東勝地區(qū)直羅組含鈾砂巖中方解石的碳氧同位素組成及鈾成礦意義

湯 超，司馬獻(xiàn)章，朱強(qiáng)，馮曉曦，陳 印，陳路路，劉曉雪

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心（天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所），天津300061

東勝地區(qū)直羅組含鈾砂巖中方解石的碳氧同位素組成及鈾成礦意義

湯 超，司馬獻(xiàn)章，朱強(qiáng)，馮曉曦，陳 印，陳路路，劉曉雪

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心（天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所），天津300061

方解石是東勝地區(qū)直羅組含鈾砂巖中重要的膠結(jié)物類型，同時(shí)碳酸鹽化與鈾成礦作用關(guān)系密切。通過(guò)方解石膠結(jié)物巖石學(xué)、礦物學(xué)、碳氧同位素分析，研究了含鈾砂巖中方解石碳氧同位素組成、沉淀機(jī)制及鈾成礦意義。研究表明，東勝地區(qū)砂巖類型為長(zhǎng)石巖屑砂巖、巖屑砂巖和石英砂巖，粘土礦物主要由蒙皂石、伊利石、高嶺石和綠泥石組成，方解石類型以含鐵礦方解石為主，其次為鐵方解石。方解石δ13CPDB為-15.7‰～-1.6‰，平均-9.08‰，δ18OPDB為-15.6‰～-10‰，平均-12.4‰，顯示其形成與有機(jī)酸脫羧作用有關(guān)，碳來(lái)源為有機(jī)碳。碳氧同位素分析數(shù)據(jù)計(jì)算表明，與方解石平衡的水相氧同位素組成變化范圍較寬，為-7.66‰～9.71‰，推測(cè)較輕的同位素組成具有封存大氣降水的特征，而較重同位素組成則反映成巖成礦過(guò)程中深部富含油氣低溫?zé)崃黧w的加入。綜合分析認(rèn)為，東勝地區(qū)直羅組砂巖中方解石是地表水和深部油氣共同作用的結(jié)果：早期有機(jī)酸促使長(zhǎng)石類骨架顆粒溶蝕，形成石英顆粒次生加大邊，并伴隨著自生高嶺石沉淀；后期隨著大量烴類注入砂巖中，成巖成礦環(huán)境由酸性向堿性轉(zhuǎn)變，還原性增強(qiáng)，介質(zhì)水中的CO2與Ca2+及Fe2+結(jié)合形成含鐵為特征的方解石，沉淀在原生粒間孔和各類次生溶蝕孔隙中。整個(gè)過(guò)程都伴隨有鈾元素運(yùn)移和沉淀，暗示東勝鈾礦床是地表水和深部油氣混合作用形成的。

方解石膠結(jié)物；碳氧同位素；成巖成礦環(huán)境；古流體；東勝地區(qū)

碳酸鹽膠結(jié)物是砂巖中較為重要的膠結(jié)物類型，也是巖石在成巖過(guò)程中與流體相互作用的產(chǎn)物，具有分布普遍性、形成多期性、成因多樣性的特點(diǎn)（Carlos etal.,2001）。碳酸鹽充填裂縫和孔隙，影響砂巖滲透性，對(duì)鈾成礦作用產(chǎn)生重要影響。不同的成巖環(huán)境下形成的碳酸鹽膠結(jié)物的碳氧同位素組成不一樣，對(duì)成巖過(guò)程中流體具有示蹤意義，特別是膠結(jié)物中碳同位素組成可以指示成巖流體中碳的來(lái)源（陳榮坤，1994；胡宗全，2003；劉德良等，2007；Morad et al.,1990;Macaulay et al.,1993;Fayek et al.，2001）。此外，碳酸鹽膠結(jié)物的化學(xué)性質(zhì)活潑，對(duì)孔隙流體的酸堿性異常敏感，極易發(fā)生溶解-沉淀-再溶解-再沉淀，是成巖環(huán)境酸堿度變化的良好礦物指示計(jì)。因此，碳酸鹽膠結(jié)物中碳氧同位素組成可為判斷其形成時(shí)的地球化學(xué)環(huán)境特征和物質(zhì)來(lái)源等提供重要信息，進(jìn)而有助于闡明成巖過(guò)程中流體-巖石相互作用、流體演化等地質(zhì)問題（Chowdhury and Noble,1996;王琪等，2010）。

鄂爾多斯盆地東北部東勝地區(qū)是砂巖型鈾礦的重要礦集區(qū)，相繼發(fā)現(xiàn)了皂火壕、孫家梁、納嶺溝、大營(yíng)等大型-超大型鈾礦床，已成為我國(guó)新的鈾資源基地。中侏羅統(tǒng)直羅組是本區(qū)主要含鈾目的層。筆者在野外巖芯觀察發(fā)現(xiàn)，該區(qū)直羅組砂巖中含有大量的碳酸鹽膠結(jié)物，部分鈾含量高的地段碳酸鹽含量也較高，同時(shí)也注意到部分碳酸鹽含量高的地段無(wú)鈾礦體產(chǎn)出、而部分無(wú)碳酸鹽含量的地段產(chǎn)出鈾礦體的現(xiàn)象。前人研究也發(fā)現(xiàn)在成礦過(guò)程中方解石與鈾礦物的沉淀有關(guān)（楊曉勇等，2007；易超等，2014；馮喬等，2016）。因而查明碳酸鹽膠結(jié)物成因機(jī)理，探討其與鈾成礦作用的關(guān)系，是十分必要的。本文以含鈾砂巖中方解石膠結(jié)物為研究對(duì)象，利用巖石學(xué)和地球化學(xué)等研究方法探討方解石膠結(jié)物碳氧同位素組成及成因，為成巖流體演化及砂巖型鈾礦成礦地球化學(xué)研究提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺(tái)西部，由不同時(shí)期（Mz/Pz2/Pz1）多個(gè)大型盆地疊加、復(fù)合而成，是典型的克拉通邊緣多重疊合型盆地（劉池洋，2006）。盆地由結(jié)晶基底、地臺(tái)沉積蓋層及中生代沉積蓋層組成。結(jié)晶基底由太古界及下元古界變質(zhì)巖系組成；地臺(tái)沉積蓋層由中元古界和古生界寒武系（∈）、奧陶系（O）、上石炭系（C2）、二疊系（P）組成，下古生界發(fā)育一套以碳酸鹽巖為主的淺海相沉積，上古生界以暗色泥巖及砂巖為主夾煤層，富含油氣；中生代沉積蓋層有中新生界三疊系（T）、侏羅系（J）、白堊系下統(tǒng)（K1）、古近系漸新統(tǒng)（E3）、新近系上新統(tǒng)（N2）及第四系（Q），其中三疊系、侏羅系和白堊系是盆地沉積蓋層的主體。盆地自燕山期以來(lái)劃分為伊盟隆起、西緣逆沖帶、天環(huán)向斜、伊陜斜坡、晉西撓褶帶及渭北隆起6個(gè)構(gòu)造單元。

東勝地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部，構(gòu)造上處于伊盟隆起區(qū)（圖1a），區(qū)內(nèi)出露的地層有侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組和白堊系下統(tǒng)伊金霍洛組、東勝組，其中直羅組是本內(nèi)主要含礦層。延安組為一套以河湖三角洲相為主的沉積地層，主要為一套暗色砂巖、泥巖與頁(yè)巖互層，發(fā)育穩(wěn)定的煤層，含有豐富的動(dòng)植物化石和有機(jī)質(zhì)。直羅組可分為下段及上段，下段以原生灰色碎屑巖建造為主，河流相砂體發(fā)育，上段為一套原生紅色碎屑巖建造，以洪泛沉積為主，砂體相對(duì)不發(fā)育。直羅組下段又分為上、下兩個(gè)亞段，下亞段巖性為灰色、淺灰色、灰綠色砂巖夾泥巖，砂體中富含炭屑、黃鐵礦等還原介質(zhì)，該層位是區(qū)內(nèi)最主要的含礦層；上亞段巖性以灰綠色、淺灰色中細(xì)砂巖為主，夾淺綠色、褐紅色泥巖、粉砂巖，局部地段見炭屑、黃鐵礦等還原介質(zhì)，是區(qū)內(nèi)次要含礦層（圖1b）。鈾礦化產(chǎn)于層間氧化還原帶前鋒線附近，鈾礦體或礦化體主要呈板狀、卷狀、透鏡狀，鈾礦物以鈾石為主，少量為瀝青鈾礦和鈦鈾礦（肖新建等，2004；苗愛生等，2010）。鈾礦化的U-Pb等時(shí)線年齡主要集中在177～149Ma（中-晚侏羅世）、124～107Ma（早白堊世）、85～74Ma（晚白堊世）和20～8Ma（中新世），顯示鈾礦化經(jīng)歷了長(zhǎng)期的成礦作用（夏毓亮等，2003；劉漢彬等，2007）。

圖1 東勝地區(qū)構(gòu)造位置（a，據(jù)王毅等，2014）和地層結(jié)構(gòu)模式（b，據(jù)焦養(yǎng)泉等，2005）Fig.1 Tectonic settingand thegeneralized stratigraphy in Dongshengarea

2 樣品與方法

在本區(qū)3個(gè)鈾礦工業(yè)鉆孔巖芯中共采集43件樣品，樣品分布在直羅組下段下亞段（J2z1-1）含礦層及其附近圍巖，巖性為砂巖。首先，通過(guò)偏光顯微鏡及X射線衍射分析對(duì)樣品進(jìn)行巖石學(xué)和礦物學(xué)的研究。為識(shí)別碳酸鹽礦物，對(duì)其中3件樣品進(jìn)行了電子探針測(cè)試。優(yōu)選28件具有代表性的樣品進(jìn)行了碳氧同位素分析測(cè)試。

樣品X射線衍射定量分析在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究所完成，測(cè)試儀器型號(hào)為PanalyticalX’Pert PROMPD。電子探針分析在天津地質(zhì)調(diào)查中心完成，儀器型號(hào)為EPMA1600，測(cè)試條件：加速電壓15 kV，束流20 nA，束斑直徑最低可至1μm，測(cè)試元素主要包括Ca、Mg、Fe、Mn等10種元素，分析總量誤差在3%以內(nèi)，主元素相對(duì)雙差≤5%。碳氧同位素分析在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。砂巖樣品用100%的磷酸在25℃反應(yīng)4 h，提取出膠結(jié)物碳酸鹽中的CO2氣體，收集得到的CO2在Delta+質(zhì)譜儀上測(cè)量。氧同位素比值以SMOW為標(biāo)準(zhǔn)，碳同位素比值以PDB為標(biāo)準(zhǔn)，分別記為δ18O和δ13C，分析精度優(yōu)于±0.2‰。分析中使用的碳酸鹽參考標(biāo)準(zhǔn)為GBW04417方解石標(biāo)準(zhǔn)，其δ18O和δ13C分別是-24.12‰和-6.10‰。

3 測(cè)試結(jié)果

表1 直羅組含鈾砂巖X-射線衍射定量分析結(jié)果表Table1 X-ray diffraction analysisof the Zhiluo Formation uranium-bearing sandstones

3.1 巖石學(xué)特征

11件樣品的鏡下鑒定表明，砂巖為長(zhǎng)石巖屑砂巖、巖屑砂巖和石英砂巖。其中，石英含量為25%～85%，長(zhǎng)石為5%～35%，巖屑含量為5%～55%。長(zhǎng)石骨架以鉀長(zhǎng)石為主，其次為斜長(zhǎng)石。巖屑成分主要為變質(zhì)巖碎屑和少量花崗巖屑，巖性以石英巖、云母石英片巖為主。砂巖粒度為中粗?！屑?xì)粒，磨圓分選差，填隙物主要為粘土礦物和方解石。

15件砂巖樣品X-射線衍射定量分析結(jié)果（表1）顯示，砂巖全巖石英含量為38.50%～62.7%（平均47.27%），鉀長(zhǎng)石含量為9.30%～20.10%（平均13.71），斜長(zhǎng)石為3.30%～13.30%（平均8.94%），方解石含量較高，為1.10%～24.60%（平均12.62%）。粘土礦物總量為12.30%～340%，成分主要由蒙皂石、伊利石、高嶺石和綠泥石組成。將樣品按灰綠色砂巖和灰色砂巖分成兩類后發(fā)現(xiàn)，灰綠色砂巖石英含量略高于灰色砂巖，平均分別為50.3%和46.17%，鉀長(zhǎng)石含量低于灰色砂巖，長(zhǎng)石總量二者相差不大；灰色砂巖中普遍發(fā)育黃鐵礦和方解石，其中方解石含量較高，而灰綠色砂巖則不發(fā)育黃鐵礦和方解石，考慮目前發(fā)現(xiàn)的鈾礦體主要分布在灰色砂巖中，推測(cè)鈾礦化與碳酸鹽化有關(guān)。灰綠色砂巖粘土含量為15.6%～34%（平均23.8%）；灰色砂巖粘土含量12.3%～28.4%（平均20.93），灰綠色砂巖粘土含量高于灰色砂巖?；揖G色砂巖與灰色砂巖之間在粘土分成上的差異主要表現(xiàn)在蒙皂石和高嶺石的含量上。前者蒙皂石和高嶺石含量均較低（平均分別為11.04%及10.35%）；后者蒙皂石含量較高（平均12.95%），高嶺石含量較低（平均5.54%）?；揖G色砂巖與灰色砂巖伊利石與綠泥石含量相當(dāng)，二者均不含混層礦物。

3.2 方解石膠結(jié)物類型

前人通過(guò)鏡下觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽膠結(jié)物類型主要為方解石，且以泥晶方解石和亮晶方解石最為常見。泥晶方解石分布于綠泥石薄膜外緣并充填于粒間，亮晶方解石多充填于泥晶方解石外圍的顆?？紫吨校糠治挥谑⒋紊哟筮呁?，并強(qiáng)烈交代石英、長(zhǎng)石顆粒和泥晶方解石膠結(jié)物（林潼等，2010）。本次研究樣品中碳酸鹽膠結(jié)物含量在0.5%～8%之間，以接觸膠結(jié)為主，孔隙式膠結(jié)為輔；部分含礦砂巖碳酸鹽化強(qiáng)烈，碳酸鹽含量達(dá)10%～15%，碳酸鹽幾乎全為方解石，方解石多為粒徑較大的亮晶方解石（圖2a），鈾礦化常與方解石共生，溶蝕石英和長(zhǎng)石（圖2b）。3件砂巖樣品共20個(gè)碳酸鹽膠結(jié)物的電子探針成分?jǐn)?shù)據(jù)（表2），通過(guò)地球化學(xué)成分，對(duì)東勝地區(qū)直羅組砂巖中的碳酸鹽礦物進(jìn)行分類表明，碳酸鹽膠結(jié)物各測(cè)點(diǎn)元素組成大致相同，CaO百分含量介于58.57%～69.41%之間（平均64.24%），MgO百分含量介于0.05%～0.61%之間（平均0.31%），F(xiàn)eO百分含量介于0.22%～1.27%之間（平均0.42%），MnO含量較高，為0.18%～1.85%（平均0.69%）。根據(jù)FeO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，方解石膠結(jié)物通常可分為3類：w(FeO)≤0.05為無(wú)鐵方解石，w（FeO）大于等于0.5為鐵方解石，w（FeO）介于0.05～0.5之間為含鐵方解石。測(cè)試結(jié)果表明本區(qū)方解石膠結(jié)物以含鐵礦方解石為主，其次為鐵方解石。

3.3 碳氧同位素組成特征

方解石膠結(jié)物碳氧同位素分析結(jié)果見表3。方解石膠結(jié)物石碳同位素δ13CPDB為-15.7‰～-1.6‰，平均-9.08‰，極差-10.4‰，數(shù)據(jù)相對(duì)離散，δ18OPDB為-15.6‰～-10‰，平均-12.4‰，極差-5.6‰，變化范圍較窄，δ18OSMOW為14.8‰～20.6‰，平均18.1‰。在δ13C-δ18O圖解（圖3）上，方解石膠結(jié)物的碳、氧同位素比值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，指示方解石膠結(jié)物形成時(shí)沉積環(huán)境的變遷，或者成巖過(guò)程中外來(lái)流體與碳酸鹽巖間發(fā)生了同位素交換。

圖2 直羅組含鈾砂巖中方解石鏡下顯微（a）及背散射照片（b）Fig.2 Calciteendoscopicmicrograph(a)and backscattered(b)photosof the Zhiluo Formation uranium-bearing sandstones

表2 直羅組含鈾砂巖方解石膠結(jié)物電子探針成分分析結(jié)果表Table2 Electronmicroprobeanalytical resultsof calcite cements in the Zhiluo Formation uranium-bearing sandstones

4 討論

4.1 物質(zhì)來(lái)源和沉淀機(jī)制

4.1.1 碳來(lái)源

碳同位素在各個(gè)碳庫(kù)中含量穩(wěn)定，同時(shí)具有深循還性。東勝地區(qū)直羅組含鈾砂巖碳酸鹽膠結(jié)物的δ13CPDB變化范圍較大，為-15.7‰～-1.6‰，小于海相沉積碳酸鹽（δ13C=-1‰～2‰，平均0‰，鄭永飛，2000）的δ13C變化范圍，略高于有機(jī)來(lái)源（δ13C=-18‰～-33‰，Mack et al.,1991）CO2的δ13C范圍，涵蓋了淡水沉積碳酸鹽巖（δ13C=-4.93‰± 2.75‰，鄭永飛和陳江峰，2000）和大氣中CO2碳同位素（δ13C一般在-7‰左右）的δ13C范圍，說(shuō)明在碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)，僅僅由沉積時(shí)保存的介質(zhì)水是不能形成如此寬泛的δ13C值，因此，在成巖成礦過(guò)程中一定有外來(lái)輕碳源的加入。在碳酸鹽礦物δ13CPDB-δ18OSMOW圖解（圖4）上投影點(diǎn)落在與有機(jī)質(zhì)有關(guān)的碳酸鹽區(qū)，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)是碳源；在碳酸鹽礦物δ18OSMOW-δ13CPDB圖解（圖5）上投影點(diǎn)主要落在沉積有機(jī)物脫羧基作用變化趨勢(shì)范圍內(nèi)，部分投點(diǎn)落在海相碳酸鹽巖溶解作用范圍內(nèi)，進(jìn)一步說(shuō)明流體中CO2主體是沉積有機(jī)質(zhì)脫羥基過(guò)程中轉(zhuǎn)化成因，部分是深部海相碳酸鹽巖溶解產(chǎn)生。有機(jī)質(zhì)碳可能有沉積巖自身有機(jī)物、煤成氣和深部油氣三種來(lái)源：直羅組砂巖中普遍含有豐富的有機(jī)質(zhì)，此部分有機(jī)質(zhì)通過(guò)沉積成巖壓實(shí)作用，導(dǎo)致氧化、降解和脫羧基作用，生成CO2，與介質(zhì)水中Ca2相互作用，生成CaCO3沉淀；東勝地區(qū)直羅組之下為延安組煤系地層，煤炭?jī)?chǔ)量豐富，其產(chǎn)生的煤成氣有可能沿構(gòu)造或巖石裂隙上升到含礦砂巖層中；鄂爾多斯盆地上古生界富含油氣，深部油氣氧化產(chǎn)生的CO2也可能沿構(gòu)造或巖石裂隙上升到含礦砂巖層中，包裹體中石油烴具有生物降解的證據(jù)（李宏濤等，2007），大量的研究也表明，盆地北部古生界油氣具有向上往侏羅紀(jì)地層運(yùn)移的普遍現(xiàn)象（馮喬等，2006；楊曉勇等，2007）。另外，鄂爾多斯盆地下古生界發(fā)育一套以碳酸鹽巖為主的淺海相沉積，普遍分布海相石灰?guī)r地層，深部含油氣流體在淋濾與溶解下古生界的海相碳酸巖的過(guò)程中富含CO2，可能沿構(gòu)造或巖石裂隙上升到含礦砂巖層中，這也正好說(shuō)明部分樣品落在海相碳酸鹽巖溶解作用范圍內(nèi)。

表3 東勝地區(qū)直羅組砂巖方解石膠結(jié)物碳、氧同位素分析結(jié)果

圖3 直羅組砂巖方解石膠結(jié)物碳氧同位素組成相關(guān)圖解Fig.3 Cross-plotshowingtherelationshipofcarbonand oxygen compositionofcalcitecementsin theZhiluoFormation sandstones

4.1.2 鈣離子來(lái)源

在成巖成礦過(guò)程中，自生碳酸鹽膠結(jié)物主要是從碎屑巖孔隙流體中沉淀，其形成所需的鈣離子主要通過(guò)以下幾種途徑獲得。①長(zhǎng)石（主要是斜長(zhǎng)石）的溶解。鈣長(zhǎng)石的溶解方程為CaAl2Si2O8（鈣長(zhǎng)石）→Al2Si2O5(OH)4（高嶺石）+Si++Ca；在合適的物理化學(xué)條件下，上述化學(xué)反應(yīng)過(guò)程提供的Ca2+可以進(jìn)入到碳酸鹽膠結(jié)物中。②粘土礦物的轉(zhuǎn)化。主要是指蒙皂石與伊利石之間相互轉(zhuǎn)化，反應(yīng)方程為4.5K++8Al3++蒙皂石=伊利石+Na++2Ca2++2.5Fe3++ 2Mg2++3Si4+。④碳酸鹽巖屑的溶解再沉淀作用。

X-射線衍射定量分析表明東勝地區(qū)直羅組含鈾砂巖中高嶺石含量較高，反映了成巖成礦過(guò)程中長(zhǎng)石的溶解。鏡下觀測(cè)也發(fā)現(xiàn)，砂巖中長(zhǎng)石發(fā)生了溶蝕，部分碳酸鹽膠結(jié)物交代長(zhǎng)石顆粒。說(shuō)明砂巖中長(zhǎng)石類碎屑顆粒的溶解是碳酸鹽膠結(jié)物鈣離子的主要來(lái)源之一。另外，電子探針分析結(jié)果可知，直羅組砂巖碳酸鹽膠結(jié)物為含鐵碳方解石，X-射線衍射定量分析顯示砂巖中蒙皂石含量較高，伊利石含量較低，表明蒙皂石與伊利石之間轉(zhuǎn)化鈣、鐵、鎂離子的來(lái)源之一，但提供的量應(yīng)該不大。直羅組砂巖中很少見到碳酸鹽巖屑，故碳酸鹽巖屑的溶解再沉淀作用非碳酸鹽膠結(jié)物鈣離子的來(lái)源。綜上分析可知，直羅組碳酸鹽膠結(jié)物鈣離子的主要來(lái)源來(lái)自長(zhǎng)石溶解，粘土礦物的轉(zhuǎn)化提供了少量鈣、鐵、鎂離子。

圖4 方解石膠結(jié)物碳氧同位素成因圖解（據(jù)王大銳，2000）Fig.4 Cross-plotof carbon and oxygen composition of calcite cements

圖5 方解石膠結(jié)物δ18O-δ13C圖解（據(jù)劉建明等，1997）Fig.5 Cross-plotofδ18O-δ13Cof calcite cements

4.1.3 碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀機(jī)制

隨著碎屑沉積物的不斷埋深，溫度壓力升高，巖石中自身有機(jī)質(zhì)發(fā)生熱解脫羧并釋放部分CO2，這時(shí)CO2的碳同位素明顯較輕，容易進(jìn)入經(jīng)壓實(shí)作用所釋放出的介質(zhì)水中，從而形成具有較強(qiáng)溶蝕能力的有機(jī)酸和碳酸溶液。當(dāng)這些酸性溶液進(jìn)入砂巖中，可以對(duì)其中的長(zhǎng)石進(jìn)行溶蝕，一方面形成次生溶蝕孔隙，另一方面提供Ca2+。在此期間，由于溶液的pH值較低，不形成碳酸鹽膠結(jié)物，而主要是長(zhǎng)石發(fā)生溶蝕，產(chǎn)生二氧化硅，形成石英顆粒次生加大邊，并伴隨著自生高嶺石沉淀。隨后伴隨深部含烴類流體的注入，由于含烴類流體具有極強(qiáng)的還原性，砂巖中成巖成礦環(huán)境由酸性轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性，將高價(jià)鐵離子還原成二價(jià)鐵離子，這時(shí)介質(zhì)水的CO2很容易與鈣離子和二價(jià)鐵離子結(jié)合形成鐵方解石或含鐵方解石，并對(duì)碎屑石英、長(zhǎng)石顆粒進(jìn)行交代。由于本區(qū)碳酸鹽礦物中的碳主要來(lái)自有機(jī)質(zhì)，因此，與有機(jī)酸脫羧作用有關(guān)的碳酸鹽膠結(jié)物普遍以δ13C高負(fù)值為特征。

4.2 氧同位素特征及對(duì)成巖成礦流體的指示

膠結(jié)物和流體的氧同位素均受到多種因素影響，其中主要包括沉積時(shí)期沉積水的氧同位素和鹽度、沉積時(shí)期溫度及成巖改造（劉四兵等，2014）。Keith和Weber(1964)曾把碳、氧同位素結(jié)合起來(lái)，提出了一個(gè)區(qū)分海相和淡水灰?guī)r的經(jīng)驗(yàn)公式，即Z=2.048×(13C+50)+0.498×(18O+50)，式中13C值和18O值均為PDB標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)Z大于120時(shí)，水介質(zhì)的性質(zhì)為海水來(lái)源；當(dāng)Z小于120時(shí)，則為陸相淡水來(lái)源。因此，有關(guān)學(xué)者利用Z值來(lái)探討砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)的古流體條件（董福湘等，2004；何生等，2009；田亞銘等，2011）。根據(jù)28塊樣品碳酸鹽膠結(jié)物氧碳同位素Z值計(jì)算結(jié)果，樣品的Z值為90.17～117.55，平均為102.51（表3），均小于120，說(shuō)明本區(qū)直羅組砂巖中方解石膠結(jié)物的形成古流體總體為礦化度較高的淡水。

O’Neil（1969）提出了一個(gè)方解石-H2O的分餾方程來(lái)計(jì)算與方解石平衡的流體相同位素組成，即δ18OCc-δ18OH2O=2.78×106/T2-2.89，式中溫度（T）采用肖新建等（2004）測(cè)得的本區(qū)方解石中流體包裹體的均一溫度（58～176℃），方解石的氧同位素組成采用本文的測(cè)定值，計(jì)算的與成巖碳酸鹽平衡的流體相同位素組成（表3）表明，成巖成礦期的水相流體δ18O值變化范圍在-7.66‰～9.71‰，變化范圍較寬，較鄂爾多斯地區(qū)現(xiàn)在大氣降水-7.4‰（Yang etal.,2009）偏重，說(shuō)明成巖成礦期水相流體極有可能為混合流體。推測(cè)較輕的同位素組成代表地表水，與大氣降水有關(guān)；而較重的同位素組成表明這一來(lái)源的水與沉積物有同位素交換，可能受深部流體影響。前人曾獲得成礦流體的δDV-SMOW值為-130‰～-55.8‰（薛春紀(jì)等，2010；李榮西等，2006），明顯比鄂爾多斯盆地大氣降水δD的平均值（-49.6‰）低很多，指示成巖成礦流體中氫因烴類的消耗而變輕。另外，鄂爾多斯盆地構(gòu)造穩(wěn)定，巖漿活動(dòng)不活躍，火山巖漿熱液來(lái)源可能性較小。那么深部流體很有可能來(lái)自下部富含油氣的低溫?zé)崃黧w。

4.3 方解石膠結(jié)物水巖作用與鈾成礦的關(guān)系

來(lái)自砂巖的巖石學(xué)、礦物學(xué)特征、碳氧同位素以及碳酸鹽膠結(jié)物的等證均顯示，研究區(qū)方解石膠結(jié)物水巖相互作用模式為開放體系。方解石膠結(jié)物具有相對(duì)較輕的碳、氧同位素（-15.7‰～-1.6‰），有機(jī)質(zhì)參與的長(zhǎng)石溶蝕過(guò)程是該類碳酸鹽膠結(jié)物沉淀的重要物質(zhì)來(lái)源，同時(shí)有機(jī)質(zhì)的參與對(duì)本區(qū)砂巖型鈾礦形成起了重要作用，反映這種較為開放的水巖相互作用體系對(duì)鈾成礦十分有利。

實(shí)際上，東勝地區(qū)直羅組砂巖中方解石膠結(jié)物水巖作用與攜帶有CO32-、HCO3-的地表水和深部油氣密切相關(guān)。東勝地區(qū)侏羅紀(jì)末期和白堊紀(jì)中晚期存在較長(zhǎng)時(shí)期的沉積間斷，缺失上侏羅統(tǒng)和上白堊統(tǒng)沉積，攜帶有[UO2(CO3)3]2-、CO32-、HCO3-的地表水向下滲濾，可進(jìn)入直羅組砂巖層中，砂巖中沉積有機(jī)質(zhì)本身對(duì)鈾具有良好的還原作用，能夠促使鈾沉淀，環(huán)境的改變也形成一定量的方解石。早白堊世晚期-晚白堊世，上古生界油氣大量向上和向東北方向運(yùn)移，在東勝一帶與含鈾地下水混合，使成巖成礦環(huán)境由酸性轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性，也為鈾成礦提供了大量的還原劑，進(jìn)一步促使方解石和鈾發(fā)生沉淀。因此，東勝地區(qū)含鈾砂巖中的方解石是地表水和深部油氣共同作用的結(jié)果，也暗示了東勝鈾礦床是混合流體作用形成。

5 結(jié)論

（1）方解石是東勝地區(qū)直羅組砂巖的主要自生礦物之一，方解石膠結(jié)物類型以含鐵礦方解石為主，其次為鐵方解石。方解石δ13CPDB為-15.7‰～-1.6‰，平均-9.08‰，δ18OPDB為-15.6‰～-10‰，平均-12.4‰。其形成主要與有機(jī)酸脫羧基作用有關(guān)，暗示沉淀過(guò)程中有有機(jī)碳的加入。

（2）研究區(qū)方解石中有機(jī)碳可能有三種來(lái)源，一是沉積巖自身有機(jī)物氧化、降解和脫羧基作用產(chǎn)生的CO2，二是來(lái)源于直羅組下部含煤巖系生成的煤成氣，三是來(lái)源于深部油氣氧化產(chǎn)生的CO2。有機(jī)質(zhì)參與的長(zhǎng)石溶蝕過(guò)程是方解石沉淀的主要物質(zhì)來(lái)源，粘土礦物轉(zhuǎn)化過(guò)程為方解石沉淀提供了少部分鈣、鐵、鎂離子。

（3）計(jì)算表明，與成巖碳酸鹽平衡的水相氧同位素組成變化范圍較寬，說(shuō)明成巖成礦期水相流體極有可能為混合流體。即封存的大氣降水與自下部富含油氣的低溫?zé)崃黧w。

（4）東勝地區(qū)直羅組砂巖中方解石是地表水和深部油氣共同作用的結(jié)果。早期有機(jī)酸促使長(zhǎng)石類骨架顆粒溶蝕，形成石英顆粒次生加大邊，并伴隨著自生高嶺石沉淀。后期隨著大量烴類注入砂巖中，成巖成礦環(huán)境由酸性向堿性轉(zhuǎn)變，還原性增強(qiáng)，介質(zhì)水中的CO2與Ca2+及Fe2+結(jié)合形成含鐵為特征的方解石，沉淀在原生粒間孔和各類次生溶蝕孔隙中。整個(gè)過(guò)程都伴隨有鈾元素運(yùn)移和沉淀，暗示東勝鈾礦床是地表水和深部油氣混合作用形成的。

致謝：感謝匿名審稿專家提出的建設(shè)性修改意見。

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Carbon and Oxygen IsotopicComposition and Uranium M ineralization SignificanceofCalciteof Zhiluo Formation Uranium-bearing Sandstones in Dongsheng Area

TANG Chao,SIMA Xianzhang,ZHU Qiang,FENG Xiaoxi,CHEN Yin,CHEN Lulu,LIU Xiaoxue
Tianjin Centre(Tianjin InstituteofGeology and MineralResources),ChinaGeological Survey,Tianjin 300061,Chian

Calcite isan importantcement type of Zhiluo Formation uranium-bearing sandstones in Dongsheng area,and the carbonation is closely related to the uranium mineralization.Based on petrographic，mineralogical,carbon and oxygen isotope analysis of calcite cements,the composition,precipitationmechanism,and uranium mineralization significance of carbon and oxygen isotope of calcite were researched in the study area.The results show that sandstones include feldspathic lithic sandstone,lithic sandstone and quartz sandstone,and clay minerals aremainly composed of smectite,illite,kaolinite and chlorite and iron-containing calcite,followed by iron calcite,as the main types of carbonate cements.Theδ13CV-PDBis-15.7‰～-1.6‰with an average of-9.08‰.Theδ18OV-PDBis-15.6‰～-10‰with an average of-12.4‰.The results indicate that the formation of calcite is related to the organic acid decarboxylation and the carbon source is organic carbon.Analysesof carbon and oxygen isotopic results reveal that the composition ofaqueousphaseoxygen isotope,balance to the carlcite,hasawide range ofvalues from-7.66‰to9.71‰.We presumed that the lighter isotope composition has characteristics of sealed atmospheric precipitation and the heavier isotope composition reflects the participation of deep low-temperature thermal fluid with oil and rich-gas during the process of diagenetic mineralization.The comprehensive analysis indicated that calcite in Zhiluo Formation sandstones of Dongsheng area was a result of interaction of surface water and deep oil and gas.Early organic prompted feldspathicmatrix particle dissolution and the quartz grains overgrowth edge was formed,alongwith kaolinite precipitation.Later,with a large number ofhydrocarbons injected into sandstones,diageneticmetallogenic environment changed from acidic to basic and the reducibility is enhanced.The combination of CO2,Ca2+,and Fe2+in medium water formed the iron calcite and precipitated in all kinds of primary and secondary pores.The uranium migration and precipitation during thewhole process,which indicate the formation ofuranium deposits,wasa resultof interaction ofsurfacewaterand deep oiland gas.

calcite cements；carbon and oxygen isotope；diageneticmetallogenic environment；paleofluid；Dongsheng area

TANGChao，Engineer；E-mail:tjtangchao@163.com

P619.14；597+.2

A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1006-7493（2016）04-0698-09

10.16108/j.issn1006-7493.2016055

2016-04-17；

2016-08-22

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目（1212011307800DD20160128）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)計(jì)劃項(xiàng)目（2015CB53000）聯(lián)合資助

湯超，男，1982年生，碩士，高級(jí)工程師，礦床學(xué)專業(yè)，礦床地球化學(xué)方向；E-mail:tjtangchao@163.com