鄂尔多斯盆地北部纳岭沟地区直罗组下段下亚段砂岩岩石地球化学特征及对物源的指示

2020-05-16张宾刘红旭易超丁波张艳

铀矿地质 2020年2期

张宾，刘红旭，易超，丁波，张艳

（核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

鄂尔多斯盆地是我国重要的多能源共生叠合盆地，内部赋存有煤、石油、天然气和铀多种能源矿产，是我国重要的能源矿产基地［1-2］。近年来铀矿地质工作者在盆地内发现了多个大型、超大型砂岩型铀矿床，矿体主要位于直罗组下段下亚段砂体中，砂体不仅为成矿物质提供运移通道和赋存空间，还为铀成矿提供预富集的铀源［3-4］。

前人对鄂尔多斯盆地东北部铀矿床的控矿因素和成矿模式做了深入的研究［5-6］，但对典型铀矿床目的层碎屑物质来源和母岩类型研究相对较少。前人对鄂尔多斯盆地北部地区物源的研究主要利用同位素年代学方法和地球化学分析的方法［7-10］，认为盆地内碎屑物质主要来自于北部的山区，但对母岩的类型以及母岩所处的构造环境缺乏深入的研究，缺乏直接的判断依据，因此有必要开展研究从多方面来确定母岩的类型以及物源区的构造特征。沉积岩的特征受母岩性质的影响，恢复沉积物的物源对盆地的演化及盆地内铀成矿作用的研究具有重要的意义。

笔者调研了盆地周缘蚀源区岩石的地球化学特征以及盆缘的区域构造背景，对直罗组下段砂岩系统取样，通过岩石地球化学分析与岩矿鉴定厘清目的层砂岩的地球化学特征和岩石学、矿物学特征。岩石的地球化学特征对于判别沉积物母岩类型及其所处的构造环境类型具有重要的作用［11-13］。通过目的层砂岩的岩石地球化学特征与蚀源区岩石的地球化学特征对比，建立砂岩中碎屑颗粒与蚀源区岩石的亲缘关系；根据砂岩的地球化学特征判断物源区所处的构造背景；通过镜下鉴定确定碎屑颗粒中岩屑的类型是母岩类型判别的最直接证据；结合重矿物分析，根据各种重矿物的含量及其组合特征判断母岩的类型。最终厘定研究区目的层砂岩的母岩类型，查明研究区直罗组下段下亚段碎屑物质的来源。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地为一个近南北向的中新生代的内陆坳陷盆地，周围被一系列断裂所围限，北部为乌拉山-大青山以及阴山山系（图1），具有整体抬升、稳定沉降、坡度宽缓、低幅隆起、地层产状平缓、接触整齐一致的特点［14-15］。

盆地具有双层结构，分为基底和盖层。盆地基底具有“双重”结构的特点，以中条运动和印支运动两次重要的构造运动面为界，划分出构造格局和构造体制均有较大差异的直接基底和间接基底，间接基底为太古宙-古元古代的结晶基底，由深变质的麻粒岩等结晶岩组成，由于受后期构造运动的影响，盆地北部的结晶基底抬升至地表，为盆地内沉积地层的形成提供了物质来源；直接基底为中元古代-三叠纪的稳定地块沉积盖层和活动型盆地沉积盖层，由碳酸盐岩和碎屑岩组成。盆地盖层为侏罗系-第四系（图2），中侏罗统直罗组是本区主要的含铀目的层，白垩系在盆地内广泛出露，古近系、新近系不甚发育。

研究区内直罗组划分为上、下两段，根据地层的旋回特征将直罗组下段划分为上、下两个亚段，纳岭沟铀矿床的矿体主要位于直罗组的下段下亚段砂体中。研究区内直罗组下段下亚段以辫状河沉积为主，为铀成矿提供了物性和连通性较好的砂体［16-17］。钻孔揭露直罗组下段下亚段为一套灰色中-粗粒砂岩，局部地区发育砾岩，地层中有机质和黄铁矿含量较高，局部发育有煤线，增加了砂体的还原性容量。

图2 鄂尔多斯盆地北部中-新生代地质简图Fig.2 Meso-Cenozoic geology sketch of northern Ordos basin

2 样品采集与分析方法

本次研究所需样品取自纳岭沟地区的18个钻孔，共101 件岩心样品，其中97 件用于砂岩的岩石地球化学分析，4 件用于重矿物分析。取得的样品均为新鲜岩石样品，以中-粗粒砂岩为主。根据样品的分布情况将样品分析数据进行处理，对同一层位的多个数据取其平均值来增加数据的可信度，最终得到23 个岩石的主微量数据和4 个重矿物分析数据。

样品的分析测试均在核工业北京地质研究院分析测试中心完成。将取得的样品碎样至200 目，主量元素分析采用荷兰Philips 公司生产的型号为PW2404 的X 射线荧光光谱仪（XRF）来完成，精度优于5%，分析环境温度为20 ℃，相对湿度30%；微量和稀土元素使用型号为ELEMENT 的XR 等离子体质谱仪（XR-ICP-MS）测定，精度优于10%，分析测试环境温度为20 ℃，相对湿度30%；重矿物分析采用电磁和重无磁两种分析方法来获得岩石中各重矿物的百分含量。

3 直罗组下段下亚段砂岩特征

3.1 岩石学特征

镜下观察发现，直罗组下段下亚段砂岩以岩屑砂岩和长石岩屑砂岩为主，石英含量低于50%，长石和岩屑的含量较高，长石中斜长石含量低于钾长石，斜长石多发生绢云母化，黑云母出现绿泥石化蚀变。碎屑颗粒分选较差，磨圆度中等-差，填隙物主要为杂基，以黏土矿物为主，少量钙质胶结物（图3）。碎屑颗粒结构成熟度和成分成熟度较低，推断碎屑物质未经过长距离搬运，反映近源快速沉积的特点。

砂岩中岩屑主要为中酸性岩浆岩岩屑和变质岩岩屑，岩浆岩岩屑以花岗岩岩屑、花岗斑岩岩屑和安山岩岩屑为主（图4a、b、c），变质岩岩屑以绢云母片岩岩屑、石英云母片岩岩屑以及石英片岩岩屑为主（图4d、e、f），表明目的层碎屑物质的母岩主要为中酸性岩浆岩和变质岩。

图3 直罗组下段下亚段砂岩镜下鉴定照片Fig.3 Microscopic photos of sandstone in lower submember of lower member of Zhiluo Formation

图4 直罗组下段下亚段砂岩岩屑类型Fig.4 Types of lithic fragment in the sandstone of lower submember，lower member of Zhiluo Formation

3.2 重矿物特征

重矿物是指比重大于2.86 g/cm3，含量小于1%，物理化学性质都稳定的一类矿物［19］。重矿物物理化学性质稳定，在搬运过程中不易被外界环境改变。不同类型的岩石具有不同的重矿物组合（表1），根据重矿物的组合特征可以判别碎屑物质母岩的类型。

表1 不同类型岩石中重矿物组合（据朱筱敏，2008［20］）Table 1 Type of heavy mineral assemblage of different rocks

纳岭沟地区直罗组下段下亚段砂岩重矿物分析结果表明（表2），重矿物主要由锆石、磷灰石、钛铁矿、石榴石以及绿帘石组成，这五种重矿物占重矿物总量的55.16%～78.82%，平均占63.66%，其余重矿物含量较低，表明组成研究区目的层碎屑物质的母岩主要为变质岩以及中酸性岩浆岩。

3.3 岩石地球化学特征

3.3.1 主量元素

砂岩中SiO2含量为67.68%～75.37%，平均含量为72.94%，TiO2含量为0.34%～2.59%，平均含量为0.58%，Al2O3含量为11.14%～13.37%，平均含量为12.62%，Al2O3/SiO2为0.15～0.18；K2O 平均含量为3.45%，K2O/Na2O为1.51～2.00，平均值为1.64。黏土矿物X 衍射分析发现富含K 的伊利石的含量很低，仅占黏土总含量的2.8%，表明K 主要来自于原生矿物，推测母岩为高K 的岩石，砂岩的主量元素与主动大陆边缘砂岩（ACM）［21］的主量元素含量相似，认为目的层砂岩与主动大陆边缘环境关系密切。

3.3.2 微量元素

部分微量元素（如La、Sc 等）因性质稳定常作为盆地构造环境和物源分析的示踪剂［21-22］。砂岩中微量元素明显富集Rb、Ba、Th、U、K、Pb 等大离子亲石元素（LILE），而亏损Nb、Ta、P、Ti 等高场强元素（HFSE），Eu、Y、Yb和Lu 的含量较低，Sr含量中等（图5）。由于部分样品取自矿化段，U 含量高，导致Th/U的变化范围（0.01～1.34）低于上地壳的平均值（3.8）；La/Sc 为3.07～4.66，平均值为3.89（上地壳平均值2.73）；Th/Sc 为0.54～1.08，平均值0.73（上地壳平均值0.97），La/Sc 值和Th/Sc值均接近上地壳的值［11］。结果中有一组数据（ZKN28-0-2）P 和Ti的含量异常高，可能有其他组分的混入，本次研究不做考虑。

表2 直罗组下段下亚段砂岩重矿物分析数据/%Table 2 Analysis data of heavy minerals of sandstones in the lower submember，lower member of Zhiluo Formation

图5 直罗组下段下亚段砂岩微量元素原始地幔标准化蜘蛛图（标准化值据Sun 等，1989［23］）Fig.5 Spider diagrams of trace elements of sandstone in the lower submember，lower member of Zhiluo Formation

3.3.3 稀土元素

稀土元素中∑REE 为（93.26～162.78）×10-6，平均值为121.72 ×10-6，∑LREE/∑HREE 为7.21～16.11，平均值为12.13，（La）N/（Yb）N的值介于8.65～19.74，平均值为14.73。将稀土元素数据进行球粒陨石标准化后得到砂岩的稀土元素配分曲线（图6），稀土元素配分曲线表现为明显的“右倾”型，具有轻稀土富集，重稀土亏损的特征。稀土元素无Eu 的异常或有弱Eu 的负异常，Ce 有弱的负异常。在稀土元素的三分方案中，轻稀土元素（La～Nd）和重稀土元素（Er～Lu）配分曲线平缓，分异程度低，中稀土元素（Sm～Ho）配分曲线较陡，分异程度高。

图6 直罗组下段下亚段砂岩稀土元素配分曲线图（标准化值据Boynton，1984［24］）Fig.6 REE pattern of sandstone in the lower submember，lower member of Zhiluo Formation

4 讨论

碎屑物质在搬运过程中经过物理和化学作用改造导致其岩石地球化学特征不断改变，为保证砂岩岩石地球化学特征能与物源区岩石的地球化学特征进行对比，需要确保碎屑物质的岩石地球化学特征没有经过强烈地改造［25-28］。

根据Th/Sc-Zr/Sc 的关系可以判别物源区的远近［12，29］，投图（图7）发现样品点均落在组分分异线附近，表明碎屑颗粒为近源沉积，经历后期改造较弱，与镜下鉴定结果一致，证明用砂岩的地球化学特征来确定母岩类型是可行的。

4.1 母岩类型分析

图7 Th/Sc-Zr/Sc 图（底图据McLennan，1993［12］）Fig.7 Th/Sc-Zr/Sc discriminating diagram for the provenance

岩石的元素地球化学特征可以反映碎屑物质的母岩类型，不同来源的碎屑物质地球化学特征不同：基性岩的风化产物中富集镁铁质元素（Fe、Mg、Ti 等）和小离子元素（Na、Sr 等），中酸性岩的风化产物富集大离子元素（K、Rb、Pb、Th、U、REE 等）［22，30-31］。直罗组下段下亚段砂岩中富集Rb、Th、U、K、Pb等大离子亲石元素，表明碎屑物质主要为中酸性岩的风化产物。

根据Co/Th-La/Sc、TiO2-Ni、F1′-F2′以及Eu/Eu*-（Gd）N/（Yb）N来判断砂岩的母岩类型［27，32-34］。在Co/Th-La/Sc图解中样品点分布在安山岩和长英质火山岩之间且靠近长英质火山岩端元（图8）；TiO2-Ni 图解中样品点主要分布在酸性岩区域内（图9）；样品点在F1′-F2′的判别图中主要分布在酸性火山岩范围内（图10）；太古宙之后的砂岩（Gd）N/（Yb）N值小于2，Eu/Eu* 值为0.65～1.00，太古宙时期的砂岩（Gd）N/（Yb）N值大于2［34］。样品砂岩稀土元素中Eu/Eu* 值为0.70～1.10，（Gd）N/（Yb）N值为1～2，少数样品（Gd）N/（Yb）N值为2～3（图11），反映碎屑物质的母岩主要为太古宙之后的岩石，混有部分太古宙的碎屑物质。

图8 La/Sc-Co/Th 母岩类型判别图解（底图据Gu 等，2002［32］）Fig.8 La/Sc-Co/Th discriminating diagram for parent rock types

综上，研究区内直罗组下段下亚段碎屑岩的母岩主要为太古宙之后的中酸性岩浆岩，以长英质火山岩为主，混有少数太古宙时期的碎屑物质，反映直罗组下段下亚段的碎屑物质具有多来源的特征。

图9 TiO2-Ni 母岩类型判别图解（底图据Spalletti 等，2008［27］）Fig.9 TiO2-Ni discriminating diagram for parent rock types

图10 F1′-F2′判别图解（底图据Roser 等，1988［33］）Fig.10 F1′-F2′discriminating diagram for parent rock types

图11 Eu/Eu*-（Gd）N/（Yb）N 判别图解（底图据McLennan 等，1991［34］）Fig.11 Eu/Eu*-（Gd）N/（Yb）N discriminating diagram for parent rock types

笔者收集了蚀源区岩石的地球化学数据，主要是东北缘方山地区［35］和北缘阴山-大青山-乌拉山地区［36-40］岩石的稀土元素地球化学数据，绘制了蚀源区岩石的稀土元素配分曲线图（图12）。

将砂岩样品稀土元素配分曲线（图12a）与蚀源区岩石的稀土元素配分曲线进行对比（图12b、c、d），来判断砂岩的母岩类型。盆地东北缘方山地区的前寒武纪混合花岗岩稀土元素配分曲线表现为“左倾”型，即轻稀土亏损，重稀土富集，表现为明显的Eu 负异常，与目的层砂岩的稀土元素配分曲线明显不同（图12a、b），认为方山地区前寒武纪混合花岗岩与目的层碎屑岩亲缘性不明显。盆地北缘阴山-大青山-乌拉山地区的前寒武纪岩体和海西印支期侵入岩的稀土元素配分曲线表现为明显的“右倾”型（图12c、d），与目的层砂岩的稀土元素配分曲线在形状上相似，推测目的层砂岩与阴山-大青山-乌拉山地区的岩石存在亲缘性。阴山-大青山-乌拉山地区前寒武纪时期的花岗岩表现为Eu 负异常，混合花岗岩表现为Eu 正异常，与目的层砂岩的差别较大（图12a、c），表明该地区前寒武纪的花岗岩和混合花岗岩为目的层岩石的母岩可能性不大；麻粒岩的轻稀土元素含量较低，（La）N/（Yb）N值低于目的层砂岩，认为麻粒岩与目的层碎屑岩关系不明显；孔兹岩、片麻岩以及闪长岩无论是稀土元素配分曲线的形状还是轻重稀土的绝对含量都与目的层砂岩具有较好的一致性，认为阴山-大青山-乌拉山地区前寒武纪时期的孔兹岩、片麻岩以及闪长岩是研究区目的层碎屑岩的主要母岩。阴山-大青山-乌拉山地区海西-印支期的正长岩、花岗岩和混合花岗岩表现为Eu 的负异常，与目的层砂岩不同（图12a、d），反映该地区海西-印支期的正长岩、花岗岩和混合花岗岩是目的层岩石母岩的可能性较小；该地区的辉长岩和花岗闪长岩的稀土元素特征与目的层砂岩的稀土元素特征具有一致性，认为阴山-大青山-乌拉山地区海西-印支期的辉长岩和花岗闪长岩为目的层碎屑岩的母岩。

图12 研究区目的层岩石与周缘物源区岩石的稀土元素配分曲线图（标准化值据Boynton，1984［24］）Fig.12 REE patterns of target sandstones and the rocks of provenance vicinity

上述证据表明，纳岭沟地区直罗组下段下亚段岩石的碎屑物质主要来自于盆地北缘的阴山-大青山-乌拉山地区，主要为前寒武纪和海西-印支期的变质岩和侵入岩的风化产物，目的层的母岩主要为前寒武纪时期的孔兹岩、片麻岩、闪长岩以及海西-印支期的辉长岩和花岗闪长岩。

4.2 物源区构造背景分析

沉积盆地与物源区的分布格局受大地构造控制，因此沉积盆地内沉积物碎屑组分和结构特征与物源区大地构造性质必然有着密切联系［41］。通过砂岩主量元素F1-F2的关系［21］和TiO2-（TFe2O3＋MgO）的关系［42］来确定物源区的构造环境。通过计算F1介于-1.5 至0 之间，F2介于-2 至-6 之间，投图样品点全部落在主动大陆边缘范围内（图13）；砂岩中TiO2的质量分数为0.2%～0.8%，TFe2O3＋MgO 的质量分数为3%～8%，投图可见多数样品点落在主动大陆边缘范围内，仅有极少数样品落在大陆岛弧范围内（图14）。

图13 F1-F2 判别图（底图据Bhatia，1983［21］）Fig.13 F1-F2 discriminating diagram for parent rock types

图14 TiO2-（TFe2O3＋MgO）图解（底图据Holland，1978［42］）Fig.14 TiO2-（TFe2O3＋MgO）discriminating diagram for parent rock types

上述证据表明，纳岭沟地区直罗组下段下亚段岩石的母岩主要形成于主动大陆边缘构造环境，与地质历史过程中古生代时期兴蒙大洋板块向南俯冲、碰撞，古阴山褶皱造山带呈相对隆起状态关系密切。由于板块俯冲碰撞，俯冲过程中俯冲板块相变产生了富集大离子亲石元素而亏损高场强元素的流体，该流体混入地幔导致地幔亏损高场强元素而富集大离子亲石元素，这与直罗组下段下亚段砂岩明显富集Rb、Ba、Th、U、K、Pb 等大离子亲石元素，而亏损Nb、Ta、P、Ti 等高场强元素一致。可以断定，物源区位于主动大陆边缘俯冲带环境中，板块俯冲阶段是蚀源区母岩形成的主要阶段。