马尼特坳陷成矿环境识别与铀成矿特征

刘正义，刘武生，贾立城，史清平，彭 聪，陈 华

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

二连盆地马尼特坳陷地处中朝板块与西伯利亚板块的缝合线上［1］，其南、北分别为苏尼特和巴音宝力格隆起，属晚古生代天山—兴安岭碰撞带—中亚造山带东延部分（318～260 Ma）。该区经历了前中元古代（1800 Ma前）巴彦淖尔北和托托尚—锡林浩特陆块群，晚古生代天山—兴安岭碰撞带和强变形区，燕山晚期兴安岭构造岩浆带，到盆岭构造发育的陆壳区（135～56 Ma）以及始新世—渐新世陆相沉积区和陆地（56～23 Ma），中新世—更新世火山岩区和陆地（23～0.78 Ma）阶段。该地区邻近西部大陆岩石圈与东部陆壳洋幔型岩石圈的分界线，是在兴—蒙海西期多旋回、软碰撞褶皱基底上晚古生代发展的裂谷盆地。到晚白垩世，随着太平洋板块俯冲带的影响，该地区地壳隆升，盆地大部分停积，仅在盐池等洼地沉积。晚白垩世晚期沉积的二连组，其上段为砂泥岩，下段为玄武岩、凝灰角砾岩，厚度30～400 m，属河流-滨浅湖相沉积，为主要铀矿化层。二连组不整合于巴彦花群赛汉组（K1bs）之上，赛汉组亦为主要含矿层。二连期为盆地萎缩阶段，盆山高差较小，气候干旱，沉积范围局限。其上覆经一段停积后，沉积古新统的脑木根组（局部矿床）。

随着赋存于沉积盆地泥岩-泥砂岩中低品位铀资源研究的开展，非常需要丰富对铀成矿的识别评价技术和预测能力，前一阶段二连中东部已经取得一定进展和突破。根据马尼特坳陷西部勘查中对含矿地层所取标本样品鉴定及各项分析数据结果，初步对马尼特坳陷铀成矿环境提出几方面的识别评价并对铀成矿特征加以讨论。

图1 含矿岩石具明显的褐铁矿-赤铁矿化特征Fig.1 Ore-bearing rock with the distinct limonitization and hematization

1 成矿环境识别评价

1.1 褐铁矿-赤铁矿化（红化）是酸性水从还原环境运移到氧化环境的产物，是铀成矿识别的重要先导

红化过程的反应方程为：2Fe2＋＋1/2O2（g）＋5H2O＝2Fe（OH）3（s）＋4H＋，根据相关计算得 到 △G0298＝-33262.8 kJ/mol；△H0298＝-43597.28 kJ/mol，△S0298＝-84.01 J/K·mol［2］的反应自由能等数据表明褐铁矿化为典型低温氧化产物，是可靠的低温蚀变标志。褐铁矿易自发（如蒸发）脱水成为赤铁矿产生红化，同时溶液中铀以（UO2）2＋迁移、沉淀，呈现与铀伴生现象。野外岩心取样与显微镜观察，该地区矿化岩石出现大大小小褐（赤）铁矿斑点以及扫描电镜分析呈现的结构性疏松程度（图1）等表明铀矿化层位与地表连通。地下深处铀矿化部位连通富氧地表至关重要，富铀矿化皆与断层（走向或横向）、裂隙、 孔隙相关，产于富含褐（赤）铁矿呈灰黑带砖红色斑点的含砂泥岩（图1C）以及含比较丰富的褐（赤）铁矿灰色带黄、浅灰色斑点含砂泥岩（图1D）中。这些样品从图 1A到图 1D U4＋/U6＋比值依次为 2.80、 26.04、 1.75 和7.45，与各样品氧化程度具有很好的一致性（表 1）。

表1 马尼特坳陷成矿环境识别评价与预测参数 （一）Table 1 Ore-forming environment identification evaluation and prognosis parameters of Manite depression（Ⅰ）

表1 （二）Table 1（Ⅱ）

续表 1（Ⅱ）

1.2 岩石富含炭质、泥质、黄铁矿，与铀矿化呈正相关

较强的岩石还原能力（ΔEh）表现为岩石富含有机炭、泥质和黄铁矿，并与铀矿化呈正相关（表1）。矿石中蒙皂石占泥质-黏土矿物总量80%以上，表明成矿溶液呈弱碱性；有机炭经氧化表现为烟灰色，有机炭崩解成粉末，如图2A；从深灰色的有机炭褪色变为浅灰色，砂质砾岩，结构变得较疏松（扫描电镜分析），如图2B。同样，图 2C、2D样品分别见有褪色痕迹呈质地较疏松的特点。

1.3 岩石具“褪色”及结构性疏松现象

岩石具“褪色”现象表明岩石遭受过包括铀等元素的氧化和有部分组份迁移，如炭质氧化褪色的砂岩（图2C、D）中“活性铀”的迁出。褪色岩石呈斑点状分布在灰色岩中，且结构疏松，也有一部分砂岩呈浅色，表明为浅水环境。褪色过程本质是CO2和有机酸形成溶液的酸性反应。CO2加强了铁以Fe（HCO3）2形式从水云母和其他矿物中的带出作用，进而导致了这些矿物高岭石化。褪色作用主要在重力水的参与下进行，常常受水的最强烈运动带控制。这个带不仅是成矿溶液的通道，还常常作为“暴露面”，控制铀矿化分布。

1.4 岩石中“创面”痕迹不太发育，表明地壳上升隆起的时间间断不长

铀矿化不但受断层、裂隙和孔隙的控制，亦受适度氧逸度fO2控制，而且还受岩石中的泥砾（表明岩石有“创面”，显示水动力再冲刷）或多薄层泥岩角砾的控制，如烟灰色角砾状含砂质粉砂岩（图2A）。实际情况看，研究区缺乏“创面”痕迹，表明地壳上升隆起的时间间断不长或很短，这与本区在晚白垩世，地壳快速隆升，盆地大部分停积以及干旱气候有关。

图2 含矿岩石富含炭质、泥质和黄铁矿，具褪色现象Fig.2 Ore-bearing rock enriched with carbonaceous，argillaceous rock and pyrite，with the phenomenon of decoloration

1.5 利用微量元素不同特点对各种岩石所处地质微相、动力环境等进行识别

Sr/Ba比值作为古盐度识别的灵敏标志，主要依据Sr在溶液中迁移能力及其硫酸盐化合物的溶度积远大于Ba的地球化学性质。根据Sr/Ba比值判别沉积介质环境，一般淡水沉积相中Sr/Ba比值＞1，半咸水相为1～0.6，微咸水相为＜0.6。马尼特坳陷2012年工作区数个钻孔取样分析数据表明，矿化岩石比一般围岩“要咸一些”，Sr/Ba比值多大于0.2，为0.2～0.43，属微咸水相标志范围。

利用Th/U比值方法识别沉积环境的氧化或还原状态，主要是利用差异的钍、铀地球化学性质。众所周知，Th和U在还原条件下地球化学性质相似，但在氧化状态下差别就特别大。因此，利用Th/U比值方法可以判别沉积环境的氧化还原态。数据整理表明，矿化岩石Th/U比值要比围岩小1～2个数量级，明显处于缺氧环境。

V和Ni的离子价态容易随氧化度而变化，两者主要被胶体质点或者黏土等吸附沉淀。V在氧化环境被吸附富集，Ni则在还原环境更易 富 集 。V/（V＋Ni）比 值 为 高 比 值 （＞0.84）时反映水体分层及底层水体中出现H2S的厌氧环境；中等比值（0.84～0.60）时反映水体分层不强的厌氧环境；低比值（0.46～0.60）时反映水体分层弱的贫氧环境［3］。 利用 V/（V＋Ni）比值方法进行水体分层和底层水动力环境判别表明，富矿化（铀质量分数为0.01%～1.5%）如含砂或砂质泥岩等，为0.84～0.60中等比值范围；一般矿化（铀质量分数0.0578%～0.0117%）如细砂岩、砂质砾岩、泥岩，亦属于中等比值范围，皆反映水体分层不强的厌氧环境；而一般矿化的中粗砂岩和砾岩样品，V/（V＋Ni）比值均属＞0.84高比值范围，反映水体分层及底层水体中出现H2S的厌氧环境。铀偏高的围岩大都属于水体分层非常弱的贫氧环境［3-6］。

用高岭石和伊利石（K＋I）代表含矿溶液的酸性，用绿泥石和蒙皂石（C＋S）代表成矿溶液的碱性，两者之比值（K＋I）/（C＋S）可作为判别溶液酸碱性的参考参数。数据表明，岩石绝大多数是浅灰色、灰白色和黄色等氧化岩石，要比岩石含矿溶液更加酸性，铀矿化岩石相对偏碱性。但是高品位的铀矿化则与此相反，往往偏酸性。总之，利用所含微量元素不同特点，对各种岩石所处地质环境等进行识别，是一种比较好的探索方法（表 1）。

1.6 饱和烃类特点所反映的成矿环境

由表2可见，铀矿化岩石Pr/Ph值多数分布在0.861～1.250，为弱氧化条件；而围岩中则为相对还原条件，为0.753～1.250，只个别氧化环境为3.080。各种指标参数表明有机质处于非成熟阶段，如奇偶优势OEP值分布在0.092～0.587范围，数值处于中等，表明细菌的贡献更为重要；饱和烃组份以正烷烃为主，为 1717～3169 μg·kg-1，故生物降解作用不明显，属生物降解轻微；而围岩OEP值分布在0.111～1.100范围，表明大多仍为非成熟阶段，仅个别处于成熟阶段。有机质热演化程度控制轻烃的生成和分布；正烷烃分布对比表明，岩石正烷烃的分布以前峰型为主，轻烃/重烃（C20-/C21＋）比值也显示这一特征。因此，含矿层位岩性以含砂或砂质泥岩或细碎屑为主，有机质处于非成熟阶段，生物降解轻微；正烷烃的分布以前峰型为主。矿化岩石在沉积时为一种相对明显缺氧、微咸水相、水体分层不强的厌氧环境，一般矿化成矿溶液偏碱性，富矿溶液偏酸性。

表2 饱和烃分析结果得出的有机地球化学参数Table 2 Organic geochemical parameters obtained by saturated hydrocarbon analysis

2 铀成矿特征

2.1 富铀矿化以含砂泥岩或细碎屑岩为主

沥青铀矿经常于黄铁矿边缘沉淀，黄铁矿呈碎屑颗粒状进入裂隙产于红化（褐铁矿和赤铁矿）含砂（层）泥岩中（图3A～G），同时在裂隙中富集多个自然硒颗粒（图3D）。一般而言，自然硒是硒化物的风化产物，来自硒铅矿，常与褐铁矿共生构成氧化亚带，偶见“自然硒”与沥青铀矿共生。这种沥青铀矿同自然硒共存现象，表明两者是在酸性水中共存，因为在中性和碱性水中硒氧化物形成亚硒酸盐和硒酸盐。罕见的亚硒酸盐、硒酸盐SeO32-、HSeO3-和SeO42-仅在Eh很高的介质中才稳定。沥青铀矿不仅单独呈粒状颗粒存在含砂泥岩中（图3E）；还经常与多种单质矿物、稀有矿物、重矿物产于碎屑岩和泥岩中（图 3F、G）；沥青铀矿无 Th无Pb或含Ca、Si、Al、Na等杂质，可能表明矿龄小、浅成。含杂质较少的细小（2～3 μ）沥青铀矿独立存在于灰色中粗砂岩、砂砾岩粗碎屑岩中 （冲洪积相），或粗砂岩、细砂岩、粉砂岩的杂基中（可能成岩期间生成，时代较早）。单质矿物除自然硒外还有自然锡、自然铁、自然铜以及其他矿物如硫镉矿、硒镉矿、硒铅矿、条状金红石、磷钇矿、锆石、独居石、碎屑岩粒间的富钍独居石、混有硒、铅、铜的辉银矿（Ag2S）、含锑方铅矿等的存在，表明铀来源于晚古生代花岗岩基底，并显示强还原环境（图3E～G）；沥青铀矿呈细小颗粒与黄铁矿共产于石英、钾长石、钠长石等造岩矿物裂隙或单独于矿物颗粒表面处（图3H），表明底沉积时水的重力分选环境。

2.2 矿化具有一定层控性，含砂泥岩为主要矿化岩石类型，富含炭质泥质；后生阶段热作用是成矿关键

马尼特坳陷铀矿化类型，应属冲洪积辫状河-滨湖相双控的潜水-古河道近底沉积（主要是滞流相）热水淋积成因类型。铀矿化受河道近底层、滞流层和“小间断”制约，地下水具弱分层性。炭质、泥质含量与铀矿化呈正相关关系。一般岩石碳的同位素δ13Cv-PDB为-0.6‰～-5.5‰，富矿化岩石为-9.7‰～-10.5‰，低于围岩-2.6‰～-8.8‰范围。这可能与矿化岩石遭受热作用干扰等因素有关（表1），反映地幔流体对矿化的贡献。

2.3 碱性溶液的酸化与否是成矿的主要控制因素

该地区含矿层明显以铀偏高和异常层、铀-镭平衡中偏铀等为其矿化特点。低品位铀矿化明显与偏碱性含铀溶液有关；高品位铀矿化的成矿溶液与碱性溶液的酸化有关（表 1）。

2.4 岩石蚀变缺乏“碳酸盐化”但存在早期酸性淋滤作用

岩石胶结物缺乏碳酸盐表明铀以铀酰、硫酸铀酰及有机络合物等形式迁移。这可能与矿化岩石早期铀酸性淋滤有关（表1）。酸性淋滤溶蚀的产物主要为SiO2石英和黏土成分，岩中大量石英（表1中有的达到60%左右）出现可能与此（次生石英）有关。长石淋滤溶蚀作用化学反应式为：

总之，在约60 Ma时期该区正处于古近纪初期，二连组正处在盆岭构造发育后期的陆壳区。沉积厚度不大的滨浅湖（非盐湖）-河流相的二连组上段为砂泥岩；下段是玄武岩、凝灰角砾岩。由于受太平洋板块首次向西俯冲挤压影响较大，以滨浅湖为主的辫状河流-冲洪积入湖处或“小间断”（表现少量泥砾、泥岩角砾和褐铁矿以部分潜水面状氧化带出现）。经古地下水先酸性（淋滤）逐渐变为弱碱性，铀不断向深部和侧向迁移，逐步构成地下深部一种相对明显缺氧、微咸水相、水体分层不强的厌氧环境，造成溶液偏碱性，形成似层状，由异常层不断演化成一般矿化，后因断层、裂隙连通地表致使成矿溶液偏酸性 （沥青铀矿与自然硒共存产于含砂泥岩裂隙），铀再沉淀富集形成更富的矿体。

2.5 铀、钍同位素异常特征

图3 沥青铀矿赋存部位特征Fig.3 Features on occurring location of pitchblende

一般沉积岩中水的234U和238U的比值≥5为明显异常值，230Th/232Th＞20为明显异常值［7］。富铀矿化的含砂泥岩明显地富集234U，铀的氧化再沉淀过程伴随234U和238U的分离现象，如表 1的 Em12-61样品234U/238U 为 1.19±0.03，230Th/232Th为118±11。但目前较多的情况是，矿化岩石经常出现234U/238U低值、230Th/232Th特高异常值的规律，如表1中样品Em12-64、Em12-65、Em12-103和 Em12-107因邻近氧化带边界，234U显不足，234U/238U依次为 1±0.01、0.92±0.01、 0.94±0.02、 0.82±0.05；230Th/232Th依次为 187±38、131±15、 140±11、 134±12，分别为钍特高异常20的8、6、7和6倍。大部分具有230Th/232Th＞20异常者则是围岩特点，而非铀矿化。因此，利用230Th/232Th特高异常值的规律可以进行预测、预报。究其原因，后者是由于氧化铀的破坏伴随234U的优先淋滤，阻碍了铀同位素的分离。这可解释从该沉积物古氧化带中带出部分铀，特别是地下水从岩石淋蚀的铀，几乎总是不同程度富集234U的原因。

3 结论

马尼特坳陷在古近纪初期盆岭构造时期发育后期的陆壳区辫状河流-冲洪积入湖处的古河谷底沉积物以及部分潜水氧化面的“小间断”。其铀成矿过程为经潜水的酸性（淋滤）变为碱性，深部明显缺氧的微咸水相，水体分层不强的厌氧环境不断演变后由碱性环境形成一般矿化，再经氧化，使矿液变酸性形成更富矿石。铀矿化多产于含砂泥岩，矿石中出现褐铁矿，富含黄铁矿。沉积间断及褐铁矿化部位是寻找铀矿的主要位置，岩石遭淋滤的褪色部位，常常是现测铀丢失而230Th/232Th出现异常部位。另外，在找矿过程中多注意铀、镭平衡，以免丢矿、漏矿发生。

致谢：工作中得到核工业208大队杨建新处长、彭云彪总工程师等的大力支持和帮助。

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