石英碎屑中裂变径迹与铀成矿关系探讨

任志勇

［关键词］鄂尔多斯盆地东北部；砂岩型铀矿；直罗组下段；裂变径迹

砂岩型铀矿床是世界上最早发现的铀矿类型之一，层间氧化带砂岩型铀矿是一种赋存于沉积盆地中的新型核能源矿产。在20世纪60～70年代，美国地质学家对怀俄明盆地、科罗拉多高原和南得克萨斯等砂岩铀矿床的成矿物质来源、矿床成因、成矿模式等进行了深入研究和系统总结，建立了著名的卷型铀矿床成矿理论及矿床模式[1]，阐明了层间氧化带砂岩型铀矿的成矿地质条件和机理，建立了怀俄明式、科罗拉多式和南得克萨斯式等几种不同类型砂岩铀矿床的成矿模式及找矿标志。

裂变径迹法是根据矿物中U、Th放射性同位素自发裂变碎片的径迹而计时的一种方法。裂变径迹法用样量少，可用样品种类多，测年范围可由数年到几十亿年，特别是在5～100 Ma期间内，测年效果较其他方法为好，是第四纪地质年代测定的重要方法之一。此法还用于火山灰的年龄测定、热事件、考古材料的定年以及测定地貌演化和海底扩张的年龄和速度等[2，3]。近年来，由于观察径迹的工具迅速改进，此法应用范围越来越广，它不但可以精确测定岩石和矿物中的铀、钍含量，还可直观地看到铀、钍的空间分布。因此裂变径迹法是研究铀的迁移和富集规律的有效分析手段，同时也是其他地学研究中的有力方法。

目前，砂岩型铀矿已逐步成为我国铀矿地质储量持续增加的主要矿种之一，因此国内对砂岩型铀矿的研究引起了广泛的关注和重视[4-7]。随着砂岩型铀矿的成矿模式以及找矿标志等的不断完善，对于探明分布在各沉积盆地中的沉积型铀矿已经有了一套科学的理论依据和成矿规律总结，但是在砂岩型铀矿中的裂变径迹的研究较少，因此本论文从裂变径迹与铀成矿的关系这一角度展开研究和总结，试图丰富找矿标志。

1 地质概述

鄂尔多斯盆地东北部沉积盖层构造简单，总体上受近EW向分布的大型褶皱和局部小型正断层控制。褶皱发育于早白垩世之前，而断层形成于早白垩世或者早白垩世之后。区内直罗组与上覆安定组为连续沉积，之后盆地整体抬升缺失上侏罗统，此期找矿目的层直罗组下段在区内北东部遭到一定程度的剥蚀。研究区发育的沉积盖层包括中生界的三叠系（T）、侏罗系（J）、下白垩统（K1）和新生界的古近系（E）、新近系（N）、第四系（Q），各地层在横向和纵向上发育差异较大，其中三叠系、侏罗系和下白垩统是盆地沉积的主体。侏罗系在盆地东部一带呈SN向带状出露，向W及SW倾伏于下白垩统之下，为盆地重要的含煤地层，也是寻找铀矿的主要目的层（图1）。

鄂尔多斯盆地东北部沉积地层产状平缓，倾角1°～3°，为一整体向SW缓倾的大型斜坡。铀矿赋存于中侏罗统直罗组下段砂岩中。直罗组分为上、下两个岩性段，上段为一套红、黄、灰绿色相间的杂色中细粒砂岩和泥岩，岩石疏松，砂体厚度为20～40 m；下段分为上、下两个亚段，上、下亚段均为绿色、灰色砂岩与泥岩互层，其中上亚段是主要矿化层位，下亚段为次要矿化层位。

2 裂变径迹的密度统计

本文主要通过统计石英碎屑中的裂变径迹密度分析其与铀成矿的关系。当进行大量的石英中裂变径迹密度的统计时，考虑到某一张光薄片中石英碎屑上会记录多处裂变径迹的存在，而且通过显微镜观察同一处裂变径迹可能会出现两处甚至多处视域的叠交现象，无法准确地进行多处裂变径迹平均密度的估算，因此，为避免多处视域对同一径迹的叠交，采用以下统计方法：假设某一张薄片面积为S，在该薄片上观测到N处裂变径迹，其具体条数依次计数为：n1、n2、n3、n4……，则该薄片上单位面积裂变径迹的平均密度为ρ=（n1+n2+n3+n4+……）/S（条/mm²），同时由于样品中石英颗粒的含量可能会对统计结果造成影响，因此增加单位颗粒上裂变径迹平均密度作为参考值进行辅助的定量表征，即单位颗粒上裂变径迹平均密度为ρ=（n1+n2+n3+n4+……）/N×S（条/ mm²）。

3 裂变径迹与铀成矿要素之间的相关性分析

铀成矿的主要因素包括铀源、砂体及岩石地球化学环境，通过分析裂变径迹密度与目的层砂体的岩性、粒度、岩石地球化学环境之间的关系，以及与已发现铀矿体的空间配置规律，总结其对铀成矿的指示作用。本文主要以“单因素取证，多因素综合分析”的研究思路分析裂变径迹与成矿要素之间的相关性。

3.1 裂变径迹密度与铀矿体距离变化规律

针对已观察到的数据资料进行精细的统计和分类，计算出每个样品与含矿层之间的距离及其相对应的裂变径迹密度，作出裂变径迹密度与铀矿体距离之间的散点图，表征其相关性。

对共统计了研究区所观察到的63 个样品发现由于单位颗粒的裂变径迹密度大多分布在0～15 之间，范围跨度较小，不利于直观地观察规律，因此选取单位面积裂变径迹密度与铀矿体距离远近的相关性图解进行规律分析。

如图2 所示，大致可分为两条趋势线，即原生灰色中粗砂岩、绿色氧化中粗砂岩构成一条趋势线，其径迹密度值普遍较高，且距离铀矿体越远径迹密度值降低也较缓慢；另一条趋势线参照细砂岩的变化绘成，其径迹密度值较小，且对于距离的变化裂变径迹密度的响应更为敏感。样品与铀矿体距离主要集中在0～100 m之间，总的趋势为靠近铀矿体裂变径迹密度越高，远离铀矿体径迹密度越低，在0～40 m的距离范围内远离铀矿体，裂变径迹密度急剧下降，在40～180 m的距离范围内，随着远离铀矿体，径迹的密度呈缓慢的趋势下降。含矿砂体里裂变径迹密度总体偏高，在40～90（条/S*mm2）之间，工业品位的砂岩中裂变径迹密度比矿化品位的较高。

3.2 不同岩石地球化学类型砂岩径迹密度变化规律

在裂变径迹观察和统计时发现，不同岩石地球化学类型砂岩在裂变径迹密度变化上也有着差别，因此，为了更客观真实地反映出裂变径迹与各成矿要素之间的规律，将统计的样品按照不同岩石地球化学类型分为三大类，分别是氧化砂岩，灰色含矿砂岩以及原生灰色砂岩。

图3 所示为不同岩石地球化学类型砂岩中裂变径迹密度距离铀矿体远近变化关系的图解，从中可以看出，距离含矿层越近，径迹密度一般均较大，由于氧化砂岩经过含氧含铀水的改造，整体呈均匀递减的趋势，此外，中粗氧化砂岩比绿色细砂岩的径迹密度更大；而原生灰色砂岩中裂变径迹的密度与铀矿体之间的距离变化规律同样相似（图4），但随着距离的增加，径迹密度对铀矿体的敏感度降低，说明在距离矿体较近的位置（约10 m处）存在一个过渡带，对径迹密度工业矿体的铀裂变径迹密度比矿化的高，同时还有3个灰色细砂岩含矿，相对而言均处在较低的密度区域，说明裂变径迹的密度不仅与岩石的粒度有关。图5 为不同岩石地球化学类型砂岩中裂变径迹的平均密度值的柱状对比分析图，灰色含矿砂岩中的裂变径迹的平均密度最高，ρ1平均值可达56.6（条/S*mm²），ρ2平均值可达9.44（条/N*S*mm²），而氧化砂岩和原生灰色砂岩的裂变径迹密度近似一致，均比灰色含矿砂岩少很多，ρ1 分别为36.6（条/S*mm²）和34.68（条/S*mm²），氧化砂岩单位面积裂变径迹平均密度略高；ρ2分别为6.4（条/N*S*mm²）和6.84（条/N*S*mm²），原生灰色砂岩中单位颗粒裂变径迹平均密度略高。

3.3 不同粒度砂岩径迹密度变化规律

通过统计不同粒度岩石中径迹密度，发现中粗砂岩的平均裂变径迹密度是要远高于细砂岩的（图6）。这有可能是因为粒度不同，导致的岩石孔隙度、渗透率等的差异，从而不利于含氧含铀的流体运移，使得细砂岩中径迹密度整体偏低。

3.4 不同粒度、岩石地球化学类型砂岩径迹密度变化规律

由于单位面积及单位颗粒裂变径迹在不同岩石地球化学类型及不同粒度的因素下其密度均存在着较大的不同，因此为了客观综合地进行对比，将样品分为四类：绿色中粗砂岩、绿色细砂岩、原生灰色中粗砂岩及原生灰色细砂岩，两两进行比较，得出如下结果（图7）：该图分类统计采用的方法与不同岩石地球化学类型的统计方法相似，即以距离每隔10 m为区域，选取中粗砂岩和细砂岩共同出现的点进行裂变径迹密度的统计，结合图7 的柱状图可知：在随着距离铀矿体越远，径迹密度越低的大趋势下，绿色中粗砂岩的单位面积裂变径迹密度ρ₁平均值为50.78（条/S*mm²），单位颗粒径迹密度ρ₂ 平均值为8.4（条/N*S*mm²），而绿色细砂岩ρ₁平均值仅为22.1（条/S*mm²），ρ2平均值为5.86（条/N*S*mm²），说明在大致距铀矿体同等距离的情况下绿色中粗砂岩比细砂岩的单位面积及单位颗粒径迹密度平均值都要高许多；同理，对于原生灰色砂岩，在与大趋势相一致的基础上，原生灰色中粗砂岩的单位面积径迹密度ρ₁平均值为55.87（条/S*mm2），ρ2为8.43（条/N*S*mm²），而原生灰色细砂岩ρ₁仅为26.8（条/S*mm²），ρ₂为6.95（条/N*S*mm²）。

通过数据统计发现，虽然细砂岩的裂变径迹要小于中粗砂岩，但是在绿色砂岩中的变化更明显，绿色砂岩的ρ₁、ρ₂细/中粗比值分别为0.43、0.69，而灰色砂岩的细/中粗比值分别为0.48、0.83。说明裂变径迹密度既与成岩期的本身铀含量有关，同时成矿期的改造对其也有影响。

4 裂变径迹对铀成矿作用的指示

本节在裂变径迹密度与铀矿体空间配置规律以及其与成矿要素之间的相关性分析的基础上，以裂变径迹密度变化及产出特征为主，结合典型的矿物学现象以及岩石类型、粒度等方面的差异来综合地指示铀成矿过程中层间氧化带的划分及其他方面的简要判别。

由图8 所示，通过对典型现象的分类，数据的统计和处理，总结出利用裂变径迹的各综合评价指标来探索研究区层间氧化带的划分。整体来看，矿化带的裂变径迹平均密度在研究区直罗组下段的各层位均最高，且平均值以及取值范围也保持在较高的区域为26～ρ₁～86（条/S*mm²）；古氧化带和还原带的径迹密度相对较低，直罗组下段平均值分别为36.6（条/S*mm²）及34.68（条/S*mm²），两者相差不大，其取值范围跨度大，最低值趋近于零。说明影响径迹的形成及观察因素较多，需要进一步地细分。因此，通过其较为典型的产出特征以及微观矿物学特点可以将其很好地划分：古氧化带多产出石英碎屑颗粒裂缝等破碎面上，颗粒溶蚀程度较高，见褐铁矿化、钙质胶结等；而还原带中颗粒溶蚀少，晶形较完整，局部黄铁矿化及粘土化，径迹的形态也较为清晰。综上，可以通过以上各种指标指示岩石所处分带，从而进行层间氧化带的划分。

此外，在矿床附近钻孔的古氧化砂岩的裂变径迹密度要明显高于外围钻孔，说明矿床附近的氧化砂岩前期可能富铀附载过大量的铀，所以裂变径迹密度在一定程度上可以反映出距离铀矿体的远近。若在某一区域范围内古氧化砂岩石英碎屑中裂变径迹密度值均较高，则有可能表明该砂岩本身为含矿砂岩或者距离含矿砂岩较近（图9）。

综上所述，裂变径迹与铀矿体关系密切，因此可以利用与成矿要素的相关性统计综合分析裂变径迹与铀成矿作用之间的关系，如进行层间氧化带的划分以及大致判断距离铀矿体远近程度等，以期作为一种微观找矿标志辅助指导实际砂岩型铀矿勘探工作。

5 结论

5.1 总结了不同岩石地球化学类型的砂岩中裂变径迹密度与铀矿体空间配置规律

通过统计对比发现，越靠近含矿层或铀矿体，则所观察到砂岩石英碎屑中裂变径迹密度越大；反之，则越小。此外，氧化砂岩随着距离铀矿体越近，其径迹密度呈均匀增加，而灰色砂岩则随着与铀矿体的距离增加，其径迹密度先快速降低后稳定。

5.2 总结了不同粒度的砂岩中裂变径迹密度与铀矿体空间配置规律

粒度为中、粗砂岩的裂变径迹密度比细砂岩的密度大得多。一方面与沉积时的物性差异及水动力条件不同，致使其含铀性不同；另一方面，细砂岩较中粗砂岩而言物性条件如孔渗性等差，在成矿期阻碍着含矿流体的运移，所产生的裂变径迹密度比中粗砂岩明显减少。

5.3 探讨了裂变径迹与铀成矿作用之间的关系

在进行层间氧化带的划分时，裂变径迹密度可作为一个较典型的划分标志，即从氧化带→矿化带→还原带对应砂岩石英碎屑中裂变径迹密度整体趋势是从低→高→低变化的。同时可以依据区域内氧化砂岩石英碎屑中裂变径迹密度值来大致判断距离含矿层或铀矿体的远近程度，较好地指示铀矿的富集区域。