内蒙古巴彦乌拉铀矿床赛汉组砂岩地球化学特征及古环境意义

刘成东, 黄晓宇, 万建军, 赵 严

(东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室,江西 南昌 330013)

铀作为一种重要的战略性矿产资源,在国防军工、核电能源等领域发挥着重要作用,其可持续发展近年来备受关注(Dittmar,2013)。砂岩型铀矿作为我国具有工业意义的四大类型铀矿床中最重要的一种,在我国铀资源储量中位居首位(王飞飞等,2017)。近年来,我国在砂岩型铀矿的成矿理论和采冶技术上取得了较大突破(阙为民,2017;张金带等,2010),极大促进了铀资源及相关领域的发展(付勇等,2016;金若时等,2014;汤超等,2021)。砂岩型铀矿产于沉积盆地,铀矿的形成通常经历沉积埋藏到抬升成矿两个重要的演化阶段。在抬升成矿阶段,古气候背景下的大气降水和氧化-还原作用的参与和约束是最显著的成矿特征(焦养泉等,2022)。如果早期含铀岩系沉积时是温暖-潮湿古气候条件,则有利于容矿层中还原介质的富集;后期成矿时期为干旱-半干旱古气候条件,则有利于地表富铀含氧流体渗入到早期形成的容矿层中发生层间氧化作用而成矿(秦明宽等,2017;胡小文等,2020)。因此,沉积古环境变化对铀矿成矿作用具有重要影响。

内蒙古巴彦乌拉铀矿床位于二连盆地,是我国北方砂岩型铀矿床的重要组成部分(郭宏伟,2014)。前人对该矿床的含矿地层和水文地质条件开展了系统研究,总结和讨论了其成矿模式、构造与成矿作用、找矿方向(聂逢君等,2007;岳淑娟,2011;刘武生等,2013;鲁超等,2013;赵兴齐等,2019;吕永华等,2021;廖石丹等,2022)。古气候对砂岩型铀矿的含矿建造的形成、含铀氧化流体的形成与性质具有控制作用(彭云彪等,2018)。随着我国砂岩型铀矿找矿工作深入,更加重视古气候对砂岩型铀矿成矿作用影响。笔者以巴彦乌拉铀矿床赛汉组砂岩作为研究对象,进行系统采样,开展岩相学和元素地球化学研究,揭示巴彦乌拉赛汉组沉积环境,并探讨沉积环境对巴彦乌拉铀矿床成矿过程的制约,完善研究区砂岩型铀矿成矿机理,拓宽找矿思路,为下一步砂岩型铀矿勘查工作提供重要参考。

1 区域地质背景

研究区位于二连盆地,该盆地东西长约1 000 km,南北宽约20 km,总面积约11×104km2(李华明等,2015)。二连盆地构造上属蒙古-兴安断陷系中部,为一中新生代陆相断陷型的大型叠合沉积盆地(马杏垣等,1983),并经历了陆相盆地发展阶段(漆家福等,2015),于晚侏罗纪和早白垩世之间发生两期裂谷事件(聂逢君等,2015)。盆地周缘普遍缺失三叠系沉积,而以风化、剥蚀作用为主(任建业等,1998),该过程为后来的盆盖沉积物提供了丰富的物源。

巴彦乌拉铀矿床位于二连盆地马尼特坳陷西北部的塔北凹陷(图1)。塔北凹陷西北部被白音希勒隐伏凸起和巴音宝力格隆起隔开,西南侧与苏尼特隆起相邻。凹陷中矿体呈北东向展布(李华明等,2015),下白垩系为充填主体,矿区由古至新出露地层为:下白垩统赛汉组下段(K1s1)、赛汉组上段(K1s2)、古近系伊尔丁曼哈组(E2y)。区内基底及蚀源区主要为华力西期侵入花岗岩体,下侏罗统道特诺尔组灰色玄武岩、安山岩,上侏罗统布拉根哈达组的流纹岩与凝灰岩;盆地北缘蚀源区还可见燕山早期花岗岩类。其中赛汉组为一套灰色、深灰色、灰绿色砂砾岩、中细砂岩、炭质泥岩、煤层,是巴彦乌拉铀矿主要含矿目的层(聂逢君等,2015)。赛汉组上段主要受古河谷砂体控制,而古河谷的形成严格受负地貌控制。倾向上,南北高,向中部逐渐降低,古地形从河谷两侧向中心倾斜;走向上,西高东低,与古河谷方向相近。

图1 二连盆地及研究区地质图(郭宏伟,2014)

2 样品采集与分析

样品取自内蒙古巴彦乌拉铀矿区钻孔岩芯,埋深98.8～117.3 m,具体采样位置见图2。为确保砂岩样品具有代表性,笔者以砂岩类矿石为主要研究对象,从多个新开采钻孔的相同地层采集了新鲜的岩芯样品进行元素地球化学测试。

图2 巴彦乌拉铀矿床赛汉组上段垂向序列图(郭宏伟,2014)

岩石薄片制备经历了切片、真空吸附浸渍、磨削、载片、切除、研磨和抛光。在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室完成了岩石样品的主、微量元素测试。实验初步处理过程为:将样品洗净,剥离掉样品表面的杂质,然后使用颚式破碎机将样品粗碎至1～2 cm,后经碎样器将岩石样品粉碎至200目以下,所得样品粉末干净且无明显颗粒感。主量元素测试先将样品粉末融熔制成玻璃片,再由X射线荧光光谱仪测定,仪器型号为Rigaku RIX 2000。微量元素由电感耦合离子体质谱仪测定,仪器型号为PerkinElmer Sciex ELAN 6000,化学溶解方法和微量元素含量分析过程参考Ren等(2014)。样品中主量元素的测试误差为1%～5%,微量元素的测试误差一般小于5%。

样品为灰色砂岩,中细砾状结构,块状构造(图3),主要由碎屑成分和杂基组成。以砾石为主体,空隙被砂屑颗粒和泥质矿物充填。碎屑成分主要为石英(36%～56%)、长石(5%～15%)、岩屑(20%～30%)及少量云母、方解石和黏土矿物。其中石英多呈棱角-次棱角状;长石多为钾长石,为自形-半自形(图4);副矿物为黄铁矿、金红石,以及绿泥石、锆石、榍石等。石英与长石磨圆度较低,反映了赛汉组整体成分成熟度低,物源区相对稳定。

图3 巴彦乌拉岩芯标本

图4 巴彦乌拉赛汉组砂岩显微镜下特征

扫描电镜结果(图5)显示:正长石为2～5 μm,以分散形式不完全充填在颗粒间空隙中,可能为成岩期间自生形成(图5a);斜长石贴附于颗粒表面(图5b);黄铁矿作为重要的铁质矿物之一,其在铀储层的砂体中的分布特征能在一定程度上指示铀的活化、迁移和富集规律(乐亮,2021)。胶状黄铁矿以氧化铁膜形式吸附在石英颗粒表面或镶嵌进长石(图5c);他形黄铁矿被较小的莓球状集合体黄铁矿包围(图5d);黄铁矿具有自形、半自形、莓球状、胶状等,充填在石英与长石的孔隙中,其他矿物主要为炭屑,常保留较好植物细胞的形状,粒径较大,为50 ～70 μm,常见炭屑周围一般被长石包围,长石吸附铁、金等元素(图5e);铀矿物以自形镶嵌在石英中,为样品中铀矿物常见存在形式(图5f)。

3 地球化学特征

3.1 主量元素

本次样品全岩主量元素分析测试结果如表1所示,全岩主量元素以SiO2、Al2O3为主,其中SiO2含量为57.62%～79.86%(平均74.41%),Al2O3含量为9.51%～18.99%(平均11.78%);Na2O、K2O、Fe2O3含量一般介于1%～5%,MnO、CaO含量一般小于1%。相对于前人总结的沉积岩平均化学成分和大陆上地壳主量元素成分估值(许国强等,2022;张宏飞等,2012),巴彦乌拉赛汉组砂岩样品SiO2含量相对较高,且变化较大,主要与硅质碎屑含量有关;P2O5、CaO含量较低,主要由于生物碎屑和碳酸盐胶结物含量低;Al2O3、Na2O、K2O、MnO含量与沉积岩平均化学成分和大陆上地壳主量元素成分估值接近,主要由于黏土矿物含量区别不大。

表1 巴彦乌拉赛汉组砂岩主量和微量元素分析结果

3.2 微量元素

沉积岩的微量元素对沉积环境的变化有着较高的灵敏度,是研究古沉积环境以及古气候的一种有效手段(许国强等,2022)。巴彦乌拉铀矿床赛汉组砂岩全岩微量元素含量和特征元素比值见表1。砂岩样品中V的含量为13.66×10-6～112.70×10-6(平均40.15×10-6),Co含量为37.31×10-6～169.11×10-6(平均84.38×10-6),Ni含量为17.66×10-6～125.39×10-6(平均40.16×10-6),Cu含量为2.52×10-6～55.59×10-6(平均14.05×10-6),Sr含量为42.82×10-6～110.65×10-6(平均70.20×10-6),Th的含量为2.86×10-6～13.86×10-6(平均5.97×10-6),U含量为3.83×10-6～224.83×10-6(平均65.47×10-6)。研究区古盐度判断值n(Sr)/n(Ba)为0.08～0.46(谭聪等,2019);沉积物氧化-还原环境判断值n(V)/n(V+Ni)为0.21～0.73(Algeo et al., 2004);研究区古气候判断值n(Sr)/n(Cu)为1.42～24.45(Hatch et al.,1992;Algeo et al.,2004)。以中国沉积岩标准化处理后(黎彤,1994)(图6),表现为富集Be、Co、Mo、U,亏损Sc、V、Sr、Cu。

图6 内蒙古巴彦乌拉铀矿床围岩、矿化砂岩和矿石的北美页岩标准化稀土元素配分图及中国沉积岩微量元素标准化蛛网图(黎彤,1994; Gromet et al.,1984)

3.3 稀土元素

从赛汉组样品的稀土元素测试结果(表1)可以看出,稀土元素总量(REE)为54.37×10-6～170.72×10-6(平均95.42×10-6);LREE含量为48.23×10-6～149.16×10-6(平均84.40×10-6)变化较大,HREE含量为6.14×10-6～21.56×10-6(平均11.03×10-6)。LREE/HREE为5.67～9.37(平均7.84),n(La)/n(Yb)平均值为1.02,具有明显的轻稀土富集、重稀土亏损的特征(图6)。δEu分布在0.79～1.24(平均1.00),显示微弱的Eu负异常,δCe分布在0.71～1.29(平均1.02),显示微弱的Ce正异常。样品稀土元素北美页岩标准化分布模式图整体趋势较为平缓,总体显示轻稀土和重稀土分配不明显,大部分样品未见Eu异常(图6)。所有样品的稀土元素分布模式相近,趋势线相似,说明成岩期间物源一致,源区供应稳定。

4 讨论

4.1 研究区古盐度环境分析

古盐度是地质历史时期环境变化的重要标志,元素地球化学可以为古盐度的判别提供指标(Walker et al.,1963;Couch,1971;李研等,2021;马万里等,2021)。微量元素Sr与Ba具有相近的化学性质,随着沉积水盐度的增加,Ba将首先以碳酸盐和硫酸盐的形式沉淀,当盐度继续增加时,Sr将沉淀(冯兴雷等,2018;徐崇凯等,2018;李文博等,2019)。并且据前人总结可知,当n(Sr)/n(Ba)>1时指示沉积水体为咸水,当n(Sr)/n(Ba)<1时指示为淡水沉积环境(谭聪等,2019)。微量元素B含量主要受沉积环境盐度影响,因此B含量可用于判断沉积环境古盐度(沈文超等,2022)。焦养泉等(2004)在吐哈盆地西南缘砂岩型铀矿床的研究实例证明了此法的可行性与准确性。一般淡水环境B含量小于60.00×10-6,咸水环境B含量大于80.00×10-6(张天福等,2016)。

本次选取部分特征微量元素比值来反映巴彦乌拉赛汉组古盐度变化。本次研究样品B含量为8.04×10-6～195.43×10-6,平均25.14×10-6,绝大多数低于60.00×10-6,并且变化范围集中,表现出淡水沉积环境。n(Sr)/n(Ba)值为0.08～0.46,平均0.16,进一步指示沉积时为淡水沉积环境。本次所测样品B含量和n(Sr)/n(Ba)比值均指示赛汉组砂岩沉积时古盐度较低,属于淡水环境。此类沉积条件多为潮湿温热环境,有利于形成有机质、黄铁矿等还原剂,而其对铀具有较强的还原和吸附作用,为地层铀预富集提供了良好的环境(李红梅等,2021)。

4.2 研究区氧化-还原环境分析

沉积物中的氧化-还原环境可依据易受氧化-还原控制的元素及其比值判别,目前常用地球化学指标包括n(V)/n(V+Ni)、δU的值以及其他氧化-还原敏感元素含量(Hatch et al.,1992;Algeo et al.,2004;Francois,1988;张天福等,2016)。前人研究认为n(V)/n(V+Ni)比值较高是由于Ni在氧化性环境中以Ni2+、NiCl+和可溶性NiCO3的形式存在,并与有机物形成络合物,在还原性环境的沉积物中富集,并且该比值也常用于指示沉积物沉积时底层水体的分层强弱(Hatch et al.,1992;Algeo et al.,2004)。n(V)/n(V+Ni)比值为0.40～0.60时,指示分层弱的贫氧环境;为0.60～0.84时,指示分层中等的缺氧环境;大于0.84时,指示分层强及底层水体出现H2S的厌氧环境。U在还原环境溶解度低,而在氧化环境易被氧化迁移,导致沉积物中U的缺失;无论是还原环境还是氧化环境,Th元素的溶解度都不高,容易富集在沉积物中,因此其可用于判断沉积岩的氧化-还原环境(陆雨诗等,2021)。根据δU=n(U)/(0.5×(n(Th)/3+n(U)))进行计算,当δU>1.00,表明为缺氧环境;若δU<1.00,则为正常水体(腾格尔等,2005)。陆雨诗等(2021)在鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟组的研究实例证明了此法可行性。前人研究认为,U、V、Co、Ni、Mo等微量元素在氧化环境中易溶,还原环境中溶解度较低,并且一旦发生沉积,就很难再发生迁移,所以它们能够指示沉积时的原始记录(Francois,1988;张天福等,2016)。

本次选取n(V)/n(V+Ni)、δU以及氧化-还原敏感元素含量来反映巴彦乌拉赛汉组沉积时古水体氧化-还原环境。巴彦乌拉赛汉组砂岩n(V)/n(V+Ni)比值为0.21～0.73,平均为0.48,大部分介于0.40～0.84,比值变化范围不大,表现为分层中等的氧化-还原环境。δU值为1.28～1.99,平均为1.85,指示为还原环境。样品中的氧化还原敏感元素U、Mo相对富集,微量元素比值和样品特征综合表明赛汉组砂岩沉积期水体缺氧,处于还原环境。因此通过对n(V)/n(V+Ni)、δU、氧化还原敏感元素U、Mo富集程度和样品特征综合判断,认为赛汉组砂岩沉积时古水体整体处于还原环境。

4.3 研究区古气候环境分析

沉积物中元素的含量和组成是沉积期古气候演化过程的良好记录,因此在恢复古气候环境时,可以利用敏感元素的变化特征来反演古气候演变过程(吴赛赛等,2016;于健等,2015)。Sr是喜干元素的典型代表,Cu是一种喜湿元素,沉积物中Sr含量高表示气候干燥,Sr含量低表示气候潮湿,因此n(Sr)/n(Cu)值可用作确定气候温度和湿度的标准(刘刚等,2007)。根据前人总结,n(Sr)/n(Cu)大于5.00时,指示为干旱气候,Sr值介于1.30～5.00时,指示温湿气候(冀华丽等,2022)。沉积岩中w(SiO2)/w(Al2O3)也能反映沉积时的气候特点,当w(SiO2)/w(Al2O3)小于4.00时,指示气候潮湿,大于4.00时指示气候干燥(张威等,2007)。

本次选取n(Sr)/n(Cu)、w(SiO2)/w(Al2O3)值来反映巴彦乌拉赛汉组沉积时的古气候。巴彦乌拉铀矿床赛汉组n(Sr)/n(Cu)值为1.42～24.45,平均值为9.66,指示沉积时总体环境为干热气候。w(SiO2)/w(Al2O3)值为3.03～8.24,16个样品大于4,平均值为6.58,进一步指示沉积时总体环境偏向干热气候。上述分析可以表明,赛汉组砂岩沉积末期气候相对干热,干热气候环境中的植被不发育,长期受到氧化,地表水有机碳沉积量极低,有助于源区铀的迁移及地表水对预富集的铀淋滤(汤超等,2021)。

4.4 研究区赛汉组沉积环境与铀成矿作用

前人研究认为内蒙古巴彦乌拉铀矿床主要产于下白垩统赛汉组上段,沉积期经历了温暖潮湿-干旱的时期,赛汉组下段沉积期气候温暖潮湿,湖泊广布,植被茂盛,形成了一套含煤及大量植物碎屑的地层,为铀成矿提供了丰富的还原介质,其顶部发育的湖相泥岩,构成含矿层的隔水底板,为含铀层提供了重要的氧化-还原地球条件(彭云彪等,2018)。此外,巴彦乌拉赛汉组砂岩磨圆度低,分选性较差,说明为近源堆积,指示物源主要来自近源的岩浆岩或变质岩系。赛汉组砂岩上段沉积末期气候相对干热,水体处于缺氧的还原环境,有助于源区铀的迁移及地表水对预富集的铀淋滤,为内蒙古巴彦乌拉铀矿床的成矿作用提供了重要条件。

5 结论

(1)内蒙古巴彦乌拉铀矿床赛汉组砂岩微量元素B含量与n(Sr)/n(Ba)值,指示沉积期初期环境为淡水环境,气候温暖潮湿,有利于黄铁矿和有机质的形成,为地层预铀富集提供良好的环境。

(2)内蒙古巴彦乌拉铀矿床赛汉组砂岩n(V)/n(V+Ni)、δU值及氧化-还原环境敏感元素U和Mo的富集,指示沉积时水体中含氧量低,处于还原环境。

(3)内蒙古巴彦乌拉铀矿床赛汉组砂岩n(Sr)/n(Cu)和w(SiO2)/w(Al2O3)值综合指示沉积末期时处于干热气候,有利于源区铀的活化迁移和含氧含铀流体的形成,为内蒙古巴彦乌拉铀矿床的成矿作用提供了重要条件。