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第 40 卷 第 1 期2024年 1月Uranium Geology铀矿地质Vol.40 No.1Jan.2024鄂尔多斯盆地西南部下白垩统铀矿化砂岩中有机质特征及其与铀成矿的关系邱林飞1，李子颖1，贺锋1，武正乾2，刘坤鹏2，毛宁2，李孟华1，3（1.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；2.核工业二三研究所，陕西 西安 710086；3.东华理工大学，江西 南昌 330013）摘要 鄂尔多斯盆地西南部下白垩统铀矿找矿在近几年取得了重大突破，在镇原、彭阳等地区发现了新的铀矿产地，白垩系铀矿化主要赋存于洛河组与环河组，少部分赋存于泾川组和罗汉洞组，这些赋矿层位原生沉积均处在干旱环境条件下，其中缺乏肉眼可见的有机质。但在钻孔岩心中，铀矿化砂岩中往往富含浸染状的有机质，这类有机质的性质及其与铀成矿的关系目前还缺乏系统的研究。文章以鄂尔多斯盆地西南部镇原地区铀矿化砂岩为研究对象，通过岩心观察与室内研究，厘定了赋矿砂岩中的有机质类型，探讨了有机质的来源及其铀成矿的关系。研究结果表明：赋矿砂岩中的原生沉积炭屑有机质十分稀少，有机质主要为充填于砂岩微孔隙中、具有流动特征、低演化程度的大分子有机质，可能主要来源于“延 7”段烃源岩。铀矿化与固体炭屑有机质关系不大，而主要与“可溶性”流动状有机质密切相关。研究区白垩系铀成矿特征具有“渗出”砂岩型铀矿成矿作用的特点。关键词 流动状有机质；风成砂；下白垩统；砂岩型铀矿；鄂尔多斯盆地文章编号 1000-0658(2024)01-0041-16 中图分类号 P619.14 文献标志码 A鄂尔多斯盆地是我国著名的油-气-煤-铀等多种矿产资源的大型能源盆地，具有“半盆油、满盆气”的特点1-2。自我国开展砂岩型铀矿找矿以来，在盆地东北部、南部发现了产于直罗组的大型、特大型铀矿床（如纳岭沟、大营、巴音青格利、双龙等），学者们聚焦直罗组铀矿化开展了沉积学、矿物学、成矿流体、成矿模式等方面的研究3-11。近几年的铀矿勘查，在鄂尔多斯盆地北部及西南部下白垩统均发现了较好的工业铀矿化，以镇原新庄铀矿产地、彭阳铀矿产地和特拉敖包铀矿产地为代表12-14。白垩系铀矿化的研究程度相对较低，目前仅有少数学者开展了岩石学、矿物学、地球化学等基础研究工作15-18。有机质与金、铀、铜、铅、锌等多金属成因上具有密切的关系19-22，尤其是在砂岩型铀成矿过程中，有机质更是铀矿化必不可少的重要物质23-24。鄂尔多斯盆地西南部发现的铀矿化主要产于下白垩统环河组下段和洛河组，少部分产于罗汉洞组和泾川组，赋矿砂岩总体上为一套干旱炎热气候下的河流沉积体系和风成沉积体系，原生沉积砂岩中缺乏炭屑有机质。但在工业铀矿段，都可以发现一些呈浸染状分布的有机质，且富矿石中的有机质明显更为富集，这些有机质的性质、来源及其与铀矿化的关系目前还不清楚。本文以鄂尔多斯盆地西南部镇原地区白垩系铀矿化砂岩为研究对象，在详细的岩心观察基础上，针对典型样品开展岩相学、元素地球化学、有机地球化学和同位素等方面的研究，厘定了赋矿砂岩中有机质的类型，探讨了有机质的性质、来源及其与铀成矿的关系。1 地质背景鄂尔多斯盆地位于北侧的内蒙古-大兴安岭造山带与南侧的祁连-秦岭印支期造山带之间，西临阿DOI:10.3969/j.issn.1000-0658.2024.40.004邱林飞基金项目 中核集团集中研发项目（编号：中核科发 2021-143号）；国家重点基金项目（编号：U2167210）；中核集团青年英才项目（编号：地 QNYC2301）；中国核工业地质局地勘费项目（编号：202115-2）联合资助。收稿日期 2023-08-31 改回日期 2023-10-29作者简介 邱林飞（1984），博士，高级工程师（研究员级），主要从事铀成矿作用研究。E-mail：铀 矿 地 质第 40 卷巨砾岩夹砂岩、泥质粉砂岩红色、巨砾岩夹砂岩、泥质粉砂岩红色、巨砾岩夹砂岩、泥质粉砂岩红色、拉善地块，东与山西地块毗邻5（图 1a、b），是在华北陆块基础上发育起来的中生代陆内盆地，其结晶基底为太古宇及古元古界变质岩系，直接基底为古生代沉积岩，为寒武系-奥陶系的海相碳酸盐岩和泥岩、石炭系海陆交互相含煤沉积和二叠系河流湖泊相含煤建造5（图 1c）。三叠纪以来，鄂尔多斯盆地发育成相对独立演化的陆内盆地，充填了三叠系、侏罗系和白垩系河流湖泊相沉积与风成沉积，中-新生代地层及含铀情况如表 1所示，主要产铀层位为直罗组、洛河组和环河组。三叠系从下到上为刘家沟组、和尚沟组、纸坊组及延长组，与下伏二叠系连续沉积。侏罗系与下伏三叠系不整合接触，从下到上依次是富县组、延安组、直罗组、安定组和芬芳河组。下白垩统志丹群与下伏侏罗系不整合接触，从下到上包括宜君组、洛河组、环河组、罗汉洞组和泾川组（表 1）。中生界在岩性上包括多种砂岩和页岩，其中洛河组、环河组下段、罗汉洞组和泾川组总体为干旱环境下的沉积岩，环河组上段总体为湿热条件下的湖相沉积。盆地自白垩纪晚期以来，整体处于长期隆起并形成多个地堑系25。鄂尔多斯盆地基底断裂构造不发育，推测主要发育北东向、近南东向和向南凸出的弧形断裂26。鄂尔多斯盆地划分为 6个一级构造单元，包括西缘冲断构造带、天环坳陷、渭北隆起、晋西挠褶带、陕北斜坡和伊盟隆起27-30，其中鄂尔多斯盆地南部近几年发现的白垩系铀矿化主要位于甘肃省庆阳市镇原县至宁夏回族自治区彭阳县一带，地处天环坳陷的南部，与陕北斜坡和渭北隆起相邻，总体与该区大型油田在空间上是叠置的（图1a）。表 1 鄂尔多斯盆地中新生代地层表（据文献 31 修改）Table 1 Mesozoic-Cenozoic strata of Ordos Basin(modified after reference 31)界新生界中生界系第四系新近系古近系白垩系侏罗系三叠系统/上新统渐新统下白垩统上侏罗统中侏罗统下侏罗统上三叠统中三叠统下三叠统组/清水营组志丹群芬芳河组安定组直罗组延安组富县组延长组纸坊组和尚沟组刘家沟组泾川组罗汉洞组环河组洛河组宜君组第五段第四段第三段第二段第一段代号QN2E3qK1jK1lhK1hK1lK1yJ3fJ2aJ2zJ2yJ1fT3y5T3y4T3y3T3y2T3y1T2zhT1hT1l厚度/m28007015035012018024029040050100120080150300300分布局限200250300200250300530120380主要岩性特征及含铀性黏土、亚黏土、黄土及砾石层黏土，富含钙质结核泥岩夹中细砂岩和石膏下部为砂质泥岩，上部为砂岩夹砂质泥岩、泥灰岩、灰岩，产鱼化石砂岩夹紫红色泥质岩，交错层理发育上段主要为细粒砂岩与粉砂岩、泥岩、页岩互层下段主要为厚层中细粒砂岩夹粉砂岩、泥岩(产铀层位)中粗粒长石砂岩，局部夹粉砂岩(产铀层位)砂砾岩，夹泥岩条带和砂岩透镜体块状砾岩、巨砾岩夹砂岩、泥质粉砂岩泥岩夹杂色泥灰岩，底部为砂岩下部为砂岩夹泥岩，上部为砂岩、泥岩互层，底部有砂砾岩（主要含矿层）下部为砂岩，中部为砂岩、泥岩互层，顶部为砂岩，夹多层煤层泥岩夹中粗粒砂岩泥岩与砂岩、粉砂岩互层，夹煤层或煤线厚层细砂岩、粉砂岩与泥岩互层厚层块状中粗粒砂岩夹泥岩中细砂岩与泥岩互层砂岩夹泥岩盆缘以中粗砂岩为主，盆内为砂岩与泥岩互层泥岩、砂质泥岩夹砂岩，含钙质结核砂岩夹泥岩，底部含细砾石主要颜色黄色红色灰色夹红色、杂色灰色红色黄绿色夹棕红色黄绿色夹褐红色红色杂色、红色红色、杂色红色夹灰绿色下部灰色上部杂色黑灰色、灰色、灰白色杂色、灰白色深灰色、黑色黄绿色、深灰色黄绿色、深灰色黄色、棕灰色褐灰色、暗灰色黄绿色红色、棕红色古气候干旱半干旱干旱温湿-半干旱半干旱干旱半干旱温湿温湿-半干旱半干旱干旱 42邱林飞，等：鄂尔多斯盆地西南部下白垩统铀矿化砂岩中有机质特征及其与铀成矿的关系第 1期图 1 鄂尔多斯盆地基本构造单元和能源矿产分布（a）、区域构造位置（b）和东西方向构造-沉积地质及能源矿产层位概念剖面（c）（据文献 5 修改）Fig.1 Basic structure units and energy-resource distribution（a），tectonic location（b）and a EW-direction structure-sediment model section and energy-resource strata（c）of Ordos Basin（modified after reference 5）1铀矿化富集区；2油田分布区；3天然气分布区；4基本构造单元界线；5基本构造单元编号：依次为西缘冲断构造带、天环坳陷、渭北隆起、晋西挠褶带、陕北斜坡和伊盟隆起；6板块缝合带；7鄂尔多斯盆地边界；8断块构造；9黄河水系；10铀矿化层位；11天然气藏；12油藏；13不整合面；14正断层；15逆断层；16第四系；17古近系；18白垩系；19侏罗系；20三叠系；21石炭-二叠系；22奥陶系；23寒武系；24前寒武系；25研究区。2 白垩系铀矿化基本特征鄂尔多斯盆地南部近几年发现的白垩系铀矿化主要位于镇原、彭阳等地区13-15。铀矿化主要产于洛河组与环河组下段厚层状砂岩中，在泾川组和罗汉洞组也发现少量铀矿化，矿化深度从600 m至1 300 m左右均有分布，铀矿体总体呈多层板状、透镜状产出（图 2a）。铀矿化砂岩颜色类型丰富，主要工业铀矿化砂岩呈深灰色、灰绿色（图 2c、d），少部分呈棕红色、褐红色和浅褐黄色（图 2b）。矿化上部环河组砂岩整体呈紫红色、褐红色，下部环河组砂岩呈棕红色、灰绿色，钻孔中的岩心普遍表现出正韵律的特 43铀 矿 地 质第 40 卷征，具有河流相、冲积扇相的特点。洛河组铀矿化砂岩主要为长石石英砂岩和长石砂岩，岩石分选性较好，磨圆度高，常见高角度斜层理，具有沙漠（风成）相的特点，其中石英含量占碎屑含量的 70%85%，占有绝对优势，长石、岩屑及其他矿物占 15%20%（图 3a），以孔隙式胶结为主。环河组下段赋矿砂岩主要为岩屑砂岩和杂砂岩，其次为长石岩屑砂岩，分选中等，磨圆较差。碎屑颗粒主要为颗粒支撑，颗粒间以点-线接触为主，其中石英占比为40%50%，石英多呈棱角-次棱角状，长石占比为15%20%，岩屑占比为20%30%（图3b），主要为石英岩、片岩、片麻岩、花岗岩与云母类，胶结类型为泥质-铁质与碳酸盐胶结，多呈孔隙式胶结（图 3c）。赋矿砂岩部分石英颗粒发育加大边，指示经历一定的深埋，且石英加大边内侧常见褐红色、褐黄色的铁质氧化物（图 3d），指示在成岩早期为较强的氧化环境。图 2 鄂尔多斯盆地西南部镇原地区铀矿钻孔连井剖面示意图（a）（据核工业二三研究所）及典型矿石照片（b、c、d）Fig.2 A borehole cross section of uranium mineralization in the Zhenyuan area，southwestern Ordos Basin（a）（according to Research Institute No.203，CNNC）and its photographs of typical uranium ores（b，c，d）1第四系；2泾川组；3罗汉洞组；4环河组；5中粗砂岩；6细砂岩；7泥岩；8层组界线；9黄色砂体；10伽马测井曲线；11工业铀矿体；12铀矿化；13分层序号；14红色砂体。3 样品与实验方法针对核工业北京地质研究院和核工业二三研究所近两年所施工的钻孔，在细致岩心观察后，主要采集钻孔中矿化上下段的砂岩样品，开展有机岩相学、矿物学、红外光谱及有机地球化学等研究，本研究涉及的主要样品基本信息如表 2 所示。岩 相 学 和 矿 物 学 研 究 使 用 偏 光 显 微 镜、TESCAN VEGA3型扫描电子显微镜（配有 EDAX 能谱仪的），红外光谱分析使用 Bruker LUMOS 红外光谱仪，有机碳（TOC）分析使用 CS580A 碳硫分析仪。铀含量测定使用 ELEMENT XR 等离子体质谱仪，将样品粉碎至 200 目以下，称取样品后使用硝酸溶解，测试精度优于 0.01。上述测试均在核工业北京地质研究院完成，测试过程中严格按照相关标准规范执行。有机质抽提物色谱质谱分析（GC-MS）使用Agilent 5977A型气相色谱-质谱仪进行。色谱柱采用HP-5熔融硅胶毛细管柱（60 m0.25 mm0.25 m）。GC 烘箱在 120 恒温 2 分钟，升温速率为 4/min。44邱林飞，等：鄂尔多斯盆地西南部下白垩统铀矿化砂岩中有机质特征及其与铀成矿的关系第 1期溶剂为正己烷，以氦气为载气，压力为 15.475 psi（106.696 kPa）。该实验在青岛华兴伟业科技有限公司完成。4 测试结果4.1 岩相学特征钻孔岩心中，主要含矿砂岩呈灰白色、深灰色、灰绿色（图 2c、d），次要含矿砂岩呈棕褐色、褐红色（图 2b），无论是环河组下段还是洛河组赋矿砂岩中，均缺乏肉眼可见的炭屑有机质，但富矿石往往因富含浸染状有机质而颜色较深。对不同颜色赋矿砂岩的显微观察发现，灰绿色和深灰色赋矿砂岩粒间孔隙中可见大量黑色的浸染状有机质（图 4a、b），灰白色和棕红色含矿砂岩中的有机质急剧减少，仅少量的砂岩粒间孔隙中充填黑色有机质。进一步的荧光观察表明，部分含矿砂岩的粒间孔隙中均具有较强的荧光显示（图 4c），且赋矿砂岩石英碎屑中较为发育沿微裂隙呈带状分布、显示浅蓝色荧光的油包裹体（图 4d、e），且高品位的矿石中的油气包裹体丰度明显更高，指示含矿砂岩中存在油气流体活动的痕迹。经扫描电镜能谱与电子探针分析显示，铀矿物以富含钛的铀石为主，铀矿物的 UO2含 量 一 般 介 于 19.1%38.1%之 间，平 均 值 为28.0%（n10），SiO2含量一般介于 7.2%19.4%之间，平均值为9.7%，钛含量变化较大，从9.2%55.7%不等，平均值为 41.9%。铀矿物主要赋存于碎屑矿物粒间孔隙及碎屑颗粒粒内溶孔中（图 4g、h、i），常与黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿（辉铜矿）、锐钛矿、重晶石及有机质等共生（图 4f、h、i）。4.2 有机质光谱学特征对 研 究 区 白 垩 系 铀 矿 化 砂 岩 中 的 流 动 状 有机质开展激光拉曼和红外光谱分析，并与研究区图 3 鄂尔多斯盆地西南部镇原地区赋矿砂岩显微岩相特征Fig.3 Microlithofacies characteristics of U-bearing sandstone in Zhenyuan area，southwestern Ordos Basina铸体薄片，单偏光，洛河组赋矿砂岩典型显微照片；b铸体薄片，单偏光，环河组赋矿砂岩典型显微照片；c包裹体片，正交偏光，赋矿砂岩粒间孔隙普遍受白云石胶结；d包裹体片，正交偏光，赋矿砂岩碎屑石英发育加大边，沿石英加大边内侧发育褐红色的铁氧化物。Qz石英；Dtr岩屑；Dol白云石；Kfs钾长石；Cal方解石。45铀 矿 地 质第 40 卷典型的直罗组赋矿砂岩中的炭屑有机质、延安组煤及典型的沥青样品开展了对比研究。激光拉曼测试结果表明，白垩系铀矿化砂岩中的流动状有机质具有两个激光拉曼光谱一阶特征峰，D 峰谱 带 位 于 1 3401 400 cm-1之 间，G 峰 谱 带 位 于1 5601 600 cm-1之间（图 5a）；直罗组赋矿砂岩中的炭屑有机质也有两个激光拉曼光谱一阶特征峰，D 峰谱带位于 1 3601 380 cm-1之间，G 峰谱带位于 1 5701 590 cm-1之间（图5b）。与延安组煤对比发现，白垩系铀矿化砂岩中的流动状有机质D峰谱带相对更为宽缓，D峰与G峰强度比（ID/IG）明显更大。一般而言，D峰谱带与碳质材料的无序程度有关，D峰谱带的宽度随着有机质无序度的升高而变宽，G峰谱带与碳质材料分子结构中CC键的拉伸振动有关，随着有机质的演化，G峰谱带的强度将增加32。因此，与直罗组赋矿砂岩炭屑有机质相比，白垩系赋矿砂岩中流动状有机质的演化程度较低且无序度更高，而炭屑有机质具有更高的热演化程度和更高的有序度。红外光谱分析结果显示，白垩系铀矿化砂岩中的流动状有机质、侏罗系直罗组赋矿砂岩中的炭屑有机质和延安组煤均具有复杂的红外光谱特征峰（图5c、d、e）。其中白垩系赋矿砂岩中流动状有机质最为复杂，具有2 960 cm-1、2 928 cm-1、2 871 cm-1、1 606 cm-1、1 508 cm-1、1 411 cm-1、1 384 cm-1、表 2 本研究主要样品信息表Table 2 Information of the main samples in this study钻孔/地区Z4Z9Z7Z8Z3W1H1H3彬县店头铜川市崔家沟样品编号Z4-11Z4-13Z4-16Z4-19Z9-1Z9-4Z9-6Z9-8Z9-10Z7-2Z7-6Z7-9Z8-5Z8-9Z8-11Z8-13Z8-15Z8-19Z3-87W1-7H1-1H1-2H1-3H3-1H3-2H3-3DT-2DT-3DT-4CJG-1CJG-2CJG-5岩性灰黄色粗砂岩红褐色中砂岩红色泥岩浅红褐色含砾杂砂岩含浸染状有机质棕红色细砂岩浅褐红色中细砂岩含黑色油斑灰色砂岩含浸染状有机质中砂岩浅褐红色细砂岩含细脉状有机质灰绿色泥岩，局部含钙质胶结砂岩灰白色中细砂岩浅灰绿色中细砂岩褐红色细砂岩棕红色中-细砂岩夹灰白色粗砂岩浅褐黄色中砂岩条带的棕红色砂岩棕红色中砂岩浅棕红色细砂岩矿段上部浅褐黄色细砂岩褐灰色中砂岩褐灰色细砂岩灰白色细砂岩灰绿色细砂岩灰白色细砂岩深灰色细砂岩深灰色粗砂岩灰黑色泥质粉砂岩灰色含炭屑中粗砂岩灰色含炭屑中粗砂岩油浸中粗砂岩灰色中粗砂岩灰色中砂岩灰色含炭屑中砂岩层位环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段环河组下段洛河组洛河组洛河组洛河组洛河组洛河组直罗组直罗组直罗组直罗组直罗组直罗组含矿性不含矿不含矿不含矿低品位矿石不含矿低品位矿石低品位矿石中等品位矿石不含矿不含矿中等品位矿石不含矿不含矿中等品位矿石不含矿低品位矿石中等品位矿石不含矿不含矿不含矿中等品位矿石中等品位矿石中等品位矿石中等品位矿石中等品位矿石富矿石中等品位矿石中等品位矿石低品位矿石低品位矿石不含矿不含矿 46邱林飞，等：鄂尔多斯盆地西南部下白垩统铀矿化砂岩中有机质特征及其与铀成矿的关系第 1期1 361 cm-1、1 297 cm-1、1 245 cm-1、1 182 cm-1、1 028 cm-1、1 010 cm-1、870 cm-1、827 cm-1、726 cm-1等特征峰（图 5c）；直罗组赋矿砂岩中的炭屑有机质与延安组煤具有相似的光谱特征，均具有3 275 cm-1、2 926 cm-1、2 860 cm-1、1 590 cm-1、1 438 cm-1、1 371 cm-1、1 246 cm-1、1 173 cm-1、1 013 cm-1、853 cm-1等特征峰（图 5d、e），指示直罗组赋矿砂岩中的炭屑有机质与延安组煤是类似成因的有机质。参考相关的文献可知，3 2753 400 cm-1的峰值可归于羟基的伸缩振动，2 9252 960 cm-1可归于脂肪族中甲基、亚甲基伸缩振动，1 460 cm-1、1 350 cm-1对 应 于 脂 肪 族 的 C-H 键 的 变 形 振动，1 600 cm-1对应于苯环中的 CC 键的伸缩振动33-34，1 250 cm-1处主要为羧酸官能团的 C-O伸缩振动，1 030 cm-1附近的谱带可归属于醇类、醚类的 C-O 弯曲振动，1 380cm-1处的谱峰可归属于 CH2和 CH3基团的弯曲振动或芳烃的 COO基团的不对称伸缩振动，820870 cm-1的谱带可归为芳烃的伸缩振动23，35-36。无论是白垩系赋矿砂岩中流动状有机质，还是侏罗系直罗组赋矿砂岩中的炭屑有机质与延安组煤，它们均与四川盆地西北部的典型沥青红外光谱存在明显的差异，指示白垩系赋矿砂岩浸染状有机质既不是炭屑，也不是典型的沥青，而是一种含有甲基、亚甲基、羧基等基团的复杂大分子有机质，其红外光谱特征与腐殖酸具有一定的可比性，同时也存在一定的差异37-39。图 4 鄂尔多斯盆地西南部镇原地区白垩系铀矿化砂岩显微特征Fig.4 Microscopic characteristics of Cretaceous U-mineralization sandstones in Zhenyuan area，southwestern Ordos Basina、b深灰色铀矿石中“浸染状”有机质；c灰白色铀矿石粒间孔隙中受轻质油浸染，显示浅蓝色的荧光；d、e沿铀矿石碎屑石英颗粒微裂隙呈带状分布的轻质油包裹体，显示浅蓝色的荧光；f黑色富矿石粒间孔隙中充填的黄铁矿-铀矿物-重晶石-有机质；g长石溶蚀孔洞中含钛铀石矿物及有机质；h深灰色富矿石粒间孔隙中充填的黄铁矿-黄铜矿（辉铜矿）-铀矿物及有机质；i黑色富矿石粒间孔隙中充填的闪锌矿-黄铜矿-黄铁矿-铀矿物-重晶石及有机质。47铀 矿 地 质第 40 卷图 5 鄂尔多斯盆地西南部含矿砂岩中有机质激光拉曼与红外光谱图及典型有机质的红外光谱图Fig.5 Laser Raman and infrared spectra and the infrared spectra of the organic in U-bearing sandstone in southwestern Ordos Basina白垩系赋矿砂岩中流动状有机质激光拉曼光谱；b延安组煤的激光拉曼光谱；c白垩系赋矿砂岩中流动状有机质红外光谱图；d侏罗系赋矿砂岩中炭屑有机质红外光谱图；e侏罗系赋矿砂岩下部延安组煤的红外光谱图；f四川西北部沥青脉红外光谱特征37；g、h不同有机酸的红外光谱图38-39。4.3 有机碳与铀含量分析对研究区不同钻孔/剖面露头中白垩系与侏罗系直罗组铀矿化砂岩和非矿化砂岩，开展了铀含量和有机碳（TOC）的对比分析，测试结果如表 3所示。测试结果表明，白垩系赋矿砂岩中的总有机碳含量较 低，一 般 为 0.041%0.079%，仅 个 别 样 品 可 达0.1%以上（表 3），指示赋矿砂岩中几乎不含固体炭屑有机质，与钻孔岩心中很难观察到炭屑有机质 48邱林飞，等：鄂尔多斯盆地西南部下白垩统铀矿化砂岩中有机质特征及其与铀成矿的关系第 1期是一致的。而直罗组的有机碳含量明显高得多，为 0.040%4.80%，这与部分侏罗系赋矿砂岩中富含炭屑有机质的现象是一致的。直罗组赋矿砂岩铀与有机碳含量呈现较强正相关关系，与直罗组不 同 的 是，白 垩 系 赋 矿 砂 岩 铀 含 量 变 化 范 围 从74.910-61 36410-6不等，铀含量与有机碳呈非线性正相关关系（图 6），有机碳含量最高的样品（0.171%）为深灰色含浸染状有机质的中砂岩，其铀含量也高达 1 36410-6，这指示白垩系矿化砂岩中发生了浸染状有机质的显著富集。这种有机质并不是炭屑有机质，富矿石中的有机质含量明显升高可能与外源的流动态有机质有关。表 3 鄂尔多斯盆地西南部铀矿化砂岩有机碳含量与铀含量结果表Table 3 Organic carbon and uranium content in the U-mineralization sandstone,southwestern Ordos Basin样品号Z4-4-11Z4-4-13Z4-4-16Z4-4-19Z9-1-1Z9-1-4Z9-1-6Z9-1-8Z9-1-10Z7-1-2Z7-1-6Z7-1-9Z8-1-5Z8-1-11Z8-1-13Z8-1-15Z8-1-19DT-2DT-3CJG-1CJG-2CJG-5层位环河组环河组环河组环河组环河组环河组环河组环河组环河组环河组环河组环河组环河组环河组环河组环河组环河组直罗组直罗组直罗组直罗组直罗组岩性灰黄色粗砂岩红褐色中砂岩红色泥岩浅红褐色含砾杂砂岩含浸染状有机质棕红色细砂岩浅褐红色中-细砂岩含黑色油斑灰色砂岩含浸染状有机质中砂岩矿段下部浅褐红色细砂岩灰绿色泥岩中夹钙质胶结砂岩（含细脉状有机质）灰白色中-细砂岩浅灰绿色中-细砂岩褐红色细砂岩棕红色砂岩中夹浅褐黄色中砂岩棕红色中砂岩浅棕红色细砂岩中夹中粗粒砂岩矿段上部浅褐黄色细砂岩灰色含炭屑中粗砂岩灰色含炭屑中粗砂岩灰色中粗砂岩灰色中砂岩灰色含炭屑中砂岩有机碳/%0.0740.0640.0510.0600.0720.0630.0540.1710.0710.0650.0790.0680.0510.0550.0500.0610.0410.1910.1420.0710.0404.80铀含量/10-61.832.8125.24.7374.932.53621 364443.441945.541023741044325.9929025031.32.579.27图 6 鄂尔多斯盆地西南部赋矿砂岩有机碳-铀含量关系图Fig.6 The relationship of organic carbon-uranium content of U-bearing sandstone，southwestern Ordos Basin 49铀 矿 地 质第 40 卷4.4 有机质抽提及色谱-质谱分析对 研 究 区 白 垩 系 赋 矿 砂 岩 的 有 机 质 进 行 了“氯仿沥青 A”的抽提实验，对抽提物开展了色谱-质谱分析，其测试结果及计算的主要参数如表 4 所示。抽提与族组分分析结果显示，鄂尔多斯盆地西南部直罗组赋矿砂岩中富含丰富的有机物，含量为0.016%0.324%，镇原地区部分环河组赋矿砂岩样品中可溶有机物含量较低，为 0.010%0.077%，部分赋矿砂岩样品中可溶有机物含量极低（无法准确定量）。白垩系赋矿砂岩抽提物正构烷烃分布较宽，碳数分布范围为nC16nC32，总体具有前峰形态特征，主峰碳基本为nC18nC20，总体偏向低分子量烷烃。姥鲛烷/植烷（Pr/Ph）值是指示生油岩母质类型及沉积环境的良好参数之一。强还原、高盐环境沉积物中，植烷往往占据绝对优势，丰度高；在沼泽环境即氧化环境中，姥鲛烷往往具有较强优势。赋矿砂岩残留有机质的Pr/Ph值为 0.130.33，指示母质来自于强还原咸水沉积环境。CPI值为 1.071.20，OEP为 1.041.20（表 4），奇偶优势不明显，表明赋矿砂岩残留有机质组分处于成熟-高成熟阶段。基于上述特征，认为鄂尔多斯盆地西南部白垩系赋矿砂岩有机质的母质具有以低等水生生物为主要来源的特征。表 4 鄂尔多斯盆地西南部镇原地区白垩系赋矿砂岩有机质抽提及分子地化分析参数Table 4 Molecular geochemical parameters for organic matter extraction of Cretaceous sandstone in the Zhenyuan area，southwestern Ordos Basin样品号Z3-87W1-5-7H1-1H1-2H1-3层位环河组环河组洛河组环河组环河组氯仿沥青 A含量/%0.0100.077/饱和烃/%/芳香烃/%/胶质/%/沥青质/%/主碳数C20C20C20C18C20饱芳比/Pr/Ph0.320.250.130.330.22CPI1.201.071.091.091.14OEP1.051.051.041.041.20Pr/nC170.510.550.290.540.52Ph/nC180.520.640.580.720.69注：氯仿沥青 A计算公式：X（G2G1）100%，X氯仿沥青 A的含量，%；G1实验前空试验瓶的重量，g；G2实验后抽提物与试验瓶的总重量；Pr姥鲛烷；Ph植烷；CPI碳优势指数；OEP奇偶优势；/样品中抽提物较少，不足以用于后续族组分分析。5 讨论5.1 有机质的性质与来源岩相学研究表明，鄂尔多斯盆地西南部白垩系铀矿化砂岩中的有机质主要呈浸染状分布，与呈条带状、星点状炭屑有机质的分布形态是明显不同的。激光拉曼研究表明，炭屑有机质和煤一般具有较窄的 G 峰特征，G 峰强度相对明显高于 D 峰，而白垩系铀矿化砂岩中浸染状有机质的 G 峰较宽，且 G峰强度略高于 D 峰。D 峰（1 350 cm-1）由碳物质的无序诱导引发，G 峰（1 580 cm-1）与分子结构中CC 键的拉伸振动有关，随着有机质的成熟，G 峰和 D峰的强度比（IG/ID）不断增加40。红外光谱的研究结果指示白垩系赋矿砂岩浸染状有机质既不是炭屑，也不是典型的沥青，而是一种含有甲基、亚甲基、羧基等基团的复杂大分子有机物，其红外光谱特征与腐殖酸具有一定的可比性。抽提物色谱质谱分析表明，白垩系赋矿砂岩中有机质的正构烷烃分布较宽（碳数分布范围为 nC16nC32），具有前锋单峰形态特征（nC18nC20），总体偏向低分子量烷烃。Pr/Ph 值、CPI 值、OEP 值均指示母质烃源岩形成于较强还原环境。低碳数的正构烷烃主要来源于浮游生物和藻类脂肪酸41，而高碳数的正构烷烃则主要来源于陆生植物的表皮蜡层42。本研究获得的一系列生物标志化合物，与前人在该区研究获得延长组烃源岩具有较强的可比性43-44，指示白垩系赋矿砂岩残留有机质可能来自延长组烃源岩。基于上述特征，结合该区地质背景，认为鄂尔多斯盆地南部赋矿砂岩有机质是一种低演化程度、复杂结构的大分子有机物，主要来源于延长组烃源岩。5.2 有机质与铀成矿的关系综合前人的研究，有机质在铀成矿过程中起到了重要的作用，其作用机理是一种复杂的物理化学过程，包括有机配位络合作用、还原作用、纳米胶体迁移沉淀以及吸附和吸收作用等45-46。在传统的层间氧化带型砂岩型铀矿床中，一般认为有机质一般起到还原和吸附作用，这种有机质主要为炭屑有机质或油气流体，典型矿床实例如伊犁盆地蒙其古尔矿床、吐哈盆地十红滩矿床、鄂尔多斯盆地北部大营矿床等47-48。新的渗出型砂岩铀成矿作用认 50邱林飞，等：鄂尔多斯盆地西南部下白垩统铀矿化砂岩中有机质特征及其与铀成矿的关系第 1期为深部烃源岩演化来源的有机流体与成矿物质发生配位（络合或鳌合），铀与成矿物质和有机质是共同迁移的46，有机质中因富含脂肪族、芳香族、羧基、羟基、羰基等官能团，在铀成矿过程中起主导作用，其形式既有可能是有机配位络合物，也可能存在纳米胶体的形式，典型矿床实例如二连盆地哈达图矿床46。鄂尔多斯盆地集油、气、煤、铀等多种能源矿产于一盆，资源极其丰富，盆地南部更是分布着安塞、西峰、姬塬和华庆等亿吨级大油田，同时也广泛发育延长组 7段富铀烃源岩，累计厚度达 10 m以上，面积可达 3.2104 km2，其铀含量平均可达 51.110-6以上，最高可达 14010-6 49。最新的铀矿勘查成果显示，鄂尔多斯盆地南部白垩系铀矿化产于镇原、彭阳等地区，这些铀矿化产出地均位于油田区附近的上部地层中，铀和油在空间上是叠置的。前人的研究也认为，鄂尔多斯盆地南部白垩系洛河组砂岩的“褪色”与铀成矿可能与同一性的还原性流体有关50-51。显微荧光分析显示铀矿化砂岩中富含显示浅蓝色荧光的轻质油气包裹体，且富矿石中的油气包裹体更为发育，这预示着铀矿石中遭受过油气流体大规模充注，铀矿化可能与油藏具有某种内在的成因联系，但并不能说它们之间存在因果关系，即铀矿床的形成不一定是由油藏充注带来的。与侏罗系不同，白垩系铀矿化砂岩铀含量与 TOC 呈非线性正相关关系（R20.686 5），指示铀含量与有机碳含量没有必然的关系，但有机质含量特别高的赋矿砂岩，其铀含量也往往较高（可达 1 36410-6）。这与镜下观察看到富矿石中往往富含黑色浸染状有机质的现象是一致，说明这种有机碳含量的少量增高可能是由外源性、浸染状有机质所引起的，而非富原生沉积的炭屑。综上所述，浸染状有机质、铀矿物-黄铁矿-黄铜矿-闪锌矿-重晶石、油包裹体在富矿石中明显富集，指示成矿流体中富含可流动性大分子有机质和 U、Fe、Cu、Zn 等成矿元素，而有机地球化学的研究结果指示成矿流体中的有机质可能主要来源于“长 7”段烃源岩。由于白垩系赋矿砂岩总体为炎热干旱的气候条件，其自身缺乏炭屑有机质，地层本身的还原容量极低，要在这种低还原容量的地层中发生大规模的铀成矿作用，必须依靠外来有机流体的补充。因此，关于成矿物质的来源，可能存在两种解释，一是流动性有机质（油气或有机酸）先行进入到缺乏炭屑有机质的白垩系地层中，浅部运移而来的含铀含氧水遇到还原性的有机流体，发生氧化-还原反应，造成成矿物质的卸载而成矿，这种矿体的形态一般呈卷状，或在后生流体改造情况下呈现板状，并且具有典型的层间氧化带型铀矿的分带特征；二是成矿物质与有机流体相似，都来源于深部烃源岩，它们共同迁移共同沉淀，这种矿体的形态可以呈多层板状。显然，鄂尔多斯盆地南部白垩系铀矿化特征具有多层板状的特点，成矿物质和有机流体可能是来源于深部烃源岩，它们是共迁移共沉淀的。5.3 成矿作用机制探讨上述研究表明，成矿流体是一种富含可流动性大分子有机质和 U、Fe、Cu、Zn 等成矿元素的流体，这种成矿流体中的有机质和成矿物质可能都主要来源于“长 7”段烃源岩，并共迁移共沉淀，那么，成矿物质是以何种形式进行迁移？成矿作用的机制是什么？系统梳理了鄂尔多斯盆地西南部白垩系铀成矿地质特征，具有如下特点：铀矿体主要呈多层板状赋存于灰（绿）色砂体中，少部分低品位矿石赋存于褐黄色砂岩中；矿体上部存在环河组上段厚层状泥岩；铀矿石中富含“流动态”有机质，铀成矿与外源性可流动性、可溶性有机质（深部渗出流体）密切相关；铀成矿过程与有机质、Zn、Cu、S、Fe等元素密切相关；铀矿石的碎屑矿物中常常可见大量的溶蚀孔发育；赋矿砂岩中抽提的有机物的正构烷烃生物标志化合物及其同位素特征与延长组烃源岩具有可比性；鄂尔多斯盆地南部广泛发育延长组的富铀烃源岩，已发现的铀矿床（点）及异常点在空间上与延长组的富铀烃源岩分布具有关联性。大量的成矿模拟实验研究证实，富铀烃源岩在排烃的过程中，也能够排出大量的成矿元素，且在 100 以 上 进 入 排“铀”高 峰52。依 据 李 子 颖等46“渗出型”铀成矿作用的特点，结合鄂尔多斯盆地西南部铀矿化的特征与成矿模拟实验的研究成果，认为鄂尔多斯盆地西南部白垩系铀矿化成矿机制如图 7所示。成矿物质和有机流体均来源于延长组 7段烃源岩，“长 7”段烃源岩在排烃的同时也排出了有机酸、成矿物质和水。它们在一定的温度和压力条件下，成矿物质与有机酸的官能团配位（络合或鳌合）形 51铀 矿 地 质第 40 卷成非常细小的水合物胶体（纳米结构）游离于流体中，形成富含成矿物质、有机酸和部分烃类物质的成矿流体。当成矿流体运移至浅部氧化性的砂岩时，由于温度、压力和氧逸度等的变化，水合物胶体变得不稳定而发生分解，成矿物质倾向性的选择与饱含官能团的极性大分子有机质（如地沥青）共沉淀；当极性大分子有机质消耗完时，成矿物质不得不选择附着于一些比表面积较大的物质（如黏土）上沉淀，同时中质-轻质烃类组分、天然气发生逃逸并还原地层，造成靠近矿化部位的原始红色氧化性建造被不同程度还原，而显示出灰色、灰白色、褐黄色等的现象。6 结论1）鄂尔多斯盆地西南部白垩系砂岩铀矿化与外源“流动状”有机质密切相关，成矿流体为一种能够溶蚀碎屑矿物的强还原性有机流体。2）白垩系铀矿化砂岩中浸染状有机质是一种演化程度较低、含有甲基、亚甲基、羧基、羟基等基团的复杂大分子有机物，可能由深部延长组的烃源岩演化而来。3）鄂尔多斯盆地西南部白垩系砂岩铀矿化特征符合“渗出”成矿作用模式的特点，烃源岩的排烃（有机）排铀以及富铀有机流体的裂解-分异是导致白垩系铀成矿的主要机制之一。致谢：野外工作过程中得到了核工业二三研究所的大力帮助，核工业北京地质研究院分析测试研究所在许多测试项目中给予了支持，匿名审稿人为本文提供了宝贵修改意见，作者在此一并表示感谢！参考文献1 刘池洋.盆地多种能源矿产共存富集成藏（矿）研究进展 M.北京：科学出版