姚家组是铀的主要赋存层位, 对钱Ⅳ 块目的层多个钻孔中含矿、矿化及低品位矿石的岩心观察、描述以及薄片鉴定、X衍射和扫描电镜分析等的研究表明, 目的层岩性为砂岩、砂砾岩和泥岩, 具体类型见表 1。碎屑粒径以细砂、中— 细砂为主, 次为粉砂、粗砂和砾石。砂岩成分类型以长石岩屑砂岩为主, 次为岩屑砂岩(图 2, 图 3)。碎屑成分成熟度差, 结构成熟度较好。石英、长石碎屑多为次圆状、次棱状。

表 1

Table1

表 1(Table1)

表 1 钱家店铀矿钱Ⅳ 块含矿建造岩石类型 Table1 Rock types of the ore-bearing formation in QⅣ block of Qianjiadian uranium deposits

表 1 钱家店铀矿钱Ⅳ 块含矿建造岩石类型 Table1 Rock types of the ore-bearing formation in QⅣ block of Qianjiadian uranium deposits

图 2

Fig.2

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	图 2 钱家店铀矿砂岩成分类型三角图Fig.2 Triangular diagram of sandstone composition in Qianjiadian uranium deposits

图 3

Fig.3

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	图 3 钱家店铀矿薄片鉴定碎屑含量统计Fig.3 Bar chart of debris contents based on slice analysis in Qianjiadian uranium deposits

勘查区含矿与赋矿岩石主要为细粒长石岩屑砂岩、中— 细粒长石岩屑砂岩、含泥砾长石岩屑细砂岩和泥砾砂砾岩(图 4)。砂岩碎屑成分石英与长石之和与岩屑含量相近, 岩屑以酸性火山岩为主(流纹岩、流纹质凝灰岩), 次为粗面岩、正长细晶岩、花岗岩、花岗斑岩、安山岩、硅质岩、泥岩等, 偶见石英片岩和硅质板岩等。砂砾岩砾石成分以泥砾为主, 局部层段发育泥晶灰岩、泥— 粉晶云岩和钙质砂岩砾石。由于砂岩粒度以中、细砂岩为主, 花岗岩岩屑都已破碎为石英、长石碎屑, 因此, 从碱性长石含量较高并以长石碎屑存在等分析, 来自花岗岩的可能性较大。另外本区重矿物组合中, 除了钛磁铁矿和白钛石来自岩浆岩的组合为主外, 次为石榴子石组合, 说明本区物源有少量的高级变质岩。

图 4

Fig.4

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	图 4 钱家店铀矿赋矿砂岩类型图版 a— 细粒长石岩屑砂岩, QⅣ -41-05井, 336.9 m, 岩屑以酸性岩屑为主, 粒间高岭石胶结; b— 极细— 细粒长石岩屑砂岩, QⅣ -20-23井, 413 m, 长石砂屑、酸性岩屑及白云石胶结物; c— 含灰细— 中粒长石岩屑砂岩, QⅣ -20-23井, 426.85 m, 矿化蚀变方解石连晶分布; d— 砾质不等粒长石岩屑砂岩, QⅣ -41-05井, 337.3 m, 砾石为泥岩岩屑, 砾间为砂质碎屑Fig.4 Charts of the ore-bearing sandstone in Qianjiadian uranium deposits

含矿目的层砂岩胶结较疏松, 制片过程中泥质胶结物有被冲刷掉的可能, 因此, 为准确确定填隙物含量, 采用了铸体薄片和X衍射全岩黏土总量分析结合的方法。分析认为本区砂岩孔隙较发育, 填隙物含量较低, 填隙物主要为黏土矿物、碳酸盐及黄铁矿等。不含矿砂岩和含矿砂岩(包括矿化砂岩和矿石)X衍射分析(图 5)表明: 无矿砂岩平均黏土总量为7.15%, 含矿砂岩平均黏土总量为6.73%, 黏土矿物类型以伊蒙混层和高岭石为主(图 6), 少量伊利石和绿泥石, 并且随着砂岩含矿性增强高岭石增高, 反映了高岭石矿化蚀变沉淀, 伴随铀的沉淀; 无矿砂岩平均碳酸盐含量8.26%, 含矿砂岩平均碳酸盐含量5.13%, 其中以铁白云石为主, 次为方解石和菱铁矿。

图 5

Fig.5

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	图 5 钱家店铀矿X衍射砂岩矿物含量直方图Fig.5 Histogram of minerals contents in sandstone obtained by X-ray diffraction in Qianjiadian uranium deposits

图 6

Fig.6

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	图 6 钱家店铀矿砂岩黏土矿物相对含量直方图Fig.6 Histogram of clay minerals contents in sandstone in Qianjiadian uranium deposits

对钱家店砂岩型铀矿Ⅳ 块赋矿岩石进行岩石化学全分析(表 2)。SiO₂/Al₂O₃值介于3.17~8.71之间, 平均为6.52, 比值低于佩蒂庄的长石砂岩的平均值(8.86), 反映了本区姚家组砂岩的成分成熟度较低。CaO含量0.51%~10.81%, 以方解石砂屑及泥晶灰岩岩屑存在砂岩中。砂岩中碳酸盐含量低, 胶结物中由雏晶状泥质杂基组成, 符合河流相以成分成熟度低的砂屑、岩屑及泥质沉积物为主的沉积特点。

表 2

Table2

表 2(Table2)

表 2 钱家店砂岩型铀矿钱Ⅵ 块赋矿岩石全分析* Table2 Whole rock analysis of ore-bearing section in QⅥ block of the Qianjiadian sandstone-type uranium deposits 编号 SO2 /% TiO /% Al2O3 /% TFe /% MnO /% MgO /% CaO /% Na2O /% K2O /% P2O5 /% LOI /% 总含量 /% QⅣ -24 77.38 0.27 8.86 1.99 0.10 0.69 1.82 1.94 3.13 0.13 3.26 99.57 QⅣ -32 78.99 0.40 9.88 1.23 0.03 0.37 0.71 1.96 3.25 0.10 2.60 99.52 QⅣ -44 71.03 0.41 12.13 2.67 0.06 1.01 1.86 2.71 3.61 0.09 4.00 99.58 QⅣ -51 80.52 0.23 9.57 1.37 0.02 0.35 0.67 1.46 3.14 0.06 2.24 99.63 QⅣ -56 76.80 0.28 9.87 2.97 0.13 0.66 0.76 1.51 3.27 0.07 3.63 99.95 QⅣ -64 53.09 0.29 7.43 3.13 0.15 4.87 10.81 1.66 2.46 0.06 15.80 99.75 QⅣ -124 60.68 0.74 19.12 3.88 0.02 1.44 0.51 1.84 3.61 0.16 7.65 99.98 QⅣ -117 70.80 0.36 10.40 1.63 0.04 1.29 3.09 2.97 3.25 0.10 5.70 99.63 注: * 大陆动力学国家重点实验室(西北大学)XRF分析。

表 2 钱家店砂岩型铀矿钱Ⅵ 块赋矿岩石全分析* Table2 Whole rock analysis of ore-bearing section in QⅥ block of the Qianjiadian sandstone-type uranium deposits

赋矿岩石样品K₂O+Na₂O含量为4.12%~6.32%, 平均值5.25%; K₂O/Na₂O值绝多大多数大于1, 平均为1.65, 具有明显的富钾特征, 砂岩中长石碎屑以钾长石为主, 与岩石的镜下鉴定微斜条纹长石含量普遍大于斜更长石含量是一致的, 另外含有正长细晶岩— 粗面岩岩屑是一致的, 反映蚀源区发育偏酸性— 偏碱性的花岗岩质岩石。

碳酸盐化是热液蚀变常见类型, 在砂岩型铀矿成矿热液中CO^2-₃、HCO^-₃、CO₂、CO是主要组分, 可以从深部逸散渗入的油气中带来, 也可能来自地表、近地表氧化水的水岩交换产物。两种成因碳酸盐化可单独出现, 也可叠合经还原作用产生。碳酸盐化蚀变属于中— 低温热液作用类型, 是重要的矿化剂, 与铀矿的成因有密切的成因联系。碳酸盐化蚀变作用在姚家组赋矿层矿化地段较为发育, 尤其在姚家组含矿层灰绿— 灰色砂岩中常见, 但是分布很不均匀, 常常在局部地段十分发育。多以亮晶方解石化产出, 白云石化微弱、偶见菱铁矿化。完全交代或部分交代泥质杂基, 可见碎屑粒间或孔隙有泥质杂基残留。该蚀变产出集中, 分布较为广泛, 在层间氧化带氧化还原作用中和油气还原蚀变作用中均可见并发育。

从矿化蚀变带的分布及其蚀变特征看, 碳酸盐化中的钙质、镁铁质等大部分应来自地表及近地表的风化剥蚀的岩石, 在地表含氧水淋滤作用而被解离出来的钙质、镁质及铁质与U⁶⁺一起被部分溶解进入地表氧化水流体之中, 并不断地下渗进入氧化还原过渡带位置。而碳酸盐化中的碳酸根阴离子团HCO^-₃、CO^-2₃, 更多的来自深部沿构造通道逸散的油气以及辉绿岩脉侵入后的岩浆期后热液(张良, 2013), 两者在过渡带汇聚结合即在局部地段产生碳酸盐化, 形成交代泥质杂基的亮晶方解石化(图 7-a)、白云石化及少量菱铁矿化, 偶然见有碳酸盐细脉交切砂岩体中。

砂岩中的碳酸盐化蚀变是钱家店凹陷砂岩型铀矿化的主要矿化蚀变类型, 从后生热液中解离出的铀在还原过渡带上还原为U⁴⁺以独立铀矿物(沥青铀矿、铀石)沉淀或呈吸附状态, 同时碳酸盐亦发生蚀变充填及交代。

钱家店Ⅳ 块赋矿砂岩中普遍高岭石化。高岭石化的出现表明成矿热液已转变为弱酸性环境, 这种转变预示着3种情况: 其一, 蚀源区含矿原岩风化剥蚀的彻底程度, 预示着含矿性好的蚀变花岗岩与碱性花岗岩风化彻底; 其二, 弱酸性介质条件有可溶性铀的带入有利于成矿; 其三, 它的出现造成与碳酸盐化弱酸— 弱碱性的交替发生, 方可使得可溶性铀的沉淀与富集。因此, 在钱家店地区, 存在着高岭石化与赋矿砂岩铀的含量同步消长。

图 7

Fig.7

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	图 7 钱家店铀矿赋矿砂岩类型微观图版 a— 矿化蚀变方解石交代杂基(QⅣ -20-23, 335.2 m, 正交偏光); b— 重晶石交代早期方解石(QⅣ -120-57, 456.28 m, 正交偏光); c— 粒间后生氧化铁(QⅣ -41-05, 332.5 m, 单偏光); d— 油泥痕或逸散晕圈(QIV-53-08, 338.4 m, 正交偏光)Fig.7 Microscopic charts of the ore-bearing sandstones in Qianjiadian uranium deposits

重晶石化在钱家店砂岩型铀矿层中偶尔出现, 与碳酸盐化同属于低温热液蚀变, 常在矿化蚀变的砂岩中交代亮晶方解石(图 7-b), 显示其形成晚于碳酸盐化的蚀变类型。从重晶石化的组成与形成地质条件分析, 其来源于富集碱性花岗岩的蚀源区。钡元素是大离子半径的碱金属元素, 在花岗岩中多与碱性长石中钾— 钠— 钙形成类质同象, 地表强烈风化— 分解氧化条件及地表水硫酸盐较为丰富的酸性介质中有钡离子的存在, 并随地表水下渗参与了后期成岩及后生矿化蚀变作用, 是与U⁶⁺的活化迁移一同活动的成矿物质之一。

该泥状氧化铁化是本研究首次提出, 薄片鉴定在赋矿砂岩中较为发育, 粉末状、泥状氧化铁质聚合物极不均匀在碎屑边缘或粒间充填(图 7-c), 或被泥质杂基吸附, 显示后生叠加的关系。这种氧化铁质来自地表或近地表含铁矿物风化分解产物, 在地表水的作用下以胶体方式被搬运或下渗, 在一定物理化学条件下, 经去水氧化, 铁质胶体被泥质杂基吸附沉淀于砂体碎屑缝隙或碎屑粒间。与层间同生氧化铁的区别是后生氧化铁在赋矿灰色砂岩中不均匀出现, 具有随着含矿流体下渗特征。

后生氧化铁化的成矿意义在于, 地表风化剥蚀作用, 使氧化铁质分解产出的同时, 可溶性铀(U⁶⁺)同步出现, U⁶⁺即与可结合阴离子与大离子半径的阳离子形成活化的络合物, 或被氧化铁质吸附, 下渗到有利的物理化学环境中, U⁶⁺被还原的同时, 超量的氧化铁质以充填方式沉淀在杂砂岩中, 可见后生氧化铁化属于层间氧化成矿作用的产物。

油气的还原作用主要是通过强还原气体(H₂、CO、H₂S等)将高价、活化的铀离子还原成四价、稳定的铀矿物, 油气的参与也增加了对铀的吸附能力(刘武生等, 2017)。钱家店砂体中多见油渍、油斑、油泥痕或逸散晕圈(图 7-d), 油气作为含铀氧化水的还原介质或酿造还原性物理化学环境, 同时伴随引发铀成矿的黄铁矿化蚀变, 黄铁矿呈莓球群或微细粒聚合体, 显微粒状铀石、沥青铀矿填充黄铁矿莓子粒间。可以认为, 钱家店砂岩型铀矿床油气直接参与了铀的成矿作用。

砂岩型铀矿床矿石中黄铁矿化普遍出现, 除莓球状黄铁矿外, 不同粒径黄铁矿聚晶常常出现。本次研究发现, 姚家组砂岩中莓球状黄铁矿计有2种成因, 沉积成岩成因(图 8-a)和与深部油气渗入有关后生成因。沉积成岩成因莓球状黄铁矿含量总体偏低, 并零星出现在砂岩中, 对后期成矿起到吸附还原作用。与油气有关的后生莓球状黄铁矿多呈莓球群产出, 与油渍、油斑、油气逸散晕圈共生且集中产出。本次研究已查明, 该黄铁矿莓球群莓子粒间充填有铀石(图 8-b)和沥青铀矿(图 8-c, 8-d)独立矿物, 显示出铀矿化与硫、铁在还原条件下密切的地球化学关系, 同时表明铀矿化与油气蚀变的成因联系。

图 8

Fig.8

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	图 8 钱家店铀矿黄铁矿化微观图版 a— 成岩阶段莓球状黄铁矿群, 沿层理断续分布, 光片(QⅣ -69-148, 289.3 m); b— 后生莓球状黄铁矿聚集体, 莓子显微粒间孔隙充填铀石聚晶。莓球群外缘氧化铁质(灰色), 光片(QⅣ -69-148, 288.8, m); c、d— 黄铁矿显微粒间孔隙充填沥青铀矿, 探针片(QⅣ 56~8317.9 m)Fig.8 Microscopic charts of the pyritization in Qianjiadian uranium deposits

此外, 对于不均匀星点— 稀疏浸染状、斑杂状微细粒黄铁矿聚晶和断续微细脉状黄铁矿聚合体, 认为属于后期低温热液矿化蚀变产物。在层间氧化还原带中的成矿作用和与油气渗入还原成矿作用中均有出现。矿化蚀变黄铁矿是含铀氧化铁经还原蚀变形成, 与铀矿化同期形成。

钱家店姚家组铀矿床砂岩中夹有一定规模的灰色、灰黑色泥岩薄层, 局部还含有大量的炭屑和炭化植物叶片及各种形态的黄铁矿分布(陈晓林, 2008), 炭屑和黄铁矿等还原组分的存在有利于铀的沉淀成矿(张莉娟等, 2018)。本区的暗色泥岩具有很强的还原能力, 主要表现在: 暗色泥岩TOC含量1.02%左右, 属于好的烃源岩, 由于辉绿岩脉的大量侵入带来的热源, 促使暗色泥岩成熟, 荧光显微镜下暗色泥岩发暗黄色荧光, 具有生烃特征, 因此, 这期间可以排出还原气体, 增加其还原能力, 伴生着铀矿化。

东华理工大学聂逢君老师在钱Ⅳ 块砂岩中发现沥青铀矿、铀石和含钛铀矿物(私下交流获悉)。罗毅(2007)在钱Ⅱ 块发现沥青铀矿。本次铀赋存状态查定在泥岩(QⅣ -125)中发现铀石矿物, 泥岩型铀矿石具有明显的油气污染, 泥岩中油渍、油斑发育, 油渍— 油斑内部见有斑杂浸染状莓球状黄铁矿。近3个月的放射性底片感光照射局部有明显的放射性感光效应, 铀的矿化形式偏光显微镜下不易觉察, 电子探针二次电子图像进一步放大可见清楚的黄铁矿莓球群, 莓球显微粒间孔隙中亮白色金属矿物(图 9), 经电子探针能谱和波谱分析含有UO₂、SiO₂、P₂O₅(表 3), 二次电子图像及U、P、Si元素扫描进一步证实以铀石独立矿物存在。铀石中P₂O₅含量介于7.042%~9.821%之间, 说明该铀石的形成与油气中有机质关系密切。

图 9

Fig.9

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	图 9 QⅣ -125铀矿石X衍射图谱3、4点位二次电子图像及U、P、Si元素的能谱图像Fig.9 Secondary electron images of 3 and 4 points by X-ray spectrum of QⅣ -125 uranium ore, and energy spectrum of U, P and Si element

表 3

Table3

表 3(Table3)

表 3 钱家店砂岩型铀矿钱Ⅳ 块QⅣ -125号样电子探针波谱测定数据(10-2)* Table3 EMPA spectrum measurement data(10-2) of QⅥ -125 in QⅣ block of the Qianjiadian sandstone-type uranium deposits 样号 矿物 侧点位 UO2 SiO2 P2O5 CaO FeO F Cr 总量 QⅣ -125 铀石 U2-01 60.528 6.978 7.042 3.807 1.640 0.810 0.350 81.155 QⅣ -125 铀石 U2-02 57.092 7.905 7.727 4.260 1.562 1.069 0.068 79.683 QⅣ -125 铀石 U2-03 58.257 7.451 7.138 3.368 1.760 1.202 0 79.176 QⅣ -125 铀石 U2-04 53.805 7.296 7.767 3.589 0.705 0.608 0.705 74.475 QⅣ -125 铀石 U3-01 60.934 9.079 9.330 4.965 0.351 0.768 0.334 86.391 QⅣ -125 铀石 U3-02 61.644 9.303 9.821 5.107 0.249 0.750 0.274 87.148 注: * 表中数据由大陆动力学国家重点实验室(西北大学)分析。

表 3 钱家店砂岩型铀矿钱Ⅳ 块QⅣ -125号样电子探针波谱测定数据(10-2)* Table3 EMPA spectrum measurement data(10-2) of QⅥ -125 in QⅣ block of the Qianjiadian sandstone-type uranium deposits

吸附状态的铀普遍存在, 在低品位的铀矿石中ICP-MS测定可达到工业品位, 而显微镜下既查不到铀的独立矿物, 电子探针能谱亦不可分析到铀的存在, 甚至通过较长时间的放射性感光照射亦没有反应。由以上事实可以推测, 该种低铀品位的铀矿石中的铀属于吸附状态。

将钱家店Ⅳ 区块砂岩型铀矿石QⅣ -85、QⅣ -105、QⅣ -107、QⅣ -115、QⅣ -123、QⅣ -125, 6件光片进行放射性底片感光照射(75 d), 除QⅣ -125一件之外大部分铀矿石光片不显示铀放射性感光效应或聚集形成铀的独立矿物, 仍以吸附形式的铀存在于砂岩型铀矿石中。

砂岩型铀矿矿化蚀变中的铀常呈吸附状态赋存于具高吸附性的岩石及矿物中, 这是铀地球化学的一个重要特点。表生带中的铀酰离子常带有正电荷, 水解能力弱, 很容易被带负电荷的胶体粒子所吸附。高吸附性的粒子为黏土矿物、有机质、炭屑、硅胶、铁— 锰— 钛的氢氧化物, 它们是促使铀沉淀的有利因素, 也是铀矿化的主要存在形式之一(闵茂中等, 2006)。

该预富集阶段主要发生在姚家组沉积时期及其沉积后的成岩阶段, 形成砂体铀的异常或胚胎矿。钱家店姚家组含矿建造的砂岩碎屑成分为含矿性好的流纹岩、粗面岩、安山岩、花岗岩、硅化岩、硅质岩、碳质硅板岩— 硅板岩屑以及微斜条纹长石、炭屑等, 同时, 碎屑中有机炭屑、钛铁矿、磁铁矿重矿物, 成岩黄铁矿等还原性组分附近可局部形成还原环境, 或作为还原剂直接吸附或还原可溶性六价铀。

层间渗入成矿阶段是钱家店铀矿床的主要成矿方式, 铀矿化及其伴随的矿化蚀变, 主要定位于渗入地下水的氧化— 还原界面及其以下的氧化还原过渡带上, 该层间渗入时发生较大规模的矿化蚀变的成矿作用。

层间氧化下渗成矿发育期可划分为2个阶段: 第1阶段于晚白垩世至古近纪的构造活动期间, 首先, 晚白垩世末盆地大面积抬升、剥蚀、掀斜, 使盆地南部姚家组大面积出露掀斜, 地下水开始向下渗入并形成层间氧化带, 铀矿化不断在氧化— 还原过渡带聚集。另外, 继本区嫩江隆升构造活动之后, 在钱家店凹陷盆地北东部形成几十平方千米姚家组的剥蚀天窗, 该天窗可作为局部地下水排泄区, 构成完整的古地下水“ 补— 径— 排” 水动力系统, 为后期层间氧化作用创造了条件。该层间氧化矿化蚀变作用持续时间较长, 是钱家店凹陷砂岩型铀矿成矿作用的主期。

第2阶段为新近纪中晚期阶段至今, 新近纪中晚期钱家店凹陷盆地中北部由于进一步隆升姚家组遭到剥蚀, 天窗范围进一步扩大, 形成了局部由天窗向四周分布的潜水氧化带, 该氧化带主要是由大气降水携带大量的活性氧所致, 对姚家组中铀进行重新分配, 对之前形成的铀矿床进行了改造, 使局部地区形成低品位铀矿床, 而局部地区形成高品位铀矿床。该氧化带破坏了之前形成的“ 卷头” , 形成了透镜状、板状矿体。由于本地区构造较为活跃, 渗流的地表水、地下水的流向变化大, 使得钱家店砂岩型铀矿属于不典型的层间氧化带型。

后生改造富集成矿阶段在钱家店凹陷普遍发生, 一般与新构造作用有关, 但极不均匀, 叠加于先期层间渗入成矿带中, 形成铀的更为富集地段。改造富集成矿阶段具有多种表现形式: 亮晶方解石化的显微细脉— 显微网脉状分布; 显微细粒黄铁矿集合体的裂隙脉状产出; 泥粉状氧化铁质沿微构造裂隙充填分布; 油气逸散形成的油渍、油斑、晕圈、火焰等形态的污染地段, 往往形成微细粒黄铁矿聚集体或显微细脉状黄铁矿聚合体, 形成与油气有关的后生黄铁矿莓球群, 铀的矿化与黄铁矿化密切相关。

油渍、油斑、油气晕斑多分布于岩石构造微裂隙之中, 碎屑岩和泥岩2种岩性接触界面上, 这些油浸斑痕作为含铀大气水的还原介质或酿造还原性物理化学环境, 致使下渗的氧化铀被还原沉淀。形成油渍— 油斑— 方解石— 莓球状黄铁矿— 铀石组合或油渍— 油斑— 方解石— 黄铁矿— 沥青铀矿组合。

新近纪本区表现为强烈的断裂构造活动, 沿断裂产生大范围的油气逸散渗漏, 在矿区及外围均可见到油浸砂、黄褐色油渍— 油斑, 原生红色泥岩褪色为灰绿色现象, 灰色砂岩、黄色砂岩、灰绿色泥岩及砂岩型铀矿石的CH₄含量均较高(蔡煜琦等, 2008), 表明油气渗漏还原作用发生在成矿期后, 对铀矿石具有免遭氧化的保护作用。

钱家店砂岩型铀矿床矿成矿作用复杂, 具有多成因— 多阶段成矿模式, 即沉积成岩预富集阶段— 层间氧化渗入成矿阶段— 油气渗入还原富集成矿阶段— 油气还原护矿阶段(向卫东等, 2006; 李巨初, 2009; 张建军等, 2013; 刘武生等, 2017)。