松辽盆地海力锦铀矿床黄铁矿微量元素、硫同位素特征及其对成矿流体性质的指示

田明明，李子颖，张云龙，贾立城，邱林飞，邢作昌，宁君，李继木，唐国龙，林效宾

（1.核工业北京地质研究院 北京 100029；2.核工业二四三大队 内蒙古 赤峰 024000）

黄铁矿作为铀矿物的共伴生矿物之一，广泛赋存于砂岩型铀矿之中，其硫同位素及Co、Ni、As、Mo、Sb、Se 等微量元素变化是示踪成矿流体性质、成矿地质条件和判断铀矿床成因的重要指标［1-3］。松辽盆地作为我国北方六大产铀盆地之一，盆内铀资源较为丰富，近年来先后发现并落实了钱家店（钱Ⅱ块、钱Ⅲ块、钱Ⅳ块）、宝龙山和海力锦、大林等大型、特大型铀矿床。与此同时，盆内铀矿科研工作也取得了系列成果，多数学者对松辽盆地的构造演化、成矿地质条件、沉积相及沉积环境、赋矿岩性-岩相组合、成矿预测及成矿时代等进行了较为详细的研究［4-10］。这些研究多数强调传统的层间氧化渗入成矿模式对铀矿床的形成起了决定性作用，而忽视了深部流体渗出对铀矿床形成所起的作用，尤其是随着松辽盆地海力锦铀矿床的发现，其含矿层姚家组下段特有的“两红夹一灰”现象并不能用传统的层间氧化成矿模式解释。因此对于海力锦铀矿床成矿流体的性质及来源研究显得尤为重要，本文拟通过对海力锦铀矿床含矿层黄铁矿赋存特征、微量元素及硫同位素特征的研究，初步探讨成矿流体的性质及来源。

1 矿床地质特征

松辽盆地位于古亚洲洋构造域与古太平洋-太平洋构造域的复合交切部位，其北部通过蒙古-鄂霍茨克缝合带与西伯利亚板块相连，东部通过锡霍特-阿林构造带与太平洋板块相连［11-12］，盆地主体位于松嫩地块，南部坐落在华北板块北部陆缘增生带。

海力锦铀矿床位于松辽盆地西南部开鲁坳陷内的次级凹陷——钱家店凹陷，白兴吐构造天窗西北侧和架玛吐隆起的西部斜坡区（图1）。区内地表第四系发育，少有露头，基底主要为古生代的浅变质岩及部分晚古生代变质砂岩、板岩等；沉积盖层自下而上主要包括下白垩统义县组（K1y）、九佛堂组（K1jf）、沙海组（K1sh）和阜新组（K1f）；上白垩统泉头组（K2q）、青山口组（K2qn）、姚家组（K2y）、嫩江组（K2n）、四方台组（K2s）、泰康组（N2t）和第四系。含矿目标层为上白垩统姚家组下段（K2y1）红杂色沉积建造，底部发育由砾岩、砂砾岩或粗砂岩组成的冲积扇相沉积，中部为河道亚相沉积，以发育心滩微相砂体为主，包括红色、浅红色、褐黄色、褐红色、灰色-灰白色中细砂岩，顶部为泛滥平原亚相的紫红色泥岩。铀矿体赋存于灰色砂体之中，且其上下均为氧化砂体，垂向上具有“两红夹一灰”的特征，矿体主要呈板状，且具有多层性（图2）。

图1 松辽盆地西南部断陷盆地分布（据文献［13］修改）Fig.1 Distribution of fault depression in southwestern Songliao Basin（modified after reference［13］）

图2 海力锦铀矿床钻孔连井剖面（钻孔资料来源于核工业二四三大队）Fig.2 Profile of boreholes of Hailijin uranium deposit（borehole original data from Geologic Party No.243，CNNC）

2 样品采集与分析测试方法

2.1 样品采集及岩石学特征

本文所用样品采自海力锦铀矿床ZKL12-6，ZKL0-2 和ZKL0-12 钻孔含矿层姚家组下段（K2y1），岩性均为灰白色细砂岩，部分样品含黑色有机质（图3a、b）。岩矿鉴定表明，岩石分选性中等—差，磨圆度偏差，孔隙式胶结为主，部分致密砂岩为碳酸盐胶结（图3c、d），点-线接触。碎屑物含量约占90%，其中石英约占60%～65%，粒径为0.05～0.15 mm，主要为单晶，粒状，少量为多晶或隐晶质，表面多光滑干净，少数破裂，偶见石英次生加大；长石约占10%～15%，以发育格子状双晶的微斜长石和条纹长石为主（图3e），少量具钠长石双晶的斜长石，粒径为0.08～0.18 mm，扫描电镜下可见斜长石溶蚀孔隙中发育铀矿物（图3f）；岩屑占比为20%～25%，成分相对较复杂，主要由中酸性火山岩组成，少量为变质石英岩、具片状结构的云母片岩等变质岩碎屑。富含有机质的灰白色砂岩，显微镜下常见黄铁矿、铀矿物共伴生于有机质胞腔内部（图3g、h），此外灰色砂岩中常见褐铁矿化残留（图3i），推测该灰色砂岩为后生还原成因，该褐铁矿化为不完全还原的氧化残留。

图3 海力锦铀矿床赋矿灰色砂岩岩石矿物学特征Fig.3 Mineralogical characteristics of ore-bearing gray sandstone of Hailijin uranium deposit

2.2 分析测试方法

黄铁矿原位微量元素及硫同位素测试分析在北京科荟测试技术有限公司完成，分析测试所用仪器为AnalytikJena PQMS 型 ICP-MS 及与之配套的RESOlution 193 nm 准分子激光剥蚀系统。激光剥蚀所用斑束直径为38 μm，频率为5 Hz，能量密度约为4.8 J/cm2，以高纯度氦气为载气，采用单点剥蚀的方式，单点测试分析时间为85 s，分析测试前先用标样NIST 610 进行仪器调试，使之达到最优状态。硫同位素分析测试所用仪器为Thermo Scientific 公司生产的Neptune Plus 多接收等离子质谱仪和与之连用的RESOlution SE 193 nm 固体激光器，激光剥蚀直径为16～50 μm，频率为6～8 Hz，能量密度为6～8 J/cm2，硫同位素测量标样为与待测样品基质相似的硫化物。

3 结果及分析

3.1 黄铁矿赋存形式

岩矿鉴定及扫描电镜结果表明，海力锦铀矿床黄铁矿赋存形式主要有草莓状（PyI）、胶状（PyⅡ）、自形粒状（PyⅢ）。

1）草莓状黄铁矿（PyI）

由黄铁矿微晶组成的集合体，呈球状、椭圆状，大小不一，集合体直径多介于4～12 μm，微晶以五角十二面体、立方体黄铁矿为主，主要产于胶结物及有机质内部胞腔（图4a），个别草莓状黄铁矿呈星点状分布于石英、岩屑等碎屑颗粒的粒间孔隙，部分草莓状黄铁矿被胶状黄铁矿包裹（图4b），表明至少存在两期黄铁矿。研究结果表明，草莓状黄铁矿形成于沉积过程中的准同生期或成岩作用早期，其过程主要受控于水体的化学条件［14-15］。

图4 海力锦铀矿床黄铁矿赋存特征Fig.4 Occurrence characteristics of pyrite from Hailijin uranium deposit

2）胶状黄铁矿（PyⅡ）

该类型黄铁矿是含矿目标层砂岩中黄铁矿的主要存在形式，呈无定型片状、星点状分布于矿物粒间孔隙及岩屑的溶蚀孔、有机质胞腔内部（图4c），部分胶状黄铁矿可见生长环带，核部为草莓状黄铁矿，外围发育胶状黄铁矿（图4b）。扫描电镜结果表明铀矿物（沥青铀矿）常与胶状黄铁矿共伴生于有机质胞腔内部或矿物粒间孔隙之中（图4d、e），因此这类黄铁矿与铀成矿关系密切。

3）自形粒状黄铁矿（PyⅢ）

该类黄铁矿在含矿目标层砂体中也较为发育，在有机质胞腔内部、块状炭屑周边均可见自形粒状黄铁矿，单个晶体以立方体、五角八面体为主，显微镜下常见草莓状黄铁矿、自形黄铁矿及胶状黄铁共生（图4f）。自形粒状黄铁矿主要形成于生长环境较为封闭的成岩过程之中，此时与外界物质沟通不畅，孔隙水中Fe2+和HS-不断消耗却来不及补充，活性铁含量低，对于一硫化铁（FeS）不饱和，而对于黄铁矿（FeS2）饱和，故可直接结晶生成晶核，经晶体缓慢生长形成自形黄铁矿［3］。

3.2 黄铁矿微量元素特征

对颗粒较大的胶状黄铁矿，从边部到核部完成了黄铁矿微量元素和同位素的原位测量，黄铁矿微量元素分析结果见表1。Co/Ni 值常作为一个地球化学指标，用来划分黄铁矿的成因类型，沉积成岩型黄铁矿Co/Ni 值一般小于1，平均值接近0.63，而热液成因黄铁矿Co/Ni 值一般大于1［16］。海力锦铀矿床黄铁矿中w（Co）值为（36.88～864.54）×10-6，w（Ni）值为（111.45～793.82）×10-6，Co/Ni 值为0.17～2.29，平均值为0.79，表明其以沉积成岩型黄铁矿为主，部分为热液成因（图5）。

表1 海力锦铀矿床黄铁矿微量元素分析结果w（B）/10-6Table 1 Trace elements analytical result of pyrite in Hailijin uranium deposit w(B)/10-6

图5 海力锦铀矿床黄铁矿Ni-Co 图解Fig.5 Ni-Co diagram of pyrite in Hailijin uranium deposit

As、Mo、Se、Sb 等元素从黄铁矿边部到核部，含量出现较为明显的降低，总体上均比在典型层间氧化带成因铀矿床（蒙其古尔铀矿床、塔木素铀矿床等）中更为富集［1，17］，指示海力锦铀矿床成矿流体的性质不同于层间氧化带成因铀矿床。As、Mo、Sb、Se等元素具有较强的亲硫性，在大气降水中难以沉淀和富集，说明海力锦铀矿床成矿流体可能来源于深部还原性流体。此外，Mo、Ni、Zn、Cu、Ba 等元素与U具有较好的正相关性（图6），而这些元素往往形成于深部还原性流体，进一步佐证了海力锦铀矿床成矿流体具有深部还原性流体特征这一事实。

图6 海力锦铀矿床黄铁矿微量元素组成图解Fig.6 Diagram of trace element abundance of pyrite in Hailijin uranium deposit

3.3 黄铁矿硫同位素特征

沉积地层中黄铁矿硫同位素组成可以间接指示其形成的氧化还原条件，不同形态的黄铁矿因其自身形成环境不同而具有不同的硫同位素值。海力锦铀矿床黄铁矿中硫同位素组成见表2，从表中可以看出海力锦铀矿床黄铁矿硫同位素δ34SV-CDT值均为负值，δ34SV-CDT为－49.24‰～－2.58‰，极差值为46.66‰，分布跨度较大，主要集中在－49‰～－43.29‰，对于大颗粒的黄铁矿，从核部到边部的硫同位素表现为明显的降低，暗示黄铁矿的形成环境发生了较大的改变，亦或有其他性质的流体参与黄铁矿的形成。

表2 海力锦铀矿床黄铁矿硫同位素分析结果Table 2 Sulfur isotopes analytical result of pyrite in Hailijin uranium deposit

4 讨论

黄铁矿是矿床中较为发育的硫化物，利用黄铁矿原位微量元素及硫同位素组成可反演成矿流体的演化、示踪成矿物质来源及约束矿床成因［18］。海力锦铀矿床黄铁矿微量元素及硫同位素组成与传统的层间氧化成因铀矿床黄铁矿组成具有较为明显的差别。As、Mo、Sb 等亲硫元素含量沿黄铁矿核部到边部出现明显的增高，指示了黄铁矿生长过程中有还原性流体的参与。Co、Ni、Se 等可以以类质同象的形式，代替Fe 进入黄铁矿晶格，尤其是Se，在高温条件下更易与黄铁矿中的Fe 发生类质同象反应［16，19-20］。海力锦铀矿床黄铁矿中Se 含量平均值可达134.25×10-6，证明该还原性流体具有较高的温度，应来自于具有一定埋深的深部地层。

一般认为黄铁矿中硫同位素主要来源于细菌硫酸盐还原作用（BSR）、有机物热解作用（TDS）、热化学硫酸盐还原作用（TSR）及无机还原作用。海力锦铀矿床黄铁矿核部硫同位素δ34SV-CDT明显大于边部，表明黄铁矿形成过程中环境发生了变化，或者有其他性质流体参与，结合微量元素特征，认为黄铁矿形成过程中有深部还原性流体加入。松辽盆地西南部姚家期古气候环境为干热气候，其流体中硫主要为重硫酸根34SO42-，随着深部还原性流体的向上渗出，流体中的H2S 被氧化而富集重硫34S，待深部还原性流体渗出至姚家组下段含矿层，原生氧化沉积建造被还原为灰色砂体，此时整体环境已由氧化环境过渡到还原环境，黄铁矿形成过程中硫的来源主要为深部富铀还原性流体带来的H2S，而深部的H2S 主要为生物成因，富集轻硫32S，因此导致黄铁矿边部的δ34SV-CDT值持续变负。

因此，从黄铁矿微区微量元素和硫同位素特征而言，海力锦铀矿床成矿流体具有深部还原性流体特征。松辽盆地西南部深部是否存在还原性流体？事实上，松辽盆地西南部下白垩统九佛堂组（K1jf）富含厚度大、面积广的暗色泥岩、油页岩等烃源岩［21-22］（图7）。这类烃源岩通常是有较高的铀含量，如松辽南部陆东凹陷九佛堂组上段油页岩铀含量为（1.52～6.81）×10-6，最高可达10×10-6［23］，可为含矿层铀矿化富集提供物质来源。同时，海力锦铀矿床东南部的F1断裂恰好是沟通深部烃源岩和上覆目的层的深大断裂，深部富铀烃源岩可沿断裂构造向上渗出，直至目的层（姚家组下段）富集沉淀成矿。

图7 钱家店凹陷九佛堂组富铀烃源岩厚度等值线图Fig.7 Thickness contour map of source rock in Jiufotang Formation，Qianjiadian sag

根据以上黄铁矿微量元素和硫同位素特征，认为海力锦铀矿床不同于传统的层间氧化带成因，其成矿流体性质为来源于深部的还原性流体，可能为深部的烃源岩。

5 结论

1）海力锦铀矿床含矿目标层中黄铁矿包括草莓状、胶状、自形粒状，且以胶状黄铁矿为主要赋存形式，铀矿化常与胶状、草莓状黄铁矿共伴生于有机质胞腔内部，或矿物粒间孔隙。

2）海力锦铀矿床黄铁矿微量元素及硫同位素特征暗示其成因与传统的层间氧化成因铀矿床有所不同，As、Mo、Sb 等亲硫元素从核部到边部含量明显增高，硫同位素从核部到边部出现明显的下降，指示黄铁矿的形成环境经历了较大的改变，其成矿流体性质可能为来自深部的富铀还原性流体，沿断裂构造向上渗出至含矿目的层。

致谢：野外样品采集得到了核工业二四三大队一分队王海涛书记、张亮亮副队长、贺航航、张韶华和核工业北京地质研究院丁波、黄少华的帮助。北京科荟测试有限公司孔德为经理在黄铁矿微区微量元素和硫同位素测试过程中提供了很大帮助，在此一并表示感谢。