鄂爾多斯盆地東北部中侏羅統(tǒng)延安組地質(zhì)特征及鈾成礦條件

李瑞霜,劉戰(zhàn)慶,楊勝富

(1.桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,廣西 桂林 541004; 2.核工業(yè)二〇八大隊(duì),內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

鄂爾多斯盆地礦產(chǎn)資源豐富,盛產(chǎn)煤炭、石油、天然氣、鈾礦等多種能源礦產(chǎn)。盆地東北部砂巖型鈾礦資源豐富,相繼發(fā)現(xiàn)了東勝、罕臺(tái)廟、大營(yíng)、皂火壕、納嶺溝等多個(gè)大型、特大型砂巖型鈾礦床。該類礦床是一種產(chǎn)于沉積盆地的外生礦床,具有規(guī)模大、采礦成本低、開采環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1-8]。盆地內(nèi)鈾礦床主要為層間氧化型砂巖型鈾礦床,形成于承壓含水層中,地層結(jié)構(gòu)上具有明顯的“泥巖→砂巖→泥巖”結(jié)構(gòu)[9];其礦體規(guī)模和分布主要受砂體的沉積相控制,規(guī)模大、連通性好的砂體不僅為成礦物質(zhì)運(yùn)移提供了通道,而且為鈾礦成礦提供了賦存空間[5];有利成礦的沉積相主要為辮狀河相、三角洲相、沖積扇相等[2,9]。因此,研究砂體的地質(zhì)特征和成因有利于查明鈾成礦的空間分布和成礦規(guī)律[4-5,10]。

鄂爾多斯盆地東北部找礦類型為疊合復(fù)成因型，找礦層位主要是中侏羅統(tǒng)直羅組(J2z)、延安組(J2y)和下白堊統(tǒng)(K1)[6]。直羅組下段(J2z1)一直被視為盆地東北部砂巖型鈾礦的主要賦礦層位。前人對(duì)該層位砂體的成因類型、沉積體系及空間展布等開展了大量研究[7-21]。張?zhí)旄５葘?duì)鄂爾多斯盆地東北緣侏羅系層序界面特征的研究表明，延安組至直羅組地層具有明顯的“垂相分帶”結(jié)構(gòu)，鈾礦層在三維空間中主要呈板狀賦存于直羅組與延安組之上的“泛連通厚”辮狀河道砂體中[3];林中湘等認(rèn)為延安組作為區(qū)內(nèi)重要的含煤地層,與上覆地層(直羅組)在空間上存在著“上鈾下煤”的關(guān)系,而煤層與砂巖型鈾礦密切相關(guān),煤對(duì)鈾的作用主要包括吸附作用、絡(luò)合作用及還原作用等[9,11-17]。近年來(lái),隨著盆地北部砂巖型鈾礦研究和開發(fā)程度的不斷加深,通過(guò)鉆孔揭露相繼在延安組內(nèi)發(fā)現(xiàn)了鈾礦化線索,但是都以礦化點(diǎn)和異常點(diǎn)的形式分布,基本都集中在該組Ⅰ、Ⅴ巖段。本文通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地東北部中侏羅統(tǒng)延安組沉積體系的巖性-巖相特征、砂體成礦有利度、巖石學(xué)、礦物學(xué)等特征進(jìn)行全面剖析,并對(duì)鈾源、古氣候、水文地質(zhì)、后生氧化蝕變等關(guān)鍵成礦條件進(jìn)行探討,以期拓寬尋找鈾礦的空間,為下一步找礦提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是晚中生代形成的大型內(nèi)陸坳陷盆地,面積約250 000 km2。其南、北緣分別受EW向祁連—秦嶺構(gòu)造帶及陰山構(gòu)造帶邊緣深大斷裂的控制,而東、西邊界則分別受到SN向太行—呂梁和賀蘭山構(gòu)造帶限制,并與阿拉善地塊和山西地塊相分隔,形成SN向展布的矩型盆地,跨越了陜西、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古及山西五省(區(qū))的部分區(qū)域[圖1(a)]。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部伊盟隆起區(qū),出露地層主要有三疊系、侏羅系和下白堊統(tǒng)。其中,侏羅系在東部、南部一帶沿溝谷出露,向西和西南方向被下白堊統(tǒng)覆蓋,發(fā)育有下侏羅統(tǒng)富縣組(J1f)，中侏羅統(tǒng)延安組、直羅組和安定組(J2a);下白堊統(tǒng)廣泛分布于北部和西南部;新近系上新統(tǒng)主要分布于北部、東南部;第四系在區(qū)內(nèi)大面積分布。

圖(a)引自文獻(xiàn)[22],有所修改

2 延安組地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地東北部中侏羅統(tǒng)延安組主要分布于川掌溝、四道柳川、神山溝一帶,在北部天棉溝、罕臺(tái)川亦有分布。巖性主要為灰色—灰白色中細(xì)砂巖，深灰色粉砂巖、泥巖、泥灰?guī)r。延安組與下伏地層上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組(T3y)呈角度不整合接觸,與上覆地層中侏羅統(tǒng)直羅組呈平行不整合接觸。

2.1 延安組與上、下地層對(duì)比

延安組與上覆地層直羅組之間界線較為明顯,露頭上延安組頂部發(fā)育風(fēng)化殼。二者在巖性和顏色上差別較大:直羅組底部為中粗粒砂巖，而延安組頂部巖性為細(xì)砂巖;直羅組顏色一般呈黃綠色、灰綠色、紫灰色及暗紫色,而延安組呈灰色、灰黑色[圖1(b)]。直羅組形成于半干旱—干旱氣候環(huán)境,延安組形成于溫暖潮濕向半干旱氣候過(guò)渡的環(huán)境[23-24]。在植物及孢粉化石含量方面,延安組比直羅組植物化石明顯少,如掌鱗杉科Classopollis、以桫欏科為主的光面三縫孢(Cyathidites和Deltoidospora)的孢粉組合含量在延安組的含量?jī)H為直羅組的一半[24-27]。

延安組下伏地層富縣組分布于清水川一帶;而研究區(qū)內(nèi)僅揭露到下伏地層延長(zhǎng)組,缺失富縣組。測(cè)井資料顯示延安組砂巖一般為高阻砂巖,而延長(zhǎng)組砂巖為低阻砂巖[25]。延長(zhǎng)組頂部與延安組底部均發(fā)育有規(guī)模較大的砂體,二者之間有較明顯的沖刷面,而延安組底部具有底礫巖。延長(zhǎng)組以含礫粗砂巖和粗砂巖為主,頂部發(fā)育煤層、泥巖、粉砂巖等細(xì)粒沉積物,見鏡煤條帶或植物碎屑。

2.2 延安組分段對(duì)比

延安組由灰色—灰白色中細(xì)粒砂巖,深灰色粉砂巖、泥巖、泥灰?guī)r、油頁(yè)巖及煤層等組成,是一套在還原環(huán)境下以河流-湖相為主的沉積地層。根據(jù)沉積體系的演化和煤聚積的周期性,延安組自下而上可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等5個(gè)巖段(圖2～6),每個(gè)巖段頂部均發(fā)育煤層,被視為各巖段的分界標(biāo)志。巖性粒度分層明顯:上部(Ⅴ巖段)和下部(Ⅰ、Ⅱ巖段)粒度整體較粗,賦存煤層厚,但穩(wěn)定性差,中部(Ⅲ、Ⅳ巖段)粒度較細(xì),賦存的煤層多而薄。

圖2 Ⅰ巖段砂體厚度等值線圖及沉積體系

Ⅰ巖段(J2y1)以灰色、綠色中粗砂巖為主,含較多植物碎屑、鏡煤條帶和黃鐵礦,頂部含煤層。粒度從下至上由粗變細(xì),由3個(gè)旋回構(gòu)成。每個(gè)旋回底部發(fā)育一套較大砂體,下部旋回頂部的泥巖已被沖刷,砂體連為一體(寶塔山砂巖),顯示其為河道和泛濫平原、沼澤相的沉積環(huán)境。該巖段在垂向上具有完整的“泥→砂→泥”結(jié)構(gòu);橫向上,研究區(qū)西部頂部6號(hào)煤層發(fā)育穩(wěn)定;砂巖中長(zhǎng)石黏土化強(qiáng)度東部比西部高,膠結(jié)程度由東向西呈“致密→較疏松→疏松”遞變趨勢(shì)。

Ⅱ巖段(J2y2)以灰色中粗砂巖、含礫粗砂巖為主,由多個(gè)從粗砂巖到細(xì)砂巖的正韻律層疊置而成,頂部見泥巖、煤條帶、黃鐵礦,泥巖中常見淺水植物根系化石及生物活動(dòng)遺跡。頂部的5號(hào)煤層發(fā)育穩(wěn)定,連續(xù)性較好,厚度大。

Ⅲ巖段(J2y3)以灰色泥巖、粉砂巖為主,見沙泥互層,發(fā)育黃鐵礦,泥巖中見大量保存完好的碳化植物葉片,局部見水平層理、交錯(cuò)層理。該巖段分為2個(gè)旋回,以正韻律為主。頂部發(fā)育厚煤層,底部與Ⅱ巖段有較明顯的沖刷面。

Ⅳ巖段(J2y4)以灰色泥巖、粉砂巖為主,見砂泥互層,局部泥巖中見構(gòu)造裂隙,后期被砂巖充填。二者接觸面上見大量黃鐵礦結(jié)核,植物碎屑含量較多,且發(fā)育厚煤層。

Ⅴ巖段(J2y5)以發(fā)育2號(hào)煤層為標(biāo)志,可見1、2層煤。該巖段由向上變細(xì)的2個(gè)巖性段組成：下段以灰色中細(xì)砂巖為主，砂巖泥質(zhì)膠結(jié),結(jié)構(gòu)松散；上段以灰白色中粗砂巖為主,近頂部灰白色砂巖富含高嶺土,泥質(zhì)膠結(jié),固結(jié)程度較高,見大量條帶狀煤屑,少量黃鐵礦結(jié)核。

3 砂體及沉積體系特征

鄂爾多斯盆地東北部中侏羅統(tǒng)延安組發(fā)育較好的河流相砂體,各巖段砂體厚度不一,總體厚20～50 m。其中,Ⅰ、Ⅴ巖段分別發(fā)育辮狀河沉積砂體和曲流河砂體,Ⅱ～Ⅳ巖段以三角洲平原相分流河道、分流間灣及泥炭沼澤沉積為主(圖2～6)。

Ⅰ巖段砂體及沉積體系特征(圖2)顯示,河道砂體總體呈NE—SW向展布,具有北厚南薄特征。砂體多呈泛連通狀分布,厚度較大(30～80 m),連續(xù)性好。其主要為辮狀分流河道和心灘壩沉積,厚度大于40 m的砂體主要分布于區(qū)內(nèi)中部、東部,自下而上呈明顯的正韻律結(jié)構(gòu),多期砂體相互疊加的特征明顯,顯示辮狀河道垂向加積的特征。鈾礦化(異常)主要分布于砂體厚度為40～50 m的區(qū)域,即分流古河道邊部[6,10,28-29]。該巖段砂體與直羅組成礦砂體相似,有利于形成鈾礦。

Ⅱ巖段沉降中心位于研究區(qū)東部[圖3(a)],其河流相砂體主要在中部、西部發(fā)育,南部發(fā)育鳥足狀、樹枝狀三角洲砂體。砂體厚度為10～30 m。西部發(fā)育1條NE—SW向分流河道,砂體相對(duì)較厚且穩(wěn)定,粒度較粗,多呈泛連通狀分布。該巖段以三角洲平原相分流河道、分流間灣沉積為主[圖3(b)]。

圖3 Ⅱ巖段砂體厚度等值線圖及沉積體系

Ⅲ巖段砂體及沉積體系特征(圖4)顯示,在沉積時(shí),河流繼承Ⅱ巖段持續(xù)在區(qū)內(nèi)中部、西部發(fā)育,但水流方向有一定變化。其在柴登壕—罕臺(tái)廟—塔拉壕一帶仍以三角洲平原相為主;砂體呈指狀展布,以分流間灣和分流河道毗鄰為主。該巖段有兩層灰色穩(wěn)定的砂體,含大量有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦,槽狀交錯(cuò)層理發(fā)育,砂體厚度一般小于30 m,在區(qū)內(nèi)東部砂體相對(duì)較厚,最厚可達(dá)50 m。

圖4 Ⅲ巖段砂體厚度等值線圖及沉積體系

Ⅳ巖段(圖5)以三角洲平原相分流河道為主。分流河道繼承早期河道,大致呈SN向延伸。砂體呈不規(guī)則蛇曲狀展布,以多個(gè)倒粒序疊加為特征,厚度較小,連通性較差,后期含氧水極難滲入,該巖段砂巖以灰色為主,結(jié)核狀黃鐵礦、碳化植物碎屑大量發(fā)育,砂體厚度小于30 m。

圖5 Ⅳ巖段砂體厚度等值線圖及沉積體系

Ⅴ巖段(圖6)沉積前期以三角洲相、湖相沉積為主，后期以河流相沉積為主。砂體呈NW—NE向條帶狀展布,主要為曲流河道及分流河道沉積。區(qū)內(nèi)東部砂體發(fā)育好,厚度為20～30 m,最厚達(dá)40 m。

圖6 Ⅴ巖段砂體厚度等值線圖及沉積體系

4 巖石、礦物學(xué)特征

4.1 砂巖類型及組分

鄂爾多斯盆地東北部中侏羅統(tǒng)延安組砂巖以長(zhǎng)石砂巖為主,約占83%,長(zhǎng)石石英砂巖約占8%,成分成熟度相對(duì)較低。自北向南,石英碎屑占比逐漸增高,與蝕源區(qū)位于北部的地質(zhì)事實(shí)[30]一致(圖7)。

①為石英砂巖;②為長(zhǎng)石石英砂巖;③為巖屑石英砂巖;④為長(zhǎng)石砂巖;⑤為巖屑長(zhǎng)石砂巖;⑥為長(zhǎng)石巖屑砂巖;⑦為巖屑砂巖;圖件引自文獻(xiàn)[31]

延安組砂巖主要呈黑灰色、灰色、灰白色。砂巖碎屑物體積分?jǐn)?shù)較高,為88%～92%,碎屑物中巖屑(花崗巖巖屑和石英巖巖屑)體積分?jǐn)?shù)為2%～12%;石英(單晶石英和多晶石英)體積分?jǐn)?shù)為58%～65%,單晶石英中見不規(guī)則裂紋將石英顆粒錯(cuò)裂,顆粒邊緣被輕微溶蝕或被方解石等其他礦物交代[圖8(a)];長(zhǎng)石體積分?jǐn)?shù)為31%～34%,正長(zhǎng)石中可見塵點(diǎn)狀黏土礦物,局部顆粒上見線狀不透明鈾質(zhì)物定向分布及綠簾石化和綠泥石蝕變[圖8(b)],斜長(zhǎng)石中可見強(qiáng)烈絹云母化蝕變;黑云母體積分?jǐn)?shù)為1%～3%,局部顆粒發(fā)生綠泥石化蝕變,并伴有不透明鈾質(zhì)物析出,局部黑云母褪色蝕變?yōu)榘自颇竅圖8(c)];重礦物(體積分?jǐn)?shù)小于1%)成分較復(fù)雜,既有穩(wěn)定組分鋯石、石榴石及榍石,也有不穩(wěn)定組分綠簾石[圖8(d)]、黃鐵礦等。砂巖中填隙物以雜基為主,但體積分?jǐn)?shù)總體較低,顯示延安組主要為牽引流沉積,機(jī)械分異作用較好。雜基成分主要為高嶺石、伊利石、蒙脫石及絹云母等黏土礦物[圖8(e)],呈云霧狀充填于顆?？紫吨g。膠結(jié)物成分以方解石、褐鐵礦及綠泥石[圖8(f)]為主。

Qz為石英;Cal為方解石;Ep為綠簾石;Ms為白云母;Bt為黑云母;Cly為黏土礦物;Chl為綠泥石

4.2 砂巖結(jié)構(gòu)特征

延安組砂巖碎屑顆粒形態(tài)以次棱角狀為主,碎屑物以顆粒支撐為主,次為雜基-顆粒支撐;膠結(jié)方式以孔隙式為主,次為接觸式膠結(jié),屬于中等成熟度砂巖,與沖積扇后的近源礫-砂質(zhì)辮狀河沉積相對(duì)應(yīng)。砂巖粒度概率累積曲線多為兩段式和三段式,搬運(yùn)方式主要為跳躍和懸浮,以懸浮為主。延安組Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ巖段粒度較粗,Ⅲ、Ⅳ巖段粒度較細(xì),加之Ⅰ巖段下部存在一層較厚的礫巖層,其砂體具有良好的滲透性。

4.3 鈾礦物存在形式

苗愛生等對(duì)鄂爾多斯盆地東勝鈾礦床中的鈾礦物研究表明,鈾礦物主要為鈾石和水硅鈾礦,多呈板狀和不規(guī)則粒狀,具明顯的溶蝕現(xiàn)象,鈾石常與蝕變黑云母和黃鐵礦伴生[32-33]。本次研究樣品EY16-76取自鉆孔ZK0延安組Ⅰ巖段氧化-還原過(guò)渡帶中的灰色砂礫巖,鈾礦物存在于砂巖孔隙中或黃鐵礦等礦物晶間裂隙(或孔隙)中,鈾礦物類型為鈾石,形態(tài)主要為微粒狀、短柱狀,單顆粒徑不高于10 μm,測(cè)試點(diǎn)166340可見鈾石呈集合狀產(chǎn)出[圖9(b)]。自然界中鈾石的化學(xué)式為U(SiO4)1-x(OH)4x,其中U含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為53.13%～55.54%,Si含量為8.99%～10.81%,另有少許Ca、Fe、Al、Mg等雜質(zhì)[34]。表1顯示測(cè)試點(diǎn)166338與166340各元素含量。主元素為U,其歸一化含量均超過(guò)50.00%(分別為63.78%和52.21%),Si歸一化含量分別為10.69%和10.50%,其他元素有O、Fe、Na、Al。

Au*峰為雜散輻射峰,來(lái)自于光欄

表1 Ⅰ巖段灰色砂巖中鈾礦物元素分析結(jié)果

5 層間氧化帶特征及地球化學(xué)特征

鄂爾多斯盆地東北部中侏羅統(tǒng)延安組后生蝕變以層間氧化作用和還原作用為主,還原作用遠(yuǎn)大于氧化作用。氧化作用主要表現(xiàn)在Ⅴ巖段,呈黃色氧化及灰綠色氧化兩種類型。還原作用主要表現(xiàn)在Ⅰ巖段,其富含煤層可以作為后生還原作用的介質(zhì),煤層氣可以直接進(jìn)入延安組砂體中發(fā)生還原作用。

5.1 Ⅴ巖段氧化帶特征

在平面上,延安組Ⅴ巖段古層間氧化帶僅在區(qū)內(nèi)東部發(fā)育,氧化帶前鋒線呈NW—SE向展布,且未見完全氧化帶(圖10)。氧化-還原過(guò)渡帶呈NE—SW向展布,平均寬度約為7 km,延伸距離受河道砂體發(fā)育的控制。

圖10 Ⅴ巖段巖石地球化學(xué)示意圖

在剖面上,鄂爾多斯盆地東北部氧化帶砂體主要呈灰綠色,具有古層間氧化特征,氧化帶前鋒線附近可見鈾礦化;而西南側(cè)還原帶砂體主要呈灰色、灰黑色,富含有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦,表現(xiàn)為還原環(huán)境(圖11),說(shuō)明該區(qū)內(nèi)延安組多被深埋而不易氧化。

圖11 鄂爾多斯盆地東北部中侏羅統(tǒng)延安組東部典型剖面示意圖

5.2 Ⅴ巖段地球化學(xué)特征

鈾是否成礦,主要取決于層間氧化帶前鋒線還原障的還原能力。能使鈾還原沉淀的地球化學(xué)障有有機(jī)質(zhì)、H2S、Eh值、pH值、石油氣等,但在無(wú)后生還原劑作用的背景下,起決定性作用的是原生巖石中的有機(jī)質(zhì)碳含量(wC)，即巖石原生地球化學(xué)類型。根據(jù)巖石原生地球化學(xué)類型，將巖石還原能力劃分為3個(gè)等級(jí),分別為強(qiáng)還原能力(wC>0.30%)、中等還原能力(wC為0.05%～0.30%)和弱還原能力(wC<0.05%)[35]。從延安組Ⅰ、Ⅴ巖段砂巖與直羅組下段層間氧化帶砂巖環(huán)境指標(biāo)對(duì)比(表2)可以看出,延安組Ⅴ巖段灰色砂巖中有機(jī)碳含量(0.33%)遠(yuǎn)高于直羅組(0.16%),Fe2O3/FeO值為2.06,說(shuō)明其具備強(qiáng)原生還原能力。

巖石學(xué)特征顯示,氧化帶及還原帶巖石均以長(zhǎng)石砂巖為主,還原帶巖石中有機(jī)質(zhì)含量高、Fe2O3/FeO值大,且氧化帶黑云母明顯被后生氧化?；瘜W(xué)全分析結(jié)果(表3)顯示，氧化帶巖石燒失量明顯小于還原帶巖石,這可能與后生氧化時(shí)巖石中部分有機(jī)質(zhì)被氧化逸失有關(guān)。

表3 Ⅴ巖段化學(xué)全分析結(jié)果

5.3 Ⅰ巖段氧化帶特征

在平面上,延安組Ⅰ巖段完全氧化帶呈SN、NE—SW向發(fā)育(圖12)。該巖段氧化帶發(fā)育程度及分布規(guī)律主要受河道砂體的控制,在河道砂體上游部位沿古河道呈帶狀展布,綠色砂巖充滿整個(gè)含水層,厚度與河道砂體的厚度基本一致。綠色砂巖遭受早期氧化作用,其中的黃鐵礦幾乎全部被氧化,有機(jī)質(zhì)含量很少。氧化-還原過(guò)渡帶規(guī)模較大,呈NE—NW向發(fā)育。氧化帶前鋒線呈NW—SE向展布。還原帶位于研究區(qū)西南部,中部見一處灰色殘留體,形成該現(xiàn)象的主要原因是該區(qū)處于泛濫平原沉積相,砂體發(fā)育較薄,氧化流體難以進(jìn)入。

圖12 Ⅰ巖段巖石地球化學(xué)示意圖

在剖面上,延安組Ⅰ巖段氧化帶巖性為綠色砂巖,受地層傾向及砂體空間形態(tài)、厚度等因素控制,氧化-還原過(guò)渡帶中砂巖多呈“下綠上灰”(圖13)。氧化砂巖多呈單層產(chǎn)出,埋深變化較大,呈SN、NE—SW向逐漸變薄,直至尖滅。綠色砂巖厚度逐漸變薄,埋深加大,變化趨勢(shì)與地層產(chǎn)狀大致相同。局部受河道分叉及砂巖非均質(zhì)性影響,氧化方向改變,有多層氧化現(xiàn)象。層間氧化帶呈NE—SW向由淺變深,且靠近北部、東部的氧化砂巖厚度與含水層砂巖厚度基本一致,SW向氧化砂巖厚度小于含水層砂巖厚度,并向氧化帶前鋒線方向尖滅;氧化砂巖為綠色,呈“古氧化”特征。

圖13 巴音溫都爾地區(qū)地質(zhì)剖面示意圖

5.4 Ⅰ巖段地球化學(xué)特征

巖石原生地球化學(xué)類型直接受沉積、成巖環(huán)境控制。延安組Ⅰ巖段不同顏色反映出不同的地球化學(xué)特征,可劃分為原生、后生巖石地球化學(xué)環(huán)境。

鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦的地球化學(xué)特征顯示,灰色砂巖與綠色砂巖之間的全鐵含量差別不大,綠色砂巖Fe2O3/FeO值略高于灰色砂巖,綠色砂巖具有較低的S和C含量及略高的Fe2O3/FeO值,說(shuō)明其在變?yōu)榫G色之前曾遭受較強(qiáng)的氧化作用[36]。Ⅰ巖段因后生巖石地球化學(xué)環(huán)境影響呈綠色砂巖。綠色砂巖FeO平均含量為1.78%,Fe2O3平均含量為2.33%,Fe2O3/FeO值為1.31;灰色砂巖FeO平均含量為1.65%,Fe2O3平均含量為1.59%,Fe2O3/FeO值為0.96;灰色砂巖中的S2-含量(0.04%)、有機(jī)碳含量(0.13%)高于綠色砂巖中的S2-含量(0.02%)、有機(jī)碳含量(0.06%)(表2)。上述特征說(shuō)明延安組Ⅰ巖段綠色砂巖表現(xiàn)為氧化環(huán)境。

表2 延安組Ⅰ、Ⅴ巖段砂巖與直羅組下段層間氧化帶砂巖環(huán)境指標(biāo)對(duì)比

延安組Ⅰ巖段巖石原生地球化學(xué)類型受古氣候條件和沉積、成巖環(huán)境以及地層中所含有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦和煤層控制,表現(xiàn)為灰色砂巖。根據(jù)延安組Ⅰ巖段灰色砂巖中取樣分析結(jié)果(表3),灰色砂巖中有機(jī)碳、S2-含量均比綠色砂巖中的高,分別為0.13%、0.04%，F(xiàn)e2O3/FeO值為0.96。因此,延安組Ⅰ巖段灰色砂巖表現(xiàn)為還原環(huán)境。

5.5 與直羅組巖石地球化學(xué)特征對(duì)比

從表2可以看出,延安組中綠色砂體Fe2O3/FeO值為1.31,遠(yuǎn)大于直羅組綠色砂體中的Fe2O3/FeO值(0.55),且延安組綠色砂巖Fe2O3含量明顯大于直羅組綠色砂巖,而有機(jī)碳含量相對(duì)較低,表明延安組綠色砂巖氧化能力大于直羅組綠色砂巖。延安組與直羅組灰色砂巖中有機(jī)碳含量基本一致,而延安組S2-含量明顯低于直羅組,表明直羅組灰色砂巖具有更強(qiáng)的還原能力。

6 鈾成礦條件分析

6.1 鈾礦物質(zhì)來(lái)源

鄂爾多斯盆地東北部目的層的鈾礦物質(zhì)主要來(lái)自于蝕源區(qū)巖石。盆地西北部、北部大面積分布的太古宙、早元古代結(jié)晶巖系和不同時(shí)代的花崗巖類巖體中U含量較高,是研究區(qū)內(nèi)中侏羅統(tǒng)直羅組與延安組主要鈾物質(zhì)來(lái)源[2,30]。

盆地東北部的延安組和直羅組形成于溫濕向干旱轉(zhuǎn)變的氣候條件,富含大量的腐殖質(zhì)、炭質(zhì)和煤層。這些有機(jī)質(zhì)和微生物對(duì)U具有吸附作用,也具有較強(qiáng)的鈾吸附還原能力,使地層在沉積過(guò)程中預(yù)富集了大量U[37]。延安組與直羅組砂巖的U含量分別高達(dá)12.8×10-6和15.8×10-6(表4),可作為后期鈾成礦的重要內(nèi)部鈾源。延安組外部鈾源豐富,來(lái)源廣泛,完全具備形成層間氧化帶型鈾礦的物質(zhì)條件。

表4 中侏羅統(tǒng)鈾含量分析結(jié)果

6.2 砂體條件

水成鈾礦理論認(rèn)為,尋找有利的河道砂體是找礦的先決條件之一[38]。鄂爾多斯盆地北部直羅組賦礦砂體主要為直羅組下段辮狀河沉積砂體及部分中段曲流河砂體[5-6,39-40]。延安組Ⅰ巖段以辮狀河沉積為主,具有砂體厚度大、滲透性好等特點(diǎn)。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ巖段砂體欠發(fā)育,但泥巖、粉砂巖發(fā)育,是延安組Ⅰ巖段良好的隔水頂板,其下伏地層延長(zhǎng)組褐紅色泥巖可作為延安組Ⅰ巖段的隔水底板。延安組Ⅴ巖段以曲流河沉積為主,剖面上具“泥→砂→泥”結(jié)構(gòu),砂巖結(jié)構(gòu)成熟度低,有機(jī)質(zhì)及黃鐵礦含量極高,屬于強(qiáng)原生還原地球化學(xué)障。因此,延安組Ⅰ、Ⅴ巖段存在有利于層間氧化帶形成的砂體條件。

6.3 古氣候條件

古氣候演化對(duì)鈾富集與成礦起著重要作用[42]。鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦成礦作用發(fā)生在干旱氣候條件下,或由潮濕向干旱的氣候轉(zhuǎn)變階段[43]。這種氣候條件有利于鈾源體的強(qiáng)烈剝蝕氧化,使鈾轉(zhuǎn)入水體,有利于含氧含鈾水沿高滲透的砂巖層向深部遷移,發(fā)育層間氧化帶，從而使鈾充分遷移并發(fā)生次生富集[21]。朱強(qiáng)等研究表明,直羅組形成于干旱—半干旱氣候環(huán)境,延安組是在溫暖潮濕向半干旱氣候轉(zhuǎn)變的氣候條件下形成的[15]。在延安組沉積后,除早白堊世有短期溫濕氣候外,其他時(shí)期均以干燥氣候?yàn)橹鳌Ｅ璧丶爸苓呂g源區(qū)長(zhǎng)期處于風(fēng)化剝蝕狀態(tài),有利于蝕源區(qū)含氧含鈾水向盆中運(yùn)移,并發(fā)生氧化作用。因此,盆地演化過(guò)程中古氣候條件的變化有利于后生鈾成礦。

6.4 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件對(duì)于后生成因的層間氧化帶型鈾礦形成具有極為重要的作用[44]。產(chǎn)鈾的沉積盆地應(yīng)是大型自流水盆地,有豐富的水源補(bǔ)給區(qū),有巖層產(chǎn)狀舒緩的長(zhǎng)距離徑流區(qū)(有利于地下水緩慢流動(dòng)和砂巖的充分氧化),并有明顯的排泄區(qū)[21]。

研究區(qū)內(nèi)侏羅紀(jì)盆地總體上顯示為NW向高SE向低的丘陵古地形,古地形為SN向微傾斜的趨勢(shì)。中侏羅世沉積期,在盆地內(nèi)形成了延安組、直羅組等多層河流-三角洲相砂體,存在相對(duì)穩(wěn)定的“隔水→含水→隔水”水文地質(zhì)結(jié)構(gòu),平面展布規(guī)模大,連通性好,具備有利于層間氧化帶發(fā)育的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。在晚侏羅世滲入期,古氣候轉(zhuǎn)為半干旱、干旱環(huán)境,氧化作用發(fā)育,來(lái)自北部及東部古隆起上的含氧含鈾水直接滲入補(bǔ)給,古地下水流向與當(dāng)時(shí)的沉積物遷移和地層相帶展布方向基本保持一致,有利于U穩(wěn)定遷移、層間氧化帶穩(wěn)定發(fā)育及U在氧化帶前鋒線附近富集成礦。

6.5 層間氧化帶條件

層間氧化帶越發(fā)育,分帶越明顯,則礦化越好。東勝鈾礦的鈾礦體全部產(chǎn)于氧化-還原過(guò)渡帶中,當(dāng)完全氧化帶中出現(xiàn)殘留的灰色原始還原帶時(shí)則發(fā)生鈾礦化。綠色的古層間氧化帶不僅是二次還原的產(chǎn)物,而且直接控制鈾礦化和鈾異常擴(kuò)散暈[45]。延安組Ⅰ、Ⅴ巖段均發(fā)育區(qū)域性的層間氧化帶，且層間氧化帶分布廣,分帶性明顯。延安組Ⅴ巖段古層間氧化帶平面上形成NW向氧化帶前鋒線,并在氧化帶前鋒線附近已發(fā)現(xiàn)工業(yè)礦化。在平面上,延安組Ⅰ巖段鈾礦化體主要產(chǎn)于氧化帶前鋒線附近的氧化-還原過(guò)渡帶砂巖內(nèi)。未氧化的砂巖富含有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦及低價(jià)釩等,或深部有油氣藏可能提供外來(lái)的還原物質(zhì)(CH4、H2S等)[21]。鈾礦化產(chǎn)于綠色砂巖與灰色砂巖過(guò)渡部位的灰色砂巖中。Ⅰ、Ⅴ巖段砂巖礦化部位均含有較多的植物碎屑、鏡煤條帶和黃鐵礦。因此,研究區(qū)內(nèi)延安組Ⅰ、Ⅴ巖段具備有利于鈾成礦的層間氧化帶條件。

7 結(jié) 語(yǔ)

(1)鄂爾多斯盆地東北部延安組屬河流-三角洲沉積體系,巖性由灰色—灰白色中細(xì)粒砂巖,深灰色粉砂巖、泥巖、泥灰?guī)r、油頁(yè)巖及煤層等組成。巖性粒度分層明顯，自下而上可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等5個(gè)巖段。Ⅰ、Ⅱ和Ⅴ巖段粒度較粗,賦存煤層厚,但穩(wěn)定性差,Ⅲ、Ⅳ巖段粒度較細(xì),賦存煤層多而薄。Ⅰ、Ⅴ巖段具備有利層間氧化作用的“泥→砂→泥”地層結(jié)構(gòu),砂體發(fā)育厚度較大，連通性好,沉積類型分別為辮狀河沉積與曲流河沉積。

(2)延安組Ⅰ、Ⅴ巖段中的灰色砂巖有機(jī)碳、S2-含量比綠色砂巖高,且Fe2O3/FeO值高于直羅組灰色砂巖,具備較強(qiáng)的原生地球化學(xué)還原障,在氧化帶前鋒線附近均發(fā)育不同程度的鈾礦化,并且鈾礦化主要以鈾石為主。

(3)延安組具有豐富的鈾源條件,有利的砂體、古氣候和水文地質(zhì)條件,尤其是Ⅰ、Ⅴ巖段的層間氧化帶發(fā)育較好且分帶明顯,其氧化-還原過(guò)渡帶中的氧化帶前鋒線附近灰色砂巖具有較大的鈾成礦潛力。

野外工作得到了核工業(yè)二〇八大隊(duì)苗愛生研究員、王貴工程師等給予的支持和幫助,在此一并致以誠(chéng)摯的謝意!