二連盆地額仁淖爾凹陷砂巖型鈾礦元素地球化學特征

尹永朋，趙天林，田亮，李名，魏安軍

（1.中陜核工業集團地質調查院有限公司，陜西 西安 710100；2.中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司，河北 任丘 062550）

0 引言

近年來，二連盆地先后發現了幾個大中型鈾礦床，成為我國砂巖型鈾礦找礦熱點地區。以往額仁淖爾凹陷發現的鈾礦床多以泥巖型為主，近期中陜核地調院通過大量油田鉆孔篩查鉆探施工，在努和廷鈾礦床以南、道爾蘇礦產地以東地區發現了砂巖型工業鈾礦化，反映出額仁淖爾凹陷砂巖型鈾礦找礦潛力。新發現的工業鈾礦化處于賽漢塔拉組，與道爾蘇礦產地深部層間氧化帶型的工業鈾礦化屬同一層位（彭云彪和魯超，2019）。本研究根據氧化還原分帶中不同巖性分類，對額仁淖爾凹陷賽漢組氧化砂巖、含礦砂巖、灰色砂巖和暗色泥巖進行系統采樣。通過研究不同巖性常量元素、稀土元素的分布規律，揭示額仁淖爾凹陷砂巖型鈾礦元素地球化學特征，探索該地區元素地球化學與鈾成礦的關系，為該地區砂巖型鈾礦找礦提供依據。

1 地質背景

額仁淖爾凹陷位于二連盆地烏蘭察布坳陷北西部，為北東向展布的東斷西超的箕狀凹陷，東北部較寬，南西部較狹窄。額仁淖爾凹陷發育一系列北東-南西向的張性斷裂（圖1）（李洪軍和曠文戰，2010；周多等，2014），平面上受斷裂切割控制，在局部形成規模不等的同沉積斷陷。前人對早白堊世額仁淖爾凹陷進行研究，把凹陷分為淖東洼陷帶、中央斷裂構造帶和淖西斷階帶（李洪軍和曠文戰，2010），研究區則位于淖東洼陷帶?；字饕啥B紀酸性花崗巖組成，蓋層為下白堊統阿爾善組、騰格爾組、賽漢組以及白堊系上統二連組、古近系腦木更組和第四系（李洪軍和曠文戰，2010），其中賽漢組為本區砂巖型鈾礦的主要賦礦層位（丘淑娟，2011；康世虎等，2017；劉波等，2017）。區內賽漢組地層呈北東-南西向展布，地層厚度在94.8～501.05 m之間，平均為295.53 m，沿北東長軸方向，地層厚度呈逐漸減薄的趨勢，西南緣較厚，北東部較薄，該特征主要受賽漢組沉積期的沉積體系控制①。

圖1 額仁淖爾凹陷構造綱要圖（據李洪軍和曠文戰，2010）

2 鈾礦化特征

研究區內鈾礦化主要位于賽漢組上段，以潛水-層間氧化作用為主，于雜色蝕變帶與灰色蝕變帶之間產出，主要蝕變作用為次生氧化-還原作用下形成的綠色、褐黃色蝕變。鈾礦含礦巖系以灰色砂礫巖、含礫粗砂巖、中細砂巖為主，主要由長石、石英與花崗巖、片巖等巖屑組成。礦層中還可見炭質泥巖、褐煤夾層，夾層中伴隨鈾的吸附富集，富含有機質，多見炭屑、有機質條帶。鈾的賦存狀態以獨立鈾礦物形式存在，以鈾石為主，瀝青鈾礦次之。鈾礦物與有機質、黃鐵礦存在明顯伴生關系①。

3 元素地球化學特征

3.1 常量元素地球化學特征

額仁淖爾地區各巖性常量元素分析結果（表1，圖2），常量元素的氧化物以SiO2為主，其次為Al2O3，其中SiO2含量53.74%～69.93%，平均63.51%；Al2O3含量10.92%～18.23%，平均15.21%；SiO2/Al2O3比值3.33～5.66，燒失量4.12%～12.18%，平均6.31%。主要組分含量變化不大，體現了所采樣品物質來源相同。從各組分含量可以看出，巖石成分成熟度低，巖石沉積期靠近物源，未經歷長距離搬運和較大的后期改造。同時，Na2O和K2O含量高，說明巖石中長石含量高，也證明了巖石成分成熟度低。

圖2 額仁淖爾凹陷內不同類型砂巖常量元素氧化物含量平均值分布圖

表1 額仁淖爾凹陷主量元素分析結果表/%

層間氧化作用成礦過程中主要發生水巖反應，巖石中元素發生了不同程度的遷移（劉曉雪等，2016）。通過研究該區常量元素在不同巖石中的分布特征，分析元素的遷移規律如下。

（1）在砂巖型鈾礦研究中可用鐵氧化物含量作為地球化學環境的標志（喬海明等，2007）。TFe2O3含量在氧化砂巖中最低而在含礦砂巖中最高，反映出Fe元素由氧化帶遷出后在過渡帶富集；含礦砂巖中FeO含量最高而氧化砂巖中含量最低，反映出含礦砂巖具有較強的還原能力；Fe2O3與FeO相反，在氧化砂巖中含量最高；Fe2+/Fe3+大小具有含礦砂巖>灰色砂巖>氧化砂巖的特征，該特征與巴彥烏拉鈾礦床一致（單廣寧等，2015）。變價元素Fe的變化主要受控于氧化還原作用，二價Fe在氧化帶被氧化形成三價的褐鐵礦、赤鐵礦等，在過渡帶和還原帶又被還原成二價的黃鐵礦、白鐵礦等（朱西養，2005）。此外FeO含量與U存在弱正相關性，其含量在不同分帶中具有明顯差異，可用于氧化還原分帶。

（2）SiO2、Al2O3、K2O和Na2O在砂巖中主要賦存在長石礦物和高嶺石、蒙脫石和伊利石等粘土礦物中（朱西養，2005）。SiO2在含礦砂巖中含量最低，由于巖石水解作用表現出遷出的特征，這與堿質環境有關，此特征與鄂爾多斯盆地的東勝鈾礦相似（湯超，2014）。Al2O3和Na2O含量特征相同，由氧化帶、過渡帶向還原帶逐漸增大，與長石礦物轉變為粘土礦物的水解風化作用及粘土吸附作用有關，具有化學分帶指示意義；K2O含量變化不大，不具有分帶意義。

粘土吸附對鈾成礦起著重要作用，粘土含量可利用主量元素Al2O3、CaO的含量來表征，具分帶性（單廣寧等，2015）。額仁淖爾地區氧化砂巖中粘土含量最低，含礦砂巖中粘土含量較高，過渡帶中粘土含量高有利于吸附成礦。

（3）CaO、MgO、MnO在含礦砂巖中含量最高，主要是層間氧化帶中水解溶蝕和重結晶作用，Ca在氧化帶中發生水解溶蝕，在過渡帶重結晶而富集；Mg在砂巖中主要存在于含Mg的黑云母等暗色礦物中，氧化帶中黑云母等暗色礦物風化，使Mg隨地下水遷移，在過渡帶形成白云石參與砂巖膠結；Mn與Mg富集特征相似，但含量較低。

（4）TiO2、P2O5為巖石中的惰性組分，一般含量較低，不具有分帶意義。

研究區不同巖石常量元素相關分析結果顯示：SiO2與MgO、燒失量具有較強的負相關性，與Al2O3具有弱負相關性；Al2O3與MgO、TiO2、TFe2O3具有較強正相關性，與P2O5具有弱負相關性；CaO、Na2O、K2O、MnO之間無明顯相關性，與其他元素相關性較差；常量元素氧化物的相關性體現出陸源碎屑沉積物近物源沉積的特征。U與SiO2具有弱負相關性，與燒失量具有弱的正相關性，與其他常量元素氧化物相關性差，從相關性上無法判斷常量元素與鈾成礦的關系，反映該地區鈾成礦作用未經歷強烈蝕變作用的特征。從分區分帶性方面看，FeO、CaO、MgO和燒失量在含礦砂巖中含量較高，與鈾成礦作用有關；FeO含量高則代表地層還原性強（吳柏林等，2006），即還原介質的含量，鈾在還原性強、還原介質多的區域富集成礦。

3.2 稀土元素地球化學特征

稀土元素間地球化學性質相似，地球化學行為相近，稀土元素是有效的地球化學示蹤劑（黃志新等，2020），在成巖、成礦研究中具有重要的意義（趙振華，1992；彭瑞強等，2018；晏彥等，2019）。本文采用北美頁巖（NASC）進行標準化，研究區各巖性稀土元素分析結果和參數（表2）。相較于北美頁巖，該區各類巖石輕稀土富集，重稀土虧損，除613-2（氧化砂巖）和613-5（含礦砂巖）兩個樣品外，稀土元素總量均大于北美頁巖。

表2 額仁淖爾凹陷稀土元素分析結果及參數表/10-6

（1）氧化砂巖稀土總量（ΣREE，不含Y）在142.24×10-6～203.50×10-6之間，平均174.16×10-6；輕稀土含量（ΣLREE）在130.70×10-6～184.68×10-6之間，平均158.60×10-6；重稀土含量（ΣHREE）在11.54×10-6～18.82×10-6之間，平均15.56×10-6；LREE/HREE 比值在9.81～11.33 之間，（La/Yb）N比值在1.56～1.92之間，輕稀土與重稀土存在分異作用，且分異作用明顯；δEu在0.96～1.08之間，整體呈現正異常但異常不明顯，δCe值在0.87～0.89之間，Ce存在負異常。稀土元素配分模式曲線表現為平緩型，具體表現為微弱右傾，輕稀土富集，重稀土虧損。

（2）含礦砂巖稀土總量在115.92×10-6～320.96×10-6之間，平均219.31×10-6；輕稀土含量在104.99×10-6～284.99×10-6之間，平均199.17×10-6；重稀土含量在10.93×10-6～35.96×10-6之間，平均20.14×10-6，含礦砂巖的樣品稀土含量存在巨大差異，表現為鈾含量越高，稀土含量越大；LREE/HREE比值在7.92～12.35之間，（La/Yb）N比值在1.6～2.54之間，輕稀土與重稀土存在分異作用，且鈾含量越高，分異作用越明顯；δEu在0.94～1.28之間，Eu的較大正異常出現在鈾含量較低的含礦砂巖中，鈾含量與Eu異常存在負相關關系，δCe值在0.81～0.86之間，Ce存在負異常。稀土元素配分模式曲線表現為高品位含礦砂巖為平緩型，中低品位含礦砂巖為平緩微弱右傾，相較于灰色砂巖元素Tb和Ho出現輕微上凸。

（3）灰色砂巖的稀土總量在204.69×10-6～271.64×10-6之間，平均230.42×10-6；輕稀土含量在189.77×10-6～250.95×10-6之間，平均212.47×10-6；重稀土含量在13.96×10-6～22.24×10-6之間，平均17.95×10-6；LREE/HREE比值在9.58～14.06之間，（La/Yb）N比值在1.72～2.63之間，輕稀土與重稀土存在分異作用，與氧化砂巖分異程度相當；δEu在0.93～1.09之間，Eu異常不明顯，δCe值在0.83～0.89之間，Ce存在負異常。稀土元素配分模式曲線表現為平緩型，具體表現為微弱右傾，輕稀土富集，重稀土虧損。四分組效應顯示為W型分布曲線，具體表現為Ce、Nd、Dy下凹而Pr、Gd、Lu上凸。

（4）暗色泥巖稀土總量在189.01×10-6～251.82×10-6之間，平均211.95×10-6；輕稀土含量在170.11×10-6～232.29×10-6之間，平均194.26×10-6；重稀土含量在14.64×10-6～19.54×10-6之間，平均17.69×10-6；LREE/HREE比值在9.00～12.32之間，（La/Yb）N比值在1.94～2.46之間，輕稀土與重稀土存在分異作用，與原生砂巖分異程度相當；δEu在0.96～1.05之間，Eu異常不明顯，δCe值在0.83～0.86之間，Ce存在負異常。

上述分析可見灰色砂巖與暗色泥巖稀土元素配分模式相似（圖3），四分組效應顯示為W型分布曲線，具體表現為Ce、Nd、Dy、Er下凹而Pr、Lu上凸；此外，二者參數接近，差異應為巖性不同所造成。一般認為，泥巖在成巖后透水性差，不易被流體改造（晏彥等，2019）?；疑皫r可作為參照，氧化砂巖及含礦砂巖中稀土元素的變化，反映出稀土元素隨流體由氧化帶向過渡帶遷移的特征。

圖3 額仁淖爾凹陷內稀土元素北美頁巖標準化配分模式（標準化北美頁巖數據引自Haskin et al.,1968）

稀土元素與鈾元素原子結構與晶體化學性質相似，U和REE離子同為弱堿性陽離子（陳德潛和陳剛，1990），在水溶液中最常以碳酸鹽、氯化物和硫酸鹽等絡合物形式共遷移（王劍鋒，1986；任耀武，1998）。該區氧化砂巖相較于灰色砂巖稀土總量、輕稀土、重稀土含量均有不同程度減少，其稀土元素遷移量更大；含礦砂巖中整體稀土含量平均值低于灰色砂巖，高于氧化砂巖，但內部存在較大差異，高品位礦石樣品613-6稀土總量為中低品位礦石樣品613-5稀土總量的2.8倍，這是由于稀土元素在含礦砂巖中局部沉淀富集所致；LREE/HREE和（La/Yb）N反映了輕重稀土的分異程度，一般情況，重稀土更容易形成絡合物而遷移（周國興等，2014），相較于灰色砂巖該區氧化砂巖與含礦砂巖的LREE/HREE和（La/Yb）N值不增反降，配分模式曲線表現的更加平緩，反映了輕重稀土的分異程度減小的特征。

從鈾與稀土元素關系圖可以看出（圖4），ΣREE和LREE在氧化帶和還原帶與U含量呈正相關性，二者形態一致，HREE與U含量存在弱的正相關性，反映了鈾成礦過程中，U含量越高稀土活動性越強，且LREE富集程度強于HREE；在過渡帶稀土含量差異較大，這也是該地區與其他典型鈾礦床的不同之處。

圖4 額仁淖爾凹陷鈾與稀土元素關系圖

4 結論

本文通過對額仁淖爾凹陷砂巖型鈾礦元素地球化學特征的分析，可以得出以下結論：

（1）鈾成礦作用與FeO、CaO、MgO和燒失量關系密切，鈾在還原性強、還原介質多的區域富集成礦，Ca與Mg從氧化砂巖中淋失，在含礦砂巖中重結晶而富集。

（2）稀土元素與鈾元素類似，具有分區分帶性，稀土元素由氧化砂巖中遷出，在含礦砂巖中局部沉淀富集，形成較大的含量差異。

（3）該區輕重稀土的分異程度與氧化作用有關，隨著氧化作用的增強，輕重稀土的分異程度減小，配分模式曲線表現的更加平緩。

致謝衷心感謝中陜核工業集團地質調查院有限公司和中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司的有關領導和專家在文章寫作過程中所給予的指導、關心和幫助。

注 釋

①魏安軍,趙天林,權軍明,田亮,李釗,王少華.2019.二連盆地中西部油氣田勘查區鈾礦選區與調查成果報告[R].12-93.