鄂尔多斯盆地西南部镇原地区志丹群铀矿石物质组成特征

2023-12-09张字龙贺锋李子颖刘鑫扬武正乾刘坤鹏刘持恒李西得张艳

铀矿地质 2023年6期

张字龙，贺锋，李子颖，刘鑫扬，2，武正乾，刘坤鹏，刘持恒，李西得，张艳

（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.核工业二〇三研究所，陕西西安 710086）

鄂尔多斯盆地是我国目前最重要的产铀盆地。2000 年以来，在盆地东北部先后发现了皂火壕、纳岭沟、大营和巴音青格利等大型和特大型铀矿床及库计沟、罕台庙和泊太沟等一批铀矿产地［1］，在盆地东南部发现鸭河湾矿产地，这些铀矿床均产于中侏罗统直罗组下段；2019 年以来，在盆地西北部新发现特拉敖包铀矿产地，在盆地西南部新发现新庄铀矿产地。这两个新发现的矿产地主要赋矿层为下白垩统志丹群环河组和洛河组。自此拉开了鄂尔多斯盆地新的找矿空间和找矿新层位。

随着铀矿地质勘查程度不断加大，在鄂尔多斯盆地西南部镇原地区已经发现多个工业铀矿孔，也引起越来越多学者的关注并取得了一些成果认识。研究认为该地区主要赋矿层下白垩统洛河组为风成沉积体系［2-4］，铀矿物主要为沥青铀矿［5］，其次为含钛铀矿物和少量铀石［6］，矿石中Th、Sc、Co、Mo 含量与U 含量呈正相关性［7］。

本文通过对镇原地区典型工业铀矿体特征和矿石特征研究发现，该地区铀矿化特征与其传统的“渗入”成矿作用（层间氧化、潜水氧化等铀成矿作用）铀矿化特征存在诸多差异：①赋矿层位多，志丹群各组红杂色碎屑建造中均发育铀矿化，且铀矿体具有“穿层性”；②并非是独有的“灰色建造体”控矿，红杂色建造中赋矿岩石颜色有紫红色、黄褐色、灰白色、灰绿色、灰色等多种；③铀矿体并非仅赋存于盆地边缘，向盆地内部及深部也发育有工业铀矿体；④赋矿砂体厚度大，由灰色建造中的几十米变为红杂色建造中的几百米；⑤矿体厚度大，多个钻孔揭露单层矿体厚度可达13.80～14.60 m；⑥部分赋矿地层产状近似水平，而层间氧化带型铀成矿需要有稳定的构造斜坡带；⑦矿体垂幅大，钻孔揭露工业铀矿体埋深460～1 380 m；⑧纵横向分布范围广，并非是“氧化带前锋线”控矿；⑨研究区断裂构造发育，不具有“层间氧化带型”铀成矿所需稳定构造环境；⑩铀矿物种类多，不仅有沥青铀矿和铀石，还发育较多钛、铁、铀混合物；⑪与铀矿物共伴生物质成分多，铀矿物与自生磷灰石、白云石、重晶石、方解石、黄铁矿、黄铜矿、方铅矿及部分暗色有机质共伴生，U 与V、P、Ni、Cd、Zn、Cu、Pb、Mo、Co、Ti 等多种元素共伴生。应用“渗出铀成矿理论”很难综合阐释上述这些差异，显示镇原地区新发现的工业铀矿化有其独特性，目前该地区铀成矿地质环境、铀成矿作用类型和铀矿化成因还不明朗，难以厘定关键控矿要素。鉴于此，本文主要通过显微镜下岩矿鉴定、电子显微镜三维形貌特征观察并结合能谱分析，确定不同颜色赋矿砂岩中铀存在形式及其共伴生矿物，初步分析了铀与其他元素相关性，探讨了铀矿化成因，旨在为阐明该地区铀成矿机理提供较全面、客观、详实的物质基础。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地现今构造格局奠基于燕山运动中期，发展完成于喜马拉雅运动期，依据构造演化可划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、陕北斜坡、天环坳陷及西缘逆冲构造带六个一级构造单元［8-9］。镇原地区位于盆地西南部，大地构造位于天环坳陷南部与陕北斜坡西南部过渡部位，行政区划隶属于甘肃省庆阳市（图1）。

鄂尔多斯盆地西南缘中-新生代盖层沉积比较齐全，发育有三叠系、侏罗系、下白垩统、古近系、新近系和第四系。下白垩统志丹群在研究区自下而上发育有洛河组（K1l）、环河组（K1h）、罗汉洞组（K1lh）和泾川组（K1j）［10-11］，厚度为700～1 100 m。目前志丹群各组在地表露头和钻孔揭露均发现有铀矿化，在镇原地区钻孔揭露工业铀矿体主要赋存于环河组和洛河组，这两个层位是下白垩统重点找矿目标层。

2 样品采集与测试

针对镇原地区近两年新发现的8 个工业铀矿孔，以下白垩统环河组和洛河组赋矿砂岩为采集对象，以手持X 荧光仪器为放射性测量工具，选取钻孔岩心铀含量在100×10-6以上各种颜色的矿样。其中紫红色矿石样品主要采自ZK03、ZK04 和ZK08；灰白色矿石样品主要采自ZK07 和ZK09；浅黄色、浅灰色、灰绿色矿石样品主要采自ZK01、ZK03、ZK04、ZK05 和ZK06。样品测试由核工业地质分析测试研究中心完成，测试项目主要有岩心的扫描电镜和薄片鉴定。其中用于扫描电镜观察的样品，采用大小约1 cm3的块样，在镜下通过样品处理后观察矿石中物质三维形貌特征和能谱分析。

扫描电镜分析：使用Nova Nano SEM450 型场发射扫描电子显微镜，依据JY/T 0548—2020《扫描电子显微镜分析方法通则》和GB/T 17361—2013《微束分析沉积岩中自生粘土矿物鉴定扫描电子显微镜及能谱仪方法》进行矿物鉴定。

薄片鉴定：使用Leica 4500P 型显微镜对岩矿进行鉴定。

3 铀矿化特征

鄂尔多斯盆地西南部镇原地区，目前钻孔揭露的工业铀矿化主要赋存于下白垩统环河组和洛河组，矿体呈现中厚层板状、薄层透镜状，矿体埋深垂向幅度大，部分矿体埋深超过1 000 m，单层矿体厚度变异系数大，矿石品位偏低。环河组工业铀矿体主要位于深部灰白色中细砂岩（图2a）、浅灰绿色中细砂岩和紫红色含细砾粗砂岩中（图2b），其次是灰色、灰黑色粗砂岩（图2c）和棕红色、灰色砂砾岩中（图2d）；洛河组工业铀矿体主要位于深部浅灰绿色中细砂岩（图2e）和紫红色、浅黄色细砂岩中（图2f）。

图2 镇原地区主要砂岩型代表性铀矿石Fig.2 Main representative sandstonee uranium ore in Zhenyuan area

4 铀矿石物质组成

4.1 灰色、灰黑色铀矿石物质组成特征

灰色砂砾岩中砾级碎屑占50%～55%，碎屑为单晶石英、粉砂岩、细晶白云岩、粗晶白云岩、粉晶白云石、含砂质灰岩，次棱状—次圆状；砂级碎屑占45%～50%。灰黑色中粗砂岩中长石占20%～25%、石英占45%～50%、岩屑占30%～35%，次棱状—次圆状。岩屑为黏土质硅质岩、矿化硅质岩、硅质岩、石英岩、碳酸盐岩、流纹岩、安山岩、白云母碎屑。分选较差，磨圆一般；填隙物为黏土杂基（1%～2%）、铁质胶结物（2%～3%）、硅质胶结物、方解石胶结物；颗粒支撑，孔隙式胶结（图3a）。

图3 灰色、灰黑色铀矿石物质组成Fig.3 The material composition of gray and dark gray uranium ore

灰色、灰黑色赋矿砂岩铀含量最高。矿石中发育的铀矿物主要为铀石和沥青铀矿，其次为钛、铁、铀混合物；发育的金属矿物主要有絮状或胶状铁氧化物、不规则和多面体黄铁矿、板状和多面体状锐钛矿，其次发育有少量黄铜矿、铁锰矿、方铅矿、闪锌矿和稀土；发育的非金属矿物主要有白云石、重晶石、磷灰石、方解石；见碳化植物碎屑和少量有机质斑点；发育的黏土矿物主要有片状和针叶状绿泥石和蜂窝状伊蒙混层。

在灰黑色矿石中，常见铀石、黄铁矿、重晶石共同分布于颗粒间及颗粒表面（图3b）。发育大量四方双锥状铀石（图3c），多数分布于石英、长石颗粒表面溶蚀的坑洞、裂隙和颗粒间孔隙中，或者分布于溶蚀的黄铁矿和黄铜矿表面及周边（图3d），少量不规则状铀石与暗色有机质混杂；在灰色岩心中发育大量球形沥青铀矿，多分布于石英、长石等矿物颗粒表面溶蚀坑中（图3e），部分分布于白云石（图3f）和锐钛矿表面（图3g）。钛、铁、铀混合物通常分布于石英、长石溶蚀坑洞中，或分布于绿泥石和伊蒙混层等黏土矿物表面及矿物间，其周边常发育短棱柱状磷灰石和片状绿泥石（图3h）。

矿石中的有机质多数呈零星的不规则点状分布于碎屑颗粒表面（图3i），部分有机质与不规则铀石混杂（图3j），或有机质表面发育少量铀矿物。仅在灰色砾岩中可见条带状碳化和硅化植物碎屑（图3k），但植物碎屑与铀矿物关系不明显。矿石中发育少量不规则状铁氧化物，或发育铁、锰氧化混合物。铁氧化物表面发育针状和不规则状不明铀矿物（图3l），铁氧化物周边常发育较多短柱状磷灰石和斜方体白云石。

4.2 灰白色铀矿石物质组成特征

灰白色中细砂岩碎屑成分主要为长石（15%～20%）、石英（55%～60%）、岩屑（25%～30%），次棱角状—次圆状，分选中等；长石为斜长石和钾长石，单晶石英，岩屑为黏土质硅质岩、硅质岩、石英岩、碳酸盐岩、闪长岩、云母碎屑；填隙物为黏土杂基（1%～2%）、铁质胶结物（1%～2%）、硅质胶结物（1%）。颗粒支撑，孔隙式胶结（图4a）。

图4 灰白色铀矿石物质组成Fig.4 The material composition of grayish white uranium ore

灰白色赋矿砂岩中铀矿物主要为沥青铀矿，其次是钛、铀混合物。沥青铀矿呈现球粒状，广泛分布于石英（图4b）、长石、锐钛矿（图4c）、锆石（图4d）、白云石等碎屑颗粒或矿物颗粒表面及溶蚀坑洞中。钛、铀混合物分布也较广泛，其周边及上部常发育较多斜方体白云石（图4e）；发育的金属矿物主要是不规则状黄铁矿、锐钛矿和黄铜矿，见少量闪锌矿。黄铁矿呈不规则状、碎片状，沥青铀矿主要赋存在黄铁矿表面及周边碎屑颗粒溶蚀坑洞中（图4f）。黄铜矿也呈现不规则状，黄铜矿表面发育少量铀矿物，但其周边却发育大量沥青铀矿（图4g）；发育的非金属矿物主要是自生白云石和硫酸盐矿物（图4h），见少量重晶石（图4i）和锆石；黏土矿物可见少量高岭石。与其他颜色岩石相比，灰白色赋矿砂岩中很少见有磷灰石和暗色有机质。

4.3 灰绿色铀矿石物质组成特征

灰绿色赋矿砂岩主要有灰绿色含砾粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩及灰绿色夹紫色中粗砂岩。赋矿层位为环河组底部和洛河组顶部。

灰绿色中细砂岩碎屑成分主要为长石（20%～25%）、石英（35%～40%）、岩屑（35%～40%），棱角状—次棱角状，分选中等；岩屑为黏土岩、黏土质硅质岩、硅质岩、石英岩、碳酸盐岩、闪长岩、云母碎屑。填隙物为黏土杂基（2%～3%）、铁质胶结物（3%～5%）、硅质胶结物（1%），石英见次生加大边。颗粒支撑，孔隙式胶结（图5a）。

图5 灰绿色铀矿石物质组成Fig.5 The material composition of grayish green uranium ore

矿石中发育的铀矿物主要有四方双锥状、粒状、不规则状铀石（图5b）和胶状、薄壳状、球粒状沥青铀矿（图5c），其次是钛、铁、铀混合物（图5d），独立铀矿物比较少见，铀矿物多数赋存在铁氧化物表面（图5e）；金属矿物主要有八面体（图5f）、聚形（图5g）、似球形（图5h）和不规则状黄铁矿、铁氧化物和钛铁氧化物、闪锌矿（图5i）、黄铜矿（图5j），见少量含稀土矿物（图5k）。灰绿色矿石中发育的黄铁矿明显比灰色赋矿砂岩中的多，形态较规则的黄铁矿多数以独立矿物或矿物集合体形式产出，黄铁矿表面偶见少量铀矿物（图5l）；非金属矿物主要有棱柱状磷灰石、白云石（图5m）、方解石和少量重晶石（图5n）；发育的黏土矿物主要为片状绿泥石（图5d）；矿石中可见少量暗色有机质，主要呈现星点状分布（图5o）。

4.4 紫红色、棕红色铀矿石物质组成特征

紫红色赋矿砂岩以细砂岩为主，其次为紫红色粗砂岩、紫红色粉砂质泥岩和紫红色砾岩。其中细砂岩碎屑成分主要为长石（20%～25%）、石英（50%～55%）、岩屑（25%～30%），棱角状—次棱角状，分选中等；长石为斜长石和钾长石，单晶石英，岩屑为黏土质硅质岩、硅质岩、石英岩、碎屑；填隙物为黏土杂基（1%～2%）、铁质胶结物（2%～3%）、硅质胶结物，石英见次生加大边。颗粒支撑，孔隙式胶结（图6a）。

图6 紫红色、棕红色铀矿石物质组成Fig.6 The material composition of purplish red and brownish red uranium ore

本文在ZK04和ZK08中揭露厚6.9～16.9 m的紫红色矿石中所采集的10 个样品，在电镜下均未见到铀矿物或含铀矿物的混合物（微量分析显示铀含量为84.9×10-6～142×10-6）。仅在ZK03 中的紫红色粗砂岩中见到少量粒状和不规则状铀石，铀石周边发育大量短棱柱状磷灰石（图6b），部分铀石与白云石混杂（图6c）；矿石中发育的金属矿物主要是铁氧化物、锰氧化物，见少量含稀土矿物（图6d）。铁氧化物呈现似球形、针状和不规则状广泛分布于碎屑颗粒表面和颗粒间，常与磷灰石和白云石共伴生（图6e）。锰氧化物自颗粒表面向颗粒间空隙生长，在颗粒表面呈现层状（图6f），单颗粒锰氧化物呈三棱锥状（图6g），在锰矿表面偶见球形铁氧化物和针状钛氧化物；矿石中发育的非金属矿物主要是自生短棱柱状磷灰石、自生斜方体白云石（图6h）和方解石（图6i），见少量重晶石（图6j）；在紫红色砂岩中见到少量单颗粒不规则状有机质，有机质呈环带状赋存于铁氧化表面（图6k），或呈斑点状赋存于长石等碎屑颗粒间（图6l）；黏土矿物可见少量片状绿泥石。

4.5 浅黄色、黄绿色铀矿石物质组成特征

浅黄色中细砂岩碎屑成分主要为长石（20%～25%）、石英（50%～55%）、岩屑（25%～30%），棱角状—次棱角状，分选中等；长石为斜长石和钾长石，单晶石英，岩屑为黏土岩、黏土质硅质岩、硅质岩、石英岩、碳酸盐岩、闪长岩、白云母碎屑；填隙物为黏土杂基（1%～2%）、铁质胶结物（1%～2%）、硅质胶结物、方解石胶结物（3%）。颗粒支撑，孔隙式胶结（图7a）。

图7 浅黄色、黄绿色铀矿石物质组成Fig.7 The material composition of light yellow and chartreuse uranium ore

矿石中偶见少量不规则状铀石（图7b）；发育的金属矿物主要为球形铁氧化物（图7c）、钛铁氧化物和似球形、不规则状含稀土矿物（图7d）；发育的非金属矿物主要为斜方体白云石（图7e）、短棱柱状磷灰石（图7f）、方解石、含铀锆石（图7g）、重晶石、石膏和空心管状硒氧化物（图7h）；黏土矿物主要为绿泥石（图7i）。

5 讨论

5.1 赋矿砂岩岩石学特征

本次研究样品采集范围分布广，各钻孔之间短距离超过4 km，主要集中在约1 000 km2（除了ZK06 样品外）范围内，样品对沉积环境具有一定代表性。通过钻孔岩心观察，赋矿岩石沉积粒度广泛，铀矿石从砂砾岩—砂岩—粉砂岩—泥岩均有。砂岩沉积构造以水平层理和平行层理为主，未见高角度斜层理。经显微镜鉴定，无论是环河组还是洛河组赋矿砂岩，碎屑成分主要为长石（15%～25%）、石英（35%～60%）和岩屑（25%～40%），长石为斜长石和钾长石，石英为单晶石英。岩屑含量占比较高，成分较复杂，主要有硅质岩、黏土质硅质岩、碳酸盐岩、流纹岩、安山岩、闪长岩、石英岩、白云母；碎屑颗粒以棱角状—次棱角状为主，其次为次棱角状—次圆状，磨圆较差到一般，分选中等。通过岩心手标本观察和镜下鉴定可知，镇原地区环河组和洛河组赋矿砂岩主要为近源水系沉积物。

5.2 铀矿石中物质组成特征

经电子显微镜三维形貌观察，结合能谱成分测试可知，不同颜色铀矿石物质组成存在一定差异性（表1），下面分别讨论各种颜色矿石中铀矿物、金属矿物、非金属矿物、黏土矿物及有机质的赋存特征。

表1 镇原地区下白垩统不同颜色铀矿石物质组成统计表Table 1 Statistics of material composition of different colors uranium ore in Lower Cretaceous in Zhenyuan area

1）铀矿物特征

矿石中铀矿物主要为铀石和沥青铀矿，其次为钛、铁、铀混合物。铀矿物主要赋存于灰色、灰黑色和灰绿色矿石中的碎屑颗粒、金属矿物、非金属矿物、黏土矿物表面溶蚀的孔洞、微裂隙和颗粒间孔隙中，铀矿物赋存的微型空间与物质表面结构密切相关［12］。铀石晶形较好、颗粒较大，铀石和球形沥青铀矿均呈集合体形式广泛产出，表明该类铀矿石成矿时间较长、成矿作用较强；紫红色和浅黄色铀矿石中偶尔可见细小的、无明显晶形的铀石，未见沥青铀矿和钛、铁、铀混合物。放射性照相显示，紫红色矿石中影像主要呈现单点均匀分散状，少数呈现集中团块状，铀主要是以类质同相形式存在还是以分散吸附形式存在还需要进一步分析。

2）金属矿物特征

矿石中金属矿物种类较多，主要有黄铁矿、黄铜矿、锐钛矿、闪锌矿、方铅矿、铁氧化物、钛铁氧化物，可见少量含稀土矿物、锰氧化物、硒氧化物。其中与铀矿物关系密切的主要为黄铁矿、黄铜矿、锐钛矿、钛铁氧化物和铁氧化物。黄铁矿可见多种晶体形态，黄铜矿一般与黄铁矿呈聚形。仅在紫红色砂岩中可见锰氧化物且与铀成矿关系不明显。矿石中既有中低温矿物，也有中高温矿物，可见成矿流体成分较复杂，既有渗入成矿流体作用，也有深部渗出成矿流体作用。

3）非金属矿物特征

矿石中非金属矿物种类也比较多，主要有磷灰石、白云石、重晶石、方解石、石膏和锆石，见少量独居石和硒氧化物。铀矿物与磷灰石、白云石和重晶石关系较密切，多见铀矿物赋存其表面及周边。磷灰石主要呈现长轴小于10 μm 的棱柱状，白云石一般边长为几个微米的斜六面体，重晶石形态较多。磷灰石和白云石主要为成岩后自生矿物，重晶石既有自生晶型也有外来搬运特征。磷灰石在紫红色矿石中分布最多、最密集，普遍发育；在灰色、灰绿色和浅黄色矿石中较常见；在灰白色矿石中很少见。关于这种微纳米级自生磷灰石的成因及磷的来源，目前还没有确切的研究成果。秦艳等［13］、马晔等［14］研究认为鄂尔多斯盆地长7组烃源岩中铀，50%以独立铀矿物及类质同象形式存在于胶磷矿中；朱强等［15］认为磷灰石可能与生物成因有关；李子颖等［16］研究认为，盆地深部的富有机质（也常富磷），在成岩演化过程中产生的富有机酸、氢气等组分的流体对铀多金属等具有溶解迁移能力，从而成为重要的成矿流体；Hall 等［17］认为铀元素可随磷酸根一同迁移。据此可初步推测磷灰石中的磷可能来自深部延长组烃源岩中的胶磷矿，微纳米级磷灰石形成可能与生物作用相关，但磷灰石中及周边是否含铀以及铀的存在形式目前还不明确。

4）黏土矿物特征

矿石中黏土矿物较少，可见少量高岭石、蒙脱石、伊蒙混层和绿泥石。铀矿物主要赋存在绿泥石、伊蒙混层及蒙脱石表面。

5）有机质特征

矿石中有机质含量总体较少，在灰色、灰绿色和紫红色矿石中可见少量暗色有机质，在灰白色和浅黄色矿石中还未见到有机质。目前仅在1 个灰色砾岩样品中见到硅质植物碎屑，在灰色、灰绿色和紫红色矿石中见到的暗色有机质主要呈现单个细小的斑点状和团块状分布在碎屑颗粒表面，其中紫红色砂岩中见到的环带状暗色有机质，有机质环带内部和外部均分布为铁氧化物。这种暗色有机质用沉积成岩作用还很难解释其成因。