鄂尔多斯盆地东北部塔然高勒地区侏罗系直罗组含铀地层地球化学特征分析

王善博,张 超,张天福,朱 强,俞礽安,司庆红

(中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170)

鄂尔多斯盆地是中国重要的能源矿产基地，盆地不仅煤炭、油气等常规资源储量丰富[1-4]，而且随着盆地北部纳岭沟、大营、皂火壕等大-特大型砂岩型铀矿床的发现，使鄂尔多斯盆地成为中国重要的砂岩型铀矿产区。前人对鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿的地质特征、富集规律、成矿模式、地化特征等方面进行了大量的研究[5-15],取得了丰富的研究成果。但对盆地含矿目的层直罗组地层沉积古气候恢复及沉积物源判别方面的研究工作相对较少，特别是尚未见到通过钻孔岩心的地球化学参数垂向演化特征结合钻孔岩芯黏土矿物扫描垂向特征对沉积古气候进行系统的研究工作。因此，通过对盆地东北部塔然高勒地区直罗组地层钻孔岩芯样品主量、微量、稀土元素含量及黏土矿物组合特征进行测试分析，还原研究区中侏罗世直罗期的古气候特征和古水体条件，分析直罗组地层的源区的构造背景及源岩属性。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location map of the study area

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地构造位于华北克拉通西部，盆地周边构造运动强烈，盆地北部为兴蒙褶皱带，西北部为阿拉善断块，西南缘和秦祁褶皱带相连，东南与豫皖断块相接，东部为山西地块[16]。盆地内构造相对稳定，主要发育宽缓的褶皱、断陷和隆起，可进一步划分为河东断皱带、河套断陷、天环向斜、西缘断皱带、汾渭断陷、渭北断隆和鄂尔多斯断块7个次级构造单元[17]。研究区位于鄂尔多斯盆地东北部的塔然高勒地区(图1)。中侏罗统直罗组(J2z)为区内主要含铀地层，是本次研究的目标层位(图2)。其上段发育一套紫红色曲流河相沉积建造，下段发育一套灰色、灰绿色夹紫红色辫状河相沉积建造。

2 样品采集及测试方法

本次研究采集了17件Zk004铀矿调查钻孔的岩心样品，其中直罗组下段11件、直罗组上段6件。样品的主量、微量、稀土元素含量测定由天津地矿所完成，测试结果见表1～表3。岩心黏土矿物扫描由中科遥感科技集团有限公司完成。主量元素分析使用X衍射荧光光谱仪(XRF)进行，分析误差小于2%。微量、稀土元素分析使用等离子体质谱仪(ICP-MS)进行，测试精度优于5%。岩心黏土矿物扫描采用CMS350A型岩心扫描仪进行扫描，近红外波段光谱和可见光谱分辨率为3 nm，短波红外波段光谱分辨率为10 nm。

3 测试结果分析与讨论

3.1 古气候分析

3.1.1 主、微量元素分析

元素地球化学可以作为判断古气候的理想方法，Tribovillard等[18]研究认为 Sr/Cu、Rb/Sr、FeO/MnO、Mg/Ca及Al2O3/MgO均可以有效用于古气候的判断。Sr/Cu>5.0反映干旱的古气候条件，Sr/Cu=1.3～5.0可以反映温湿的古气候条件[19-21]。Rb元素在风化作用中较为稳定，而 Sr 则较易发生淋失[13]。所以在气候干燥时，降水较少，Sr淋失较少，因此表现为Rb/Sr较低；而在湿润气候下，由于Sr的大量淋失，使得Rb/Sr较高。Mn在潮湿环境下含量较低，在干旱环境中含量较高。Fe则正好相反，潮湿环境下含量较高。因此FeO/MnO高指示潮湿环境，比值低指示干旱环境。Mg/Ca在干旱环境较高，在潮湿环境较低[22]。Al2O3/MgO同样表现为在干旱气候较高，而在潮湿气候较低[23]。

研究区直罗组地层样品的主、微量元素及稀土元素含量如表1～表3所示，可知，Sr/Cu=4.88～56.54，平均为28.26(表2)，指示出整体上直罗组沉积古气候为干旱气候。垂向上从直罗组底部到直罗组顶部Sr/Cu表现出先降低后升高的变化趋势(图2)，特别是在直罗组下段顶部Sr/Cu<5，说明研究区直罗早期为干旱气候，到直罗中期气候逐渐湿润，再到直罗晚期气候再次变得干旱。

表1 塔然高勒地区直罗组地层主量元素含量及化学蚀变指数计算结果表Table 1 The major element concentrations and CIA correction of sections of Zhiluo Formation in Taran Gol area

表2 塔然高勒地区直罗组地层微量元素含量及特征参数表Table 2 The trace element concentrations of sections of Zhiluo formation in Taran Gol area and geochemical parameters

表3 塔然高勒地区直罗组地层稀土元素含量表Table 3 The contents of REE for sections of Zhiluo formation in Taran Gol area

研究区直罗组地层的Rb/Sr的垂向变化基本和Sr/Cu呈现出镜像的特征，表现出先增大后减小的变化特点。进一步印证了直罗组沉积古气候的这种变化特征。直罗组地层的FeO/MnO、Mg/Ca和Al2O3/MgO也反映出了相同古气候特征。

3.1.2 化学蚀变指数(CIA)分析

化学蚀变指数(CIA)可以从侧面反映出古气候的特征[24]。其计算公式为

CIA={n(Al2O3)/[n(Al2O3)+n(CaO*)+

n(Na2O)+n(K2O)]}×100

(1)

式(1)中:CaO*指硅酸盐矿物中的CaO,不包括碳酸盐以及磷酸盐矿物中的CaO。

一般认为干旱气候条件下岩石风化强度较弱，CIA指数一般在50～60；温暖潮湿的气候条件下，岩石的风化强度中等，CIA指数一般在60～80；炎热潮湿气候条件下，岩石风化强度较高，CIA指数一般在80～100[25-26]。

研究区直罗组下段地层样品的化学蚀变指数(CIA)介于52.41～58.93，平均为56.6(表1)，说明风化强度较弱，指示出古气候较为干旱；直罗组上段的化学蚀变指数(CIA)介于52.5～77.6，平均为66.8，反映了较直罗组下段相对湿润的古气候特征。另外直罗组地层样品的化学蚀变指数(CIA) 在垂向上表现为先增大后减小的变化特点(图2)，也反映出了研究区直罗期古气候由早期干旱-中期湿润-晚期干旱的变化特征。

3.1.3 黏土矿物组合特征分析

黏土矿物含量及组合特征对古沉积环境有重要的指示意义[27-28]，伊利石和绿泥石主要在干冷的气候条件下形成[29]，蒙脱石在温暖潮湿环境条件下含量比较高，高岭石是风化程度较高的矿物，可以反映出炎热潮湿气候条件[30]。

通过对钻孔岩心进行黏土矿物扫描可以看出(图3)，研究区直罗组地层上部和下部伊利石和绿泥石含量较高，反映了较为干冷的古气候条件。而直罗组地层中部伊利石和绿泥石含量较低，反映出湿热的气候特征。同时高岭石的含量与伊利石、绿泥石基本呈镜像特征，在直罗组地层中部含量较高，在直罗组下部和上部含量较低，也反映出了古气候相同的变化特征。蒙脱石的含量较为稳定，在直罗组内变化不大。黏土矿物含量变化所反映出的古气候特征与主微量元素、化学蚀变指数(CIA)分析结果一致，既研究区直罗组古气候经历了从由早期干旱-中期湿润-晚期干旱的变化特征。

图3 鄂尔多斯盆地东北部塔然高勒地区直罗组地层黏土矿物含量垂向分布图Fig.3 The vertical distribution of clay mineral content in the Zhiluo Formation of the Taran Gol district in the northeastern Ordos Basin

3.2 古氧化还原环境分析

U、V、Cr、Co 等微量元素由于在氧化条件下易溶于水，使得沉积物中含量较低；而在还原条件下不易溶于水，使得沉积物中含量相对较高[31-32]。Ni、Cu、Zn、Cd 等金属元素同样在氧化条件下易溶于水，使得沉积物中含量较低；在还原条件下常以硫化物的形式沉淀，使得沉积物中含量较高[18]。因此U/Th、V/Cr 和Ni/Co可以作为指示古水体氧化还原条件的指标[33](表4)。

研究区直罗组上段U/Th=0.22～0.7，平均为0.39，指示出沉积古水体为氧化条件；直罗组下段由于铀矿富集的原因，对使用U/Th判定沉积古水体的氧化还原条件产生干扰，直罗组下段U/Th=0.32～152.74，变化范围较大。直罗组上段的V/Cr=0.64～1.28，平均为1.0，反映了水体整体为富氧条件；直罗组下段的V/Cr略高于直罗组上段，为1.07～2.5，平均为1.47，整体上也反映了富氧的古水体条件。直罗组上、下段的Ni/Co均小于5，也反映出直罗组上、下段水体均为富氧条件。

表4 古水体氧化还原环境微量元素判别表[33]Table 4 Geochemical indicates of redox environment[33]

3.3 古水体盐度分析

沉积岩中微量元素Sr含量是判断沉积古水体盐度的常用指标，Sr元素含量小于300×10-6时，指示沉积古水体为淡水环境；而Sr元素含量大于800×10-6时，指示沉积古水体为咸水环境[34]。研究区直罗组上段样品的Sr元素含量在304×10-6～331×10-6，平均为318×10-6，而直罗组下段样品的Sr元素含量为227×10-6～309×10-6，平均为277×10-6。可以看出直罗组上段样品的Sr元素含量全部略高于300×10-6，沉积古环境应属于淡水与咸水之间的半咸水环境。直罗组下段大部分样品的Sr元素含量在300×10-6以内，少部分大于300×10-6，说明直罗组下段的沉积古盐度整体上为淡水环境，盐度低于直罗组上段，从图2也可以看出明显的规律。

Sr/Ba也是判别古盐度的常用指标，一般认为Sr/Ba<1指示沉积古水体为淡水环境(其中小于0.5为微咸水相，0.5～1 为半咸水相)；而Sr/Ba>1则指示沉积古水体为咸水环境[35]。研究区直罗组下段样品Sr/Ba=0.26～0.37，平均为0.31；直罗组上段样品Sr/Ba=0.35～0.49，平均为0.41。可以看出直罗组上、下段样品的Sr/Ba均小于0.5，指示了微咸水的淡水环境，而且直罗组下段的Sr/Ba比值明显小于直罗组上段，说明了直罗组下段盐度小于直罗组上段。利用Ba-Sr判别图解(图4)，可以看出相同的规律，直罗组下段样品的投点更靠近淡水区域。

图5 鄂尔多斯盆地东北部塔然高勒地区直罗组源区构造背景判别图解Fig.5 Tectonic setting discrimination diagrams of the Zhiluo Formation in Taran Gol area in the Northeastern Ordos Basin

3.4 源区构造背景分析

3.4.1 主量元素分析

利用Al2O3/SiO2-(Fe2O3+MgO)图解和K2O/Na2O-SiO2图解可以判断源区的大地构造背景[36-37]。在Al2O3/SiO2-(Fe2O3+MgO)图解上可以看出，研究区直罗组样品大部分投点落在活动大陆边缘和大陆岛弧范围内，个别样品投点偏向大洋岛弧[图5(a)]。在K2O/Na2O-SiO2图解上研究区直罗组样品投点整体分布在活动大陆边缘和大陆岛弧之间，更偏向活动大陆边缘[图5(b)]。整体上研究区直罗组地层源区构造背景主要与大陆岛弧及大陆边缘联系较多。

Ⅰ为现代三角洲半咸水黏土区；Ⅱ为太平洋远海相沉积物区；Ⅲ为俄罗斯地台不同年代海相碳酸盐岩区；Ⅳ为现代高咸水沉积物区图4 古水体盐度Ba-Sr判别图Fig.4 Ancient water body salinity Ba-Sr discriminant map

3.4.2 稀土元素 (REE)含量特征与源区构造背景判别

沉积岩的稀土元素(REE)含量组合特征主要受控于其源岩的岩石成分，受后期风化作用、成岩作用和蚀变作用影响相对较弱，因此可以用于源岩属性及源区构造背景研究[38-39]。

研究区直罗组下段稀土总量∑REE=86.07～355.15，平均为151.17，轻稀土总量∑LREE=79.56～336.96，平均为139.57，重稀土总量∑HREE=6.51～18.22，平均为11.59，∑LREE/∑HREE=7.55～18.49，平均为11.95；直罗组上段稀土总量∑REE=140.84～398.31，平均为226.51，轻稀土总量∑LREE=125.93～371.87，平均为207.51，重稀土总量∑HREE=14.91～26.44，平均为18.99，∑LREE/∑HREE=7.97～14.06，平均为9.79(表3)。均表现出轻稀土富集而重稀土亏损的特点，分配曲线如图5(e)。

文献[36]总结了大洋岛弧、大陆岛弧、大陆边缘等构造背景下的稀土元素含量范围 (表5)，通过对比可以看出本次研究的大部分样品与大陆边缘背景下的稀土元素特征较为匹配，少部分样品与大陆岛弧背景下的稀土元素特征较为匹配。

此外，利用稀土元素La含量和微量元素Th、Sc、Zr含量绘制的La-Th-Sc三角图解和Th-Co-Zr/10三角图解也可以用于构造背景的分析[37]。可以看出在La-Th-Sc图解中[图5(c)]，研究区直罗组少量样品落在大陆岛弧内，大部分样品落在了大陆岛弧和大陆边缘周边的位置。在Th-Co-Zr/10图解中[图5(d)]，除直罗组上段一个样品落点偏离4个区域之外，绝大多数样品均落在大陆岛弧之内。

因此，综合上述常量、微量、稀土元素各种构造背景判别结果，认为鄂尔多斯盆地东北部塔然高勒地区直罗组地层的源区构造背景主要是与活动大陆边缘和大陆岛弧联系较多。

3.5 源岩属性分析

通过绘制F1/F2源岩属性判别图解可以看出，研究区直罗组地层样品投点大部分落入长英质火成岩区域，少量样品投点落入中性岩火成岩区域，个别样品投点落入石英岩沉积物源区和镁铁质火成岩区域[图5(f)]。说明直罗组地层的物源主要来自上地壳长英质源区，并混合基性玄武岩及花岗岩等。此外，前人研究得到的鄂尔多斯盆地北部直罗组砂岩碎屑锆石年龄主要集中在250～450 Ma、1 750～2 000 Ma和2 300～2 500 Ma三个峰值[40]，年龄跨度较大。这也说明了源岩的复杂性，不仅包括古生代中酸性侵入岩，还包含前寒武纪古老变质岩系。结合构造判别结果，研究区直罗组地层的源岩主要为盆地北部阴山造山带内古生代中酸性侵入岩和大青山-乌拉山-集宁地区前寒武纪变质岩。

4 结论

(1)研究区中侏罗世直罗早期为干旱气候，到直罗中期气候逐渐湿润，而后到直罗晚期气候再次变得干旱。

(2)研究区直罗组地层沉积古水体为富氧的氧化条件。直罗组下段的沉积古水体整体上为淡水环境，少部分为半咸环境，其上段整体上为半咸水环境。

(3)综合常量、微量、稀土元素各种构造背景判别结果，研究区源区构造背景与活动大陆边缘和大陆岛弧联系较多。源岩主要为盆地北部阴山造山带内古生代中酸性侵入岩和的大青山-乌拉山-集宁地区前寒武纪变质岩。

表5 四种构造背景稀土元素含量范围对比表Table 5 Comparison table of rare earth elements content in four tectonic backgrounds