劉成東, 黃曉宇, 萬(wàn)建軍, 趙 嚴(yán)

(東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330013)

鈾作為一種重要的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源,在國(guó)防軍工、核電能源等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,其可持續(xù)發(fā)展近年來(lái)備受關(guān)注(Dittmar,2013)。砂巖型鈾礦作為我國(guó)具有工業(yè)意義的四大類型鈾礦床中最重要的一種,在我國(guó)鈾資源儲(chǔ)量中位居首位(王飛飛等,2017)。近年來(lái),我國(guó)在砂巖型鈾礦的成礦理論和采冶技術(shù)上取得了較大突破(闕為民,2017;張金帶等,2010),極大促進(jìn)了鈾資源及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展(付勇等,2016;金若時(shí)等,2014;湯超等,2021)。砂巖型鈾礦產(chǎn)于沉積盆地,鈾礦的形成通常經(jīng)歷沉積埋藏到抬升成礦兩個(gè)重要的演化階段。在抬升成礦階段,古氣候背景下的大氣降水和氧化-還原作用的參與和約束是最顯著的成礦特征(焦養(yǎng)泉等,2022)。如果早期含鈾巖系沉積時(shí)是溫暖-潮濕古氣候條件,則有利于容礦層中還原介質(zhì)的富集;后期成礦時(shí)期為干旱-半干旱古氣候條件,則有利于地表富鈾含氧流體滲入到早期形成的容礦層中發(fā)生層間氧化作用而成礦(秦明寬等,2017;胡小文等,2020)。因此,沉積古環(huán)境變化對(duì)鈾礦成礦作用具有重要影響。

內(nèi)蒙古巴彥烏拉鈾礦床位于二連盆地,是我國(guó)北方砂巖型鈾礦床的重要組成部分(郭宏偉,2014)。前人對(duì)該礦床的含礦地層和水文地質(zhì)條件開(kāi)展了系統(tǒng)研究,總結(jié)和討論了其成礦模式、構(gòu)造與成礦作用、找礦方向(聶逢君等,2007;岳淑娟,2011;劉武生等,2013;魯超等,2013;趙興齊等,2019;呂永華等,2021;廖石丹等,2022)。古氣候?qū)ι皫r型鈾礦的含礦建造的形成、含鈾氧化流體的形成與性質(zhì)具有控制作用(彭云彪等,2018)。隨著我國(guó)砂巖型鈾礦找礦工作深入,更加重視古氣候?qū)ι皫r型鈾礦成礦作用影響。筆者以巴彥烏拉鈾礦床賽漢組砂巖作為研究對(duì)象,進(jìn)行系統(tǒng)采樣,開(kāi)展巖相學(xué)和元素地球化學(xué)研究,揭示巴彥烏拉賽漢組沉積環(huán)境,并探討沉積環(huán)境對(duì)巴彥烏拉鈾礦床成礦過(guò)程的制約,完善研究區(qū)砂巖型鈾礦成礦機(jī)理,拓寬找礦思路,為下一步砂巖型鈾礦勘查工作提供重要參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于二連盆地,該盆地東西長(zhǎng)約1 000 km,南北寬約20 km,總面積約11×104km2(李華明等,2015)。二連盆地構(gòu)造上屬蒙古-興安斷陷系中部,為一中新生代陸相斷陷型的大型疊合沉積盆地(馬杏垣等,1983),并經(jīng)歷了陸相盆地發(fā)展階段(漆家福等,2015),于晚侏羅紀(jì)和早白堊世之間發(fā)生兩期裂谷事件(聶逢君等,2015)。盆地周緣普遍缺失三疊系沉積,而以風(fēng)化、剝蝕作用為主(任建業(yè)等,1998),該過(guò)程為后來(lái)的盆蓋沉積物提供了豐富的物源。

巴彥烏拉鈾礦床位于二連盆地馬尼特坳陷西北部的塔北凹陷(圖1)。塔北凹陷西北部被白音希勒隱伏凸起和巴音寶力格隆起隔開(kāi),西南側(cè)與蘇尼特隆起相鄰。凹陷中礦體呈北東向展布(李華明等,2015),下白堊系為充填主體,礦區(qū)由古至新出露地層為:下白堊統(tǒng)賽漢組下段(K1s1)、賽漢組上段(K1s2)、古近系伊爾丁曼哈組(E2y)。區(qū)內(nèi)基底及蝕源區(qū)主要為華力西期侵入花崗巖體,下侏羅統(tǒng)道特諾爾組灰色玄武巖、安山巖,上侏羅統(tǒng)布拉根哈達(dá)組的流紋巖與凝灰?guī)r;盆地北緣蝕源區(qū)還可見(jiàn)燕山早期花崗巖類。其中賽漢組為一套灰色、深灰色、灰綠色砂礫巖、中細(xì)砂巖、炭質(zhì)泥巖、煤層,是巴彥烏拉鈾礦主要含礦目的層(聶逢君等,2015)。賽漢組上段主要受古河谷砂體控制,而古河谷的形成嚴(yán)格受負(fù)地貌控制。傾向上,南北高,向中部逐漸降低,古地形從河谷兩側(cè)向中心傾斜;走向上,西高東低,與古河谷方向相近。

圖1 二連盆地及研究區(qū)地質(zhì)圖(郭宏偉,2014)

2 樣品采集與分析

樣品取自內(nèi)蒙古巴彥烏拉鈾礦區(qū)鉆孔巖芯,埋深98.8～117.3 m,具體采樣位置見(jiàn)圖2。為確保砂巖樣品具有代表性,筆者以砂巖類礦石為主要研究對(duì)象,從多個(gè)新開(kāi)采鉆孔的相同地層采集了新鮮的巖芯樣品進(jìn)行元素地球化學(xué)測(cè)試。

圖2 巴彥烏拉鈾礦床賽漢組上段垂向序列圖(郭宏偉,2014)

巖石薄片制備經(jīng)歷了切片、真空吸附浸漬、磨削、載片、切除、研磨和拋光。在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成了巖石樣品的主、微量元素測(cè)試。實(shí)驗(yàn)初步處理過(guò)程為:將樣品洗凈,剝離掉樣品表面的雜質(zhì),然后使用顎式破碎機(jī)將樣品粗碎至1～2 cm,后經(jīng)碎樣器將巖石樣品粉碎至200目以下,所得樣品粉末干凈且無(wú)明顯顆粒感。主量元素測(cè)試先將樣品粉末融熔制成玻璃片,再由X射線熒光光譜儀測(cè)定,儀器型號(hào)為Rigaku RIX 2000。微量元素由電感耦合離子體質(zhì)譜儀測(cè)定,儀器型號(hào)為PerkinElmer Sciex ELAN 6000,化學(xué)溶解方法和微量元素含量分析過(guò)程參考Ren等(2014)。樣品中主量元素的測(cè)試誤差為1%～5%,微量元素的測(cè)試誤差一般小于5%。

樣品為灰色砂巖,中細(xì)礫狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造(圖3),主要由碎屑成分和雜基組成。以礫石為主體,空隙被砂屑顆粒和泥質(zhì)礦物充填。碎屑成分主要為石英(36%～56%)、長(zhǎng)石(5%～15%)、巖屑(20%～30%)及少量云母、方解石和黏土礦物。其中石英多呈棱角-次棱角狀;長(zhǎng)石多為鉀長(zhǎng)石,為自形-半自形(圖4);副礦物為黃鐵礦、金紅石,以及綠泥石、鋯石、榍石等。石英與長(zhǎng)石磨圓度較低,反映了賽漢組整體成分成熟度低,物源區(qū)相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 巴彥烏拉巖芯標(biāo)本

圖4 巴彥烏拉賽漢組砂巖顯微鏡下特征

掃描電鏡結(jié)果(圖5)顯示:正長(zhǎng)石為2～5 μm,以分散形式不完全充填在顆粒間空隙中,可能為成巖期間自生形成(圖5a);斜長(zhǎng)石貼附于顆粒表面(圖5b);黃鐵礦作為重要的鐵質(zhì)礦物之一,其在鈾儲(chǔ)層的砂體中的分布特征能在一定程度上指示鈾的活化、遷移和富集規(guī)律(樂(lè)亮,2021)。膠狀黃鐵礦以氧化鐵膜形式吸附在石英顆粒表面或鑲嵌進(jìn)長(zhǎng)石(圖5c);他形黃鐵礦被較小的莓球狀集合體黃鐵礦包圍(圖5d);黃鐵礦具有自形、半自形、莓球狀、膠狀等,充填在石英與長(zhǎng)石的孔隙中,其他礦物主要為炭屑,常保留較好植物細(xì)胞的形狀,粒徑較大,為50 ～70 μm,常見(jiàn)炭屑周圍一般被長(zhǎng)石包圍,長(zhǎng)石吸附鐵、金等元素(圖5e);鈾礦物以自形鑲嵌在石英中,為樣品中鈾礦物常見(jiàn)存在形式(圖5f)。

3 地球化學(xué)特征

3.1 主量元素

本次樣品全巖主量元素分析測(cè)試結(jié)果如表1所示,全巖主量元素以SiO2、Al2O3為主,其中SiO2含量為57.62%～79.86%(平均74.41%),Al2O3含量為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%。相對(duì)于前人總結(jié)的沉積巖平均化學(xué)成分和大陸上地殼主量元素成分估值(許國(guó)強(qiáng)等,2022;張宏飛等,2012),巴彥烏拉賽漢組砂巖樣品SiO2含量相對(duì)較高,且變化較大,主要與硅質(zhì)碎屑含量有關(guān);P2O5、CaO含量較低,主要由于生物碎屑和碳酸鹽膠結(jié)物含量低;Al2O3、Na2O、K2O、MnO含量與沉積巖平均化學(xué)成分和大陸上地殼主量元素成分估值接近,主要由于黏土礦物含量區(qū)別不大。

表1 巴彥烏拉賽漢組砂巖主量和微量元素分析結(jié)果

3.2 微量元素

沉積巖的微量元素對(duì)沉積環(huán)境的變化有著較高的靈敏度,是研究古沉積環(huán)境以及古氣候的一種有效手段(許國(guó)強(qiáng)等,2022)。巴彥烏拉鈾礦床賽漢組砂巖全巖微量元素含量和特征元素比值見(jiàn)表1。砂巖樣品中V的含量為13.66×10-6～112.70×10-6(平均40.15×10-6),Co含量為37.31×10-6～169.11×10-6(平均84.38×10-6),Ni含量為17.66×10-6～125.39×10-6(平均40.16×10-6),Cu含量為2.52×10-6～55.59×10-6(平均14.05×10-6),Sr含量為42.82×10-6～110.65×10-6(平均70.20×10-6),Th的含量為2.86×10-6～13.86×10-6(平均5.97×10-6),U含量為3.83×10-6～224.83×10-6(平均65.47×10-6)。研究區(qū)古鹽度判斷值n(Sr)/n(Ba)為0.08～0.46(譚聰?shù)?2019);沉積物氧化-還原環(huán)境判斷值n(V)/n(V+Ni)為0.21～0.73(Algeo et al., 2004);研究區(qū)古氣候判斷值n(Sr)/n(Cu)為1.42～24.45(Hatch et al.,1992;Algeo et al.,2004)。以中國(guó)沉積巖標(biāo)準(zhǔn)化處理后(黎彤,1994)(圖6),表現(xiàn)為富集Be、Co、Mo、U,虧損Sc、V、Sr、Cu。

圖6 內(nèi)蒙古巴彥烏拉鈾礦床圍巖、礦化砂巖和礦石的北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖及中國(guó)沉積巖微量元素標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(黎彤,1994; Gromet et al.,1984)

3.3 稀土元素

從賽漢組樣品的稀土元素測(cè)試結(jié)果(表1)可以看出,稀土元素總量(REE)為54.37×10-6～170.72×10-6(平均95.42×10-6);LREE含量為48.23×10-6～149.16×10-6(平均84.40×10-6)變化較大,HREE含量為6.14×10-6～21.56×10-6(平均11.03×10-6)。LREE/HREE為5.67～9.37(平均7.84),n(La)/n(Yb)平均值為1.02,具有明顯的輕稀土富集、重稀土虧損的特征(圖6)。δEu分布在0.79～1.24(平均1.00),顯示微弱的Eu負(fù)異常,δCe分布在0.71～1.29(平均1.02),顯示微弱的Ce正異常。樣品稀土元素北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化分布模式圖整體趨勢(shì)較為平緩,總體顯示輕稀土和重稀土分配不明顯,大部分樣品未見(jiàn)Eu異常(圖6)。所有樣品的稀土元素分布模式相近,趨勢(shì)線相似,說(shuō)明成巖期間物源一致,源區(qū)供應(yīng)穩(wěn)定。

4 討論

4.1 研究區(qū)古鹽度環(huán)境分析

古鹽度是地質(zhì)歷史時(shí)期環(huán)境變化的重要標(biāo)志,元素地球化學(xué)可以為古鹽度的判別提供指標(biāo)(Walker et al.,1963;Couch,1971;李研等,2021;馬萬(wàn)里等,2021)。微量元素Sr與Ba具有相近的化學(xué)性質(zhì),隨著沉積水鹽度的增加,Ba將首先以碳酸鹽和硫酸鹽的形式沉淀,當(dāng)鹽度繼續(xù)增加時(shí),Sr將沉淀(馮興雷等,2018;徐崇凱等,2018;李文博等,2019)。并且據(jù)前人總結(jié)可知,當(dāng)n(Sr)/n(Ba)>1時(shí)指示沉積水體為咸水,當(dāng)n(Sr)/n(Ba)<1時(shí)指示為淡水沉積環(huán)境(譚聰?shù)?2019)。微量元素B含量主要受沉積環(huán)境鹽度影響,因此B含量可用于判斷沉積環(huán)境古鹽度(沈文超等,2022)。焦養(yǎng)泉等(2004)在吐哈盆地西南緣砂巖型鈾礦床的研究實(shí)例證明了此法的可行性與準(zhǔn)確性。一般淡水環(huán)境B含量小于60.00×10-6,咸水環(huán)境B含量大于80.00×10-6(張?zhí)旄５?2016)。

本次選取部分特征微量元素比值來(lái)反映巴彥烏拉賽漢組古鹽度變化。本次研究樣品B含量為8.04×10-6～195.43×10-6,平均25.14×10-6,絕大多數(shù)低于60.00×10-6,并且變化范圍集中,表現(xiàn)出淡水沉積環(huán)境。n(Sr)/n(Ba)值為0.08～0.46,平均0.16,進(jìn)一步指示沉積時(shí)為淡水沉積環(huán)境。本次所測(cè)樣品B含量和n(Sr)/n(Ba)比值均指示賽漢組砂巖沉積時(shí)古鹽度較低,屬于淡水環(huán)境。此類沉積條件多為潮濕溫?zé)岘h(huán)境,有利于形成有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦等還原劑,而其對(duì)鈾具有較強(qiáng)的還原和吸附作用,為地層鈾預(yù)富集提供了良好的環(huán)境(李紅梅等,2021)。

4.2 研究區(qū)氧化-還原環(huán)境分析

沉積物中的氧化-還原環(huán)境可依據(jù)易受氧化-還原控制的元素及其比值判別,目前常用地球化學(xué)指標(biāo)包括n(V)/n(V+Ni)、δU的值以及其他氧化-還原敏感元素含量(Hatch et al.,1992;Algeo et al.,2004;Francois,1988;張?zhí)旄５?2016)。前人研究認(rèn)為n(V)/n(V+Ni)比值較高是由于Ni在氧化性環(huán)境中以Ni2+、NiCl+和可溶性NiCO3的形式存在,并與有機(jī)物形成絡(luò)合物,在還原性環(huán)境的沉積物中富集,并且該比值也常用于指示沉積物沉積時(shí)底層水體的分層強(qiáng)弱(Hatch et al.,1992;Algeo et al.,2004)。n(V)/n(V+Ni)比值為0.40～0.60時(shí),指示分層弱的貧氧環(huán)境;為0.60～0.84時(shí),指示分層中等的缺氧環(huán)境;大于0.84時(shí),指示分層強(qiáng)及底層水體出現(xiàn)H2S的厭氧環(huán)境。U在還原環(huán)境溶解度低,而在氧化環(huán)境易被氧化遷移,導(dǎo)致沉積物中U的缺失;無(wú)論是還原環(huán)境還是氧化環(huán)境,Th元素的溶解度都不高,容易富集在沉積物中,因此其可用于判斷沉積巖的氧化-還原環(huán)境(陸雨詩(shī)等,2021)。根據(jù)δU=n(U)/(0.5×(n(Th)/3+n(U)))進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)δU>1.00,表明為缺氧環(huán)境;若δU<1.00,則為正常水體(騰格爾等,2005)。陸雨詩(shī)等(2021)在鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組的研究實(shí)例證明了此法可行性。前人研究認(rèn)為,U、V、Co、Ni、Mo等微量元素在氧化環(huán)境中易溶,還原環(huán)境中溶解度較低,并且一旦發(fā)生沉積,就很難再發(fā)生遷移,所以它們能夠指示沉積時(shí)的原始記錄(Francois,1988;張?zhí)旄５?2016)。

本次選取n(V)/n(V+Ni)、δU以及氧化-還原敏感元素含量來(lái)反映巴彥烏拉賽漢組沉積時(shí)古水體氧化-還原環(huán)境。巴彥烏拉賽漢組砂巖n(V)/n(V+Ni)比值為0.21～0.73,平均為0.48,大部分介于0.40～0.84,比值變化范圍不大,表現(xiàn)為分層中等的氧化-還原環(huán)境。δU值為1.28～1.99,平均為1.85,指示為還原環(huán)境。樣品中的氧化還原敏感元素U、Mo相對(duì)富集,微量元素比值和樣品特征綜合表明賽漢組砂巖沉積期水體缺氧,處于還原環(huán)境。因此通過(guò)對(duì)n(V)/n(V+Ni)、δU、氧化還原敏感元素U、Mo富集程度和樣品特征綜合判斷,認(rèn)為賽漢組砂巖沉積時(shí)古水體整體處于還原環(huán)境。

4.3 研究區(qū)古氣候環(huán)境分析

沉積物中元素的含量和組成是沉積期古氣候演化過(guò)程的良好記錄,因此在恢復(fù)古氣候環(huán)境時(shí),可以利用敏感元素的變化特征來(lái)反演古氣候演變過(guò)程(吳賽賽等,2016;于健等,2015)。Sr是喜干元素的典型代表,Cu是一種喜濕元素,沉積物中Sr含量高表示氣候干燥,Sr含量低表示氣候潮濕,因此n(Sr)/n(Cu)值可用作確定氣候溫度和濕度的標(biāo)準(zhǔn)(劉剛等,2007)。根據(jù)前人總結(jié),n(Sr)/n(Cu)大于5.00時(shí),指示為干旱氣候,Sr值介于1.30～5.00時(shí),指示溫濕氣候(冀華麗等,2022)。沉積巖中w(SiO2)/w(Al2O3)也能反映沉積時(shí)的氣候特點(diǎn),當(dāng)w(SiO2)/w(Al2O3)小于4.00時(shí),指示氣候潮濕,大于4.00時(shí)指示氣候干燥(張威等,2007)。

本次選取n(Sr)/n(Cu)、w(SiO2)/w(Al2O3)值來(lái)反映巴彥烏拉賽漢組沉積時(shí)的古氣候。巴彥烏拉鈾礦床賽漢組n(Sr)/n(Cu)值為1.42～24.45,平均值為9.66,指示沉積時(shí)總體環(huán)境為干熱氣候。w(SiO2)/w(Al2O3)值為3.03～8.24,16個(gè)樣品大于4,平均值為6.58,進(jìn)一步指示沉積時(shí)總體環(huán)境偏向干熱氣候。上述分析可以表明,賽漢組砂巖沉積末期氣候相對(duì)干熱,干熱氣候環(huán)境中的植被不發(fā)育,長(zhǎng)期受到氧化,地表水有機(jī)碳沉積量極低,有助于源區(qū)鈾的遷移及地表水對(duì)預(yù)富集的鈾淋濾(湯超等,2021)。

4.4 研究區(qū)賽漢組沉積環(huán)境與鈾成礦作用

前人研究認(rèn)為內(nèi)蒙古巴彥烏拉鈾礦床主要產(chǎn)于下白堊統(tǒng)賽漢組上段,沉積期經(jīng)歷了溫暖潮濕-干旱的時(shí)期,賽漢組下段沉積期氣候溫暖潮濕,湖泊廣布,植被茂盛,形成了一套含煤及大量植物碎屑的地層,為鈾成礦提供了豐富的還原介質(zhì),其頂部發(fā)育的湖相泥巖,構(gòu)成含礦層的隔水底板,為含鈾層提供了重要的氧化-還原地球條件(彭云彪等,2018)。此外,巴彥烏拉賽漢組砂巖磨圓度低,分選性較差,說(shuō)明為近源堆積,指示物源主要來(lái)自近源的巖漿巖或變質(zhì)巖系。賽漢組砂巖上段沉積末期氣候相對(duì)干熱,水體處于缺氧的還原環(huán)境,有助于源區(qū)鈾的遷移及地表水對(duì)預(yù)富集的鈾淋濾,為內(nèi)蒙古巴彥烏拉鈾礦床的成礦作用提供了重要條件。

5 結(jié)論

(1)內(nèi)蒙古巴彥烏拉鈾礦床賽漢組砂巖微量元素B含量與n(Sr)/n(Ba)值,指示沉積期初期環(huán)境為淡水環(huán)境,氣候溫暖潮濕,有利于黃鐵礦和有機(jī)質(zhì)的形成,為地層預(yù)鈾富集提供良好的環(huán)境。

(2)內(nèi)蒙古巴彥烏拉鈾礦床賽漢組砂巖n(V)/n(V+Ni)、δU值及氧化-還原環(huán)境敏感元素U和Mo的富集,指示沉積時(shí)水體中含氧量低,處于還原環(huán)境。

(3)內(nèi)蒙古巴彥烏拉鈾礦床賽漢組砂巖n(Sr)/n(Cu)和w(SiO2)/w(Al2O3)值綜合指示沉積末期時(shí)處于干熱氣候,有利于源區(qū)鈾的活化遷移和含氧含鈾流體的形成,為內(nèi)蒙古巴彥烏拉鈾礦床的成礦作用提供了重要條件。