二连盆地芒来铀矿赋矿砂岩地球化学特征

齐天骄，李西得，刘旭，吕永华，许碧霞

（1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010；3.内蒙古自治区水利科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020）

二连盆地铀矿勘查始于20 世纪80 年代，至今已发现了以“巴-塞-齐”铀矿带为代表的诸多铀矿产地，二连盆地中东部的铀矿主要赋存于下白垩统赛汉组砂体中，如乔尔古Ⅲ级远景区、哈达图铀矿产地、赛汉高毕铀矿床、巴彦乌拉铀矿床等［1-2］。前人针对这些铀矿的成矿特征、成矿环境、成矿作用等已开展了较多研究［3-6］，但对于新近发现的铀矿床赋矿砂岩的地球化学特征等分析相对缺乏。芒来铀矿位于马尼特坳陷西部，属于巴彦乌拉铀矿田，向东与巴润铀矿相邻。笔者立足于芒来铀矿，对矿区赛汉组上段砂岩岩心进行了详细的野外及镜下岩石学观察总结，并采集典型样品进行了实验测试分析，初步讨论了芒来矿区赛汉组上段赋矿砂岩的地球化学特征及其成岩成矿指示意义，为下一步的勘查研究提供有益参考。

1 地质概况

二连盆地的基底总体属于中亚造山带东段兴蒙造山系，是西伯利亚板块与华北板块、塔里木板块的缝合部位（图1a），是古亚洲洋构造域经历多旋回构造运动最终于海西构造运动中形成，后期还叠加蒙古-鄂霍茨克构造体制和古太平洋板块体制的作用。二连中生代盆地沉积盖层覆盖在二连-贺根山混杂岩带和索伦山-西拉木伦缝合带及其两侧的增生杂岩带、岛弧及岩浆岩体上（图1b）。

图1 区域大地构造示意图（据参考文献［7］修改）Fig.1 The tectonic map of the study area

二连盆地是我国北方重要的产油气、煤及铀矿中-新生代陆相沉积盆地，铀矿主要为古河谷砂岩型，产于二连盆地中东部下白垩统赛汉组古河谷中［8-9］。赛汉组又可划分为上下两段，上段主要为冲积扇-河流沉积，发育古潜水氧化带型铀矿化，下段主要为三角洲-湖泊沉积，主要发育层间氧化带型铀矿化［4，6-8］。钻孔资料显示，芒来矿区地层由老到新包括下白垩统赛汉组下段、赛汉组上段、古近系伊尔丁曼哈组，其中赛汉组上段是主要的铀矿化层位［10］。

钻孔岩心观察显示，赛汉组上段砂岩层总体上为黄色氧化砂岩（图2a）和灰色还原砂岩（图2b），砂岩整体松散，固结程度低，含有较多填隙物（15%～20%）（图2c），主要为黏土矿物，总体上为基底胶结，局部可见孔隙胶结，碎屑颗粒主要为中粗粒，少数细粒，长石多为钾长石、条纹长石、斜长石等，岩屑主要为中酸性侵入岩及火山碎屑岩等 （图2d）。灰色矿化砂岩中黄铁矿及有机质化较为发育，主要呈自形、半自形粒状集合体或他形粒状、球粒状产出（图2e），部分可见与白铁矿或有机质相伴产出，亦可见它形黄铁矿呈假象充填于有机质残留胞腔内（图2f）。

2 测试结果

砂岩样品主量元素分析测试在核工业北京地质研究院完成。测试仪器为AB104L，Axios-mAX 波长色散X 射线荧光光谱仪。根据岩心观察和U 含量结果，整体上将砂岩分为氧化带、矿化砂岩、矿石及原生带。测试结果见表1。

芒来铀矿赋矿砂岩整体上SiO2、Al2O3含量较高（表1），SiO2含量为75.92%～88.71%，平均81.90%，Al2O3整体含量为5.47%～12.52%，平均9.27%；CaO、MgO 含量较低且变化不大，CaO 含量为0.19%～0.58%，平均0.30%，MgO 含量为0.08%～0.32%，平 均0.16%；Na2O 含量较低，为0.95%～2.86%，平均1.89%。灰色未矿化砂岩代表原生环境，以其作为标准化样品，作“灰色砂岩”标准化蛛网图（图3）。从图上可知，相对于原生带砂岩，其他类型砂岩的MnO、TiO2、P2O5、TFe2O3相对变化大，SiO2、MgO、K2O 含量基本相当，FeO、CaO、Na2O 含量稍高。

图2 芒来矿区砂岩样品及镜下照片Fig.2 Macro and micro photos of sandstones in Manglai deposit

3 地球化学特征

3.1 常量元素变化规律

根据氧化带中化学作用类型及元素地球化学活动特征，将常量元素分成4组，其中在不同分带砂岩中变化明显的元素如图4。

1） SiO2、Al2O3、K2O、Na2O

SiO2是含量最高的组分，原生带砂岩中含量最高，氧化带砂岩较低，其次为矿化砂岩，SiO2总体表现为迁出的特征；Al2O3为砂岩含量次高的组分，矿化带砂岩中的含量较高，其次为氧化带砂岩，原生带灰色砂岩含量最低，显示了迁入的特征；K2O、Na2O 变化特征相似，表现为在矿化带含量较高、氧化带及原生带含量较低。

2） Fe2O3、FeO、TFe2O3

TFe2O3和FeO 变化趋势相近，显示为矿化带含量较高，其次为氧化带砂岩，在原生带砂岩中含量最低，而Fe2O3含量整体相对不明显，说明Fe3＋在各类型砂岩中变化不大，Fe2＋在层间氧化作用过程中整体流失，而在矿石砂岩中可能受到有机质还原的作用，在矿石中发生二次富集。整体来看，Fe2O3、FeO、TFe2O3在层间氧化作用及铀矿化过程中表现较强的活动性。

图3 氧化带和矿化带砂岩相对原生带砂岩标准化蛛网图Fig.3 Progenetic sandstone normalized pattern of major elements of oxidized and mineralized sandstone

图4 不同类型砂岩主要元素含量对比图Fig.4 The average contents of the major elements in different sandstones

3） CaO、MgO、MnO

CaO 整体含量较低，具体表现为矿石含量稍较高，其次为氧化砂岩和矿化砂岩，在原生砂岩中含量较低，可能由于氧化带中长石中Ca 的淋失，被分解迁移到含矿带中发生富集；MgO 整体含量低，变化较小；MnO 整体含量低，氧化带中相对较高。

4） TiO2、P2O5

TiO2在不同类型砂岩中的含量变化不明显，化学性质表现相对稳定；P2O5相对在矿化带中含量较高，其次为氧化带砂岩，原生带砂岩含量较低。

3.2 化学风化特征

根据前人对化学风化作用的常量元素研究，使用岩石化学蚀变指数（CIA），来定量表征基岩化学风化强度［8］，使用成分变异指数（ICV），用于估计碎屑岩的原始成分变化程度，判断碎屑岩是一次沉积还是源于再循环的沉积物或是受到强烈的风化作用［11］。根据计算结果可知 （表1），总体上砂岩CIA 值为59.14～68.85 （CIA＜70），反映源区经历了寒冷、干燥条件下的弱化学风化作用［8］。通常，ICV 值大于1.0，表明碎屑岩含有很少的黏土矿物，成熟度差，代表碎屑岩是活动的构造带的首次循环产物［12］。本次在芒来矿区所测的砂岩样品ICV 值均小于1.0 （0.59～0.78，表1），同时镜下观察到黏土矿物的含量整体较高，指示沉积物质经历了再循环或是在强化学风化条件下的首次沉积［9］。

3.3 常量元素相关性分析

使用软件SPSS18.0 对芒来矿区赋矿砂岩常量元素进行相关性分析，结果显示（表2）：氧化带砂岩中相关度高的元素为SiO2与Al2O3，呈负相关；Al2O3与Na2O 呈正相关；Fe2O3与MnO 呈 正 相 关；TFe2O3与MgO 呈 正相关。矿化带砂岩常量元素相关性分析结果显示（表3），SiO2与Al2O3呈负相关；SiO2与MgO 呈负相关；SiO2与TiO2呈负相关；Al2O3与MgO 呈正相关；Al2O3与CaO，呈正相关；Al2O3与TiO2，呈正相关；TFe2O3与TiO2，呈正相关等；与U 相关度最高的元素为FeO（r＝0.675），呈正相关。

4 讨论

4.1 成岩环境

鲁超（2019）将巴彦乌拉地区构造演化划分为早-中侏罗世裂陷期、晚侏罗世-阿尔善组Ⅰ幕断陷期、腾格尔组-赛汉组Ⅱ幕断陷期、晚白垩裂后热沉降期和古近系-新近系裂后期四大演化阶段，其中赛汉组形成于裂陷Ⅱ幕的断坳转换期，该期控制了大规模赛汉组冲积-河流、大型辫状河三角洲砂体。

表2 氧化带砂岩常量元素相关性（r）分析结果（n＝9）Table 2 Pearson correlation coefficients of majon elements in oxidation sandstones （n＝9）

表3 矿化带砂岩常量元素相关性（r）分析结果（n＝18）Table 3 Pearson correlation coefficients in of majon elements in mineralization sandstones （n＝18）

本次所测砂岩的化学风化指数CIA 介于51～69，成分变异指数ICV 介于0.59～0.78，整体反映了源区经历了弱化学风化作用，并且经历了沉积后的改造，这可能由于赛汉组沉积后在反转构造的作用下，盆地整体抬升及差异抬升，砂体遭受风化剥蚀和淋滤的结果［9］。

前人对马尼特坳陷西部赛汉组上段砂岩研究认为，赛汉组沉积后经过了构造反转和剥蚀作用的强烈改造，辫状河三角洲沉积遭受强烈剥蚀［6，13］，在该背景下可能使砂岩受到水解溶蚀作用，长石类矿物发生黏土化，相关性分析结果显示Si 与Al、Ca、Fe、Na、Ti、Mn 呈显著或较为显著的负相关，表明砂岩中石英及硅酸盐矿物颗粒较大程度上影响了全岩的化学性质。其中最为明显的负相关是Si与Al 元素（r氧化带＝－0.835，r含矿带＝－0.967），结合镜下观察可见较多黏土矿物的产出，说明石英和富铝质黏土矿物较大影响了砂岩的地球化学特征。Fe 与Mn、Ti 等元素显示明显的正相关关系，反映砂岩组分中铁镁质组分的影响。含矿砂岩中Ti 与Al 呈明显的正相关，可能是TiO2在经风化作用后的铝硅酸盐中富集或被黏土矿物吸附［14-15］。

4.2 成矿指示

使用常量元素不同的特征值投图分析，挑选出相对较为明显能区分矿化带砂岩与非矿砂岩的图解（图5）。其中，Fe3＋/Fe2＋与P2O5投点图相对较好区分含矿砂岩与未矿化砂岩样品（图5a），这可能由于成矿过程中层间氧化作用使得含矿砂体中Fe3＋大量被还原为Fe2＋，导致矿化砂岩Fe3＋/Fe2＋值相对较小且变化范围不大，效果较好得将含矿砂岩区分出来。CaO 与MnO（图5b）、Na2O 与MnO（图5c）、Al2O3/SiO2与MnO（图5d）的投点图显示，含矿砂岩MnO 含量相对变化范围较小，具有较好得区分效果，在鄂尔多斯东北部砂岩铀矿中矿石同样富集MnO［16］，可能也与含矿带水-岩作用较强有关。

前人研究认为巴彦乌拉地区铀矿受控于整体抬升与构造反转形成的构造斜坡和剥蚀作用导致的潜水-层间氧化带，芒来矿区赛汉晚期以来的剥蚀厚度在1 000～1 500 m，属于较强烈反转构造区，赛汉组上段抬升至地表后局部遭受剥蚀，铀矿化主要为潜水或潜水-层间氧化，而巴彦乌拉地段属于中等程度反转构造区，赛汉组上段相对发育层间氧化铀矿化。已有资料显示，芒来铀矿化位于氧化带界面之下的灰色砂体中，且紧靠着底板之上产出，矿体整体呈单层板状（图6），而巴彦乌拉铀矿体呈多层的板状、卷状，受潜水-层间氧化带控制［17-18］。综上对比可以看出，芒来铀矿矿体相对更加具有受潜水氧化控制的特征。

图5 芒来铀矿不同类型砂岩常量元素指标投图Fig.5 Diagrams of different ratios of major elements in Manglai deposit

图6 芒来铀矿勘探线剖面图（改自文献［10］）Fig.6 Geological exploration section profile of Manglai uranium deposit

5 结论

1） 芒来铀矿床赛汉组上段砂岩的碎屑成分主要为石英、岩屑，长石次之，岩屑多为中酸性侵入岩及火山碎屑岩，砂岩中填隙物含量较高（15%～20%）且以黏土矿物为主，定名为中粗粒杂砂岩。

2） 成岩方面，砂岩整体SiO2含量较高，其次为Al2O3。Si 与Al、Ca、Fe、Na、Ti、Mn呈显著或较为显著的负相关，Fe 与Mn、Ti 等元素显示明显的正相关关系，该结果主要受到了硅酸盐矿物的种类及含量的影响。砂岩CIA 值为59.14～68.85（CIA＜70），反 映 源区经历了寒冷、干燥条件下的弱化学风化作用。

3） 相对未矿化砂岩，含矿砂岩中SiO2表现为迁出组分，Al2O3、K2O、Na2O、CaO、MnO 等表现为迁入组分，较大程度上代表了成岩后期到成矿期的水-岩作用。砂岩样品ICV 值均小于1.0（0.59～0.78），指示黏土矿物含量高，可能是由于构造反转使导致地层受到风化剥蚀和淋滤的原因，具体代表了成矿前到成矿过程中经历的潜水氧化过程。