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  地质通报  2017, Vol. 36 Issue (4): 511-519  
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李西得, 刘军港, 易超. 鄂尔多斯盆地北东部纳岭沟铀矿床红色蚀变矿石成因及其地质意义[J]. 地质通报, 2017, 36(4): 511-519.
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LI Xide, LIU Jungang, YI Chao. The genesis of uranium ore with red alterations in the Nalinggou deposit, northeastern Ordos Basin, and its geological implications[J]. Geological Bulletin of China, 2017, 36(4): 511-519.
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基金项目

中核集团集中研发项目《鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿关键因素识别与靶区优选》(编号:地LTD1601-2)和国家重点基础研究发展计划(973计划)《典型产铀盆地成矿机理与成矿模式研究》(编号:2015CB453004)

作者简介

李西得 (1972-), 男, 硕士, 高级工程师, 从事砂岩型铀矿地质调查研究。E-mail:lixide208@163.com

文章历史

收稿日期: 2016-10-18
修订日期: 2017-03-01
鄂尔多斯盆地北东部纳岭沟铀矿床红色蚀变矿石成因及其地质意义
李西得, 刘军港, 易超    
核工业北京地质研究院, 北京 100029
摘要: 鄂尔多斯盆地北东部纳岭沟铀矿床是近年来发现的大型砂岩型铀矿床。与国内外典型层间氧化带型铀矿床明显不同,纳岭沟铀矿床不仅矿体呈板状、似层状产出,受单层灰绿色古氧化砂体与下伏灰色砂体的交界面控制,且远离顶底板,部分含矿岩石在宏观上表现为红色含炭屑矿石,微观上出现铀石-赤铁矿(针铁矿)-黄铁矿等特殊矿物共生组合。在综合岩矿鉴定、电子探针分析、酸解烃分析等成果认识的基础上,结合前人流体障铀成矿理论的实验和数学模拟结果认为,纳岭沟铀矿床是含氧含铀水与深部还原性流体相互作用的产物,且矿体形成过程中含氧含铀水和深部还原性流体的界面变化是红色蚀变矿石形成的关键原因,而持续强的含氧含铀水和较弱的深部还原性流体作用是形成板状矿体的主要因素。
关键词: 鄂尔多斯盆地    纳岭沟铀矿床    板状矿体    红色蚀变矿石    还原性流体    
The genesis of uranium ore with red alterations in the Nalinggou deposit, northeastern Ordos Basin, and its geological implications
LI Xide, LIU Jungang, YI Chao     
Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China
Abstract: The large-sized Nalinggou sandstone type uranium deposit was recently discovered in northeastern Ordos Basin. Distinctly different from the typical uranium deposits of interlayer oxidation zone type in the world, this deposit is characterized not only by the tabular or stratoid orebodies controlled by the interface between monolayer grayish green paleo-oxidized sand body and underling gray sand body but also by being far away from the roof and bottom plate. Part of the ore-hosting rocks appear macroscopically as reddish and charcoal debris-bearing ores and microscopically as special paragenetic mineral assemblages consisting of coffinite, hematite (goethite), pyrite and siderite. Based on the results of rock-mineral identifications, EMPA and acidolysis hydro-carbon decomposition analysis, combined with the results of the experiments and mathematic simulations for fluid barrier theory of uranium metallogenesis by former researcher, the authors hold that the Nalinggou uranium deposit resulted from interaction between oxidizing uraniferous brine and deep-seated reducing fluid and, furthermore, the changing of the oxidizing-reducing inter-face in the ore-forming process was the key factor for reddish alteration of ores, and the interactions between persistent strong oxi-dizing uraniferous fluid and weak deep-seated reducing fluid might have been the primary factor responsible for the formation of the tabular orebodies.
Key words: Ordos Basin    Nalinggou uranium deposit    tabular orebodies    uranium ores with red alterations    deep-seated reducing fluid    

鄂尔多斯盆地北东部矿床发育特征与典型层间氧化带型铀矿床不同,其成矿期氧化带中的红色、黄色等氧化砂岩常褪色成绿色、灰绿色,且矿床中各蚀变带分带特征不明显。关于矿床成因及控矿因素,众多学者已展开了大量研究,目前多认为本区铀矿床为古层间氧化带控矿,且成矿期后经历了大范围的二次还原作用,并指导发现了皂火壕、新胜农、纳岭沟、大营等一系列大型-特大型铀矿床[1-6]。随着勘探工作的进展和研究工作的深入,项目组研究人员发现,纳岭沟铀矿床除具备上述共性外,还具有与典型层间氧化带成矿理论看似矛盾的独特性质,如矿体并未见(古)层间氧化带中典型的卷状矿头,而是表现出独特的板状、似层状矿体。另外,纳岭沟铀矿床部分地段可见明显赤铁矿化、针铁矿化的矿石,且矿石一般品位较高。在此基础上,笔者对纳岭沟铀矿床矿体形态、主要铀矿物成分、红色矿石蚀变特征、还原流体成分及其来源开展了详细的分析和研究,以期对上述现象及板状矿体成因进行探讨。

1 矿床地质特征

纳岭沟铀矿床位于鄂尔多斯盆地北东部,三级构造单元伊盟隆起的南缘,其西部紧临大营特大型铀矿床,东部罕台庙一带为农胜新中型铀矿床。矿床及周边出露地层主要为三叠系、中侏罗统、下白垩统、上新统和第四系,地层总体由北东向南西缓倾斜,倾角1°~3°。

纳岭沟铀矿床主要赋矿层位为中侏罗统直罗组下段辫状河砂体。砂岩层厚36.8~214.4m,岩性为绿色-灰色粗砂岩、中粗砂岩、中砂岩,夹薄层细砂岩、泥岩及粉砂岩。砂岩中多含细砾,垂向上构成多个极不完整的正韵律。砂岩以碎屑物为主,成分主要为石英,次为长石,含少量云母和岩屑。碎屑颗粒为次棱角状,分选性中等,以泥质胶结为主,固结程度低。灰色砂岩中见大量有机质和黄铁矿。黄铁矿呈团块状、细晶状,部分为草莓状、发丝状。有机质主要为炭化植物碎屑,见少量二次搬运沉积的煤屑。

矿体在平面上呈北东—南西向展布,沿走向长约9.0km,沿倾向最大长度约2.0km。剖面上,铀矿体、矿化体呈板状、似层状,受绿色古层间氧化砂岩与灰色砂岩的接触界面控制,产于远离顶、底板的绿色氧化砂体和灰色还原砂体过渡部位的灰色砂体中。结合盆地构造演化史、铀成矿年龄、氧化砂体厚度变化规律综合分析,铀成矿期古氧化发育方向主要为由北向南、由北东向南西。矿体由北东向南西缓倾斜,距下白垩统底板200m左右,具有较明显的层控特征(图 1,剖面方向与古氧化带发育方向垂直)。值得注意的是,绿色氧化砂体一般为单层,仅分布于目的层砂体的上部,且氧化带下部矿体分岔部位发育灰色还原砂体,而不是典型古层间氧化带的灰绿色砂体。

图 1 纳岭沟铀矿床N16号勘探线地质剖面示意图 Fig.1 Geological section along No. 16 exploration line in the Nalinggou uranium deposit K1—下白垩统;J2z2—直罗组上段;J2z1—直罗组下段;1—地层角度不整合界线;2—泥岩;3—绿色砂岩;4—灰色砂岩;5—砂砾岩;6—铀矿体
2 分析方法与结果 2.1 分析方法

挑选氧化带灰绿色砂岩、过渡带灰色含矿砂岩和红色含矿砂岩、还原带灰色砂岩样品,送至核工业北京地质研究院分析测试中心测试。后生蚀变特征主要通过光薄片鉴定等分析;铀矿物种类通过电子探针进行分析,仪器型号为JXA-8100,加速电压20kV,束流1×10-8A,出射角40°;铀矿物赋存状态通过扫描电镜进行观察,仪器型号为TESCANVEGA 3 LM;不同蚀变带中甲烷C同位素分析通过MAT 253气体质谱仪完成。

2.2 后生蚀变特征(灰色和红色矿石)

研究结果表明,纳岭沟铀矿床矿石以灰色为主,部分钻孔中可见厚度不等的红色蚀变矿石(图 2),红色蚀变矿石多为钙质胶结,渗透性差,可能为未受二次还原作用影响的原生矿石。矿石中红色、褐红色蚀变多呈斑点、团块或条纹状,常与炭质条带共生。据镜下鉴定可知,红色矿石主要蚀变矿物为赤铁矿、水针铁矿、菱铁矿、黄铁矿、锐钛矿、菱钾铁矾等。具体矿化蚀变特征分述如下。

图 2 纳岭沟铀矿床红色蚀变矿石 (钻孔ZKN8-15,390.2m处) Fig.2 The ore with red alteration in the Nalinggou uranium deposit

(1)赤铁矿:有2种产出类型:① 产于岩屑中,分布零星、形状各异,呈红色或褐红色的结核状、斑点状(图版Ⅰ-a);② 产于碎屑颗粒之间,为碎屑间含铁矿物,由钛铁矿、黄铁矿等氧化而成,常与水针铁矿共生。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a.岩屑中铁氧化物斑点(以赤铁矿为主),U含量258×10-6;b.磁铁矿强烈氧化为水针铁矿(少量残留于中心),U含量599×10-6;c.钛铁矿氧化后形成水针铁矿(Gt)及锐钛矿(Ant),U含量599×10-6;d.胶结碎屑的黄铁矿(Py),U含量677×10-6;e.大量的赤铁矿细粒(Hem)和少量黄铁矿细粒集合体,U含量562×10-6;f.浸染状分布的菱铁矿细粒(Sd),U含量677×10-6

(2)水针铁矿:呈云雾状、胶状,主要由砂岩中的重矿物磁铁矿、钛铁矿氧化形成,氧化不彻底的部位可见残留的磁铁矿核(图版Ⅰ-b)。

(3)锐钛矿:主要位于钛铁矿强烈氧化的部位,呈晶簇状产出,在显微镜下为云团状与水针铁矿共生,或呈较自形的板状。常见钛铁矿被锐钛矿取代,另有钛铁矿遭受部分氧化,中心仍具钛铁矿残留(图版Ⅰ-c)。

(4)黄铁矿:大体可分为2类。一类以胶结物形式分布于碎屑间隙,主要呈浸染状的细粒集合体,粒径一般小于0.005mm(图版Ⅰ-d);另一类为氧化期后的新生产物,数量很少,沿细粒赤铁矿边缘及间隙发育(图版Ⅰ-e)。

(5)菱铁矿:以胶结物形式分布于碎屑间隙,呈浸染状的细粒集合体(图版Ⅰ-f)。

2.3 铀矿物特征

结合电子探针与扫描电镜,对纳岭沟铀矿床铀矿物类型及赋存形式展开了详细分析。研究结果表明,纳岭沟铀矿床铀矿物以铀石为主,见少量晶质铀矿、沥青铀矿、铀钍石、方钍石及次生铀矿物(图 3)。其中铀石呈不规则状分布于碎屑颗粒和炭屑表面及孔隙间,且常见其与黄铁矿共生。扫描电镜结果显示,铀矿物以亮灰色、短柱状为主,偶见球粒状、晶簇状(图 4),赋存于石英、长石、蒙皂石、高岭石、黄铁矿及有机质表面。

图 3 铀矿物电子探针照片及能谱图(ZKN8-23钻孔,样品深度384.20m) Fig.3 The EDS image and EPMA image of uranium minerals
图 4 铀矿物扫描电镜照片(ZKN8-23钻孔,样品深度384.20m) Fig.4 The SEM image of uranium minerals
2.4 有机物特征

从氧化带绿色砂岩、过渡带含矿砂岩和还原带非含矿灰色砂岩的甲烷含量分析结果可知,纳岭沟铀矿床含矿砂岩甲烷含量(540μL/kg)明显高于绿色砂岩(183μL/kg)和灰色非含矿砂岩(175μL/kg),表明铀矿化的形成与甲烷含量密切相关。

对不同类型砂岩中甲烷C同位素的分布规律研究可知,从含矿砂岩-绿色古氧化砂岩-灰色砂岩,C同位素值呈递增趋势。其中含矿砂岩甲烷C同位素分布在-22‰~-30‰之间;绿色古氧化砂岩甲烷C同位素分布在-18‰~-22‰之间;灰色砂岩甲烷C同位素大于-20‰(图 5),表明纳岭沟地区直罗组含矿砂体中烃类气主要来源于深部高-过成熟阶段的煤系烃源岩。而对酸解烃中正、异丁烷和正、异戊烷的研究显示,直罗组下段砂体中有机物应来源于分散液态烃裂解气(图 6),这与上文有很好的对应。在对比研究区烃源岩发育特征的基础上,初步推断,含矿层中烃类气应主要来源于石炭系—二叠系高-过成熟阶段的煤型裂解气。

图 5 纳岭沟铀矿床不同类型砂岩甲烷δ13C对比 Fig.5 The comparison of methane δ13C values in different types of sandstones from the Nalinggou uranium deposit
图 6 纳岭沟铀矿床直罗组砂岩酸解烃成分分析 Fig.6 The component analyses of acidolysis hydrocarbon in sandstones of Zhiluo Formation from the Nalinggou uranium deposit
3 成因探讨 3.1 红色蚀变矿石成因

为探明蚀变矿物的分布特征和红色矿石的成因,对纳岭沟铀矿床矿化带不同蚀变期次的蚀变矿物种类和形态展开精细分析。据图 7可知,古氧化带中常见赤铁矿化和褐铁矿化,主要由岩屑中黑云母等含铁矿物氧化分解形成,典型代表为红色蚀变矿石岩屑中的斑点状赤铁矿、菱钾铁矾,是二次还原改造作用不彻底残留的古氧化痕迹。而二次还原带中常见粗粒、胶状黄铁矿和菱铁矿,主要分布在碎屑颗粒间的填隙物或岩屑、矿物的裂隙中,为沉积成岩或后期水-岩反应形成的自生矿物,反映了还原性流体占主导作用的弱酸性、还原性的地球化学环境。在氧化还原过渡带中,常见新生的细粒铁氧化物,如磁铁矿氧化为水针铁矿、钛铁矿边缘氧化为锐铁矿等,以及新生的细粒黄铁矿结合体,如赤铁矿边缘的黄铁矿化及裂隙中的新生黄铁矿,同时可见铀的还原沉淀。

图 7 纳岭沟铀矿床矿化带蚀变期次及产物 Fig.7 The alteration periods and new mineral products of the Nalinggou uranium deposit

U和Fe均属典型的亲氧元素和变价元素,在不同的温度、pH和Eh条件下展现出不同的化学性质和赋存形式。相对铁而言,铀可以在更宽的温度范围、酸碱度和氧化条件下的天然水溶液中以碳酸铀酰离子形式迁移,即对铁来说可能已是还原环境,但对铀而言仍为氧化环境。根据理论计算的U、Fe及与其相伴生的Se、U、Re、Mo、V等元素从层间水中还原沉淀区的分布图(图 8)显示,在弱酸-弱碱条件下,各元素沉淀区及针铁矿+水针铁矿-黄铁矿的平衡线均向右下方倾斜,U的沉淀区始终处于该平衡线的下方。由此表明,按典型层间氧化带成矿理论,铀矿物(沥青铀矿、铀石)不可能与水针铁矿、针铁矿等氧化矿物共生。

图 8 天然水中某些元素的理论计算还原沉淀区及其相互关系(T=25℃,p=0.1MPa)[7] Fig.8 The theoretic calculation of precipitation-reduction range of certain elements in natural water 1—以Se形式沉淀的硒,活度落差 (下同) 为10-6~10-9;2—以UO2形式沉淀的铀(10-6~10-9);3—以ReS2+ReO2形式沉淀的铼(10-8.5~10-10.3);4—以MoS2形式沉淀的钼(10-5~10-9);5—以副黑铁钒矿形式沉淀的钒(10-5~10-8);6—针铁矿+水针铁矿-黄铁矿平衡线
3.2 板状矿体成因

前文已述,典型层间氧化带砂岩型铀矿床矿体形态为卷状,上、下翼矿体靠近含水层隔水顶、底板产出,一般上翼较短,下翼较长,卷头部位矿体厚度大、矿石品位富(图 9)。而纳岭沟铀矿床矿体呈板状、似层状产出,且矿体常远离顶底板发育,矿体上部为灰绿色古氧化带,下部为灰色原生带。不仅如此,纳岭沟铀矿床在不同地球化学分带中的矿物蚀变组合也与典型层间氧化带差异巨大。

图 9 理想的卷型铀矿床横剖面[8] Fig.9 The ideal cross section of roll uranium deposits

针对上述看似矛盾的现象,铀矿科研人员开展了流体障铀矿床形成模拟实验,很好地解决了上述问题。试验结果表明,含氧含铀水和深部还原性流体相互作用产生的蚀变分带、铀矿化体,在容矿主砂体中均呈面状,剖面上呈似层状、板状、透镜状分布(图 10)。2类流体的反应界面取决于流体的流量之间的比值,即F/Q(含氧含铀水/深部还原性流体)。当F/Q>10.0时,界面向下压,趋于平缓;当F/Q<10.0时,界面上抬,趋于陡峻(图 11)。当2类流体动力作用发生波动时,即导致不同蚀变带矿物叠加形成铀矿物与赤铁矿等氧化铁矿物共存的现象。

图 10 流体障铀矿床形成的实验和数学模拟结果[9] Fig.10 The simulation and experimental results of fluid-barrier uranium mineralization 1—氧化砂岩;2—强针铁矿化褐铁矿化带;3—下降含氧含铀流体流;4—退色带(砂岩);5—强硫化物化带;6—弱硫化物化带;7—富铀矿体;8—贫铀矿体;9—原生灰色砂岩;10—上升还原流体流
图 11 两种互相作用的流体体系的水动力界面状态与其流量比之间的关系[9] Fig.11 The relation between hydrodynamic interface state and flow ratio of two interactional fluid systems
4 结论

(1)成矿期后,鄂尔多斯盆地北东部发生了大规模的二次还原作用,成矿期红色、黄色蚀变岩石发生褪色改造,仅部分钙质胶结、低渗透性的红色蚀变矿石得以保存,大部分红色蚀变矿石遭受二次还原而呈绿色、灰绿色。

(2)与铀成矿有关的深部还原性流体主要成分为甲烷,来源于深部石炭系—二叠系高-过成熟阶段煤系烃源岩。在微生物作用下,有机质分解生成的H2,以及CH4与SO42-反应生成的H2S是铀沉淀富集成矿的主要还原剂。

(3)铀矿体中铀石、水针铁矿、赤铁矿共存,反映了含氧含铀水和深部还原性流体在成矿期存在明显的强弱变化,反应界面发生上、下波动,导致不同蚀变带发生了叠加。

(4)纳岭沟铀矿床铀矿化形成是含氧含铀水与深部还原性流体相互作用的结果,且含氧含铀水氧化能力远大于深部还原性气体的还原能力,进而导致矿体呈平缓的板状、似层状产出。

致谢: 核工业北京地质研究院方锡珩高级工程师(研究员级)完成镜下鉴定工作,谢惠丽博士协助绘制了部分图件,在此一并表示衷心感谢。

参考文献
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