鄂尔多斯盆地西北部华池-环河组绿色砂岩成因探讨

2022-05-18韩美芝李子颖张字龙骆效能王龙辉

铀矿地质 2022年3期

韩美芝，李子颖，张字龙，骆效能，王龙辉

（1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.核工业二〇八大队，内蒙古包头 014010）

鄂尔多斯盆地是我国大型能源盆地，在盆地东北部直罗组相继发现了一系列大型、特大型铀矿床。针对这些铀矿床，前人开展了矿物学、沉积学、矿床成因等方面的研究［1-5］。研究普遍认为，该区铀矿体的分布与氧化还原前锋线密切相关［6-7］。准确识别原生砂岩与后生砂岩，氧化砂岩与还原砂岩，是寻找氧化前锋线的关键，对砂岩型铀矿找矿尤为关键。碎屑岩的颜色对形成环境具有一定的指示作用，通常情况下，绿色能够指示弱还原环境，因此正确认识绿色砂岩成因对于找矿工作至关重要。鄂尔多斯盆地的延长组、直罗组和华池-环河组砂岩中均含有较多的绿泥石，国内大部分学者对含有较多绿泥石的直罗组砂岩描述为绿色或灰绿色砂岩［7-11］，对含有较多绿泥石并构成绿泥石膜的延长组砂岩描述为灰色砂岩［12-13］，可见前人的研究中对颜色描述还不够清晰，不同学者对于砂岩颜色的认知存在差异，对研究对象的理解也存在差异。前人围绕鄂尔多斯盆地东北部的直罗组绿色砂岩开展了一些研究，取得了一些认识，但同时对于绿色砂岩的致绿矿物及其成因还存在一些争议，主要认识包括：1）针叶状绿泥石是绿色砂岩的致绿原因［7-8，14-16］；2）绿色矿物的成因是来源于油气（热）流体还原作用［17-18］；3）富Fe 的黏土矿物产生的绿色效应是引起砂岩呈现绿色的主要原因［19］。近几年，在鄂尔多斯盆地西北部伊和乌素地区华池-环河组发现了工业铀矿体［20-21］，其赋矿砂岩呈现多变的颜色特征。岩石颜色反映了形成环境的差异，然而灰绿色等过渡色与灰色、绿色，难以用肉眼区分，不同的人对于颜色的识别存在主观差异，这会给地质分析与编录工作带来一定的困难。因此，本文选择鄂尔多斯盆地西北部赋矿层华池-环河组绿色砂岩为主要研究对象，利用测色仪测定不同颜色砂岩的a、b、L值，将灰色砂岩、绿色砂岩与红色砂岩进行界定。通过与灰色、红色砂岩的对比，分析绿色砂岩致绿成因。

1 地质背景

研究区位于鄂尔多斯盆地西北部，伊盟隆起南缘与陕北斜坡北缘，主要出露中生代沉积地层（图1）。最新的勘探结果显示，在鄂尔多斯盆地北西部伊和乌素地区下白垩统华池-环河组（K1h＋hn）存在大规模的铀矿化色。下白垩统主要为紫红色、灰绿色砂砾岩、砂岩和紫红色、棕红色粉砂质泥岩夹砂岩、砾岩薄层，与上下地层均为角度不整合接触关系。华池-环河组顶板埋深为150～350 m，一般在200 m 左右［22］，厚约400 m。华池-环河组主要呈灰绿色、灰黄色、灰色，以中、小型至微斜层理的砂岩夹泥岩为特征。一般从底部向上发育4～5个沉积韵律层，具中小型交错层理和水平层理。在韵律层上部为紫色、褐黄色粗砂岩夹灰绿色中粗砂岩、紫色粉砂岩；下部岩性主要为灰绿色、黄绿色、灰色细砂岩、中砂岩夹紫红色、灰绿色、灰色泥岩，主体为一套灰绿色的砂岩［23］。

图1 鄂尔多斯盆地西北部地质简图（据文献［24-25］修改）Fig.1 Geological sketch of northwestern Ordos Basin（modified after reference［24-25］）

2 样品特征与分析方法

本次研究样品取自鄂尔多斯盆地西北部伊和乌素地区钻孔ZKW2019-1、ZKW2019-2、ZKW2019-3、ZKW2019-4、ZKW2020-1、ZKW2020-2 和ZKW2020-3，样品主要为灰色砂岩、褐灰色砂岩、灰绿色砂岩、绿色砂岩、褐红色砂岩与紫红色砂岩。样品野外定名过程中灰绿色砂岩与灰色砂岩的颜色差异不明显，受主观因素影响较大（图2）。

图2 鄂尔多斯盆地西北部华池-环河组砂岩特征与颜色特征Fig.2 Gross characteristics and color of sandstones from Huachi-Huanhe Formation，northwestern Ordos Basin

色度空间是记录颜色的一种手段。1976年国际照明委员会（CIE）推荐了新的色度空间及其有关的色差公式，即CIE1976 LAB 系统［26］。CIE LAB 系统是国际通用的一个色度空间，已应用于染料、纺织等工业。它适用于一切光源色或物体色的表示与计算。CIE1976 LAB 系统是一个三维直角坐标系统L-a-b，其中，L 表示明度，即黑白，L 值越高，则越白，反之则越黑；a 表示红绿，＋a 表示红色，－a 表示绿色；b 表示黄蓝，＋b 表示黄色，－b 表示蓝色。颜色之间是连续过渡关系，因此一组L、a、b 值在色度空间上是唯一的，也就是其所代表的颜色也是唯一的。

本次测量应用3nh 公司的超高精度色彩色差仪，型号为YS4580，选取鄂尔多斯盆地西北部华池-环河组砂岩进行颜色测量，其测量口径为20 mm，重复精度在0.1% 以内，台间差ΔE*ab 在0.04 以内，测量过程中避开砾石，选择较均匀、平整的面进行。

为研究绿色砂岩的矿物学特征，本文对华池-环河组砂岩开展了X 射线衍射分析、扫描电镜观察和主微量元素测定，且均在核工业北京地质研究院分析测试研究所完成。X射线衍射定量分析仪器型号为Panalytical X’Pert PRO 粉晶X 射线衍射仪，工作电压为40 kV，电流为40 mA，X 射线靶为Cu 靶，测量角度范围为5°～70°。扫描电子显微镜仪器为FEI NovaNano SEM450和Sigma 300型热场发射扫描电镜，均配备了能谱仪。主量元素分析使用AB104L，Axios-mAX 波长色散X 射线荧光光谱仪，全岩有机碳与全岩S 分析使用580A碳硫分析仪。微量元素分析使用仪器为Finnigan MAT 公司生产的ELEMENT 型号的高分辨电感耦合等离子质谱仪（ICP MS），精度优于10%。

3 砂岩特征研究

3.1 颜色特征

本文将测定的108 件砂岩样品的a、b、L 值列于表1，从表中可以看出红色砂岩、灰色砂岩与绿色砂岩的差异主要体现在a 值上。根据a值的差异，将砂岩进行重新划分，其中绿色砂岩的a 值变化范围为－∞～1.1，灰色砂岩的a 值变化范围为1.1～4，红色砂岩的a 值变化范围为4～＋∞，以此将绿色砂岩与灰色砂岩进行明确区分。研究区样品中绿色砂岩的a值的变化范围为－1.78～1.09，均值为0.11（n＝37），b值为6.63～11.39，均值为9.55，L值为42.97～63.48，均值为53.66；灰色砂岩的a 值的变化范围为1.42～3.86，均值为2.40（n＝35），b值为6.93～19.92，均值为10.41，L值为41.93～62.45，均值为50.74；红色砂岩的a 值的变化范围为4.00～17.35，均值为8.55（n＝36），b 值为7.04～26.89，均值为13.62，L值为31.29～50.57，均值为42.20。

表1 鄂尔多斯盆地西北部华池-环河组砂岩颜色特征Table 1 Color characteristics of sandstones from Huachi-Huanhe Formation,northwestern Ordos Basin

表1（续）

3.2 岩石学特征

岩石薄片鉴定表明，华池-环河组砂岩以中-粗粒砂岩为主（图3a），部分含砾石，偶见砂砾岩，为长石岩屑砂岩，分选和磨圆一般。主要为颗粒支撑，颗粒间以点-线接触为主，其中石英含量为40%～50%，可见小颗粒自生石英；长石含量为20%～30%，以斜长石为主，斜长石多发生绿泥石化，次生加大（图3b）和溶蚀现象十分普遍。岩屑含量为30%～40%，主要为石英岩岩屑、片岩岩屑、片麻岩岩屑、花岗岩岩屑与云母类，少见沉积岩岩屑（图3c）。含较多黑云母和白云母，黑云母大多已发生绿泥石化（图3d），致使部分铁质析出，氧化后形成铁的氧化物与氢氧化物，绿色砂岩粒间多存在绿泥石包裹赤铁矿的现象（图3e）。胶结物含量为3%～25%，其中包括碳酸盐、方沸石、自生黏土矿物（图3f、g）等。还可见大量细粒黄铁矿与莓球状黄铁矿（图3h）。红色砂岩、绿色砂岩和灰色砂岩的碎屑颗粒种类与含量相差不大，差异主要体现在杂基含量与杂基种类上，灰色砂岩黏土杂基较绿色砂岩与红色砂岩少，其中绿色砂岩杂基含量为3%～15%不等，黏土杂基可见绿泥石，多围绕碎屑颗粒边缘分布，形成绿泥石膜（图3i）。

图3 鄂尔多斯盆地西北部华池-环河组砂岩特征Fig.3 Characteristics of sandstone from Huachi-Huanhe Formation，northwestern Ordos Basin

3.3 黏土矿物特征

全岩X 射线衍射定量分析结果列于表2。研究区绿色砂岩与红色砂岩中的斜长石含量低于灰色砂岩（图4）。绿色砂岩与红色砂岩的黏土矿物含量相当，且明显高于灰色砂岩，详述如下：

图4 鄂尔多斯盆地西北部华池-环河组主要黏土矿物组成Fig.4 Clay mineral composition of sandstone from Huachi-Huanhe Formation，northwestern Ordos Basin

表2 鄂尔多斯盆地西北部华池-环河组砂岩黏土矿物含量Table 2 Clay mineral content of sandstones from Huachi-Huanhe Formation in northwest Ordos Basin

红色砂岩的黏土矿物总量平均为11.4%（n＝10），变化范围为4.0%～21.3%。其中，绿/蒙混层约占50%，伊利石约占25%，绿泥石约占13%，表明红色砂岩中的黏土矿物主要为绿/蒙混层，其次是伊利石与绿泥石，几乎不含高岭石与蒙脱石。

绿色砂岩的黏土总量平均为11.5%（n＝18），变化范围为5.6%～16.1%。其中，绿/蒙混层的平均含量为51%，伊利石约占24%，绿泥石约占17%，表明绿色砂岩中的黏土矿物主要为绿/蒙混层，其次是伊利石与绿泥石，几乎不含蒙脱石与高岭石。

灰色砂岩的黏土矿物总量平均为7.0%（n＝5），变化范围为2.5%～16.5%。其中，伊利石约占37%，伊/蒙混层约占34%，绿泥石约占21%，表明灰色砂岩中的黏土矿物主要为伊利石，其次是伊/蒙混层与绿泥石，几乎不含高岭石与蒙脱石。

扫描电镜下可见绿色砂岩中存在大量的绿泥石。绿泥石主要呈叶片状分布于碎屑颗粒表面（图5a、b、c、d），构成碎屑颗粒薄膜，例如：粒间蠕虫状、书页状高岭石和含铀矿物表面均附着一层叶片状绿泥石（图5e、f），黑云母表面覆盖一层绿泥石（图5g）。热场发射扫描电镜（AMICS-SEM）下可见碎屑颗粒表面发育薄层环边，环边由内至外分布绿/蒙混层与绿泥石矿物（图5h），其中里层绿/蒙混层晶形较差，呈絮状，几乎不见晶形，外层绿泥石晶形较大，且自形，呈叶片状。

图5 鄂尔多斯盆地西北部华池-环河组绿色砂岩电子扫描镜下黏土矿物特征Fig.5 SEM image of clay mineral in green sandstone from Huachi-Huanhe Formation，northwestern Ordos Basin

3.4 地球化学特征

本文测量了研究区的红色砂岩、灰色砂岩与绿色砂岩的地球化学数据，希望通过绿色砂岩与红色砂岩、灰色砂岩的差异，来探寻绿色砂岩的呈色原因。

地球化学分析的主要参数列于表3。结果表明，绿色砂岩的TFe2O3、FeO、全岩S 含量平均值分别为3.49%（n＝38）、2.03%（n＝38）、0.08%（n＝17），均高于灰色砂岩与红色砂岩。绿色砂岩和红色砂岩的有机碳含量平均值分别为0.10%（n＝17）和0.08%（n＝14），均低于灰色砂岩的有机质含量平均值。绿色砂岩中的有机碳含量略高于红色砂岩，红色砂岩的Fe2O3/TFe2O3高于灰色砂岩和绿色砂岩（表3，图6）。

表3 鄂尔多斯盆地西北部华池-环河组砂岩地球化学数据分析结果Table 3 Geochemical analytical result of sandstone from Huachi-Huanhe Formation in northwestern Ordos Basin

图6 鄂尔多斯盆地西北部华池-环河组砂岩主要地球化学参数特征Fig.6 Major geochemical parameters of sandstones from Huachi-Huanhe Formation，northwestern Ordos Basin

微量元素分析结果表明，绿色砂岩U 的平均含量为6.84×10-6（n＝38），Th 的平均含量为6.16×10-6（n＝38），Th/U 平均为2.12。灰色砂岩U 的平均含量为9.07×10-6（n＝36），Th 的平均含量为4.82×10-6（n＝36），Th/U平均为1.92。红色砂岩U 的平均含量为3.50×10-6（n＝37），Th 的平均含量为4.78×10-6（n＝37），Th/U 平均为2.23。相较于红色砂岩和灰色砂岩，绿色砂岩中的平均U 含量与Th/U 值均介于两者之间，绿色砂岩中有更高含量的Nb、Ta、Y、Zr 值和相对低含量的Mo 与V。

4 讨论

4.1 绿色砂岩致绿矿物类型

扫描电镜下绿色砂岩中存在大量的绿泥石，且主要赋存于碎屑颗粒之间的孔隙及其表面。X 衍射分析结果显示，鄂尔多斯盆地西北部华池-环河组红色砂岩与绿色砂岩的黏土矿物主要为绿/蒙混层，其次为伊利石与绿泥石；灰色砂岩的黏土矿物主要为伊利石，其次为伊/蒙混层与绿泥石。X 射线衍射分析结果显示绿色砂岩中的主要黏土矿物为绿/蒙混层而不是单纯的绿泥石，其原因是碎屑矿物表面为一层绿蒙混层，再向外为一层绿泥石。由于扫描电镜下呈现的是碎屑颗粒及黏土矿物的表面，所以多见到绿泥石。主量元素分析结果表明绿色砂岩的TFe2O3、FeO、全岩S含量平均值分别为3.49%、2.03%、0.08%，均高于灰色砂岩中的含量（2.62%、1.54%、0.06%）（表3，图6），推测是由于绿色砂岩中较多的黄铁矿造成的，与电子显微镜下绿色砂岩含有较多的黄铁矿具有一致性。

由于CIE1976 LAB色彩空间中，a值是红度与绿度的指数。a 值为负则样品显示为绿色，负值越大，绿度越明显［26］。为弄清何种矿物导致绿色砂岩显示绿色？哪种矿物致使绿色砂岩的绿度更强？本文进行了黏土矿物的含量与a 值的相关性分析。结果显示绿色砂岩中的绿/蒙混层含量与颜色特征值a 呈反比（图7a），即绿/蒙混层的含量越高，a 值的负值越大，绿色砂岩越显绿（绿度越大）。由此表明绿/蒙混层是绿色砂岩致绿的主要原因。

但并不是所有的样品都显示出以上的规律，本文对个别不是此规律的样品进行了逐一分析。E2020-458，E2020-714、E2020-446（图7a 红圈标出）3 个样品的a 值负值很大，即绿色砂岩很绿（绿度很高），但绿/蒙混层含量较少，这3 个样品的绿泥石的含量分别为29%、40%与25%（表4），均远大于绿色砂岩中绿泥石的平均含量（17%），且基本不含蒙脱石，伊利石的含量分别为33%、26%与26%，略大于绿色砂岩中伊利石的平均含量（24%），推测绿泥石为绿色砂岩致绿的又一主要成因。

表4 鄂尔多斯盆地西北部华池-环河组绿色砂岩黏土矿物含量Table 4 Clay mineral content of green sandstones from Huachi-Huanhe Formation in northwest Ordos Basin

E2020-482、E2020-480（图7a黄圈标出）两个样品几乎不含绿/蒙混层，这两个样品中绿泥石的含量分别为30%与22%，均远大于绿色砂岩中绿泥石的平均含量（17%），几乎不含蒙脱石，伊利石的含量分别为61%、44%，远大于绿色砂岩中伊利石的平均含量（24%），伊/蒙混层的含量分别为9%、34%，推测绿泥石为绿色砂岩致绿的又一主要成因，但并不排除伊利石可以使绿色砂岩呈现绿色。

为判别绿泥石是否也使绿色砂岩呈现绿色，本文对绿色砂岩中的绿泥石与a 值进行了相关性的分析，结果显示绿泥石与a 值也存在一定的负相关性，但相关性不明显（图7b），其原因可能由于绿泥石的含量不及绿/蒙混层的含量高，所以绿泥石与颜色特征a 值相关性不高。值得注意的是a 负值越大的样品，即砂岩更偏绿的样品，其绿泥石含量越高（图7a），所以绿色砂岩中绿泥石也是绿色砂岩主要的致绿矿物。

为判别伊利石是否也使绿色砂岩呈现绿色，本文对绿色砂岩中的伊利石与a 值进行了相关性的分析，结果显示绿泥石与a 值也存在很弱的负相关性（图7c），伊利石含量高的样品，a 值并不是负值很大，反而，a 值负值很大的样品，绿色砂岩中的绿泥石含量很高，所以，伊利石并不是该区华池-环河组绿色砂岩致绿的主要矿物，而绿泥石是绿色砂岩致绿的主要矿物。

图7 鄂尔多斯盆地西北部华池-环河组绿色砂岩黏土矿物含量与颜色特征值a 关系（a、b、c）、绿泥石与绿/蒙混层含量关系（d）图解Fig.7 The relation of clay minerals to color characteristic values a（a，b，c），chlorite to chlorite/montmorillonite mixture（d）of the Huachi-Huanhe Formation green sandstone in the northwestern Ordos Basin

岩相学研究显示，碎屑颗粒、黏土矿物和含铀矿物表面均由绿泥石覆盖（图5h），碎屑颗粒之间也均由绿泥石填充，因此绿泥石和绿/蒙混层是绿色砂岩致绿的主要矿物。

4.2 绿色砂岩致绿矿物成因

绿泥石按成因分类可分为陆源碎屑绿泥石、蚀变绿泥石与自生绿泥石。陆源碎屑绿泥石因搬运过程产生磨蚀，晶体形态不规则，呈滚圆或次棱角状，但仍保留原来的晶体结构与化学组成。蚀变绿泥石主要由铝硅酸盐绿泥石化形成，其中包括斜长石经历镁铁的加入，发生绿泥石化和富镁铝的黑云母绿泥石化。黑云母绿泥石化主要为碎屑黑云母发生绿泥石化，此种绿泥石常残留黑云母的结构，例如绿泥石常沿黑云母解理发育，形成针叶状［27］。自生绿泥石形成于成岩阶段，晶形一般较完整，棱角分明，边缘清晰可见。自生绿泥石常以胶结物的形式存在，根据碎屑颗粒与绿泥石的产出关系，绿泥石的晶体排列，自生绿泥石进一步可划分为颗粒薄膜绿泥石、孔隙衬里绿泥石与孔隙填充绿泥石3 种类型。颗粒薄膜绿泥石为包裹碎屑颗粒的一层薄层绿泥石，一般厚度不足1 μm，晶体小且晶形差，呈不规则片状。孔隙衬里绿泥石发育于碎屑颗粒与孔隙接触部位，碎屑颗粒接触处常不发育，厚度约为5～15 μm，单个绿泥石晶体呈叶片状垂直于碎屑颗粒表面向孔隙中心生长，由颗粒表面到孔隙方向，其晶形逐渐变大，自形程度逐渐变好。孔隙衬里绿泥石的形成温度范围较大，在20～40 ℃与70～80 ℃温度期间内，生长最为集中［28］。任战利等人［29-30］的研究中指出鄂尔多斯盆地早白垩世地温梯度高达到4 ℃/100 m，存在古地温异常及热事件，其相对应的形成深度为500～1 000 m，与本次研究中华池-环河组砂岩下段，主要由绿色砂岩组成具有一定的耦合性。孔隙充填绿泥石，晶体大，自形程度高，晶体延长方向与碎屑颗粒表面无明显的垂直或平行关系，多个绿泥石常聚合在一起形成玫瑰花状或绒球状。

Gould 等（2010）［31］对Scotian 盆地上白垩统砂岩研究认为，绿泥石膜普遍具有双层结构，依附于颗粒的绿泥石膜自形程度差，是同沉积黏土膜转化的产物，而面向孔隙且晶形好的绿泥石膜是富铁镁物质溶蚀再结晶的产物。同沉积黏土膜的形成，主要指蒸发浓缩机制下，发生于渗滤带、潜水面附近和隔水层之上。携带有黏土微粒的水进入上述三种环境，经历了蒸发和浓缩作用，黏土吸附在颗粒表面并逐渐形成黏土膜［32］，该作用可形成黏土膜在条件实验岩石学方面得到证实［33］，及其转化为绿泥石膜也已经从砂岩成岩特征方面进一步证实［34］。姚泾利等（2011）［35］在研究鄂尔多斯盆地延长组时也发现绿泥石膜具有双层结构，依附于颗粒的绿泥石膜近乎等厚，绿泥石矿物基本没有晶形，为渗滤黏土转化而来；面向孔隙且晶形好的绿泥石膜厚度不稳定，晶体粗大，晶形好，为成岩晚期黑云母和火山物质溶蚀再结晶形成。

前人的研究表明，三八面体的蒙脱石可以向绿泥石方向转化［36］，其转化过程是一个连续溶解再沉淀的过程［37］，包括一个中间的绿泥石/蒙脱石混层相，刚开始可能只是不规则的混层，随着深度的加深，形成规则的柯绿泥石。柯绿泥石是三八面体绿泥石与蒙脱石1∶1 规则间层矿物［38］。柯绿泥石的绿泥石化伴随着Mg的连续减少和Fe 和Al 的增加［39］，导致形成富Fe 的绿泥石。

本区绿色砂岩的黏土矿物中绿/蒙混层相对含量为51%，绿泥石相对含量为17%，二者呈负相关（图7d），推测绿/蒙混层与绿泥石之间存在一定的转化关系。绿/蒙混层通常是蒙脱石与绿泥石的过渡产物，蒙脱石在富Mg 与贫Mg 的环境中均可经绿/蒙混层向绿泥石转换［37］。在本次研究中斜长石的碎屑颗粒表面发育较好的自生矿物环边，环边由内至外分布绿/蒙混层与绿泥石（图8）。推测晶形较差的绿/蒙混层为蒙脱石向绿泥石转化的中间产物。其中蒙脱石是由孔隙水环绕碎屑颗粒，经蒸发、浓缩与化学沉淀形成，构成蒙脱石黏土膜。蒙脱石黏土膜在埋藏成岩过程中，随埋深、温度、压力的增加，发生成岩转化，经绿/蒙混层，向绿泥石转化，其表现形式是绿色砂岩中绿/蒙混层的增多。由于Fe2+与Mg2+的不断供给，绿/蒙混层进一步向绿泥石转化：Ca0.1Na0.2Fe1.1MgAlSi3.6O10（OH）2（三八面体蒙脱石）＋1.5Fe2+＋1.20Mg2+＋1.4Al3+＋8.6H2O＝Fe2.6Mg2.2Al2.4Si2.8O10（0H）8（绿泥石）＋0.1Ca2+＋0.2Na+＋0.8SiO2（石英）＋9.2H+［34］。这个过程中，Fe、Mg、Al 可能来自黑云母和氢氧化铁的溶解。Fe2+不断供给表明最后一次流体性质为还原性，此外绿色砂岩中有较高含量的Y、Zr、Nb，这些元素在碱性流体内易迁移［40］，表明流体的性质为碱性，即绿色砂岩经历了最后一次碱性还原性流体的作用。

图8 鄂尔多斯盆地西北部华池-环河组砂岩绿/蒙混层与绿泥石特征图解Fig.8 Characteristics of chlorite/montmorillonite and chlorite in the Huachi-Huanhe Formation sandstone in northwestern Ordos Basin