鄂尔多斯盆地东北部砂岩型铀矿常量元素地球化学特征及地质意义

刘晓雪，汤超*，司马献章，朱强，李光耀，陈印，陈路路

（中国地质调查局天津地质调查中心，天津300170）

鄂尔多斯盆地东北部砂岩型铀矿常量元素地球化学特征及地质意义

刘晓雪，汤超*，司马献章，朱强，李光耀，陈印，陈路路

（中国地质调查局天津地质调查中心，天津300170）

鄂尔多斯盆地东北部是我国砂岩型铀矿的重要矿集区，区内铀矿床的含矿主岩为中侏罗统直罗组砂岩。本文以该区含铀砂岩为对象，研究了紫红色砂岩、绿色砂岩、矿化砂岩、铀矿石及灰色砂岩中常量元素含量变化特征，分析了铀成矿过程中常量元素迁移规律，并讨论了成岩成矿背景。研究表明：在铀成矿过程中，SiO2、Al2O3表现为带出组分，CaO、MgO、K2O、Na2O及TFe2O3表现为带入组分，说明水-岩作用过程中常量元素具有明显的活动性。根据元素迁入迁出强度，将常量元素划分为活动组分（SiO2、Fe2O3、FeO、CaO）、次活动组分（Al2O3、MgO、K2O、Na2O）及惰性组分（TiO2、MnO、P2O5）三类。含铀砂岩构造环境主要为活动大陆边缘和大陆岛弧，鄂尔多斯盆地北侧阴山褶皱带中的花岗闪长岩可能是其主要的物质来源。不同类型砂岩样品的Fe2+/Fe3+值与铀元素含量具有一定的正相关性，铀矿化严格受灰绿色-灰色砂岩控制，主要发生在氧化-还原过渡环境偏还原一侧，部分灰绿色含矿砂岩具有弱氧化环境的特征，说明该区成矿环境的特殊性，灰绿色砂岩可作为区内重要的找矿标志。

鄂尔多斯盆地；砂岩型铀矿；常量元素；地球化学特征；成岩成矿

鄂尔多斯盆地集油气、煤和铀于一盆，资源极为丰富，是我国目前的重要能源生产基地［1］。在鄂尔多斯盆地东北部相继发现了皂火壕、纳岭沟、罕台庙等大中型铀矿床，成为我国重要的砂岩型铀矿矿集区。尤其是近年来大营超大型铀矿床的发现，使该地区成为砂岩型铀矿勘查与研究的热点区域。已有研究表明，鄂尔多斯盆地东北部砂岩型铀矿受绿色蚀变带控制［2-4］、成矿过程有低温热流体的参与［5-8］、铀矿物组合以铀石为主，少量钛铀矿和沥青铀矿［3，10-11］，与国内已知典型层间氧化带型砂岩型铀矿床（如伊犁、吐哈盆地南缘）特征相比有着较明显的差异［12］。尽管区内砂岩型铀矿床具有复杂成矿作用的特点，但大部分学者认为层间氧化作用是其主成矿作用［13-14］。在层间氧化作用过程中，成矿流体（含氧含铀地下水）沿含矿层运移，随着介质的物理化学条件（Eh，pH等）改变，必然发生水-岩反应，放射性元素、微量元素、变价元素及常量元素也相应发生变化［15-17］。前人对于鄂尔多斯盆地东北部砂岩型铀矿放射性元素（U、Ra、 Th）、有关微量元素和变价元素Fe等的地球化学行为有了较详细的研究［12，18-22］，而对于常量元素中非变价元素Si、Al、Na、K、Ca、Mg等的研究还很少［23］，影响了砂岩型铀矿表生地球化学成矿作用研究。

基于此，本文通过鄂尔多斯盆地东北部砂岩型铀矿不同类型砂岩（紫红砂岩、灰绿色砂岩、矿化砂岩、铀矿石及灰色砂岩）常量元素地球化学特征及其变化规律研究的基础上，分析铀成矿过程中常量元素迁移规律，进一步探讨砂岩型铀矿成岩成矿背景，为该地区铀成矿作用研究提供地球化学方面的资料。

1　区域和矿床地质概况

1.1区域地质背景

鄂尔多斯盆地大地构造上属华北地台西部，由不同时期（Mz/Pz2/Pz1）多个大型盆地叠加、复合而成，是典型的克拉通边缘多重叠合型盆地［1］。盆地发展演化大致经历了古生代前陆盆地和中生代坳陷盆地两个阶段［24-25］。鄂尔多斯盆地自燕山期以来划分为伊盟隆起、西缘逆冲带、天环向斜、伊陕斜坡、晋西挠褶带及渭北隆起6个构造单元，与成矿关系密切的有伊盟隆起、伊陕斜坡和天环向斜3个构造单元（图1a）。鄂尔多斯盆地地层可划分为结晶基底、稳定地台沉积盖层和活动型盆地沉积盖层。结晶基底为太古宇-下元古界，地台沉积盖层为中元古界-上古生界二叠系，二者分别充当盆地盖层的间接基底和直接基底，盆地盖层为中生界三叠系-新生界第四系。盆地古气候干旱-潮湿旋回的演化及区域性沉积间断有利于砂岩型铀矿的形成。

图1　鄂尔多斯盆地东北部构造位置（a，据文献［26］）及地质简图（b）Fig.1 Tectonic position（a-from reference［26］）and geological（b）sketch map of the north-east Ordos Basin1.第四系；2.新近系；3.下白垩统东胜组；4.下白垩统伊金霍洛组；5.中侏罗统安定组；6.中侏罗统直罗组；7.中侏罗统延安组；8.三叠系；9.砂岩型铀矿床；10.地表放射性异常点；11.钻孔位置

1.2砂岩型铀矿地质特征

鄂尔多斯盆地东北部位于处于伊盟隆起区，地表主要出露侏罗系和白垩系地层，地层向南西缓倾（倾角1～3°），目前发现的铀矿化主要分布在大营-纳岭沟-罕台庙-皂火壕北西向一带（图1b）。中侏罗统直罗组是矿集区内主要的含铀层，可分为上、下两段，上段为一套原生红色碎屑建造，以洪泛沉积为主，砂体相对不发育，下段以原生灰色碎屑建造为主，河流相砂体发育。根据沉积体系特征，直罗组下段又分为上、下两个亚段，其中下亚段岩性为灰色、浅灰色、灰绿色砂岩夹泥岩，砂体厚20～40 m，砂体中富含炭屑、黄铁矿等还原介质，有利于铀富集成矿，该层位是区内最主要的含铀层；上亚段岩性以灰绿色、浅灰色中细砂岩为主，夹浅绿色、褐红色泥岩、粉砂岩，砂体厚度一般10～30 m，局部地段见炭屑、黄铁矿等还原介质，目前大营地区在该层位已发现工业铀矿体。在直罗组下段砂体中发育区域性岩石地球化学分带，由北向南总体分为氧化带、氧化还原过渡带、还原带，各带宏观上以颜色相区别，氧化带以灰绿色为主，部分地区出现红色或黄褐色，过渡带表现为灰绿色-灰色相间出现，还原带以灰色、灰白色为主。岩石地球化学分带直接控制了铀矿体的空间展布。平面上，铀矿（化）体定位于灰绿色氧化环境与灰色还原环境的过渡区域，矿体呈带状、不规则饼状，连续性好；垂向上，铀矿（化）体位于灰绿色与灰色砂体的过渡部位靠近灰色砂体一侧，形态以层状、板状为主，少数呈卷状。矿石类型以砂岩型铀矿石为主，偶见泥岩矿石，矿石中铀矿物主要为铀石，且多与黄铁矿伴生。

2　砂岩基本特征与分析方法

直罗组砂岩主要以灰色和灰绿色为主，局部可见红褐色，通过对砂岩样品薄片镜下观察，确定主要是岩屑砂岩和长石砂岩等。碎屑含量80%～95%，成分主要是石英、长石、岩屑及黑云母，碎屑中石英含量占碎屑总量的35%～65%，长石占碎屑总量的20%～35%，岩屑占碎屑总量的10%～50%，主要为变质岩岩屑和花岗岩岩屑，云母含量变化大，一般2%～8%，部分含矿砂岩可高达15%，以黑云母为主。砂岩中填隙物由杂基和胶结物组成，含量一般小于10%，杂基主要由蒙皂石、高岭石、伊利石、绿泥石等粘土矿物组成，胶结物以碳酸盐为主，含量为0.5%～8%，胶结方式以接触式胶结为主，部分含矿砂岩的碳酸盐含量高达10%～15%，碳酸盐成分为方解石。粒度资料统计结果显示砂岩粒度中等，以中粗砂岩、中细砂岩为主，粒级主区间为0.05～0.5mm，砂岩颗粒磨圆度和分选性均较差，颗粒多呈棱角状。

本次研究共采集45件砂岩样品，分为紫红砂岩、灰绿色砂岩、矿化砂岩、铀矿石及灰色砂岩5种类型，样品均在最新施工的钻孔中采集，新鲜无污染，对每个样品都进行了现场放射性测量，以保证样品的含铀性。常量元素分析结果见表1。

3　常量元素地球化学特征

3.1砂岩化学成分

鄂尔多斯盆地东北部含铀层砂岩总的来看SiO2、Al2O3含量较高（表1），SiO2含量为49.24%～79.19%，平均65.44%，Al2O3含量9.08%～18.84%，平均12.19%；CaO、MgO含量变化较大，其中CaO含量为0.14%～16.45%，平均5.30%；碱土金属元素Na含量较低，Na2O含量介于0.18%～2.54%，平均1.66%。灰色砂岩代表原生环境，因此选择灰色砂岩中各元素作横坐标，其它类型砂岩中的元素含量（以样品的平均值代替）与灰色砂岩中的含量比为纵坐标作图，即“灰色砂岩”标准化蛛网图（图2a）。与灰色原生砂岩相比，其它类型砂岩CaO、Fe2O3、MnO含量变化较大，同时具有低SiO2、Al2O3、FeO等特征，其余元素含量基本相当。在SiO2-Al2O3图解（图2b）中可以看出，鄂尔多斯盆地东北部含铀层砂岩矿物成分主要在石英、钾长石、斜长石、伊利石、绿泥石等矿物之间变化，这与镜下观察到的矿物成分基本一致，说明该地区砂岩的变化主要由上述矿物的变化引起。

3.2砂岩化学风化特征

为更详细研究含矿层砂岩常量元素地球化学特征，引入岩石化学蚀变指数（CIA）这一参数，CIA指数是定量评价岩石遭受化学风化强度［28］。其中CIA= 100×［Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）］，式中各元素采用摩尔百分含量，其中CaO*仅指硅酸盐矿物中的CaO摩尔百分含量。由于硅酸盐矿物中CaO与Na2O通常以1∶1的比例存在，一般认为当CaO的摩尔数大于Na2O时，可认为mCaO*=mNa2O；而小于Na2O时，则mCaO*=mCaO，以此排除可能存在碳酸盐矿物的影响［29］。从公式的内容看，CIA值排除了碳酸盐矿物的影响，主要反映了硅酸盐矿物的化学风化作用，能很好地反映化学风化情况。CIA值大，风化程度高。

计算结果（表1）显示，含铀层砂岩整体CIA值为45～67，平均58（扣除了3个CIA值明显偏高的样品）；紫红色砂岩CIA值为56～57，平均56.5，绿色砂岩CIA值为55～67，平均60，矿化砂岩CIA值为53～63，平均58，铀矿石CIA值为53～64，平均57，灰色砂岩CIA值出现3个明显偏高的样品（编号HD18、WL5、WL6），可能与Al含量偏高有关，对该3个样品予以扣除，CIA值为45～65，平均56。上述数据表明含矿层砂岩整体CIA值较低，反映了砂岩经历了较低化学风化作用。另外，绿色砂岩-矿化砂岩-铀矿石-灰色砂岩的CIA值总体较低，反映水-岩作用由绿色蚀变带-矿化带-原生带逐渐减弱。

3.3砂岩常量元素变化规律及地质意义

层间氧化作用成矿过程中主要发生水-岩反应，岩石中元素发生了不同程度的迁移。为详细研究各元素的迁移规律，本次对不同岩石类型常量元素含量平均值作了对比曲线图（图3）。由图可以看出SiO2、CaO、MgO、MnO变化较明显，Al2O3、K2O、Na2O变化较一致，Fe2O3、FeO、TFe2O3反映一定的地球化学分带性。根据元素变化的规律性，将常量元素分为以下四组：SiO2、Al2O3、K2O、Na2O；Fe2O3、FeO、TFe2O3；CaO、MgO、MnO；TiO2、P2O5；各组元素变化规律如下：

表1　鄂尔多斯盆地东北部砂岩型铀矿不同类型砂岩常量元素分析结果表Tab.1 Major element compositions for different sandstone of the sandstone uranium deposits in North-East Ordos basin

（1）SiO2、Al2O3、K2O、Na2O

SiO2：为岩石中含量最高组分，在灰色砂岩中含量最高，铀矿石中含量最低，从灰色砂岩-紫红色砂岩-绿色砂岩-矿化砂岩-铀矿石含量逐渐减少，表明在层间氧化作用过程中，砂岩中SiO2逐渐迁出，且迁出量逐渐增大。Al2O3：为岩石中含量次高组分，与SiO2特征类似，只是从灰色砂岩-紫红色砂岩-绿色砂岩-矿化砂岩-铀矿石含量减少幅度较小。总体呈现出迁出的特征，K2O：与灰色砂岩相比，其它类型砂岩K2O增加，说明在铀成矿过程中K有明显的迁入。另一方面，紫红色砂岩和绿色砂岩较矿化砂岩和铀矿石K2O含量高，表明随着层间氧化作用的进行，K2O在不同地球化学带有不同程度的迁出。这主要是岩石在水-岩作用过程中遭受了溶蚀作用，长石类矿物粘土化，导致碱金属离子流失。NaO与K2O变化特征相似，说明在铀成矿过程中碱金属K、Na地球化学行为较一致。

图2　不同类型砂岩常量元素灰色砂岩标准化曲线（a）及SiO2-Al2O3图解（b）（据文献［27］）Fig.2 Gray sandstone normalized pattern of major elements（a）and SiO2-Al2O3diagram（b）in different sandstones

图3　不同类型砂岩常量元素含量平均值对比图Fig.3 Contrast map of the average contents for the major elements in different sandstones

上述4种组分SiO2较Al2O3变化范围大，K2O、NaO较Al2O3变化范围大，表明被认为稳定元素Si在砂岩层间氧化过程中较Al、K、Na活动性强，而K2O、NaO比Al2O3活动性强。

（2）Fe2O3、FeO、TFe2O3

FeO：在紫红砂岩中含量最低，由绿色砂岩-矿化砂岩-铀矿石含量逐渐减少，说明在层间氧化作用过程中二价铁总体流失，随着氧化程度减弱而亏损程度降低。另外，绿色砂岩、矿化砂岩及铀矿石较灰色砂岩含量增加，可能与后期二次还原作用有关，二次还原作用将部分三价Fe还原成二价Fe引起FeO微弱增加。Fe2O3：由紫红色砂岩到铀矿石含量逐渐降低，在灰色砂岩中最低，表明三价铁在氧化带中显著富集，随着氧化作用的减弱，流体氧化亚铁的能力也逐渐减弱，凸显出了层间氧化作用的特点。TFe2O3：反映岩石中Fe的总量，与灰色砂岩相比，其它类型砂岩TFe2O3增加，均表现为富集，但富集程度越来越低，表明在层间氧化过程中应该有外部Fe的迁入。从上述特点可以看出，Fe2O3、FeO、TFe2O3在层间作用过程中变化明显，说明它们的活动性较强。

（3）CaO、MgO、MnO

CaO：与灰色砂岩相比，其它类型砂岩CaO含量均有迁入，从紫红色砂岩-绿色砂岩-矿化砂岩存在先亏损后富集的现象，并在铀矿石中显著增高，反映氧化带中Ca淋失，钙质胶结物含量少，在含矿带中富集，钙质胶结物增加。Ca主要赋存在长石等矿物中，随着水-岩作用，长石等矿物从氧化带中分解迁移至含矿带中，Ca发生重结晶而使铀矿石带中CaO含量显著增高，野外岩心编录也发现铀含量高的地段，钙质含量也较高。MgO：整体都呈现迁入的特征，在铀矿石矿化砂岩中含量较其它类型砂岩高，一方面砂岩中含Mg的矿物主要为黑云母等暗色矿物，在野外中往往发现铀含量高的砂岩黑云母明显富集；另一方面在含矿带中Mg易与碳酸根结合，造成Mg富集。MnO：与CaO特征类似，整体呈现出迁入的特征。在铀矿石中含量最高，与该带水-岩作用强烈程度有关。

（4）TiO2、P2O5

Ti2O与P2O5在各类样品中变化不明显，原因是Ti和P在砂岩中主要以赋存在金红石、榍石等稳定矿物中，不易发生化学变化，因此它们是相对稳定的元素。在局部绿色砂岩中Ti2O相对富集，这主要由于该类砂岩中粘土矿物含量较高，Ti2O被粘土吸附而使其含量有所增加。

4　讨论

4.1成岩背景讨论

研究表明，虽然在沉积过程中有流体改造作用发生，存在一些化学成分的迁移和溶解，但其总的地球化学成分变化不大，仍然主要受到物源区控制［30］。因此，可用元素地球化学来示踪物源区属性。将样品常量成分扣除烧失后重新换算成100%，发现砂岩的总体成分与大洋岛弧环境及被动大陆边缘的砂岩成分差异较大，而与大陆岛弧环境和活动大陆边缘环境的砂岩成分接近，这与前人研究结果一致［22］。

Roser和Korsch［31］根据砂-泥岩中几种主要氧化物判别函数，将碎屑岩的源岩分为4个主要源区：镁铁质和少量中性火成岩源区，具有不成熟的海洋岛弧性质；中性火成岩源区，属于成熟的岩浆弧和不成熟的大陆边缘岩浆弧；长英质火成岩源区（火山岩和侵人岩），属于成熟的大陆边缘弧和大陆转换边缘；成熟大陆石英质物源区，石英含量达80%以上。根据F3-F4判别图（图4），样品绝大多数落在中性火成岩物源区，少部分落在镁铁质的火成岩源区，表明鄂尔多斯盆地东北部碎屑岩源自岩浆弧和不成熟的大陆边缘岩浆弧的物质。

图4　物源F3-F4判别图解（据文献［31］）Fig.4 F3-F4discrimination diagrams of the Provenances（from reference［31］）P1.镁铁质的和少量中性火成岩源区；P2.主要中性火成岩源区（主要为安山岩）；P3.长英质火成岩源区（大陆边缘弧）；P4.古老的沉积地体或克拉通/再旋回造山带

A-CN-K三角图解能够判别碎屑源岩成分［32］。在该图解中，如果知道源岩的成分（指Al2O3、CaO*和Na2O、K2O的摩尔分数），就可以绘制出它的风化趋势线（图5中虚箭头线）。反之，当我们知道它的风化趋势线就可以判断原岩的成分。根据本次砂岩样品点的投影，可以得出一条样品点的趋势线（图5中实箭头线），趋势线与钾长石-斜长石连线的交点即是源岩的斜长石和钾长石的比率。从图中可以看出该比率位于花岗闪长岩与花岗岩之间，且与花岗岩闪长岩更接近，因此可以初步判定本区砂岩的源岩主要为中性岩浆岩，鄂尔多斯盆地北侧阴山褶皱带中的花岗闪长岩可能是其主要物质来源。

4.2成矿环境讨论

氧化-还原环境对铀矿富集成矿具有重要的控制作用，在铀成矿过程中往往形成不同地球化学分带，各带中岩石的颜色、物质组成和沉积-成岩自生矿物区别较大。鄂尔多斯盆地东北部铀矿化主要产于灰绿色砂岩与灰色砂岩过渡部位，且靠近灰色砂岩一侧，对应于氧化-还原过度环境。事实上，本区不同类型岩石中U与Fe2+/Fe3+具有一定的正相关性（图6），岩石中因铁的矿物种类不同而呈不同的颜色，紫红色砂岩主要含赤铁矿及褐铁矿，Fe2+/Fe3+值为0.41，以Fe3+为主，属氧化环境，绿色砂岩主要含鲕绿泥石，Fe2+/Fe3+值为0.99，表现为Fe3+为Fe2+化合物共存，应属弱氧化或弱还原环境，灰色砂岩主要含黄铁矿，Fe2+/Fe3+值为1.23～4.33，Fe2+占优势，属还原环境。本次所采集的含矿砂岩包括灰色砂岩和灰绿色砂岩两种岩石类型，其成矿主要发生在还原或弱还原环境中。但同时注意到，在矿化砂岩和铀矿石存在部分灰绿色砂岩，其Fe2+/Fe3+值小于1，明显具有弱氧化环境特征，这一特征说明本区铀成矿环境较为复杂。对于地球化学相的定量划分，运用本次地球化学数据尚不能很好区分，尚需进一步的研究。

图5　砂岩A-CN-K三角图解Fig.5 A-CN-K triangular diagram of sandstonesT.英云闪长岩；Gd.花岗闪长岩；G.花岗岩；A=Al2O3；CN= CaO*+Na2O；K=K2O

图6　不同类型砂岩Fe2+/Fe3+比值与铀含量关系图Fig.6 Relation map between the Fe2+/Fe3+ratio and the uranium contents of different sandstones

5　结论

（1）通过鄂尔多斯盆地东北部砂岩型铀矿不同类型砂岩常量元素含量对比分析，发现在铀成矿过程中，SiO2、Al2O3表现为带出组分，CaO、MgO、K2O、Na2O及TFe2O3表现为带入组分，其它元素变化规律性差，表明水-岩作用过程中常量元素具有明显活动性。

（2）根据元素迁入迁出强度，将常量元素划分为活动组分（SiO2、Fe2O3、FeO、CaO）、次活动组分（Al2O3、MgO、K2O、Na2O）及惰性组分（TiO2、MnO、P2O5）三类。

（3）鄂尔多斯盆地东北部含铀砂岩构造环境主要为活动大陆边缘和大陆岛弧，碎屑岩物源来自成熟的岩浆弧和不成熟的大陆边缘岩浆弧的物质。A-CN-K图解反映该区碎屑岩成分在花岗闪长岩和花岗岩之间变化，且更接近花岗岩闪长岩，鄂尔多斯盆地北侧阴山褶皱带中的花岗闪长岩可能是其主要物质来源之一。

（4）鄂尔多斯盆地东北部铀矿化严格受灰绿色-灰色砂岩控制，矿化主要发生在氧化-还原过渡环境偏还原一侧，部分灰绿色含矿砂岩具有弱氧化环境的特征。

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1672-4135（2016）03-0169-08