鄂尔多斯盆地延长组长7段地层的富铀作用

赖小东， 王安东

(1.东华理工大学省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地,江西 南昌 330013;2.东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330013)



鄂尔多斯盆地延长组长7段地层的富铀作用

赖小东1,2， 王安东1,2

(1.东华理工大学省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地,江西 南昌 330013;2.东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330013)

通过对鄂尔多斯盆地南部延长组凝灰岩及其附近层位的烃源岩岩相学及地球化学研究，阐明了蚀变对铀富集的重要作用。在凝灰岩和烃源岩中的铀都主要来自热液在上升过程中从围岩中捕获的铀和经过淋滤作用而往下迁移的铀。铀的富集过程分两种情况，当有机物含量足够高的时候，发生还原作用，U(Ⅵ)离子被还原成U(Ⅳ)，不溶性的U(Ⅳ)得以富集，这就是烃源岩中的铀含量比凝灰岩中高的原因。在有机物不够高，还原环境程度不足以使铀强烈富集的情况下，由于蚀变作用而使含矿溶液发生pH以及Eh等条件的改变是导致铀富集的主要因素，蚀变为铀的富集提供了有利的地球化学环境。

凝灰岩；烃源岩；鄂尔多斯盆地；铀矿

赖小东，王安东.2015.鄂尔多斯盆地延长组长7段地层的富铀作用[J].东华理工大学学报：自然科学版，38(4)：358-363.

Lai Xiao-dong, Wang An-dong.2015.Hydrothermal alteration in the uranium enrichment of the Yanchang formation in South Ordos basin[J].Journal of East China Institute of Technology (Natural Science), 38(4)：358-363.

近年来在鄂尔多斯盆地发现油、气、煤、铀等多种矿产资源，表明该盆地是一个多种资源和能源共存的大型沉积型盆地(Ye et al., 1997; Liu, 1998; Zhang et al, 1998; Darby et al., 2002; Ritts et al, 2004; 魏永佩等, 2004; 张进等, 2004; 戴金星等, 2005; 刘池洋等, 2005)。国内外学者从理论和实践等多方面探讨了铀元素富集及其矿床的形成条件，认为沉积体系特征、沉积相的空间展布、沉积环境的演化和层序地层学等在其间起了重要作用(Adler, 1974; Brooking, 1976; Langmuir, 1978; Pirc et al., 1981; Murray et al., 1992; Finch, 1996; Spirakis, 1996; Shikazono et al., 1997; Mikake et al., 2000; Lorilleux et al., 2003; Lai et al., 2008; Ling et al., 2006；Yang et al., 2009; 赖小东等, 2010; 李保侠等, 2013; 杨晓勇等，2006, 2007，2008，2009)。鄂尔多斯盆地三叠系延长组中存在多层凝灰岩，对该凝灰岩及其成岩的研究长期没有被重视，近年来发现该凝灰岩与盆地中的铀矿化具有关系。

据分析，蚀变对铀富集有重要作用，特别是当有机物含量不够高或者氧化环境时，蚀变为铀的富集提供了有利的地球化学环境。并且在凝灰岩和烃源岩之间不存在铀的迁移作用。

1 矿床地质特征

鄂尔多斯盆地延长组地层横向上可对比性凝灰岩主要分布在延长组长7及长8段，以盆地西南部长7期最发育，分布于盆地中心的南东向，凝灰岩常较厚，层数较多；而盆地中心的北西向长7期凝灰岩较不发育，凝灰岩常较薄，层数较少。采样地层为延长组长7、长8段凝灰岩夹层，主要采自岩心样，白云岩及油页岩采自甘肃铜川市何家坊东坡的一个油厂废弃采矿场的长7段夹层。

凝灰岩主要为层状、块状，有时呈透镜体形式，颜色变化大，从灰浅绿色至棕褐色均有发现，见有微细水平层理，少数单层具有粒序性。凝灰岩具有凝灰或沉凝灰等结构，碎屑主要表现为岩屑、晶屑、玻屑等，碎屑粒度小，一般小于2.0 mm。手标本及薄片下可以看出，凝灰岩大都呈现不同程度的蚀变作用。

2 元素地球化学特征

从元素的分析结果(表1)可以看出，大部分样品的烧减量都较大，有的甚至高达35%。其中三个烧减量最大的样品L11、L28、L29分别是凝灰岩、白云岩以及页岩。白云岩中碳酸盐的含量高，因此其烧减量高；页岩中有机物的含量高，因此其烧减量也高。L11的凝灰岩中烧减量如此高，其CaO和MgO的含量不高，但FeO(tot)含量高，表明可能经历过菱铁矿化的蚀变作用。从图1可以看出，凝灰岩中烧减量和氧化钙没有明显的相关关系；对于烃源岩来说，如果将白云岩的样品去掉，则其烧减量和氧化钙也没有相关关系。因此可以说，此次讨论的凝灰岩及烃源岩中，二氧化碳并非烧减量的主要成分，所以样品中的烧减量可以间接说明有机物含量的多少，烃源岩的烧减量整体大于凝灰岩以及页岩中高的烧减量(图1)间接说明了这一点。

表1 元素测试结果

图1 烧减量(LOI)与氧化钙(CaO)关系图Fig.1 The correlative patterns between LOI and CaO

3 铀的富集作用

众多学者开展了对中国西北部铀矿的研究，部分学者认为铀矿成因是浅成低温热液 (Ren et al., 2006; 柳益群等, 2006; 朱西养等, 2004; 肖新建等, 2004; 魏观辉等, 1995)，有的学者认为与微生物活动有关 (Cai et al., 2007; Min et al., 2005)。铀矿物通常与含碳物质和硫化物共存，或者靠近石油，铀矿物的形成通常归因于U被还原性物质的还原，这些还原性物质包括有机质、硫化物等(Langmuir, 1978; Rackley, 1972; Reynolds et al., 1982; Spirakis, 1996)。

比较此次讨论的样品，无论是凝灰岩还是烃源岩，除个别特别高铀含量外，大都都不具有高的铀，说明不管是凝灰岩还是烃源岩，原本都不具有铀矿来源的潜力，因此，它们之间不存在简单的铀迁移关系，其中的铀主要还是来自深部捕获和淋滤作用而迁移的铀(赖小东等, 2010)。铀含量和烧减量的关系都存在两个趋势，当烧减量较高时，有正相关关系；当烧减量较低时，相关性不明显(图2)。烃源岩中，页岩样品的烧减量最大，它的铀含量也最大，这是因为页岩中有机物含量高，使得铀有个良好的还原环境而富集。凝灰岩中铀含量最高的样品其烧减量也最高，但其可能发生过菱铁矿化作用，因此其高的铀含量可能不仅仅是有机物作用的结果。同时我们注意到，烃源岩中样品L16，其烧减量有15.3，但其铀含量只有3.52，同样可以说明，促使铀元素富集的不仅仅是有机物的还原作用，特别是在烧减量低即有机物含量少的时候。

图2 铀含量与烧减量关系图Fig.2 The correlative patterns between U and LOI

图3 U-U/Th相关图Fig.3 The correlative patterns between U and U/Th

在U-Th/U图上可以看出(图3)，烃源岩样品构成一个比较强的相关性，随着U/Th 的增加，即随着环境由氧化往还原方向发展U的含量逐渐增加，这说明随着有机物含量的增加，还原性增强，使得六价的铀被还原成四价而沉淀下来。但凝灰岩的情况有所不同，除一个样品U/Th>0.75外，其他都低于0.75，表明其形成于氧化环境(Jones et al., 1994; Pattan et al., 2005; 林治家等, 2008)，在氧化条件下，铀由于被氧化成活动性较强的六价铀因而难以富集。但此次讨论的凝灰岩其铀含量都不低，说明凝灰岩中除有机物的作用外，还有另一种作用使铀富集。这种作用在氧化环境下也就是有机物含量低的时候更为重要。通过观察Ce异常我们也能发现，凝灰岩中存在Ce的正异常、负异常及无异常，但普遍铀含量有富集，因此也说明，即使在氧化的条件下，也有一个过程使得铀发生富集。

图4 薄片观察结果Fig.4 The petrographic diagrams of samples from the Ordos basin

同时，通过观察薄片可以发现，不管是凝灰岩还是烃源岩，都能够见到有或多或少的黄铁矿化现象(图4)。薄片下能见到主要有两种黄铁矿化的方式，脉状和浸染状，对于凝灰岩来说，铀含量L11>L7>L12>L21，可以说明两个问题，第一，脉状黄铁矿化的铀富集作用要强于浸染状；其次是伴随有碳酸盐作用的黄铁矿化的富铀能力最小。样品L11比较特殊，它的烧减量很大，铁含量高，可能经历过菱铁矿化作用，现在又发现有较多的黄铁矿颗粒，而黄铁矿化现象在凝灰岩里又普遍发育，因此，蚀变作用才是凝灰岩中铀富集的主要因素。由于L11样品烧减量大，加上烃源岩中页岩样品，不能排除L11中有机物的作用，鉴于在烧失量相似的情况下，L11的铀含量比页岩高一倍，凝灰岩中铀的富集有蚀变作用的贡献，特别是有机物含量低的时候。在烃源岩中也能看到这种情况：L16具有浸染状黄铁矿化现象，但其铀含量是所有烃源岩样品中最低的；而L23虽然只是很弱的脉状黄铁矿化作用，但其铀含量是L16的三倍，这进一步说明脉状黄铁矿化比浸染状黄铁矿化有更强的富铀作用。

鄂尔多斯盆地含有大量的天然气(郭忠铭等, 1994; 赵孟为, 1996; 柳益群等, 1997; 魏永佩等, 2004; 张进等, 2004; 戴金星等, 2005; 刘池洋等, 2005)，天然气在铀矿化过程中的作用可用下式表示(赵瑞全, 1998)：

氧化作用：CH4+2O2→2H++CO32-+H2O

3CO32-+UO22+→[UO2(CO3)3]4-

还原作用：SO42-+CH4→H2S+CO32-+H2O

UO22++2H2S+Fe2+→UO2↓+FeS2+4H+

这似乎可以解释样品中出现大量黄铁矿化的现象。但必须注意，天然气的还原作用过程中能够产生碳酸根离子，这必然造成烧减量的增加，并且随着天然气的增加，铀含量也应该相应的增加，但没有发现这种现象，特别是在烧减量低的情况下(图2)。而且这种作用无法解释为何脉状黄铁矿化比浸染状要富铀。

在鄂尔多斯盆地延长组凝灰岩及烃源岩中铀矿的富集过程存在有机物的还原作用，但这种作用只在有机物含量足够高的时候，反映到主量元素上来说就是烧减量高的时候。在还原物质少或者说处于氧化环境下的时候，铀的富集作用主要是由蚀变作用引起的，本文主要反映的是黄铁矿化作用和可能的菱铁矿化作用。

而且，前人的研究也发现，蚀变作用能够改变原岩中铀的赋存状态，使铀活化系数大于1，从而使蚀变岩石中活动铀比例增加，同时蚀变围岩能提供有利于铀成矿富集的地球化学环境，一些蚀变矿物具有很强的聚铀能力，成为铀的富集剂(章邦桐等, 1990)。因此，蚀变作用完全有能力使得铀在凝灰岩中富集。

研究中发现，凝灰岩中U的含量平均为21.4×10-6；烃源岩中U的含量平均为20.3×10-6。但若除去凝灰岩中铀含量特别高的样品L11外，其余样品中平均铀的含量仅为8.9×10-6，反而小于烃源岩的平均值。这种变化说明凝灰岩中铀的含量可能与其物源有关，同时也受其形成过程中的条件影响，如形成环境、元素迁移等。烃源岩中铀含量平均高于凝灰岩是因为烃源岩中除了存在黄铁矿化作用外，其有机物的含量比凝灰岩高，两者相加作用的结果使得铀高，并且有机物具有吸附作用，能够吸附含铀的颗粒。

4 结论

鄂尔多斯盆地南部延长组凝灰岩及其附近层位的烃源岩在有机物含量较高处于还原环境时，铀富集主要是由还原作用引起的；当处于有机物含量不够高或者氧化环境时，铀富集作用主要是由蚀变作用引起的。

在凝灰岩和烃源岩之间不存在铀的迁移作用，它们的铀都来自两个方面，一是深部富含CO2的热液在上升过程中从围岩中捕获的铀形成[UO2(CO3)3]4-，二是经过淋滤作用而往下迁移的铀。两种来源的铀在延长组共同作用，当有机物含量足够高的时候，发生还原作用，U(Ⅵ)离子被还原成U(Ⅳ)，并富集；在有机物不够高的情况下，由于蚀变作用而使溶液发生pH以及EH等条件的改变而导致铀富集。由于烃源岩中有机物的含量高于凝灰岩，使得烃源岩的铀含量较凝灰岩高。

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Hydrothermal Alteration in the Uranium Enrichment of the Yanchang Formation in South Ordos Basin

LAI Xiao-dong1,2, WANG An-dong1,2

(1.StateKey Laboratory for Nuclear Resources and Environment (ECIT), Nanchang,JX 330013,China;2. School of Earth Sciences, East China Institute of Technology, Nanchang,JX 330013,China)

According to petrological and geochemical studies of the tuff and hydrocarbon source rocks nearby, the important role of hydrothermal alteration in the process of uranium enrichment are discussed. There were two mainly uranium sources, captured from the country rock through the rise of hydrothermal fluids and the leaching uranium. When in the reducing environment and the organic matter content is high, uranium enrichment is mainly caused by the reduction reactions, U (VI) ions were reduced to U (IV) and enriched, that is why uranium content is higher in hydrocarbon source rocks than in tuff. Otherwise, uranium enrichment is mainly caused by the alteration, solution PH and EH changed as alteration occurred result in uranium enrichment. Alteration can provide a favourable geochemical environment for uranium precipitation and enrichment.

Tuff; hydrocarbon source rocks; Ordos basin; uranium deposit

2014-10-24

东华理工大学博士启动基金项目(DHBK2013209, DHBK2013101);核资源与环境重点实验室开放基金(NRE1306,NRE1505)

赖小东(1985—)，男，博士，主要从事矿床地球化学和岩石地球化学研究。E-mail: tcllxd@126.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2015.04.004

P619.14

A

1674-3504(2015)04-0358-06