滇西龙川江盆地团田地区砂岩型铀矿元素地球化学特征

夏 彧，周恳恳，伍 皓，陈小炜，张建军，李晋文，孔 然

（1.中国地质调查局成都地质调查中心，成都610081；2.云南省煤炭地质勘查院，昆明650218；3.云南省核工业二O 九地质大队，昆明650218）

作为西南地区重要的铀成矿带之一，滇西北部腾冲地区发育的新生代山间断陷盆地群因其构造控盆条件、铀源地质体配置、容矿主岩建造等特征不同于北方砂岩型铀矿赋矿盆地而独具特点[1]。区内龙川江盆地因良好的铀成矿地质条件持续受到关注。许多学者在此地区做了大量研究工作。朱西养[2]、赵宝光[3]等对盆地沉积体系特征及与砂岩型铀矿成矿关系进行研究，明确了冲积扇与扇三角洲沉积体系砂体是砂岩铀矿赋存的主要场所且找矿目标层以沉积环境稳定的缓坡带上新统芒棒组优先；李国新[4]、孙泽轩[5]等运用水成铀矿理论，对盆地铀矿化特征进行讨论，认为该盆地砂岩铀矿主要分布于西部斜坡区且与潜水层间氧化带关系密切；蔡煜琦[6]明确指出盆地中南部砂岩型铀矿定位于沉积间断面上，并提出盆地多成因铀成矿理论。

但自上世纪90年代起，区内勘查工作基本停滞，铀资源调查、研究出现真空期。2016年，中国地质调查局于滇西地区实施新一轮铀矿调查，在铀资源调查、研究程度总体偏低的龙川江盆地东南边部新区内钻遇多层工业铀矿体，为指导下一步勘查方向提供了宝贵素材。因此，笔者试图从前人较少关注的铀元素地球化学方面阶段性总结龙川江盆地新获砂岩型铀矿微量元素、稀土元素特征，针对砂岩型铀矿床、围岩、蚀源区几类地质体进行元素地球化学行为研究以期为初步揭示区域铀成矿模式提供有效信息。

1 研究区地质背景

1.1 区域地质背景

腾冲地块及其所属的藏滇中间板块位于冈瓦纳大陆与扬子板块缝合线东侧，是东特提斯构造带重要组成部分[7]。该板块东部为羌中南-唐古拉-保山陆块，西部为冈底斯-腾冲陆缘活动带。位于腾冲地块的龙川江盆地南北长110km，东西宽0.6～9km，北窄南宽，总面积约700km2，盆地相对高差300～500m，属于低山丘陵河谷地貌[8]。盆地东侧发育泸水-龙陵-瑞丽断裂，西侧发育龙川江断裂，为一受断裂控制的不对称地堑式断陷盆地。盆地蚀源区和基底由东侧中元古界高黎贡山群深变质岩（Pt2gl），岩性为长英质片岩、片麻岩和条带状混合岩等；西侧以燕山晚期-喜山期花岗岩（γ）为主，岩性主要为中细粒黑云母花岗岩和局部出露的石炭系深灰色层状白云质灰岩、石英片岩组成。盖层则由新近系芒棒组陆相碎屑岩系（N2m）、新生界火山岩和第四系现代坡积、残坡积层(Q)组成[9]（图1）。

1.2 铀矿地质特征

龙川江盆地上新统芒棒组为一套陆源碎屑岩夹基性火山岩的地层序列，主要发育黄褐色、灰色泥质砾岩、泥质砂砾岩、泥质含砾粗砂岩夹灰色泥岩、白色高岭土薄层及薄煤层，为该区重要铀矿化、铀矿点赋矿层位。结合前人大量钻孔资料与对最新钻获岩芯的研究，综合考虑沉积体系对矿体赋铀潜力的影响，将芒棒组分成上中下三段（图2）。其中又以芒棒组下段疏松灰色砂岩、灰白色砾岩为铀矿主要含矿岩系，主体为冲积扇沉积环境。

图1 腾冲地块构造位置和地质简图

综合以往工作成果与本次新获矿体特征分析，龙川江盆地铀元素富集成矿的类型主要有两种：

1）淋滤沉积富集型：在浅地表部位，存在一定的含铀透水层，在淋滤作用下，铀元素往下迁移，在遇到泥质含量较高的隔水层附近富集，进一步形成铀异常/矿化。矿体多产出于呈破碎疏松状浅灰色含砾粉砂岩、砂砾岩中，砾石成分主要为花岗片麻岩，分选差，呈棱角状，泥质胶结。矿体顶板多为含砾砂岩、砂砾岩相对透水层，矿体隔水底板则由粒径较小的含砾泥质粉砂岩、含砾泥岩构成。

2）氧化还原吸附富集型：在深部，铀元素以活性六价氧化物的形式随潜水迁移，在迁移过程中遇到深部缺氧的还原环境被还原为四价铀，并在氧化还原环境交替部位泥质含量较高、炭质含量高的层位富集，进而形成铀异常/矿化。矿体多产出于灰白色-灰绿色泥质含砾粗砂岩、泥质砾岩中，砾石成分多为片麻岩，分选相对较好，呈棱角至次圆状，泥砂胶结，胶结程度中等。矿体顶板为浅灰色砂质砾岩，相对透水，矿体隔水底板则由泥质、炭质含砾砂岩构成。

龙川江盆地砂岩型铀矿矿石中的铀以分散吸附状态、铀矿物和含铀矿物三种形态存在。分散吸附态的铀主要以微细粒侵染状赋存于含炭质、黏土质的填隙物中，或吸附于碎屑矿物表面。铀矿物存在沥青铀矿、铀黑、铀石三种类型，沥青铀矿与铀黑多呈胶状、显微粒状、树枝状、网脉状充填于砂岩孔隙中，铀石则以微粒集合体形式赋存于蚀变黑云母、石英等矿物颗粒裂隙中。含铀矿物有含铀锐钛铁矿、含铀草莓状黄铁矿、铀钍石等。

2 样品采集与分析方法

图2 龙川江盆地南部上新统芒棒组岩相综合柱状图

在盆地南部远景区实施的三口钻孔均在芒棒组下段下亚段（N2m11-1）见工业铀矿化。本次采样针对钻孔自然伽马测井异常段。为了确保样品的代表性、完整性、可靠性，遵循《地浸砂岩型铀矿取样规范》对30ZK30、40ZK28、50ZK28 三口钻孔灰白-灰绿色矿段砂岩样（围岩铀矿石）采取下述要求与方法进行取样：①采样岩心同时满足采取率大于80%、测井曲线形态与岩心编录曲线形态基本一致、铀含量大于0.01%。②清洁岩心表面污染采取1/2 劈心法连续取样，少量松散矿化段岩石采取均匀捡块取样，单样品长度一般为0.2～0.5m。③在矿段顶底端适度延伸采样范围。对矿段岩性变化频繁处增加取样点密度。

2．1 两组患儿的一般情况 研究组与对照组各20例，家庭的基本情况（家庭类型、是否独生、父母年龄、文化水平、家庭收入）和养育情况（主要抚养人、父母与患儿的日均接触时间）基本相似，差异均无统计学意义（P均＞0．05）。ADHD亚型分布和共患对立违拗、品行障碍、抽动障碍、情绪障碍等方面进行比较差异均无统计学意义（P均＞0．05）。

铀源区地质体采集于盆地东侧中元古界高黎贡山群深变质岩、西部燕山晚期-喜山期花岗岩新鲜露头。样品中元素U、Th的测定由ELEMENT XR等离子体质谱分析仪测定，测试环境温度：21.7℃，相对湿度：43.8%，相关实验工作于核工业北京地质研究所测试中心完成。样品中其余微量元素（包括稀土元素）含量采用电感耦合等离子体质谱法测定，仪器型号为PE300X，检出限低于10-8，主量元素测量采用X 射线荧光光谱仪(型号为PW4400)，有机碳与全硫值测量采用红外碳硫仪，测定工作于国家地质分析测试中心完成。分析结果与元素特征参数列于表1～2。

3 元素地球化学特征

3.1 常量元素地球化学特征

团田地区砂岩型铀矿矿段围岩主量元素全分析结果对比表明（表1），其化学成分含量存在较大差异。SiO2含量58.4%-75.59%，平均值为66.39%，Al2O3含量范围12.33%-21.8%，平均值为17.34%，Al2O3/SiO2比值范围为0.16-0.37，表现出矿段围岩近物源，未经历强烈蚀变作用，成熟度低，硅质富集的特征。对比标准砂岩成分，各样品Na2O、K2O含量均处于高值，说明本区矿段围岩中长石含量较高，同样证明岩石成分成熟度较差。根据lg(Na2O/K2O)对lg(SiO2/Al2O3)投影，对矿段砂岩进行分类，如图3所示，投影点均落于长石砂岩区域。

表1 团田地区砂岩型铀矿主量元素含量表（%）

根据Fe2+/Fe3+值对矿段围岩进行氧化-还原环境的判别，从表1中可以看到除10号样品外，其余样品表现出Fe2+/Fe3+值大于1，但非远大于1，指示为弱还原环境，合理推测矿段位于氧化-还原过渡带即前锋线位置。Fe2+含量高说明矿段碎屑岩中含有一定量的黄铁矿，在砂岩型铀矿中黄铁矿与铀矿物的形成密切相关，因为黄铁矿提供了还原性介质和赋存场所10号样品出现Fe2+/Fe3+值小于1，指示该段砂岩型铀矿形成后可能受到含氧地下水的二次氧化破坏，项目组对矿段U-Ra平衡系数的研究表明存在平衡偏镭的情况，矿段近现代受后生淋滤作用影响的结论可以很好佐证。有机碳在矿段围岩含量范围为0.51%～1.29%，平均值为0.8%，含量较高。有机碳的存在不仅存在为UO22+离子沉淀提供还原性环境的作用，还可能存在腐殖酸对U元素的强烈吸附富集作用和以U元素交代碳化植物残片的形式赋存铀[10]。

图3 团田地区砂岩型铀矿Na2O/K2O-SiO2/Al2O3图

表1中显示CaO、MgO含量对比标准砂岩明显处于低值，说明该区砂岩中碳酸盐矿物含量偏低，从地浸砂岩型铀矿经济型角度来看，碳酸盐矿物含量越低，越可减少浸出酸液的使用。

3.2 微量元素地球化学特征

将龙川江盆地团田砂岩型铀矿铀矿石、围岩微量元素分析结果(表2)与中国沉积岩微量元素标准含量（黎彤[11]，1994）进行对比，作矿段与围岩样品的标准化蛛网图（图4）。

从图4中可以看出，铀矿段样品标准化蛛网图呈明显锯齿状变化，围岩样品曲线较矿段相对平坦，但都表现出微量元素的相对富集或亏损。图4A矿段6 件样品中，与U 伴生且较强富集的元素有Pb、Mo、Rb、Ta,一般富集的元素有Cs、Th、Nb、Y、Ba,相对亏损的元素为Hf、Cu、Ni、Sr、Zr、Co、Cr。图4B显示6 件围岩样品，各微量元素呈现较平缓的一般富集或亏损且与铀矿段微量元素的富集规律总体一致。

3.3 稀土元素地球化学特征

团田地区砂岩型铀矿不同地质体特征参数如表3所示，将所有样品依据采样位置分为铀矿石、围岩、蚀源区岩石三类。图5为不同地质体稀土元素球粒陨石标准化配分模式图。现就不同地质体稀土元素特征进行概述。

图4 团田地区砂岩型铀矿微量元素标准化蛛网图

表2 团田地区砂岩型铀矿主要微量元素含量表（ug/g）

3.3 稀土元素地球化学特征

团田地区砂岩型铀矿不同地质体特征参数如表3所示，将所有样品依据采样位置分为铀矿石、围岩、蚀源区岩石三类。图5为不同地质体稀土元素球粒陨石标准化配分模式图。现就不同地质体稀土元素特征进行概述。

表3 团田地区砂岩型铀矿微量与稀土元素参数表

1）铀矿石图5A为铀矿石的稀土元素球粒陨石标准化配分模式图，图中稀土元素地球化学特征整体表现为右倾配分型。∑REE值为142.39～267.46，平均为221.12；LREE/HREE值为2.73～5.14，平均值为3.92；(La/Yb)N值为6.53～15.78，平均为10.66；(La/Sm)N值为3.77～5.76，平均为4.59；(Gd/Yb)N值为0.97～2，平均为1.40。数据特征表现出铀矿石轻重稀土元素之间分异明显，轻稀土富集，重稀土亏损，轻稀土内部分异较强，重稀土内部分异较弱。δCe值为0.85～0.98，平均值为0.89，呈轻微亏损；δEu值为0.33～0.46，平均为0.41，呈明显负异常。上述稀土元素特征整体表明铀成矿过程为表生来源，不具备深部热液作用特征。

3）铀源区图5C-5H为盆地周缘蚀源区新鲜岩石的稀土元素球粒陨石标准化配分模式图，图中稀土元素地球化学特征整体也表现出右倾配分型。对比研究图5各分图且综合表3中稀土元素参数指示出一定的规律性：铀矿段、矿段围岩与蚀源区岩石的稀土元素配分模式具有良好的一致性，表明团田砂岩型铀矿芒棒组各含矿层具有较统一的物质来源、沉积环境和构造背景等；铀矿段、矿段围岩的稀土元素总量较蚀源区岩石并未得到明显的富集或亏损，但总体表现出矿段围岩稀土元素总量大于铀矿段，这是因为矿段围岩处于相对稳定的地球化学环境，而矿层多处于地化环境多变的氧化-还原过渡带，稀土元素易被带出进入流体相而造成总体含量降低。

图5 团田地区砂岩型铀矿稀土元素球粒陨石标准化模式图

4 讨论

4.1 微量元素富集特征对铀成矿的指示

对比图4A 与图4B，围岩砂岩与铀矿段砂岩微量元素的富集规律总体一致的元素占比较重，这些元素的富集与亏损存在继承蚀源区元素特征的可能，如高场强元素Nb、Hf、Zr 一般为不活动元素，富集规律与区域背景值有关，多不能作为铀成矿的指示元素。故本章节重点选取与该区砂岩型铀矿成矿关系紧密的Mo、U、Th元素进行分析。

如图4A所示，团田地区砂岩型铀矿U元素与Mo元素显现出双峰富集式样，这是因为砂岩型铀矿成矿实质为铀元素活化迁移至氧化-还原过渡带聚集的过程，其中Mo元素因与U元素同属变价元素，具有相似的地球化学性质，在氧化条件下，Mo元素易形成Mo6+溶入含氧含铀水（U6+）随之迁移，后在氧化还原过渡带或层间氧化带前锋线与U元素伴生富集，故Mo元素可以作为该区铀成矿的重要指示元素。但需要注意到1-5号矿段样品Mo元素较强富集，而在U元素含量最高的6号样品中Mo元素却相对亏损，指示出该地区砂岩型铀矿可能存在不同的铀富集模式。

古铀量通常是指岩石形成或沉积岩沉积期的铀含量，某地质体的古铀量计算公式为[12]：

项目组对本次见矿层位的沉积相划分为扇根-扇中冲洪积相，蚀源区岩石在沉积期快速堆积，未经过强烈成岩与后生蚀变作用，故可用蚀源区岩石平均钍铀比9.03（见表3）结合矿段围岩Th含量（见表2）计算沉积期见矿层位古铀量，计算结果为3.1～4.4 ug/g，远小于实测矿段围岩U含量10.10～14.4 ug/g，说明沉积期后见矿层位存在铀元素的预富集作用。铀-镭平衡系数（Kp）可作为地层近代（16000a）有无铀迁移的指标[13]，通常认为：近代有铀的迁入则Kp小于1近代有铀的迁出则Kp大于1如表3所示，矿段样品Kp值为0.39～1.08 指示近代矿段存在铀的富集；围岩样品Kp值为0.99～3.22，指示近代围岩存在铀的迁出。综合分析可得本次见矿层位（芒棒组下段下亚段）古铀量较低，存在沉积期后铀元素预富集作用，且本身也可作为盖层铀源供给铀元素。

4.2 稀土元素迁移机制对铀矿物的成因解释

由于稀土元素与铀元素原子结构与晶体化学性质相似，U和REE 离子同为弱碱性阳离子，在水溶液中最常以碳酸盐、氯化物和硫酸盐等络合物形式共迁移[14]。前人研究得出龙川江盆地芒棒组径流区水化学类型多属重碳酸型水[15]（见表4）。我们知道在pH=5～8的天然水中，当∑PO4基本处于零态值时，控制水中铀形态的主要因素为HCO3-离子含量，当HCO3-含量大于1mg/L时，便可形成UO2(CO3)n2-2n离子优势，n=1,2[16]。说明稀土元素与铀元素离子在该区地下水水溶液中主要呈REE(CO3)0、UO2(CO3)0、[REE(CO3)22-]、[UO2(CO3)22-]四种形式的络离子迁移。笔者曾对该次新获矿体铀赋存形态展开研究[17]。结果表明，该区铀矿物以铀石为主，以铀石微粒集合体形式赋存于蚀变黑云母、石英等矿物颗粒的裂隙中。该区铀石测点数据表现出明显元素La、Ce、Y富集特征。综合表1主量元素特征考虑，可以认为，本区稀土元素与铀元素以碳酸盐络合物形式随含氧水共迁移，随着成矿作用的进行，在适当的Eh和pH条件下与有机碳、Fe2+等还原剂发生反应而沉淀富集于矿物颗粒裂隙中，又因为铀石属于轻稀土强选择型配分矿物，轻稀土元素La、Ce、Y等易进入铀石晶格，最终导致该区铀矿物的赋存特征。

表4 龙川江盆地芒棒组水化学特征统计表

5 结论

通过上述对龙川江盆地团田地区新获砂岩型铀矿元素地球化学特征的分析与讨论，可以得出以下结论：

1）主量元素特征指示出：矿段岩石成熟度较差，岩性为长石砂岩；矿段位于氧化-还原过渡带且存在含氧地下水二次氧化破坏可能；该砂岩型铀矿地浸经济性较好。

2）微量元素特征指示出：U元素与Mo元素的双峰富集式样，可以作为该区砂岩型铀矿化元素模型；本次见矿层位（芒棒组下段下亚段）古铀量较低，存在沉积期后铀元素预富集作用，且本身也可作为盖层铀源供给铀元素。

3）稀土元素特征指示出：该区铀成矿过程为表生来源，不具备深部热液作用特征；团田砂岩型铀矿芒棒组各含矿层具有较统一的物质来源、沉积环境和构造背景；稀土元素与铀元素离子在该区地下水水溶液中主要呈REE(CO3)0、UO2(CO3)0、[REE(CO3)22-]、[UO2(CO3)22-]四种形式的络离子共迁移，并在适当的Eh和pH条件下与有机碳、Fe2+等还原剂发生反应而沉淀富集于矿物颗粒裂隙中而成矿。