張賓，劉紅旭，易超，丁波，張艷

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

鄂爾多斯盆地是我國重要的多能源共生疊合盆地，內(nèi)部賦存有煤、石油、天然氣和鈾多種能源礦產(chǎn)，是我國重要的能源礦產(chǎn)基地［1-2］。近年來鈾礦地質(zhì)工作者在盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)大型、超大型砂巖型鈾礦床，礦體主要位于直羅組下段下亞段砂體中，砂體不僅為成礦物質(zhì)提供運(yùn)移通道和賦存空間，還為鈾成礦提供預(yù)富集的鈾源［3-4］。

前人對鄂爾多斯盆地東北部鈾礦床的控礦因素和成礦模式做了深入的研究［5-6］，但對典型鈾礦床目的層碎屑物質(zhì)來源和母巖類型研究相對較少。前人對鄂爾多斯盆地北部地區(qū)物源的研究主要利用同位素年代學(xué)方法和地球化學(xué)分析的方法［7-10］，認(rèn)為盆地內(nèi)碎屑物質(zhì)主要來自于北部的山區(qū)，但對母巖的類型以及母巖所處的構(gòu)造環(huán)境缺乏深入的研究，缺乏直接的判斷依據(jù)，因此有必要開展研究從多方面來確定母巖的類型以及物源區(qū)的構(gòu)造特征。沉積巖的特征受母巖性質(zhì)的影響，恢復(fù)沉積物的物源對盆地的演化及盆地內(nèi)鈾成礦作用的研究具有重要的意義。

筆者調(diào)研了盆地周緣蝕源區(qū)巖石的地球化學(xué)特征以及盆緣的區(qū)域構(gòu)造背景，對直羅組下段砂巖系統(tǒng)取樣，通過巖石地球化學(xué)分析與巖礦鑒定厘清目的層砂巖的地球化學(xué)特征和巖石學(xué)、礦物學(xué)特征。巖石的地球化學(xué)特征對于判別沉積物母巖類型及其所處的構(gòu)造環(huán)境類型具有重要的作用［11-13］。通過目的層砂巖的巖石地球化學(xué)特征與蝕源區(qū)巖石的地球化學(xué)特征對比，建立砂巖中碎屑顆粒與蝕源區(qū)巖石的親緣關(guān)系；根據(jù)砂巖的地球化學(xué)特征判斷物源區(qū)所處的構(gòu)造背景；通過鏡下鑒定確定碎屑顆粒中巖屑的類型是母巖類型判別的最直接證據(jù)；結(jié)合重礦物分析，根據(jù)各種重礦物的含量及其組合特征判斷母巖的類型。最終厘定研究區(qū)目的層砂巖的母巖類型，查明研究區(qū)直羅組下段下亞段碎屑物質(zhì)的來源。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地為一個(gè)近南北向的中新生代的內(nèi)陸坳陷盆地，周圍被一系列斷裂所圍限，北部為烏拉山-大青山以及陰山山系（圖1），具有整體抬升、穩(wěn)定沉降、坡度寬緩、低幅隆起、地層產(chǎn)狀平緩、接觸整齊一致的特點(diǎn)［14-15］。

盆地具有雙層結(jié)構(gòu)，分為基底和蓋層。盆地基底具有“雙重”結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以中條運(yùn)動(dòng)和印支運(yùn)動(dòng)兩次重要的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)面為界，劃分出構(gòu)造格局和構(gòu)造體制均有較大差異的直接基底和間接基底，間接基底為太古宙-古元古代的結(jié)晶基底，由深變質(zhì)的麻粒巖等結(jié)晶巖組成，由于受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，盆地北部的結(jié)晶基底抬升至地表，為盆地內(nèi)沉積地層的形成提供了物質(zhì)來源；直接基底為中元古代-三疊紀(jì)的穩(wěn)定地塊沉積蓋層和活動(dòng)型盆地沉積蓋層，由碳酸鹽巖和碎屑巖組成。盆地蓋層為侏羅系-第四系（圖2），中侏羅統(tǒng)直羅組是本區(qū)主要的含鈾目的層，白堊系在盆地內(nèi)廣泛出露，古近系、新近系不甚發(fā)育。

研究區(qū)內(nèi)直羅組劃分為上、下兩段，根據(jù)地層的旋回特征將直羅組下段劃分為上、下兩個(gè)亞段，納嶺溝鈾礦床的礦體主要位于直羅組的下段下亞段砂體中。研究區(qū)內(nèi)直羅組下段下亞段以辮狀河沉積為主，為鈾成礦提供了物性和連通性較好的砂體［16-17］。鉆孔揭露直羅組下段下亞段為一套灰色中-粗粒砂巖，局部地區(qū)發(fā)育礫巖，地層中有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦含量較高，局部發(fā)育有煤線，增加了砂體的還原性容量。

圖2 鄂爾多斯盆地北部中-新生代地質(zhì)簡圖Fig.2 Meso-Cenozoic geology sketch of northern Ordos basin

2 樣品采集與分析方法

本次研究所需樣品取自納嶺溝地區(qū)的18個(gè)鉆孔，共101 件巖心樣品，其中97 件用于砂巖的巖石地球化學(xué)分析，4 件用于重礦物分析。取得的樣品均為新鮮巖石樣品，以中-粗粒砂巖為主。根據(jù)樣品的分布情況將樣品分析數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對同一層位的多個(gè)數(shù)據(jù)取其平均值來增加數(shù)據(jù)的可信度，最終得到23 個(gè)巖石的主微量數(shù)據(jù)和4 個(gè)重礦物分析數(shù)據(jù)。

樣品的分析測試均在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成。將取得的樣品碎樣至200 目，主量元素分析采用荷蘭Philips 公司生產(chǎn)的型號(hào)為PW2404 的X 射線熒光光譜儀（XRF）來完成，精度優(yōu)于5%，分析環(huán)境溫度為20 ℃，相對濕度30%；微量和稀土元素使用型號(hào)為ELEMENT 的XR 等離子體質(zhì)譜儀（XR-ICP-MS）測定，精度優(yōu)于10%，分析測試環(huán)境溫度為20 ℃，相對濕度30%；重礦物分析采用電磁和重?zé)o磁兩種分析方法來獲得巖石中各重礦物的百分含量。

3 直羅組下段下亞段砂巖特征

3.1 巖石學(xué)特征

鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，直羅組下段下亞段砂巖以巖屑砂巖和長石巖屑砂巖為主，石英含量低于50%，長石和巖屑的含量較高，長石中斜長石含量低于鉀長石，斜長石多發(fā)生絹云母化，黑云母出現(xiàn)綠泥石化蝕變。碎屑顆粒分選較差，磨圓度中等-差，填隙物主要為雜基，以黏土礦物為主，少量鈣質(zhì)膠結(jié)物（圖3）。碎屑顆粒結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度較低，推斷碎屑物質(zhì)未經(jīng)過長距離搬運(yùn)，反映近源快速沉積的特點(diǎn)。

砂巖中巖屑主要為中酸性巖漿巖巖屑和變質(zhì)巖巖屑，巖漿巖巖屑以花崗巖巖屑、花崗斑巖巖屑和安山巖巖屑為主（圖4a、b、c），變質(zhì)巖巖屑以絹云母片巖巖屑、石英云母片巖巖屑以及石英片巖巖屑為主（圖4d、e、f），表明目的層碎屑物質(zhì)的母巖主要為中酸性巖漿巖和變質(zhì)巖。

圖3 直羅組下段下亞段砂巖鏡下鑒定照片F(xiàn)ig.3 Microscopic photos of sandstone in lower submember of lower member of Zhiluo Formation

圖4 直羅組下段下亞段砂巖巖屑類型Fig.4 Types of lithic fragment in the sandstone of lower submember，lower member of Zhiluo Formation

3.2 重礦物特征

重礦物是指比重大于2.86 g/cm3，含量小于1%，物理化學(xué)性質(zhì)都穩(wěn)定的一類礦物［19］。重礦物物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在搬運(yùn)過程中不易被外界環(huán)境改變。不同類型的巖石具有不同的重礦物組合（表1），根據(jù)重礦物的組合特征可以判別碎屑物質(zhì)母巖的類型。

表1 不同類型巖石中重礦物組合（據(jù)朱筱敏，2008［20］）Table 1 Type of heavy mineral assemblage of different rocks

納嶺溝地區(qū)直羅組下段下亞段砂巖重礦物分析結(jié)果表明（表2），重礦物主要由鋯石、磷灰石、鈦鐵礦、石榴石以及綠簾石組成，這五種重礦物占重礦物總量的55.16%～78.82%，平均占63.66%，其余重礦物含量較低，表明組成研究區(qū)目的層碎屑物質(zhì)的母巖主要為變質(zhì)巖以及中酸性巖漿巖。

3.3 巖石地球化學(xué)特征

3.3.1 主量元素

砂巖中SiO2含量為67.68%～75.37%，平均含量為72.94%，TiO2含量為0.34%～2.59%，平均含量為0.58%，Al2O3含量為11.14%～13.37%，平均含量為12.62%，Al2O3/SiO2為0.15～0.18；K2O 平均含量為3.45%，K2O/Na2O為1.51～2.00，平均值為1.64。黏土礦物X 衍射分析發(fā)現(xiàn)富含K 的伊利石的含量很低，僅占黏土總含量的2.8%，表明K 主要來自于原生礦物，推測母巖為高K 的巖石，砂巖的主量元素與主動(dòng)大陸邊緣砂巖（ACM）［21］的主量元素含量相似，認(rèn)為目的層砂巖與主動(dòng)大陸邊緣環(huán)境關(guān)系密切。

3.3.2 微量元素

部分微量元素（如La、Sc 等）因性質(zhì)穩(wěn)定常作為盆地構(gòu)造環(huán)境和物源分析的示蹤劑［21-22］。砂巖中微量元素明顯富集Rb、Ba、Th、U、K、Pb 等大離子親石元素（LILE），而虧損Nb、Ta、P、Ti 等高場強(qiáng)元素（HFSE），Eu、Y、Yb和Lu 的含量較低，Sr含量中等（圖5）。由于部分樣品取自礦化段，U 含量高，導(dǎo)致Th/U的變化范圍（0.01～1.34）低于上地殼的平均值（3.8）；La/Sc 為3.07～4.66，平均值為3.89（上地殼平均值2.73）；Th/Sc 為0.54～1.08，平均值0.73（上地殼平均值0.97），La/Sc 值和Th/Sc值均接近上地殼的值［11］。結(jié)果中有一組數(shù)據(jù)（ZKN28-0-2）P 和Ti的含量異常高，可能有其他組分的混入，本次研究不做考慮。

表2 直羅組下段下亞段砂巖重礦物分析數(shù)據(jù)/%Table 2 Analysis data of heavy minerals of sandstones in the lower submember，lower member of Zhiluo Formation

圖5 直羅組下段下亞段砂巖微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蜘蛛圖（標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun 等，1989［23］）Fig.5 Spider diagrams of trace elements of sandstone in the lower submember，lower member of Zhiluo Formation

3.3.3 稀土元素

稀土元素中∑REE 為（93.26～162.78）×10-6，平均值為121.72 ×10-6，∑LREE/∑HREE 為7.21～16.11，平均值為12.13，（La）N/（Yb）N的值介于8.65～19.74，平均值為14.73。將稀土元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后得到砂巖的稀土元素配分曲線（圖6），稀土元素配分曲線表現(xiàn)為明顯的“右傾”型，具有輕稀土富集，重稀土虧損的特征。稀土元素?zé)oEu 的異?；蛴腥鮁u 的負(fù)異常，Ce 有弱的負(fù)異常。在稀土元素的三分方案中，輕稀土元素（La～Nd）和重稀土元素（Er～Lu）配分曲線平緩，分異程度低，中稀土元素（Sm～Ho）配分曲線較陡，分異程度高。

圖6 直羅組下段下亞段砂巖稀土元素配分曲線圖（標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Boynton，1984［24］）Fig.6 REE pattern of sandstone in the lower submember，lower member of Zhiluo Formation

4 討論

碎屑物質(zhì)在搬運(yùn)過程中經(jīng)過物理和化學(xué)作用改造導(dǎo)致其巖石地球化學(xué)特征不斷改變，為保證砂巖巖石地球化學(xué)特征能與物源區(qū)巖石的地球化學(xué)特征進(jìn)行對比，需要確保碎屑物質(zhì)的巖石地球化學(xué)特征沒有經(jīng)過強(qiáng)烈地改造［25-28］。

根據(jù)Th/Sc-Zr/Sc 的關(guān)系可以判別物源區(qū)的遠(yuǎn)近［12，29］，投圖（圖7）發(fā)現(xiàn)樣品點(diǎn)均落在組分分異線附近，表明碎屑顆粒為近源沉積，經(jīng)歷后期改造較弱，與鏡下鑒定結(jié)果一致，證明用砂巖的地球化學(xué)特征來確定母巖類型是可行的。

4.1 母巖類型分析

圖7 Th/Sc-Zr/Sc 圖（底圖據(jù)McLennan，1993［12］）Fig.7 Th/Sc-Zr/Sc discriminating diagram for the provenance

巖石的元素地球化學(xué)特征可以反映碎屑物質(zhì)的母巖類型，不同來源的碎屑物質(zhì)地球化學(xué)特征不同：基性巖的風(fēng)化產(chǎn)物中富集鎂鐵質(zhì)元素（Fe、Mg、Ti 等）和小離子元素（Na、Sr 等），中酸性巖的風(fēng)化產(chǎn)物富集大離子元素（K、Rb、Pb、Th、U、REE 等）［22，30-31］。直羅組下段下亞段砂巖中富集Rb、Th、U、K、Pb等大離子親石元素，表明碎屑物質(zhì)主要為中酸性巖的風(fēng)化產(chǎn)物。

根據(jù)Co/Th-La/Sc、TiO2-Ni、F1′-F2′以及Eu/Eu*-（Gd）N/（Yb）N來判斷砂巖的母巖類型［27，32-34］。在Co/Th-La/Sc圖解中樣品點(diǎn)分布在安山巖和長英質(zhì)火山巖之間且靠近長英質(zhì)火山巖端元（圖8）；TiO2-Ni 圖解中樣品點(diǎn)主要分布在酸性巖區(qū)域內(nèi)（圖9）；樣品點(diǎn)在F1′-F2′的判別圖中主要分布在酸性火山巖范圍內(nèi)（圖10）；太古宙之后的砂巖（Gd）N/（Yb）N值小于2，Eu/Eu* 值為0.65～1.00，太古宙時(shí)期的砂巖（Gd）N/（Yb）N值大于2［34］。樣品砂巖稀土元素中Eu/Eu* 值為0.70～1.10，（Gd）N/（Yb）N值為1～2，少數(shù)樣品（Gd）N/（Yb）N值為2～3（圖11），反映碎屑物質(zhì)的母巖主要為太古宙之后的巖石，混有部分太古宙的碎屑物質(zhì)。

圖8 La/Sc-Co/Th 母巖類型判別圖解（底圖據(jù)Gu 等，2002［32］）Fig.8 La/Sc-Co/Th discriminating diagram for parent rock types

綜上，研究區(qū)內(nèi)直羅組下段下亞段碎屑巖的母巖主要為太古宙之后的中酸性巖漿巖，以長英質(zhì)火山巖為主，混有少數(shù)太古宙時(shí)期的碎屑物質(zhì)，反映直羅組下段下亞段的碎屑物質(zhì)具有多來源的特征。

圖9 TiO2-Ni 母巖類型判別圖解（底圖據(jù)Spalletti 等，2008［27］）Fig.9 TiO2-Ni discriminating diagram for parent rock types

圖10 F1′-F2′判別圖解（底圖據(jù)Roser 等，1988［33］）Fig.10 F1′-F2′discriminating diagram for parent rock types

圖11 Eu/Eu*-（Gd）N/（Yb）N 判別圖解（底圖據(jù)McLennan 等，1991［34］）Fig.11 Eu/Eu*-（Gd）N/（Yb）N discriminating diagram for parent rock types

筆者收集了蝕源區(qū)巖石的地球化學(xué)數(shù)據(jù)，主要是東北緣方山地區(qū)［35］和北緣陰山-大青山-烏拉山地區(qū)［36-40］巖石的稀土元素地球化學(xué)數(shù)據(jù)，繪制了蝕源區(qū)巖石的稀土元素配分曲線圖（圖12）。

將砂巖樣品稀土元素配分曲線（圖12a）與蝕源區(qū)巖石的稀土元素配分曲線進(jìn)行對比（圖12b、c、d），來判斷砂巖的母巖類型。盆地東北緣方山地區(qū)的前寒武紀(jì)混合花崗巖稀土元素配分曲線表現(xiàn)為“左傾”型，即輕稀土虧損，重稀土富集，表現(xiàn)為明顯的Eu 負(fù)異常，與目的層砂巖的稀土元素配分曲線明顯不同（圖12a、b），認(rèn)為方山地區(qū)前寒武紀(jì)混合花崗巖與目的層碎屑巖親緣性不明顯。盆地北緣陰山-大青山-烏拉山地區(qū)的前寒武紀(jì)巖體和海西印支期侵入巖的稀土元素配分曲線表現(xiàn)為明顯的“右傾”型（圖12c、d），與目的層砂巖的稀土元素配分曲線在形狀上相似，推測目的層砂巖與陰山-大青山-烏拉山地區(qū)的巖石存在親緣性。陰山-大青山-烏拉山地區(qū)前寒武紀(jì)時(shí)期的花崗巖表現(xiàn)為Eu 負(fù)異常，混合花崗巖表現(xiàn)為Eu 正異常，與目的層砂巖的差別較大（圖12a、c），表明該地區(qū)前寒武紀(jì)的花崗巖和混合花崗巖為目的層巖石的母巖可能性不大；麻粒巖的輕稀土元素含量較低，（La）N/（Yb）N值低于目的層砂巖，認(rèn)為麻粒巖與目的層碎屑巖關(guān)系不明顯；孔茲巖、片麻巖以及閃長巖無論是稀土元素配分曲線的形狀還是輕重稀土的絕對含量都與目的層砂巖具有較好的一致性，認(rèn)為陰山-大青山-烏拉山地區(qū)前寒武紀(jì)時(shí)期的孔茲巖、片麻巖以及閃長巖是研究區(qū)目的層碎屑巖的主要母巖。陰山-大青山-烏拉山地區(qū)海西-印支期的正長巖、花崗巖和混合花崗巖表現(xiàn)為Eu 的負(fù)異常，與目的層砂巖不同（圖12a、d），反映該地區(qū)海西-印支期的正長巖、花崗巖和混合花崗巖是目的層巖石母巖的可能性較小；該地區(qū)的輝長巖和花崗閃長巖的稀土元素特征與目的層砂巖的稀土元素特征具有一致性，認(rèn)為陰山-大青山-烏拉山地區(qū)海西-印支期的輝長巖和花崗閃長巖為目的層碎屑巖的母巖。

圖12 研究區(qū)目的層巖石與周緣物源區(qū)巖石的稀土元素配分曲線圖（標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Boynton，1984［24］）Fig.12 REE patterns of target sandstones and the rocks of provenance vicinity

上述證據(jù)表明，納嶺溝地區(qū)直羅組下段下亞段巖石的碎屑物質(zhì)主要來自于盆地北緣的陰山-大青山-烏拉山地區(qū)，主要為前寒武紀(jì)和海西-印支期的變質(zhì)巖和侵入巖的風(fēng)化產(chǎn)物，目的層的母巖主要為前寒武紀(jì)時(shí)期的孔茲巖、片麻巖、閃長巖以及海西-印支期的輝長巖和花崗閃長巖。

4.2 物源區(qū)構(gòu)造背景分析

沉積盆地與物源區(qū)的分布格局受大地構(gòu)造控制，因此沉積盆地內(nèi)沉積物碎屑組分和結(jié)構(gòu)特征與物源區(qū)大地構(gòu)造性質(zhì)必然有著密切聯(lián)系［41］。通過砂巖主量元素F1-F2的關(guān)系［21］和TiO2-（TFe2O3＋MgO）的關(guān)系［42］來確定物源區(qū)的構(gòu)造環(huán)境。通過計(jì)算F1介于-1.5 至0 之間，F(xiàn)2介于-2 至-6 之間，投圖樣品點(diǎn)全部落在主動(dòng)大陸邊緣范圍內(nèi)（圖13）；砂巖中TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.8%，TFe2O3＋MgO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～8%，投圖可見多數(shù)樣品點(diǎn)落在主動(dòng)大陸邊緣范圍內(nèi)，僅有極少數(shù)樣品落在大陸島弧范圍內(nèi)（圖14）。

圖13 F1-F2 判別圖（底圖據(jù)Bhatia，1983［21］）Fig.13 F1-F2 discriminating diagram for parent rock types

圖14 TiO2-（TFe2O3＋MgO）圖解（底圖據(jù)Holland，1978［42］）Fig.14 TiO2-（TFe2O3＋MgO）discriminating diagram for parent rock types

上述證據(jù)表明，納嶺溝地區(qū)直羅組下段下亞段巖石的母巖主要形成于主動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境，與地質(zhì)歷史過程中古生代時(shí)期興蒙大洋板塊向南俯沖、碰撞，古陰山褶皺造山帶呈相對隆起狀態(tài)關(guān)系密切。由于板塊俯沖碰撞，俯沖過程中俯沖板塊相變產(chǎn)生了富集大離子親石元素而虧損高場強(qiáng)元素的流體，該流體混入地幔導(dǎo)致地幔虧損高場強(qiáng)元素而富集大離子親石元素，這與直羅組下段下亞段砂巖明顯富集Rb、Ba、Th、U、K、Pb 等大離子親石元素，而虧損Nb、Ta、P、Ti 等高場強(qiáng)元素一致。可以斷定，物源區(qū)位于主動(dòng)大陸邊緣俯沖帶環(huán)境中，板塊俯沖階段是蝕源區(qū)母巖形成的主要階段。

5 結(jié)論

1）研究區(qū)直羅組下段下亞段砂巖主量元素特征與大陸邊緣弧巖石特征相似，微量元素明顯富集Rb、Ba、Th、U、K、Pb 等大離子親石元素，虧損Nb、Ta、P、Ti 等高場強(qiáng)元素，稀土元素表現(xiàn)為輕稀土富集重稀土虧損，Eu 和Ce 的異常特征不明顯。

2）直羅組下段下亞段的砂巖未經(jīng)過強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用，為近源沉積，表明用砂巖來反演母巖的特征是可行的。

3）直羅組下段下亞段碎屑物質(zhì)主要來自于盆地北緣的陰山-大青山-烏拉山地區(qū)，母巖主要為前寒武紀(jì)時(shí)期的孔茲巖、片麻巖、閃長巖以及海西-印支期的輝長巖和花崗閃長巖，中酸性巖漿巖和變質(zhì)巖中U 含量高，在為目的層提供碎屑物質(zhì)的同時(shí)也伴隨有U 的預(yù)富集作用，是區(qū)內(nèi)砂巖型鈾礦形成的重要鈾源之一。

4）地質(zhì)歷史時(shí)期興蒙大洋板塊向南俯沖碰撞，形成主動(dòng)大陸邊緣環(huán)境，俯沖過程中形成的巖石為后續(xù)盆地演化過程中直羅組下段下亞段的沉積提供了物質(zhì)來源。