二連盆地巴彥烏拉鈾礦床微量元素地球化學(xué)特征

晏 彥，張展適，史清平

（1.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，南昌330013；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029）

二連盆地是我國重要的砂巖型鈾礦產(chǎn)鈾盆地之一，盆地中部已探明多個(gè)具有工業(yè)價(jià)值的大中型鈾礦床，其中巴彥烏拉礦床具有礦體埋藏淺，礦層滲透性好，有利于地浸開采、鈾資源量大等特點(diǎn)，在該盆地鈾礦床中占有重要的地位。前人對巴彥烏拉礦床的研究主要集中在黏土礦物特征、碎屑物粒度特征、辮狀河砂體賦礦規(guī)律、鈾礦水文地質(zhì)研究、含礦地層時(shí)代、成礦特征研究及古地理環(huán)境探討等方面。研究結(jié)果表明黏土礦物主要為蒙脫石，次為高嶺石、伊利石，少量綠泥石［1］，砂巖碎屑物粒度較粗、結(jié)構(gòu)成熟度低［2］，礦體主要賦存在于低可容納空間下形成的具有一定規(guī)模的心灘壩體內(nèi)部、辮狀河道與心灘壩交匯處［3-4］，礦床主要形成于水動(dòng)力條件由強(qiáng)變?nèi)醯倪^渡帶部位［5-6］，含礦層時(shí)代為早白堊世晚期［7-8］，巴彥烏拉礦床受潛水-層間氧化帶控制［9-12］。盡管眾多學(xué)者對此礦床的研究取得了諸多成果，但礦床元素地球化學(xué)的研究比較薄弱，礦床元素地球化學(xué)能對成礦作用起到良好的指示，也是重要的勘查標(biāo)志［13-14］。筆者主要對巴彥烏拉礦床的氧化帶砂巖、氧化還原過渡帶砂巖、還原帶砂巖及泥巖進(jìn)行元素地球化學(xué)研究，試圖通過鈾成礦作用過程中元素地球化學(xué)信息來探討鈾成礦作用特征及認(rèn)識(shí)該礦床的勘查地球化學(xué)標(biāo)志，為該區(qū)外圍及其他類似地區(qū)提供找礦標(biāo)志。本研究依據(jù)層間氧化帶型鈾礦水平分帶規(guī)律，對巴彥烏拉氧化帶、氧化還原過渡帶和還原帶砂巖和未發(fā)育蝕變的泥巖進(jìn)行系統(tǒng)取樣，共計(jì)16件。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

二連盆地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中北部，呈NE向展布。大地構(gòu)造上處于西伯利亞板塊與中朝—塔里木板塊的縫合線部位，是在內(nèi)蒙古—大興安嶺褶皺基底上，燕山期拉張構(gòu)造應(yīng)力場作用下發(fā)育起來的中、新生代斷坳轉(zhuǎn)換型沉積盆地［15］。東以大興安嶺為界，南以溫都爾廟隆起為界，西以狼山隆起為界，北以巴音寶力格隆起為界，盆地整體走向?yàn)楸睎|向。

巴彥烏拉礦床位于二連盆地馬尼特坳陷的西部（圖1），馬尼特坳陷呈北東向展布，夾持于巴音寶力格隆起和蘇尼特隆起之間，兩個(gè)隆起為馬尼特坳陷沉積和成礦提供了物源和鈾源。研究區(qū)內(nèi)的蓋層沉積物主要為下白堊統(tǒng)巴彥花群（K1b），地層從老到新可分為：下白堊統(tǒng)賽漢組下段（K1s1）、下白堊統(tǒng)賽漢組上段 （K1s2）；古近 系伊爾丁曼哈組（E2y）和第四系（Q）。下白堊統(tǒng)賽漢組上段為找礦目的層，該層巖性為灰色砂巖、砂質(zhì)礫巖、含礫砂巖夾薄層泥巖，巖石松散，可見炭屑和黃鐵礦等還原介質(zhì)。

2 鈾礦化特征

巴彥烏拉礦床的鈾礦化主要賦存于下白堊統(tǒng)賽漢組上段（K1s2）（圖2），鈾礦體產(chǎn)于氧化帶前鋒線部位靠還原帶一側(cè)灰色砂體中，礦體垂向上主要呈板狀，受古河道和氧化帶前鋒線控制。砂巖礦石碎屑物以石英為主，其次為長石；礫巖礦石碎屑物以巖屑為主，次為石英。黏土礦物以高嶺石、蒙皂石和水云母為主。黃鐵礦多以膠結(jié)物的形式產(chǎn)出。礦床中鈾的賦存狀態(tài)主要為獨(dú)立鈾礦物、吸附態(tài)鈾和含鈾礦物。獨(dú)立鈾礦物有瀝青鈾礦、鈾黑、鈾石和鈾釷礦等；吸附態(tài)的鈾主要賦存于黏土礦物、有機(jī)碳和膠黃鐵礦中；含鈾礦物有含鈾鈦鐵礦、含鈾銳鈦礦及含鈾稀土礦物等，以細(xì)小顆粒分布在石英、長石和雜基中［16-17］。前人鈾鉛等時(shí)線年齡研究成果表明主成礦時(shí)期是（66.1±4.4）～（63.4±5.5）Ma，疊加成礦期是（51.2±4.3）～（37.1±1.9）Ma［18］。

圖1 二連盆地早白堊世斷陷分布Fig.1 Distribution of Early Cretaceous faulted depression in Erlian basin

圖2 巴彥烏拉礦床地質(zhì)略圖（據(jù)劉武生等修改，2015）Fig.2 Geological sketch of Bayanwula deposit（Modified after LIU Wusheng，et al.，2015）

3 微量元素地球化學(xué)特征

3.1 微量元素特征

二連盆地巴彥烏拉礦床的氧化帶、氧化還原過渡帶、還原帶砂巖及泥巖的微量元素含量列于表1，蛛網(wǎng)圖示于圖3，中國沉積巖微量元素含量選自文獻(xiàn)《中國陸殼及其沉積層和上陸殼的化學(xué)元素豐度》。

氧化帶中U元素含量變化范圍在3.69×10-6～8.05×10-6，平均值為5.90×10-6，該帶相對富集Rb、Mo、Sb、Ba、W、Pb等元素，但富集程度遠(yuǎn)低于還原帶和氧化還原過渡帶；明顯虧損Sr元素，相對虧損的元素有Sc、Co、Cu、In、Cs。

表1 巴彥烏拉礦床主要微量元素含量/10-6Table 1 The main trace elements content/10-6 in Bayanwula deposit

表1（續(xù)）Table 1 （Continued）

圖3 巴彥烏拉礦床各地球化學(xué)帶砂巖和泥巖微量元素標(biāo)準(zhǔn)化圖Fig.3 Normalized spider diagram of trace elements in sandstone and mudstone of different geochemical zones in Bayanwula deposit

氧化還原過渡帶中強(qiáng)烈富集U元素，含量變化范圍在173.00×10-6～698.00×10-6，平均值為336.75×10-6，富集程度高達(dá)350倍。此外Mo、Sb和Ba也表現(xiàn)出較強(qiáng)的富集；明顯虧損Sr元素，相對虧損的元素有Cr、Cu、In、Cs。

還原帶中相對富集U元素，含量變化范圍在44.60×10-6～66.40×10-6， 平均值 為54.98×10-6，未達(dá)到工業(yè)品位。相對富集Mo、Sb、Ba元素，富集程度低于氧化還原過渡帶；明顯虧損Sr元素，相對虧損的元素有Co、Cu、In、Cs，含量變化范圍與氧化還原過渡帶相似。

泥巖中U元素含量變化范圍在18.70×10-6～24.30×10-6，平均值為21.40×10-6，跟中國沉積巖比相對富集Be、Mo、Sb、W元素，明顯虧損Sr元素，相對虧損Co、In、Cs等元素。

綜上所述，氧化帶、氧化還原過渡帶、還原帶砂巖及泥巖之間微量元素含量存在較大的差異，具體表現(xiàn)為氧化帶Sc含量1.25×10-6～1.91×10-6，平均值為1.59×10-6，Co含量1.45×10-6～2.61×10-6，平均值為2.22×10-6，Sr含量88.70×10-6～113.00×10-6，平均值為104.61×10-6；氧化還原過渡帶中強(qiáng)烈富集Mo和U元素，Mo含量25.10×10-6～197.00×10-6，平均值為122.28×10-6，U含量173.00×10-6～698.00×10-6，平均值為336.75×10-6，Sr含量146.00×10-6～175.00×10-6，平均值為154.25×10-6；還原帶Mo含量12.80×10-6～33.40×10-6，平均值為24.13×10-6，Sb含量0.54×10-6～0.98×10-6，平均值為0.70×10-6，U含量44.60×10-6～64.40×10-6，平均值為56.47×10-6，Sr含量82.10×10-6～124.00×10-6，平均值為105.03×10-6。泥巖Co含量4.45×10-6～5.93×10-6，平均值為5.12×10-6，Sr含量132.00×10-6～135.00×10-6，平均值為133.33×10-6，各地球化學(xué)帶砂巖蛛網(wǎng)圖曲線變化較大，微量元素的富集和虧損較明顯，而泥巖的蛛網(wǎng)曲線相對平坦，微量元素富集和虧損較小。

3.2 稀土元素特征

巴彥烏拉礦床氧化帶、氧化還原過渡帶、還原帶砂巖及泥巖中稀土元素含量及特征參數(shù)列于表2，配分模式見圖4。整體稀土元素特征表現(xiàn)出右傾的配分模式，具有輕稀土富集，重稀土虧損特點(diǎn)。

表2 巴彥烏拉礦床各地球化學(xué)帶砂巖和泥巖稀土元素含量及參數(shù)/10-6Table 2 REE content/10-6 and parameters of trace elements in sandstone and mudstone of different geochemical zones in Bayanwula deposit

圖4 巴彥烏拉礦床各地球化學(xué)帶砂巖和泥巖稀土配分模式Fig.4 REE patterns of sandstone and mudstone in different geochemical zones in Bayanwula deposit

氧化帶（圖4a）中稀土元素特征基本與泥巖相似，表現(xiàn)為右傾型?！芌EE變化范圍在62.86×10-6～92.35×10-6，平均值為82.39×10-6；LREE/HREE比值為7.86～11.09，平均值為9.76；δEu值為0.72～0.94，平均值為0.84，為Eu負(fù)異常；δCe值為1.04～1.15，平均值為1.10，為正異常。

氧化還原過渡帶（圖4b）中稀土元素特征明顯分成兩類。第一類為輕稀土富集，Eu弱負(fù)異常的右傾配分模式，如樣品Em12-140。其∑REE為142.41×10-6，LREE/HREE比值為11.17；δEu值為0.70，δCe值為0.95，稀土配分曲線模式基本與泥巖、氧化帶及還原帶砂巖一致。第二類為重稀土富集，Eu弱負(fù)異常，δCe無異常。 如樣品Em12-107、Em12-115和Em12-131，這些樣品的∑REE變化范圍在161.16×10-6～296.29×10-6，平均值為208.84×10-6； LREE/HREE比值為3.92～14.21，平均值為8.05；δEu值為0.33～0.63，平均值為0.51；δCe值為1.04～1.10，平均值為1.07。

還原帶（圖4c）中稀土元素特征基本與泥巖、氧化帶相似，表現(xiàn)為右傾型?！芌EE變化范圍在76.97×10-6～111.24×10-6，平均值為92.68×10-6；LREE/HREE比值為8.97～10.34，平均值為9.65；δEu值為0.66～0.85，平均值為0.75，為Eu負(fù)異常；δCe值為1.00～1.13，平均值為1.09，弱正異常。

泥巖（圖4d）中稀土元素特征整體表現(xiàn)為輕稀土富集，Eu負(fù)異常的右傾型。∑REE變化范圍在192.10×10-6～259.75×10-6，平均值為217.43×10-6；LREE/HREE比值為8.36～9.07，平均值為8.82；表現(xiàn)較強(qiáng)的分餾作用，輕重稀土元素分異明顯。δEu值為0.56～0.62，平均值為0.59，Eu負(fù)異常明顯；δCe值為0.96～0.98，平均值為0.97，為弱負(fù)異常。

氧化帶、氧化還原過渡帶、還原帶與泥巖稀土配分模式相似，∑REE、LREE/HREE比值、δEu及δCe各參數(shù)較為相似，表明它們在含礦建造形成期和后生改造成礦期有相同的物質(zhì)來源，排除熱液改造成礦的可能。同時(shí)，氧化還原過渡帶內(nèi)∑REE達(dá)208.84×10-6，遠(yuǎn)高于氧化帶的∑REE含量82.39×10-6和還原帶的∑REE含量92.68×10-6，表明鈾成礦與稀土元素密切相關(guān)，可作為鈾成礦指示元素。

4 討論

4.1 微量元素變化與鈾成礦

微量元素地球化學(xué)分析表明：不同地球化學(xué)分帶內(nèi)砂巖的微量元素蛛網(wǎng)圖鋸齒狀變化巨大，表明砂體內(nèi)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的后生改造作用；泥巖內(nèi)的微量元素蛛網(wǎng)圖相對平坦，表明基本未接受后生改造作用影響。各地球化學(xué)帶砂巖的微量元素蛛網(wǎng)圖相對于中國沉積層豐度值來說［19］表現(xiàn)出略微虧損態(tài)勢，泥巖內(nèi)的微量元素蛛網(wǎng)圖基本與中國沉積層豐度值一致，亦說明砂巖遭受了較為強(qiáng)烈的流體改造作用。

還原帶和氧化還原過渡帶砂巖均富集Mo元素，且隨著U含量增加，Mo含量也增加，U與Mo的呈正相關(guān)性，Mo元素可作為巴彥烏拉礦床的指示元素。

4.2 稀土元素變化與鈾成礦

稀土元素間地球化學(xué)性質(zhì)相似，行為相近，在成巖、成礦研究中具有重要的意義［20］。由于泥巖滲透性差，后生改造作用難以深入其中，因此，將二連盆地巴彥烏拉礦床下白堊統(tǒng)賽漢組上段的泥巖作為原生未改造的沉積巖，可以較好的反映出物源區(qū)的稀土元素特征。分析表明，巴彥烏拉礦區(qū)內(nèi)氧化帶、還原帶及氧化還原過渡帶砂巖與泥巖具有相似的稀土配分模式，具有相似的稀土元素地球化學(xué)特征，因此，認(rèn)為它們具有相同物源；同時(shí)，根據(jù)經(jīng)過后生改造的砂巖稀土配分模式與泥巖相似以及Co、Ni等深部熱液元素含量偏低等特征，說明后生改造期無熱液參與成礦作用。

泥巖、還原帶及氧化還原過渡帶砂巖中有Eu的負(fù)異常，推斷可能與氧化還原作用有關(guān)。Eu屬于變價(jià)元素，還原條件下Eu3＋還原為Eu2＋，由于電價(jià)和離子半徑的差異，導(dǎo)致Eu2＋與其他REE3＋分離被流體帶出，導(dǎo)致Eu的負(fù)異常［21］。

為了更加清楚的反映各地球化學(xué)帶砂巖中稀土元素組成的差異性，制作了U與稀土元素關(guān)系圖（圖5），從圖中可以看出，ΣREE、LREE及HREE與U含量呈正相關(guān)性，部分氧化還原過渡帶樣品有明顯的HREE富集的現(xiàn)象。這些特征反映了成礦過程中稀土元素的活動(dòng)特點(diǎn)，U含量較低時(shí)，稀土元素的活動(dòng)性比較弱，U含量較高時(shí)，稀土元素的活動(dòng)性較強(qiáng)，且重稀土元素的活動(dòng)性比輕稀土元素強(qiáng)，進(jìn)而說明利用稀土元素的活性，可作為該礦床的指示標(biāo)志。

一般情況下，δCe對氧化還原環(huán)境具有指示作用，其中，δCe＜1時(shí)為氧化環(huán)境，δCe＞1時(shí)為還原環(huán)境。巴彥烏拉礦床中各分帶砂巖中δCe均位于1的附近，結(jié)合鈾鉛等時(shí)線年齡，說明巴彥烏拉礦床成礦作用具有滾動(dòng)向前疊加的特征，進(jìn)而說明成礦作用主要為滲入氧化作用。

圖5 巴彥烏拉礦床U與稀土元素關(guān)系Fig.5 U and REE relation of Bayanwula deposit

4.3 勘查地球化學(xué)標(biāo)志

綜上所述，巴彥烏拉礦床勘查地球化學(xué)標(biāo)志主要有ΣREE、LREE及HREE，Mo元素含量等，均與鈾含量呈正相關(guān)關(guān)系。其中，Mo元素在氧化帶約1.60×10-6，氧化還原過渡帶達(dá)122.30×10-6，還原帶回歸為16.70×10-6；∑REE在氧化帶含量為82.39×10-6，在氧化還原過渡帶達(dá)208.84×10-6，還原帶的為92.68×10-6。

5 結(jié)論

1）巴彥烏拉礦床各地球化學(xué)帶砂巖與泥巖的稀土配分模式相似，表明它們在含礦建造形成期和后生改造成礦期有相同的物質(zhì)來源，排除熱液改造成礦的可能；通過Eu的負(fù)異常分析，認(rèn)為與氧化還原作用有關(guān)。

2）通過各地球化學(xué)帶微量元素分析表明，微量元素蛛網(wǎng)圖的鋸齒狀變化巨大，表明砂體內(nèi)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的后生改造作用；泥巖內(nèi)的微量元素蛛網(wǎng)圖相對平坦，表明基本未接受后生改造作用。

3）巴彥烏拉礦床勘查地球化學(xué)標(biāo)志主要有ΣREE、LREE及HREE，Mo元素含量等，均與鈾含量呈正相關(guān)關(guān)系。