鄂尔多斯盆地店头地区直罗组流体包裹体特征及油气与铀成矿关系

张字龙， 贺 锋， 邱林飞， 范洪海， 蔡煜琦， 衣龙升， 刘红旭， 贾 翠

(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)

店头铀矿床(店头—双头铀矿床的统称)是鄂尔多斯盆地东南缘目前发现的唯一铀矿床。该矿床具有赋矿岩体成岩度高、矿石品位高、矿体较分散等特征。众多学者针对盆地东南缘和店头铀矿床开展了系列研究，主要包括铀成矿地质条件和远景预测(李文辉，2004；鲁宝龙，2013；王仲铎，2015；李晓翠等，2014；张字龙等，2016；刘宗斌，2018；于宏伟，2018)、直罗组沉积相和成岩特征(邢秀娟等，2008；刘阳等，2015)、矿床地质特征和铀矿化特征(陈宏斌等，2006；邢秀娟等，2006；彭小华等，2018；曹惠锋等，2018；徐阳，2019)、赋矿岩石学特征和有机质特征(张字龙等，2016；李平，2017)、铀成矿作用(张字龙，2018)等，取得了显著的研究成果。但鄂尔多斯盆地东南缘铀成矿过程中还存在油气等还原流体作用，在这种成岩度较高的赋矿砂岩中，成岩作用、油气充注作用与铀成矿的关系研究还不够深入，铀成矿机理还需要进一步深化研究。因此，笔者在研究区采集代表性样品，通过野外地质调查、薄片鉴定、扫描电镜及电子探针分析，研究赋矿砂岩岩相学特征、流体包裹体特征和铀矿化特征，旨在阐明该矿床铀成矿作用、油气与铀成矿关系等关键问题，以期进一步丰富和发展我国砂岩型铀成矿理论。

1 区域地质概况

店头铀矿床大地构造位于鄂尔多斯盆地东南缘陕北斜坡带和渭北隆起的过渡部位(图1)。区内主要出露上三叠统延长组(T)、中侏罗统延安组(J2y)和直罗组(J2z)、下白垩统志丹群(K1z)。矿区内中新生代盖层主要缺失下侏罗统富县组(J1f)、上侏罗统芬芳河组(J3f)和上白垩统(K2)。含矿目的层为直罗组下段，地层产状近于水平，西倾，倾角一般小于5°。

矿区地质构造活动较弱，以小规模的褶皱为主，断裂构造发育不明显。矿区构造总体受庙彬褶皱带北端控制，褶皱带为舒缓开阔的、轴部呈北东向的小型褶曲，褶皱带中从东至西发育有南峪口背斜、花家庄向斜、圪崂寺背斜、双龙向斜(图1)。店头矿区受褶皱带影响发育有次级隆起与洼陷构造，其中沮水、庙沟脑和塔里梁等洼陷控制了铀矿化段，矿床主矿体均分布在沮水洼陷中。

盆地东南缘铀矿化信息较丰富，北部店头地区发育有店头铀矿床，矿床东部发育有南峪口矿点和寺湾矿点，矿床南部发育有焦坪矿点和庙湾矿点，地表还出露有多个矿化点和异常点。铀矿化主要赋存于直罗组下段中上部浅色砂岩层中，小型冲刷构造发育处常含有煤线、煤屑、有机质和黄铁矿等还原介质，是铀矿化富集的主要部位。另外，直罗组上段和延安组顶部泥岩与直罗组下段砂岩组成了很好的“泥-砂-泥”结构，为直罗组下段砂体内铀成矿创造了良好的条件。

据前人研究成果显示，铀成矿期次主要有125.2～98 Ma、(51.0±5.8)～(41.8±9.3) Ma(李文辉，2004；陈宏斌等，2006；刘润川等，2019；曹惠锋等，2019)等两个阶段，大体相当于早白垩中晚期—晚白垩早期和始新世。由于褶皱隆起，造成区内地层多次缺失，该时期古气候炎热、干旱，有利于含铀、含氧水进入含矿目的层，在氧化-还原过渡带、有机质相对富集的区域，铀还原沉淀富集成矿。

2 样品的采集与分析

2.1 样品采集

采集的样品主要是地表露头和钻孔岩心赋矿砂岩。采集地点为店头铀矿床和崔家沟煤矿。采集方式主要利用伽玛辐射仪筛选铀含量大于200×10-6的赋矿样品，之后进行镜下观察和分析。

2.2 样品分析

(1) 镜下观察。挑选具有代表性赋矿砂岩磨制成厚约0.03 mm的光薄片，然后利用偏光显微镜(Leica HM500S)，观察岩石的结构和构造、岩石中的矿物特征、岩石的后生蚀变特征，圈定出铀矿物区域，为下一步的电子探针和扫描电镜分析做好准备。

(2) 电子探针分析。对圈定有铀矿物的薄片进行镀碳，利用Jeor JXA-8100型电子探针，研究铀矿物和包裹体显微特征。

(3) 扫描电镜分析。采用扫描电镜-能谱仪(仪器型号：Nova Nano SEM450TESCAN-VEGALMU扫描电子显微镜和LINK-ISISX射线能谱仪)对样品进行观测、矿物鉴定。

(4) 流体包裹体分析。包裹体观察使用Leica显微镜；成分测定仪器为英国产的Linkam_THMS600冷热台(测温范围为-196～+600 ℃)，仪器精度为±0.1 ℃；本次实验采用标样对冷热台进行温度标定后进行测试，升温速率和数据控制的精度总体为：<100 ℃时，速率为10 ℃/min，精度±0.5 ℃；>100 ℃时，速率为5 ℃/min，精度±1 ℃；快均一时升温速率采用2～3 ℃/min。测试温度的总体精度控制在1 ℃以内。

(5) 激光拉曼分析。将光薄片在显微镜下圈出需要分析的未知矿物，采用拉曼光谱仪LabRAM HR Evolution，依据Burke(2001)方法测试。

3 岩石矿物学特征

研究区南部崔家沟地区直罗组下段的岩相组合从上到下的特征如图2所示。顶部为黄绿色含油细砂岩(图2a, b)，岩石成分为石英、长石、岩屑及云母，胶结物为方解石，碎屑颗粒呈棱角-次棱角状，碎屑含量分别为石英约65%，长石约15%，岩屑约10%，云母和方解石约5%；其下为紫红色泥岩夹薄层紫红色粉砂岩。中部为中厚层块状的灰白色粗砂岩(图2c)。中下部为浅灰白色砂砾岩、砾岩(图2d)，砾石以石英岩为主，粒度约2～3 mm，含少量黄铁矿和黑色有机质。下部为深灰色砂砾岩(图2e-h)，岩屑以石英砾岩为主，粒度约2～3 mm，砂岩中发育约5%的黄铁矿，可见微量锆石和方铅矿；砂岩胶结物中约有地沥青(10%)，方解石(2%)和伊蒙混层(1%)。崔家沟地区的砂岩成分主要以石英和硅质岩屑为主，且岩石主量分析Si的含量约49.59%～87.51%，平均值为70.3%。

研究区深灰色砂砾岩中的地沥青在手标本上可见油脂光泽(图3)，且经激光拉曼测试得出其成分为碳质(图4)。

4 铀矿化特征

研究区铀矿化主要赋存于直罗组下段，矿体空间展布受古层间氧化带控制，垂向受控于古氧化-还原成岩的灰绿色、灰白色砂体与原生灰色砂体的过渡部位；矿体产状与地层产状基本一致，呈北北东走向，倾向北西西向；铀矿体形态呈透镜状、似层状、不规则蛇曲状；矿体埋深一般90～350 m，长度400～800 m，宽度200～400 m，厚度0.95～5.8 m；矿化连续性较差；矿石品位一般为0.049%～0.949%，铀量一般为1.23～23.10 kg/m2，最大值为30.19 kg/m2(张字龙，2018)。铀主要赋存在坚硬致密的浅灰色、灰白色中粗、中细粒长石砂岩或长石石英砂岩中(张字龙等，2016)，呈孔隙式-接触式胶结，胶结物有泥质、钙质、硅铁质等，矿石密度较大(一般>2.2 g/cm3)，渗透率低(一般<10×10-6μm2)。

我国中新生带盆地中铀矿物类型主要有铀石、水硅铀矿、沥青铀矿、钛铀矿、凌钙铀矿、铀钍矿(刘杰等，2013)。鄂尔多斯盆地东南部矿体中铀的存在形式，主要为沥青铀矿和铀石(表1)，在地表氧化矿石中有少量硅钙铀矿等次生铀矿物。沥青铀矿无固定晶体形态，常呈星点状、胶状、细条带状，赋存于有机质、黄铁矿和泥质胶结物中(张字龙，2018)，铀矿物粒径约0.5～10 μm(图5a, b)。铀石以单颗粒短柱状、纺锤状和柱状集合体状产出(图5c, d)，部分铀石与沥青铀矿同步产出，并赋存于沥青铀矿表面。二者呈吸附状态存在(图5e，f)，铀主要被疑似为地沥青的黑色有机质吸附，其次吸附于黄铁矿周边，铀、黄铁矿均包裹于地沥青之中。另外，铀还被胶结物所吸附，呈分散状分布于泥质胶结物周边。

5 流体包裹体特征

5.1 包裹体岩相学及成分特征

研究区所测包裹体样品均为直罗组赋矿砂岩，研究对象为沿切穿石英颗粒及其加大边的微裂隙中分布的包裹体。通过对店头地区直罗组赋矿砂岩油气包裹体研究，发现砂岩中明显存在1～2期的油气包裹体，包裹体主要以液态油、气液烃包裹体和气烃+盐水包裹体为主，天然气(气烃)包裹体仅占10%左右(张字龙，2018)，这与充注于鄂尔多斯盆地北部直罗组中以气烃占主导的包裹体不同。仅从直罗组包裹体成分特征，就充分体现了鄂尔多斯盆地“南油北气”的显著特点。

表1 店头矿床铀矿石电子探针分析铀矿物类型表

研究发现，赋矿砂岩部分石英碎屑颗粒边缘发育I～II级次生加大边(图6a, b),通常情况下II级加大边规模大于I级加大边。在赋矿砂岩的碎屑颗粒间还充填有轻质油和沥青，沥青主要呈现出褐色、暗色，轻质油呈现出淡黄色。他们均显示出较强的荧光，其中轻质油显示出浅绿色、浅蓝色荧光(图6c, d)，沥青显示出褐色的荧光(图6e, f)。经过镜下观察发现，直罗组赋矿砂岩中主要发育2期油气包裹体。第1期包裹体呈带状分布于石英加大边的内侧，说明该期包裹体发育于I级石英加大早期。包裹体发育丰度为1%～8%。成分主要为液态烃和沥青，颜色呈现深褐色、褐色；第2期包裹体呈带状分布于切穿石英颗粒I级或II级加大边的微裂隙中(图6g, h)。包裹体发育丰度为4%～6%。包裹体成分中气烃占10%左右，气液烃约占10%～30%，液烃约占60%～80%(张字龙，2018)。富含沥青的液烃颜色呈现为深褐色和褐色，气液烃颜色呈褐色和淡黄色，显示浅蓝色的荧光或无荧光显示，气烃包裹体颜色呈现灰色，无荧光显示。

5.2 流体包裹体显微测温

包裹体测温结果显示，第1期均一温度为105～114 ℃，盐度为23.18 wt%(该期仅获得一个数据)；第2期均一温度和盐度均分布较广，其中均一温度集中于75～80 ℃、90～105 ℃、110～120 ℃和140 ℃四个温度区间，盐度分布于0.53 wt%～23.18 wt%之间，平均值为14.1 wt%。包裹体均一温度为75～80 ℃,与盆地东南缘直罗组埋藏深度的正常温度相匹配，均一温度为110～120 ℃和140 ℃的值远高于正常沉积埋藏温度的最高值，表明后期有构造挤压或热液流体改造作用。包裹体显示的古流体盐度也远高于地表流体盐度和现今海水的盐度(李子颖等，2019)。

6 讨论

6.1 油气与铀成矿的时空关系

通过镜下观察和电子探针发现，充注于赋矿砂岩碎屑颗粒间及其微裂隙中的油气，其成分以液态烃(富含沥青)和气液烃为主，且明显充注有2期油气。其中早期油气充注发生在石英颗粒次生加大边之前，后期油气充注发生在石英颗粒次生加大边I～II级之后(图7)。电子探针能谱显示，在颗粒间的孔隙中充填了沥青，沥青中含有沥青铀矿、黄铁矿和方铅矿(图7)，黄铁矿与石英颗粒间及长石与石英颗粒间的裂隙中充填有铀石和细小颗粒的黄铁矿。在碎屑颗粒间和切穿石英颗粒次生加大边或II级加大边的微裂隙中，同时发育有铀矿物和油气包裹体，铀矿物以沥青铀矿为主，包裹体主要呈淡黄色气液烃包裹体(图8)。

综上观察和研究可知，研究区赋矿砂岩存在明显两期成岩压实作用，造成石英颗粒形成II级次生加大边；油气充注作用也明显存在2期，而且第2期油气充注作用要晚于石英颗粒形成II级次生加大边的时期。第2期油气充注作用过程中伴随有铀成矿作用，同期含油气和铀质的古流体，充填碎屑颗粒间或充填于切穿石英及其次生加大边的裂隙中，即油气充注作用与铀成矿作用可同期存在于同一容矿空间中。

6.2 油气流体与铀成矿关系

店头铀成矿年龄为125.2～98 Ma、(52.4±0.7) Ma、(51.0±5.8) Ma、(41.8±9.3) Ma、(47.2±0.7) Ma(李文辉，2004；陈宏斌等，2006；刘润川等，2019；曹惠锋等，2019)，铀成矿作用主要发生在早白垩中晚期—晚白垩早期和古近纪。鄂尔多斯盆地东南部主要发育三套烃源岩(陈建平等，1997；杨华等，2005；李彦恒，2007；徐汉梁，2015)，其中上三叠统延长组7、8段最为重要。三叠系烃源岩从中侏罗世开始生烃，到早白垩世中晚期生烃和排烃能力达到最高峰(于强，2009；刘润川等，2019)，油气充注作用贯穿古近纪和新近纪，并一直持续至今。早白垩世既是主要铀成矿期又是烃源岩主要排烃期，油气充注期伴随有铀成矿作用，随着油气的持续充注，铀成矿作用也随之持续发生，可见油气与铀成矿关系密切。

分析与铀成矿相关的包裹体测温结果显示，店头地区成矿温度为72～141 ℃，平均为103.5 ℃，与埋藏压实作用的成矿温度相比明显偏高；成矿流体盐度为0.53 wt%～23.18 wt%，平均为14.1 wt%，明显高于地表流体盐度和现今海水的盐度。店头地区成矿流体温度与盐度均偏高，说明成矿过程中可能因构造挤压或外来热液作用，导致铀成矿过程中有热液的作用参与其中。

综上所述，鄂尔多斯盆地东南部直罗组赋矿砂岩成岩度高，岩石中石英碎屑颗粒有明显的I～II级次生加大边，而且在直罗组赋矿砂体中，既有多期油气充注作用，又有多阶段铀成矿作用。早期的油气充注于I级石英加大边形成之前，该时期也是铀成矿的主要形成期；中晚期的油气充注于II级或更高级石英加大边形成之后，该时期含U、S、Fe等多种元素的油气充填于碎屑颗粒间，或充填于切穿石英II级次生加大边的微裂隙中，随着油气的分解和凝固，沥青铀矿和黄铁矿等金属矿物也随之形成。总之，油气与铀成矿关系较密切，油气既可以保矿，又可以促进铀成矿作用。自早白垩世油气充注以来，铀成矿作用和油气充注作用持续同期发生，期间可能还伴随有热液的改造作用，导致矿体不断叠加富集。

7 结论

(1)通过镜下和包裹体特征研究，认为店头地区直罗组赋矿砂岩明显有2期油气充注作用，充注的油气主要为富含沥青的液态烃和气液烃，明显有别于盆地北部的气烃；发现直罗组岩石碎屑中，石英颗粒至少存在II级次生加大边，这是造成直罗组赋矿砂岩成岩度高的直接原因。

(2)通过分析油气充注作用、成岩作用和铀成矿关系，认为在直罗组较强的成岩作用之后，油气流体充注作用与铀成矿作用仍同时发生于直罗组砂体中，该过程中伴随有热液的叠加作用，含油气流体不仅可以保矿，还可以进一步促进铀成矿作用。