楊 燁

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院,北京 100029;2.中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)

新疆準(zhǔn)噶爾盆地東緣卡姆斯特地區(qū)為中國(guó)北方砂巖型鈾礦找礦的熱點(diǎn)區(qū)域,中上侏羅統(tǒng)石樹溝群為該區(qū)砂巖型鈾礦重點(diǎn)找礦層位。近年來(lái)有學(xué)者從地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、巖性、巖相、地貌、水文地質(zhì)、古氣候環(huán)境等方面對(duì)石樹溝群進(jìn)行了研究,認(rèn)為該地層砂巖型鈾成礦條件好(金若時(shí)等,2014;王果等,2016;楊燁等,2016;孫瀟等,2019;杜杰等,2017;冀華麗等,2021;劉明等,2021),但針對(duì)石樹溝群物源的研究偏少。

鈾是大離子親石元素,傾向于在酸性巖中富集。砂巖型鈾礦賦礦層源巖性質(zhì)與鈾成礦關(guān)系密切,酸性源巖有利于沉積地層中鈾的預(yù)富集,沉積之后亦為鈾成礦提供有利的鈾源,所以沉積源巖為酸性巖是砂巖型鈾成礦有利的判別標(biāo)志之一。沉積巖記錄著源區(qū)物質(zhì)成分、構(gòu)造環(huán)境等豐富且重要的信息(龍曉平等,2008;楊仁超等,2013;張賓等,2020;王海濤,2022)。沉積巖的地球化學(xué)特征是追蹤沉積物源類型、恢復(fù)和重建古構(gòu)造背景的重要指標(biāo)(杜遠(yuǎn)生等,2006;Nance et al., 1976;石威科等,2020;劉成東等,2023)。筆者通過(guò)研究卡姆斯特地區(qū)中上侏羅統(tǒng)石樹溝群下段砂巖的物質(zhì)成分、元素地球化學(xué)特征,揭示其沉積物質(zhì)源巖類型及形成環(huán)境,探討其對(duì)砂巖型鈾成礦的影響,為進(jìn)一步研究卡姆斯特地區(qū)砂巖型鈾成礦條件提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于喀拉薩依單斜帶東端部位,緊鄰卡拉麥里造山帶,北部出露泥盆系火山巖,局部為石炭紀(jì)、志留紀(jì)酸性侵入巖;東部出露卡拉麥里石炭紀(jì)花崗巖,石炭系變質(zhì)碎屑巖、火山巖;南部出露泥盆系火山巖,局部為石炭紀(jì)酸性侵入巖?？_依單斜帶位于克拉美麗山以北,喀拉薩依斷裂以南,東西走向,長(zhǎng)約50 km,寬為15～18 km,面積約850 km2(王學(xué)斌等,2014),如圖1所示。喀拉薩依單斜帶南高北低,東高西低,地表坡度平均為1°。底部?jī)A角平均為1°～2.5°,地層由南向北加厚,表現(xiàn)為緩傾的單斜構(gòu)造,為砂巖型鈾成礦有利的構(gòu)造單元?？_依斷裂為逆沖斷裂,傾向北,傾角為47°,長(zhǎng)度為47 km,最大斷距為1 km,斷開層位為三疊系和侏羅系,該斷裂是喀拉薩依單斜帶區(qū)域性地下水排泄構(gòu)造。研究區(qū)沉積蓋層為侏羅系、新近系、第四系,具體描述見圖2,其中侏羅系石樹溝群和西山窯組分別為主要賦鈾層和鈾礦化層。

圖2 研究區(qū)綜合柱狀圖Fig.2 Generalized column of the study area

2 樣品采集及分析

筆者采集了28件砂巖樣品和23件物源區(qū)樣品。其中砂巖樣品采自卡姆斯特地區(qū)ZK-1、ZK-2、ZK-3鉆孔(圖1)中上侏羅統(tǒng)石樹溝群下段(圖2)新鮮無(wú)污染的巖芯,采樣深度為465～770 m。物源區(qū)樣品采自卡拉麥里造山帶地表露頭,采樣位置見圖1,樣品為新鮮或風(fēng)化程度弱的中酸性巖漿巖?；瘜W(xué)分析在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究中心完成。常量元素使用荷蘭Philips公司生產(chǎn)的PW2404型號(hào)X射線熒光光譜儀測(cè)定,精度優(yōu)于5%。微量元素使用Finnigan-MAT公司生產(chǎn)的ELEMENT XR型號(hào)高分辨電感耦合等離子質(zhì)譜儀(HR-ICP-MS)測(cè)定,精度優(yōu)于10%。

3 源巖分析

研究區(qū)石樹溝群下段為溫暖濕潤(rùn)氣候下近物源的辮狀河-辮狀河三角洲相粗碎屑沉積,表明碎屑沒(méi)有經(jīng)歷長(zhǎng)期、長(zhǎng)距離的搬運(yùn)和分選。通過(guò)對(duì)石樹溝群砂巖鏡下鑒定,砂巖碎屑顆粒中石英含量為33%～60%,長(zhǎng)石含量為8%～14%,巖屑含量為30%～55%,雜基含量為3%～10%,膠結(jié)物含量為1%～4%。碎屑分選差-中等,磨圓度差,呈棱角-次棱角狀,顆粒支撐,孔隙式膠結(jié)(圖3a)。長(zhǎng)石以條紋長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石為主,其中斜長(zhǎng)石常見聚片雙晶。巖屑以花崗巖巖屑、酸性火山巖巖屑、脈石英巖屑、云母為主,見少量板巖巖屑、泥巖巖屑、燧石(圖3b)。雜基主要為黏土礦物,以高嶺石、蒙皂石為主,其次為伊利石及綠泥石。膠結(jié)物主要為碳酸鹽及少量沸石。砂巖成巖固結(jié)作用較弱,巖石較為疏松。砂巖巖屑含量高,巖屑成分復(fù)雜,成分成熟度低,以巖屑砂巖為主,為近物源的沉積,搬運(yùn)距離近,分選作用弱,碎屑特征能反映其源區(qū)的性質(zhì)。

圖3 研究區(qū)石樹溝群砂巖顯微鏡下照片F(xiàn)ig.3 Microscope images of sandstones of Shishugou group in the study area

砂巖SiO2含量為64.32%～74.02%,ω(SiO2)/ω(Al2O3)值為4.19～6.29(表1),反映砂巖成分成熟度低,為近物源沉積,這與顯微鏡下薄片鑒定結(jié)果一致。將樣品投于ω(Al2O3)-ω(CaO+Na2O)-ω(K2O)三角圖中(圖4),樣品整體呈現(xiàn)出與ω(Al2O3)-ω(CaO+Na2O)邊界平行的趨勢(shì),顯示砂巖成分的主要控制因素為風(fēng)化作用,沉積期后的成巖作用對(duì)砂巖化學(xué)成分影響小(McLennan et al., 1993)。

表1 卡姆斯特地區(qū)石樹溝群砂巖常量元素含量

圖4 ω(Al2O3)-ω(Cao+Na2O)-ω(K2O)圖解Fig.4 Ternary diagram of ω(Al2O3)-ω(CaO+Na2O)-ω(K2O)

研究區(qū)石樹溝群砂巖微量元素含量(表2)和上地殼標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖5)顯示Cs、U、Cr、Hf富集,Nb、Ta、Th虧損,表明沉積母巖為富鈾巖石。

圖5 研究區(qū)石樹溝群砂巖微量元素上地殼標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(Taylor et al., 1985)Fig.5 Upper crust normalized trace element spider diagrams of sandstones from Shishugou group in the study area

稀土元素具有不可溶性,在風(fēng)化、搬運(yùn)過(guò)程中呈顆粒搬運(yùn),受沉積環(huán)境、成巖作用等影響小,所以碎屑巖中的稀土元素含量及特征主要受控于源區(qū)巖石成分,因此稀土元素可用于反應(yīng)物源及源區(qū)構(gòu)造背景(Fleet, 1984;McLennan, 1989)。沉積巖對(duì)其源巖的稀土元素具有強(qiáng)繼承性,稀土元素中的Eu異常程度是示蹤沉積物源的重要參數(shù)。源自上地殼的稀土元素具有輕稀土富集、重稀土含量穩(wěn)定、Eu負(fù)異常明顯的特點(diǎn)(Shao et al., 2001)。長(zhǎng)英質(zhì)巖具有高LREE/HREE值、Eu負(fù)異常明顯的特點(diǎn);鐵鎂質(zhì)巖具有低LREE/HREE值、Eu弱負(fù)異?；驘o(wú)異常特點(diǎn)(Cullers, 2000)。若沉積源巖為花崗巖,則沉積巖具Eu負(fù)異常;若沉積源巖為玄武巖,沉積巖具Eu無(wú)負(fù)異常(劉英俊等,1987)。

將28件砂巖稀土元素含量用球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化,稀土元素配分曲線整體形態(tài)相似,只是隨含量變化平行上下移動(dòng),顯示沉積物具有同源性(表3,圖6a)。稀土元素配分模式呈向右傾斜模式,LREE/HREE值為5.51～9.33,平均值為7.42;LaN/YbN值為4.50～8.51,平均值為6.43;輕稀土富集,重稀土虧損;δEu值為0.16～0.76,平均值為0.60,Eu具負(fù)異常,顯示沉積源巖為花崗巖或長(zhǎng)英質(zhì)巖。在ω(La/Yb)-∑REE源巖判別圖解中(圖7),樣品落在花崗巖和沉積巖兩種巖性交匯區(qū)及沉積巖區(qū),顯示沉積源巖為花崗巖和沉積巖。

圖6 研究區(qū)石樹溝群砂巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖(Taylor et al., 1985)Fig.6 Chondrite normalized REE patterns of sandstones from Shishugou group in the study area

圖7 ω(La/Yb)-∑REE源巖判別圖解Fig.7 Source rock discrimination diagram of ω(La/Yb)-∑REE

將23件物源區(qū)樣品稀土元素含量用球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化,稀土元素配分模式整體呈右傾模式(表3,圖6b),LREE/HREE值為2.04～11.44,平均值為5.82;LaN/YbN值為1.09～16.91,平均值為5.34;輕稀土富集,重稀土虧損;δEu值范圍為0.01～1.13,平均值為0.47,除樣品Y10具有弱的正異常,其他均為負(fù)異常?？梢钥闯?研究區(qū)砂巖與物源區(qū)的稀土元素配分特征具有較好的相似性,沉積物源主要來(lái)自卡拉麥里造山帶。碎屑巖中K、Rb能反映沉積物源區(qū)特征(Floyd et al., 1989),在ω(K2O)-ω(Rb)源巖判別圖解中(圖8a),樣品ω(K/Rb)值集中,均落在中酸性巖區(qū)域,顯示石樹溝群沉積物主要來(lái)源于中酸性巖。在ω(Co/Th)-ω(La/Sc)源巖判別圖解中(圖8b),樣品多數(shù)落在長(zhǎng)英質(zhì)火山巖與安山巖之間,有3個(gè)樣品落在花崗巖附近區(qū)域,顯示沉積物源以長(zhǎng)英質(zhì)火山巖為主,部分為花崗巖。在ω(TiO2)-ω(Ni)源巖判別圖解中(圖8c),多數(shù)樣品落在酸性巖區(qū)域,3個(gè)樣品落在酸性巖區(qū)域外,顯示沉積物源以酸性巖為主。在ω(La/Th)-ω(Hf)源巖判別圖解中(圖8d),多數(shù)樣品落在長(zhǎng)英質(zhì)源和混合長(zhǎng)英質(zhì)/基性源區(qū)域,2個(gè)樣品落在上地殼區(qū)域,2個(gè)樣品落在增加古老沉積物成分區(qū)域,顯示沉積物源巖以長(zhǎng)英質(zhì)巖為主,部分為古老沉積物。砂巖巖相學(xué)特征、常微量元素特征及各源巖判別圖解特征顯示,沉積源巖以花崗巖、酸性火山巖為主,部分源巖可能為古老沉積物。

圖8 源巖判別圖解Fig.8 Source rock discrimination diagrams

4 源巖構(gòu)造背景

運(yùn)用構(gòu)造背景圖解對(duì)研究區(qū)28件砂巖樣品進(jìn)行源巖構(gòu)造背景判別(圖9)。如圖9所示,在ω(F1)-ω(F2)構(gòu)造環(huán)境判別圖解中(圖9a),樣品落在大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣區(qū),指示石樹溝群源巖的構(gòu)造背景與大陸島弧-大陸邊緣有關(guān)。在ω(Al2O3/SiO2)-ω(TFe2O3+MgO)構(gòu)造環(huán)境判別圖解中(圖9b),多數(shù)樣品落在活動(dòng)大陸邊緣區(qū),部分落在大陸島弧區(qū),指示石樹溝群源巖的構(gòu)造背景與活動(dòng)大陸邊緣有關(guān),部分與大陸島弧有關(guān)。在ω(TiO2)-ω(TFe2O3+MgO)構(gòu)造環(huán)境判別圖解中(圖9c),多數(shù)樣品落在活動(dòng)大陸邊緣區(qū),部分樣品落在大陸島弧區(qū),個(gè)別樣品落在活動(dòng)大陸邊緣上方區(qū)域,指示石樹溝群源巖的構(gòu)造背景與活動(dòng)大陸邊緣有關(guān),部分與大陸島弧有關(guān)。在ω(Zr)-ω(Th)構(gòu)造環(huán)境圖解中(圖9d),多數(shù)樣品落在大陸島弧區(qū),2個(gè)樣品落在活動(dòng)大陸邊緣區(qū),1個(gè)樣品落在被動(dòng)大陸邊緣區(qū),指示石樹溝組源巖的構(gòu)造背景與大陸島弧有關(guān),部分與活動(dòng)大陸邊緣有關(guān)。上述構(gòu)造背景判別圖解特征顯示,石樹溝群源巖的構(gòu)造背景為活動(dòng)大陸邊緣-大陸島弧,與古生代準(zhǔn)噶爾地塊與西伯利亞板塊的俯沖、碰撞,以及卡拉麥里造山活動(dòng)相關(guān),在板塊俯沖碰撞過(guò)程中,形成的古生代巖漿巖中富集了鈾。

圖9 源巖構(gòu)造背景判別圖解Fig.9 Tectonic setting discrimination diagrams of source rocks

5 結(jié)論

(1)卡姆斯特地區(qū)石樹溝群砂巖以巖屑砂巖為主,成分及結(jié)構(gòu)成熟度低,為近物源沉積,未經(jīng)歷高度分選,成巖作用對(duì)化學(xué)成分影響弱,其地球化學(xué)特征能夠指示源特征。

(2)石樹溝群砂巖具Cs、U、Cr、Hf富集,Nb、Ta、Th虧損的特點(diǎn);其輕稀土富集、重稀土虧損、Eu具負(fù)異常,稀土元素特征與卡拉麥里造山帶中酸性巖漿巖具有相似性。

(3)砂巖源巖判別顯示其母巖主要為中酸性巖漿巖,指示卡姆斯特地區(qū)石樹溝群砂巖的沉積母巖主要來(lái)自卡拉麥里造山帶的富鈾中酸性巖漿巖;富鈾母巖為砂巖型鈾成礦提供物質(zhì)來(lái)源。