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鄂尔多斯盆地北部直罗组黄铁矿与砂岩型铀矿化关系研究

2024-06-06 来源:我们爱旅游
嘉1 篇 。 地质学报 ACTA GEOLOGICA SINICA Vo。1.。9。0No .12201 .。。5~。38鄂尔多斯盆地北部直罗组黄铁矿与 砂岩型铀矿化关系研究 陈超¨,刘洪军 ,侯惠群 ,韩绍阳¨,柯丹 ,白云生¨,欧光2,,李言瑞 1)中国核科技信息与经济研究院,北京,100048; 2)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 内容提要:鄂尔多斯盆地东北部是我国砂岩型铀矿重要成矿区。通过对盆地北部大营铀矿床直罗组赋矿地层 砂岩野外观察、镜下鉴定发现,黄铁矿存在多种产状,它们的宏观、镜下产状存在一定对应关系。对黄铁矿硫同位 素的分析测试以及蚀变矿物的研究发现, S的变化范围一36.5‰~一27.3‰,平均值为一32.28%。,为较小的负 值,具有明显生物成因作用。同时草莓状黄铁矿以及生物碎屑胞腔中的铀矿物的发现,也证实了铀成矿期的生物 作用。地下水中U”、Fe抖与“轻”的H。 S发生氧化还原反应,从而形成了黄铁矿与铀矿的紧密伴生的现象。 关键词:砂岩型铀矿;黄铁矿;硫同位素;蚀变;大营;鄂尔多斯盆地 砂岩型铀矿中铀在氧化还原过渡带的富集通常 和中生代坳陷盆地两个阶段(Liu Chiyang et a1., 被认为是地下水中U。 被还原成U 形成铀矿物而 2006;Zhang Jin et a1.,2004;Feng Qiao et a1., 沉淀的结果(Chen Zuyi et a1.,2007),在此过程中铀 2006),其中中晚三叠世的延长期和早中侏罗世的延 的富集沉淀严格受物理化学条件的控制,并在完整 安期是盆地的重要演化时期,为盆地含油、煤、气的 的地下水补、径、排体系中的氧化还原界面附近成矿 建造和铀的形成提供了物质基础。大营铀矿床位于 (Li Shengfu et a1.,2004)。鄂尔多斯大营、纳岭沟 鄂尔多斯盆地东北缘,在构造上处于鄂尔多斯中新 铀矿床是近年来发现的大型砂岩型铀矿,对于铀矿 生代盆地北部的伊盟隆起区。铀矿床主要受直罗组 的矿床地质、形成机理,前人做了大量工作(Jiao 砂体的控制(Jiao Yangquan et a1.,2005),因此直罗 Yangquan et a1.,2005,2007;Wu Bolin et a1., 组为主要含铀层位。 2006;Li Ziying et a1.,2007;Peng Yunbiao et a1., 2007),他们的研究多侧重于研究流体对成矿的作 2 黄铁矿与铀矿物岩相学和矿物学 用,而对于成矿过程中相伴生的硫化物,研究却相对 特征 较少,Chen Zuyi et a1.(2007)曾对硫化物对砂岩型 2.1黄铁矿宏观产状 铀矿富集沉淀机制进行研究。本文在总结前人工作 野外观察发现黄铁矿主要分布于直罗组下段灰 的基础上,对大营铀矿直罗组含矿层中的黄铁矿等 色含矿砂体中,根据黄铁矿的宏观产状可分为块状 蚀变矿物的成因、赋存状态、蚀变特征以及黄铁矿中 黄铁矿、结核状黄铁矿、条带状黄铁矿、浸染状黄铁 硫同位素进行了研究,探讨了黄铁矿等蚀变矿物与 矿(图1)。以块状和结核状黄铁矿最为常见,主要 铀成矿之间的关系。 分布在灰色砂岩、粉砂岩中,常与煤屑等有机质伴 1区域地质背景 生,多呈透镜体状,结核中黄铁矿含量高;条带状黄 铁矿根据条带的形态可以分为水平条带状、斜条带 鄂尔多斯盆地大地构造上属于华北地台西部, 状黄铁矿,水平状黄铁矿中主要分布在砂岩之中,厚 由不同时期多个大型盆地叠加、复合而成,是典型的 0.8cm左右,长4 ̄5cm;斜条带状黄铁矿在砂岩、泥 克拉通边缘多重叠合盆地(Liu Chiyang et a1., 岩中均有分布,与有机质关系密切,常沿煤屑边缘分 2006)。盆地发展演化大致经历了古生代前陆盆地 布;浸染状黄铁矿主要赋存在粗砂岩中,分布于颗粒 注:本文为国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(编号2015CB453003)资助成果。 收稿日期:2016—07—06;改回日期:2016—10—21;责任编辑:郝梓国。 . 作者简介:陈超,1980年生,男。博士,高级工程师,从事铀成矿理论研究与找矿。Email:chenchaocnnc@163.corn。 地质学 报 http://www.geojournals.cn/dzxb/ch/index.aspx 图1 岩心黄铁矿宏观产状 Fig.1 Core photos showing the features of pyrites (a)块状黄铁矿}(b)一结核状黄铁矿;(c)一条状黄铁矿;(d)结核状黄铁矿;(b)(e)浸染状黄铁矿;(f) 黄铁矿颗粒 (a)一massive pyrite;(b)一nodular pyrite;(c)一thin layered pyrite;(d) nodular pyrite;(e)--disseminated pyrite;(f)一pyrite particels 之间,不见黄铁矿晶形,主要起胶结物的作用。 2.2黄铁矿镜下特征 通过镜下观测发现,镜下黄铁矿也有一定的产 量沥青铀矿。铀石主要呈胶状,但局部可见少量的 自形晶,其粒径大小一般为1~3urn,铀石多与黄铁 矿及有机质伴生(图3a~b),常呈胶状、短柱状产于 状:草莓状黄铁矿、胶状黄铁矿、粒状黄铁矿、裂隙充 填黄铁矿(图2)。野外的宏观产状与镜下类型有一 砂岩粒间孔隙、粘土矿物的微缝隙或裂隙,部分铀石 围绕氧化的钛铁矿或碎屑边缘产出,在富矿石中还 常见一些铀石在碎屑颗粒中呈浸染状分布。 铀石颗粒十分细小,普通显微镜下难以辨认,由 定的对应关系。草莓状黄铁矿主要赋存在块状、结 核状、条带状黄铁矿中,主要为草莓状集合体,分布 在裂隙之间。胶状黄铁矿主要分布在结核状、浸染 状黄铁矿中,黄铁矿起胶结其它矿物颗粒的作用,晶 形粗大,局部充填满整个砂岩碎屑的孑L隙。粒状黄 铁矿分布的范围很广,在基质和黑云母内部均有出 表1电子探针分析结果:铀石中UO。为60.49 , Si() 含量为17.80 。探针结果显示的直罗组铀矿 床铀石中UO 含量偏低,主要原因是铀石颗粒粒径 不大,加之又多分布于硅质颗粒(如石英)碎屑边缘、 粒间空隙部位,受背景Si的影响,故分析结果中 SiO 相应地上升,U0 含量下降。 现,大小不一,常与铀石伴生,成因较为复杂。裂隙 充填型黄铁矿量较少,与宏观类型黄铁矿对应不好, 主要分布在石英等矿物裂隙之中。 2.3铀矿物存在形式 大营砂岩型铀矿主要赋存于直罗组氧化还原过 渡带灰色砂岩中(Miao Aisheng et a1.,2009)。通 3黄铁矿中硫同位素分析测试 对直罗组容矿层的矿石和非矿石中黄铁矿硫同 位素分析研究可以看出(表2),大营、纳岭沟铀矿床 直罗组砂岩中 一过对其含矿段和无矿段岩心的电子探针分析、显微 镜下、阴极发光图像识别、能谱测试等技术手段综合 研究发现,大营地区直罗组铀矿物以铀石为主,含少 S的分布范围为一36.5‰~ 27.3‰,平均值为一32.28%。,变化范围不大,和生 物成因的 S(一15‰)相比较低(I ovley et a1.,1996; 第1 2期 陈超等:鄂尔多斯 地北部 罗绀黄铁矿 砂 刑铀矿化父系研究 ( .) 草莓状黄铁矿:(b) 状鼓铁矿;((,) 胶状黄铁矿;((I) 裂隙充填黄铁矿 表l铀矿物电子探针分析结果(%) Table 1 Electron probeanayses of uranium minerals(%) 样品号 测点 Si() K,() NH () Mg() 【’ 【() Fe() A】!() Y () U() TiO! P2() 总址 WTN 8 1 1 l6 7l ().35 O.12 ().83 ().1 ().8『1 (). 3 6().69 1.11 ().31 81.62 1 19.4 5 O.24 0.1 4 0.03 2.73 ().()8 1.,l 6 1. )8 64.03 ().25 ().1 I)1).7| j2 18.1 3 0.32 1.09 ().08 2.73 ().()‘) 1.35 】.92 62.88 / 0.37 88.96 WTN一8.1】 3 l 5.1 1 ().1 5 0.25 f).1 i 2.2(j ().【)8 】. 3 ().86 4 .28 0.11 65.(; 1 7.48 ().28 0.43 / 2.2 1 ,_ 1.25 1.()2 69.O9 0.39 ().0 92.51 1 1 9.59 0.32 0.O4 ().(j5 1.d 6 1.27 1.22 64.24 / ().1j 91.64 96 55 1 9 】8.91 ().37 ().】0 ().(’7 2.1 ().】1 1.16 1.j3 55.1 3 0.2 0.4 8:{.ri 7 3 1 7.1l 0.24 0.1】 O.()4 1.76 , / 1.()8 ().66 61.51 J 0.2,l 8:3.()8 96 55 3 1 l 7. ll L】.24 O.1l ().O rl 1.76 / j.()8 【).(;f; 61.54 0.2l 83.(蝎 、F均 1 7.8() ().28 O.28 ().06 1.99 (). )Ij 1.21 1.82 6O. i9 ().5O 0.32 注:核]:业』匕京地质研究院分析.“,…为术检测出 Fallick,et a1.,2001),含矿层砂岩黄铁矿硫同位素 矿。从而使含矿层中硫同位素发生分馏作用.造成 总体比较“轻”,相对富集。 s,表明成矿阶段在微牛 S负值。 物的作用下发生了脱硫酸作用。地下水中硫酸盐住 微生物作用下发生还原时, S()。!优先被还原成 4 讨论 H: S,由于富含 S的“轻”H!靶S的牛成。因处于 4.1主要矿物蚀变 还原环境。Fe主要以Fe 形式存在于地下水中,溶 镜下观察显示砂岩中矿化蚀变明显.典 次生 解在地下水中的Fe 与H!S发生反应生成的黄铁 金属矿物有:钛铁矿、粒状黄铁矿、金红 、锐钛矿、 地 质 学 报 http://www.geojournals.cn/dzxb/cl1/ ndex.aspx 3 罗组砂岩巾铀矿物地尤存状态[( )和(b)铀 j彳丁机质、黄铁矿伴生] Fig.3 ()ccurrence of uranium minerals in the Zhiluo Formalion sandstoile f(a)and(b)coffinite associated with organic mailer and pyrile ̄ 表2黄铁矿中硫同位素含量 Table 2 Conlents of sulfur isotope in pyrite S 钛矿化以及赤铁矿化一方面可释放品格内的Fe.为 氧化还原过渡带内后生黄铁矿的形成提供了物质条 样- 黄铁矿宏观产状 含件,另一方面叮为铀的还原提供场所,因此埘铀成矿 ) { ( WTN 8一l Ij6 55—1 浅耿色砂抖 耿绿色 f|眇岩 大量黄铁矿 J 碳髑紧密伴生 含块状黄铁矿 含条带状砾状 靖铁矿与碳腭共 具有成凶} 的意义。 一32 —32.7 4。2铀成矿作用 镜下还町见草莓状黄铁矿(图2a),草莓状黄铁 ZK1)l】2 4 7 4 浅灰绿色tI,砂 ZKI)l1 2 J{7 9 t{幢lj】灰色砂崭 l 28 57 1 2 :{【) l4 矿被认为是在细菌或牛物的作用下,通过有机质球 粒的交代或充填作用而形成的(Raiswdl e1 a1., 1996),推测草莓状沥青铀矿也是该类细菌作用的产 物.这是微牛物直接参与铀成矿的佐证(Min 含煤屑空心柱状黄铁矿 —31.8 3j.3 —30 33.1 35.1 浅版绿色细砂抖 含羹铁矿结核.碳匝条 块状状黄铁矿 块状状黄铁矿 ZKI)ll 2 3q l 细 灰色叶1细砂岩 ZKI)l l2 3【 j2 灰色【}】细砂 ZKD11 2 3 3 耿也【lf1细砂 Maozhong ct a1.,2003).同时还发育有与生物啐屑 胞腔密切相关的铀矿物.该类铀矿物可能为砂岩【{1 的有机质在禽氧地下水及微牛物作用下呵转化为有 l 76 l 7(5) 矿f 版乜ll】砂 禽碳屑块状黄铁矿 平均 含细纹层碳屑. 30.1 一:{2.28 WTN 8一l 5 WT 8 1 7 WT 8 l8 矿 灰色中 【砂 细粒条带状黄铁谢 浅耿也砂柑 波静乇也砂枯 层状细糙黄铁矿 条带状黄铁矿 平均 27.:{ 36.5 :{3.】 一32.3 溶蚀作用的有机酸。敛使生物碎屑胞腔酸解形成溶 蚀孔,从而为铀沉淀提供了储集空间(图4)。 通过对黄铁矿中硫同位素分析、镜下草莓状黄 总体平均 —32.28 褐铁矿等。它f『J lj铀成矿关系密切,紧密伴生。反映 砂岩成岩一后生一低温热液矿化蚀变作用期次频 繁,生成多种与铀矿物伴生的蚀变矿物组合,出现的 金属矿化有黄铁矿一钛铁矿化、赤铁矿一褐铁矿化, 偶见黄铜矿一闪锌矿一锡铅矿一方铅矿化。 之相 关的蚀变有绿泥石化、绿色黑云母化、泥品方解 和 亮晶方解石化及高岭石化等.均作为后生蚀变物二 次胶结砂屑.或/f 同程度交代各种砂屑。而在铀矿 物沉淀之后.还可见典型的后期改造产物胶状黄铁 矿、闪锌矿、矾铅矿等硫化物。铁矿物、钛矿物的蚀 变发育程度不仅是层问氰化带发育的重要标志,而 4 生物胞腔溶蚀孔涮中铀 Fig.d Coffini*e in the corrosion biological c( 且对铀元素的活化、迁移和沉淀具有重要作用。锐 第12期 陈超等:鄂尔多斯盆地北部直罗组黄铁矿与砂岩型铀矿化关系研究 3379 铁矿以及生物碎屑胞腔中存在的铀矿物的观察,说 明在铀成矿过程中有微生物的参与。微生物和有机 质对u。 的还原沉淀主要通过H S、H。等还原性 气体实现的,这种生物还原成因的H。s,造成缺氧 的还原环境,同时使环境的pH下降,所形成的H S 与溶解的金属离子反应生成黄铁矿的低价硫化物, U¨在这种酸性还原条件下还原为UO 沉淀,从而 造成黄铁矿与铀矿伴生的现象(3.1~3.3)。 2Fe2O3・H2O+6H2S— FeS+Fe3O4+S+8H2O (3.1) 生成黄铁矿(FeS ) FeS+H2S—FeS2 (3.2) U 。。+H。S—S+UO。 +2H (3.3) 5 结论 通过对鄂尔多斯盆地北部直罗组砂岩野外、镜 下观察和地球化学分析,得出以下结论: (1)在该区的铀矿物主要为铀石,与蚀变矿物紧 密伴生,特征矿物组合为铀石、黄铁矿、褐铁矿以及 钛铁矿等。 (2)黄铁矿存在多种产状,岩心中主要为块状、 结核状、条带状以及浸染状黄铁矿,镜下主要为草莓 状、胶状、粒状和裂隙充填黄铁矿,岩心和镜下黄铁 矿产状存在一定的对应关系。 (3)含矿段黄铁矿中 S值为较小的负值,且 在镜下存在草莓状黄铁矿以及生物碎屑胞腔中的铀 矿物,说明一定时期内存在明显的生物作用,“生成 较“轻”的还原性气体H。。。s”,同时造成环境的pH 和Eh下降,当含U针、Fe 的地下水溶液流经此处 时发生氧化还原反应,从而形成了黄铁矿与铀矿的 紧密伴生。 References Chenzuyi,Guo qingyin.2007.Mechanism of U—reduction and concentration by sulphides at sandstone type uranium deposits. 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Key words:sandstone—type uranium deposit;pyrite;sulfur isotope;alteration;Daying;the Ordos Basin 

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