石英碎屑中裂變徑跡與鈾成礦關(guān)系探討

任志勇

［關(guān)鍵詞］鄂爾多斯盆地東北部；砂巖型鈾礦；直羅組下段；裂變徑跡

砂巖型鈾礦床是世界上最早發(fā)現(xiàn)的鈾礦類型之一，層間氧化帶砂巖型鈾礦是一種賦存于沉積盆地中的新型核能源礦產(chǎn)。在20世紀(jì)60～70年代，美國(guó)地質(zhì)學(xué)家對(duì)懷俄明盆地、科羅拉多高原和南得克薩斯等砂巖鈾礦床的成礦物質(zhì)來源、礦床成因、成礦模式等進(jìn)行了深入研究和系統(tǒng)總結(jié)，建立了著名的卷型鈾礦床成礦理論及礦床模式[1]，闡明了層間氧化帶砂巖型鈾礦的成礦地質(zhì)條件和機(jī)理，建立了懷俄明式、科羅拉多式和南得克薩斯式等幾種不同類型砂巖鈾礦床的成礦模式及找礦標(biāo)志。

裂變徑跡法是根據(jù)礦物中U、Th放射性同位素自發(fā)裂變碎片的徑跡而計(jì)時(shí)的一種方法。裂變徑跡法用樣量少，可用樣品種類多，測(cè)年范圍可由數(shù)年到幾十億年，特別是在5～100 Ma期間內(nèi)，測(cè)年效果較其他方法為好，是第四紀(jì)地質(zhì)年代測(cè)定的重要方法之一。此法還用于火山灰的年齡測(cè)定、熱事件、考古材料的定年以及測(cè)定地貌演化和海底擴(kuò)張的年齡和速度等[2，3]。近年來，由于觀察徑跡的工具迅速改進(jìn)，此法應(yīng)用范圍越來越廣，它不但可以精確測(cè)定巖石和礦物中的鈾、釷含量，還可直觀地看到鈾、釷的空間分布。因此裂變徑跡法是研究鈾的遷移和富集規(guī)律的有效分析手段，同時(shí)也是其他地學(xué)研究中的有力方法。

目前，砂巖型鈾礦已逐步成為我國(guó)鈾礦地質(zhì)儲(chǔ)量持續(xù)增加的主要礦種之一，因此國(guó)內(nèi)對(duì)砂巖型鈾礦的研究引起了廣泛的關(guān)注和重視[4-7]。隨著砂巖型鈾礦的成礦模式以及找礦標(biāo)志等的不斷完善，對(duì)于探明分布在各沉積盆地中的沉積型鈾礦已經(jīng)有了一套科學(xué)的理論依據(jù)和成礦規(guī)律總結(jié)，但是在砂巖型鈾礦中的裂變徑跡的研究較少，因此本論文從裂變徑跡與鈾成礦的關(guān)系這一角度展開研究和總結(jié)，試圖豐富找礦標(biāo)志。

1 地質(zhì)概述

鄂爾多斯盆地東北部沉積蓋層構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體上受近EW向分布的大型褶皺和局部小型正斷層控制。褶皺發(fā)育于早白堊世之前，而斷層形成于早白堊世或者早白堊世之后。區(qū)內(nèi)直羅組與上覆安定組為連續(xù)沉積，之后盆地整體抬升缺失上侏羅統(tǒng)，此期找礦目的層直羅組下段在區(qū)內(nèi)北東部遭到一定程度的剝蝕。研究區(qū)發(fā)育的沉積蓋層包括中生界的三疊系（T）、侏羅系（J）、下白堊統(tǒng)（K1）和新生界的古近系（E）、新近系（N）、第四系（Q），各地層在橫向和縱向上發(fā)育差異較大，其中三疊系、侏羅系和下白堊統(tǒng)是盆地沉積的主體。侏羅系在盆地東部一帶呈SN向帶狀出露，向W及SW傾伏于下白堊統(tǒng)之下，為盆地重要的含煤地層，也是尋找鈾礦的主要目的層（圖1）。

鄂爾多斯盆地東北部沉積地層產(chǎn)狀平緩，傾角1°～3°，為一整體向SW緩傾的大型斜坡。鈾礦賦存于中侏羅統(tǒng)直羅組下段砂巖中。直羅組分為上、下兩個(gè)巖性段，上段為一套紅、黃、灰綠色相間的雜色中細(xì)粒砂巖和泥巖，巖石疏松，砂體厚度為20～40 m；下段分為上、下兩個(gè)亞段，上、下亞段均為綠色、灰色砂巖與泥巖互層，其中上亞段是主要礦化層位，下亞段為次要礦化層位。

2 裂變徑跡的密度統(tǒng)計(jì)

本文主要通過統(tǒng)計(jì)石英碎屑中的裂變徑跡密度分析其與鈾成礦的關(guān)系。當(dāng)進(jìn)行大量的石英中裂變徑跡密度的統(tǒng)計(jì)時(shí)，考慮到某一張光薄片中石英碎屑上會(huì)記錄多處裂變徑跡的存在，而且通過顯微鏡觀察同一處裂變徑跡可能會(huì)出現(xiàn)兩處甚至多處視域的疊交現(xiàn)象，無(wú)法準(zhǔn)確地進(jìn)行多處裂變徑跡平均密度的估算，因此，為避免多處視域?qū)ν粡桔E的疊交，采用以下統(tǒng)計(jì)方法：假設(shè)某一張薄片面積為S，在該薄片上觀測(cè)到N處裂變徑跡，其具體條數(shù)依次計(jì)數(shù)為：n1、n2、n3、n4……，則該薄片上單位面積裂變徑跡的平均密度為ρ=（n1+n2+n3+n4+……）/S（條/mm²），同時(shí)由于樣品中石英顆粒的含量可能會(huì)對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果造成影響，因此增加單位顆粒上裂變徑跡平均密度作為參考值進(jìn)行輔助的定量表征，即單位顆粒上裂變徑跡平均密度為ρ=（n1+n2+n3+n4+……）/N×S（條/ mm²）。

3 裂變徑跡與鈾成礦要素之間的相關(guān)性分析

鈾成礦的主要因素包括鈾源、砂體及巖石地球化學(xué)環(huán)境，通過分析裂變徑跡密度與目的層砂體的巖性、粒度、巖石地球化學(xué)環(huán)境之間的關(guān)系，以及與已發(fā)現(xiàn)鈾礦體的空間配置規(guī)律，總結(jié)其對(duì)鈾成礦的指示作用。本文主要以“單因素取證，多因素綜合分析”的研究思路分析裂變徑跡與成礦要素之間的相關(guān)性。

3.1 裂變徑跡密度與鈾礦體距離變化規(guī)律

針對(duì)已觀察到的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行精細(xì)的統(tǒng)計(jì)和分類，計(jì)算出每個(gè)樣品與含礦層之間的距離及其相對(duì)應(yīng)的裂變徑跡密度，作出裂變徑跡密度與鈾礦體距離之間的散點(diǎn)圖，表征其相關(guān)性。

對(duì)共統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)所觀察到的63 個(gè)樣品發(fā)現(xiàn)由于單位顆粒的裂變徑跡密度大多分布在0～15 之間，范圍跨度較小，不利于直觀地觀察規(guī)律，因此選取單位面積裂變徑跡密度與鈾礦體距離遠(yuǎn)近的相關(guān)性圖解進(jìn)行規(guī)律分析。

如圖2 所示，大致可分為兩條趨勢(shì)線，即原生灰色中粗砂巖、綠色氧化中粗砂巖構(gòu)成一條趨勢(shì)線，其徑跡密度值普遍較高，且距離鈾礦體越遠(yuǎn)徑跡密度值降低也較緩慢；另一條趨勢(shì)線參照細(xì)砂巖的變化繪成，其徑跡密度值較小，且對(duì)于距離的變化裂變徑跡密度的響應(yīng)更為敏感。樣品與鈾礦體距離主要集中在0～100 m之間，總的趨勢(shì)為靠近鈾礦體裂變徑跡密度越高，遠(yuǎn)離鈾礦體徑跡密度越低，在0～40 m的距離范圍內(nèi)遠(yuǎn)離鈾礦體，裂變徑跡密度急劇下降，在40～180 m的距離范圍內(nèi)，隨著遠(yuǎn)離鈾礦體，徑跡的密度呈緩慢的趨勢(shì)下降。含礦砂體里裂變徑跡密度總體偏高，在40～90（條/S*mm2）之間，工業(yè)品位的砂巖中裂變徑跡密度比礦化品位的較高。

3.2 不同巖石地球化學(xué)類型砂巖徑跡密度變化規(guī)律

在裂變徑跡觀察和統(tǒng)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同巖石地球化學(xué)類型砂巖在裂變徑跡密度變化上也有著差別，因此，為了更客觀真實(shí)地反映出裂變徑跡與各成礦要素之間的規(guī)律，將統(tǒng)計(jì)的樣品按照不同巖石地球化學(xué)類型分為三大類，分別是氧化砂巖，灰色含礦砂巖以及原生灰色砂巖。

圖3 所示為不同巖石地球化學(xué)類型砂巖中裂變徑跡密度距離鈾礦體遠(yuǎn)近變化關(guān)系的圖解，從中可以看出，距離含礦層越近，徑跡密度一般均較大，由于氧化砂巖經(jīng)過含氧含鈾水的改造，整體呈均勻遞減的趨勢(shì)，此外，中粗氧化砂巖比綠色細(xì)砂巖的徑跡密度更大；而原生灰色砂巖中裂變徑跡的密度與鈾礦體之間的距離變化規(guī)律同樣相似（圖4），但隨著距離的增加，徑跡密度對(duì)鈾礦體的敏感度降低，說明在距離礦體較近的位置（約10 m處）存在一個(gè)過渡帶，對(duì)徑跡密度工業(yè)礦體的鈾裂變徑跡密度比礦化的高，同時(shí)還有3個(gè)灰色細(xì)砂巖含礦，相對(duì)而言均處在較低的密度區(qū)域，說明裂變徑跡的密度不僅與巖石的粒度有關(guān)。圖5 為不同巖石地球化學(xué)類型砂巖中裂變徑跡的平均密度值的柱狀對(duì)比分析圖，灰色含礦砂巖中的裂變徑跡的平均密度最高，ρ1平均值可達(dá)56.6（條/S*mm²），ρ2平均值可達(dá)9.44（條/N*S*mm²），而氧化砂巖和原生灰色砂巖的裂變徑跡密度近似一致，均比灰色含礦砂巖少很多，ρ1 分別為36.6（條/S*mm²）和34.68（條/S*mm²），氧化砂巖單位面積裂變徑跡平均密度略高；ρ2分別為6.4（條/N*S*mm²）和6.84（條/N*S*mm²），原生灰色砂巖中單位顆粒裂變徑跡平均密度略高。

3.3 不同粒度砂巖徑跡密度變化規(guī)律

通過統(tǒng)計(jì)不同粒度巖石中徑跡密度，發(fā)現(xiàn)中粗砂巖的平均裂變徑跡密度是要遠(yuǎn)高于細(xì)砂巖的（圖6）。這有可能是因?yàn)榱６炔煌?，?dǎo)致的巖石孔隙度、滲透率等的差異，從而不利于含氧含鈾的流體運(yùn)移，使得細(xì)砂巖中徑跡密度整體偏低。

3.4 不同粒度、巖石地球化學(xué)類型砂巖徑跡密度變化規(guī)律

由于單位面積及單位顆粒裂變徑跡在不同巖石地球化學(xué)類型及不同粒度的因素下其密度均存在著較大的不同，因此為了客觀綜合地進(jìn)行對(duì)比，將樣品分為四類：綠色中粗砂巖、綠色細(xì)砂巖、原生灰色中粗砂巖及原生灰色細(xì)砂巖，兩兩進(jìn)行比較，得出如下結(jié)果（圖7）：該圖分類統(tǒng)計(jì)采用的方法與不同巖石地球化學(xué)類型的統(tǒng)計(jì)方法相似，即以距離每隔10 m為區(qū)域，選取中粗砂巖和細(xì)砂巖共同出現(xiàn)的點(diǎn)進(jìn)行裂變徑跡密度的統(tǒng)計(jì)，結(jié)合圖7 的柱狀圖可知：在隨著距離鈾礦體越遠(yuǎn)，徑跡密度越低的大趨勢(shì)下，綠色中粗砂巖的單位面積裂變徑跡密度ρ₁平均值為50.78（條/S*mm²），單位顆粒徑跡密度ρ₂ 平均值為8.4（條/N*S*mm²），而綠色細(xì)砂巖ρ₁平均值僅為22.1（條/S*mm²），ρ2平均值為5.86（條/N*S*mm²），說明在大致距鈾礦體同等距離的情況下綠色中粗砂巖比細(xì)砂巖的單位面積及單位顆粒徑跡密度平均值都要高許多；同理，對(duì)于原生灰色砂巖，在與大趨勢(shì)相一致的基礎(chǔ)上，原生灰色中粗砂巖的單位面積徑跡密度ρ₁平均值為55.87（條/S*mm2），ρ2為8.43（條/N*S*mm²），而原生灰色細(xì)砂巖ρ₁僅為26.8（條/S*mm²），ρ₂為6.95（條/N*S*mm²）。

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，雖然細(xì)砂巖的裂變徑跡要小于中粗砂巖，但是在綠色砂巖中的變化更明顯，綠色砂巖的ρ₁、ρ₂細(xì)/中粗比值分別為0.43、0.69，而灰色砂巖的細(xì)/中粗比值分別為0.48、0.83。說明裂變徑跡密度既與成巖期的本身鈾含量有關(guān)，同時(shí)成礦期的改造對(duì)其也有影響。

4 裂變徑跡對(duì)鈾成礦作用的指示

本節(jié)在裂變徑跡密度與鈾礦體空間配置規(guī)律以及其與成礦要素之間的相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，以裂變徑跡密度變化及產(chǎn)出特征為主，結(jié)合典型的礦物學(xué)現(xiàn)象以及巖石類型、粒度等方面的差異來綜合地指示鈾成礦過程中層間氧化帶的劃分及其他方面的簡(jiǎn)要判別。

由圖8 所示，通過對(duì)典型現(xiàn)象的分類，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和處理，總結(jié)出利用裂變徑跡的各綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)來探索研究區(qū)層間氧化帶的劃分。整體來看，礦化帶的裂變徑跡平均密度在研究區(qū)直羅組下段的各層位均最高，且平均值以及取值范圍也保持在較高的區(qū)域?yàn)?6～ρ₁～86（條/S*mm²）；古氧化帶和還原帶的徑跡密度相對(duì)較低，直羅組下段平均值分別為36.6（條/S*mm²）及34.68（條/S*mm²），兩者相差不大，其取值范圍跨度大，最低值趨近于零。說明影響徑跡的形成及觀察因素較多，需要進(jìn)一步地細(xì)分。因此，通過其較為典型的產(chǎn)出特征以及微觀礦物學(xué)特點(diǎn)可以將其很好地劃分：古氧化帶多產(chǎn)出石英碎屑顆粒裂縫等破碎面上，顆粒溶蝕程度較高，見褐鐵礦化、鈣質(zhì)膠結(jié)等；而還原帶中顆粒溶蝕少，晶形較完整，局部黃鐵礦化及粘土化，徑跡的形態(tài)也較為清晰。綜上，可以通過以上各種指標(biāo)指示巖石所處分帶，從而進(jìn)行層間氧化帶的劃分。

此外，在礦床附近鉆孔的古氧化砂巖的裂變徑跡密度要明顯高于外圍鉆孔，說明礦床附近的氧化砂巖前期可能富鈾附載過大量的鈾，所以裂變徑跡密度在一定程度上可以反映出距離鈾礦體的遠(yuǎn)近。若在某一區(qū)域范圍內(nèi)古氧化砂巖石英碎屑中裂變徑跡密度值均較高，則有可能表明該砂巖本身為含礦砂巖或者距離含礦砂巖較近（圖9）。

綜上所述，裂變徑跡與鈾礦體關(guān)系密切，因此可以利用與成礦要素的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)綜合分析裂變徑跡與鈾成礦作用之間的關(guān)系，如進(jìn)行層間氧化帶的劃分以及大致判斷距離鈾礦體遠(yuǎn)近程度等，以期作為一種微觀找礦標(biāo)志輔助指導(dǎo)實(shí)際砂巖型鈾礦勘探工作。

5 結(jié)論

5.1 總結(jié)了不同巖石地球化學(xué)類型的砂巖中裂變徑跡密度與鈾礦體空間配置規(guī)律

通過統(tǒng)計(jì)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，越靠近含礦層或鈾礦體，則所觀察到砂巖石英碎屑中裂變徑跡密度越大；反之，則越小。此外，氧化砂巖隨著距離鈾礦體越近，其徑跡密度呈均勻增加，而灰色砂巖則隨著與鈾礦體的距離增加，其徑跡密度先快速降低后穩(wěn)定。

5.2 總結(jié)了不同粒度的砂巖中裂變徑跡密度與鈾礦體空間配置規(guī)律

粒度為中、粗砂巖的裂變徑跡密度比細(xì)砂巖的密度大得多。一方面與沉積時(shí)的物性差異及水動(dòng)力條件不同，致使其含鈾性不同；另一方面，細(xì)砂巖較中粗砂巖而言物性條件如孔滲性等差，在成礦期阻礙著含礦流體的運(yùn)移，所產(chǎn)生的裂變徑跡密度比中粗砂巖明顯減少。

5.3 探討了裂變徑跡與鈾成礦作用之間的關(guān)系

在進(jìn)行層間氧化帶的劃分時(shí)，裂變徑跡密度可作為一個(gè)較典型的劃分標(biāo)志，即從氧化帶→礦化帶→還原帶對(duì)應(yīng)砂巖石英碎屑中裂變徑跡密度整體趨勢(shì)是從低→高→低變化的。同時(shí)可以依據(jù)區(qū)域內(nèi)氧化砂巖石英碎屑中裂變徑跡密度值來大致判斷距離含礦層或鈾礦體的遠(yuǎn)近程度，較好地指示鈾礦的富集區(qū)域。