塔木素鈾礦床含鈾黃鐵礦特征及鈾成礦過程探討

李永，劉波，童勤龍，葉發(fā)旺

（1.核工業(yè)二〇八大隊，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室，北京 100029）

巴音戈壁盆地是中新生代陸相盆地，為我國重要的煤-油-鈾疊合盆地［1-2］。盆地內(nèi)鈾資源較豐富，已發(fā)現(xiàn)了塔木素特大型鈾礦床、測老廟小型鈾礦床和本巴圖鈾礦點。近年來，砂巖型鈾礦床具有可地浸和綠色環(huán)保的特點，同時其具有獨特的構(gòu)造背景和成礦地質(zhì)年代成為了礦床學(xué)研究的熱點［3］。

大多數(shù)學(xué)者關(guān)注了塔木素鈾礦床成礦地質(zhì)條件和成礦模式［4］，區(qū)域構(gòu)造演化，巖性-巖相［4］，成礦預(yù)測，礦床的形成年齡［5］，但以往的研究大多側(cè)重于層間氧化帶對礦床的控制作用，對礦床中賦鈾黃鐵礦特征及其共伴生元素的組合等研究較少。筆者在野外調(diào)研、巖心編錄和鏡下觀察基礎(chǔ)上，劃分了鈾成礦階段和期次。結(jié)合電子探針，厘定了各階段共（伴）生黃鐵礦的元素地球化學(xué)特征，建立了黃鐵礦形成模式并探討了成礦機理。

1 礦床地質(zhì)

塔木素鈾礦床位于巴音戈壁盆地因格井凹陷內(nèi)（圖1 a），凹陷類型為雙斷型［6］，在凹陷北部發(fā)育構(gòu)造斜坡帶［3］。

礦床內(nèi)主要的地層為巴音戈壁組、烏蘭蘇海組，其中主要目的層為下白堊統(tǒng)巴音戈壁組上段，為扇三角洲-湖泊沉積，可劃分為3 個巖段。一巖段為泥巖夾薄層粉砂巖，二巖段為一套砂巖和砂質(zhì)礫巖組合，三巖段為泥巖、粉砂巖和薄層砂巖互層。二巖段在平面上氧化-還原分帶明顯，西北部靠近蝕源區(qū)一側(cè)砂體完全氧化，向西南方向逐漸變?yōu)檠趸€原過渡帶（以下簡稱過渡帶）和還原帶（圖2）。

圖2 巴音戈壁組上段二巖段沉積體系及地球化學(xué)圖（據(jù)劉波，2020 修編）Fig.2 Sedimentary system and geochemistry map of the Second Segment of the upper member of Bayingebi formation（edited by Liu Bo，2020）

區(qū)內(nèi)巖漿巖主要分布于宗乃山隆起，為二疊紀和三疊紀花崗巖、花崗閃長巖和石英閃長巖，Th/U 值3.3～6.4，為礦床提供了豐富的鈾源［7-8］（圖1 a，b）。區(qū)內(nèi)分布3 條斷裂（圖1 b，c），分別為F1、F2和F3。下白堊統(tǒng)巴音戈壁組下段（K1b1）出露于斷裂F1和F3之間，巖性以灰白、黃褐、褐紅色礫巖和砂巖為主。目的層下白堊統(tǒng)巴音戈壁組上段（K1b2）出露于斷裂F3南東，巖性以紫紅、黃、紅色砂巖為主，細碎屑巖中見短柱狀炭屑和細晶分散狀黃鐵礦等還原介質(zhì)。區(qū)內(nèi)南東角見上白堊統(tǒng)烏蘭蘇海組（K2w）出露，主要為一套磚紅色建造（圖1 b）。鈾礦體主要位于巴音戈壁組上段（K1b2）二巖段內(nèi)，多呈板狀，帶狀和透鏡狀分布。礦石一般為顆粒支撐結(jié)構(gòu)，交錯層理發(fā)育。

圖1 塔木素鈾礦床地質(zhì)圖（圖a 和b 據(jù)普查報告，2019 改編；圖c 根據(jù)張成勇，2019 改編）Fig.1 Geological map of Tamusu uranium deposit（maps a and b adapted from census report 2019；map c based on Zhangchengyong，2019）

目的層巴音戈壁組上段二巖段主要由扇三角洲平原和扇三角洲前緣組成。扇三角洲平原主要發(fā)育分流河道、分流間灣和決口扇。扇三角洲平原分流河道砂體具有粒度粗的特點，以含礫砂巖、砂質(zhì)礫巖和礫巖為主，發(fā)育疊瓦狀構(gòu)造和槽狀交錯層理。分流河道砂體中記錄了6 個級次的沉積界面。扇三角洲前緣是扇三角洲的水下部分，在鉆孔中可識別出水下分流河道與河口壩（圖3）。

圖3 巴音戈壁組上段二巖段扇三角洲平原及前緣沉積序列圖Fig.3 Sedimentary sequence diagram of fan delta plain and front of the Second Segment of the upper member of Bayingebi formation

塔木素鈾礦床中礦物種類較多，組成復(fù)雜（圖4）。既有大量的硫化物、氧化物和碳酸鹽，又有硅酸鹽礦物、硫酸鹽礦物和鈾的氧化物。礦石礦物主要為瀝青鈾礦（圖4 f，g，h，i，l），還見少量鈾石（圖4 j）和鈦鈾礦（圖4 k）；脈石礦物有黃鐵礦（圖4 a-l）、石英（圖4 f）、長石（圖4 g）、石膏（圖4 j）、方解石、白云石（圖4 i）和螢石。與礦化關(guān)系密切的圍巖蝕變有赤鐵礦化、褐鐵礦化和綠泥石化等。

圖4 塔木素鈾礦床典型巖石照片及部分礦物鏡下特征Fig.4 Hand specimen and microscopic photos of typical rocks in Tamusu uranium deposit

2 成礦階段

綜合前人資料、野外地質(zhì)調(diào)查及巖心編錄，按照黃鐵礦在氧化帶、過渡帶及還原帶的分布規(guī)律，將塔木素鈾礦床的成礦作用分為3 個時期，即層間氧化期早、中、晚3 個階段。早階段：白云石-方解石-石膏-瀝青鈾礦-黃鐵礦階段；主階段：瀝青鈾礦-鈾石-鈦鈾礦-黃鐵礦階段；晚階段：螢石-石膏-瀝青鈾礦-黃鐵礦階段（表1）。同時，識別出4 個世代的黃鐵礦（Py0-Py3）。

表1 塔木素鈾礦床礦物共生序列Table 1 Mineral symbiosis sequence of Tamusu uranium deposit

沉積成巖期（Py0）：下白堊統(tǒng)沉積形成的巴音戈壁組，即賦礦層位。在砂巖沉積時進行了鈾的初步礦化富集。沉積成巖期形成的黃鐵礦較少，呈粒狀。主要礦物有石英、長石、云母、黃鐵礦、白云石、方解石及石膏。單個草莓狀黃鐵礦多由50～100 粒細黃鐵礦組成，聚顆粒大小為0.06～0.32 μm；粒狀黃鐵礦顆粒大小約2～12 μm。

層間氧化期（Py1-Py3）：層間氧化期是最主要的成礦階段，可分為3 個階段。

早階段（Py1）：主要形成石英-黃鐵礦-白云石-方解石-石膏-瀝青鈾礦組合。黃鐵礦呈細晶體分散狀分布于氧化砂體及泥巖接觸帶內(nèi)（圖4 e）。

主階段（Py2）：形成石英-黃鐵礦-褐鐵礦-瀝青鈾礦-鈾石-鈦鈾礦組合，是最關(guān)鍵的鈾礦化階段。鏡下觀察到，黃鐵礦在該階段以半自形立方體為主，少見五邊形、六邊形、多邊形或不規(guī)則形狀，表面粗糙，麻點較多；晶體大小在20～500 μm 之間，呈樹枝狀的黃鐵礦沿砂巖裂隙面充填；在黃鐵礦周邊見鈾石和瀝青鈾礦分布（圖4 f-i），黃鐵礦在該階段主要產(chǎn)出于過渡帶內(nèi)。

晚階段（Py3）：以石英-黃鐵礦-方解石-石膏-螢石–鐵氧化物為組合礦物特征，多見在構(gòu)造裂隙面上充填，多見星點狀黃鐵礦，顆粒直徑在8～90 μm 之間，還原帶砂體裂隙中多見（圖4 k）。

3 樣品特征及分析方法

本次測試的28 件礦石樣品主要采自塔木素鈾礦床的鉆孔中，分布于氧化帶、過渡帶及還原帶（表2）。將樣品磨制光薄片和薄片；在系統(tǒng)顯微巖相學(xué)研究的基礎(chǔ)上，采用電子探針（EPMA）分析技術(shù)，對鑒定的礦物進行了電子探針成分分析。電子探針成分分析和穩(wěn)定同位素測試在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點實驗室完成。采用儀器為JXA-8100M 型電子探針和與之配套的IncaEnergy 型能譜儀對鍍碳的樣品進行分析，以鑒定細小顆粒的礦物成分，測試條件為：加速電壓15.0 kV，探針電流20.0 nA，束斑直徑＜2 μm，標樣：天然礦物或合成氧化物國家標準。

表2 塔木素鈾礦床EPMA 樣品地質(zhì)特征Table 2 Geological characteristics of EPMA samples from Tamusu uranium deposit

4 測試結(jié)果

4.1 電子探針分析結(jié)果

由塔木素鈾礦床不同階段黃鐵礦的EPMA 數(shù)據(jù)（表3）可看出，沉積成巖期黃鐵礦樣品共6 件，其中4件含鈾，含鈾率66.67%，黃鐵礦中平均鈾含量0.037%，表明該時期黃鐵礦中鈾元素已初步富集。層間氧化期早階段黃鐵礦樣品共7 件，其中6 件含鈾，含鈾率85.71%，黃鐵礦中平均鈾含量0.047%。層間氧化期主階段黃鐵礦樣品共12 件，全部含鈾，含鈾率100%，黃鐵礦中平均鈾含量0.083%。層間氧化期晚階段黃鐵礦樣品共2 件，其中1 件含鈾，含鈾率50%，黃鐵礦中平均鈾含量0.08%。層間氧化期主階段黃鐵礦中的鈾含量最高；沉積成巖期黃鐵礦中的鈾含量與層間氧化期早階段的鈾含量相差不大，但明顯低于主階段；晚階段黃鐵礦中鈾含量最低。由此可見，氧化還原主階段是含鈾黃鐵礦形成的主要時期。

表3 塔木素鈾礦床不同階段黃鐵礦的EPMA 數(shù)據(jù)w（B）/%Table 3 EPMA data (%)of pyrite at different stages of Tamusu uranium deposit

表3 （續(xù)）

4.2 同位素分析結(jié)果

塔木素鈾礦床巴音戈壁組黃鐵礦S 同位素測定結(jié)果表明，黃鐵礦的δ34S 均為負值，數(shù)值變化較大（表4），從?40.13‰到?5.39‰，平均為?20.22‰；其中，在氧化帶黃鐵礦δ34S在?24.20‰～?14.10‰之 間，平 均?20.60‰；過渡帶黃鐵礦δ34S 在?40.13‰～?23.95‰之間，平均?32.88‰；還原帶黃鐵礦δ34S 在?12.17‰～?5.39‰，平均?7.17‰。

表4 硫同位素樣品特征及測試結(jié)果Table 4 Sulfur isotope sample characteristics and test results

5 討論

5.1 共（伴）生元素分析

對電子探針檢測出的14 種元素相對含量，筆者使用SPSS 多元統(tǒng)計軟件，依據(jù)聚類分析的方法，開展了U 元素與Th、Ni、Re、Ba、Bi 等元素的相關(guān)性研究。聚類分析是根據(jù)樣本自身的屬性，用數(shù)學(xué)方法按照某些相似性指標，定量地確定樣本之間的親疏關(guān)系，依據(jù)此關(guān)系對樣本聚類。按照聚類分析的原理，對塔木素鈾礦床EPMA 數(shù)據(jù)的14 種元素分析數(shù)據(jù)作標準化變換后，采用相似性分類準則，測量間距采用皮爾森相關(guān)系數(shù)，生成聚類分析系統(tǒng)樹圖（圖5）。SPSS 自動將各類間的距離映射到0～25 之間，稱為距離系數(shù)，距離系數(shù)越小，說明變量之間的相關(guān)性越高，反之亦然。由皮爾森相關(guān)系數(shù)矩陣可以看出，在沉積成巖期U 元素相關(guān)性最好的是Th、Ni、Pb、Re、Cd、Ba 及Bi（表5）；在氧化還原階段U 元素相關(guān)性最好的是Co、Ni、Pb 和Y（表6）。

表6 塔木素鈾礦床氧化還原階段元素間皮爾森相關(guān)系數(shù)矩陣Table 6 Matrix of Pearson's correlation coefficient among elements in the REDOX stage of Tamusu uranium deposit

圖5 塔木素鈾礦床元素聚類分析譜系圖Fig.5 Pedigree diagram of elemental cluster analysis for Tamusu uranium deposit

表5 塔木素鈾礦床沉積成巖階段元素間皮爾森相關(guān)系數(shù)矩陣Table 5 Pearson correlation coefficient matrix of elements in the sedimentary and diagenetic stages of Tamusu uranium deposit

5.2 黃鐵礦的成因指示

由前人研究可知，以下4 種作用是黃鐵礦中S 的主要來源：細菌硫酸鹽還原作用（BSR）、熱化學(xué)硫酸鹽還原作用（TSR）、無機還原作用（海水與玄武巖）和有機物熱解（TDS）［9］。無機還原作用形成的δ34S 多趨于正值，通常為20‰。而塔木素鈾礦床δ34S 值均小于20‰，所以無機還原作用可以排除。

當(dāng)流體溫度大于140 ℃時，發(fā)生熱化學(xué)硫酸鹽還原作用（TSR）（Machel 等，1995；Worden等，1995），核工業(yè)二〇八大隊采用Fritz 和Smith 在1972 年提出的成礦流體計算公式計算出塔木素鈾礦床砂巖中流體形成溫度為37.26 ℃～93.22 ℃，平均溫度70.18 ℃，所以可以排除熱化學(xué)硫酸鹽還原作用（TSR）。

當(dāng)流體溫度在50 ℃～140 ℃時，含S 有機物發(fā)生分 解，生 產(chǎn)H2S，δ34S 通常在?17‰～10‰。因塔木素鈾礦床δ34S 平均?20.22‰，并且成礦流體溫度為常溫或低溫流體［9］，故發(fā)生有機物分解的可能性較小。

當(dāng)流體溫度小于50 ℃時，發(fā)生細菌硫酸鹽還原作用（BSR），其化學(xué)式如下：

這種還原作用造成δ34S 為負值［9］。同時，細菌作用生產(chǎn)的黃鐵礦多為莓狀，鏡下觀察塔木素鈾礦床多為莓狀且與炭屑共生，也證明了塔木素黃鐵礦為生物成因。由生物成因形成的莓狀黃鐵礦最終通過奧斯特瓦爾德熟化作用［9］（Ostwald ripening）（圖6），形成穩(wěn)定的自形或者膠狀黃鐵礦。

奧斯特瓦爾德熟化（Ostwald ripening）是一個常見的化學(xué)類型，該過程可簡單理解為在能量因子的驅(qū)動下，部分小尺寸顆粒固體物質(zhì)溶解，以便沉淀于更大尺寸顆粒的外部，大顆粒的比表面積縮小，從而使得整個系統(tǒng)的能量值降低。

5.3 黃鐵礦與鈾成礦過程探討

鈾元素在自然界中以U6+的形式在流體中遷移，遇到還原環(huán)境后，流體中的U6+被還原為U4+而沉淀富集形成鈾礦物。塔木素鈾礦中多見莓狀黃鐵礦、自形黃鐵礦和膠狀黃鐵礦，部分充填在有機質(zhì)孔隙和碎屑物孔隙內(nèi)，多與瀝青鈾礦和鈾石等共生，二者關(guān)系密切。伴隨著黃鐵礦的變化，鈾成礦共經(jīng)歷了以下4 個階段（圖6）。

圖6 塔木素鈾礦床成礦階段黃鐵礦的奧斯特瓦爾德熟化過程圖（據(jù)樂亮，2021 修改）Fig.6 Ostwald ripening process diagram of pyrite in the mineralization stage of Tamusu uranium deposit（modified by Le Liang，2021）

5.3.1同沉積-成巖階段

早白堊世，因格井凹陷處于伸展下沉階段，該時期古氣候條件為溫暖潮濕，巴音戈壁組沉積建造中富含炭屑和有機質(zhì)等還原物質(zhì)。在特定的地質(zhì)背景下，巴音戈壁組上段在垂向上形成“泥-砂-泥”的序列，后期流體被限制在砂體內(nèi)運移（圖7 A）。

同沉積-成巖階段，源自宗乃山高價態(tài)溶解相的鐵質(zhì)（Fe3+）和硫質(zhì)（SO42-），隨著地下水的運移，在砂體內(nèi)被還原為Fe2+，硫質(zhì)生物作用轉(zhuǎn)化為H2S，與Fe2+反應(yīng)，以自形黃鐵礦（圖7 a）的形式沉淀于碎屑顆粒間（圖7 b）。

5.3.2層間氧化階段

晚白堊世早期，凹陷受古亞洲造山帶和濱西太平洋的雙向擠壓，北部宗乃山-沙拉扎山抬升，目的層巴音戈壁組被抬升剝蝕，剝蝕窗口形成，蝕源區(qū)的含鈾含氧水通過剝蝕窗口沿砂體向盆地中心運移，同時帶入了一些活性鐵、硫酸鹽還原菌、SO42-和U6+。有機質(zhì)通過硫酸鹽還原菌的作用與砂體中的硫酸鹽反應(yīng)生產(chǎn)大量的H2S，砂體中的活性鐵與之反應(yīng)，形成黃鐵礦，黃鐵礦最終形成自形或膠狀［9］。黃鐵礦形成后產(chǎn)生還原環(huán)境，在有機質(zhì)的雙重作用下，流體中帶入的U6+被還原為U4+并富集沉淀［9］。早期存在的黃鐵礦記錄了整個事件的過程（圖7 B），部分黃鐵礦被赤鐵礦包圍（圖7 c）；隨著流體的遷移，在含礦砂巖中可見莓狀黃鐵礦和膠狀黃鐵礦與鈾礦物共生（圖7 d）；在還原帶內(nèi)，見少量莓狀黃鐵礦被鈾礦物包圍（圖7 e）。

5.3.3熱液作用與二次還原階段

晚白堊世末期，烏蘭蘇海組沉積，構(gòu)造天窗關(guān)閉，但是蘇紅圖玄武巖噴發(fā)，改變了成礦區(qū)域的熱場［8］，并為后期熱流體形成提供了物質(zhì)條件。研究區(qū)玄武巖蝕變發(fā)育，其碳酸鹽礦物，如方解石、含鐵方解石、鐵白云石和含鐵白云石等釋放出大量的Fe2+、Mg2+和Ti2+等元素進入砂巖形成成礦流體。過量的Fe2+形成了良好的還原環(huán)境，與H2S 反應(yīng)又生成新的黃鐵礦，同時，碳酸鹽化和赤鐵礦化進一步發(fā)育。先前形成的部分瀝青鈾礦中的鈾被再次活化遷移，被新的黃鐵礦再次還原后沉淀富集。研究區(qū)發(fā)現(xiàn)鈦鈾礦也為鈾礦化與熱液作用密切相關(guān)提供了佐證［10］。伴隨著玄武巖噴發(fā)，區(qū)內(nèi)斷裂活動頻發(fā)，深部烴類流體順著斷裂上移，使砂體產(chǎn)生灰色和灰白色（圖7 C）。深部油氣的還原，不僅保護了鈾礦體，也使得含礦砂巖中的黃鐵礦被定格。在褐紅色砂巖中未見黃鐵礦（圖7 f），推測流體中的H2S 被消耗殆盡或者順斷層逸散。

5.3.4地表風(fēng)化階段

新生代以來，受喜山運動影響，盆地持續(xù)隆升，前期沉積的烏蘭蘇海組被剝蝕，含鈾砂體暴露地表后遭受風(fēng)化，構(gòu)造天窗進一步發(fā)育，地表含鈾含氧水持續(xù)向盆地內(nèi)運移，在巴音戈壁組上段泥-砂-泥沉積構(gòu)造的夾持下，層間氧化作用持續(xù)發(fā)育，促使鈾礦化進一步發(fā)生（圖7 D）。

含氧氣的地表水在疏松砂巖中滲透，存在于砂巖中的黃鐵礦被逐步氧化，形成褐鐵礦，鏡下可見膠狀黃鐵礦和少量莓狀黃鐵礦被褐鐵礦包裹（圖7 g）。由于層間氧化作用的持續(xù)發(fā)生［10］，使得砂體中黃鐵礦豐度進一步降低。

6 結(jié)論

1）塔木素鈾礦床的成礦過程可以分為4 個階段：同沉積-成巖階段、層間氧化階段、熱液作用與二次還原階段和地表風(fēng)化階段。其中共發(fā)育4 個世代的黃鐵礦，其中層間氧化階段可劃分為：早階段白云石-方解石-石膏-瀝青鈾礦-黃鐵礦；主階段瀝青鈾礦-鈾石-鈦鈾礦-黃鐵礦；晚階段螢石-石膏-瀝青鈾礦-黃鐵礦。

2）聚類分析表明，塔木素鈾礦床在沉積成巖期與U 元素相關(guān)性最好的是Th、Ni、Pb、Re、Cd、Ba 及Bi；在氧化還原階段與U 元素相關(guān)性最好的是Co、Ni、Pb 和Y。

3）塔木素鈾礦床中黃鐵礦多為莓狀，少量自形與膠狀黃鐵礦，且黃鐵礦中δ34S 在?40.13‰～?5.39‰之間，平均?20.22‰。綜合區(qū)內(nèi)成礦地質(zhì)條件，認為黃鐵礦成因為細菌硫酸鹽還原作用所致。礦床中鈾礦物主要為瀝青鈾礦，見少量鈾石和鈦鈾礦，通過吸附作用存在于黃鐵礦、有機質(zhì)和鐵氧化物的孔隙中。

致謝：野外工作期間得到核工業(yè)二〇八大隊地勘三處同事的支持和幫助，電子探針分析工作得到了東華理工大學(xué)張成勇老師的支持，劉波，郭煦劼、李鵬、郝朋、王鑫偉、劉劍釗等同事為論文的完善提出了寶貴的意見，謹此致謝。