托克前旗—白土井地区砂体厚度较薄，为50～100 m，岩性主要为中细砂岩、粉砂岩和泥岩，含砂率在20%～40%之间（图4）。

环河组沉积期，鄂尔多斯盆地西北部继续受北东升南西降同沉积掀斜构造运动的影响，由北向南依次发育冲积扇—辫状河—辫状河三角洲—湖泊沉积体系［11，14］。鄂尔多斯盆地西北部环河组的古水流方向整体为南北向，鄂托克旗以东古水流方向为南北向，鄂托克旗以西的地区古水方向为南东向。东北部和西北部发育冲积扇沉积为主，中部和中东部地区发育辫状河沉积为主，西南部和中西部发育辫状河三角洲-湖泊沉积体系。湖泊沉积体系区位于西南部的白土井—鄂托克前旗一带，呈一个北西-南东向椭圆形区域展布；其周围发育三角洲沉积体系（图5）。

图5 鄂尔多斯盆地西北部环河组沉积相图（据文献［11］修改）Fig.5 Sedimentary facies map of Huanhe Formation in northwestern Ordos Basin（modified after reference［11］）

2.2 铀本底值

通过对特拉敖包矿产地下白垩统样品的铀含量分析，明确了不同层位砂泥岩、不同颜色砂岩的铀本底值特征。下白垩统罗汉洞组、环河组下段、洛河组砂岩铀本底值较低，一般小于3×10-6。只有环河组上段砂岩铀本底值略高，可达4.47×10-6，Th/U 为1.79，远小于正常的4。泥岩铀含量较高，平均为4.45×10-6，钍含量平均为13.9×10-6，Th/U 为3.56（表1）。灰色砂岩铀平均含量为1.64×10-6，红色砂岩铀平均含量为3.20×10-6，灰绿色砂岩和褐灰色砂岩铀平均含量相对较高，分别为3.65×10-6和4.35×10-6，褐灰色、灰绿色和红色砂岩Th/U 均小于3（表2）。

表1 鄂尔多斯盆地西北部下白垩统不同层位砂泥岩铀钍本底值统计表Table 1 Statistics of U and Th background value of sandstone and mudstone of Lower Cretaceous layers in northwest Ordos Basin

表2 鄂尔多斯盆地西北部下白垩统不同颜色砂岩铀钍本底值统计表Table 2 Statistics of U and Th background value of different color sandstone in Lower Cretaceous,northwest Ordos Basin

2.3 氧化还原环境

2.3.1 pH 和Eh 值

西北部下白垩统砂岩pH 值和Eh 值平均为9.51 和170.1 mV，整体为弱碱性、弱氧化环境。按不同层位来统计，罗汉洞组、环河组上下段砂岩的pH 值和Eh 值变化不大，pH 值一般为9.6 左右，Eh 值一般为164.7 mV；洛河组砂岩pH 值有所下降，为9.10，而Eh 值有所增高，为197.0 mV（图6a、b）。按不同颜色砂岩来统计，红色和灰绿色砂岩pH 值9.54～9.56，Eh 值为166.9 mV，褐灰色和灰褐色砂岩pH 值为9.35～9.44，Eh 值为178.3～178.9 mV，褐灰色和灰色砂岩pH 值有所降低、Eh 值有所增高，相比红色和灰绿色砂岩其环境更偏氧化和酸性（图6c、d）。

图6 鄂尔多斯盆地西北部下白垩统砂岩pH 值和Eh 值直方图Fig.6 pH and Eh histogram of Lower Cretaceous sandstone in northwest Ordos Basin

2.3.2 有机碳、硫

环河组有机碳的分析数据表明，褐灰色砂岩、灰绿色砂岩和棕红色、棕黄色砂岩的有机碳含量基本一致。褐灰色砂岩有机碳含量范围为0.08%～0.13%，平均含量为0.11%；灰绿色砂岩的有机碳含量范围为0.08%～0.13%，平均含量为0.10%；棕红色、棕黄色砂岩有机碳含量范围为0.10%～0.23%，平均含量为0.14%。环河组灰绿色砂岩和褐灰色砂岩中全岩硫的含量不相上下，平均值均在0.05%～0.06%。铀含量和有机碳、硫的相关性较差，说明有机质和硫的含量并不是铀富集的主要因素（图7）。

图7 鄂尔多斯盆地西北部特拉敖包矿产地铀与有机碳、硫的相关性Fig.7 Relation of uranium to organic carbon and sulfer of Lower Creteceous in Telaaobao occurrence in northwest Ordos Basin

2.3.3 酸解烃

从酸解烃分析结果来看，酸解烃主要都是气体成分，以甲烷为主，含少量的乙烷和丙烷，甲烷平均含量为179.5 μL/kg，最高达706 μL/kg。工业孔ZKW2019-1 和ZKW2020-1 甲烷、乙烷含量远高于非工业孔ZKW2019-3（表3）。

表3 鄂尔多斯盆西北部环河组砂岩酸解烃含量/μL·kg-1Table 3 Acidolysis hydrocarbon conten(μL•kg-1) of sandstone in Huanhe Formation in northwest Ordos Basin

3 铀成矿特征

3.1 铀矿化特征

特拉敖包矿产地铀矿化赋存于下白垩统环河组上段，矿体东西长约4 km，南北宽400～2 000 m，矿体埋深188～505 m，矿石品位为0.03%～0.06%。特拉敖包矿产地的铀矿体平面上呈块状分布，垂向上最大的特点是呈“悬浮状”发育于灰绿色砂体中，总体呈板状，局部呈现透镜状、薄层状，矿体的层数多达10层（图8）。

图8 鄂尔多斯盆地西北部下白垩统特拉敖包矿产地钻孔剖面图Fig.8 Borehole profile of Lower Creteceous through Telaaobao occurrence in northwest Ordos Basin

3.2 铀矿物组合特征

鄂尔多斯盆地西北部已经发现的环河组工业铀矿体主要赋存于褐灰色中粗砂岩中，其次位于灰绿色中粗砂岩、紫红色中粗砂岩和细砂岩、灰色含有机质中细砂岩中。铀矿物主要以铀石为主，部分为钛铁氧化物与铀矿物混合物，褐灰色和红褐色矿石中铀矿物与铁的氧化物共存。褐灰色赋矿砂岩中铀石多数分布于石英、长石颗粒表面溶蚀的坑洞和颗粒间空隙中，或者分布于草莓状黄铁矿表面及周边（图9a），铀与钛、铁氧化物的混合物通常分布于绿泥石、蒙脱石和伊蒙混层等黏土矿物表面或矿物间（图9b）。紫红色赋矿砂岩中铀含量最高，呈薄层状夹于灰绿色砂体或褐灰色砂体中。铀矿物通常分布于黏土矿物表面（图9c），少数分布于球形黄铁矿颗粒表面及周边，或者分布于铁氧化物表面及周边（图9d）。灰绿色赋矿砂岩发育大量的草莓状、球状黄铁矿和黄铁矿假象的铁氧化物，偶见少量炭化植物碎屑和有机质，铀石主要呈胶状、不规则状在黄铁矿周缘发育（图9e），铀与钛、铁氧化物的混合物分布于绿泥石表面（图9f）。灰色赋矿砂岩不太发育，偶见薄层含炭屑的赋矿灰色砂岩。矿石中发育有大量黄铁矿，呈草莓状、球形集合体分布于炭化植物胞腔、有机质（图9g）、伊蒙混层表面和碎屑颗粒表面；铀矿物与钛、铁、氧混合物分布于蜂窝状伊蒙混层表面和碎屑颗粒表面［10］（图9h）。

图9 鄂尔多斯盆地西北部特拉熬包矿产地铀矿物组合扫描电镜特征Fig.9 SEM characteristcs of uranium mineral assemblages in Telaaobao occurrence，northwest Ordos Basin

3.3 铀-镭平衡系数

特拉敖包矿产地含矿砂岩明显偏铀，ZKW2019-1 钻孔铀-镭平衡系数（Kp）平均值为0.73，ZKW2020-1 钻孔矿体铀-镭平衡系数为0.45，表明铀成矿作用之后，经过了进一步叠加改造，使得铀矿进一步富集（表4）。ZKW2019-1 浅部364 m 处铀矿体铀-镭平衡系数为0.55，369 m 铀矿体铀-镭平衡系数为0.95，钻孔深部叠加改造强度较低。ZKW2020-1 随着钻孔深度的增加，矿体铀-镭平衡系数降低，说明矿段底部铀矿体的富集系数更大。

表4 鄂尔多斯盆地特拉敖包矿产地含矿砂岩铀-镭平衡系数（Kp）统计表Table 4 Statistics of uranium-radium equilibrium coefficient of ore bearing sandstone of Telaaobao occurrence in northwest Ordos Basin

3.4 铀成矿年龄

采取特拉敖包矿产地ZKW2020-1 钻孔工业矿段样品，利用全岩U-Pb 等时线方法测定成矿年龄。分析测试结果表明，铀矿石的成矿年龄为（106.98±9.49）Ma（图10）。鄂尔多盆地环河组沉积期大概为133～129 Ma，志丹群沉积结束期为113 Ma，之后开始构造抬升剥蚀。本次测得的成矿龄数据恰好位于志丹群沉积后构造抬升剥蚀初期［9］，说明特拉敖包矿产地目前发现的矿化主要在下白垩统沉积后形成。特拉敖包矿产地铀成矿年龄和长7 烃源岩主排烃期基本一致，也与早白垩世构造-热事件时间一致［15-17］。

图10 鄂尔多斯盆地西北部特拉敖包矿产地铀矿石全岩U-Pb 等时线图解Fig.10 Isochron diagram of U-Pb in whole rock of Telaaobao occurrence in northwest Ordos Basin

4 成矿机理探讨

4.1 灰绿色砂体成因探讨

4.1.1 赋矿砂岩致色原因

统计分析了红色砂岩、褐灰色赋矿砂岩、灰绿色和灰色砂岩中铁元素变化特征。红色砂岩Fe2O3含量较高，平均含量为1.53%，而FeO 含量略高于Fe2O3含量，平均含量为1.63%，两者比值约为0.94；褐灰色赋矿砂岩Fe2O3含量较低，平均含量为0.95%，而褐灰色砂岩中FeO 含量略低于红色砂岩；红色砂岩的FeO 平均含量为1.62%，Fe2O3与FeO 含量比值约为0.59；灰绿色砂岩Fe2O3含量高于褐灰色砂岩，但低于红色砂岩，其平均含量为1.35%，而FeO 含量最高，平均含量为2.01%，Fe2O3与FeO含量比值约为0.66（图11a）。

图11 鄂尔多斯盆地西北部下白垩统不同颜色砂岩的铁氧化物和黏土矿物含量Fig.11 Iron oxide and clay mineral content of sandstone with different colors in Lower Cretaceous in northwest Ordos Basin

灰绿色砂岩致色黏土矿物主要是绿/蒙混层和绿泥石，灰绿色砂岩中绿/蒙混层占黏土矿物的38.3%，绿泥石占16.5%（图11b）。褐灰色致色原因是黏土矿物与絮状或球状钛、铁氧化物的综合结果。Fe3+和Fe2+的相对含量是砂岩致色的主要因素，褐红色砂岩Fe2O3含量最高，灰绿色砂体FeO含量最高，褐灰色、灰色砂岩Fe2O3与FeO含量最低。

4.1.2 灰绿色砂体成因

鄂尔多盆地西北部下白垩统环河组中普遍发育巨厚层灰绿色中粗砂岩，该套砂岩发育规模大、分布广泛，在剖面上并非是连续分布的，总体呈现断续、串珠状、突变状分布，这种分布特征并不符合沉积-成岩特征。灰绿色砂岩发育大量的草莓状、球状黄铁矿和绿/蒙混层、绿泥石等黏土矿物，FeO 含量高，灰绿色砂岩pH 值为9.56，Eh 值为166.9 mV，酸解烃甲烷含量高达706 μL/kg，可见低温中低盐度液烃（或沥青）包裹体，总体为弱还原-弱氧化、弱碱性环境。灰绿色砂体致色矿物为绿/蒙混层和绿泥石，且绿/蒙混层与绿泥石含量呈反比，存在一定的转化关系［18］。岩心可看到紫红色泥砾与砂岩接触的边缘常常呈现灰绿色，而泥砾的中心部位仍然保留原生的红色；镜下观察可见灰绿色砂岩中绿泥石包裹赤铁矿和水针铁矿等铁氧化物［10］。鄂尔多斯盆地西北部特拉敖包矿产地周边下白垩统主要发育北东东和北北西向高角度走滑断层，断裂为深部渗出流体运移提供了通道。从鄂尔多斯盆地西北部灰绿色砂体厚度图来看，断裂控制了灰绿色砂体的分布范围和展布特征（图12），厚层灰绿色砂体发育区位于断裂带附近，断裂带为渗出还原性流体提供了运移通道，使得红色砂岩被油气等还原性流体改造为灰绿色。综合分析认为灰绿色砂岩主要成因为后期渗出流体还原改造，这也与鄂尔多斯盆地东北部直罗组灰绿色砂体还原蚀变成因基本一致［19-20］。

图12 鄂尔多斯盆地西北部环河组上段灰绿色砂体厚度等值线图Fig.12 Thickness contour map of gray-green sandstone in the upper member of Huanhe Formation in northwest Ordos Basin

4.2 铀成矿机理探讨

环河组铀矿体位于巨厚层辫状河砂体内部，泥岩基本不发育，无泥-砂-泥结构，与典型层间氧化带型相比明显不同。特拉敖包矿产地形成由钙质胶结而成的致密-疏松-致密砂岩的结构，例如ZKW2019-1 钻孔铀矿段底部发育电阻率高值区，钙质胶结，CaO 含量为10.6%，底部还发育10 cm 薄层泥岩，这种钙质胶结和薄层泥岩可形成层间氧化的局部底隔板，为渗入氧化还原成矿创造了条件（图12）。

特拉敖包矿产地处于盆地天环坳陷，周缘发育的北东东和北北西向断裂沟通了深部渗出还原性流体，不仅把部分原生红色砂岩还原成灰绿色砂岩，还为铀成矿提供了还原物质［21-23］。下白垩统红杂色层铀本底值都非常低，内源条件较差，周缘蚀源区能够为铀成矿提供所需的铀源。在受温压作用、排烃和相关断裂构造作用条件下，三叠系长7 段和石炭系深部富铀烃源岩为浅部砂岩铀矿提供铀源是非常有可能的［24-26］。ZKW2019-1 钻孔中铀矿石富集U、V、Zn、Pb、Mo、Cu 和Ni 等元素，与长7段具有相似的微量元素富集形式，也证明了铀成矿与盆地深部渗出流体相关（图13）。灰绿色和褐灰色砂体铀本底值较红色砂岩有明显增高，钻孔可见少量的深灰色铀矿石，其有机碳含量为6.23%、有机硫含量为2.02%，是具有流动特征的有机质，铀超常富集，铀含量最高达9 259×10-6，指示了深部渗出型铀成矿作用的可能。

图13 鄂尔多斯盆地特拉敖包矿产地ZKW2019-1 铀元素及其相关元素含量分布Fig.13 Distribution of uranium and ites related elements content of bore ZKW2019-1 in Telaaobao occurrence，northwest Ordos Basin

镜下可观察到部分绿泥石和黄铁矿等再次被氧化，且含矿层底部铀镭平衡系数为0.3～0.5，铀成矿存在后期氧化叠加富集，红色矿石中铀矿物（铀石、沥青铀矿）与水针铁矿、赤铁矿、黄铁矿共存。前人渗入-渗出作用模拟结果表明，由含氧含铀水渗入方向到上升还原流体的渗出方向，依次可分为氧化砂岩（针铁矿化、赤铁矿化、褐铁矿化）—褪色砂岩—富铀砂岩—贫矿砂岩—原生砂岩，渗入-渗出流体流量相对大小决定了成矿界面和矿体形态［27］。褐灰色和红褐色铀矿石中铀矿物与铁的氧化物共存，是深部还原性流体与含氧含铀水相对强弱发生变化、渗出-渗入交汇面上升和下降、氧化-还原蚀变带相互叠加的结果，也是特拉敖包矿产地多层板状、透镜状铀矿体形成的主要因素。

4.3 铀成矿模式探讨

初步分析认为，鄂尔多斯盆地西北部下白垩统铀成矿过程大体经历了三个阶段，即早白垩世沉积阶段（139.8～129.1 Ma）、早白垩世晚期至古新世渗出-渗入成矿阶段（113.1～66.5 Ma）和古近纪以来渗出保矿阶段（66.5Ma～现今）（图14）。

图14 鄂尔多斯盆地特拉敖包矿产地下白垩统铀成矿示意图Fig.14 Schematic uranium metallogenic model of Lower Cretaceous in Telaaobao occurrence，northwest Ordos Basin

1）沉积阶段（139.8～129.1 Ma）

鄂尔多斯盆地西北部受天环向斜和北部抬升影响，总体处于北高南低、东北高西南低的古构造环境，发育近南北向构造斜坡。环河组沉积期古气候处于半干旱环境，特拉敖包矿产地主要以发育辫状河沉积为主，发育大面积厚大砂体，而缺少稳定的泥岩层。整个下白垩统沉积期地层铀本底值并不太高，铀物质来源主要是来自后期铀成矿作用。

2）渗出-渗入成矿期（113.1～66.5 Ma）

①铀主成矿阶段（113.1～100.5 Ma）

早白垩世晚期至晚白垩世早期，燕山运动造成盆地的整体抬升，盆地北部下白垩统发育渗入层间氧化。同期，在构造挤压作用下伴随构造热事件，促使三叠系生油层的油气生成和逸散。鄂尔多斯盆地来源于深部富铀烃源岩的油或气-含铀流体能够为浅部的砂岩型矿提供铀源。还原介质将红色砂岩还原为灰绿色砂岩，将Fe3+还原改造成大量细小颗粒状和草莓状黄铁矿，也将U6+还原为U4+沉淀富集形成铀石和含钛铁铀矿，被地层中的黏土矿物、铁氧化物及有机质吸附富集成矿。此时存在一个含氧含铀水的渗入和渗出的一个交汇带，随着这个渗入-渗出面的上升和下降，形成了多层板状、透镜状矿体。

②叠加铀成矿阶段（100.5～66.5 Ma）

随着盆地整体的继续抬升，来自蚀源区的含氧含铀水继续向盆内推进，之前形成的矿化可能被进一步叠加改造。同时三叠系渗出还原性流体持续向盆地地层上部和盆地边缘运移，将早期氧化砂岩进一步蚀变成灰绿色，使得目前所见到的铀矿体主要位于灰绿色砂体中。在局部还原不彻底的地段，仍可见到早期氧化的紫红色、褐红色古氧化残留条带、氧化团块和氧化斑点。

3）渗出保矿阶段（66.5 Ma～现今）

随着盆地的继续抬升，黄河断陷的发育切断了渗入含氧含铀流体的沟通，白垩系暴露表面，发育一些潜水氧化作用，形成一些新的铀矿化点。三叠系渗出还原性流体持续向盆地地层上部和盆地边缘运移，对早期的氧化砂体和红色原生砂体进一步二次还原改造，将氧化砂体还原成灰绿色，并保护了已形成的铀矿体。