准噶尔盆地卡姆斯特地区石树沟群砂岩地球化学特征及其对源岩的指示

杨 烨

(1.核工业北京地质研究院,北京 100029;2.中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室,北京 100029)

新疆准噶尔盆地东缘卡姆斯特地区为中国北方砂岩型铀矿找矿的热点区域,中上侏罗统石树沟群为该区砂岩型铀矿重点找矿层位。近年来有学者从地层结构、构造、岩性、岩相、地貌、水文地质、古气候环境等方面对石树沟群进行了研究,认为该地层砂岩型铀成矿条件好(金若时等,2014;王果等,2016;杨烨等,2016;孙潇等,2019;杜杰等,2017;冀华丽等,2021;刘明等,2021),但针对石树沟群物源的研究偏少。

铀是大离子亲石元素,倾向于在酸性岩中富集。砂岩型铀矿赋矿层源岩性质与铀成矿关系密切,酸性源岩有利于沉积地层中铀的预富集,沉积之后亦为铀成矿提供有利的铀源,所以沉积源岩为酸性岩是砂岩型铀成矿有利的判别标志之一。沉积岩记录着源区物质成分、构造环境等丰富且重要的信息(龙晓平等,2008;杨仁超等,2013;张宾等,2020;王海涛,2022)。沉积岩的地球化学特征是追踪沉积物源类型、恢复和重建古构造背景的重要指标(杜远生等,2006;Nance et al., 1976;石威科等,2020;刘成东等,2023)。笔者通过研究卡姆斯特地区中上侏罗统石树沟群下段砂岩的物质成分、元素地球化学特征,揭示其沉积物质源岩类型及形成环境,探讨其对砂岩型铀成矿的影响,为进一步研究卡姆斯特地区砂岩型铀成矿条件提供依据。

1 区域地质背景

研究区位于喀拉萨依单斜带东端部位,紧邻卡拉麦里造山带,北部出露泥盆系火山岩,局部为石炭纪、志留纪酸性侵入岩;东部出露卡拉麦里石炭纪花岗岩,石炭系变质碎屑岩、火山岩;南部出露泥盆系火山岩,局部为石炭纪酸性侵入岩。喀拉萨依单斜带位于克拉美丽山以北,喀拉萨依断裂以南,东西走向,长约50 km,宽为15～18 km,面积约850 km2(王学斌等,2014),如图1所示。喀拉萨依单斜带南高北低,东高西低,地表坡度平均为1°。底部倾角平均为1°～2.5°,地层由南向北加厚,表现为缓倾的单斜构造,为砂岩型铀成矿有利的构造单元。喀拉萨依断裂为逆冲断裂,倾向北,倾角为47°,长度为47 km,最大断距为1 km,断开层位为三叠系和侏罗系,该断裂是喀拉萨依单斜带区域性地下水排泄构造。研究区沉积盖层为侏罗系、新近系、第四系,具体描述见图2,其中侏罗系石树沟群和西山窑组分别为主要赋铀层和铀矿化层。

图2 研究区综合柱状图Fig.2 Generalized column of the study area

2 样品采集及分析

笔者采集了28件砂岩样品和23件物源区样品。其中砂岩样品采自卡姆斯特地区ZK-1、ZK-2、ZK-3钻孔(图1)中上侏罗统石树沟群下段(图2)新鲜无污染的岩芯,采样深度为465～770 m。物源区样品采自卡拉麦里造山带地表露头,采样位置见图1,样品为新鲜或风化程度弱的中酸性岩浆岩。化学分析在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。常量元素使用荷兰Philips公司生产的PW2404型号X射线荧光光谱仪测定,精度优于5%。微量元素使用Finnigan-MAT公司生产的ELEMENT XR型号高分辨电感耦合等离子质谱仪(HR-ICP-MS)测定,精度优于10%。

3 源岩分析

研究区石树沟群下段为温暖湿润气候下近物源的辫状河-辫状河三角洲相粗碎屑沉积,表明碎屑没有经历长期、长距离的搬运和分选。通过对石树沟群砂岩镜下鉴定,砂岩碎屑颗粒中石英含量为33%～60%,长石含量为8%～14%,岩屑含量为30%～55%,杂基含量为3%～10%,胶结物含量为1%～4%。碎屑分选差-中等,磨圆度差,呈棱角-次棱角状,颗粒支撑,孔隙式胶结(图3a)。长石以条纹长石、微斜长石、斜长石为主,其中斜长石常见聚片双晶。岩屑以花岗岩岩屑、酸性火山岩岩屑、脉石英岩屑、云母为主,见少量板岩岩屑、泥岩岩屑、燧石(图3b)。杂基主要为黏土矿物,以高岭石、蒙皂石为主,其次为伊利石及绿泥石。胶结物主要为碳酸盐及少量沸石。砂岩成岩固结作用较弱,岩石较为疏松。砂岩岩屑含量高,岩屑成分复杂,成分成熟度低,以岩屑砂岩为主,为近物源的沉积,搬运距离近,分选作用弱,碎屑特征能反映其源区的性质。

图3 研究区石树沟群砂岩显微镜下照片Fig.3 Microscope images of sandstones of Shishugou group in the study area

砂岩SiO2含量为64.32%～74.02%,ω(SiO2)/ω(Al2O3)值为4.19～6.29(表1),反映砂岩成分成熟度低,为近物源沉积,这与显微镜下薄片鉴定结果一致。将样品投于ω(Al2O3)-ω(CaO+Na2O)-ω(K2O)三角图中(图4),样品整体呈现出与ω(Al2O3)-ω(CaO+Na2O)边界平行的趋势,显示砂岩成分的主要控制因素为风化作用,沉积期后的成岩作用对砂岩化学成分影响小(McLennan et al., 1993)。

表1 卡姆斯特地区石树沟群砂岩常量元素含量

图4 ω(Al2O3)-ω(Cao+Na2O)-ω(K2O)图解Fig.4 Ternary diagram of ω(Al2O3)-ω(CaO+Na2O)-ω(K2O)

研究区石树沟群砂岩微量元素含量(表2)和上地壳标准化蛛网图(图5)显示Cs、U、Cr、Hf富集,Nb、Ta、Th亏损,表明沉积母岩为富铀岩石。

图5 研究区石树沟群砂岩微量元素上地壳标准化蛛网图(Taylor et al., 1985)Fig.5 Upper crust normalized trace element spider diagrams of sandstones from Shishugou group in the study area

稀土元素具有不可溶性,在风化、搬运过程中呈颗粒搬运,受沉积环境、成岩作用等影响小,所以碎屑岩中的稀土元素含量及特征主要受控于源区岩石成分,因此稀土元素可用于反应物源及源区构造背景(Fleet, 1984;McLennan, 1989)。沉积岩对其源岩的稀土元素具有强继承性,稀土元素中的Eu异常程度是示踪沉积物源的重要参数。源自上地壳的稀土元素具有轻稀土富集、重稀土含量稳定、Eu负异常明显的特点(Shao et al., 2001)。长英质岩具有高LREE/HREE值、Eu负异常明显的特点;铁镁质岩具有低LREE/HREE值、Eu弱负异常或无异常特点(Cullers, 2000)。若沉积源岩为花岗岩,则沉积岩具Eu负异常;若沉积源岩为玄武岩,沉积岩具Eu无负异常(刘英俊等,1987)。

将28件砂岩稀土元素含量用球粒陨石标准化,稀土元素配分曲线整体形态相似,只是随含量变化平行上下移动,显示沉积物具有同源性(表3,图6a)。稀土元素配分模式呈向右倾斜模式,LREE/HREE值为5.51～9.33,平均值为7.42;LaN/YbN值为4.50～8.51,平均值为6.43;轻稀土富集,重稀土亏损;δEu值为0.16～0.76,平均值为0.60,Eu具负异常,显示沉积源岩为花岗岩或长英质岩。在ω(La/Yb)-∑REE源岩判别图解中(图7),样品落在花岗岩和沉积岩两种岩性交汇区及沉积岩区,显示沉积源岩为花岗岩和沉积岩。

图6 研究区石树沟群砂岩稀土元素球粒陨石标准化配分图(Taylor et al., 1985)Fig.6 Chondrite normalized REE patterns of sandstones from Shishugou group in the study area

图7 ω(La/Yb)-∑REE源岩判别图解Fig.7 Source rock discrimination diagram of ω(La/Yb)-∑REE

将23件物源区样品稀土元素含量用球粒陨石标准化,稀土元素配分模式整体呈右倾模式(表3,图6b),LREE/HREE值为2.04～11.44,平均值为5.82;LaN/YbN值为1.09～16.91,平均值为5.34;轻稀土富集,重稀土亏损;δEu值范围为0.01～1.13,平均值为0.47,除样品Y10具有弱的正异常,其他均为负异常。可以看出,研究区砂岩与物源区的稀土元素配分特征具有较好的相似性,沉积物源主要来自卡拉麦里造山带。碎屑岩中K、Rb能反映沉积物源区特征(Floyd et al., 1989),在ω(K2O)-ω(Rb)源岩判别图解中(图8a),样品ω(K/Rb)值集中,均落在中酸性岩区域,显示石树沟群沉积物主要来源于中酸性岩。在ω(Co/Th)-ω(La/Sc)源岩判别图解中(图8b),样品多数落在长英质火山岩与安山岩之间,有3个样品落在花岗岩附近区域,显示沉积物源以长英质火山岩为主,部分为花岗岩。在ω(TiO2)-ω(Ni)源岩判别图解中(图8c),多数样品落在酸性岩区域,3个样品落在酸性岩区域外,显示沉积物源以酸性岩为主。在ω(La/Th)-ω(Hf)源岩判别图解中(图8d),多数样品落在长英质源和混合长英质/基性源区域,2个样品落在上地壳区域,2个样品落在增加古老沉积物成分区域,显示沉积物源岩以长英质岩为主,部分为古老沉积物。砂岩岩相学特征、常微量元素特征及各源岩判别图解特征显示,沉积源岩以花岗岩、酸性火山岩为主,部分源岩可能为古老沉积物。

图8 源岩判别图解Fig.8 Source rock discrimination diagrams

4 源岩构造背景

运用构造背景图解对研究区28件砂岩样品进行源岩构造背景判别(图9)。如图9所示,在ω(F1)-ω(F2)构造环境判别图解中(图9a),样品落在大陆岛弧和活动大陆边缘区,指示石树沟群源岩的构造背景与大陆岛弧-大陆边缘有关。在ω(Al2O3/SiO2)-ω(TFe2O3+MgO)构造环境判别图解中(图9b),多数样品落在活动大陆边缘区,部分落在大陆岛弧区,指示石树沟群源岩的构造背景与活动大陆边缘有关,部分与大陆岛弧有关。在ω(TiO2)-ω(TFe2O3+MgO)构造环境判别图解中(图9c),多数样品落在活动大陆边缘区,部分样品落在大陆岛弧区,个别样品落在活动大陆边缘上方区域,指示石树沟群源岩的构造背景与活动大陆边缘有关,部分与大陆岛弧有关。在ω(Zr)-ω(Th)构造环境图解中(图9d),多数样品落在大陆岛弧区,2个样品落在活动大陆边缘区,1个样品落在被动大陆边缘区,指示石树沟组源岩的构造背景与大陆岛弧有关,部分与活动大陆边缘有关。上述构造背景判别图解特征显示,石树沟群源岩的构造背景为活动大陆边缘-大陆岛弧,与古生代准噶尔地块与西伯利亚板块的俯冲、碰撞,以及卡拉麦里造山活动相关,在板块俯冲碰撞过程中,形成的古生代岩浆岩中富集了铀。

图9 源岩构造背景判别图解Fig.9 Tectonic setting discrimination diagrams of source rocks

5 结论

(1)卡姆斯特地区石树沟群砂岩以岩屑砂岩为主,成分及结构成熟度低,为近物源沉积,未经历高度分选,成岩作用对化学成分影响弱,其地球化学特征能够指示源特征。

(2)石树沟群砂岩具Cs、U、Cr、Hf富集,Nb、Ta、Th亏损的特点;其轻稀土富集、重稀土亏损、Eu具负异常,稀土元素特征与卡拉麦里造山带中酸性岩浆岩具有相似性。

(3)砂岩源岩判别显示其母岩主要为中酸性岩浆岩,指示卡姆斯特地区石树沟群砂岩的沉积母岩主要来自卡拉麦里造山带的富铀中酸性岩浆岩;富铀母岩为砂岩型铀成矿提供物质来源。