松辽盆地南部通辽-通榆地区姚家组铀、铁和有机碳分布及指示意义

佟术敏，宁君，柳东良，封志兵，蔡建芳，宋海瑞，李继木，丁浩

（1．核工业二四三大队，内蒙古 赤峰 024006；2．东华理工大学，核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013）

众所周知，有机质和铁元素对铀富集成矿有积极促进作用。有机质与铀结合的机理复杂，其中包括吸附作用、离子交换作用、络合作用和还原作用等［1］；铁为过渡性元素，属于亲硫元素，在还原环境中常见的黄铁矿与铀矿化关系密切。电子探针分析结果显示，铀矿物多与黄铁矿密切共生，呈胶结物产出的黄铁矿是吸附态铀的重要载体［2］。因此，研究有机质和铁元素的含量及其分布规律对寻找隐伏铀矿意义重大。

在砂岩型铀矿床找矿研究中，针对有机质和铁元素与铀矿化之间的关系，前人开展了深入的研究工作，详细论述了有机质和铁元素在铀的迁移、沉淀、富集等方面所起的作用［3-9］。以往的研究工作大多集中在鄂尔多斯、伊犁及吐哈盆地等地区，而对松辽盆地的研究主要集中在钱家店铀矿床和宝龙山铀矿床，区域上的研究相对较少。有学者曾指出松辽盆地南部姚家组砂体均具有较高的还原容量，尤其是钱家店及其东北区，其有机碳和S含量较高，反映了砂体中含有丰富的有机质及黄铁矿［10］。然而，以往的研究并未体现出在不同的地化环境中有机质和铁元素的含量对铀成矿的对比分析及其对铀成矿具体起到何种作用。笔者试图通过在氧化带、过渡带及还原带中进行有机质、铁元素与微量铀含量的相关性分析，揭示铀富集与有机质和铁元素之间的关系，期望对下一步铀矿勘查和开发具有一定的借鉴意义。

1 区域地质背景

松辽盆地位于我国东北部，盆地长约750 km，宽330～370 km，面积约260 000 km2，呈NNE向展布。研究区位于松辽盆地南部的通辽-通榆地区（图1a），主要包括南部的开鲁坳陷区，中部的西南隆起区，北部的西部斜坡区，东部的中央坳陷区和东南隆起区。区内盖层垂向上包括断陷沉积和坳陷沉积。早白垩世为断陷盆地的发育阶段，发育了九佛堂组、沙海组及阜新组；晚白垩世为坳陷盆地阶段，发育泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、泰康组［11］。

区内基底断裂较发育，主要发育EW、NE、 NW 向三组基底断裂［12］（图 1b）。 断裂的发育为导通深部还原流体和目的层砂体还原改造提供了有利的构造条件，同时也为地下水的排泄提供通道，从而对铀的多次富集沉淀提供了有利条件。

姚家组为区内主要找矿目的层之一，其氧化砂体为砖红色、褐红色和褐黄色的中细砂岩，底部发育一套冲积扇相的紫红色砂质砾岩，还原性砂体主要为灰色、浅灰色和灰白色中细砂岩。目前已在区内发现钱家店、宝龙山和大林等铀矿床，矿化异常分布范围较广，铀矿化一般产于上下氧化带之间的灰色带中。

2 样品采集与分析方法

为了寻求铁元素和有机质与铀含量的关系，在2009—2017年间，选取有代表性的143口钻孔，对找矿目的层姚家组砂体进行了取样，选取合适的样品分别测试了微量铀、铁元素和有机质含量，测试工作由核工业二四三大队化验室完成。微量铀测试仪器为MAU型铀分析仪，铁元素和有机质测试仪器为高频碳硫分析仪。

图1 松辽盆地构造分区（a）和通辽-通榆地区构造纲要图［4］（b）Fig.1 Sketch of tectonic division of the Songliao Basin and structure outline of Tongliao-Tongyu area

微量铀是反映砂体铀元素富集沉淀最直接的指标之一。研究区成矿砂体均为灰色调的还原性砂体，故选取灰色砂体样品分析结果进行统计（表1），目的是说明非矿层铀元素的背景值的分布与铀成矿的关系密切，为寻找隐伏矿体提供依据。

碳元素在有机质中数量最多也最稳定，故沉积物中有机质的丰度大多用有机碳含量来表示［13］。 选取 37 组样品进行Fe3＋、 Fe2＋、有机碳和铀含量的分析测试，其中原生氧化环境样品10组，后生氧化环境样品10组，氧化-还原过渡环境（含矿层）样品7组，还原环境样品10组 （表2）。目的是说明不同地球化学环境砂体中铁和有机碳元素的分布与铀成矿的关系密切，为圈定成矿远景区提供依据。

3 姚家组砂体中铀、铁和有机碳分布与铀成矿

为了更直观地展现微量铀含量的差异，笔者利用迭代法计算出微量铀的自然底数为4.13×10-6。参考铀矿水化学找矿规范（EJ/T 276—1998）水中铀含量划分标准，将自然底数加一倍、二倍、三倍均方差（S）的含量值确定被统计元素的偏高值、增高值和异常值。经计算得出偏高值的区间为 （7.31～10.49）×10-6，增高值区间为（10.49～13.67）×10-6， 异常值＞13.67×10-6。研究区微量铀最高值为49.01×10-6，取自海力锦探矿区的H10孔灰色中砂岩中。笔者将微量铀含量大于偏高值的区域划为高值区，在研究区圈出4片高值区，依据微量铀异常分布面积由大到小依次命名为高值I、II、III和IV区。整体上异常区呈北东向分布，受构造控制明显 （图2）。高值I区位于大林—宝龙山一线，夹持于断裂F2和F3之间，区内有X33、X69和101孔等多口工业孔，已发现宝龙山铀矿床和大林铀矿床；高值II区位于海力锦地区，位于断裂F12和F1之间，区内已发现海力锦铀矿床；高值III区位于莫力庙—双泡子一线，有断裂F5穿过，且与断裂F11和F8相邻，区内已发现B6-4、B7-3孔等多口铀矿化孔，被视为铀成矿的有利部位；高值IV区位于瞻榆—边昭一线，断裂F13穿过该区，已发现工业铀矿孔G3-1和多个铀矿化异常孔，属于铀成矿潜力较大的区域。由此可见，微量铀的含量与铀矿化密切相关，微量铀含量的高值区往往位于铀矿产区。

表1 通辽-通榆地区姚家组部分钻孔微量铀分析结果Table 1 Trace uranium analysis results of Yaojia Formation in Tongliao-Tongyu area

表2 通辽-通榆地区姚家组钻孔铁元素、有机碳和铀含量分析结果Table 2 Content of uranium，iron and organic carbon in borehole for Yaojia Formation in Tongliao-Tongyu area

图2 通辽-通榆地区姚家组微量铀异常图Fig.2 Anomalies of uranium of Yaojia Formation in Tongliao-Tongyu area

3.1 Fe2＋、 Fe3＋含量与铀成矿的关系

在研究区目的层姚家组砂岩中，氧化砂体的颜色主要为褐黄色、褐红色和砖红色等；还原砂体的颜色为灰色、浅灰色和灰白色等。这些颜色的差异被认为与铁的价态、含量差异有关。铁的矿物存在形式主要有赤铁矿、高价铁水合物（针铁矿、水针铁矿）、黄铁矿、硅酸盐铁矿物及硫酸盐铁矿物等。Fe3＋含量最高的在褐黄色氧化砂体中，褐黄色后生氧化砂体除了原来岩石本身含有的铁矿物外，还有层间氧化作用新生成的含铁矿物。含铁矿物如角闪石、辉石、硫化物等在含氧水的作用下形成高价铁水合物及黄钾铁钒等［14］。黄钾铁矾是一种硫酸盐矿物，它主要由黄铁矿经氧化作用而形成。由此笔者认为褐黄色砂体是由灰色砂体经氧化流体改造而来。褐黄色砂体中Fe3＋的平均值高于砖红色和褐红色砂体的平均值（表2），说明后生氧化砂体的氧化性强于原生氧化砂体，而后生氧化砂体中铀的含量比原生氧化环境更低，说明不存在铀元素与原生灰色层中的还原物质发生氧化-还原反应。还原剂先后遭受氧化，首先铀矿物最易被氧化，铀被析出并随地下水迁移，从褐黄色砂体中带出，并直接被带进灰色砂体中富集沉淀。随后铁硫化合物和碳酸盐矿物，以及有机质发生氧化，之后是稳定的黑云母、绿泥石等发生氧化，最后达到地下水和岩石之间的地球化学平衡［15］。

在氧化-还原过渡带中，最主要的含铁矿物就是黄铁矿，含矿层具有较高的Fe2＋含量，表明在铀矿化的形成过程中可能伴有新生的黄铁矿、白铁矿。黄铁矿在铀元素的富集沉淀过程中起到了3个至关重要的作用，一是黄铁矿可以大大提高含矿层的还原容量，缅里尼科夫 И.В.（1989）甚至指出： “还原作用是唯一满足铀成矿条件的因素，其它因素都是辅助性的”。也许这种观点有些片面，但足可看出还原环境对铀成矿的巨大贡献；二是黄铁矿、赤铁矿与沥青铀矿共生是常见的地质现象［16］。在含矿层的岩心地质编录过程中经常见到黄铁矿结核或细晶分散状的黄铁矿与方解石一起被沉淀在炭屑表面，有机物经常伴生有若干硫化物，尤其是黄铁矿，偶见沥青铀矿［17］。笔者在电子探针下发现铀矿物多与黄铁矿密切共生（图3）；三是呈胶状产出的黄铁矿和白铁矿是吸附态铀的重要载体［2］，在大部分砂岩型铀矿床中均发现铀以吸附形式或者沥青铀矿形式赋存于黄铁矿周围。

图3 研究区铀赋存形式背散射图Fig.3 Backscattered electron images of uranium occurrence form in the study area

利用 Fe2＋/Fe3＋值可分析 Fe2＋和 Fe3＋对铀成矿共同作用。研究区目的层姚家组Fe2＋/Fe3＋最小值为0.15，位于后生氧化环境中；最高值为5.79，位于还原环境，分析结果见表2。根据Fe2＋/Fe3＋值的分布特点并结合研究区姚家组砂体氧化-还原展布特征，将Fe2＋/Fe3＋值小于2的区域划为氧化区，将比值在1～3之间的区域划为氧化-还原过渡区，比值大于3的区域划为还原区［18］。氧化区主要沿北东向庆和—瞻榆一线展布，与主河道含铀含氧水流动方向基本一致；氧化-还原过渡区受氧化区控制明显，围绕氧化带前锋线呈带状分布，宽约5～10 km，宝龙山、大林、海力锦及北部瞻榆地段发现的工业铀矿化大多处于Fe2＋/Fe3＋的值在1～3之间的氧化-还原区域，其它铀矿化异常也多沿此过渡区分布；还原区主要分布在研究区东部的中央坳陷区（图4），可见研究区铀矿化分布与Fe2＋/Fe3＋值有较为密切的联系。

3.2 有机质 （有机碳）对铀成矿的促进作用

经测试得知，37组样品的铀含量变化很大，其变化范围为（0.97～5 799）×10-6，但有机碳含量为0.01%～2.72%，二者不具有明显的正相关性（表2）。可见，有机碳是在一定范围内对成矿有利。10组典型后生氧化环境平均有机碳含量最低，仅为0.06%，这是由于有机质在氧化带中被氧化形成铀酰腐殖酸络合物，进入地下水随之迁移，当运移至氧化-还原过渡带时，以含铀腐殖酸盐的形式沉淀下来［19］；还原环境中有机碳含量高达0.63%，这是由于氧化水携带的氧在过渡带环境中已经基本被还原殆尽，还原环境中有机碳未受到破坏，加之采样区还原砂体有机碳的原地同沉积富集较好。有机碳含量的这种变化与岩心地质编录基本吻合。

有机碳对铀成矿的促进作用主要体现在以下3个方面：

1）铀在砂岩中的存在形式主要有吸附状态铀、铀矿物以及少量含铀矿物。有学者曾做过铀矿石中铀与有机碳的分离实验。实验表明，矿石中铀不是以稳定的相态形式与有机质结合的，铀与有机质可能主要以腐殖酸吸附或腐殖酸盐形式存在［20］，可见吸附状态铀主要是由矿石中有机碳的吸附作用所形成。

图4 通辽-通榆地区姚家组氧化-还原分区图Fig.4 Distribution of redox zone of Yaojia Formation in Tongliao-Tongyu area

2）在铀的富集沉淀过程中，有机碳是反映砂岩型铀矿还原能力的重要指标，而还原能力决定了外生后成矿富集的可能性。Rackley（1972）认为，在卷型铀矿床地球化学前锋的前上方 （氧化带），在喜氧细菌的催化作用下，溶液中的氧可以将黄铁矿氧化成硫酸盐，之后这些硫酸盐被主岩中的有机质碎屑还原 （与作为催化剂的厌氧细菌作用）形成硫化氢。H2S气体具有很强的还原性，在其还原作用下，地下水中的Fe3＋被还原成黄铁矿，同时，U6＋也被还原成U4＋沉淀，形成铀矿物［21］。

3）有机质被氧化产生的CO2本身可以形成弱酸碳酸，另外产生的H2S气体也增加了溶液的酸度，使砂体pH值降低。在砂岩成矿机制中，弱酸性有利于铀的富集沉淀，这是由腐殖酸与铀酰离子的物理和化学作用机理决定的，腐殖酸在弱酸性氧化环境中与铀酰离子结合，形成铀酰腐殖酸盐等，进一步搬运至过渡带还原沉淀［22］。

前已述及，有机碳含量并非越高越有利于铀的富集沉淀。有学者也指出，在碳质物含量极低，甚至岩石中完全没有碳质物的灰色含水层中，发育的区域性层间氧化带受到后生还原作用 （如烃储构造，还原热液作用）的改造， 也可形成具有相当规模的矿床［23］。究竟有机碳含量在什么范围内更有利于铀的富集沉淀，可根据有机碳的分布与已经揭露的铀矿化情况进行分析。有机碳分布受构造控制明显，有机碳含量大于0.07%的区域主要分布在氧化-还原过渡区和还原区，分布较为集中，主要分布于以下三个区域：海力锦—太平川一线，沿北东方向受F1构造控制明显，大林—保康一线、庆和—花吐古拉一线处于F5和F11构造的夹持部位 （图5）。目前钻孔揭露显示，有机碳含量在0.07%～0.23%的区域内已发现海力锦、大林铀矿产地及北部的G3-1工业铀矿孔，在庆和—花吐古拉一线也发现多个铀矿化异常孔。可见，对于本研究区而言，有机碳在一定范围内对成矿是有利的。

图5 通辽-通榆地区姚家组有机碳含量分区图Fig.5 Distribution of organic carbon of Yaojia Formation in Tongliao-Tongyu area

4 成矿远景预测

基于上述研究成果，笔者对研究区不同区域的铀成矿潜力进行了分析。莫力庙-花吐古拉地区和衙门营子-通榆地区姚家组均具备以下成矿条件：这两个区域均已发现一定数量的铀矿化异常；根据钻孔和浅层地震资料，目的层砂体规模较大，整体呈北东向展布，砂体单层厚度一般为20～35 m，累计厚度一般为60～135 m，具备稳定的河流相砂体；断裂较发育，为地下水的排泄和导通深部还原流体提供通道；微量铀背景值普遍偏高，一般大于7.31×10-6，铀元素的富集现象明显；Fe2＋/Fe3＋值在 1～3之间的氧化-还原区域，有机碳含量在0.07%～0.23%的区域。前文已提及，有机碳的这个分布范围有利于铀的富集沉淀。最终笔者在莫力庙-花吐古拉地区和衙门营子-通榆地区圈定铀成矿远景区两片（图 6）。

5 结论

1）研究区Fe3＋含量最高值位于后生氧化环境的褐黄色氧化砂体中，Fe2＋和有机碳含量最高值均位于还原环境的灰色砂体中。

2）在氧化-还原过渡带的含矿层中，含铁矿物黄铁矿和有机碳均可提高砂体的还原容量和吸附铀矿物。此外，铀矿物多与黄铁矿密切共生，有机碳被氧化可使砂体酸化，从而有利于铀的富集沉淀。由此说明有机质和铁元素对铀的富集沉淀均起一定的促进作用。

图6 通辽-通榆地区姚家组成矿预测图Fig.6 Prognosticate map of uranium mineralization of Yaojia Formation in Tongliao-Tongyu area

3）研究区钻孔揭露的铀矿化大多处于Fe2＋/Fe3＋值在1～3之间的氧化还原区域，有机碳含量在0.07%～0.23%的区域。可见，Fe2＋和有机碳的含量并非越高越好，而在一定的区间范围才更有利于铀的富集沉淀，结合以往钻探揭露的铀矿化、沉积砂体特征及构造分布情况等，最终在莫力庙-花吐古拉地区和衙门营子-通榆地区圈定铀成矿远景区两片，为下一步的勘查工作提供依据。