司慶紅，俞礽安，蔡洪廣，王善博，王道華，張超，朱強

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2.華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，天津 300170；3.內(nèi)蒙古煤炭地質(zhì)勘查（集團）117有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

鄂爾多斯盆地東北部乃馬岱地區(qū)中生代含煤巖系發(fā)現(xiàn)了較好的鈾找礦線索，探討源巖屬性對探索鈾礦成因具有重要意義。沉積巖的元素地球化學特征能夠反映地質(zhì)歷史信息，是研究沉積古環(huán)境和源區(qū)構造背景的有效手段。眾多學者對鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦的地質(zhì)特征[1-5]、鈾賦存狀態(tài)[6-8]、成礦模式[1,9-11]、蝕變礦物相關流體[12-18]、元素地球化學特征[19-23]等方面進行了大量的研究，并取得了較大研究進展。前人在砂巖型鈾礦床的放射性元素本身（U、Ra、Th）、鈾成礦相關的部分微量元素（如Se、Mo、V、Ge 等）、敏感參數(shù)（TOC、S、Fe 等）、稀土元素（如La/Yb 比值）示蹤鈾礦的物質(zhì)來源[24-26]等方面做了很多工作，為礦床成因研究提供了重要線索。

目前，關于鄂爾多斯盆地北部乃馬岱地區(qū)含鈾巖系地質(zhì)特征，尤其是針對直羅組砂巖開展元素地球化學的研究工作還很少，乃馬岱地區(qū)含鈾巖系沉積物質(zhì)來源和構造背景有待深入探討，這在一定程度上制約了對該區(qū)直羅組鈾成礦條件和鈾富集規(guī)律的認識。

為此，筆者以鄂爾多斯盆地乃馬岱地區(qū)含鈾巖系直羅組砂巖為研究對象，從含鈾巖系鈾礦地質(zhì)特征和巖石主、微量及稀土元素特征兩方面進行分析，從元素地球化學指標探討直羅組砂巖的沉積古環(huán)境與源巖構造背景。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是中生代發(fā)育起來的大型內(nèi)陸拗陷盆地，大地構造位于華北板塊西部，北鄰內(nèi)蒙-大興安嶺褶皺帶，南接秦嶺-祁連山褶皺帶，東、西與山西地塊和阿拉善地塊毗鄰。乃馬岱地區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡（圖1a），地層西低東高，南低北高，構造總體形態(tài)為一向西南傾斜的單斜構造，地層傾角1°左右，在單斜構造的總體框架之上延走向、傾向發(fā)育有一些寬緩的波狀起伏。

圖1 研究區(qū)構造位置及地層綜合柱狀圖（據(jù)參考文獻[4]）Fig.1 Comprehensive histogram of structure location and stratigraphy in the study area

研究區(qū)發(fā)育中生代以來的地層由老至新依次有：侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）、侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）、侏羅系中統(tǒng)安定組（J2a）、白堊系下統(tǒng)志丹群（K1z）、第四系（Q），缺失侏羅系下統(tǒng)富縣組（J1f）、新生界的古近系（E）、新近系（N）（圖1b）。

2 實驗與研究方法

本次研究選擇乃馬岱鉆孔T1和T2（鉆孔位置見圖1）進行巖心蝕變觀察，尤其對含鈾層段進行精細編錄描述。在鉆孔編錄和巖心觀察的基礎上，采集直羅組含礦砂巖進行薄片鑒定、U 含量分析。采集T1和T2鉆孔直羅組10個砂巖樣品開展主量、微量和稀土元素地球化學分析，其中主量元素采用X衍射熒光光譜（XRF）分析，F(xiàn)eO采用氫氟酸、硫酸溶樣、重鉻酸鉀滴定容量法，分析精度優(yōu)于2%。微量、稀土元素采用美國XSERIES-II型號ICP-MS等離子體質(zhì)譜儀進行測定，分析精度優(yōu)于5%。

3 直羅組砂巖地質(zhì)特征

鉆孔揭露乃馬岱的地層主要為志丹群、安定組和直羅組，主要含鈾地層為直羅組（圖2a），直羅組下段為辮狀河沉積，砂巖粒度較粗，以灰色、灰白色砂礫巖、含礫砂巖、粗砂巖為主，結構疏松；上段為曲流河沉積，巖性以泥巖、粉砂巖、中-細砂為主，夾有薄層中-粗砂巖。乃馬岱T1和T2兩個鉆孔聯(lián)井剖面圖反映了該區(qū)鈾礦目的層深度在600～700 m之間，異常層厚度0.25～3.7 m之間，含鈾砂體厚度呈由東北部向西南部厚度變薄的特點。直羅組含鈾巖段砂巖主要為灰-灰綠色中粗砂巖，在礦段及圍巖砂巖中可清晰見到油跡殘留、有機質(zhì)條帶以及黃鐵礦化蝕變（圖2b）。

圖2 乃馬岱地區(qū)鉆孔聯(lián)井剖面及巖心照片F(xiàn)ig.2 Drilling joint well profile and core photos in Naimadai area

直羅組砂巖成分以石英為主，其次為長石及云母，可見大量的碎屑；砂巖分選中等，顆粒呈次棱角狀，固結程度低。乃馬岱地區(qū)直羅組含鈾砂巖主要為疏松、較疏松的淺灰色、灰色長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖（圖3），中粒、粗粒砂狀結構，分選性中等為主，多為次棱角狀。礦石中碎屑粒間以接觸式膠結為主，少數(shù)為孔隙式膠結。單礦物碎屑主要為石英，平均含量50%；碎屑物粒徑55%～70%主要在0.25 mm以下的細砂級，其余粒徑在0.25～0.55 mm的中砂級，磨圓程度低，呈棱角-次棱角狀，分選程度中等，礦物成熟度較高。雜基主要成分為水云母、高嶺石、伊利石、綠泥石和蒙脫石。膠結物以方解石、黃鐵礦、針鐵礦為主。

圖3 直羅組含礦砂巖及圍巖巖石碎屑組成Fig.3 Clastic composition of ore-bearing sandstone and surrounding rock of Zhiluo formation

4 直羅組砂巖元素地球化學特征

4.1 主量元素含量特征

實驗表明，乃馬岱地區(qū)直羅組SiO2含量介于54.56%～74.66%之間，平均含量為64.73%；Al2O3含量介于10.88%～18.71%之間，平均含量為15.08%；Fe2O3含量介于0.93%～8.35%之間，平均含量為3.32%；FeO含量介于0.45%～3.55%之間，平均含量為1.86%；CaO含量介于0.52%～1.69%之間，平均含量為0.91%；MgO含量介于0.62%～3.76%之間，平均含量為2.19%；K2O含量介于2.73%～3.58%之間，平均含量為3.15%；Na2O含量介于0.95%～3.89%之間，平均含量為2.52%；TiO2含量介于0.26%～0.86%之間，平均含量為0.64%；P2O5含量介于0.05%～0.41%之間，平均含量為0.15%；MnO 含量介于0.04%～0.12%之間，平均含量為0.06%。

由圖4可看出，除了SiO2、Fe2O3、FeO和P2O5存在一定波動外，其余主量元素在各類樣品中的質(zhì)量分數(shù)差別不大，說明其物質(zhì)來源較為穩(wěn)定。

圖4 乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖主量元素含量條形圖Fig.4 Bar graph of major element content in Zhiluo formation sandstone in Naimadai area

4.2 微量元素含量特征

表2為樣品的微量元素分析結果，將微量元素分析結果以中國沉積巖元素平均含量作為基準進行標準化，得到豐度系數(shù)K=ω（樣品）/ω（標準）。按照橫坐標從左向右微量元素不相容性程度下降的順序分別繪制兩個鉆孔樣品微量元素蛛網(wǎng)（圖5）。觀察發(fā)現(xiàn)兩鉆孔樣品均出現(xiàn)標準化值，從左到右總體上逐漸減小但個別元素如Rb、U、Nb、Sr、Zr、Hf則出現(xiàn)不同程度的正或負異常現(xiàn)象。

圖5 乃馬岱地區(qū)直羅組巖石微量元素原始地幔標準蛛網(wǎng)圖Fig.5 Standard spider web map of primitive mantle of trace elements in the Zhiluo formation in Naimadai area

兩鉆孔樣品元素總體分布模式基本一致，但某些元素（Th、U、P、Y等）的含量具有顯著的分異性，這其中Th和U含量差異最為明顯。Th含量在3.3～20.3×10-6之間，U含量在0.72～5.29×10-6之間。這些元素的分異在很大程度上可能與后期流體蝕變作用有關。

4.3 稀土元素（REE）含量特征

乃瑪岱地區(qū)直羅組樣品的稀土元素分析結果見表3。直羅組稀土總量ΣREE在84.56～306.77之間，平均199.09。輕稀土總量ΣLREE 在78.13～279.41之間，平均為182.21。重稀土總量ΣHREE在14.37～264.52 之間，平均為82.99。ΣLREE/ΣHREE 值介于0.90～13.91 之間，平均為5.96。反映直羅組砂巖具有輕稀土富集、重稀土虧損的特點。

將稀土元素測試結果根據(jù)球粒隕石平均值進行標準化后，繪制出研究區(qū)直羅組稀土元素配分模式曲線（圖6）。研究區(qū)直羅組的稀土元素配分模式曲線類型屬輕稀土富集、重稀土虧損的右傾型，曲線中La-Eu段較陡而Eu-Lu段較平緩，絕大多數(shù)樣品δCe無異?；蛉踟摦惓?。

圖6 乃馬岱直羅組稀土元素球粒隕石標準化分布型式圖Fig.6 Standardized distribution pattern of rare earth element chondrites from the Naimadaizhiluo Formation

5 討論

5.1 沉積物源條件

5.1.1 古氣候特征

化學蝕變指數(shù)（CIA）可以指示源區(qū)巖石的化學風化程度，大致能夠反映地層沉積時的古氣候[27-28]?；瘜W蝕變指數(shù)的計算公式為：

式中各成分均以摩爾分數(shù)表示，其中CaO*為限定硅酸鹽中的CaO含量（不包括碳酸鹽以及磷酸鹽礦物中的CaO），在實際工作中其取值往往采用近似值。

一般認為，CIA≤50表示未風化；50＜CIA≤65表示中等風化；65＜CIA≤100表示強烈風化；同時，化學蝕變指數(shù)（CIA）也可以在一定程度上反映物源區(qū)的氣候。當50＜CIA≤65，反映寒冷干燥氣候條件；當65＜CIA≤85，反映溫暖濕潤氣候條件；當85＜CIA≤100，反映炎熱潮濕氣候環(huán)境。

由表1 可知，乃馬岱地區(qū)直羅組地層樣品的化學蝕變指數(shù)（CIA）介于56.7～79.58 之間，平均為68.9。4 個樣品CIA 略低于在50～65 之間，其余樣品的CIA均在65～85之間，指示該區(qū)直羅組地層巖石風化強度為中等-強，其古氣候具有總體溫暖半濕潤的特點。

表1 乃馬岱地區(qū)直羅組地層主量元素含量（%）及CIA計算結果表(×10-2)Table 1 The major element concentrations(%)and CIA correction of lower section of Zhiluo formation in Naimadai area

5.1.2 古水體氧化還原環(huán)境

在微量元素中，U、V、Cr和Co等對氧化和還原環(huán)境較為敏感，在富氧環(huán)境下易溶，在缺氧環(huán)境下不易溶解而富集；Ni、Cu、Zn 和Cd 等元素則在富氧環(huán)境下呈溶解狀態(tài)，而在缺氧環(huán)境下常以硫化物形式富集沉淀。一般而言，U/Th、V/Cr、Ni/Co 和V/（V+Ni）比值是反映古水體氧化還原環(huán)境的有效指標[19-22]（表4）。

由表2可知，乃馬岱地區(qū)直羅組U/Th比值介于0.08～0.4 之間，平均0.22；V/Cr 比值在0.84～3.4 之間，平均為1.57。Ni/Co比值在1.56～2.36之間，平均為1.94。V/（V+Ni）比值均介于0.69～0.90 之間，平均為0.77。綜合分析U/Th、V/Cr、Ni/Co和V/（V+Ni）比值，可以判斷乃馬岱地區(qū)直羅組沉積古水體局部為貧氧-富氧環(huán)境過渡，總體為偏富氧環(huán)境。

表2 乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖微量元素含量及特征參數(shù)表(×10-6)Table 2 The trace element concentrations of lower section of Zhiluo formation in Naimadai area and geochemical parameters

除Ce和Eu以外的稀土元素在氧化和還原條件下均為正三價。Ce和Eu都是變價元素，在氧化和還原條件下呈現(xiàn)不同的價態(tài)：Ce在氧化條件下為正四價，在還原條件下則為正三價；Eu在氧化條件下為正三價，在還原條件下則為正二價，因Ce3+在水體中的溶解度大于Ce4+，氧化條件下Ce在水體中虧損而在沉積物中富集，沉積物呈現(xiàn)δCe 正異?；驘o明顯異常；Eu在氧化條件下主要以Eu3+存在，與其他三價稀土元素行為一致，因此在風化過程中不易產(chǎn)生Eu的分異，但在還原條件下，Eu形成易溶于水的Eu2+，因而在水體中富集而在沉積物中虧損。因此，稀土元素在判斷古水體氧化-還原環(huán)境條件時也具有重要參考價值。從表3可看出，乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖樣品δCe無明顯異常；直羅組上部樣品分異不明顯，而下部樣品Eu分異較明顯，反映直羅組沉積古水體可能具有從還原逐漸過渡到氧化條件的特點。

表3 乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖稀土元素含量表(×10-6)Table 3 The contents of REE for sandstons of Zhiluo formation in Naimadai area(×10-6)

表4 古水體氧化-還原環(huán)境微量元素判別表（據(jù)文獻[22]）Table 4 Geochemical indicates of redox environment[22]

綜上，利用微量元素和稀土元素均判斷直羅組古水體環(huán)境總體為偏富氧環(huán)境，具有從還原到氧化過渡的環(huán)境特點。

5.1.3 古水體鹽度

微量元素Sr 含量可作為沉積巖古鹽度的有效判別標志。通常咸水環(huán)境的沉積巖Sr 含量通常在800×10-6～1 000×10-6，淡水環(huán)境下的沉積巖Sr 含量在100×10-6～300×10-6之間[20-22]。本次實驗測試數(shù)據(jù)顯示（表2），乃瑪岱地區(qū)直羅組砂巖的Sr 含量在214×10-6～526×10-6之間，平均為342×10-6，不高于800×10-6，說明沉積古水體應屬于淡水環(huán)境-微咸水環(huán)境。

另外，Sr/Ba 比值也是判別古鹽度的靈敏標志。一般認為淡水環(huán)境下沉積巖Sr/Ba比值小于1（其中小于0.5為微咸水相，0.5～1為半咸水相），而咸水環(huán)境下沉積巖Sr/Ba 比值大于1[20,22]。樣品Sr/Ba 比值介于0.19～0.79之間，均小于1，指示了研究區(qū)直羅組砂巖沉積古水體為淡水環(huán)境。

上述微量元素Sr含量與Sr/Ba反映的直羅組砂巖沉積古水體鹽度情況是吻合的，指示了一種淡水-微咸水環(huán)境。

5.2 構造背景條件

5.2.1 微量元素對源巖構造背景的判別

本次研究根據(jù)微量元素Th-Co-Zr/10、La-Th-Sc及Th-Sc-Zr/10的構造環(huán)境判別圖解（圖7a、7b和7c）進行源區(qū)構造背景分析。圖7顯示，大部分樣品的數(shù)據(jù)點均落在大陸島弧范圍內(nèi)，其余數(shù)據(jù)點落在活動大陸邊緣及周邊區(qū)域。這反映乃馬岱區(qū)直羅組砂巖的源區(qū)主要構造背景為大陸島弧，可能與活動大陸邊緣有密切關系。

圖7 乃馬岱地區(qū)直羅組Th-Co-Zr/10、La-Th-Sc及Th-Sc-Zr/10判別圖Fig.7 Th-Co-Zr/10，La-Th-Sc and Th-Sc-Zr/10 diagrams of lower section of Zhiluo formation in Naimadai area

5.2.2 稀土元素對源巖構造背景的指示

由于各稀土元素（REE）的化學性質(zhì)相近，受后期風化、成巖及蝕變作用的影響較弱，主要受控于其源區(qū)巖石組成，因而REE對巖石源區(qū)構造背景有著重要指示作用[29-30]。Eu異常（δEu）往往也可以作為判別物質(zhì)來源的重要依據(jù)，δEu＜0.9表示母巖為花崗巖；1.01＜δEu＜2.33時代表母巖為中性斜長巖。根據(jù)這一標準，所測10件樣品中有7件的Eu異常（δEu）落在花崗巖分布范圍，其余3件樣品的δEu落于中性斜長巖分區(qū)范圍（表5）。

表5 乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖稀土元素特征表Table 5 Characteristics of REE parameters in sandstones of Zhiluo formation in Naimadai area

為進一步確定研究區(qū)直羅組的物源屬性，筆者將研究區(qū)直羅組稀土元素與不同巖體的稀土元素進行對比，圖8a反映乃馬岱地區(qū)直羅組的物源主要來自花崗巖。同各種構造背景下砂巖的稀土元素特征相比，研究區(qū)直羅組大部分樣品的稀土元素特征與大陸島弧構造背景下的稀土元素特征較匹配（圖8b），少數(shù)樣品稀土元素特征與活動大陸邊緣背景下的稀土元素特征較接近，暗示了其物源區(qū)可能受到大陸島弧和活動大陸邊緣兩種構造背景的影響。因此，推測乃馬岱地區(qū)直羅組地層物源構造背景主要為大陸島弧，還受到活動大陸邊緣的影響，源巖主要為花崗巖，其次為中性斜長巖。

圖8 乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖La/Yb-ΣREE源巖和La/Th-Hf源區(qū)構造環(huán)境判別圖Fig.8 Tectonic environment discriminant map of La/Yb-ΣREE source rock and La/Th-Hf source area of Zhiluo formation sandstone in Naimadai area

為了進一步判斷乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖的物源，根據(jù)研究區(qū)直羅組砂巖源區(qū)構造背景，以下重點分析鄂爾多斯盆地北部周緣的大青山-烏拉山、陰山及呂梁山等花崗巖的親緣關系。

俞礽安等通過鋯石測年，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)周邊鉆孔直羅組砂巖碎屑鋯石年齡在255～314 Ma[4]，與烏拉山地區(qū)大樺背巖體時代330 Ma[31]、大青山地區(qū)哈拉少花崗巖體時代261.1±0.5 Ma[32]等地區(qū)形成于二疊紀中酸性巖石年齡較為一致，而與鄂爾多斯盆地元古代巖體年齡相差甚遠。自晚古生代以來，鄂爾多斯盆地北部經(jīng)歷了持續(xù)的碰撞造山作用，除了形成單一的隆升拱起還發(fā)生了沖斷與褶皺作用，基底結晶巖系廣泛剝露，同時還有部分華力西期、印支期侵入巖，在直羅組沉積前被抬升至地表并遭受剝蝕[33]，為直羅組沉積提供物源條件。前人研究發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地東北緣呂梁山太古宙火成巖（主要為花崗巖）的稀土元素總量ΣREE為（35.6～676.57）×10-6;平均為141.23×10-6，LREE/HREE 為0.44～13.38，平均4.19；δEu平均0.21，嚴重虧損；δCe平均為1.01，微虧損[34-36]。這與本次研究得出的乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖稀土元素特征差別很明顯。此外，前人磷灰石裂變徑跡研究表明呂梁山最早隆升過程可追溯到發(fā)生在早白堊世晚期-新生代[37-38]，發(fā)生在直羅組沉積之后。

因此，我們基本可以判斷乃馬岱地區(qū)直羅組物源極可能主要來自鄂爾多斯盆地北部的大青山-烏拉山、陰山地區(qū)。

6 結論

（1）乃馬岱地區(qū)直羅組砂巖主量元素具有SiO2和Al2O3含量高的特點，大部分主量元素在各類樣品中的質(zhì)量分數(shù)差別不大，唯有Fe2O3、FeO和P2O5存在較大的波動。直羅組砂巖微量元素出現(xiàn)標準化值，總體上Rb-Lu呈逐漸減小，某些元素（Th、U、P、Y等）的含量具有顯著的分異性，其中Th和U含量差異最為明顯。直羅組砂巖總體具有輕稀土富集、重稀土虧損的特點。

（2）化學蝕變指數(shù)指示乃馬岱地區(qū)直羅組地層巖石風化強度為中等-強，其古氣候具有總體溫暖半濕潤的特點；微量元素U/Th、V/Cr、Ni/Co 和V/（V+Ni）比值以及稀土元素Ce、Eu的分異特點反映了直羅組砂巖的古水體環(huán)境具有從還原到氧化過渡、總體偏富氧的環(huán)境特點；Sr含量與Sr/Ba綜合反映直羅組砂巖沉積古水體為淡水-微咸水環(huán)境。

（3）直羅組沉積構造背景主要為大陸島弧，與活動大陸島弧邊緣也有一定關聯(lián)。源巖主要為花崗巖，其次為中性花崗巖，物源與呂梁山火成巖關系不大，可能主要來自盆地北部大青山-烏拉山和陰山地區(qū)。