二连盆地哈达图地区赛汉组上段碎屑锆石U-Pb 年龄及地质意义

刘佳林，刘武生，虞航，章展铭

（核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

砂岩型铀矿是世界上最重要的铀矿床类型，亦是我国当前铀矿勘查的主攻方向［1-2］。二连盆地位于中亚造山带，是我国北方砂岩型铀矿的主攻和重点突破地区［2-3］。近年来，随着找矿勘查工作的深入，在盆地中部先后发现了多个古河道型砂岩型铀矿床，实现了铀矿找矿的重大突破［4］。这些矿床产于盆地中部，主要赋存于下白垩统赛汉组上段［5］。前人对这些矿床开展了大量的构造背景、铀矿化特征、铀成矿条件、矿床成因、成矿模式等方面的研究［5-7］，取得了一系列重要认识。然而，对于该地区重要赋矿层位—下白垩统赛汉组上段的物源特征研究却相对薄弱，尤其缺乏大量精确的同位素年代学证据。物源区既可为赋矿砂体提供各类碎屑沉积物，还可以提供大量的成矿物质，是砂岩型铀矿成矿作用最重要的因素之一［2，4-5，8］。因此，笔者选取盆地哈达图地区赛汉组上段赋矿砂岩，通过开展碎屑锆石U-Pb 年代学研究并结合前人研究成果，探讨赛汉组上段沉积物源特征，为区域成矿规律总结提供依据。

1 区域地质背景

二连盆地位于我国东北部，东侧以大兴安岭隆起为界，南部与温都尔庙隆起相邻，西部与索伦山隆起相接，北部以巴音宝力格隆起为界，是形成于中生代大陆伸展的构造背景下的陆内盆地［9］。盆地主要包括5 个坳陷和1 个隆起，即盆地西部的川井坳陷、中西部的乌兰察布坳陷、中北部的马尼特坳陷、东南部的腾格尔坳陷、东北部的乌尼特坳陷以及中部的苏尼特隆起。

二连盆地的基底为兴-蒙海西多旋回、软碰撞褶皱变质基底，主要由古生代和中生代的中性及酸性花岗质岩石、镁铁质-长英质火山岩以及元古宙至古生代的沉积或变质沉积岩组成［10-11］。盆地的发展主要经历了两期裂谷作用［12］，其中，第2 期裂谷作用发生于晚白垩世，可分为早期同裂谷、裂谷高峰和晚期同裂谷3 个阶段［12］。复杂的构造演化作用使二连盆地形成了隆起、坳陷平行相间分布的“盆-岭”构造［9］。盆地沉积充填序列由盆地下部、中部至上部依次为中下侏罗统阿拉坦合力群和大兴安岭群；下白垩统阿尔善组、腾格尔组和赛汉组、上白垩统二连组；古近系脑根组和伊尔丁曼哈组［12］。赛汉组是二连盆地砂岩型铀矿床的主要赋矿层位之一，形成时代为早白垩世晚期，可分为下段和上段。其中，赛汉组上段是主要的含矿层，其下部发育河道相含砾粗砂岩，上部为厚层状棕红色泥岩。此外，区内还发育有大量海西期、印支期和燕山期花岗岩及火山岩，主要分布于苏尼特隆起以及巴音宝力格隆起及其附近（图1）。哈达图地区位于二连盆地中部的齐哈日格图凹陷，靠近苏尼特隆起，是近年来新发现的铀矿富集区。

图1 二连盆地中部地质简图（据聂逢君等修改，2018［7］）Fig.1 Simplified geological map of the middle Erlian Basin

2 采样位置及分析方法

用于碎屑锆石年代学研究的FZK63-79 样品采自哈达图地区FZK63-79 钻孔372 m 处，为黄色中-细砂岩；样品CZK3 采自哈达图地区CZK328 钻孔281.5 m 处，为黄色中砂岩。两个样品均采自赛汉组上段下部。

将相对自形、杂质较少的锆石晶体制作成样品靶。选择需开展锆石U-Pb 同位素分析的锆石进行透射光、反射光和阴极发光拍照。LA-ICP-MS 锆石U-Pb 定年实验在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。实验仪器为RESO Lution S-155 和Thevmo LCAP RQ ICP-MS 组成的激光剥蚀系统，仪器能在33 μm 的范围内对单颗粒锆石进行U-Pb 同位素及微量元素测试。样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb 同位素比值等采用软件ICPMS Data Cal［13］完成。锆石U-Pb 同位素年龄计算及谐和图的构建利用ISOPLOT/Ex（v.3.0）［14］完成。详细的仪器操作条件和数据处理方法见Liu et al.［13］。

3 结果分析

本次对样品CZK3 和FZK63-79 中的177颗碎屑锆石进行了177 个测点的分析，代表性碎屑锆石分析结果和锆石阴极发光图像见图2。绝大部分锆石主要呈自形-半自形结构、长柱状晶形，具明显的环带结构。168 颗锆石的Th/U 值大于0.4，8 颗锆石的Th/U 值介于0.1～0.4 之间，1 颗锆石（样品CZK3）Th/U 值小于0.1（图3）。上述特征说明，这些锆石绝大多数以岩浆锆石为主［15］，9 颗锆石较低的Th/U 值可能与后期改造作用或者变质重结晶作用不彻底有关［16］。所有分析结果的数据点皆落于206Pb/238U-207Pb/235U 谐和图上的谐和线附近（图4、图5），协和度均大于90%，206Pb/238U 年龄值范围介于（122±1）Ma 至（1 975±21）Ma 之间，代表了锆石的形成时代。

图2 代表性碎屑锆石阴极发光（CL）图像Fig.2 CL images of zircon from the sandstone of the upper member of Saihan Formation at Hadatu area

图3 哈达图地区赛汉组上段碎屑锆石年龄与Th/U值关系图解Fig.3 The diagram showing the relationship between U-Pb ages of detrital zircons and their Th/U

样品CZK3 中的碎屑锆石U-Pb 年龄范围可分为8 组（图6）。第1 组：晚白垩世锆石13 颗，年龄范围为（146±2～133±1）Ma，占锆石总数的15.9%；第2 组：中-晚三叠世锆石2 颗，为（239±9～232±3）Ma，占全部锆石的2.4%；第3 组：二叠纪锆石43 颗，年龄为（287±4～251±3）Ma，占锆石总数的51.8%；第4 组：晚石炭世锆石6 颗，年龄为（327±5～310±3）Ma，占全部锆石的7.3%；第5 组：晚志留-早泥盆世锆石4 颗，为（430±4～410±4）Ma，占全部锆石的4.9%；第6 组：中-晚奥陶世锆石11 颗，年龄范围为（472±5～444±5）Ma，占全部锆石的13.4%；第7 组：寒武纪锆石2 颗，为（503±5～497±7）Ma，占全部锆石的2.4%；第8 组：中-古元古代锆石3 颗，年龄为（1 975±21～1 354±13）Ma，占全部锆石的3.7%。

图4 哈达图地区赛汉组上段CZK3 样品～2000 Ma（a）和～500 Ma（b）碎屑锆石U-Pb 年龄谐和图Fig.4 U-Pb concordant diagrams for～2000 Ma（a）and～500 Ma（b）of detrital zircons from sandstones in the upper member of Saihan Formation at Hadatu area

图5 哈达图地区赛汉组上段样品FZK63-79 碎屑锆石U-Pb 年龄谐和图Fig.5 U-Pb concordant diagrams of zircons from the sandstones of the upper member of Saihan Formation at Hadatu area

图6 哈达图地区赛汉组上段碎屑锆石U-Pb 年龄直方图Fig.6 U-Pb ages histogram of zircons from the upper member of Saihan Formation at Hadatu area

样品FZK63-79 中的碎屑锆石U-Pb 年龄范围可分为6 组（图6）。第1 组：晚白垩世锆石46 颗，年龄范围为（163±4～122±1）Ma，占锆石总数的49.0%；第2 组：早三叠-早二叠世锆石43 颗，为（280±4～224±2）Ma，占全部锆石的44.8%；第3 组：晚石炭世锆石2颗，年龄为（301±3～299±4）Ma，占锆石总数的2.1%；第4 组：中泥盆世锆石1 颗，年龄为（384±6）Ma，占全部锆石的1%；第5组：晚奥陶世锆石4 颗，为（448±5～446±6）Ma，占全部锆石的2.1%；第6 组：寒武纪锆石1 颗，年龄范围为（500±5）Ma，占全部锆石的1%。

4 地质意义

二连盆地位于巴音宝力格隆起和苏尼特隆起之间，属典型的山间盆地。在这些隆起中发育有大量不同时代的岩浆岩及变质岩。研究表明，二连盆地在侏罗纪至白垩纪之间处于伸展的构造背景，并发生了明显的抬升剥蚀事件［7］，为二连盆地赛汉组上段的沉积提供了有利的地质条件。

碎屑锆石分析结果表明（图6），赛汉组上段砂岩中的碎屑锆石年龄以中侏罗-早白垩世（170～120 Ma）和早二叠-晚三叠世（290～220 Ma）为主，其次为晚石炭世、晚泥盆世、晚志留-早泥盆世、中晚奥陶世、寒武纪以及中-古元古代。大量的地质年代学研究显示，二连盆地巴音宝力格隆起与苏尼特隆起中发育有大量的早白垩世、中-晚侏罗世、晚石炭世、晚泥盆世、晚志留-早泥盆世、中晚奥陶世、寒武纪以及中-古元古代侵入岩、火山岩和变质岩［7，17-19］。这些岩石的年龄分布范围与研究区赛汉组上段碎屑锆石的年龄分布具有相似性，暗示上述岩体可能是哈达图地区赛汉组上段潜在的物源。然而，研究表明，二连盆地中部的齐哈日格图赛汉组古河谷和赛汉高毕赛汉组古河谷的古流向均为南西-北东向［20］。因此，哈达图地区赛汉组上段物源应由齐哈日格图古河谷的上游提供，即其南部的苏尼特隆起。研究表明，苏尼特隆起中的岩浆岩成岩年龄主要以古生代和中生代为主［12，21］。因此，结合盆地地质特征、古河道特征和碎屑锆石U-Pb 年龄结果可知，苏尼特隆起上的早二叠-晚三叠世和中侏罗-早白垩世岩浆岩可能为哈达图地区赛汉组上段提供了主要物源。

砂岩型铀矿床铀源的准确厘定一直是矿床学研究的难点。尽管如此，许多砂岩型铀矿床常产于富铀岩石的附近，而这些岩石往往被认为是矿床的铀源［8］。例如，美国Wyoming Tertiary 盆地中的砂岩型铀矿的铀源即被认为是富铀的upland 花岗岩体［22］。在我国北方盆地，砂岩型铀矿附近的物源区岩石亦常被认为是铀源岩石［23］。地球化学特征显示，二连盆地赛汉组正常砂体的铀含量为3.2×10-6～7.2×10-6，氧化砂体为7.7×10-6～9.9×10-6，灰色砂体为12.7×10-6～14×10-6［4］，显示出明显的“沉积-成岩”阶段铀的预富集作用。由上文可知，哈达图地区赛汉组上段的碎屑物质主要来源于其南部苏尼特隆起中的岩浆岩，而二连盆地赛汉组古河谷南北隆起上的岩浆岩均具有较高的铀含量（U 为4.00×10-6～8.03×10-6；U/Th 为2.50～4.68）［24］。因此，这些富铀的物源很可能在提供碎屑物的同时也提供了一定的成矿物质，导致哈达图地区赛汉组上段在沉积的同时形成了铀的初始富集。研究表明，齐哈日格图凹陷在古近纪发生构造反转，抬升幅度达1 000 m［5］，而二连盆地中部发育砂岩型铀矿床的成矿时代均为古近纪［7，20］，说明此次构造反转可能直接导致区域成矿作用的发生。因此，伴随着构造隆升事件，大量富含铀的流体流经哈达图地区赛汉组上段地层发生氧化还原反应，并与原岩中初始富集的铀发生叠加，最终富集成矿。

5 结论

1）LA-ICP-MS 锆石U-Pb 年龄数据显示，二连盆地哈达图地区赛汉组上段碎屑锆石U-Pb 年龄以170～120 Ma 和290～220 Ma为主，其次为327～310 Ma、430～410 Ma 和472～444 Ma 等。

2）结合盆地地质特征、古河道特征和碎屑锆石U-Pb 年龄结果可知，哈达图地区赛汉组上段的物源主要为该区南部苏尼特隆起上的早二叠-晚三叠世和中侏罗-早白垩世岩浆岩。这些岩石不仅为赛汉组的沉积提供了碎屑物质，而且很可能也提供了一定的成矿物质。