鄂爾多斯盆地南緣彬州地區(qū)直羅組巖石地球化學(xué)與鈾富集特征*

魏安軍 郝關(guān)清 趙天林 尹永朋

（中陜核工業(yè)集團地質(zhì)調(diào)查院有限公司）

鄂爾多斯南緣鈾成礦帶是近年來研究的重要區(qū)域，圍繞黃陵—宜君—旬邑—彬州一帶開展了大量鈾礦勘查工作，已發(fā)現(xiàn)了雙龍鈾礦床等一系列礦床（點），揭示了該成礦帶具有一定成礦潛力［1-2］。大量的研究工作主要圍繞黃陵地區(qū)開展，對直羅組下段的鈾礦地質(zhì)特征、富集規(guī)律等方面進行了大量研究［3-6］，對成礦帶的西部彬州一帶研究相對薄弱。本研究在該地區(qū)開展“煤鈾兼探”工作基礎(chǔ)上，從彬州地區(qū)直羅組下段發(fā)現(xiàn)的鈾礦化信息出發(fā)，結(jié)合含鈾巖系地層巖石學(xué)礦物學(xué)特征、化學(xué)蝕變指數(shù)及環(huán)境地化指標(biāo)等，對該地區(qū)鈾儲層特征及鈾富集規(guī)律進行綜合研究，為后續(xù)勘查研究工作提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是我國大型的中新生代疊合盆地，也是重要的能源基地［7］。研究區(qū)位于盆地的東南緣，處于渭北隆起與陜北斜坡的過渡部位。地層整體走向北東，向西北緩傾［8-9］。構(gòu)造較簡單，以褶皺變形為主，斷裂不發(fā)育，侏羅系、白堊系、三疊系地層均受到褶皺構(gòu)造的影響［10］。通過鉆孔揭露地層從上至下分別為第四系、新近系、華池環(huán)河組、洛河組、宜君組、直羅組以及延安組。第四系在區(qū)內(nèi)分布廣泛，其余地層出露極少（圖1）。

2 樣品分析方法與結(jié)果

本次研究工作的主要內(nèi)容為探究直羅組鈾儲層物質(zhì)組成、古氣候特征以及鈾元素富集規(guī)律。采集直羅組鈾儲層的巖芯樣品，通過薄片觀察查明巖石礦物、膠結(jié)物組成；利用全巖主量元素分析計算化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）來判斷巖石沉積過程中的古氣候特征。在充分對比鈾儲層中礦層與圍巖環(huán)境地化指標(biāo)的基礎(chǔ)上，分析鈾與有機質(zhì)、S、CO32-等指示元素的相關(guān)性，進而判斷該地區(qū)鈾富集過程中規(guī)律與特征。

本次研究的樣品采集自鄂爾多斯盆地南緣彬州地區(qū)的鈾礦調(diào)查鉆孔巖心。樣品全部取自直羅組下段目的層砂巖中的礦石與圍巖。采集目的層砂體樣品9件進行主量元素分析，以及部分薄片鑒定樣品。采集礦石樣品14件，圍巖樣品25件進行環(huán)境地化分析。主量元素全分析在核工業(yè)二〇三研究所分析測試中心完成，采用Axios X射線光譜儀測定。環(huán)境地化分析與薄片鑒定在中陜核工業(yè)集團綜合分析測試中心完成，分別采用iCAPQ型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、ICAP6300型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、TOC-L型總有機碳分析儀、G5CriusHF型碳硫分析儀以及透反射偏光顯微鏡分別測定。

3 分析結(jié)果與討論

3.1 礦層巖石學(xué)特征

直羅組下段為一套辮狀河沉積形成的灰色、灰綠色砂體［5］，砂巖粒度為細(xì)?！至?，由碎屑和填隙物組成，其中碎屑約占70%～90%，主要由石英長石組成，其次為巖屑、黑云母等，次棱角～次圓狀（圖2）。本次對巖石類型判斷采用朱筱敏［11］提出的判別圖解，在統(tǒng)計碎屑礦物組成的基礎(chǔ)上，根據(jù)石英、長石、巖屑的比例在圖解中進行投影（圖3），由投影結(jié)果可知，數(shù)據(jù)點主要落在長石質(zhì)石英砂巖的范圍內(nèi)，其次為長石巖屑質(zhì)石英砂巖。表明鈾儲層巖性以長石質(zhì)石英砂巖與長石巖屑質(zhì)石英砂巖為主，具有近物源沉積的特征。

薄片鏡下觀察可見石英顆粒呈無色，部分石英具有次生加大邊。長石主要由斜長石、條紋長石和微斜長石組成，以斜長石居多，可見聚片雙晶。黑云母為片狀，薄片下呈淡褐—淡綠色，多色性明顯，部分片晶在壓實作用下成彎曲形態(tài)。巖屑的主要成分為石英巖。巖石的膠結(jié)方式以孔隙式膠結(jié)為主。填隙物的主要成分為鈣質(zhì)、鐵質(zhì)和綠泥石。鈣質(zhì)為方解石，充填在碎屑顆粒之間，部分結(jié)晶程度較高；綠泥石呈微片狀；鐵質(zhì)充填在碎屑顆粒之間形成膠狀，部分鐵質(zhì)礦物發(fā)生褐鐵礦化（圖4）。反映了灰色、灰綠色砂巖中存在后生氧化流體的改造，代表了層間氧化成礦作用的發(fā)生。

3.2 礦層沉積古氣候特征

碎屑巖的化學(xué)組成主要繼承于源區(qū)，受到源區(qū)性質(zhì)、風(fēng)化、搬運等因素的影響［12-13］?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)CIA（式（1））可反映物源區(qū)的風(fēng)化程度，進而判斷碎屑巖沉積形成期的氣候條件。較高的CIA值反映了溫暖、潮濕氣候下相對較強的風(fēng)化程度；反之則為寒冷、干燥氣候下的弱風(fēng)化程度。Fedo等［14］總結(jié)得出，CIA=50～60反映了寒冷、干燥氣候下弱的風(fēng)化程度；CIA=60～80反映了溫暖、濕潤氣候下中等風(fēng)化程度；CIA=80～100反映了炎熱、潮濕氣候下強烈風(fēng)化程度［14］。

式中，各組分含量中的n均表示物質(zhì)的摩爾數(shù)；CaO*為硅酸鹽中的CaO含量。

在計算化學(xué)蝕變指數(shù)CIA之前，首先要考慮沉積再旋回作用的影響，判斷樣品是否適合計算。再旋回的母巖物質(zhì)在經(jīng)歷二次風(fēng)化后，不能準(zhǔn)確地反映源區(qū)風(fēng)化程度及古氣候［15］。Cox等［16］提出的成分變異指數(shù)ICV用來判斷物源區(qū)物質(zhì)是否經(jīng)歷了再旋回作用。成分變異指數(shù)ICV的計算公式如下［16］。

式中，各組分含量中的n均表示物質(zhì)的摩爾數(shù)。

ICV＜1，說明樣品中含有較高的黏土組分，代表可能經(jīng)歷了再旋回作用或首次沉積后遭受了強烈的風(fēng)化。ICV＞1，說明含有較高的硅酸鹽礦物，屬于構(gòu)造背景下的首期沉積［17］。本次樣品的ICV值介于1.044～1.990，平均為1.482，ICV值均＞1，不存在再旋回作用的影響，可用于CIA的計算。

CIA的計算中還需要考慮成巖作用過程中鉀交代作用會代入新的鉀元素，而導(dǎo)致計算結(jié)果偏低。因此計算的CIA值需要進行鉀交代作用的修正才能得到準(zhǔn)確的值。本次采用A-CN-K組分的三角圖解（圖5）修正鉀交代作用［19］，圖中①代表了理論風(fēng)化趨勢，即沒有發(fā)生鉀交代作用的變化范圍。本次樣品均偏離了理論趨勢線，大致沿著②演化。修正后的CIA*值的范圍介于③～④，一部分樣品落在了⑤～⑥，代表了溫暖潮濕氣候下的中等風(fēng)化強度，另一部分則落在⑥以上，代表了炎熱、潮濕氣候下強分化作用。整體反映了由溫暖潮濕向炎熱潮濕過渡的特征。

最終計算得到化學(xué)蝕變指數(shù)CIA介于72.9～84.9，平均為78.6（圖5）。其中5個樣品的CIA值介于72.9～76.5，平均為74.6（處于60～80），反映了溫暖、濕潤氣候下中等風(fēng)化作用；4個樣品的CIA值＞80（處于81.4～84.9，平均83.3），反映了炎熱、潮濕氣候下強烈風(fēng)化作用。直羅組下段目的層整體形成于溫暖潮濕氣候之下，古氣候逐步向炎熱、潮濕變化的趨勢已初步顯現(xiàn)出來，進而向直羅組沉積晚期炎熱、干旱的沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變。

3.3 鈾與環(huán)境地化指標(biāo)相關(guān)性

層間氧化砂巖型鈾成礦為次生成礦作用，由含鈾含氧的流體通過補給區(qū)進入原生還原地層中，與地層發(fā)生巖水反應(yīng)，消耗地層中的還原物質(zhì)，進而導(dǎo)致鈾的還原、卸載、富集。鈾元素豐度與環(huán)境地化指標(biāo)的相關(guān)性，間接反映了鈾富集過程與還原劑礦物的關(guān)系。通過采集目的層砂體礦層與圍巖樣品，對鈾及環(huán)境地化指標(biāo)分析，進而研究鈾成礦過程中的富集規(guī)律。

3.3.1 鈾與有機碳特征

礦層中有機碳含量在0.01%～0.84%，平均為0.17%；圍巖中有機碳含量在0.01%～0.46%，平均為0.12%。礦層與圍巖中有機碳含量相差較小，且整體偏低，與原生沉積富集作用和次生氧化帶發(fā)育過程中對有機質(zhì)的消耗有關(guān)。礦層中有機碳含量略高于圍巖，并且與鈾呈正相關(guān)，而在圍巖中有機碳與鈾的變化無明顯相關(guān)性，這一現(xiàn)象在高品位礦石中尤為明顯，而中低品位礦石中則變化較大（圖6）。表明了含礦層中有機碳對鈾的富集作用起到了重要作用，但并不是鈾富集的主要因素。

3.3.2 鈾與全S特征

礦層中全S的含量在0.13%～3.21%，平均為1.00%；圍巖中全S含量在0.034%～1.66%，平均為0.65%。礦層中硫含量偏高，與黃鐵礦的局部富集有關(guān)（圖7）。全S在礦層與圍巖中的表現(xiàn)與有機碳相似，礦層中全S與鈾呈較強的正相關(guān)，在各品位礦石中均表現(xiàn)一致。地層中的硫主要以硫酸鹽與硫化物的形式存在，通過觀察發(fā)現(xiàn)目的層中黃鐵礦分布較廣泛，是硫的主要賦存形式，因此，全S的表現(xiàn)特征間接代表了地層中黃鐵礦的特征。因此，認(rèn)為在鈾的富集過程中黃鐵礦起到了重要的還原作用，是鈾富集的最主要影響因素。

3.3.3 鈾與CO32-特征

礦層中CO32-的含量在0.83%～7.72%，平均為3.53%；圍巖中CO32-含 量在0.8%～12.1%，平均為3.68%。礦層與圍巖中CO32-的含量基本一致，并且CO32-與鈾相關(guān)性不明顯（圖8）。表明碳酸鹽的富集主要與地層成巖作用有關(guān)，后期的鈾成礦過程中沒有碳酸鹽的遷移現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

（1）直羅組下段目的層主要為長石質(zhì)石英砂巖，其次為長石巖屑質(zhì)石英砂巖，以孔隙式膠結(jié)為主。填隙物的主要成分為方解石、鐵質(zhì)和綠泥石，見褐鐵礦化，與次生成礦作用相關(guān)。

（2）化學(xué)蝕變指數(shù)CIA反映直羅組下段目的層整體形成于溫暖潮濕氣候之下，古氣候逐步向炎熱、潮濕變化的趨勢已初步顯現(xiàn)出來，進而向直羅組沉積晚期炎熱、干旱的沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變。

（3）有機質(zhì)與全S均與鈾呈正相關(guān)，其中黃鐵礦的相關(guān)性更強。表明了鈾的富集作用過程中有機質(zhì)與黃鐵礦起到了重要作用，充當(dāng)了主要的還原劑，影響了鈾成礦作用的發(fā)生。碳酸鹽與鈾成礦作用基本無關(guān)，與地層沉積成巖作用相關(guān)。