松遼盆地南部通遼-通榆地區(qū)姚家組鈾、鐵和有機(jī)碳分布及指示意義

佟術(shù)敏，寧君，柳東良，封志兵，蔡建芳，宋海瑞，李繼木，丁浩

（1．核工業(yè)二四三大隊，內(nèi)蒙古 赤峰 024006；2．東華理工大學(xué)，核資源與環(huán)境國家重點實驗室，江西 南昌 330013）

眾所周知，有機(jī)質(zhì)和鐵元素對鈾富集成礦有積極促進(jìn)作用。有機(jī)質(zhì)與鈾結(jié)合的機(jī)理復(fù)雜，其中包括吸附作用、離子交換作用、絡(luò)合作用和還原作用等［1］；鐵為過渡性元素，屬于親硫元素，在還原環(huán)境中常見的黃鐵礦與鈾礦化關(guān)系密切。電子探針分析結(jié)果顯示，鈾礦物多與黃鐵礦密切共生，呈膠結(jié)物產(chǎn)出的黃鐵礦是吸附態(tài)鈾的重要載體［2］。因此，研究有機(jī)質(zhì)和鐵元素的含量及其分布規(guī)律對尋找隱伏鈾礦意義重大。

在砂巖型鈾礦床找礦研究中，針對有機(jī)質(zhì)和鐵元素與鈾礦化之間的關(guān)系，前人開展了深入的研究工作，詳細(xì)論述了有機(jī)質(zhì)和鐵元素在鈾的遷移、沉淀、富集等方面所起的作用［3-9］。以往的研究工作大多集中在鄂爾多斯、伊犁及吐哈盆地等地區(qū)，而對松遼盆地的研究主要集中在錢家店鈾礦床和寶龍山鈾礦床，區(qū)域上的研究相對較少。有學(xué)者曾指出松遼盆地南部姚家組砂體均具有較高的還原容量，尤其是錢家店及其東北區(qū)，其有機(jī)碳和S含量較高，反映了砂體中含有豐富的有機(jī)質(zhì)及黃鐵礦［10］。然而，以往的研究并未體現(xiàn)出在不同的地化環(huán)境中有機(jī)質(zhì)和鐵元素的含量對鈾成礦的對比分析及其對鈾成礦具體起到何種作用。筆者試圖通過在氧化帶、過渡帶及還原帶中進(jìn)行有機(jī)質(zhì)、鐵元素與微量鈾含量的相關(guān)性分析，揭示鈾富集與有機(jī)質(zhì)和鐵元素之間的關(guān)系，期望對下一步鈾礦勘查和開發(fā)具有一定的借鑒意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

松遼盆地位于我國東北部，盆地長約750 km，寬330～370 km，面積約260 000 km2，呈NNE向展布。研究區(qū)位于松遼盆地南部的通遼-通榆地區(qū)（圖1a），主要包括南部的開魯坳陷區(qū)，中部的西南隆起區(qū)，北部的西部斜坡區(qū)，東部的中央坳陷區(qū)和東南隆起區(qū)。區(qū)內(nèi)蓋層垂向上包括斷陷沉積和坳陷沉積。早白堊世為斷陷盆地的發(fā)育階段，發(fā)育了九佛堂組、沙海組及阜新組；晚白堊世為坳陷盆地階段，發(fā)育泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組、泰康組［11］。

區(qū)內(nèi)基底斷裂較發(fā)育，主要發(fā)育EW、NE、 NW 向三組基底斷裂［12］（圖 1b）。 斷裂的發(fā)育為導(dǎo)通深部還原流體和目的層砂體還原改造提供了有利的構(gòu)造條件，同時也為地下水的排泄提供通道，從而對鈾的多次富集沉淀提供了有利條件。

姚家組為區(qū)內(nèi)主要找礦目的層之一，其氧化砂體為磚紅色、褐紅色和褐黃色的中細(xì)砂巖，底部發(fā)育一套沖積扇相的紫紅色砂質(zhì)礫巖，還原性砂體主要為灰色、淺灰色和灰白色中細(xì)砂巖。目前已在區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)錢家店、寶龍山和大林等鈾礦床，礦化異常分布范圍較廣，鈾礦化一般產(chǎn)于上下氧化帶之間的灰色帶中。

2 樣品采集與分析方法

為了尋求鐵元素和有機(jī)質(zhì)與鈾含量的關(guān)系，在2009—2017年間，選取有代表性的143口鉆孔，對找礦目的層姚家組砂體進(jìn)行了取樣，選取合適的樣品分別測試了微量鈾、鐵元素和有機(jī)質(zhì)含量，測試工作由核工業(yè)二四三大隊化驗室完成。微量鈾測試儀器為MAU型鈾分析儀，鐵元素和有機(jī)質(zhì)測試儀器為高頻碳硫分析儀。

圖1 松遼盆地構(gòu)造分區(qū)（a）和通遼-通榆地區(qū)構(gòu)造綱要圖［4］（b）Fig.1 Sketch of tectonic division of the Songliao Basin and structure outline of Tongliao-Tongyu area

微量鈾是反映砂體鈾元素富集沉淀最直接的指標(biāo)之一。研究區(qū)成礦砂體均為灰色調(diào)的還原性砂體，故選取灰色砂體樣品分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計（表1），目的是說明非礦層鈾元素的背景值的分布與鈾成礦的關(guān)系密切，為尋找隱伏礦體提供依據(jù)。

碳元素在有機(jī)質(zhì)中數(shù)量最多也最穩(wěn)定，故沉積物中有機(jī)質(zhì)的豐度大多用有機(jī)碳含量來表示［13］。 選取 37 組樣品進(jìn)行Fe3＋、 Fe2＋、有機(jī)碳和鈾含量的分析測試，其中原生氧化環(huán)境樣品10組，后生氧化環(huán)境樣品10組，氧化-還原過渡環(huán)境（含礦層）樣品7組，還原環(huán)境樣品10組 （表2）。目的是說明不同地球化學(xué)環(huán)境砂體中鐵和有機(jī)碳元素的分布與鈾成礦的關(guān)系密切，為圈定成礦遠(yuǎn)景區(qū)提供依據(jù)。

3 姚家組砂體中鈾、鐵和有機(jī)碳分布與鈾成礦

為了更直觀地展現(xiàn)微量鈾含量的差異，筆者利用迭代法計算出微量鈾的自然底數(shù)為4.13×10-6。參考鈾礦水化學(xué)找礦規(guī)范（EJ/T 276—1998）水中鈾含量劃分標(biāo)準(zhǔn)，將自然底數(shù)加一倍、二倍、三倍均方差（S）的含量值確定被統(tǒng)計元素的偏高值、增高值和異常值。經(jīng)計算得出偏高值的區(qū)間為 （7.31～10.49）×10-6，增高值區(qū)間為（10.49～13.67）×10-6， 異常值＞13.67×10-6。研究區(qū)微量鈾最高值為49.01×10-6，取自海力錦探礦區(qū)的H10孔灰色中砂巖中。筆者將微量鈾含量大于偏高值的區(qū)域劃為高值區(qū)，在研究區(qū)圈出4片高值區(qū)，依據(jù)微量鈾異常分布面積由大到小依次命名為高值I、II、III和IV區(qū)。整體上異常區(qū)呈北東向分布，受構(gòu)造控制明顯 （圖2）。高值I區(qū)位于大林—寶龍山一線，夾持于斷裂F2和F3之間，區(qū)內(nèi)有X33、X69和101孔等多口工業(yè)孔，已發(fā)現(xiàn)寶龍山鈾礦床和大林鈾礦床；高值II區(qū)位于海力錦地區(qū)，位于斷裂F12和F1之間，區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)海力錦鈾礦床；高值III區(qū)位于莫力廟—雙泡子一線，有斷裂F5穿過，且與斷裂F11和F8相鄰，區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)B6-4、B7-3孔等多口鈾礦化孔，被視為鈾成礦的有利部位；高值IV區(qū)位于瞻榆—邊昭一線，斷裂F13穿過該區(qū)，已發(fā)現(xiàn)工業(yè)鈾礦孔G3-1和多個鈾礦化異常孔，屬于鈾成礦潛力較大的區(qū)域。由此可見，微量鈾的含量與鈾礦化密切相關(guān)，微量鈾含量的高值區(qū)往往位于鈾礦產(chǎn)區(qū)。

表1 通遼-通榆地區(qū)姚家組部分鉆孔微量鈾分析結(jié)果Table 1 Trace uranium analysis results of Yaojia Formation in Tongliao-Tongyu area

表2 通遼-通榆地區(qū)姚家組鉆孔鐵元素、有機(jī)碳和鈾含量分析結(jié)果Table 2 Content of uranium，iron and organic carbon in borehole for Yaojia Formation in Tongliao-Tongyu area

圖2 通遼-通榆地區(qū)姚家組微量鈾異常圖Fig.2 Anomalies of uranium of Yaojia Formation in Tongliao-Tongyu area

3.1 Fe2＋、 Fe3＋含量與鈾成礦的關(guān)系

在研究區(qū)目的層姚家組砂巖中，氧化砂體的顏色主要為褐黃色、褐紅色和磚紅色等；還原砂體的顏色為灰色、淺灰色和灰白色等。這些顏色的差異被認(rèn)為與鐵的價態(tài)、含量差異有關(guān)。鐵的礦物存在形式主要有赤鐵礦、高價鐵水合物（針鐵礦、水針鐵礦）、黃鐵礦、硅酸鹽鐵礦物及硫酸鹽鐵礦物等。Fe3＋含量最高的在褐黃色氧化砂體中，褐黃色后生氧化砂體除了原來巖石本身含有的鐵礦物外，還有層間氧化作用新生成的含鐵礦物。含鐵礦物如角閃石、輝石、硫化物等在含氧水的作用下形成高價鐵水合物及黃鉀鐵釩等［14］。黃鉀鐵礬是一種硫酸鹽礦物，它主要由黃鐵礦經(jīng)氧化作用而形成。由此筆者認(rèn)為褐黃色砂體是由灰色砂體經(jīng)氧化流體改造而來。褐黃色砂體中Fe3＋的平均值高于磚紅色和褐紅色砂體的平均值（表2），說明后生氧化砂體的氧化性強(qiáng)于原生氧化砂體，而后生氧化砂體中鈾的含量比原生氧化環(huán)境更低，說明不存在鈾元素與原生灰色層中的還原物質(zhì)發(fā)生氧化-還原反應(yīng)。還原劑先后遭受氧化，首先鈾礦物最易被氧化，鈾被析出并隨地下水遷移，從褐黃色砂體中帶出，并直接被帶進(jìn)灰色砂體中富集沉淀。隨后鐵硫化合物和碳酸鹽礦物，以及有機(jī)質(zhì)發(fā)生氧化，之后是穩(wěn)定的黑云母、綠泥石等發(fā)生氧化，最后達(dá)到地下水和巖石之間的地球化學(xué)平衡［15］。

在氧化-還原過渡帶中，最主要的含鐵礦物就是黃鐵礦，含礦層具有較高的Fe2＋含量，表明在鈾礦化的形成過程中可能伴有新生的黃鐵礦、白鐵礦。黃鐵礦在鈾元素的富集沉淀過程中起到了3個至關(guān)重要的作用，一是黃鐵礦可以大大提高含礦層的還原容量，緬里尼科夫 И.В.（1989）甚至指出： “還原作用是唯一滿足鈾成礦條件的因素，其它因素都是輔助性的”。也許這種觀點有些片面，但足可看出還原環(huán)境對鈾成礦的巨大貢獻(xiàn)；二是黃鐵礦、赤鐵礦與瀝青鈾礦共生是常見的地質(zhì)現(xiàn)象［16］。在含礦層的巖心地質(zhì)編錄過程中經(jīng)常見到黃鐵礦結(jié)核或細(xì)晶分散狀的黃鐵礦與方解石一起被沉淀在炭屑表面，有機(jī)物經(jīng)常伴生有若干硫化物，尤其是黃鐵礦，偶見瀝青鈾礦［17］。筆者在電子探針下發(fā)現(xiàn)鈾礦物多與黃鐵礦密切共生（圖3）；三是呈膠狀產(chǎn)出的黃鐵礦和白鐵礦是吸附態(tài)鈾的重要載體［2］，在大部分砂巖型鈾礦床中均發(fā)現(xiàn)鈾以吸附形式或者瀝青鈾礦形式賦存于黃鐵礦周圍。

圖3 研究區(qū)鈾賦存形式背散射圖Fig.3 Backscattered electron images of uranium occurrence form in the study area

利用 Fe2＋/Fe3＋值可分析 Fe2＋和 Fe3＋對鈾成礦共同作用。研究區(qū)目的層姚家組Fe2＋/Fe3＋最小值為0.15，位于后生氧化環(huán)境中；最高值為5.79，位于還原環(huán)境，分析結(jié)果見表2。根據(jù)Fe2＋/Fe3＋值的分布特點并結(jié)合研究區(qū)姚家組砂體氧化-還原展布特征，將Fe2＋/Fe3＋值小于2的區(qū)域劃為氧化區(qū)，將比值在1～3之間的區(qū)域劃為氧化-還原過渡區(qū)，比值大于3的區(qū)域劃為還原區(qū)［18］。氧化區(qū)主要沿北東向慶和—瞻榆一線展布，與主河道含鈾含氧水流動方向基本一致；氧化-還原過渡區(qū)受氧化區(qū)控制明顯，圍繞氧化帶前鋒線呈帶狀分布，寬約5～10 km，寶龍山、大林、海力錦及北部瞻榆地段發(fā)現(xiàn)的工業(yè)鈾礦化大多處于Fe2＋/Fe3＋的值在1～3之間的氧化-還原區(qū)域，其它鈾礦化異常也多沿此過渡區(qū)分布；還原區(qū)主要分布在研究區(qū)東部的中央坳陷區(qū)（圖4），可見研究區(qū)鈾礦化分布與Fe2＋/Fe3＋值有較為密切的聯(lián)系。

3.2 有機(jī)質(zhì) （有機(jī)碳）對鈾成礦的促進(jìn)作用

經(jīng)測試得知，37組樣品的鈾含量變化很大，其變化范圍為（0.97～5 799）×10-6，但有機(jī)碳含量為0.01%～2.72%，二者不具有明顯的正相關(guān)性（表2）?？梢?，有機(jī)碳是在一定范圍內(nèi)對成礦有利。10組典型后生氧化環(huán)境平均有機(jī)碳含量最低，僅為0.06%，這是由于有機(jī)質(zhì)在氧化帶中被氧化形成鈾酰腐殖酸絡(luò)合物，進(jìn)入地下水隨之遷移，當(dāng)運移至氧化-還原過渡帶時，以含鈾腐殖酸鹽的形式沉淀下來［19］；還原環(huán)境中有機(jī)碳含量高達(dá)0.63%，這是由于氧化水?dāng)y帶的氧在過渡帶環(huán)境中已經(jīng)基本被還原殆盡，還原環(huán)境中有機(jī)碳未受到破壞，加之采樣區(qū)還原砂體有機(jī)碳的原地同沉積富集較好。有機(jī)碳含量的這種變化與巖心地質(zhì)編錄基本吻合。

有機(jī)碳對鈾成礦的促進(jìn)作用主要體現(xiàn)在以下3個方面：

1）鈾在砂巖中的存在形式主要有吸附狀態(tài)鈾、鈾礦物以及少量含鈾礦物。有學(xué)者曾做過鈾礦石中鈾與有機(jī)碳的分離實驗。實驗表明，礦石中鈾不是以穩(wěn)定的相態(tài)形式與有機(jī)質(zhì)結(jié)合的，鈾與有機(jī)質(zhì)可能主要以腐殖酸吸附或腐殖酸鹽形式存在［20］，可見吸附狀態(tài)鈾主要是由礦石中有機(jī)碳的吸附作用所形成。

圖4 通遼-通榆地區(qū)姚家組氧化-還原分區(qū)圖Fig.4 Distribution of redox zone of Yaojia Formation in Tongliao-Tongyu area

2）在鈾的富集沉淀過程中，有機(jī)碳是反映砂巖型鈾礦還原能力的重要指標(biāo)，而還原能力決定了外生后成礦富集的可能性。Rackley（1972）認(rèn)為，在卷型鈾礦床地球化學(xué)前鋒的前上方 （氧化帶），在喜氧細(xì)菌的催化作用下，溶液中的氧可以將黃鐵礦氧化成硫酸鹽，之后這些硫酸鹽被主巖中的有機(jī)質(zhì)碎屑還原 （與作為催化劑的厭氧細(xì)菌作用）形成硫化氫。H2S氣體具有很強(qiáng)的還原性，在其還原作用下，地下水中的Fe3＋被還原成黃鐵礦，同時，U6＋也被還原成U4＋沉淀，形成鈾礦物［21］。

3）有機(jī)質(zhì)被氧化產(chǎn)生的CO2本身可以形成弱酸碳酸，另外產(chǎn)生的H2S氣體也增加了溶液的酸度，使砂體pH值降低。在砂巖成礦機(jī)制中，弱酸性有利于鈾的富集沉淀，這是由腐殖酸與鈾酰離子的物理和化學(xué)作用機(jī)理決定的，腐殖酸在弱酸性氧化環(huán)境中與鈾酰離子結(jié)合，形成鈾酰腐殖酸鹽等，進(jìn)一步搬運至過渡帶還原沉淀［22］。

前已述及，有機(jī)碳含量并非越高越有利于鈾的富集沉淀。有學(xué)者也指出，在碳質(zhì)物含量極低，甚至巖石中完全沒有碳質(zhì)物的灰色含水層中，發(fā)育的區(qū)域性層間氧化帶受到后生還原作用 （如烴儲構(gòu)造，還原熱液作用）的改造， 也可形成具有相當(dāng)規(guī)模的礦床［23］。究竟有機(jī)碳含量在什么范圍內(nèi)更有利于鈾的富集沉淀，可根據(jù)有機(jī)碳的分布與已經(jīng)揭露的鈾礦化情況進(jìn)行分析。有機(jī)碳分布受構(gòu)造控制明顯，有機(jī)碳含量大于0.07%的區(qū)域主要分布在氧化-還原過渡區(qū)和還原區(qū)，分布較為集中，主要分布于以下三個區(qū)域：海力錦—太平川一線，沿北東方向受F1構(gòu)造控制明顯，大林—?？狄痪€、慶和—花吐古拉一線處于F5和F11構(gòu)造的夾持部位 （圖5）。目前鉆孔揭露顯示，有機(jī)碳含量在0.07%～0.23%的區(qū)域內(nèi)已發(fā)現(xiàn)海力錦、大林鈾礦產(chǎn)地及北部的G3-1工業(yè)鈾礦孔，在慶和—花吐古拉一線也發(fā)現(xiàn)多個鈾礦化異?？住？梢姡瑢τ诒狙芯繀^(qū)而言，有機(jī)碳在一定范圍內(nèi)對成礦是有利的。

圖5 通遼-通榆地區(qū)姚家組有機(jī)碳含量分區(qū)圖Fig.5 Distribution of organic carbon of Yaojia Formation in Tongliao-Tongyu area

4 成礦遠(yuǎn)景預(yù)測

基于上述研究成果，筆者對研究區(qū)不同區(qū)域的鈾成礦潛力進(jìn)行了分析。莫力廟-花吐古拉地區(qū)和衙門營子-通榆地區(qū)姚家組均具備以下成礦條件：這兩個區(qū)域均已發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的鈾礦化異常；根據(jù)鉆孔和淺層地震資料，目的層砂體規(guī)模較大，整體呈北東向展布，砂體單層厚度一般為20～35 m，累計厚度一般為60～135 m，具備穩(wěn)定的河流相砂體；斷裂較發(fā)育，為地下水的排泄和導(dǎo)通深部還原流體提供通道；微量鈾背景值普遍偏高，一般大于7.31×10-6，鈾元素的富集現(xiàn)象明顯；Fe2＋/Fe3＋值在 1～3之間的氧化-還原區(qū)域，有機(jī)碳含量在0.07%～0.23%的區(qū)域。前文已提及，有機(jī)碳的這個分布范圍有利于鈾的富集沉淀。最終筆者在莫力廟-花吐古拉地區(qū)和衙門營子-通榆地區(qū)圈定鈾成礦遠(yuǎn)景區(qū)兩片（圖 6）。

5 結(jié)論

1）研究區(qū)Fe3＋含量最高值位于后生氧化環(huán)境的褐黃色氧化砂體中，F(xiàn)e2＋和有機(jī)碳含量最高值均位于還原環(huán)境的灰色砂體中。

2）在氧化-還原過渡帶的含礦層中，含鐵礦物黃鐵礦和有機(jī)碳均可提高砂體的還原容量和吸附鈾礦物。此外，鈾礦物多與黃鐵礦密切共生，有機(jī)碳被氧化可使砂體酸化，從而有利于鈾的富集沉淀。由此說明有機(jī)質(zhì)和鐵元素對鈾的富集沉淀均起一定的促進(jìn)作用。

圖6 通遼-通榆地區(qū)姚家組成礦預(yù)測圖Fig.6 Prognosticate map of uranium mineralization of Yaojia Formation in Tongliao-Tongyu area

3）研究區(qū)鉆孔揭露的鈾礦化大多處于Fe2＋/Fe3＋值在1～3之間的氧化還原區(qū)域，有機(jī)碳含量在0.07%～0.23%的區(qū)域?？梢?，F(xiàn)e2＋和有機(jī)碳的含量并非越高越好，而在一定的區(qū)間范圍才更有利于鈾的富集沉淀，結(jié)合以往鉆探揭露的鈾礦化、沉積砂體特征及構(gòu)造分布情況等，最終在莫力廟-花吐古拉地區(qū)和衙門營子-通榆地區(qū)圈定鈾成礦遠(yuǎn)景區(qū)兩片，為下一步的勘查工作提供依據(jù)。