石英碎屑中裂變徑跡與鈾成礦關系探討

任志勇

［關鍵詞］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現的鈾礦類型之一，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。在20世紀60～70年代，美國地質學家對懷俄明盆地、科羅拉多高原和南得克薩斯等砂巖鈾礦床的成礦物質來源、礦床成因、成礦模式等進行了深入研究和系統總結，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條件和機理，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志。

裂變徑跡法是根據礦物中U、Th放射性同位素自發裂變碎片的徑跡而計時的一種方法。裂變徑跡法用樣量少，可用樣品種類多，測年范圍可由數年到幾十億年，特別是在5～100 Ma期間內，測年效果較其他方法為好，是第四紀地質年代測定的重要方法之一。此法還用于火山灰的年齡測定、熱事件、考古材料的定年以及測定地貌演化和海底擴張的年齡和速度等[2，3]。近年來，由于觀察徑跡的工具迅速改進，此法應用范圍越來越廣，它不但可以精確測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律的有效分析手段，同時也是其他地學研究中的有力方法。

目前，砂巖型鈾礦已逐步成為我國鈾礦地質儲量持續增加的主要礦種之一，因此國內對砂巖型鈾礦的研究引起了廣泛的關注和重視[4-7]。隨著砂巖型鈾礦的成礦模式以及找礦標志等的不斷完善，對于探明分布在各沉積盆地中的沉積型鈾礦已經有了一套科學的理論依據和成礦規律總結，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系這一角度展開研究和總結，試圖豐富找礦標志。

1 地質概述

鄂爾多斯盆地東北部沉積蓋層構造簡單，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。區內直羅組與上覆安定組為連續沉積，之后盆地整體抬升缺失上侏羅統，此期找礦目的層直羅組下段在區內北東部遭到一定程度的剝蝕。研究區發育的沉積蓋層包括中生界的三疊系（T）、侏羅系（J）、下白堊統（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育差異較大，其中三疊系、侏羅系和下白堊統是盆地沉積的主體。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直羅組下段砂巖中。直羅組分為上、下兩個巖性段，上段為一套紅、黃、灰綠色相間的雜色中細粒砂巖和泥巖，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 裂變徑跡的密度統計

本文主要通過統計石英碎屑中的裂變徑跡密度分析其與鈾成礦的關系。當進行大量的石英中裂變徑跡密度的統計時，考慮到某一張光薄片中石英碎屑上會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出現兩處甚至多處視域的疊交現象，無法準確地進行多處裂變徑跡平均密度的估算，因此，為避免多處視域對同一徑跡的疊交，采用以下統計方法：假設某一張薄片面積為S，在該薄片上觀測到N處裂變徑跡，其具體條數依次計數為：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），同時由于樣品中石英顆粒的含量可能會對統計結果造成影響，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性分析

鈾成礦的主要因素包括鈾源、砂體及巖石地球化學環境，通過分析裂變徑跡密度與目的層砂體的巖性、粒度、巖石地球化學環境之間的關系，以及與已發現鈾礦體的空間配置規律，總結其對鈾成礦的指示作用。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性。

3.1 裂變徑跡密度與鈾礦體距離變化規律

針對已觀察到的數據資料進行精細的統計和分類，計算出每個樣品與含礦層之間的距離及其相對應的裂變徑跡密度，作出裂變徑跡密度與鈾礦體距離之間的散點圖，表征其相關性。

對共統計了研究區所觀察到的63 個樣品發現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律，因此選取單位面積裂變徑跡密度與鈾礦體距離遠近的相關性圖解進行規律分析。

如圖2 所示，大致可分為兩條趨勢線，即原生灰色中粗砂巖、綠色氧化中粗砂巖構成一條趨勢線，其徑跡密度值普遍較高，且距離鈾礦體越遠徑跡密度值降低也較緩慢；另一條趨勢線參照細砂巖的變化繪成，其徑跡密度值較小，且對于距離的變化裂變徑跡密度的響應更為敏感。樣品與鈾礦體距離主要集中在0～100 m之間，總的趨勢為靠近鈾礦體裂變徑跡密度越高，遠離鈾礦體徑跡密度越低，在0～40 m的距離范圍內遠離鈾礦體，裂變徑跡密度急劇下降，在40～180 m的距離范圍內，隨著遠離鈾礦體，徑跡的密度呈緩慢的趨勢下降。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 不同巖石地球化學類型砂巖徑跡密度變化規律

在裂變徑跡觀察和統計時發現，不同巖石地球化學類型砂巖在裂變徑跡密度變化上也有著差別，因此，為了更客觀真實地反映出裂變徑跡與各成礦要素之間的規律，將統計的樣品按照不同巖石地球化學類型分為三大類，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類型砂巖中裂變徑跡密度距離鈾礦體遠近變化關系的圖解，從中可以看出，距離含礦層越近，徑跡密度一般均較大，由于氧化砂巖經過含氧含鈾水的改造，整體呈均勻遞減的趨勢，此外，中粗氧化砂巖比綠色細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律同樣相似（圖4），但隨著距離的增加，徑跡密度對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）存在一個過渡帶，對徑跡密度工業礦體的鈾裂變徑跡密度比礦化的高，同時還有3個灰色細砂巖含礦，相對而言均處在較低的密度區域，說明裂變徑跡的密度不僅與巖石的粒度有關。圖5 為不同巖石地球化學類型砂巖中裂變徑跡的平均密度值的柱狀對比分析圖，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56.6（條/S*mm²），ρ2平均值可達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律

通過統計不同粒度巖石中徑跡密度，發現中粗砂巖的平均裂變徑跡密度是要遠高于細砂巖的（圖6）。這有可能是因為粒度不同，導致的巖石孔隙度、滲透率等的差異，從而不利于含氧含鈾的流體運移，使得細砂巖中徑跡密度整體偏低。

3.4 不同粒度、巖石地球化學類型砂巖徑跡密度變化規律

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行對比，將樣品分為四類：綠色中粗砂巖、綠色細砂巖、原生灰色中粗砂巖及原生灰色細砂巖，兩兩進行比較，得出如下結果（圖7）：該圖分類統計采用的方法與不同巖石地球化學類型的統計方法相似，即以距離每隔10 m為區域，選取中粗砂巖和細砂巖共同出現的點進行裂變徑跡密度的統計，結合圖7 的柱狀圖可知：在隨著距離鈾礦體越遠，徑跡密度越低的大趨勢下，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，對于原生灰色砂巖，在與大趨勢相一致的基礎上，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），而原生灰色細砂巖ρ₁僅為26.8（條/S*mm²），ρ₂為6.95（條/N*S*mm²）。

通過數據統計發現，雖然細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/中粗比值分別為0.43、0.69，而灰色砂巖的細/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，同時成礦期的改造對其也有影響。

4 裂變徑跡對鈾成礦作用的指示

本節在裂變徑跡密度與鈾礦體空間配置規律以及其與成礦要素之間的相關性分析的基礎上，以裂變徑跡密度變化及產出特征為主，結合典型的礦物學現象以及巖石類型、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要判別。

由圖8 所示，通過對典型現象的分類，數據的統計和處理，總結出利用裂變徑跡的各綜合評價指標來探索研究區層間氧化帶的劃分。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域為26～ρ₁～86（條/S*mm²）；古氧化帶和還原帶的徑跡密度相對較低，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，需要進一步地細分。因此，通過其較為典型的產出特征以及微觀礦物學特點可以將其很好地劃分：古氧化帶多產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、鈣質膠結等；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，徑跡的形態也較為清晰。綜上，可以通過以上各種指標指示巖石所處分帶，從而進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近。若在某一區域范圍內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系密切，因此可以利用與成礦要素的相關性統計綜合分析裂變徑跡與鈾成礦作用之間的關系，如進行層間氧化帶的劃分以及大致判斷距離鈾礦體遠近程度等，以期作為一種微觀找礦標志輔助指導實際砂巖型鈾礦勘探工作。

5 結論

5.1 總結了不同巖石地球化學類型的砂巖中裂變徑跡密度與鈾礦體空間配置規律

通過統計對比發現，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定。

5.2 總結了不同粒度的砂巖中裂變徑跡密度與鈾礦體空間配置規律

粒度為中、粗砂巖的裂變徑跡密度比細砂巖的密度大得多。一方面與沉積時的物性差異及水動力條件不同，致使其含鈾性不同；另一方面，細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移，所產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系

在進行層間氧化帶的劃分時，裂變徑跡密度可作為一個較典型的劃分標志，即從氧化帶→礦化帶→還原帶對應砂巖石英碎屑中裂變徑跡密度整體趨勢是從低→高→低變化的。同時可以依據區域內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近程度，較好地指示鈾礦的富集區域。