松遼盆地北部龍虎泡地區鐵鈦氧化物與砂巖型鈾礦化關系探討

魏佳林，湯 超，金若時,2，陳路路，郭 虎,2，徐增連，李建國，谷社峰

(1. 中國地質調查局天津地質調查中心， 天津 300170； 2. 中國地質調查局鈾等能源地質重點實驗室， 天津 300170； 3. 大慶油田有限責任公司勘探開發研究院， 黑龍江 大慶 163712)

鐵鈦氧化物指以鐵和鈦為主要成分的氧化物(如鈦鐵礦、鐵板鈦礦、鈦磁鐵礦、鈦赤鐵礦等)，常以自生礦物形式發育于火成巖或變質巖中(Kolker, 1982； Frost and Donald, 1991； Lindsley and Epler, 2017)，被廣泛應用于研究其宿主巖石形成的溫壓、氧逸度等條件以及巖漿演化的熱力學性質等(岳樹勤等，1982； Bacon and Hirschmann, 1988； Shellnuttetal., 2009)。在沉積巖中，鐵鈦氧化物主要以碎屑重礦物的形式出現，被用于判斷沉積物源(Darby, 1990； Sevastjanovaetal., 2012； Amini and Anketell, 2015)、分析湖泊沉積古環境(Reynoldsetal., 2008)等。碎屑鐵鈦氧化物及其蝕變礦物還被作為尋找砂巖型鈾礦和油氣的可靠指示標志(Yurkova, 1970； Reynolds and Goldhaber, 1978a； 鄭一星， 1986)。

前人研究表明，碎屑鐵鈦氧化物(以鈦鐵礦為典型代表)的蝕變可以發生在蝕源區(Amini and Anketell, 2015)、表生風化(Gruner, 1959)以及沉積成巖(Morad and Aldahan, 1986)過程中。這些蝕變可以造成鈦鐵礦在成分、顏色、結構、形態以及磁性上的明顯變化(Baileyetal., 1956； Gruner, 1959； Temple, 1966)。這些差異性變化正是鈦鐵礦等碎屑鐵鈦氧化物被廣泛應用于分析物源、沉積環境以及鈾礦、油氣勘查的理論基礎，也使得沉積礦床中鈦鐵礦及其蝕變產物具有十分重要的地質意義和研究價值。

在我國，對鐵鈦氧化物的研究主要集中于與巖漿作用或變質作用有關的自生鈦鐵礦，而對于沉積礦床尤其是砂巖型鈾礦床中鈦鐵礦等鐵鈦氧化物的研究報道較少。本文在詳實的野外地質編錄基礎上，通過大量室內礦相學觀察，發現富鈾-鐵鈦氧化物是松遼盆地北部龍虎泡地區含礦砂巖中的重要含鈾礦物，其與蝕變鈦鐵礦、鈦氧化物、黃鐵礦等蝕變礦物存在著密切的共生組合關系。這對于揭示鐵鈦氧化物蝕變過程中記錄和保留的成礦流體環境以及鈾沉淀富集機制等有關信息具有十分重要的意義。

龍虎泡鈾礦化區的發現是近年來利用大慶油田資料二次開發和鉆探驗證取得的成果之一(湯超等， 2018； 魏佳林等， 2018)，礦化區含礦砂巖中的富鈾-鐵鈦氧化物與鄂爾多斯盆地納嶺溝地區含鈦類礦物蝕變(陳路路等， 2018)存在一定的差異性，即龍虎泡地區富鈾-鐵鈦氧化物普遍以蝕變礦物共生組合形式產出于含礦段砂巖中，這些蝕變礦物之間以及它們與鈾礦化之間很可能存在某種必然聯系。對此，筆者利用偏光顯微鏡、電子顯微鏡等手段，對龍虎泡地區含礦砂巖中的富鈾-鐵鈦氧化物及相關的蝕變鈦鐵礦、鈦氧化物、黃鐵礦等開展了礦相學、電子探針(EPMA)點化學分析、背散射電子成像分析(BSE)、能譜分析(EDS)以及元素面掃描分析等，從富鈾-鐵鈦氧化物的產狀、成分特征及其與蝕變鈦鐵礦、鈦氧化物和黃鐵礦等礦物的穿插接觸關系等方面，探討了鐵鈦氧化物與砂巖型鈾礦化之間的內在聯系。

1 成礦地質背景

研究區位于松遼盆地北部一級構造單元中央坳陷區西北，地處二級構造單元龍虎泡-大安階地北，東與齊家-古龍凹陷毗鄰，西與泰康隆起區和西部超覆區相鄰(圖1)。

盆地蓋層以白堊系碎屑巖為主，具有“下斷中坳上隆頂平”結構特征(胡望水等， 2005)，先后經歷了斷陷期改造、坳陷期改造、反轉期改造3個主要構造演化階段。坳陷期和反轉期沉積地層主要為上白堊統，自下而上依次為青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組和明水組，其中四方臺組為研究區內的主要賦鈾層位。

圖 1 松遼盆地北部龍虎泡地區構造位置圖及鉆孔綜合柱狀圖Fig. 1 Structural location of the Longhupao area and borehole histogram of the uraniferous rock series in northern Songliao Basina—松遼盆地構造單元圖[據唐振國(2015)改繪]； b—松遼盆地北部構造分區圖[據王始波(2013)改繪]； c—龍虎泡地區鉆孔綜合柱狀圖； d—淺紅色細砂巖； e—淺灰色黃鐵礦化含礦細砂巖，發育炭屑紋層； f—灰綠色含礦細砂巖； g—淺灰色黃鐵礦化含礦細砂巖； h—淺灰色含礦細砂巖，發育碳酸鹽細脈、炭屑以及細粒黃鐵礦； i—淺灰色含泥礫礦化粗砂巖； j—孔深838.6～854.6 m含礦段巖心整體照片； 1—一級構造分區界線； 2—二級構造分區界線； 3—河流； 4—油氣田/砂巖型鈾礦床(點)； 5—粗砂巖； 6—中砂巖； 7—細砂巖； 8—鈣質細砂巖； 9—粉砂巖； 10—泥質粉砂巖； 11—粉砂質泥巖； 12—泥巖； 13—泥礫/鈣質結核； 14—炭屑/黃鐵礦； 15—生物化石/槽狀交錯層理； 16—采樣位置a—structural unit map of Songliao Basin (modified after Tang Zhenguo ， 2015)； b—structural unit map of the northern Songliao Basin (modified after Wang Shibo， 2013)； c—borehole histogram of the uraniferous rock series in the Longhupao area； d—light red fine sandstone； e—light gray uraniferous fine sandstone with pyrites and lamellar charcoal debris； f—gray green uraniferous fine sandstone； g—light gray uraniferous fine sandstone with pyrites； h—light gray uraniferous fine sandstone with carbonate vein, organic matter and fine pyrites； i—light gray uraniferous gritstone with boulder clay； j—holistic photo of core of the ore-bearing segment at the hole depth of 838.6～854.6 m； 1—boundary of the first-class structural units； 2—boundary of the second-class structural units； 3—rivers； 4—oil and gas field/sandstone-hosted uranium deposits； 5—grit stone； 6—medium sand； 7—fine sandstone； 8—calcareous fine sandstone； 9—siltstone； 10—argillaceous siltstone； 11—silty mudstone； 12—mudstone； 13—boulder clay/calcareous concretion； 14—organic matter/pyrite； 15—biological fossil/trough cross bedding； 16—sampling site

盆地北部具有十分有利的鈾源條件。大興安嶺、小興安嶺的花崗巖富鈾(鐘延秋等， 2011)，這些富鈾巖體很可能為早期底侵于古陸塊下部的鎂鐵質巖類大規模部分熔融作用的產物(巫建華等， 2017)。大興安嶺中段分布有諸多火山熱液型、花崗巖型鈾礦(化)點、異常點，西北部盆緣即為扎蘭屯-烏蘭哈達火山巖型鈾多金屬成礦帶，鈾成礦期主要為晚侏羅世—早白堊世(席海銀等，2017)。

區域上的構造反轉活動為砂巖型鈾礦的形成提供了有利構造剝蝕條件。盆地內以嫩江組沉積末期、明水組沉積末期、古近紀遭受的反轉構造影響作用較大(楊海波等， 2012； 石萬超， 2017)，并在嫩江組末期和明水組末期形成了兩期大規模剝蝕期(萬雙雙， 2012； 楊承志，2014)。大興安嶺地區從新生代開始則處于持續的隆升剝蝕狀態，部分鈾礦化點被直接抬升于地表并遭受強烈剝蝕(席海銀等， 2017)。

區域上水系發育，具有十分有利的水文地質條件(陳德兵等， 2007)。近南北向嫩江主河道流經研究區，上游分布有諸多源于大興安嶺蝕源山區的小型水流體系，下游龍虎泡地區分布有大片的沼澤和水系，這些成為形成砂巖型鈾礦的有利排泄區。

緊鄰龍虎泡地區的泰康隆起區總體呈北北東向，發育鼻狀構造、推覆背斜構造以及正斷層構造(王始波， 2013)。龍虎泡地區在嫩江組沉積之前一直處于東傾斜坡上，在嫩江組末期形成了一個寬緩背斜，并在明水組末期的水平擠壓作用下形成了利于油氣存儲的北北東向龍虎泡鼻狀構造(張方吼， 1987； 王始波， 2013)。研究區內斷裂構造發育(張明學等， 2018)，尤其明水組沉積末期形成的斷層對該地區中淺層油氣成藏起了至關重要的作用(么忠文等， 2017)。

龍虎泡地區是大慶油田外圍的一個大型含油區，主要生烴層為晚白堊世嫩江組和青山口組。研究區內發現的砂巖型鈾礦化即位于嫩江組生烴層之上的四方臺組內，該含鈾層與嫩江組和青山口組生烴層、沙河子組含煤層在松遼盆地北部形成了自下而上的煤-油-鈾多能源礦產同盆共存組合模式。

研究區內揭露砂巖型鈾礦化的鉆孔為最新施工完成的鉆孔，目的是驗證原油田井測井中發現的高自然伽瑪值異常。鉆孔揭露的地層自下而上依次為上白堊統嫩江組(K2n)、四方臺組(K2s)、明水組(K2m)、古近系泰康組(N2t)和第四系(Q)。

四方臺組(K2s)為一套曲流河相沉積建造，發育3層鈾礦化(/異常)層，以底部鈾礦化最強。下部為一套雜色細碎屑巖與泥巖互層沉積建造，是砂巖型鈾礦化發育的最主要層段，巖性主要為淺灰色細砂巖、含礫中砂巖、粗砂巖夾紅棕色泥巖、粉砂質泥巖(圖1d～1j)，含礦段頂部發育淺紅色細砂巖，底部可見沖刷面構造，與下伏嫩江組呈角度不整合接觸，這為鈾成礦作用提供了良好的儲層條件。含礦砂巖中多發育星點狀、結核團塊狀黃鐵礦化，并發育炭屑紋層，局部沿炭屑分布少量碳酸鹽細脈。中部為一套淺灰色中細碎屑沉積建造，巖性主要為淺灰色細砂巖夾灰色泥質粉砂巖、泥巖薄層，鈾異常段位于淺灰色細砂巖中，異常厚度較小。上部為一套紅色為主的沉積建造，巖性主要為紅棕色泥巖、粉砂質泥巖夾灰綠色、淺灰色粉砂巖、粉砂質泥巖，鈾異常強度最弱且厚度小，主要發育于淺灰色粉砂質泥巖中。

嫩江組(K2n)為一套湖泊相沉積建造，巖性主要為灰紅色泥巖、綠灰色粉砂巖、雜色泥巖互層，夾淺灰色細砂巖薄層，透水性差，為四方臺組含鈾層重要的隔水層。

明水組(K2m)為一套曲流相沉積建造，總體呈淺灰色、灰綠色，底部巖性主要為淺灰色砂礫巖、粗砂巖等粗碎屑沉積建造。

四方臺組底部淺灰色砂巖鈾礦化最強，為本文的重點研究層段。

2 樣品采集及研究方法

本研究首先對含礦鉆孔進行詳細的全孔地質編錄，同時利用巖心γ+β編錄儀確定具體含礦層段，詳細觀察對比礦段與非礦段宏觀巖石學及蝕變差異，重點采集含礦段相關測試樣品。然后，利用偏光顯微鏡對采集樣品磨制的電子探針片進行鏡下觀察，優選出重要探針片，并對重點現象進行標記。最后，利用電子顯微鏡對優選探針片進行能譜分析、背散射分析、微區化學成分分析以及元素面掃描分析。

研究樣品采集于新施工完成的鈾礦孔巖心，按照含礦段與非礦段、不同顏色砂巖、不同層段采集電子探針樣品28件(埋深249～852 m)，巖性主要為淺灰色含礦細砂巖、中砂巖，相關電子探針分析測試在天津地質礦產研究所完成，儀器型號為EPMA1600，測試條件為加速電壓15 kV，束流20 nA，束斑直徑最低可至1 μm，測試元素為Ti、Fe、U、Mg、Mn、V、Na、Al、Si、P、Th、Ca、Cr共13種元素；面掃描分析元素主要為Ti、Fe、U、Si、S。

通過對龍虎泡地區鈾礦孔明水組至四方臺組不同層段砂巖取樣研究發現，該地區鐵鈦氧化物類型主要為富鈾-鐵鈦氧化物(U-rich Fe-Ti Oxide，以下簡稱UFTO)、不同程度蝕變的鈦鐵礦以及少量含鈾富鐵-鈦氧化物(U/Fe-TiO2)(圖2)。其中，鈦鐵礦最多，其次為UFTO，含鈾富鐵-鈦氧化物只在個別樣品中出現。

需要強調的是，通過對大量探針片的鏡下觀察發現，UFTO、含鈾富鐵-鈦氧化物只分布于四方臺組底部含礦砂巖中，不以獨立礦物形式產出，而是以鐵鈦氧化物-鈦氧化物-黃鐵礦礦物共生組合形式產出。而鈦鐵礦在明水組/四方臺組、含礦段/非礦段、紅色/灰色砂巖中均有分布，以獨立礦物、未蝕變鈦鐵礦-黃鐵礦、強蝕變鈦鐵礦-鈦氧化物-黃鐵礦3種形式產出，其中前兩者普遍不含鈾。這些礦物共生組合上的差異性表明，鈦鐵礦的蝕變程度和黃鐵礦的出現，在鈾的富集沉淀也就是UFTO的形成過程中發揮了非常重要的作用。因此，本文重點研究和探討UFTO及與其密切共生的強蝕變鈦鐵礦、鈦氧化物、黃鐵礦等蝕變礦物的共生組合特征。

3 分析結果

3.1 鏡下礦物學特征

UFTO由于富鈾，在背散射圖像中灰度值最高，呈亮白色，明顯區別于鈦鐵礦、鈦氧化物、黃鐵礦等其他共生礦物(圖2d～2i)。其產出狀態與鈦鐵礦蝕變程度密切相關，在蝕變鈦鐵礦顆粒內部裂隙中，UFTO呈細脈狀分布，同時裂隙脈狀分布的還有鈦氧化物(圖2a、2d)和黃鐵礦(圖2b、2e)；在鈦鐵礦強烈蝕變部位，UFTO呈非結晶態產出(圖2f～2i)；在蝕變鈦鐵礦顆粒與外部環繞包裹黃鐵礦的接觸邊界，UFTO的分布明顯受兩者接觸邊界控制(圖2h、2i)。

與UFTO密切共生的鈦鐵礦多呈渾圓狀-次棱角狀，反射色為灰色、深灰色，裂隙發育，被部分或完全蝕變交代，在背散射圖像中灰度明顯低于UFTO、黃鐵礦而高于鈦氧化物。

鈦氧化物可分為細脈狀(圖2d)和片狀集合體(圖2g)兩種產出類型。根據鈦鐵礦的連續蝕變及蝕變礦物組合特征(Mücke and Chaudhuri, 1991)，細脈狀鈦氧化物表面較為平整，結晶程度較高，很可能為鈦鐵礦蝕變的第1階段產物銳鈦礦，部分殘留有未蝕變或弱蝕變的鈦鐵礦；片狀集合體鈦氧化物很可能為鈦鐵礦的第3階段終極蝕變產物白鈦石，鈦鐵礦被完全蝕變，形成的白鈦石多是復雜的機械混合物。這些鈦氧化物相與鈾礦化密切相關，在其邊部多分布有鈾礦物。

黃鐵礦主要分為蝕變鈦鐵礦內部裂隙細脈狀和外部環繞包裹的膠狀黃鐵礦兩類(圖2b、2e)。兩者可沿鈦鐵礦溶蝕裂隙相互貫通，細脈狀黃鐵礦很可能比外部膠狀黃鐵礦稍早形成。在UFTO內部，黃鐵礦還呈細小星點狀分布。值得注意的是，環繞蝕變鈦鐵礦包裹的膠狀黃鐵礦外部可見有鈾石等鈾礦物分布(圖2j)，這說明鈾的富集沉淀至少經歷了兩個階段，即早階段鈾礦化產物為UFTO，晚階段鈾礦化產物為鈾石等其他鈾礦物。

在該地區含礦砂巖中，與UFTO-鈦氧化物-黃鐵礦礦物共生組合同時出現的還有未/弱蝕變鈦鐵礦-鈦氧化物-黃鐵礦礦物組合，該組合中的鈦鐵礦、鈦氧化物反射色呈淺灰色，多呈次棱角狀，表面光滑平整(圖2k～2l)，明顯區別于前者組合中的強蝕變鈦鐵礦、鈦氧化物，基本不含鈾。

與這些弱蝕變鈦鐵礦相關的含鈾富鐵-鈦氧化物雖然含量少，但其復雜的蝕變礦物組合結構(圖2l)對后期流體蝕變作用具有一定的啟示意義，其可能為鈦鐵礦向鈦氧化物、UFTO蝕變過程中的過渡產物。圖2l中，含鈾富鐵-鈦氧化物外形輪廓為自形鈦鐵礦的假晶形態，但內部遭受了一定程度的后期流體蝕變，形成多種礦物相。長條狀鈦鐵礦“外殼”構成了該蝕變礦物組合的外部整體輪廓，核部分布有半自形-他形殘留的鈦鐵礦、鈦氧化物，在這殘留鈦鐵礦與“外殼”鈦鐵礦之間環繞分布有膠狀含鈾富鐵-鈦氧化物。該蝕變礦物組合外部被膠狀黃鐵礦部分包裹，在膠狀黃鐵礦內部包含有早世代的草莓狀黃鐵礦。

3.2 化學成分特征

利用電子探針對UFTO、U/Fe-TiO2進行了微區化學成分分析。為了更好地對比研究鈦鐵礦及共生組合的鈦氧化物化學成分對鈾富集的影響，還選取UFTO-鈦氧化物-黃鐵礦礦物共生組合中的殘留鈦鐵礦(Ilm-A)、鈦氧化物(TiO2-A)以及未蝕變鈦鐵礦-鈦氧化物-黃鐵礦礦物共生組合中的未蝕變鈦鐵礦(Ilm-B)、鈦氧化物(TiO2-B)進行了分析。分析結果見表1。

圖 2 龍虎泡地區含礦砂巖鐵鈦氧化物-鈦氧化物-黃鐵礦礦物組合鏡下特征Fig. 2 Mineralographical features of the mineral assemblage of Fe-Ti oxide-titanium oxide-pyrite in the uraniferous sandstone in Longhupao areaa～c、k～l—反射光照片； d～j—背散射圖像，其中d～f是a～c對應的背散射圖像； Qtz—石英； Ab—鈉長石； Kfs—鉀長石； Pl—斜長石； Ap—磷灰石； Ilm—鈦鐵礦； TiO2—鈦氧化物； Py—黃鐵礦； Fra.Py—草莓狀黃鐵礦； UFTO—富鈾-鐵鈦氧化物； U/Fe-TiO2—含鈾富鐵-鈦氧化物； Cof—鈾石a～c, k～l—reflection photos by polarizing microscope； d～j—BSE images by electron microscope； Qtz—quartz； Ab—albite； Kfs—K-feldspar； Pl—plagioclase； Ap—apatite； Ilm—ilmenite； TiO2—titanium oxide； Py—pyrite； Fra.Py—framboidal pyrite； UFTO—U-rich Fe-Ti oxide；U/Fe-TiO2—U/Fe-rich titanium oxide； Cof—coffinite

UFTO多呈非晶質，鏡下特征見圖2a～2i，多為蝕變鈦鐵礦、鈦氧化物、鈾礦物等礦物組成的復雜集合體，因此導致表1中UFTO的總含量在86.34%～95.76%。UFTO主要成分為TiO2、FeO、UO2，三者平均含量比為1∶0.51∶0.71。其中，TiO2含量為27.12%～45.84%，平均37.57%；TFeO含量為8.79%～ 26.25%，平均19.12%；UO2含量為16.25%～ 40.06%，平均26.49%；微量元素中含量較高的主要為SiO2，平均含量3.98 %。成分上總體特征為，相對于鈦鐵礦顯示出了Fe、Ti的遷出和U的遷入，且Fe的遷出程度要高于Ti。

U/Fe-TiO2呈膠體狀，鏡下特征見圖2l，主要成分為TiO2、FeO，兩者平均含量比為1∶0.14，其中TiO2含量為68.57%～ 89.16%，平均含量74.99%；FeO含量為2.90%～ 16.33%，平均含量10.86%。微量元素中含量較高的主要為SiO2、UO2、Al2O3，平均含量分別為3.11%、1.76%、1.29%。鈦鐵礦到鈦氧化物是一個連續的過程，中間伴隨著鐵的浸出和水的參與(Temple, 1966； Frost, 1983； Mücke and Chaudhuri,1991)。該膠狀含鈾富鐵-鈦氧化物相對于鈦鐵礦成分也顯示出了鐵的浸出特征，總體含量變化范圍為91.34%～ 97.82%(平均93.94%)，可能正是含有一定量的水造成的，結合鏡下產出特征，推斷其為鈦鐵礦向鈦氧化物蝕變過程中的中間產物。

Ilm-A、TiO2-A均與UFTO密切共生，鏡下特征見圖2a～2f。分析結果顯示，Ilm-A主要成分為TiO2(47.87%)、FeO(41.53%)，兩者含量比為1∶0.86，具有較高的MgO含量(2.59%)，普遍含有少量UO2(0.37%)；TiO2-A主要成分為TiO2(96.17%)，微量元素中含量較高的為FeO(1.90%)和V2O5(1.27%)，含少量UO2(0.52%)。

Ilm-B、TiO2-B普遍貧鈾，鏡下特征見圖2k～2l，未蝕變或遭受了弱蝕變，反射色明顯區別于Ilm-A、TiO2-A。分析結果顯示，Ilm-B主要成分為TiO2(51.30%)、FeO(45.29%)，兩者含量比為1∶0.88，但區別于Ilm-A，其具有較高的MnO2(1.18%)和較低的MgO(0.96%)含量；TiO2-B與TiO2-A主成分TiO2含量相近，區別于TiO2-A的是，TiO2-B中FeO、V2O5含量相對較低。

從表1、圖3中可以看出，在不同的鐵鈦氧化物礦物相中，FeO與TiO2呈明顯的負相關性。除UFTO具有高含量鈾外，與強蝕變有關的Ilm-A、TiO2-A、U/Fe-TiO2均含有一定量的鈾，而未蝕變的Ilm-B、TiO2-B普遍貧鈾。UFTO、U/Fe-TiO2相對于鈦鐵礦均顯示出了Fe、Ti的遷出和U的遷入特征。這些說明了鈾的富集沉淀與蝕變作用密切相關，蝕變過程中伴隨有鐵、鈦和鈾在不同礦物相之間的遷移。

圖 3 龍虎泡地區含礦砂巖不同類型鐵鈦氧化物重要成分含量變化折線圖Fig. 3 The line graph of important components of different Fe-Ti oxides in the uraniferous sandstone in Longhupao area

與鈾礦化關系密切的Ilm-A為高鎂型鈦鐵礦，而普遍貧鈾的Ilm-B多為相對高錳低鎂型鈦鐵礦。單從礦物成因角度來看，這兩種不同類型鈦鐵礦的形成與蝕源區巖體熔漿成分或巖漿分異演化過程中結晶程度、氧逸度、冷卻速度變化等有關(岳樹勤等， 1982； 任啟江等， 1987； Frost and Donald, 1991； Castilloetal., 2017)。但是，這兩種鈦鐵礦的成分差異很可能與鈦鐵礦的蝕變程度之間存在一定的聯系，進而影響到后期的鈾富集沉淀，其與鈾礦化的關系將在后文中做出討論。

3.3 元素面分布特征

為進一步研究蝕變強、礦物細小且復雜多樣的富鈾/含鈾鐵鈦氧化物，選取典型的富鈾和含鈾鐵鈦氧化物-鈦氧化物-黃鐵礦礦物相分別進行了電子探針元素面掃描分析(圖4)，顯示出了鈾富集與鐵鈦氧化物后期蝕變密切相關的元素分布特征。

與UFTO密切共生的組合礦物相元素面掃描結果(圖4b～4f)顯示，強蝕變鈦鐵礦出現了明顯的鈾富集。U元素高值帶呈長條狀，為高鈾含量的UFTO，這些與鈦鐵礦裂隙、微裂隙分布基本吻合。在殘留鈦鐵礦的光滑平整面區域U含量明顯降低，說明U的富集與礦物相的內部溶蝕結構尤其裂隙發育程度緊密相關。值得注意的是，在鈦鐵礦外部環繞的黃鐵礦中也出現了一定程度的鈾富集，可能為后期含鈾流體蝕變作用下形成，這反映出了其與UFTO的形成存在成因聯系。

在UFTO鈾富集區，高值帶呈長條狀分布的元素還有Ti、Fe。其中，長條狀Ti高值帶是以細脈狀鈦氧化物礦物相形式產出，在外部黃鐵礦中也出現有一定程度的Ti富集，且自強蝕變鈦鐵礦向外呈彌散狀擴散(圖4d)，這表明早期蝕變鈦鐵礦與后期形成的黃鐵礦之間發生了一定程度的交代蝕變作用，Ti自蝕變鈦鐵礦向黃鐵礦方向發生了一定程度的遷移擴散；長條狀、串珠狀Fe高值帶(圖4e)與S元素(圖4i)分布基本一致，這些高值帶是以細脈狀、星點狀黃鐵礦礦物相形式產出，還可能存在肉眼難以識別的微細黃鐵礦。

含鈾富鐵的膠狀鐵鈦氧化物礦物組合元素面掃描結果(圖4h～4l)同樣顯示出，U富集與Ti、Fe、S3種元素之間存在成因聯系。相對未蝕變的“外殼”鈦鐵礦、核部鈦鐵礦以及鈦氧化物，遭受后期蝕變的膠狀鐵鈦氧化物出現了明顯的鈾富集。相對于未蝕變鈦鐵礦，膠狀鐵鈦氧化物具有Fe浸出而Ti相對富集的元素分布特征。S元素的分布基本與膠狀鈦鐵礦氧化物相吻合，且明顯高于未蝕變的鈦鐵礦和鈦氧化物，這表明在后期流體蝕變過程中有S的參與。

圖 4 龍虎泡地區含礦砂巖鐵鈦氧化物元素面掃描圖像Fig. 4 Area scanning for element distributions of Fe-Ti oxide in the uraniferous sandstone in Longhupao areaa、g—背散射圖像；b～f、h～l—a、g對應的電子探針U、Si、Ti、Fe、S元素面掃描圖像； Qtz—石英； Ab—鈉長石； Kfs—鉀長石； Ilm—鈦鐵礦； TiO2—鈦氧化物； Py—黃鐵礦； UFTO—富鈾-鐵鈦氧化物； U/Fe-TiO2—含鈾富鐵-鈦氧化物a, g—BSE image by electron microscope； b～f, h～l—area scanning of element U, Si, Al, Fe, Ti, S for A and G； Qtz—quartz； Ab—albite； Kfs—K-feldspar； Ilm—ilmenite； TiO2—titanium oxide； Py—pyrite； UFTO—U-rich Fe-Ti oxide； U/Fe-TiO2—U/Fe-rich titanium oxide

4 討論

龍虎泡地區含礦砂巖中鐵鈦氧化物與鈾礦化關系的重要體現是UFTO的形成，諸多分析結果已表明，該礦物并非單一因素形成，而是蝕變鈦鐵礦在后期含礦流體的進一步蝕變并發生氧化還原過程中形成的。

4.1 鈦鐵礦蝕變程度與鈾沉淀富集的關系

鈦鐵礦內部早期溶蝕裂隙為后期含礦流體的蝕變進行和鈾的沉淀富集提供了有利反應空間。UFTO的產出形式與鈦鐵礦的蝕變程度密切相關，鈾富集程度基本與鈦鐵礦的蝕變程度呈正相關性。如前所述，與UFTO關系最為密切的是強蝕變的Ilm-A；膠狀U/Fe-TiO2為鈦鐵礦蝕變過程中的中間產物，含少量鈾；未蝕變的Ilm-B幾乎不含鈾。

Ilm-A的蝕變可以分為鈾礦化前蝕變和鈾礦化期蝕變，這兩期蝕變造成的溶蝕裂隙都為含礦流體的進一步蝕變提供了良好的鈾富集沉淀的物理空間。鈦鐵礦內部裂隙的發育程度直接影響到與鈾礦化有關的后期成礦流體蝕變強度以及UFTO的產出狀態。在裂隙發育較強的部位，鈦鐵礦被蝕變改造的程度較高，這有利于鈾的充分富集沉淀，從而形成裂隙細脈狀或具鈦鐵礦假晶輪廓的非晶質UFTO；在裂隙發育較弱的部位，鈦鐵礦被蝕變改造的程度相對較弱，含鈾流體與鈦鐵礦發生化學反應的表接觸面積相對較小，不利于鈾的完全沉淀富集，從而形成U/Fe-TiO2；在裂隙不發育或者不甚發育的部位，含礦流體很難與鈦鐵礦反應形成鈾礦物。

Ilm-A與Ilm-B發育的裂隙類型不同。Ilm-A中發育的裂隙多為化學溶蝕作用形成的，這些裂隙的形成時間可以是母巖剝蝕期、搬運風化期、沉積成巖期甚至后期成礦流體蝕變期，或者是多時期物理化學條件共同作用的結果。而Ilm-B表面多光滑平整，裂隙發育程度較低，發育的裂隙多為機械性壓裂裂隙，局部可見“X”形剪裂隙，這些裂隙很可能是Ilm-B在沉積后壓實應力作用下形成的，錯段位移距離很小。

鈦鐵礦的裂隙發育程度尤其鈾礦化前形成的裂隙受其搬運過程和化學成分影響作用明顯。從鈦鐵礦的晶形上來看，Ilm-A的磨圓度明顯高于Ilm-B，顯示出Ilm-A的剝蝕搬運距離要大于Ilm-B，這是造成兩類鈦鐵礦裂隙發育程度及裂隙類型明顯不同的一個重要原因。從化學成分上來看，Ilm-A高鎂低錳，Ilm-B則相對高錳低鎂。Mg、Mn等雜質可以直接影響鈦鐵礦物理化學方面的穩定性(Wang and Yuan, 2006)，Mg的化學性質比Mn活潑，在鈦鐵礦的剝蝕風化以及長距離搬運過程中，Mg比Mn更易從鈦鐵礦晶格中遷出，造成結構塌陷，從而破壞原有礦物結構，在顆粒內部形成大量孔隙，使得高鎂的Ilm-A更易遭受后期的風化溶蝕，進而為后期UFTO的形成提供了充足的容礦空間。

4.2 鈦鐵礦外部環繞的黃鐵礦與UFTO形成的內在聯系

與鈦鐵礦外部環繞黃鐵礦形成有關的蝕變流體為UFTO的形成提供了鈾成礦物質。相對于非礦段，含礦段砂巖中的黃鐵礦含量明顯增加。UFTO多被膠狀黃鐵礦完全包裹環繞，以富鈾-鐵鈦氧化物-鈦氧化物-黃鐵礦礦物共生組合形式產出，幾乎未見到單一的UFTO獨立出現。這些充分說明了后期含礦流體參與了UFTO的形成。

龍虎泡地區含礦砂巖中一種重要的黃鐵礦類型就是環繞包裹鐵鈦氧化物的膠狀黃鐵礦，其廣泛充填于砂巖碎屑粒間孔隙中。此類黃鐵礦中具有明顯的鈾富集特征(圖4b)，表明與這些黃鐵礦形成有關的后期蝕變流體為含鈾的成礦流體，它為鈦鐵礦進一步蝕變過程中UFTO的形成提供了鈾成礦物質來源，含礦砂巖中的碎屑鐵鈦氧化物是在后期含礦流體蝕變時期被黃鐵礦硫化交代并包裹的。

這種鐵硫化物結殼部分是成礦流體通過吸附蝕變鈦鐵礦顆粒表面或裂隙中浸出的Fe而形成的，蝕變交代過程中伴隨有一定程度的Ti遷移逸散，這在UFTO中Ti元素(圖4d)面掃描結果中得到了證實。值得注意是，含礦砂巖中環繞包裹鐵鈦氧化物的膠狀黃鐵礦含量要遠遠高于鐵鈦氧化物的含量，即使這些鐵鈦氧化物中的Fe被全部蝕變浸出，也不可能形成如此高含量的黃鐵礦，這其中必定有Fe的另外一種來源，只能是后期含礦流體富鐵。

這些黃鐵礦的形成很可能是含鈾富鐵的氧化性流體與龍虎泡油氣田區富H2S的還原性流體相互作用的結果。這些大量Fe的來源，可以是富氧含鈾流體淋濾途經圍巖中的赤鐵礦、磁鐵礦、黑云母、角閃石、輝石等富鐵礦物，也可以是微生物通過改變無機界中鐵的賦存形式來吸附鐵(孫劍等， 2015)；H2S的來源可以是深部油氣藏H2S氣體沿活動斷裂帶向上的運移逸散，也可以是還原細菌分解烴類或硫酸鹽的產物(Mcguireetal., 2001)。

4.3 蝕變鈦鐵礦-黃鐵礦礦物組合與鈾沉淀富集的關系

蝕變鈦鐵礦和黃鐵礦為鈾的沉淀富集分別提供了礦物尺度上的氧化障和還原障。龍虎泡地區含礦砂巖中，與UFTO緊密共生的另外一種類型黃鐵礦就是沿蝕變鈦鐵礦裂隙分布的細脈狀、星點狀黃鐵礦，其與環繞包裹UFTO的膠狀黃鐵礦均為后期含礦流體蝕變作用下形成的，時間上前者稍早于后者形成。

鈦鐵礦的蝕變過程不只是鐵的逐漸浸出過程，還伴隨著鐵從Fe2+到Fe3+的價態變化，這個變化也是漸變過渡的(Temple, 1966； Teufer and Temple, 1966； Mücke and Chaudhuri,1991； Vinokurov and Nesterova, 2010)。前人(Ismailetal., 1989； Tang and Liu, 2013)通過實驗已證明，在有利的熱水條件下，鈦鐵礦可以被完全分解為磁鐵礦(Fe3O4)和二氧化鈦(TiO2)，水的持續添加可以導致鈦鐵礦的徹底分解。在鈦鐵礦的預氧化過程中，假金紅石、三氧化二鐵和三價鐵板鈦礦等新物相也已經被學者們所發現(郭宇峰等， 2010； 王曼等， 2012)。

龍虎泡地區含礦砂巖中的鈦鐵礦在搬運過程中的表生風化氧化或者沉積后氧化流體蝕變作用下，自身攜帶的Fe2+被氧化為Fe3+，并附著于鈦鐵礦內部溶蝕裂隙中或礦物顆粒表面。此后，蝕變鈦鐵礦又遭受后期富H2S流體的進一步蝕變改造，早期形成的Fe3+被H2S還原形成黃鐵礦。該過程的反應式可以表達為：

Fe2+TiO3+1.5 H2O+0.25 O2→TiO2+Fe3++3 OH-(1)

Fe3++3 OH-+2 H2S→FeS2+3 H2O+0.5 H2(2)

鐵的浸出程度與蝕變過程中水的含量密切相關，水化發揮了重要作用。鐵氧化物在蝕變過程中是水合的，鐵是以可移動的氫氧化物形式被除去的(Temple, 1966； Frost, 1983)。在表生風化且有水參與的前提下，鈦鐵礦可以在不超過50℃的溫度條件下發生連續蝕變直至形成白鈦石等鈦氧化物(Mücke and Chaudhuri,1991)。這種表生條件下的鈦鐵礦階梯式氧化在砂巖型鈾礦床實例中已有所體現(Vinokurov and Nesterova, 2010)，蝕變形成的鐵氧化物還可以促進鈾的活化(Noubactepetal., 2006)。

龍虎泡地區含礦砂巖鐵鈦氧化物礦相學觀察研究過程中，在其蝕變礦物周圍未發現磁鐵礦、赤鐵礦等含Fe3+氧化物，可能是這些早期形成的含三價鐵氧化物被后期強烈作用的H2S還原交代形成了黃鐵礦。因此，鈦鐵礦先被氧化形成部分鐵氧化物，然后再與富H2S流體反應形成黃鐵礦，這可能是龍虎泡地區UFTO中裂隙脈狀黃鐵礦和鈦氧化物的一種形成機制。

此外，還可能存在另外一種氧化還原反應機制。Gruner(1959)研究已證明，H2S飽和流體可以與鈦鐵礦發生反應形成黃鐵礦和二氧化鈦，反應式為：

FeTiO3+H2S→TiO2+FeS+H2O (3)

FeS+ H2S→FeS2+H2(4)

在反應過程中，鈦從鈦鐵礦中析出形成二氧化鈦，鐵則進入黃鐵礦以FeS·nH2O膠體形式出現(Dymkovetal., 2003)。這也可以成為龍虎泡地區含礦砂巖UFTO中裂隙脈狀黃鐵礦的一種形成機制，即H2S飽和流體充注鈦鐵礦早期蝕變裂隙，并直接與鈦鐵礦反應形成裂隙脈狀黃鐵礦和鈦氧化物。

反應式(1)(2)與反應式(3)(4)兩種機制的區別在于，前者鈦鐵礦是先被預氧化(Fe2+被氧化成Fe3+)再被富H2S流體還原(Fe3+被還原成Fe2+)形成黃鐵礦，而后者鈦鐵礦直接與飽和H2S流體發生反應形成黃鐵礦和鈦氧化物。無論以上哪種反應過程，最終結果是一致的，即鈦鐵礦蝕變浸出的鐵被釋放到裂隙或其他有利溶蝕空間內，與H2S反應形成裂隙脈狀黃鐵礦，同時形成的還有裂隙脈狀的銳鈦礦、白鈦石等鈦氧化物。這些反應過程均為鈾的沉淀富集提供了有利的氧化還原條件，鈦鐵礦作為具氧化性的礦物，黃鐵礦作為具還原性的礦物，分別提供了有利于成礦的氧化障和還原障。

與鈾礦化有關的流體是后期含鈾富鐵的氧化性溶液和H2S飽和的還原性溶液。鈦鐵礦蝕變裂隙內部細脈狀黃鐵礦與其外部包裹環繞的黃鐵礦在形成過程中H2S的來源基本是一致的，但在Fe的來源上具有一定的差別，前者中的Fe更多來源于鈦鐵礦蝕變過程中Fe的遷移浸出，而后者中的Fe更多的來源于后期含礦流體。

4.4 與鐵鈦氧化物緊密相關的鈾富集沉淀機制

含礦流體與強蝕變鈦鐵礦發生反應形成UFTO的過程中，鐵對于鈾的富集沉淀發揮了重要作用，鈦鐵礦蝕變過程中鐵的浸出及其價態變化是使含礦流體中鈾價態發生變化而沉淀富集的重要機制。

在龍虎泡地區含礦砂巖中，只有大量鐵流失的強蝕變鈦鐵礦才與鈾礦物緊密共生，鐵的去除創造了有利空間，允許進一步和更深層次的反應進行，直到鈦鐵礦晶格完全斷裂。通過反應式(1)(2)或反應式(3)(4)或者兩者同時進行，在鈦鐵礦溶蝕裂隙中形成脈狀黃鐵礦，這些黃鐵礦是含礦溶液中鈾酰離子的強還原劑(Dymkovetal., 2003)，黃鐵礦表面吸附U(Ⅵ)并在表面還原U(Ⅵ)形成U(Ⅳ)而發生鈾的沉積(Eglizaudetal., 2006)。水成鈾礦與黃鐵礦的反應式(Scottetal., 2007)可以表達為：

在低溫還原條件下，瀝青鈾礦(UO2)于含硅溶液中可以形成鈾石(USiO4)(Janeczek and Ewing, 1992)。UO2可以與TiO2形成鈦鈾礦(UTi2O6)，但是這個過程需要的溫度至少在250℃以上(Saager and Stupp, 1983)，這基本排除了在龍虎泡地區含礦砂巖流體蝕變過程形成鈦鈾礦的可能性。從理論上來看，鈦鐵礦沿裂隙蝕變并與H2S反應形成黃鐵礦，利于含礦溶液中的鈾酰離子在黃鐵礦表面及附近發生還原沉淀富集，可以形成瀝青鈾礦或鈾石等鈾礦物。因此，龍虎泡地區含礦砂巖中的UFTO可能為瀝青鈾礦或鈾石與蝕變殘留鐵鈦氧化物、鈦氧化物的混合物。UFTO中U、Fe、S這3種元素面掃描結果中的分布一致性，一定程度上反映了黃鐵礦可能廣泛參與鈾的沉淀富集過程，在蝕變反應充分的部位可以形成裂隙脈狀黃鐵礦，但在反應不充分的部位則可能以非結晶態的微細黃鐵礦形式產出。

在鐵的大量浸出過程中，還會發生鈦的活化遷移，形成鈦絡合物，進一步吸附鈾。蝕變過程中水的持續加入，不僅可以造成鈦鐵礦內部Fe的浸出量增加，還可以形成Fe(OH)3膠體(李津等， 2012)、膠狀白鈦石或者膠狀U/Fe-TiO2，這些膠體對鈾均具有較強的吸附能力(Dymkovetal., 2003)。在鈦鐵礦蝕變過程中，鈦還可以被與油氣有關的烴類流體所活化(Parnell, 2004)，活化浸出的鈦于水溶液中可以形成大量的鈦酸鹽或鈦氫氧化物，這些化合物對低鈾濃度溶液中的鈾具有很強的鈾吸附能力(Daviesetal., 1964； Vinokurov and Nesterova, 2010)。在UFTO的形成過程中，可能同時存在著含礦溶液中鈾的還原沉淀和吸附，兩者協同作用下使U(Ⅵ)得以以U(Ⅳ)形式進一步沉淀富集。

在龍虎泡地區，后期含鈾富鐵的氧化性流體與H2S飽和的還原性流體兩種不同性質的流體，在活動斷裂帶的驅動作用下于四方臺組底部有利砂體中發生氧化還原反應形成鈾礦化，這一過程體現在了強蝕變鈦鐵礦與成礦流體氧化還原反應形成富鈾-鐵鈦氧化物-鈦氧化物(銳鈦礦或白鈦石)-黃鐵礦的蝕變礦物共生組合中。

4.5 鐵鈦氧化物對鈾成礦的指示意義

碎屑狀鐵鈦氧化物是與砂巖型鈾礦定位有關的地球化學環境的靈敏指示器(Reynolds and Goldhaber, 1978a； 鄭一星， 1986)。Reynolds和Goldhaber(1978b)研究指出黃鐵礦交代包裹鐵鈦氧化物這一現象主要發育于砂巖型鈾礦床的還原帶部位，并且在礦床向深部傾伏方向上，鐵鈦氧化物被黃鐵礦硫化交代越來越強烈。

龍虎泡地區含鈾層顯示了偏強的還原環境。含礦砂巖中的鈦鐵礦及其蝕變相關的富鈾-鐵鈦氧化物、鈦氧化物多被膠狀黃鐵礦環繞包裹，且未發現磁鐵礦、赤鐵礦等三價鐵氧化物。造成這種強還原環境的原因與龍虎泡地區中淺層油氣藏關系密切。在明水組沉積末期，深部斷陷期形成的斷層在擠壓走滑作用下發生反轉，向上擴展切穿四方臺組等拗陷期沉積地層(么忠文等， 2017)。這期斷裂活動對油氣向淺部的二次運移以及在四方臺組砂體中的側向運移發揮了重要作用。

鈾礦化過程明顯受到了后期含鈾富鐵的氧化性流體與富H2S的還原性流體混合作用的影響。含礦砂巖中的富鈾-鐵鈦氧化物是以富鈾-鐵鈦氧化物-鈦氧化物-黃鐵礦蝕變礦物共生組合的形式出現，而不是以獨立分布的單一礦物形式出現。而對于獨立分布的鈦鐵礦，在其礦物顆粒內部及周邊均未發現有鈾礦物分布。含礦砂巖中鈦鐵礦含量的增加與盆地北部嫩江組末期大規模的剝蝕作用(萬雙雙， 2012； 楊承志， 2014)密切相關，含鈾富鐵流體可能是與嫩江有關的古水流持續淋濾研究區西北部大興安嶺地區富鈾富鐵巖體以及四方臺組沉積期至新生代隆升剝蝕并出露地表的鈾礦(化)點形成的，富H2S流體的形成則與明水末期斷層活動中伴隨的油氣二次運移和側向運移有關。

5 結論

(1) 富鈾-鐵鈦氧化物是松遼盆地北部龍虎泡地區含礦砂巖中的一種重要含鈾礦物，以富鈾-鐵鈦氧化物-鈦氧化物-黃鐵礦礦物共生組合形式產出，這種蝕變礦物共生組合記錄并保留了有關砂巖型鈾礦成礦環境的重要信息。

(2) 與鈾礦化關系最為密切的鐵鈦氧化物是蝕變程度高且富鎂的鈦鐵礦。富鈾-鐵鈦氧化物是這些鈦鐵礦與后期成礦流體發生氧化還原作用形成的。與鈦鐵礦外部黃鐵礦形成有關的后期蝕變流體提供了鈾成礦物質，鈦鐵礦內部發育的溶蝕裂隙為含礦流體的蝕變和鈾的沉淀富集提供了良好的反應空間，蝕變鈦鐵礦和黃鐵礦為鈾的沉淀富集分別提供了良好的礦物尺度上的氧化障和還原障，在含礦流體與富H2S的還原性流體混合過程中，鈾得以在蝕變鈦鐵礦與黃鐵礦的氧化還原界面附近沉淀富集。

(3) 鐵鈦氧化物對于砂巖型鈾礦化的啟示意義在于，從含礦砂巖鈦鐵礦及其蝕變相關的富鈾-鐵鈦氧化物、鈦氧化物、黃鐵礦等礦物產出的不同類型和不同蝕變礦物共生組合關系中，可以揭示出龍虎泡地區鈾成礦受到了后期含鈾富鐵的氧化性流體與富H2S的還原性流體混合作用的影響，成礦環境偏強還原。

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