沉积盆地中砂岩型铀矿的形成和发育, 需要铀储层内部有足够的还原剂, 它是制约岩石地球化学障(氧化-还原界面)形成的重要因素, 而岩石地球化学障则控制了铀成矿的空间形态与位置。因此, 对铀储层内部还原剂特征的研究就显得尤为重要。对还原介质的准确评价和研究是找矿的重要标志之一。在含铀岩系中, 铀储层内部的还原介质对层间氧化带的制约关系是直接的, 还原介质偏少则氧化带长驱直入可以使径流区全部氧化不能成矿; 还原介质偏多则难以形成区域层间氧化带, 致使溶解铀(U⁶⁺)难以带入铀储层也不利于成矿。因此, 在进行砂岩型铀矿勘查评价预测中, 需要深入研究铀储层内部还原介质的基本特征, 通过深入探索其对铀成矿的制约机理, 阐明还原介质作为找矿标志的基本原理, 最终达到对铀成矿准确预测的目的。

前人对钱家店铀矿床的成矿地质条件、矿床地质特征、成矿规律已做了较深入的研究, 取得了重要成果^{[1, 2, 3, 4, 5]}。发现区内铀矿化受层位、岩相古地理、岩性和构造、油气、层间氧化带等多重因素控制^{[6, 7, 8, 9, 10, 11]}, 经历了同生沉积(预富集)、后生改造叠加两个铀成矿阶段。本文在详细观察钻孔岩心中的重要地质现象、系统观测重点地段剖面的基础上, 系统收集或采集蚀变岩、矿石等各类岩石样品, 开展研究区铀储层内部还原剂的界定及其基本特征的描述, 总结了还原剂在不同地球化学类型砂岩中的分布规律, 揭示出铀矿化与还原剂的密切关系, 从而为铀成矿的准确预测提供帮助。

松辽盆地是我国东北最大的沉积盆地, 是在前中生代海西褶皱带基础上发展起来的中新生代沉积盆地。开鲁坳陷(盆地)位于松辽盆地西南部(图1), 总面积约3.1× 10⁴ km²。近年来, 从石油地质勘查角度出发, 强调早白垩世以来断陷群的发育特征, 单独划出开鲁盆地。开鲁拗陷(盆地)可进一步划分出若干个以NE— NNE向为主的次级凹陷。钱Ⅲ 块铀矿床位于钱家店凹陷北段。钱家店凹陷是开鲁坳陷(盆地)东北部的次级负向构造单元, 呈NNE— NE向狭窄条带状展布, 长约100 km, 宽约9~20 km, 面积1 280 km²。矿区地层自下而上依次为青山口组(K₂q)、姚家组(K₂y)、嫰江组(K₂n)及第四系(Q)。姚家组为本区主要含矿层位, 岩性以浅灰、灰色细粒砂岩为主, 少量中细粒砂岩及粉砂岩、泥岩。砂岩属于长石砂岩类, 分选中等, 次圆状, 砂岩为厚层状。砂岩中夹有多层灰色泥岩或紫红色泥岩层(或透镜体), 而在含矿地段多见有灰色泥岩薄层(或透镜体)。

图1

Fig.1

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	图1 研究区位置(a)及开鲁盆地构造简图(b)[12]Fig.1 Study area location (a) and tectonic sketch of the Kailu Basin (b)[12]

还原剂与铀矿化关系密切, 岩心、显微镜、扫描电镜观察以及相关测试资料分析表明, 钱家店地区铀储层内部还原剂主要以有机质-碳化植物碎屑、烃类及黄铁矿等形式出现。其主要作用是将含氧含铀水中的U⁶⁺还原为U⁴⁺, 从而沉淀富集成矿, 但其与铀矿化的关系不仅限于此, 还包括迁移作用(络合作用)、吸附作用。

2.1 有机质

研究区中出现的有机质主要为碳化植物碎屑以及烃类。碳化植物碎屑在岩心及显微镜、扫描电镜下均有观察到, 并可以清楚地看到有机质的胞腔, 表明铀储层内部的确存在碳化植物碎屑(图2(a), (b))。通过镜下观察以及显微组分统计, 有机质中常见的显微组分为镜质组、惰质组和黄铁矿, 未见壳质组, 并且在镜下很难看到细胞结构。各样品中上述3种组分分布稳定且没有明显差异, 其中镜质组含量最高, 平均含量约为91%, 惰质组含量约为4%, 黄铁矿含量约为5%。

图2

Fig.2

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	图2 铀储层内部有机质显微特征Fig.2 Microscopic characteristics of organic matter in uranium reservoir

镜质组主要由均质镜质体(图2(c))与基质镜质体组成, 在一些均质镜质体上发育着明显的原生孔隙与后生孔隙。原生孔隙发育常呈定向性排列(图2(d)), 可能是定向性的细胞结构被破坏后形成的孔隙; 后生孔隙对均质镜质体具有强烈的破坏作用。这些孔隙常被无机矿物如黄铁矿等所充填。而均质镜质体之间常见有基质镜质体的分布, 并且在基质镜质体中常见有破碎的半丝质体, 这一点可通过光性的差别来进行区分。对含矿段和非含矿段样品进行显微镜下观察, 镜下显微特征相似, 镜质组都主要由均质镜质体与基质镜质体组成, 均质镜质体表面发育明显的原生、次生孔隙, 并被黄铁矿等无机矿物所充填。与非含矿段相比, 含矿段孔隙中充填黄铁矿的量明显减少。非含矿段样品中惰质组主要为半结构丝质体与半丝质体(图2(e)), 偶见粗粒体, 但与黄铁矿难以区分且含量极少。含矿段样品中有明显的半丝质体和具有一定细胞结构的丝质体(图2(f))。观察到的惰质组分布在镜质体之上, 光性较镜质体亮, 伴随有明显的凸起。与非含矿相比, 含矿段样品的惰质组含量没有明显的变化, 但保存的更好, 更容易辨识。

2.2 黄铁矿

黄铁矿是沉积岩中最常见的几种矿物之一, 一般被认为是富含有机质缺氧— 贫氧还原沉积环境的特征矿物, 但不排除其他成因(如来自源区的碎屑类黄铁矿)。研究区铀储层内部黄铁矿较为常见, 其形态各异(图3(a))。沉积岩中的黄铁矿根据其微观形态, 可分为自形、莓球状、块状(胶状)、它形和裂隙充填等。

图3

Fig.3

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	图3 铀储层内部各种类型黄铁矿特征Fig.3 Characteristics of pyrite in various types of uranium reservoir

研究区莓球状黄铁矿主要是在同生阶段— 早成岩阶段形成的, 形状为球状或似球状, 少数呈椭圆状, 为集合体或者单个球粒形态(图3(b), (c)); 内部不是实密均一的黄铁矿固体, 而是由许多离散的微晶黄铁矿颗粒组成, 颗粒的排列可以是规则的, 也可以是不规则的; 组成莓球状黄铁矿的微晶黄铁矿颗粒是均一等大的, 为立方体结构或者五角十二面体结构。胶状黄铁矿也被称为块状黄铁矿, 显著特点是其不规则的外形; 局部充填砂岩碎屑空隙, 难以分清各个黄铁矿的颗粒分界(图3(d))。它形黄铁矿的晶体形状不规则。与矿物颗粒接触关系复杂, 可不接触, 亦可在矿物颗粒边缘(图3(e)), 根据其形态位置的不同, 成因也有不同。自形黄铁矿有着规则的外形, 切面多为三角形、五角形等(图3(f)), 分布于碎屑颗粒之间, 是成岩早期的产物。

2.3 烃类

铀储层中的烃类也可以作为重要的还原剂。一般认为, 岩石中酸解烃的存在是油气渗漏的结果, 也是衡量岩石还原能力的一项指标^[13]。由表1含量及参数分析可知, 矿化砂岩中甲烷含量及烃类总量较其他类砂岩高。并且随着铀的富集, 气烃/重烃的比值明显升高, 说明铀的富集与烃类具有密切关系。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 铀储层内部砂岩U与酸解烃类含量及参数 Tab.1 Content and parameter table of U and acid hydrolyzed hydrocarbons in sandstone of uranium reservoir 岩性 样品 数/个 w(U)/ 10-6 wB/(μ l· kg-1) nC5H12 CH4 C2H6 C3H8 iC4H10 nC4H10 iC5H12 红色氧化砂岩 2 12.05 107.34 17.47 6.72 0.55 2.88 1.33 1.50 灰色矿化砂岩 20 461.73 533.87 91.49 47.94 1.76 7.50 3.99 2.37 原生灰色砂岩 28 18.13 415.51 102.81 56.17 1.97 10.75 5.12 3.31 岩性 样品 数/个 wB/10-6 气烃/重烃 C2H4 C3H6 烯类量 气态烃 重烃 烃总量 红色氧化砂岩 2 17.91 8.48 26.38 132.08 5.71 137.78 25 灰色矿化砂岩 20 27.37 15.03 42.40 675.07 13.85 688.92 53 原生灰色砂岩 28 33.38 15.85 49.23 576.46 19.18 595.64 29

表1 铀储层内部砂岩U与酸解烃类含量及参数 Tab.1 Content and parameter table of U and acid hydrolyzed hydrocarbons in sandstone of uranium reservoir

铀储层内部存在还原剂, 且与铀矿化的关系密切, 但还原剂在其中并不是均匀分布的。对铀储层内部不同类型砂岩中的还原剂丰度及其地球化学特征的研究, 有助于探讨还原剂在铀储层内部非均匀分布的原因, 对于深层次追踪还原剂与铀矿化的关系具有重要意义。

岩石中有机碳含量是衡量还原能力的重要指标, 一般认为总有机碳(total organic carbon, TOC)含量≥ 0.1%时, 岩石就具备比较好的还原能力^[13]。由图4(a), (b)可知, 原生灰色砂岩中TOC含量最高, 为0.18%, 高于灰色矿化砂岩的0.16%, 红色氧化砂岩与黄色氧化砂岩中TOC含量低且接近, 分别为0.10%、0.11%, 造成该现象的原因可能是层间氧化带作用所致, 红色和黄色砂岩中有机碳在强氧化条件下转变为有机酸随铀共同迁移, 导致含量降低; 而原生灰色砂岩处于还原环境, 有机碳保存最好, 含量最高; 灰色矿化砂岩位于氧化还原过渡带, 有机碳含量居于两者之间。由图4(c), (d)可知全硫(S_全)在不同类型砂岩中的含量明显不同。矿化砂岩中的S_全含量最高, 为0.15%, 而原生灰色砂岩的含量仅为0.03%, 红色及黄色氧化砂岩中S_全含量最低, 均值都为0.01%。铀与黄铁矿的共生有可能是导致矿化砂岩中S_全含量偏高的原因。此外, 铀的含量变化与S_全的变化趋势一致, 在一定程度上也体现了黄铁矿对铀成矿的贡献。

图4

Fig.4

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	图4 砂岩中各种还原剂含量对比及含量变化折线Fig.4 Content comparison of various reducing agents in sandstone and the content change line diagram

对比不同类型砂岩Fe₂O₃/FeO值(图4(e), (f)), 可以看出红色氧化砂岩中Fe₂O₃/FeO值最高, 达4.66; 其次为黄色氧化砂岩, 比值为3.89(表2); 这两类砂岩Fe₂O₃/FeO值较高是因为氧化作用使Fe²⁺转变为Fe³⁺, 导致Fe₂O₃含量升高; 原生灰色砂岩的Fe₂O₃/FeO值为1.37, 代表弱还原环境; 灰色矿化砂岩中Fe₂O₃/FeO值最低, 为1.05, 原因可能是受还原蚀变作用的影响, Fe³⁺被还原为Fe²⁺。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 铀储层内部不同类型砂岩地球化学特征 Tab.2 Geochemical characteristics of sandstones with different types in uranium reservoir 岩性 U TOC Fe氧化物 S全 wB/10-6 样品数/个 wB/% 样品数/个 w(Fe2O3)/% w(FeO)/% Fe2O3/FeO 样品数/个 wB/% 样品数/个 红色氧化砂岩 2.73 6 0.10 28 2.32 0.65 4.66 37 0.01 29 黄色氧化砂岩 4.37 10 0.11 34 1.82 0.69 3.89 50 0.01 34 灰白色砂岩 66.05 61 0.13 67 1.03 0.85 1.61 97 0.10 80 灰色矿化砂岩 341.81 40 0.16 18 1.11 1.62 1.05 39 0.15 22 原生灰色砂岩 10.51 28 0.18 8 1.14 1.08 1.37 29 0.03 27

表2 铀储层内部不同类型砂岩地球化学特征 Tab.2 Geochemical characteristics of sandstones with different types in uranium reservoir

泉头组— 嫩江组沉积时期, 盆地演化转入裂后热沉降阶段。到姚家组沉积时期, 盆地内开始出现大面积的河流相沉积, 相继的嫩江组为滨湖、浅湖相沉积, 这时期为盆地发育的全盛时期。这为在姚家组沉积期形成大规模的铀储层奠定了基础。从地形地貌、水系、重矿物和砂体分散体系等的分析可知, 在姚家组沉积期, 由于古地形坡降大, 水系具有较强的侵蚀能力, 加上周边造山带(尤其是燕山造山带)的影响, 为碎屑铀和溶解铀在潜在铀储层中的预富集提供了良好的条件。裂后热沉降阶段为大型潜在铀储层的形成奠定了基础^{[14, 15]}。

嫩江组沉积末期, 松辽盆地发生区域性大规模的反转构造运动, 盆地整体抬升遭受剥蚀。松南地区抬升剥蚀幅度较大, 特别是东南隆起区上白垩统遭剥蚀严重; 使东南部地层发生掀斜作用, 泉头组— 姚家组自盆缘至盆内呈退缩叠瓦状排列, 并依次出露于地表, 暴露并遭受剥蚀, 有利于地表含氧含铀水的渗入, 形成区域层间氧化带; 此外在西南隆起区形成舍伯吐和架玛吐两个隆起带, 并形成架玛吐和杨大城子构造天窗。嫩江组沉积末期构造反转之后, 姚家组遭受抬升剥蚀, 出露地表, 自主要的燕山物源区形成的含氧含铀水渗入姚家组中, 上下青山口组和嫩江组大套泥岩发育形成的区域隔水层, 使含氧含铀水沿着姚家组持续运移, 在遇到富含还原剂的地球化学环境下富集成矿; 构造运动形成的构造天窗可能会成为区域泄水通道。嫩江组沉积末期构造反转形成了完整的补-径-排成矿流体系统^[16]。

古近纪— 始新世, 受喜山运动的影响, 松辽盆地全面抬升, 遭受剥蚀作用, 缺失古新世— 始新世沉积。这一时期晚白垩世地层接受后生改造作用强烈, 是砂岩型铀矿的主要成矿时期, 铀成矿年龄为(40± 3) Ma^{[17, 18]}。

新近纪盆地全面上升, 沉积中心明显西移20~30 km, 新近系大安组和泰康组分布于盆地西部地区, 盆地东南部隆升剥蚀再未接受沉积。第四系是在侵蚀夷平的基础上沉积的一套风积、冲积、洪积而成的松散堆积。地下水从第四系沉积物中向架玛吐附近构造天窗补给, 对钱家店铀矿造成了一定的改造作用。新近世— 第四纪沉积物的堆积破坏了原有的成矿流体系统^{[19, 20]}。

(1) 研究区铀储层内部的还原剂主要以有机质-碳化植物碎屑、烃类、黄铁矿等形式出现。其中, 有机质中常见的显微组分为镜质组、惰质组和黄铁矿, 可以为铀成矿提供大量优质的还原剂。

(2) 矿化砂岩中甲烷含量及烃类总量较其他类砂岩高, 并且随着铀的富集, 气烃/重烃的比值明显升高, 表明铀的富集与烃类也具有密切关系。

(3) 铀储层内部常见黄铁矿类型包括莓球状黄铁矿、胶状黄铁矿、自形和它形黄铁矿, 其作为还原剂以多种形式与铀共存。

(4) 矿化层位的砂岩中, TOC与S_全含量普遍较高, 而Fe₂O₃/FeO值则明显偏低; 与此相反, 在非矿化层位的砂岩中, TOC与S_全含量普遍较低, 而Fe₂O₃/FeO值较高, 表明铀矿化与TOC、S_全含量具有一定的正相关关系, 而与Fe₂O₃/FeO则呈负相关。

(责任编辑: 常艳)