鄂尔多斯盆地西北部特敖包砂岩型铀矿床成因的岩石学与地球化学约束

《Geological Magazine》：Petrological and geochemical constraints on genesis of the Tel’aobao sandstone-hosted uranium deposit, NW Ordos Basin

　　

： 特敖包铀矿床是近期在鄂尔多斯盆地西北部氧化性环河组（Huanhe Formation）中发现的新矿床，代表了铀矿勘探的一个新的地层目标。本文通过对多种砂岩和泥岩样品的岩石学、地球化学及年代学分析，研究了该矿床的成因。结果表明，赋矿地层来源于中酸性火山岩，沉积于半干旱炎热古气候条件下。赋矿砂岩表现出若干显著特征：初始还原能力有限，总有机碳（TOC）低于0.1%，总硫含量（TSC）介于0.002%至0.074%之间；高岭石（平均约8%）和绿泥石（平均约13%）含量低；绿泥石-蒙脱石混层（43.7%至70.3%）和伊利石-蒙脱石混层（40.5%至53.6%）比例高；红色和绿色非矿化砂岩中的铀含量均较高，平均值分别为6.8 ppm和7.46 ppm。此外，这些砂岩似乎受到了由氧化性地下水、还原性烃类和碱性热液流体组成的三元流体系统的改造，形成了一些自生矿物和后生指示标志：不均匀的颜色渐变、氧化碳质残余、赤铁矿化、黄铁矿化、方解石化、绿泥石化、升高的酸解烃含量（24.6至6452 μL/kg）以及淡黄色荧光。负的δ13CV-PDB（?7.6‰至?1.1‰）和δ34S（?38.7‰至?7‰）值支持细菌硫酸盐还原（BSR）的发生，大量纳米至微米级的水硅铀矿（含P、Zr或Y）和U-Ti集合体与黄铁矿、绿泥石、闪锌矿和铁氧化物密切相关，反映了两种不同的矿化机制：低温氧化还原和热化学沉淀。全矿石U-Pb定年得出可靠的等时线年龄为53.8 ± 6.3 Ma，而电子探针分析追踪了从134.43 Ma至4.45 Ma的连续动态矿化过程。基于这些发现，提出了该矿床的成矿模型：（1）沉积阶段的铀预富集；（2）早白垩世末期的二次烃类还原；（3）晚白垩世至始新世的区域性层间氧化-还原成矿；（4）渐新世以来的热液改造和氧化不足。这项研究为未来红色杂色地层中的铀矿勘探提供了有效的指示标志。

论文解读文章：

一、研究背景与科学问题

砂岩型铀矿床是全球重要的铀资源类型，因其成本低廉的原位浸出开采方式和良好的环境效益，成为中新生代盆地中主要的勘探目标。在中国，已探明的砂岩型铀矿资源超过全国总量的50%，主要分布于伊犁、准噶尔、鄂尔多斯和二连等北方沉积盆地。传统观点认为，砂岩型铀矿通常赋存于具有显著还原性质的灰色含煤碎屑岩中，而红色杂色岩系因具有原始氧化性质，长期被视为不利于铀矿化的储层，未受到足够重视。

过去三十年间，鄂尔多斯盆地北部中侏罗统直罗组中发现了多个砂岩型铀矿床，如东胜、纳岭沟、巴音青格利等，这些矿床均表现出与烃类流体二次还原相关的叠加成矿模式，矿体位于绿色古氧化带与原生灰色还原带之间。然而，近年来在鄂尔多斯盆地北部下白垩统氧化性红色杂色地层中发现了大规模的特敖包铀矿床，这一发现打破了传统认识。该矿床的矿石主要由高品位褐灰色砂岩组成，绿色砂岩矿石比例较小且品位相对较低，这与全球典型的卷状砂岩型铀矿床存在显著差异，引发了关于渗入和渗出成矿机制的争议。目前对于绿色砂岩的原生与次生成因、复杂成矿流体的来源与性质，以及三种流体如何与铀矿化耦合等方面仍缺乏系统研究。因此，深入研究该矿床的成矿机制和控制因素，对于拓展砂岩型铀矿的勘探领域具有重要的理论和实践意义。

二、研究目的与主要技术方法

本研究旨在揭示特敖包铀矿床的地球化学和年代学特征，查明红色和绿色砂岩的成因，探讨多种成矿流体的来源与性质，阐明铀矿化机制及相应的成矿模型。研究人员采用了多项关键技术方法：对采集自下白垩统环河组的岩心样品进行了系统的岩石学观察和矿物学鉴定，使用光学显微镜和配备能谱仪的扫描电子显微镜（SEM-EDS）进行高分辨率结构和化学特征表征；利用电子探针分析仪（EPMA）定量测定铀矿物或蚀变矿物的元素含量；采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）进行全岩主量和微量元素分析；使用X射线衍射（XRD）确定全岩和黏土矿物组成；利用CS580A分析仪测定总有机碳和总硫含量；采用气相色谱仪测量酸解烃含量；使用热电离质谱仪进行碳、氧、硫稳定同位素分析；通过全矿石U-Pb同位素定年和电子探针化学定年两种方法约束多期铀矿化的年龄。

三、研究结果

（一）岩石学与矿物学特征

非矿化砂岩的宏观和微观观察表明，红色和绿色非矿化砂岩具有一致的岩相特征，矿物组成以石英、岩屑和长石为主，岩屑主要由花岗岩和酸性火山岩组成，含少量变质岩屑。这些砂岩普遍固结程度较差，分选性差，磨圆度中等，颗粒呈次棱角状至次圆状，以颗粒支撑和基底式结构为主，点接触或点-线接触，表明目标地层经历了浅埋藏过程，压实和成岩作用较弱。红色砂岩经历了广泛的赤铁矿蚀变，宏观上表现为颜色差异，局部可见黑色氧化碳质碎屑，基质和碎屑边缘发育显著的铁染现象，基质中常见莓状黄铁矿氧化残余，这些特征共同指示后生氧化过程。绿色砂岩在宏观和微观上均表现出还原特征，碎屑边缘常发育绿色黏土蚀变，局部可见零星红色赤铁矿残余，有时完全包裹在钙质胶结物中。背散射电子图像显示，砂岩的绿色色调主要归因于丰富的蒙脱石和绿泥石，非晶质有机质与莓状黄铁矿密切共生。

矿化砂岩以褐灰色为主、绿色次之，几乎不含肉眼可见的典型还原剂如碳质碎屑或黄铁矿颗粒。与绿色矿石相比，褐灰色矿石的基质中通常含有较多的红色铁氧化物和方解石。方解石可弱交代岩屑边缘，偶尔充填石英颗粒内的裂隙或晶间空间，指示后生成因。

（二）铀矿物赋存状态与成分

扫描电镜观察和能谱分析揭示，水硅铀矿是矿石中的主要铀矿物类型，其次是U-Ti集合体。电子探针数据显示，水硅铀矿含UO₂ 57.83%至71.48%，SiO₂ 11.65%至19.29%，P₂O₅ 1.31%至2.65%。还识别出含锆水硅铀矿和含钇水硅铀矿，ZrO₂含量为13.14%至17.98%，Y₂O₃含量为5.71%至18.06%。铀矿物主要分布于碎屑颗粒边缘，也出现在粒间基质以及碎屑矿物的孔隙或溶蚀孔洞中，邻近区域发育黄铁矿、铁氧化物以及长石的蒙脱石化或绿泥石化。水硅铀矿主要呈短柱状和米粒状形态，表明结晶度相对较高。大量细粒胶状U-Ti集合体也出现在含钛碎屑矿物的粒间网络中。铀矿物并非严格依附于特定寄主相，表明铀在矿系统中任何存在局部地球化学屏障的位置均可沉淀。

（三）全岩矿物组成

全岩X射线衍射分析表明，不同地球化学分带中赋矿砂岩的主要碎屑组分基本一致。石英是主要矿物，平均含量分别为41%、39.2%和36.9%，其次是斜长石（平均30.8%、27.5%和22.2%），次要组分包括钾长石（9.8%、7.6%、12%）、方解石（4.9%、10.2%、9.4%）和方沸石（6.5%、9.0%、10.8%）。泥岩和砂岩的黏土矿物组成也相似，主要由伊利石-蒙脱石混层（平均40.5%、53.6%、44.2%和39%）和绿泥石-蒙脱石混层黏土（平均58.7%、74.3%、70.3%和25.3%）组成。高岭石（平均9.1%、6.7%、8.7%和6.7%）和绿泥石（平均13.9%、13.1%、12.9%和13.2%）含量相对较低。这些矿物学特征反映了干旱炎热古气候条件和沉积期碱性孔隙水环境。与其他砂岩类型相比，绿色砂岩的伊利石含量较低，但绿泥石-蒙脱石混层黏土比例较高，平均值分别为18.2%和70.3%。

（四）主量与微量元素特征

不同砂岩类型的常量元素分析数据显示，大多数稳定元素表现出高度一致性，钠和钾的平均含量分别约为3.6%和2.2%。矿化砂岩中某些元素呈现不同程度的富集，镁和钙略有富集，平均含量分别达到2.03%和2.79%。变价元素总体呈低至中等富集，总铁、氧化亚铁和锰的含量分别为3.52%、2.07%和0.08%。钛和磷表现出更显著的富集，范围分别为0.316%至0.623%（平均0.51%）和0.084%至0.165%（平均0.13%）。相比之下，硅含量略有降低，平均为66.91%。绿色砂岩中总铁明显亏损，平均含量仅为2.79%。

微量元素方面，三个地球化学分带中大多数微量元素浓度差异不显著，但铀是明显例外。铀在矿化砂岩中显著富集，范围为18.2至212 ppm，平均75.88 ppm。氧化带和还原带的非矿化砂岩也表现出相对较高的铀含量，分别为4.19至9.5 ppm和4.12至13.7 ppm。锂、钒、钴、铜、锌、钇和铯等元素在矿化砂岩中也略有富集。

稀土元素特征方面，红色和绿色砂岩的稀土元素特征大致相似，但绿色砂岩显示轻稀土轻微富集，轻稀土和总稀土平均值分别为117.44和121.34 ppm，而红色氧化砂岩分别为107.96和111.69 ppm。矿化砂岩中稀土元素呈现不同程度的富集，轻稀土、重稀土和总稀土含量分别达到129.18、13.29和142.47 ppm，其中重稀土富集更为明显，反映在较低的轻稀土/重稀土和La/Yb比值上，平均值分别为10.01和15.87。三个分带的砂岩样品平均δEu值分别为0.95、0.80和0.88，δCe平均值一致为0.96，指示铕亏损，表明赋矿砂岩具有相对较强的还原条件。

（五）还原能力

矿化砂岩表现出最高的还原能力，总有机碳和总硫含量范围分别为0.05%至0.066%（平均0.058%）和0.008%至0.074%（平均0.0298%）。相比之下，氧化带和还原带的非矿化砂岩还原能力较低，平均总有机碳和总硫分别为0.07%和0.007%。十个致密砂岩样品的总烃含量范围为24.6至6452 μL/kg，表明砂岩钙质胶结物中保存了丰富的轻烃流体。甲烷是主要组分，浓度范围为22.6至5456 μL/kg，其次是乙烷（1.02至560 μL/kg）和丙烷（0.48至560 μL/kg）。

（六）碳-氧-硫同位素组成

除样品W0-31-14的碳同位素值为?7.6‰外，其余样品的δ¹³C值相似，范围为?2.3‰至?1.1‰。氧同位素组成也一致，δ¹⁸O值相对于V-PDB为?14.6‰至?12‰，相对于V-SMOW为15.9‰至18.1‰。所有硫同位素值均为负值，可分为两组：样品W20-1-28和Y63-216产生相对较重的δ³⁴S值，分别为?7‰和?7.5‰，而其余样品显示显著较轻的δ³⁴S值，范围为?38.7‰至?19.1‰。

（七）定年结果

砂岩矿石中铀和铅含量范围分别为61.9至425 ppm和5.5至80.9 ppm，镭含量为0.752至4.84 Bq/g。三个样品的数据定义了对应于53.8 ± 6.3 Ma年龄的等时线，初始²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb比值为28.9 ± 2.7。前人采用相同方法识别出四个年龄簇：117.8 ± 6.2 Ma、112.5 ± 18.1 Ma、108.6 ± 8.2 Ma和106.98 ± 9.49 Ma。进一步的电子探针化学定年显示，铀矿物的UO₂含量范围为16.61%至71.43%，PbO和ThO₂范围分别为0.04%至0.77%和0.08%至0.64%。十八个精确年龄介于4.45至134.43 Ma之间，这些电子探针化学年龄可分为四个阶段：早白垩世、晚白垩世、古近纪和新近纪。

四、讨论与结论

在储层性质方面，惰性元素地球化学表明环河组稳定元素浓度未受后续流体活动的显著改造，可靠地保存了物源区源岩组成信息。判别图解和元素比值一致表明，环河组的物源主要为具有高铀背景的中酸性火山岩，为赋矿层提供了丰富的外部铀供给。古气候判别图解和元素比值指示研究地层沉积于半干旱炎热古气候条件下，古湖盆水体为氧化性且具有中等氧化还原分层。环河组是典型的红色杂色岩系，具有原生氧化性质，所有彩色砂岩的总有机碳均低于0.1%，总硫平均约0.007%，表明原始碳质碎屑和黄铁矿浓度极低，初始还原能力有限。

在后生改造方面，研究人员识别出三种改造赋矿砂岩的流体类型：浅层含氧地下水、还原性烃类流体和深部碱性热液流体。红色砂岩中广泛发育的赤铁矿化、部分氧化的莓状黄铁矿以及不均匀的氧化模式，指示了显著的后生氧化作用。酸解烃分析检测到高浓度烃类组分，结合绿色蚀变薄膜、黑色沥青颗粒和淡黄色油荧光等宏观微观标志，明确指示赋矿砂岩中至少发生了一次烃类运移事件。绿色砂岩是通过含烃流体的二次还原形成的，Fe³⁺被广泛还原为Fe²⁺，导致颜色从原生红色转变为次生绿色。强负硫同位素组成支持细菌硫酸盐还原（BSR）的发生。方解石化、闪锌矿与铁氧化物共生、中高温高盐度流体包裹体等特征指示了碱性热液流体的参与。

铀矿化机制方面，水硅铀矿和U-Ti集合体与黄铁矿、绿泥石、闪锌矿和铁氧化物密切相关，反映了两种不同的矿化机制：低温氧化还原和热化学沉淀。全矿石U-Pb定年获得53.8 ± 6.3 Ma的可靠等时线年龄，而电子探针分析追踪了从134.43 Ma至4.45 Ma的连续动态矿化过程。

基于上述发现，研究人员提出了该矿床的四阶段成矿模型：（1）沉积阶段的铀预富集；（2）早白垩世末期的二次烃类还原；（3）晚白垩世至始新世的区域性层间氧化-还原成矿；（4）渐新世以来的热液改造和氧化不足。这项研究为未来红色杂色地层中的铀矿勘探提供了有效的指示标志，环河组砂岩储层独特的氧化还原分带和暖色调矿化类型为砂岩型铀矿床研究提供了新的范例。