宝龙山铀矿床姚家组下段砂岩岩石学特征与成岩作用

宝龙山铀矿床姚家组下段砂岩岩石学特征与成岩作用贾立城;蔡建芳;黄笑;张康涨亮亮;孙晨【摘要】文章通过对宝龙山铀矿床姚家组下段砂岩开展岩石学特征和成岩作用研究初步查明了该段砂岩的物质成分、结构和碳酸盐胶结物类型与胶结期次，确定了赋矿层砂岩经历的主要成岩作用及其演化序列(包括压实、胶结、交代和溶解作用等).在此基础上，探讨了区内砂岩成岩作用与铀成矿作用的耦合关系，认为姚家组下段砂岩具有良好的成分与物性条件,是本区大规模铀成矿的必要条件.【期刊名称】《铀矿地质》【年(卷)，期】2018(034)005【总页数】10页(P264-273)【关键词】宝龙山铀矿床;姚家组砂岩;成岩作用演化序列;胶结作用【作者】贾立城;蔡建芳;黄笑;张康涨亮亮;孙晨【作者单位】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;核工业二四三大队，内蒙古赤峰024000;核工业二四三大队，内蒙古赤峰024000;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;核工业二四三大队，内蒙古赤峰024000;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【正文语种】中文【中图分类】P612宝龙山铀矿床为近年来在松辽盆地落实的又一处中型可地浸砂岩型矿床，其位于盆地西南部钱家店凹陷北端、白兴吐构造天窗的东翼，与天窗西翼的钱家店（钱H块）铀矿床直线距离仅10多公里，二者的成矿条件与矿化特征均可类比。前人将宝龙山矿床定义为经过多期、多阶段成矿作用的复成因铀矿床，且多偏重于对其赋矿地层、沉积相、断裂、层间氧化带等宏观控矿要素进行研究［1-2］。笔者通过薄片鉴定、扫描电镜及X衍射分析等，对宝龙山铀矿床含矿主岩的岩石学特征和成岩作用开展研究，探讨了岩石成分及物性对地浸砂岩型铀矿发育的控制作用，进—步深化该矿床的成矿机理，期望对盆地内及相关区域找矿目的层优选和靶区圈定起到一定的借鉴作用。1研究区概况矿区钻遇基底为石炭系-二叠系（C-P）浅变质碎屑岩、碳酸盐岩及同期花岗质侵入体；盖层主体为上白垩统姚家组（K2y）、嫩江组（K2n）及第四系（Q）松散堆积，局部见上侏罗统（J3）和下白垩统（K1）。姚家组在矿区大面积分布，依据岩性、岩相特征，可分为上、下两段，每段均由多个下粗上细的正韵律旋回组成，上、下段之间有8~15m较稳定的红色泥岩可作为分层标志［2-4］。姚家组下段为赋矿层，岩性组合为一套干旱气候条件下形成的辫状河相杂色碎屑岩建造，其中下部的灰色砂岩是铀矿化的直接储层，工业铀矿体均产于上、下两层氧化带之间的灰色砂体中。嫩江运动使控盆断裂再次活化，并发生构造反转，使矿区地层大幅度抬升，形成白兴吐剥蚀天窗构造和独特的水文地质环境，控制着层间氧化带和铀矿化的发育［5］。2样品采集与分析笔者在矿区分别采集了姚家组下段原生红色砂岩、强氧化黄色砂岩、弱氧化灰白色砂岩、原生灰色砂岩和砂岩矿石等钻孔岩心样品，经处理后磨制光薄片进行显微观察，并选取典型样品进行化学成分、微量元素和X衍射分析。化学成分分析所用仪器为PW2404X射线荧光光谱仪，微量元素分析所用仪器为FinniganElementniCP-MS型质普仪，X衍射分析所用仪器为PanalyticalX’PertPROX射线衍射仪。样品处理和分析测试均在核工业北京地质研究院完成。3姚家组下段砂岩岩石学特征3.1砂岩的宏观特征研究区姚家组下段以中-细砂岩为主，有少量（含砾）粗砂岩及砂砾岩，常夹多层泥岩透镜体，垂向上岩石粒度变化频繁，为辫状河道的沉积产物。砂岩的颜色取决于原生沉积环境和后生叠加改造作用（表1）：紫红色、褐红色、肉红色砂岩：为原生强烈氧化环境中的沉积产物，红颜色为高价铁氧化物所染，Fe3+/Fe2+21,Th/U值一般>3;褐黄色、黄色、浅黄色砂岩：为后生强氧化砂岩，黄颜色为高价铁氧化物和黄钾铁矶所染，Fe3+/Fe2+>1,Th/U值介于2~4;灰白色、黄白色、白色砂岩：为后生弱氧化砂岩，其长石水解形成强烈黏土化，可见未完全氧化的炭屑和黄铁矿残留，Fe3+/Fe2+<1，铀含量变化较大，Th/U值介于0.1~1.5；表1宝龙山铀矿床姚家组下段各类砂岩S全、TOC、U分析结果Table1AnalysisresultsofS,TOCandUinthesandstonefromlowerYaojiaformationinBaolongshanuraniumdeposit钻孔编号取样深度/m岩性S全/%TOC/%Fe3+/Fe2+U/10-6Th/U备注兴23-8205褐红色粉砂岩0.010.083.632.026.83原生氧化兴32-10142.9褐红色细砂岩//6.051.673.20兴336306.3褐黄色中砂岩0.010.072.302.752.74兴29-10249.22浅黄色中砂岩0.010.081.222.963.24兴57-20281.36亮黄色中砂岩//2.061.882.89兴33B-14A334.0灰白色中砂岩0.010.070.196.031.27兴29-5296.2灰白色粗砂岩0.130.050.428.540.89兴25-10316.9灰白色中砂岩0.110.060.4713.500.61兴33-6336.7灰白色中粗砂岩0.100.090.4220.700.37兴29-32324.7浅灰色中砂岩0.020.050.326.030.94兴29-10338.1浅灰色中砂岩0.070.050.189.850.82兴29-1319.4浅灰色细砂岩0.200.520.1513.400.48兴29-6312浅灰色细砂岩0.050.200.1516.800.72兴33-6322.8浅灰色中砂岩0.040.090.1697.600.08兴33-22230.1浅灰色砂砾岩0.850.190.86321.000.03兴29-1277.4浅灰色中细砂岩0.140.070.36431.000.02强氧化弱氧化原生还原铀矿石深灰色、灰色、浅灰色砂岩：为原生还原环境中的沉积产物，岩石中富含有机质和黄铁矿等还原性介质，Fe3+/Fe2+«1,Th/U值多介于0.5-1;铀矿石：为后生改造成因，矿石主要呈深灰色、灰色、浅灰色，一般含有较多的微（细）晶黄铁矿及一定量的炭屑，Fe3+/Fe2+«1，铀含量高，Th/U值v0.1。3.2砂岩的成分、结构特征与岩石类型砂岩物质组分中，碎屑颗粒石英占38%~50%、长石占21%~40%、岩屑占15%-45%，黏土矿物和泥质杂基占2%~34%，碳酸盐胶结物（方解石和白云石）占1%-32%，铁质组分含量最高可达15%以上。碎屑颗粒分选中等，磨圆度中等偏差，颗粒间呈点、线接触（表2）。总体上，研究区姚家组下段砂岩按矿物成分和化学成分分类均属于低成熟度的（长石）岩屑砂岩和（岩屑）长石砂岩类（图1、2），符合辫状河道亚相沉积的一般特征，对铀成矿十分有利。岩石中石英颗粒边缘多被溶蚀，局部见次生加大，常见被不同期次的方解石或白云石交代，个别边缘有被褐铁矿交代的现象；长石颗粒主要为条纹长石、微斜长石和酸性斜长石（更长石），发育程度不等的绢云母化、高岭石化，常见溶蚀现象；岩屑含量普遍较高，且原岩成分较为简单，大量出现中酸性火山岩、中偏碱性火山岩岩屑（以流纹质碎屑为主，其次为安山质和粗面质碎屑），偶见石英岩、绢云石英片岩等变质岩岩屑，个别样品还出现微晶灰岩岩屑。岩屑普遍存在蚀变，主要为后生氧化的褐铁矿化。颗粒分选、磨圆程度偏低，呈点、线接触，偶见凹凸接触，主要为孔隙式胶结，在高钙层段可见连晶方解石基底式胶结。孔隙类型以次生孔隙为主，较少保留原生孔隙，常见粒间、晶间溶孔，局部存在碎屑颗粒完全溶蚀而发育的超大溶孔。表2宝龙山铀矿床姚家组下段砂岩组分、结构特彳正Table2ComponentsandstructurecharacteristicsofsandstoneinthelowerYaojiaformationinBaolongshanuraniumdeposit岩性碎屑含量/%填隙物含量/%碎屑结构特征杂基胶结物石英长石岩屑泥质碳酸盐硅质铁质分选性磨圆度接触关系粗砂岩38~4527~4020~452~311~321~51~15中-差差点、线中砂岩39~5021~3515~412~241~302~51~8差-中中点、线细砂岩40~5025~3823~3610~342~351~41~12好-中差点、线图1姚家组下段砂岩矿物成分分类图[6]Fig.1ClassificationofmineralcompositionofsandstoneinlowerYaojiaformation图2姚家组下段砂岩化学成分分类图Fig.2CompositionofchemicalcontentsofsandstoneinlowerYaojiaformation4姚家组下段砂岩的主要成岩作用受区域反转构造的控制，研究区姚家组下段砂岩埋深总体较浅，成岩程度较低，成岩作用也相对简单。由松散沉积物到沉积岩主要历经了压实、胶结、交代、重结晶和溶蚀等成岩作用。其中，压实和胶结是最主要的成岩作用，而交代和重结晶作用较弱，对岩石总体固结程度影响不大，而溶蚀作用形成的次生孔隙对砂岩物性的改变具有重要意义。4.1压实作用上覆姚家组上段、嫩江组及水体使姚家组发育压实成岩作用，但由于其埋深较浅，且持续时间较短，仅为浅埋机械压实作用，而压溶作用不明显。压实作用在成岩早期较为显著，使孔隙水大量排出、颗粒紧密化、孔隙度迅速降低，表现为塑性颗粒（如云母、泥质岩屑等）发生弯曲变形、撕裂，乃至形成假杂基（图3a），刚性颗粒（如石英、长石等）发生转动、调整，形成定向排列，颗粒之间出现线接触。压实阶段也是层内物质再分配的重要阶段，实现了铀元素的沉积成岩预富集。4.2胶结作用研究区姚家组下段砂岩的胶结作用主要有碳酸盐、硅质、黏土矿物及铁质胶结作用等。4.2.1硅质胶结作用硅质胶结作用主要发育于早成岩期，胶结程度较弱，主要表现为石英颗粒的次生加大，但级别低，仅为I型加大，未见形成平直晶面（图3b）,只在局部充填、堵塞孔隙，对砂岩总体的胶结程度和物性影响不大。4.2.2碳酸盐胶结作用姚家组下段砂岩中的碳酸盐矿物百分含量较低、变化极大（表3）,相对于整个赋矿层来说以零星分布为主，但在局部高钙层碳酸盐矿物含量可达47%。光薄片鉴定和X衍射分析表明，姚家组下段各类砂岩中的碳酸盐矿物具有种类多、结晶期次多的特点，主要有方解石、白云石、铁白云石和菱铁矿。各类矿物多期次晶出，既有同生期、成岩期形成的胶结物，也有后生改造成矿期的蚀变矿物，还有表生期的生成物。根据矿物类型和结晶形态，大致可识别出5期碳酸盐结晶作用。第1期为成岩早期初阶段（或同生期），在局部孔隙溶液中晶出的微（细）晶方解石胶结物，呈他形粒状，集合体成球粒状。早期的钙质结核多以碎屑颗粒为中心呈放射状向外生长，在镜下具十字消光[7];后期的放射状方解石有重结晶现象和由外向内变粗的粒序结构，核心的碎屑颗粒也可完全被方解石交代（图3c）。在后生氧化蚀变过程中结核内部一般无变化，仅在结核边部形成铁染环边。少量样品中还可见微晶及斑块状泥晶菱铁矿，应为还原条件下的同期次产物。第2期为成岩早期晚阶段，微（细）晶白云石交代早期泥、微晶方解石，颗粒呈半自形-他形，多呈星散浸染状分布于第1期方解石胶结物或黏土杂基中，并常见交代其他矿物颗粒，局部可集中发育，形成紧密胶结（图3d）。在后生蚀变过程中多被铁染成褐黄色。图3姚家组下段砂岩显微特彳正Fig.3MicroscopisccharacteristicsofsandstonecompactioninthelowerYaojiaformationa—兴105-2孑L（535.2m）浅灰色中砂岩粒间白云母（Mi）在压实作用下变形、断裂；b—兴29-10孔（249.2m）浅黄色中砂岩石英（Q）颗粒的次生加大；c—Y2-7孔（568.9m）绿灰色中砂岩粒间泥晶方解石完全交代核心颗粒，形成具十字消光的球粒；d—兴29-10孔（289.7m）浅灰色砂岩粒间成岩早期泥晶方解石（染色）被微晶和亮晶白云石（未染色）交代；e一方解石联生胶结（见聚片双晶）；f一兴29-10孔（334.2m）浅灰色矿化砂岩粒间微晶白云石胶结物和亮晶白云石蚀变矿物；g一兴25-10孔（294.2m）黄色氧化砂岩的半自形-自形蚀变白云石（染色）充填在溶孔中；h一兴39-16B孔（344.5）灰白色砂岩粒间孔隙中充填的自生高岭石胶结物，局部进变为伊利石；Cal一方解石；Q一石英；Dol—白云石；Or一正长石；Pl一斜长石；K一高岭石；I—伊利石。第3期为成岩晚期，亮晶方解石晶体粗大，形成联生胶结，并强烈交代其他矿物颗粒边缘，孔隙被完全破坏。在交代结晶过程中，早期铁的高价氧化物常被排出，并集中分布在亮晶方解石晶体边缘，晶体内部相对干净（图3e）。第4期为后生期层间氧化带发育过程中形成的中粗晶（铁）白云石，大量见于氧化砂岩中，且氧化作用越强其含量越高（表3）。受结晶空间所限，该期白云石—般呈半自形-他形，部分颗粒为交代早期微（细）晶白云石的产物，并常见交代黏土矿物和岩屑颗粒的现象，交代颗粒一般结晶程度较好（图3f）。在后生蚀变过程中，铁白云石晶体边缘和晶间孔隙多被高价铁氧化物染成褐黄色，偶见环带结构。表3宝龙山铀矿床姚家组下段各类砂岩X衍射及铀含量分析结果Table3X-rayanalysisresultsofsandstoneinthelowerYaojiaformationinBaolongshanuraniumdeposit注："-”表示未检测；K一高岭石；I一伊利石；I/S—伊蒙混层；%S一伊蒙混层中蒙皂石层的含量。？第5期为后生期改造成矿过程中的蚀变产物，主要见于后生氧化改造的砂岩中。蚀变矿物以白云石或铁白石为主，结晶较好，多呈自形或半自形，交代作用强烈。该期（铁）白云石的形成与烃类的渗出作用有关［8］，本区石油化探异常中显示有较高的蚀变碳酸盐异常［9］,应与此期蚀变矿物有关。蚀变（铁）白云石本身不具有氧化现象，表面新鲜（图3g）。4.2.3自生黏土矿物胶结作用自生黏土矿物胶结物以高岭石为主，其次为伊利石。成岩早期的自生高岭石结晶细小，呈鳞片状集合体，晶形较差；成岩晚期自生高岭石一般晶形较好，呈粗大的假六方片状，集合体呈蠕虫状或书页状充填于粒间孔隙中（图3h）。镜下偶见自生伊利石呈环边胶结现象。4.2.4铁质胶结作用成岩早期或同生期，在酸性氧化水流的参与下，从孔隙溶液中沉淀出的Fe（OH）3及其水合物，形成了原生红色砂岩中的褐铁矿、赤铁矿胶结。富铁矿物黑云母、绿泥石等被氧化也可形成褐铁矿，脱水后变为赤铁矿，形成高价铁氧化膜。4.3溶解作用姚家组下段砂岩中溶蚀作用较为普遍，但作用程度较弱，多为长石及含长石碎屑颗粒在有机酸作用下发育颗粒局部溶解作用［10］,使颗粒边缘呈锯齿状、港湾状，局部可形成粒内溶孔和粒间溶孔，甚至是超大溶孔，对砂岩的物性有极大改变，有利于含氧、含铀水的渗入改造和成矿（图3g）。5赋矿砂岩成岩及铀成矿演化5.1成岩作用及其演化序列砂岩中的蒙皂石明显向伊利石转化，且有较多样品的蒙皂石层占了25%~50%（多数集中在30%-50%），属于部分有序-有序混层；少部分样品的蒙皂石层占50%~70%，为无序混层。碳酸盐胶结物中的原生流体包裹体均一温度介于68~95°C,平均温度80.0°C。据此两点初步判断，研究区姚家组下段砂岩的成岩作用可达成岩晚期的早阶段［11］，岩石基本固结，并处于次生孔隙发育带，对水成铀矿的发育较为有利。在研究区，由于地温梯度的整体变化不明显，埋深则成了砂岩成岩作用的主要控制因素。在区域构造演化的大背景下，研究区随着沉降与抬升作用的交替演化，姚家组下段赋矿砂岩成岩系统的主要特征是沉积物在成岩过程中曾被剥露，进入表生状态，即发生过明显的间断。成岩作用大致可分为：表生、浅埋、深埋、浅埋及局部表生、浅埋几个阶段（表4）。姚家组沉积之后盆地继续沉降，接受了嫩江组沉积，使下伏地层被深埋。姚家组松散沉积物开始由同生期进入到成岩期，伴随着静岩和水体压力增大、层内温度的缓慢上升，姚家组成岩作用持续进行，并于嫩江期末达到晚成岩期的早阶段，成岩作用的典型标志为黏土矿物蒙皂石大量向伊利石转变，形成有序混层；发育一定量的亮晶白云石和铁白云石胶结物。嫩江期末的嫩江构造运动，强烈的挤压作用使控盆断裂发生逆转，断裂上盘受到牵弓作用发育反转构造，造成研究区地层隆起剥蚀，形成白兴吐构造天窗。此后，矿区长期处于正地形，基本结束了姚家组的成岩作用过程，进入后生期甚至表生期，并在其间穿插了含氧含铀水的渗入氧化与油气渗出还原作用，形成砂岩型铀矿化。5.2赋矿层砂岩成岩与铀成矿的耦合关系含矿砂岩的埋深成岩与改造成矿作用是持续发展演化的过程，深埋成岩过程也是砂岩中铀的初始预富集过程，成岩与成矿二者同时进行，主要发育于盆地弱伸展背景下，盆地盖层发育期；含矿砂岩的深埋成岩过程是体系水逐渐排出、孔隙度降低、密度加大的过程，是在相对封闭体系下进行的，可以有下部层位体系水排出、形成上升流体参与作用。而砂岩型铀矿成矿作用是在弱挤压背景下，含矿层被抬升，层内压力松驰，在开放、半开放体系下，浅部流体渗入改造，并有外来物质的大量带入、参与反应形成矿化（表5）。表4宝龙山铀矿床姚家组下段赋矿砂岩成岩-成矿作用演化序列Table4Diagenetic-mineralizationevolutionsequenceofsandstoneinthelowerYaojiaformationinBaolongshanuraniumdeposit?表5砂岩成岩与铀成矿作用对比表Table5Comparisonofsandstonediagenesisanduraniummineralization对比项目砂岩成岩作用铀成矿作用盆地构造弱伸展弱挤压含矿层沉积整合沉积沉积间断或剥蚀水文地质压实流向心流（重力流）下沉深埋隆升剥蚀状态压紧松驰反应体系封闭开放-半开放压力迁移流体渗出渗入-碱性氧化渗出-酸碱性还原酸性还原下部层位表层含氧含铀水、深部烃源层成矿物质内部外来砂岩成岩演化同生期-成岩期后生-表生期性质来源油气藏成熟排烃破坏逸散铀成矿阶段埋深成岩与铀预富集后生改造成矿宝龙山铀矿床的形成受多重因素控制，赋矿主岩良好的岩性条件是成矿的先决条件。赋矿层砂岩的沉积母岩主要为富铀的中酸性火成岩，因此原生的灰色赋矿砂岩中活性铀含量很高，在层间氧化带发育过程中这些矿质易被萃取出来，从而为成矿提供丰富的内源，这是在距离盆缘较远的盆地内部发育大规模铀矿化的物质保障。嫩江期末反转构造的发育，促使姚家组下段富铀砂岩结束了短暂的成岩作用过程，保证了赋矿砂岩较低的固结程度和较好的孔渗性，同时又具有较强的铀沉积预富集，为其后层间氧化带和铀矿化的发育奠定了基础。6结论研究区姚家组下段赋矿砂岩为成分成熟度和结构成熟度均较低的长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，岩屑颗粒中火山岩碎屑含量很高，初始铀含量高，且易遭受氧化，使铀被浸出，为后生改造成矿提供了丰富的内源；姚家组下段赋矿砂岩历经的成岩作