钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)层间氧化带分布特征与铀矿化关系

彭 爽, 汪劲草, 王佩华, 邵金全, 陈 晓, 张 磊

(1.桂林理工大学 地球科学学院, 广西 桂林 541006; 2.核工业二○八大队, 内蒙古 包头 014010)

砂岩型铀矿也是我国铀矿的四大类型之一[1]。早在20世纪50至80年代, 美国和前苏联在发现大量砂岩型铀矿床并对其进行研究之后提出了“砂岩型铀矿床的成矿模式”[2-4], 科学地揭示了砂岩型铀矿的地质特征和形成机理, 以及砂岩型铀矿床和层间氧化带之间的密切关系。铀成矿作用随层间氧化作用的发育而发生, 砂岩铀矿体是砂体层间氧化带发育的结果与产物[5]。现今为止, 我国在鄂尔多斯盆地、 伊犁盆地、 二连盆地、 松辽盆地等发现的砂岩型铀矿床的铀矿体产出位置和规模都与层间氧化带密切相关[6-10]。

松辽盆地是我国石油、 煤炭等矿产资源的重要产地。钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)是松辽盆地重要的铀矿富集区。多年来, 对钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)成因及控矿因素众说纷纭： 有研究者认为层间氧化、 油气还原及热液对铀矿体均有控制作用[9, 11-12]; 也有部分研究者提出低洼地带成矿说, 认为赋矿层沉积时, 低洼处沉积物粒度较细且富含有机质, 在以红色沉积为背景的环境下局部存在原生的还原带, 经后生氧化作用形成铀矿体[5, 11, 13]。

本文通过钻孔数据、 岩心观察及岩石地球化学数据的研究, 根据钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)原生、 后生岩石地球化学特征， 揭示氧化带空间展布规律以及有机质等与铀矿化关系, 探讨钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)成因以及氧化带控矿作用。

1 区域地质背景

钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)位于松辽盆地西南部的开鲁坳陷内。开鲁坳陷位于松辽盆地南西部(图1)[14], 面积约3.1万km2。钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)中新生代沉积盖层主要有白垩系、 新近系和第四系等(表1)[5, 11,15-16], 主要产铀层为上白垩统姚家组。姚家组为一套冲积扇-河流-三角洲-滨浅湖沉积的灰、 砖红、 褐黄色中砂岩、 细砂岩、 砂砾岩夹紫红色、 灰绿色泥岩、 泥质粉砂岩。

表1 钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)盖层简表(据文献[5, 11, 15-16]修改)

图1 松辽盆地一级构造单元略图(据文献[11,14]修改)

2 钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)岩石地球化学类型识别

钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)姚家组主要识别出了原生红色沉积、 原生灰色沉积、 后生红色氧化、 后生黄色氧化、 后生还原褪色5种岩石地球化学类型。

2.1 原生岩石地球化学类型

2.1.1 原生红色沉积 姚家组是在干热-半干热的气候条件下形成的一套红色沉积层[11], 自身还原剂容量低, 还原能力差, 原生地球化学环境为氧化型(图2a), 岩石以褐红色或紫红色为主。

2.1.2 原生灰色沉积 姚家组灰色原生沉积主要分布在辫状河下游, 为河漫沉积, 分布范围较小, 为沉积期的沉积沉降中心, 主要分布在宝龙山带, 后因构造运动, 局部抬升剥蚀, 使得上白垩统姚家组出露地表, 灰色原生沉积岩石大部分遭受剥蚀, 仅在辫状河与河漫沉积的过渡部位发现厚大的灰色泥岩(图2b), 较少的灰色砂岩。

图2 姚家组砂岩(a)及泥岩(b)

2.2 后生蚀变岩石地球化学类型

2.2.1 红色氧化 后生的红色氧化主要为浅红色(图3), 由于氧化带中铁矿物以赤铁矿和针铁矿为主, 岩石中的杂基全部铁染, 使岩石整体显红色。

图3 姚家组砂岩(后生氧化)

2.2.2 黄色氧化 黄色氧化叠加在红色氧化之上, 且较多产出于层间氧化带前锋线附近, 即铀矿体产出部位多见, 呈条带状, 以浅黄或亮黄色多见。黄色岩石中铁矿物中以褐铁矿为主, 并有少量的赤铁矿化, 杂基主要显浅黄色、 黄褐色和红褐色(图4)[17]。

图4 姚家组砂岩(后生黄色氧化)

2.2.3 灰白色还原褪色蚀变 由于成矿后期, 钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)含矿层经过强烈的后生还原作用, 将部分氧化岩石还原并使之褪色, 变为灰白色岩石, 而灰白色岩石地球化学环境指标介于氧化与还原岩石之间(图5), 岩石以灰色为主色调, 但仍可见少量红色残留体。

图5 姚家组砂岩(后生还原)

2.3 岩石环境指标特征

钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)不同类型砂岩的岩石化学环境指标见表2、 图6～8。灰色砂岩中三价铁与二价铁含量比值(Fe3+/Fe2+)为0.42, 显示为还原环境; 有机碳、 硫的含量均较高, 分别为0.152%、 0.170%。红色与黄色砂岩中硫和碳含量相对较低。

表2 钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)不同岩石化学类型砂岩U、 Th、 Kp及岩石环境指标[20]

图6 不同岩石化学类型砂岩的Fe3+/Fe2+值

3 氧化还原分带特征

钱家店铀矿田氧化还原分带以灰、 灰白色岩石尖灭线和红色或黄色岩石尖灭线为标准, 其中红色或黄色岩石尖灭线为层间氧化带前锋线[12,18-22], 本次研究选取矿田内已施工铀矿钻孔322个, 以钻孔内岩心特征数据统计为基础, 结合实地岩心观测, 基于钻孔中氧化岩石(红色或黄色岩石)或还原岩石(灰、 灰白色岩石)的化学成分(质量分数)数据, 划分氧化带、 过渡带和还原带。在平面上圈出两条岩石地球化学环境界线, 圈定氧化带、 还原带及过渡带(图9)， 氧化带剖面特征见图10。

图7 不同岩石化学类型砂岩的硫含量

图8 不同岩石化学类型砂岩有机碳含量

图9 钱家店地区姚家组氧化带展布特征及其与沉积相、铀矿化的关系

图10 钱家店地区姚家组氧化带剖面示意图

钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)姚家组主氧化方向为北西-南东向。氧化带的岩石, 宏观上有机质与黄铁矿含量较少; 在显微镜下仅见到少量的黄铁矿残留, 并遭受强烈氧化; 黄铁矿呈草莓状、 团块状、 立方体状及细分散状。氧化带内的红色砂岩与黄色砂岩氧化亚铁、 硫与有机碳含量均较低, Fe3+/Fe2+值(1.96～2.96)较大, 表明两者均发生了强烈的氧化作用。不同类型砂岩钍含量大致相同, 但氧化带内的砂岩Th/U值均大于1, 表明氧化带内砂岩存在铀迁出迹象。

还原带的岩石， 多以灰色、 浅灰色、 灰白色为主, 也可见深灰色； 在显微镜下可见到较多浸染状分布的黄铁矿细粒, 以及炭化植物碎屑或有机质细脉; 砂岩中黏土矿物高岭石含量相对较低。

过渡带面积较小, 宽度在0～3 km, 且呈环状展布。过渡带为主要控矿部位, 目前已发现的钱Ⅳ块均分布于区域氧化-还原过渡带内。砂体呈灰色、 灰白色与红色及黄色岩石叠置产出。该带岩石常含有较多的黄铁矿和一些炭化植物碎屑或有机质细脉, 为铀矿化最主要的赋存部位。

4 层间氧化带与铀矿化的关系

基于上述层间氧化带的分带依据和分带特征, 钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)姚家组铀矿化与层间氧化带的空间分布具有紧密的联系, 氧化带前锋线的部位为最有利的成矿部位。

4.1 平面上矿体产出部位与层间氧化带的关系

钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)姚家组层间氧化方向为北西-南东向, 大致与河道砂体垂直, 氧化带位于图幅的西部, 还原带近北东向带状展布, 图幅中部为过渡带, 以层间氧化带前锋线和灰色岩石尖灭线为界(图11), 过渡带内氧化砂体与还原砂体共存, 灰色砂体由东向西逐渐减少, 最终尖灭; 过渡带南宽北窄, 宽度在3 200～1 200 m, 铀矿体多产于过渡带内的灰色、 灰白色砂体中。铀矿体总体呈北东-南西向“带状”展布, 与层间氧化带前锋线展布空间方向基本一致。该矿床铀矿体均产于相邻红色砂岩的灰色砂岩中， 因此还原带(灰色砂体)边缘为重要的铀矿化产出部位。

图11 钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)姚家组氧化带与铀矿化关系平面分布示意图

4.2 剖面上层间氧化带对矿体形态的控制因素

钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)姚家组由于河道砂体沉积泥岩夹层较多, 且后生氧化方向与河道砂体沉积方向近垂直, 泥岩夹层制约了含氧含铀水的迁移, 导致氧化砂体完整性较差, 氧化砂体多呈透镜体近水平产出(图12), 剖面上自西向东, 氧化砂体逐渐变薄直至消失, 且原生氧化与后生氧化叠置产出, 使得铀矿体呈“板状” 产出于氧化带前锋线靠近还原的一侧; 另外, 对铀矿体不同品位的划分, 造成铀矿体不连续, 呈多层“板状”产出。 综合考虑铀矿体与铀矿化体整体形态, 可以看出矿化受层间氧化带控制呈现“卷状”特征产出。靠近氧化带一侧, 矿体多产出于各岩段的顶、 底界面, 向层间氧化带前锋线方向, 矿体逐渐靠拢直至连为一体, 形成厚大的类似“卷头”的矿体。厚大的铀矿体(层)一般由多层组成, 经压缩合并后成为一个矿体(层)。

4.3 还原介质与铀矿化关系

铀元素在强还原环境下处于相对稳定的状态, 而在氧化环境下则相对活跃。当含氧水在砂体中运移时, 砂体中本来处于稳定状态的铀元素由于受到含氧水的作用而被迁移； 当遇到还原障时, 铀元素则沉淀富集, 因此铀元素的活化、 迁移、 富集受含氧水运移方向、 还原介质的控制[23]。钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)赋矿层辫状河砂体均一性较差, 特别是河道边部泥岩阻挡层较多(图12), 氧化方向与砂体沉积方向不一致, 影响了含氧含铀水的迁移, 致使翼部矿体不发育。并且钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)矿体的厚度、 品位与地层中还原介质的含量有关, 还原介质成分、 形态决定了富铀矿体的分布与存在形式。

图12 37号勘探线地质剖面示意图(位置见图11)

4.3.1 有机碳 钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)灰色砂岩、 矿石中有机碳平均含量为0.42%, 高于红色岩石, 而铀矿化主要赋存于灰色砂岩中; 钻孔岩心常见炭屑呈细小的层状分布于灰色砂岩中, 往往也是铀矿化的部位; 铀矿石放射性照相显示出铀矿物往往呈浸染状分布于黄铁矿和炭屑纹层周围(图13、 图14a)， 说明吸附铀的富集与原生还原介质有机碳有关。

图13 含铀矿砂岩中的炭化植物碎屑

图14 草莓状黄铁矿(a)及块状沥青铀矿(b)

4.3.2 黄铁矿 钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)黄铁矿呈胶状、 细脉状、 细晶状、 浸染状分布于灰色砂岩中, 铀矿化越好的部位黄铁矿含量也明显增加。铀矿石放射性照相显示出铀呈超显微状铀矿物分布于填隙物中, 黄铁矿沿蚀变较强的斜长石、 黑云母和部分岩屑的裂隙呈微粒状分布, 铀矿物呈浸染状分布于黄铁矿和沥青质炭屑物纹层周围(图14), 黄铁矿与铀的富集关系密切。

4.3.3 硫(S2-) 钱家店铀矿床(钱Ⅳ块)红色砂岩中硫(S2-)含量平均为0.01%, 而在灰色含矿砂岩中硫平均含量为0.13%, 局部高达0.21%, 说明铀成矿与S2-的含量有关(图15)。

图15 砂岩U含量和S2-含量关系

5 结 论

(1)钱家店矿床(钱Ⅳ块)岩石地球化学类型有原生红色沉积、 原生灰色沉积、 后生红色氧化、 后生黄色氧化、 后生还原褪色5种, 其中控矿目的层是上白垩统姚家组, 岩石地球化学类型属于后生还原褪色。

(2)钱家店矿床(钱Ⅳ块)铀矿化受氧化前锋线控制, 多产于红色砂体与灰色砂体过渡部位的灰色砂体中, 还原带(灰色砂体)边缘可作为找矿标志之一。

(3)铀矿体呈多层“板状”产出, 铀矿体与铀矿化体整体呈“卷状”形态产出。

(4)铀矿体的形成与岩石地球化学环境、 还原介质有机碳及黄铁矿、 S2-有关。