彭 爽, 汪勁草, 王佩華, 邵金全, 陳 曉, 張 磊

(1.桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 廣西 桂林 541006; 2.核工業(yè)二○八大隊(duì), 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

砂巖型鈾礦也是我國(guó)鈾礦的四大類(lèi)型之一[1]。早在20世紀(jì)50至80年代, 美國(guó)和前蘇聯(lián)在發(fā)現(xiàn)大量砂巖型鈾礦床并對(duì)其進(jìn)行研究之后提出了“砂巖型鈾礦床的成礦模式”[2-4], 科學(xué)地揭示了砂巖型鈾礦的地質(zhì)特征和形成機(jī)理, 以及砂巖型鈾礦床和層間氧化帶之間的密切關(guān)系。鈾成礦作用隨層間氧化作用的發(fā)育而發(fā)生, 砂巖鈾礦體是砂體層間氧化帶發(fā)育的結(jié)果與產(chǎn)物[5]?，F(xiàn)今為止, 我國(guó)在鄂爾多斯盆地、 伊犁盆地、 二連盆地、 松遼盆地等發(fā)現(xiàn)的砂巖型鈾礦床的鈾礦體產(chǎn)出位置和規(guī)模都與層間氧化帶密切相關(guān)[6-10]。

松遼盆地是我國(guó)石油、 煤炭等礦產(chǎn)資源的重要產(chǎn)地。錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)是松遼盆地重要的鈾礦富集區(qū)。多年來(lái), 對(duì)錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)成因及控礦因素眾說(shuō)紛紜： 有研究者認(rèn)為層間氧化、 油氣還原及熱液對(duì)鈾礦體均有控制作用[9, 11-12]; 也有部分研究者提出低洼地帶成礦說(shuō), 認(rèn)為賦礦層沉積時(shí), 低洼處沉積物粒度較細(xì)且富含有機(jī)質(zhì), 在以紅色沉積為背景的環(huán)境下局部存在原生的還原帶, 經(jīng)后生氧化作用形成鈾礦體[5, 11, 13]。

本文通過(guò)鉆孔數(shù)據(jù)、 巖心觀察及巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)的研究, 根據(jù)錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)原生、 后生巖石地球化學(xué)特征， 揭示氧化帶空間展布規(guī)律以及有機(jī)質(zhì)等與鈾礦化關(guān)系, 探討錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)成因以及氧化帶控礦作用。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)位于松遼盆地西南部的開(kāi)魯坳陷內(nèi)。開(kāi)魯坳陷位于松遼盆地南西部(圖1)[14], 面積約3.1萬(wàn)km2。錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)中新生代沉積蓋層主要有白堊系、 新近系和第四系等(表1)[5, 11,15-16], 主要產(chǎn)鈾層為上白堊統(tǒng)姚家組。姚家組為一套沖積扇-河流-三角洲-濱淺湖沉積的灰、 磚紅、 褐黃色中砂巖、 細(xì)砂巖、 砂礫巖夾紫紅色、 灰綠色泥巖、 泥質(zhì)粉砂巖。

表1 錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)蓋層簡(jiǎn)表(據(jù)文獻(xiàn)[5, 11, 15-16]修改)

圖1 松遼盆地一級(jí)構(gòu)造單元略圖(據(jù)文獻(xiàn)[11,14]修改)

2 錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)巖石地球化學(xué)類(lèi)型識(shí)別

錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)姚家組主要識(shí)別出了原生紅色沉積、 原生灰色沉積、 后生紅色氧化、 后生黃色氧化、 后生還原褪色5種巖石地球化學(xué)類(lèi)型。

2.1 原生巖石地球化學(xué)類(lèi)型

2.1.1 原生紅色沉積 姚家組是在干熱-半干熱的氣候條件下形成的一套紅色沉積層[11], 自身還原劑容量低, 還原能力差, 原生地球化學(xué)環(huán)境為氧化型(圖2a), 巖石以褐紅色或紫紅色為主。

2.1.2 原生灰色沉積 姚家組灰色原生沉積主要分布在辮狀河下游, 為河漫沉積, 分布范圍較小, 為沉積期的沉積沉降中心, 主要分布在寶龍山帶, 后因構(gòu)造運(yùn)動(dòng), 局部抬升剝蝕, 使得上白堊統(tǒng)姚家組出露地表, 灰色原生沉積巖石大部分遭受剝蝕, 僅在辮狀河與河漫沉積的過(guò)渡部位發(fā)現(xiàn)厚大的灰色泥巖(圖2b), 較少的灰色砂巖。

圖2 姚家組砂巖(a)及泥巖(b)

2.2 后生蝕變巖石地球化學(xué)類(lèi)型

2.2.1 紅色氧化 后生的紅色氧化主要為淺紅色(圖3), 由于氧化帶中鐵礦物以赤鐵礦和針鐵礦為主, 巖石中的雜基全部鐵染, 使巖石整體顯紅色。

圖3 姚家組砂巖(后生氧化)

2.2.2 黃色氧化 黃色氧化疊加在紅色氧化之上, 且較多產(chǎn)出于層間氧化帶前鋒線(xiàn)附近, 即鈾礦體產(chǎn)出部位多見(jiàn), 呈條帶狀, 以淺黃或亮黃色多見(jiàn)。黃色巖石中鐵礦物中以褐鐵礦為主, 并有少量的赤鐵礦化, 雜基主要顯淺黃色、 黃褐色和紅褐色(圖4)[17]。

圖4 姚家組砂巖(后生黃色氧化)

2.2.3 灰白色還原褪色蝕變 由于成礦后期, 錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)含礦層經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的后生還原作用, 將部分氧化巖石還原并使之褪色, 變?yōu)榛野咨珟r石, 而灰白色巖石地球化學(xué)環(huán)境指標(biāo)介于氧化與還原巖石之間(圖5), 巖石以灰色為主色調(diào), 但仍可見(jiàn)少量紅色殘留體。

圖5 姚家組砂巖(后生還原)

2.3 巖石環(huán)境指標(biāo)特征

錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)不同類(lèi)型砂巖的巖石化學(xué)環(huán)境指標(biāo)見(jiàn)表2、 圖6～8?；疑皫r中三價(jià)鐵與二價(jià)鐵含量比值(Fe3+/Fe2+)為0.42, 顯示為還原環(huán)境; 有機(jī)碳、 硫的含量均較高, 分別為0.152%、 0.170%。紅色與黃色砂巖中硫和碳含量相對(duì)較低。

表2 錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)不同巖石化學(xué)類(lèi)型砂巖U、 Th、 Kp及巖石環(huán)境指標(biāo)[20]

圖6 不同巖石化學(xué)類(lèi)型砂巖的Fe3+/Fe2+值

3 氧化還原分帶特征

錢(qián)家店鈾礦田氧化還原分帶以灰、 灰白色巖石尖滅線(xiàn)和紅色或黃色巖石尖滅線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn), 其中紅色或黃色巖石尖滅線(xiàn)為層間氧化帶前鋒線(xiàn)[12,18-22], 本次研究選取礦田內(nèi)已施工鈾礦鉆孔322個(gè), 以鉆孔內(nèi)巖心特征數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ), 結(jié)合實(shí)地巖心觀測(cè), 基于鉆孔中氧化巖石(紅色或黃色巖石)或還原巖石(灰、 灰白色巖石)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))數(shù)據(jù), 劃分氧化帶、 過(guò)渡帶和還原帶。在平面上圈出兩條巖石地球化學(xué)環(huán)境界線(xiàn), 圈定氧化帶、 還原帶及過(guò)渡帶(圖9)， 氧化帶剖面特征見(jiàn)圖10。

圖7 不同巖石化學(xué)類(lèi)型砂巖的硫含量

圖8 不同巖石化學(xué)類(lèi)型砂巖有機(jī)碳含量

圖9 錢(qián)家店地區(qū)姚家組氧化帶展布特征及其與沉積相、鈾礦化的關(guān)系

圖10 錢(qián)家店地區(qū)姚家組氧化帶剖面示意圖

錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)姚家組主氧化方向?yàn)楸蔽?南東向。氧化帶的巖石, 宏觀上有機(jī)質(zhì)與黃鐵礦含量較少; 在顯微鏡下僅見(jiàn)到少量的黃鐵礦殘留, 并遭受強(qiáng)烈氧化; 黃鐵礦呈草莓狀、 團(tuán)塊狀、 立方體狀及細(xì)分散狀。氧化帶內(nèi)的紅色砂巖與黃色砂巖氧化亞鐵、 硫與有機(jī)碳含量均較低, Fe3+/Fe2+值(1.96～2.96)較大, 表明兩者均發(fā)生了強(qiáng)烈的氧化作用。不同類(lèi)型砂巖釷含量大致相同, 但氧化帶內(nèi)的砂巖Th/U值均大于1, 表明氧化帶內(nèi)砂巖存在鈾遷出跡象。

還原帶的巖石， 多以灰色、 淺灰色、 灰白色為主, 也可見(jiàn)深灰色； 在顯微鏡下可見(jiàn)到較多浸染狀分布的黃鐵礦細(xì)粒, 以及炭化植物碎屑或有機(jī)質(zhì)細(xì)脈; 砂巖中黏土礦物高嶺石含量相對(duì)較低。

過(guò)渡帶面積較小, 寬度在0～3 km, 且呈環(huán)狀展布。過(guò)渡帶為主要控礦部位, 目前已發(fā)現(xiàn)的錢(qián)Ⅳ塊均分布于區(qū)域氧化-還原過(guò)渡帶內(nèi)。砂體呈灰色、 灰白色與紅色及黃色巖石疊置產(chǎn)出。該帶巖石常含有較多的黃鐵礦和一些炭化植物碎屑或有機(jī)質(zhì)細(xì)脈, 為鈾礦化最主要的賦存部位。

4 層間氧化帶與鈾礦化的關(guān)系

基于上述層間氧化帶的分帶依據(jù)和分帶特征, 錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)姚家組鈾礦化與層間氧化帶的空間分布具有緊密的聯(lián)系, 氧化帶前鋒線(xiàn)的部位為最有利的成礦部位。

4.1 平面上礦體產(chǎn)出部位與層間氧化帶的關(guān)系

錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)姚家組層間氧化方向?yàn)楸蔽?南東向, 大致與河道砂體垂直, 氧化帶位于圖幅的西部, 還原帶近北東向帶狀展布, 圖幅中部為過(guò)渡帶, 以層間氧化帶前鋒線(xiàn)和灰色巖石尖滅線(xiàn)為界(圖11), 過(guò)渡帶內(nèi)氧化砂體與還原砂體共存, 灰色砂體由東向西逐漸減少, 最終尖滅; 過(guò)渡帶南寬北窄, 寬度在3 200～1 200 m, 鈾礦體多產(chǎn)于過(guò)渡帶內(nèi)的灰色、 灰白色砂體中。鈾礦體總體呈北東-南西向“帶狀”展布, 與層間氧化帶前鋒線(xiàn)展布空間方向基本一致。該礦床鈾礦體均產(chǎn)于相鄰紅色砂巖的灰色砂巖中， 因此還原帶(灰色砂體)邊緣為重要的鈾礦化產(chǎn)出部位。

圖11 錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)姚家組氧化帶與鈾礦化關(guān)系平面分布示意圖

4.2 剖面上層間氧化帶對(duì)礦體形態(tài)的控制因素

錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)姚家組由于河道砂體沉積泥巖夾層較多, 且后生氧化方向與河道砂體沉積方向近垂直, 泥巖夾層制約了含氧含鈾水的遷移, 導(dǎo)致氧化砂體完整性較差, 氧化砂體多呈透鏡體近水平產(chǎn)出(圖12), 剖面上自西向東, 氧化砂體逐漸變薄直至消失, 且原生氧化與后生氧化疊置產(chǎn)出, 使得鈾礦體呈“板狀” 產(chǎn)出于氧化帶前鋒線(xiàn)靠近還原的一側(cè); 另外, 對(duì)鈾礦體不同品位的劃分, 造成鈾礦體不連續(xù), 呈多層“板狀”產(chǎn)出。 綜合考慮鈾礦體與鈾礦化體整體形態(tài), 可以看出礦化受層間氧化帶控制呈現(xiàn)“卷狀”特征產(chǎn)出。靠近氧化帶一側(cè), 礦體多產(chǎn)出于各巖段的頂、 底界面, 向?qū)娱g氧化帶前鋒線(xiàn)方向, 礦體逐漸靠攏直至連為一體, 形成厚大的類(lèi)似“卷頭”的礦體。厚大的鈾礦體(層)一般由多層組成, 經(jīng)壓縮合并后成為一個(gè)礦體(層)。

4.3 還原介質(zhì)與鈾礦化關(guān)系

鈾元素在強(qiáng)還原環(huán)境下處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài), 而在氧化環(huán)境下則相對(duì)活躍。當(dāng)含氧水在砂體中運(yùn)移時(shí), 砂體中本來(lái)處于穩(wěn)定狀態(tài)的鈾元素由于受到含氧水的作用而被遷移； 當(dāng)遇到還原障時(shí), 鈾元素則沉淀富集, 因此鈾元素的活化、 遷移、 富集受含氧水運(yùn)移方向、 還原介質(zhì)的控制[23]。錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)賦礦層辮狀河砂體均一性較差, 特別是河道邊部泥巖阻擋層較多(圖12), 氧化方向與砂體沉積方向不一致, 影響了含氧含鈾水的遷移, 致使翼部礦體不發(fā)育。并且錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)礦體的厚度、 品位與地層中還原介質(zhì)的含量有關(guān), 還原介質(zhì)成分、 形態(tài)決定了富鈾礦體的分布與存在形式。

圖12 37號(hào)勘探線(xiàn)地質(zhì)剖面示意圖(位置見(jiàn)圖11)

4.3.1 有機(jī)碳 錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)灰色砂巖、 礦石中有機(jī)碳平均含量為0.42%, 高于紅色巖石, 而鈾礦化主要賦存于灰色砂巖中; 鉆孔巖心常見(jiàn)炭屑呈細(xì)小的層狀分布于灰色砂巖中, 往往也是鈾礦化的部位; 鈾礦石放射性照相顯示出鈾礦物往往呈浸染狀分布于黃鐵礦和炭屑紋層周?chē)?圖13、 圖14a)， 說(shuō)明吸附鈾的富集與原生還原介質(zhì)有機(jī)碳有關(guān)。

圖13 含鈾礦砂巖中的炭化植物碎屑

圖14 草莓狀黃鐵礦(a)及塊狀瀝青鈾礦(b)

4.3.2 黃鐵礦 錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)黃鐵礦呈膠狀、 細(xì)脈狀、 細(xì)晶狀、 浸染狀分布于灰色砂巖中, 鈾礦化越好的部位黃鐵礦含量也明顯增加。鈾礦石放射性照相顯示出鈾呈超顯微狀鈾礦物分布于填隙物中, 黃鐵礦沿蝕變較強(qiáng)的斜長(zhǎng)石、 黑云母和部分巖屑的裂隙呈微粒狀分布, 鈾礦物呈浸染狀分布于黃鐵礦和瀝青質(zhì)炭屑物紋層周?chē)?圖14), 黃鐵礦與鈾的富集關(guān)系密切。

4.3.3 硫(S2-) 錢(qián)家店鈾礦床(錢(qián)Ⅳ塊)紅色砂巖中硫(S2-)含量平均為0.01%, 而在灰色含礦砂巖中硫平均含量為0.13%, 局部高達(dá)0.21%, 說(shuō)明鈾成礦與S2-的含量有關(guān)(圖15)。

圖15 砂巖U含量和S2-含量關(guān)系

5 結(jié) 論

(1)錢(qián)家店礦床(錢(qián)Ⅳ塊)巖石地球化學(xué)類(lèi)型有原生紅色沉積、 原生灰色沉積、 后生紅色氧化、 后生黃色氧化、 后生還原褪色5種, 其中控礦目的層是上白堊統(tǒng)姚家組, 巖石地球化學(xué)類(lèi)型屬于后生還原褪色。

(2)錢(qián)家店礦床(錢(qián)Ⅳ塊)鈾礦化受氧化前鋒線(xiàn)控制, 多產(chǎn)于紅色砂體與灰色砂體過(guò)渡部位的灰色砂體中, 還原帶(灰色砂體)邊緣可作為找礦標(biāo)志之一。

(3)鈾礦體呈多層“板狀”產(chǎn)出, 鈾礦體與鈾礦化體整體呈“卷狀”形態(tài)產(chǎn)出。

(4)鈾礦體的形成與巖石地球化學(xué)環(huán)境、 還原介質(zhì)有機(jī)碳及黃鐵礦、 S2-有關(guān)。