塔木素铀矿床含铀黄铁矿特征及铀成矿过程探讨

李永，刘波，童勤龙，叶发旺

（1.核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010；2.核工业北京地质研究院 遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京 100029）

巴音戈壁盆地是中新生代陆相盆地，为我国重要的煤-油-铀叠合盆地［1-2］。盆地内铀资源较丰富，已发现了塔木素特大型铀矿床、测老庙小型铀矿床和本巴图铀矿点。近年来，砂岩型铀矿床具有可地浸和绿色环保的特点，同时其具有独特的构造背景和成矿地质年代成为了矿床学研究的热点［3］。

大多数学者关注了塔木素铀矿床成矿地质条件和成矿模式［4］，区域构造演化，岩性-岩相［4］，成矿预测，矿床的形成年龄［5］，但以往的研究大多侧重于层间氧化带对矿床的控制作用，对矿床中赋铀黄铁矿特征及其共伴生元素的组合等研究较少。笔者在野外调研、岩心编录和镜下观察基础上，划分了铀成矿阶段和期次。结合电子探针，厘定了各阶段共（伴）生黄铁矿的元素地球化学特征，建立了黄铁矿形成模式并探讨了成矿机理。

1 矿床地质

塔木素铀矿床位于巴音戈壁盆地因格井凹陷内（图1 a），凹陷类型为双断型［6］，在凹陷北部发育构造斜坡带［3］。

矿床内主要的地层为巴音戈壁组、乌兰苏海组，其中主要目的层为下白垩统巴音戈壁组上段，为扇三角洲-湖泊沉积，可划分为3 个岩段。一岩段为泥岩夹薄层粉砂岩，二岩段为一套砂岩和砂质砾岩组合，三岩段为泥岩、粉砂岩和薄层砂岩互层。二岩段在平面上氧化-还原分带明显，西北部靠近蚀源区一侧砂体完全氧化，向西南方向逐渐变为氧化还原过渡带（以下简称过渡带）和还原带（图2）。

图2 巴音戈壁组上段二岩段沉积体系及地球化学图（据刘波，2020 修编）Fig.2 Sedimentary system and geochemistry map of the Second Segment of the upper member of Bayingebi formation（edited by Liu Bo，2020）

区内岩浆岩主要分布于宗乃山隆起，为二叠纪和三叠纪花岗岩、花岗闪长岩和石英闪长岩，Th/U 值3.3～6.4，为矿床提供了丰富的铀源［7-8］（图1 a，b）。区内分布3 条断裂（图1 b，c），分别为F1、F2和F3。下白垩统巴音戈壁组下段（K1b1）出露于断裂F1和F3之间，岩性以灰白、黄褐、褐红色砾岩和砂岩为主。目的层下白垩统巴音戈壁组上段（K1b2）出露于断裂F3南东，岩性以紫红、黄、红色砂岩为主，细碎屑岩中见短柱状炭屑和细晶分散状黄铁矿等还原介质。区内南东角见上白垩统乌兰苏海组（K2w）出露，主要为一套砖红色建造（图1 b）。铀矿体主要位于巴音戈壁组上段（K1b2）二岩段内，多呈板状，带状和透镜状分布。矿石一般为颗粒支撑结构，交错层理发育。

图1 塔木素铀矿床地质图（图a 和b 据普查报告，2019 改编；图c 根据张成勇，2019 改编）Fig.1 Geological map of Tamusu uranium deposit（maps a and b adapted from census report 2019；map c based on Zhangchengyong，2019）

目的层巴音戈壁组上段二岩段主要由扇三角洲平原和扇三角洲前缘组成。扇三角洲平原主要发育分流河道、分流间湾和决口扇。扇三角洲平原分流河道砂体具有粒度粗的特点，以含砾砂岩、砂质砾岩和砾岩为主，发育叠瓦状构造和槽状交错层理。分流河道砂体中记录了6 个级次的沉积界面。扇三角洲前缘是扇三角洲的水下部分，在钻孔中可识别出水下分流河道与河口坝（图3）。

图3 巴音戈壁组上段二岩段扇三角洲平原及前缘沉积序列图Fig.3 Sedimentary sequence diagram of fan delta plain and front of the Second Segment of the upper member of Bayingebi formation

塔木素铀矿床中矿物种类较多，组成复杂（图4）。既有大量的硫化物、氧化物和碳酸盐，又有硅酸盐矿物、硫酸盐矿物和铀的氧化物。矿石矿物主要为沥青铀矿（图4 f，g，h，i，l），还见少量铀石（图4 j）和钛铀矿（图4 k）；脉石矿物有黄铁矿（图4 a-l）、石英（图4 f）、长石（图4 g）、石膏（图4 j）、方解石、白云石（图4 i）和萤石。与矿化关系密切的围岩蚀变有赤铁矿化、褐铁矿化和绿泥石化等。

图4 塔木素铀矿床典型岩石照片及部分矿物镜下特征Fig.4 Hand specimen and microscopic photos of typical rocks in Tamusu uranium deposit

2 成矿阶段

综合前人资料、野外地质调查及岩心编录，按照黄铁矿在氧化带、过渡带及还原带的分布规律，将塔木素铀矿床的成矿作用分为3 个时期，即层间氧化期早、中、晚3 个阶段。早阶段：白云石-方解石-石膏-沥青铀矿-黄铁矿阶段；主阶段：沥青铀矿-铀石-钛铀矿-黄铁矿阶段；晚阶段：萤石-石膏-沥青铀矿-黄铁矿阶段（表1）。同时，识别出4 个世代的黄铁矿（Py0-Py3）。

表1 塔木素铀矿床矿物共生序列Table 1 Mineral symbiosis sequence of Tamusu uranium deposit

沉积成岩期（Py0）：下白垩统沉积形成的巴音戈壁组，即赋矿层位。在砂岩沉积时进行了铀的初步矿化富集。沉积成岩期形成的黄铁矿较少，呈粒状。主要矿物有石英、长石、云母、黄铁矿、白云石、方解石及石膏。单个草莓状黄铁矿多由50～100 粒细黄铁矿组成，聚颗粒大小为0.06～0.32 μm；粒状黄铁矿颗粒大小约2～12 μm。

层间氧化期（Py1-Py3）：层间氧化期是最主要的成矿阶段，可分为3 个阶段。

早阶段（Py1）：主要形成石英-黄铁矿-白云石-方解石-石膏-沥青铀矿组合。黄铁矿呈细晶体分散状分布于氧化砂体及泥岩接触带内（图4 e）。

主阶段（Py2）：形成石英-黄铁矿-褐铁矿-沥青铀矿-铀石-钛铀矿组合，是最关键的铀矿化阶段。镜下观察到，黄铁矿在该阶段以半自形立方体为主，少见五边形、六边形、多边形或不规则形状，表面粗糙，麻点较多；晶体大小在20～500 μm 之间，呈树枝状的黄铁矿沿砂岩裂隙面充填；在黄铁矿周边见铀石和沥青铀矿分布（图4 f-i），黄铁矿在该阶段主要产出于过渡带内。

晚阶段（Py3）：以石英-黄铁矿-方解石-石膏-萤石–铁氧化物为组合矿物特征，多见在构造裂隙面上充填，多见星点状黄铁矿，颗粒直径在8～90 μm 之间，还原带砂体裂隙中多见（图4 k）。

3 样品特征及分析方法

本次测试的28 件矿石样品主要采自塔木素铀矿床的钻孔中，分布于氧化带、过渡带及还原带（表2）。将样品磨制光薄片和薄片；在系统显微岩相学研究的基础上，采用电子探针（EPMA）分析技术，对鉴定的矿物进行了电子探针成分分析。电子探针成分分析和稳定同位素测试在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成。采用仪器为JXA-8100M 型电子探针和与之配套的IncaEnergy 型能谱仪对镀碳的样品进行分析，以鉴定细小颗粒的矿物成分，测试条件为：加速电压15.0 kV，探针电流20.0 nA，束斑直径＜2 μm，标样：天然矿物或合成氧化物国家标准。

表2 塔木素铀矿床EPMA 样品地质特征Table 2 Geological characteristics of EPMA samples from Tamusu uranium deposit

4 测试结果

4.1 电子探针分析结果

由塔木素铀矿床不同阶段黄铁矿的EPMA 数据（表3）可看出，沉积成岩期黄铁矿样品共6 件，其中4件含铀，含铀率66.67%，黄铁矿中平均铀含量0.037%，表明该时期黄铁矿中铀元素已初步富集。层间氧化期早阶段黄铁矿样品共7 件，其中6 件含铀，含铀率85.71%，黄铁矿中平均铀含量0.047%。层间氧化期主阶段黄铁矿样品共12 件，全部含铀，含铀率100%，黄铁矿中平均铀含量0.083%。层间氧化期晚阶段黄铁矿样品共2 件，其中1 件含铀，含铀率50%，黄铁矿中平均铀含量0.08%。层间氧化期主阶段黄铁矿中的铀含量最高；沉积成岩期黄铁矿中的铀含量与层间氧化期早阶段的铀含量相差不大，但明显低于主阶段；晚阶段黄铁矿中铀含量最低。由此可见，氧化还原主阶段是含铀黄铁矿形成的主要时期。

表3 塔木素铀矿床不同阶段黄铁矿的EPMA 数据w（B）/%Table 3 EPMA data (%)of pyrite at different stages of Tamusu uranium deposit

表3 （续）

4.2 同位素分析结果

塔木素铀矿床巴音戈壁组黄铁矿S 同位素测定结果表明，黄铁矿的δ34S 均为负值，数值变化较大（表4），从−40.13‰到−5.39‰，平均为−20.22‰；其中，在氧化带黄铁矿δ34S在−24.20‰～−14.10‰之 间，平 均−20.60‰；过渡带黄铁矿δ34S 在−40.13‰～−23.95‰之间，平均−32.88‰；还原带黄铁矿δ34S 在−12.17‰～−5.39‰，平均−7.17‰。

表4 硫同位素样品特征及测试结果Table 4 Sulfur isotope sample characteristics and test results

5 讨论

5.1 共（伴）生元素分析

对电子探针检测出的14 种元素相对含量，笔者使用SPSS 多元统计软件，依据聚类分析的方法，开展了U 元素与Th、Ni、Re、Ba、Bi 等元素的相关性研究。聚类分析是根据样本自身的属性，用数学方法按照某些相似性指标，定量地确定样本之间的亲疏关系，依据此关系对样本聚类。按照聚类分析的原理，对塔木素铀矿床EPMA 数据的14 种元素分析数据作标准化变换后，采用相似性分类准则，测量间距采用皮尔森相关系数，生成聚类分析系统树图（图5）。SPSS 自动将各类间的距离映射到0～25 之间，称为距离系数，距离系数越小，说明变量之间的相关性越高，反之亦然。由皮尔森相关系数矩阵可以看出，在沉积成岩期U 元素相关性最好的是Th、Ni、Pb、Re、Cd、Ba 及Bi（表5）；在氧化还原阶段U 元素相关性最好的是Co、Ni、Pb 和Y（表6）。

表6 塔木素铀矿床氧化还原阶段元素间皮尔森相关系数矩阵Table 6 Matrix of Pearson's correlation coefficient among elements in the REDOX stage of Tamusu uranium deposit

图5 塔木素铀矿床元素聚类分析谱系图Fig.5 Pedigree diagram of elemental cluster analysis for Tamusu uranium deposit

表5 塔木素铀矿床沉积成岩阶段元素间皮尔森相关系数矩阵Table 5 Pearson correlation coefficient matrix of elements in the sedimentary and diagenetic stages of Tamusu uranium deposit

5.2 黄铁矿的成因指示

由前人研究可知，以下4 种作用是黄铁矿中S 的主要来源：细菌硫酸盐还原作用（BSR）、热化学硫酸盐还原作用（TSR）、无机还原作用（海水与玄武岩）和有机物热解（TDS）［9］。无机还原作用形成的δ34S 多趋于正值，通常为20‰。而塔木素铀矿床δ34S 值均小于20‰，所以无机还原作用可以排除。

当流体温度大于140 ℃时，发生热化学硫酸盐还原作用（TSR）（Machel 等，1995；Worden等，1995），核工业二〇八大队采用Fritz 和Smith 在1972 年提出的成矿流体计算公式计算出塔木素铀矿床砂岩中流体形成温度为37.26 ℃～93.22 ℃，平均温度70.18 ℃，所以可以排除热化学硫酸盐还原作用（TSR）。

当流体温度在50 ℃～140 ℃时，含S 有机物发生分 解，生 产H2S，δ34S 通常在−17‰～10‰。因塔木素铀矿床δ34S 平均−20.22‰，并且成矿流体温度为常温或低温流体［9］，故发生有机物分解的可能性较小。

当流体温度小于50 ℃时，发生细菌硫酸盐还原作用（BSR），其化学式如下：

这种还原作用造成δ34S 为负值［9］。同时，细菌作用生产的黄铁矿多为莓状，镜下观察塔木素铀矿床多为莓状且与炭屑共生，也证明了塔木素黄铁矿为生物成因。由生物成因形成的莓状黄铁矿最终通过奥斯特瓦尔德熟化作用［9］（Ostwald ripening）（图6），形成稳定的自形或者胶状黄铁矿。

奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald ripening）是一个常见的化学类型，该过程可简单理解为在能量因子的驱动下，部分小尺寸颗粒固体物质溶解，以便沉淀于更大尺寸颗粒的外部，大颗粒的比表面积缩小，从而使得整个系统的能量值降低。

5.3 黄铁矿与铀成矿过程探讨

铀元素在自然界中以U6+的形式在流体中迁移，遇到还原环境后，流体中的U6+被还原为U4+而沉淀富集形成铀矿物。塔木素铀矿中多见莓状黄铁矿、自形黄铁矿和胶状黄铁矿，部分充填在有机质孔隙和碎屑物孔隙内，多与沥青铀矿和铀石等共生，二者关系密切。伴随着黄铁矿的变化，铀成矿共经历了以下4 个阶段（图6）。

图6 塔木素铀矿床成矿阶段黄铁矿的奥斯特瓦尔德熟化过程图（据乐亮，2021 修改）Fig.6 Ostwald ripening process diagram of pyrite in the mineralization stage of Tamusu uranium deposit（modified by Le Liang，2021）

5.3.1同沉积-成岩阶段

早白垩世，因格井凹陷处于伸展下沉阶段，该时期古气候条件为温暖潮湿，巴音戈壁组沉积建造中富含炭屑和有机质等还原物质。在特定的地质背景下，巴音戈壁组上段在垂向上形成“泥-砂-泥”的序列，后期流体被限制在砂体内运移（图7 A）。

同沉积-成岩阶段，源自宗乃山高价态溶解相的铁质（Fe3+）和硫质（SO42-），随着地下水的运移，在砂体内被还原为Fe2+，硫质生物作用转化为H2S，与Fe2+反应，以自形黄铁矿（图7 a）的形式沉淀于碎屑颗粒间（图7 b）。

5.3.2层间氧化阶段

晚白垩世早期，凹陷受古亚洲造山带和滨西太平洋的双向挤压，北部宗乃山-沙拉扎山抬升，目的层巴音戈壁组被抬升剥蚀，剥蚀窗口形成，蚀源区的含铀含氧水通过剥蚀窗口沿砂体向盆地中心运移，同时带入了一些活性铁、硫酸盐还原菌、SO42-和U6+。有机质通过硫酸盐还原菌的作用与砂体中的硫酸盐反应生产大量的H2S，砂体中的活性铁与之反应，形成黄铁矿，黄铁矿最终形成自形或胶状［9］。黄铁矿形成后产生还原环境，在有机质的双重作用下，流体中带入的U6+被还原为U4+并富集沉淀［9］。早期存在的黄铁矿记录了整个事件的过程（图7 B），部分黄铁矿被赤铁矿包围（图7 c）；随着流体的迁移，在含矿砂岩中可见莓状黄铁矿和胶状黄铁矿与铀矿物共生（图7 d）；在还原带内，见少量莓状黄铁矿被铀矿物包围（图7 e）。

5.3.3热液作用与二次还原阶段

晚白垩世末期，乌兰苏海组沉积，构造天窗关闭，但是苏红图玄武岩喷发，改变了成矿区域的热场［8］，并为后期热流体形成提供了物质条件。研究区玄武岩蚀变发育，其碳酸盐矿物，如方解石、含铁方解石、铁白云石和含铁白云石等释放出大量的Fe2+、Mg2+和Ti2+等元素进入砂岩形成成矿流体。过量的Fe2+形成了良好的还原环境，与H2S 反应又生成新的黄铁矿，同时，碳酸盐化和赤铁矿化进一步发育。先前形成的部分沥青铀矿中的铀被再次活化迁移，被新的黄铁矿再次还原后沉淀富集。研究区发现钛铀矿也为铀矿化与热液作用密切相关提供了佐证［10］。伴随着玄武岩喷发，区内断裂活动频发，深部烃类流体顺着断裂上移，使砂体产生灰色和灰白色（图7 C）。深部油气的还原，不仅保护了铀矿体，也使得含矿砂岩中的黄铁矿被定格。在褐红色砂岩中未见黄铁矿（图7 f），推测流体中的H2S 被消耗殆尽或者顺断层逸散。

5.3.4地表风化阶段

新生代以来，受喜山运动影响，盆地持续隆升，前期沉积的乌兰苏海组被剥蚀，含铀砂体暴露地表后遭受风化，构造天窗进一步发育，地表含铀含氧水持续向盆地内运移，在巴音戈壁组上段泥-砂-泥沉积构造的夹持下，层间氧化作用持续发育，促使铀矿化进一步发生（图7 D）。

含氧气的地表水在疏松砂岩中渗透，存在于砂岩中的黄铁矿被逐步氧化，形成褐铁矿，镜下可见胶状黄铁矿和少量莓状黄铁矿被褐铁矿包裹（图7 g）。由于层间氧化作用的持续发生［10］，使得砂体中黄铁矿丰度进一步降低。

6 结论

1）塔木素铀矿床的成矿过程可以分为4 个阶段：同沉积-成岩阶段、层间氧化阶段、热液作用与二次还原阶段和地表风化阶段。其中共发育4 个世代的黄铁矿，其中层间氧化阶段可划分为：早阶段白云石-方解石-石膏-沥青铀矿-黄铁矿；主阶段沥青铀矿-铀石-钛铀矿-黄铁矿；晚阶段萤石-石膏-沥青铀矿-黄铁矿。

2）聚类分析表明，塔木素铀矿床在沉积成岩期与U 元素相关性最好的是Th、Ni、Pb、Re、Cd、Ba 及Bi；在氧化还原阶段与U 元素相关性最好的是Co、Ni、Pb 和Y。

3）塔木素铀矿床中黄铁矿多为莓状，少量自形与胶状黄铁矿，且黄铁矿中δ34S 在−40.13‰～−5.39‰之间，平均−20.22‰。综合区内成矿地质条件，认为黄铁矿成因为细菌硫酸盐还原作用所致。矿床中铀矿物主要为沥青铀矿，见少量铀石和钛铀矿，通过吸附作用存在于黄铁矿、有机质和铁氧化物的孔隙中。

致谢：野外工作期间得到核工业二〇八大队地勘三处同事的支持和帮助，电子探针分析工作得到了东华理工大学张成勇老师的支持，刘波，郭煦劼、李鹏、郝朋、王鑫伟、刘剑钊等同事为论文的完善提出了宝贵的意见，谨此致谢。