鄂爾多斯盆地直羅組與洛河組砂巖型鈾礦成礦地質(zhì)特征及對比研究

朱 強，吳 越，文思博，王 予，李光耀，司慶紅，趙華雷

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心,天津 300170;2.中國地質(zhì)調(diào)查局鈾礦地質(zhì)重點實驗室,天津 300170;3.華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心,天津 300170;4.中國石油長慶油田分公司勘探事業(yè)部,西安 710018)

鄂爾多斯盆地是我國中西部重要的含能源礦產(chǎn)盆地，東北部盆地邊緣分布有皂火壕、納嶺溝、大營、罕臺廟等砂巖型鈾礦床，南部分布有雙龍、店頭、國家灣等砂巖型鈾礦床，已發(fā)現(xiàn)的鈾礦床含礦層位主要為中侏羅統(tǒng)直羅組，埋深一般小于700 m，近年來，中國地質(zhì)調(diào)查局組織的鈾礦勘查工作證實，盆地西南洛河組中同樣具有工業(yè)意義的鈾礦體，該砂巖型鈾礦床位于盆地內(nèi)部，含礦砂體埋深800 m以深，隸屬于風(fēng)成沉積體系，是一種新類型的砂巖型鈾礦床[1]，西南部地區(qū)不僅找礦潛力巨大，而且科研價值較高。已有研究結(jié)果表明，盆地東北部中侏羅統(tǒng)直羅組與西南部下白堊統(tǒng)洛河組鈾礦化特征存在許多相似之處，但也有明顯的差異，兩種類型鈾礦床對比研究，可以為分析鄂爾多斯盆地東北部和西南部鈾礦床成礦條件及成因提供重要的科學(xué)依據(jù)，并對今后尋找類似鈾礦床提供參考意義。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北陸塊西部，是我國中生代典型的大型內(nèi)陸沉積盆地之一，蘊藏有豐富的石油、天然氣、煤炭、鈾礦、油頁巖等多種能源礦產(chǎn)，盆地東北部杭錦旗地區(qū)、西南部涇川地區(qū)是近幾年的鈾礦勘查與研究的熱點區(qū)域。

涇川地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部，研究區(qū)隸屬慶陽市，地處陜北斜坡南部、天環(huán)坳陷南端及渭北隆起交界處[2]，東北側(cè)毗鄰著名的長慶油氣田。區(qū)域構(gòu)造較為發(fā)育，以北西向、近南北向斷裂構(gòu)造為主。中新生代蓋層發(fā)育有上三疊統(tǒng)延長群、侏羅系、下白堊統(tǒng)、漸新統(tǒng)、上新統(tǒng)和第四系，下白堊統(tǒng)自下而上包括宜君組、洛河組、環(huán)河-華池組、羅漢洞組和涇川組，沉積相和沉積巖類型多樣（圖1），其中主要的含礦層位為洛河組，目的層沉積類型主要為風(fēng)成沉積體系，地層傾角較緩，多發(fā)育交錯層理和斜層理，以淺灰色、淺灰綠色、黃色、紅色細砂巖為主，其次為中砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖，泥巖、粉砂巖較少見，僅發(fā)育薄層夾層，橫向上不連續(xù)，不屬于穩(wěn)定的隔水層[3,4]。

杭錦旗地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部，隸屬鄂爾多斯市，西鄰大營特大型鈾礦床,東近納嶺溝大型鈾礦床,地處盆地北緣伊盟隆起的中北部（圖1）。中侏羅統(tǒng)直羅組具有適宜的還原介質(zhì)條件和還原流體運移通道[5-10]，是該區(qū)主要的找礦目的層，目的層沉積類型主要為辮狀河及辮狀河三角洲沉積體系，巖性主要包括灰色、灰綠色中粗砂巖、紅色粉砂巖、泥巖，直羅組與上覆白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）不整合接觸，與下伏延安組（J1-2y）平行不整合接觸。自中侏羅世晚期后，該區(qū)構(gòu)造形態(tài)由北西向南東傾斜漸變?yōu)橛杀睎|向南西傾斜的緩單斜構(gòu)造，基本不發(fā)育斷層和褶皺。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造綱要圖及研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Structural outline map of Ordos Basin and location schematic diagram of the study area

2 洛河組鈾礦化特征

2.1 礦體空間展布特征

鈾礦體主要賦存在洛河組下部淺灰色細砂巖、砂礫巖中，少量富集于紅色細砂巖中，垂向上位于紅色細砂巖或黃色細砂巖與淺灰色細砂巖接觸位置的下部，更偏向于淺灰色細砂巖一側(cè)，礦體呈層狀，似層狀和透鏡狀，與地層產(chǎn)狀基本一致，礦化層一般1～2層，部分鉆孔中相鄰兩層礦體中間夾紅色細砂巖條帶（圖2）。

圖2 鎮(zhèn)原地區(qū)洛河組-環(huán)河華池組砂體聯(lián)井剖面圖Fig.2 The profile of sand body from Luohe formation to Huanhe Huachi Formation in Zhenyuan area

2.2 沉積體系類型及特征

洛河組沉積時期氣候炎熱干旱，砂體交錯層理或斜層理發(fā)育（圖3a-c），局部發(fā)育波狀層理，主要為礫質(zhì)辮狀河沉積、風(fēng)成河流交互沉積和風(fēng)成沉積等，其中研究區(qū)偏西側(cè)為沖積扇-礫質(zhì)辮狀河道沉積，東側(cè)為風(fēng)成沙漠沉積，風(fēng)成沉積體系下碎屑物石英含量較高，顆粒磨圓度較圓，分選性好（圖3d），結(jié)構(gòu)疏松，孔隙發(fā)育，橫向連通性良好，礦體主要位于孔滲性較好的沙丘亞相中，少量位于辮狀河道中。

圖3 鎮(zhèn)原地區(qū)洛河組砂巖宏觀、微觀特征Fig.3 Macro and micro characteristics of Luohe Formation sandstone in Zhenyuan area

2.3 巖石礦物學(xué)及還原介質(zhì)特征

洛河組砂體主要為紅色、淺黃色、灰色、淺灰綠色中-細粒長石巖屑砂巖或巖屑長石砂巖，少量巖屑石英砂巖和石英砂巖，未見炭屑，除礦段外，黃鐵礦、鈦鐵礦含量相對少見，并且金屬礦物粒徑較小，在顯微鏡下黃鐵礦以他形粒狀、膠狀、膠結(jié)物狀為主，莓球狀黃鐵礦含量較少，其中膠狀黃鐵礦與瀝青鈾礦的伴生關(guān)系最為常見，鈦鐵礦氧化蝕變程度差異較大，自中心向外側(cè)呈現(xiàn)鈦鐵礦-銳鈦礦-瀝青鈾礦的環(huán)帶結(jié)構(gòu)，黃鐵礦與鈦鐵礦、銳鈦礦多伴生產(chǎn)出。

洛河組風(fēng)成砂巖的內(nèi)部還原介質(zhì)十分缺乏，目前的巖石學(xué)和有機地球化學(xué)證據(jù)均顯示，目的層灰色砂層的空間展布與斷裂構(gòu)造及次生油氣藏關(guān)系密切，砂巖內(nèi)富含沿裂隙貫入的深層含烴流體[11]，洛河組下部砂巖中可見到明顯的油浸、油斑或油跡，顯微鏡下見熒光[1]（圖4a，b，c），砂巖膠結(jié)物中發(fā)育大量的油氣包裹體[12]，經(jīng)檢測含礦砂巖及下部圍巖中吸附氣主要有甲烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷和二氧化碳，非礦段烴類氣體含量較低[13]，反映出烴類氣體與砂巖型鈾礦空間賦存位置一致，還原機理為深層烴類流體沿結(jié)構(gòu)裂縫、粒度較粗部位或?qū)永砉嗳爰t色砂巖（圖4d，e，f），引起了含礦目的層中的氧化-還原分區(qū)和鈾礦的沉淀[11]，初步推斷還原性流體來源于上三疊統(tǒng)延長組[1]。

圖4 鎮(zhèn)原地區(qū)洛河組砂巖中烴類流體作用痕跡Fig.4 Traces of hydrocarbon fluid migration in the sandstone of Luohe formation in Zhenyuan area

2.4 鈾礦物類型及主要賦存狀態(tài)

鈾礦物類型主要為瀝青鈾礦、含鈦鈾礦物，基本未見鈾石，瀝青鈾礦中UO2平均含量為81.5%，SiO2平均含量為1.92%，鈾礦物與黃鐵礦、磷灰石、綠泥石伴生關(guān)系最緊密，與他形、半自形黃鐵礦相關(guān)性不強（圖5a），多分布在膠狀黃鐵礦裂隙中或周邊（圖5b），蝕變鈦鐵礦周邊（圖5c），或被短柱狀磷灰石（圖5d，e）、針葉狀綠泥石吸附（圖5f）。通過野外現(xiàn)場伽瑪檢測，結(jié)合實驗室分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該區(qū)灰色砂巖中含礦性整體強于紅色砂巖。

圖5 洛河組砂巖中鈾礦物賦存特征Fig.5 Occurrence characteristics of uranium minerals in the sandstone of Luohe formation

3 直羅組鈾礦化特征

3.1 礦體空間展布特征

鈾礦體主要分布在直羅組下部灰綠色、灰色中、粗砂巖中，垂向上位于灰白色砂巖與灰綠色、灰色砂巖接觸位置的上部，更加遠離灰白色砂巖一側(cè)，礦體主要呈層狀，與地層產(chǎn)狀基本一致，礦化層一般1層，部分鉆孔中為2層（圖6）。

圖6 杭錦旗地區(qū)NW-SE向鉆孔聯(lián)井剖面圖Fig.6 NW-SE cross-hole section in Hangjinqiarea

3.2 沉積體系類型及特征

根據(jù)沉積環(huán)境與古氣候特點，將直羅組劃分為上段及下段，其中上段為一套紅色碎屑巖建造，以洪泛沉積為主，砂體不發(fā)育，呈“泥包砂”結(jié)構(gòu)，橫向連通性差，為曲流河-曲流河三角洲沉積，直羅組下段為灰色、灰綠色碎屑巖建造，辮狀河砂體發(fā)育，可進一步劃分為下亞段的辮狀河-辮狀河三角洲沉積及上亞段的辮狀河-曲流河過渡沉積，下亞段砂體呈“砂包泥”結(jié)構(gòu)，滲透性強，橫向連通性好。

3.3 巖石礦物學(xué)及還原介質(zhì)特征

直羅組下段含礦砂巖主要是灰色、灰綠色中粗粒長石巖屑砂巖和巖屑砂巖[6]，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，少量菱鐵礦膠結(jié)。還原介質(zhì)類型多樣，以碳屑、黃鐵礦、鈦鐵礦為主（圖7a，b，c），此外，高嶺石、蒙脫石等適宜吸附鈾礦物的粘土礦物含量豐富。黃鐵礦類型多樣，包括莓球狀、自形、他形、膠狀，其中以膠狀黃鐵礦最為常見，并且與鈾礦伴生關(guān)系最為緊密，其次為莓球狀黃鐵礦。鈦鐵礦呈碎屑顆粒狀，氧化蝕變現(xiàn)象較嚴重，從中心向外側(cè)多呈現(xiàn)鈦鐵礦-銳鈦礦-鈾石的環(huán)帶結(jié)構(gòu)。

圖7 杭錦旗地區(qū)直羅組砂巖中有機質(zhì)及烴類流體作用痕跡Fig.7 Types of organic matter and traces of hydrocarbon fluid migration in the sandstone of Zhiluo formation in Hangjinqiarea

鉆孔巖心中可見紅色泥質(zhì)粉砂巖中夾黃褐色細砂巖、灰綠色細砂巖、灰白色細砂巖條帶或團塊，紅色粉砂質(zhì)泥巖中由外向中心部位依次夾黃褐色細砂巖、灰綠色中砂巖、灰白色粗砂巖團塊，灰綠色細砂巖中的紅色氧化殘留現(xiàn)象（圖7d，e，f）。陳宏斌等（2006）對東勝鈾礦床直羅組中不同顏色巖石進行紫外熒光強度分析發(fā)現(xiàn)，綠色巖石較高，灰綠色次之，紫紅色和藍綠色較低，巖石在320～360 nm激發(fā)波長時出現(xiàn)熒光強度峰值，與輕質(zhì)油、天然氣的熒光特征相似，說明綠色巖石中含有較高的烴類物質(zhì)，其發(fā)生過以天然氣為主的油氣聚集[14]，研究區(qū)有關(guān)烴類流體的來源仍存在一些爭議，尤其是下古生界奧陶系碳酸鹽巖和上古生界煤系地層的貢獻仍有待進一步明確，但長期以來多數(shù)學(xué)者認可，盆地中心古生界天然氣（油）沿斷裂向北部大規(guī)模的運移造成了該區(qū)烴類流體的富集和灰綠色砂巖的形成[15-17]。雖然古生界烴類流體增強了直羅組地層的還原能力，但目前并沒有直接的證據(jù)證實它們在砂巖型鈾礦形成過程中起到了唯一的主導(dǎo)作用，我們通過對含礦砂巖與不含礦砂巖中有機地球化學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)萜、甾類化合物含量及特征并沒有明顯的差別，前人研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)直羅組鈾成礦作用總是與上覆的薄煤層或者煤線相伴而生[5]，鈾儲層酸解烴類主要是CH4，與來自煤層的煤層氣主成分一致[18]，我們前期通過對典型參數(shù)的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)鈾礦體厚度與延安組煤層的厚度、直羅組炭屑層數(shù)正相關(guān)性明顯[19]，鉆孔巖心中可見含瀝青質(zhì)的鏡煤，顯微鏡下觀察到炭屑等有機質(zhì)周邊吸附了鈾石[6]，野外露頭中延安組與直羅組交界處可見大量的球狀黃鐵礦，并且高嶺土化明顯，黃鐵礦與高嶺石的形成與延安組煤層密切相關(guān)，而黃鐵礦與高嶺石在含礦目的層含量豐富，并且與鈾石伴生緊密，具有成因聯(lián)系。宏觀與微觀現(xiàn)象均反映出直羅組下段砂巖除了遭受了深部油氣還原作用外，還受到延安組煤層產(chǎn)生的烴類流體作用，并且下伏延安組煤層、直羅組底部炭屑由于距離近，分布范圍較廣，既能充當(dāng)鈾酰離子的吸附劑，又可以作為有利的還原劑在鈾成礦過程中可能起到了更為直接的作用[19]（圖7g）。

3.4 鈾礦物類型及主要賦存狀態(tài)

鄂爾多斯盆地東北部淺部含鈾巖系中鈾礦物最主要的類型為鈾石,其次為含鈦鈾礦物、瀝青鈾礦等。UO2平均含量為64.69%，SiO2平均含量為18.89%，鈾礦物顆粒細?。?.001～0.03 mm），與黃鐵礦、炭屑（有機質(zhì)）、高嶺石等伴生關(guān)系最為常見，少見與綠泥石的伴生現(xiàn)象。鈾石多吸附在莓球狀、黃鐵礦裂隙中、膠狀黃鐵礦邊緣（圖8a，b，c），或分布在炭屑等有機質(zhì)邊緣（圖8d，e，f），或被粘土礦物吸附。

圖8 直羅組砂巖中鈾礦物賦存特征Fig.8 Occurrence characteristics of uranium minerals in the sandstone of Zhiluo formation

同樣根據(jù)野外伽瑪檢測，結(jié)合實驗室分析，淺灰色砂巖中含礦性整體強于灰白色砂巖，又強于灰綠色砂巖，這是由于灰色砂巖中植物炭屑、黃鐵礦最為發(fā)育，灰白色砂巖中高嶺石發(fā)育，而灰綠色砂巖中植物炭屑、高嶺石較少，并且黃鐵礦以成巖期的自形粒狀黃鐵礦居多，相較另外兩者不利于鈾礦的沉淀富集。

4 直羅組與洛河組關(guān)鍵控礦要素對比

從沉積體系、粘土礦物、古氣候、還原介質(zhì)（有機質(zhì)、黃鐵礦、鈦鐵礦）、特征礦物等幾個方面對鄂爾多斯盆地東北部和西南部砂巖型鈾礦關(guān)鍵控礦要素的異同進行對比（表1），初步建立了盆地北部直羅組（圖9a）、南部洛河組（圖9b）砂巖型鈾礦床控礦機理模型。

圖9 直羅組與洛河組砂巖型鈾礦床控礦機理模型（圖a據(jù)焦養(yǎng)泉等，2018修改）[5]Fig.9 Ore-controlling mechanism model of sandstone-type uranium deposits in Zhiluo Formation and Luohe Formation

表1 直羅組和洛河組砂巖型鈾礦主要控礦因素對比Table 1 Comparison of main ore controlling factors of sandstone type uranium deposits between Zhiluo Formation and Luohe Formation

沉積體系：直羅組下段下亞段為辮狀河-辮狀河三角洲沉積體系，砂體疏松、孔隙度大、滲透率高，上段曲流河沉積，下部延安組泥巖，具備“泥-砂-泥”的地層結(jié)構(gòu)特征。洛河組下段為風(fēng)成沉積體系，砂體同樣疏松、滲透性好，上部環(huán)河華池組湖相沉積，洛河組底部大套鈣質(zhì)砂巖，下伏安定組粉砂巖或泥灰?guī)r發(fā)育，同樣具備“泥-砂-鈣”或者“泥-砂-泥”的地層結(jié)構(gòu)，均屬于有利于礦體賦存的良好鈾儲層。

粘土礦物：直羅組下段粘土礦物總量較高，以蒙皂石+伊/蒙混層+綠泥石為主,下亞段含礦砂巖中的黏土礦物以高嶺石+伊/蒙混層+蒙皂石為主，其中高嶺石含量相對直羅組上段和直羅組下段上亞段具有明顯的升高，反映出砂體自下而上具有酸性-堿性的過渡變化特征，蒙皂石、伊蒙混層和高嶺石對鈾礦物具有較好的吸附性，是含鈾巖系中重要的吸附介質(zhì)。洛河組下部以伊/蒙混層+高嶺石+綠泥石+伊利石為主，但因其主體為風(fēng)成砂巖，粘土礦物總量較低，不是鈾礦富集的主要控制因素。

古氣候特征：直羅組下段為亞熱帶-暖溫帶半濕潤-半干旱氣候，洛河組沉積早期為亞熱帶干旱—半干旱氣候為主，局部出現(xiàn)短暫的濕熱氣候[1]，均是古氣候演化的轉(zhuǎn)折區(qū)和古氣候分帶之間的過渡區(qū)，對于砂巖型鈾礦的預(yù)富集和形成具有有利的控制作用[20-21]。

有機質(zhì)含量：直羅組下段砂巖中碳屑、酸解烴含量較高，礦段位置含量最高，礦化段次之，無礦段最低[10,18,22]，還原流體來源包括古生界天然氣（油）和延安組煤層[18-19,23-24]。洛河組砂巖中未見炭屑，僅含礦砂巖及圍巖部位有機質(zhì)含量較高，初步推測還原烴類來源為上三疊統(tǒng)延長組湖相頁巖[1]。雖然有機質(zhì)類型、來源和含量有所不同，但在礦段都有所富集，外部還原流體同樣都是鈾成礦的主控因素之一。

黃鐵礦、鈦鐵礦含量：黃鐵礦即是良好的還原介質(zhì)又是吸附介質(zhì)，蝕變鈦鐵礦可能主要起到吸附鈾礦物的作用[25-26]。直羅組下段砂巖中黃鐵礦、鈦鐵礦含量較高，礦段附近最高，且類型多樣，與鈾礦伴生關(guān)系緊密。而洛河組砂巖中金屬礦物含量較少，且顆粒細小，但在礦段位置同樣具有局部富集的現(xiàn)象。磷灰石含量：直羅組砂巖中基本未見磷灰石，P元素沒有明顯的富集現(xiàn)象，不是淺部砂巖型鈾礦的共生礦物類型，而在洛河組砂巖中磷灰石含量較高，P、Ca與U元素含量在空間上具有高度一致性，鈾礦物吸附在短柱狀磷灰石周緣，是研究區(qū)洛河組內(nèi)最重要的鈾礦伴生礦物之一。

砂體成因：直羅組下段沉積時期處于半濕潤-半干旱氣候轉(zhuǎn)折期，上段沉積時期處于半干旱氣候，因此直羅組上段以原生紅色沉積物為主，下部以原生灰色沉積物為主，疊加了后期含氧含鈾流體和還原流體的改造作用[27]。直羅組下段底部呈現(xiàn)灰白色蝕變砂巖，向上過渡為灰色、淺灰色蝕變砂巖，下段上部為灰綠色蝕變砂巖，受控于斷層分布、煤層范圍、沉積相變等因素，蝕變強度有所差異，紅色砂巖在其中零星分布，呈團塊狀殘留。洛河組沉積時期以原生紅色、黃色砂巖為主，間雜原生灰色河流相、濱湖相砂巖、粉砂巖，洛河組下部砂巖遭受了還原流體的改造，生成了灰色、淺黃色蝕變砂巖[28]。

鈾礦物類型不同：直羅組砂巖中鈾礦物以鈾石為主,少量含鈦鈾礦物、瀝青鈾礦等，而洛河組砂巖中鈾礦物以瀝青鈾礦、含鈦鈾礦物為主，基本未見鈾石。

5 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地東北部含鈾巖系為中侏羅統(tǒng)直羅組，屬于辮狀河-辮狀河三角洲沉積體系，具有“泥-砂-泥”地層結(jié)構(gòu)，豐富的有機質(zhì)（炭屑、酸解烴）、黃鐵礦、鈦鐵礦、蒙皂石、高嶺石等還原介質(zhì)或吸附介質(zhì)，還原流體來源包括古生界天然氣（油）和延安組煤層。鈾礦物主要為鈾石，少量含鈦鈾礦物、瀝青鈾礦。

（2）西南部含鈾巖系為下白堊統(tǒng)洛河組，屬于風(fēng)成沉積體系，同樣具備“泥-砂-泥”或“泥-砂-鈣”的地層結(jié)構(gòu)，未見炭屑，黃鐵礦、鈦鐵礦含量僅在礦段富集少量富集，粘土礦物總量不高，與鈾礦物相關(guān)性不如東北部河流沉積體系礦床中明顯，初步推測還原流體來源為上三疊統(tǒng)延長組。鈾礦物主要為瀝青鈾礦和含鈦鈾礦物。

（3）盆地西南部洛河組砂巖中磷灰石與鈾成礦關(guān)系密切，這種伴生關(guān)系在以往河流沉積體系下少見，因此在該盆地砂巖型鈾礦中特別是以風(fēng)成沉積體系為特色的鈾成礦中磷起到的作用值得進一步探索。