鄂尔多斯盆地北部直罗组砂岩重矿物分布特征及其指示意义

张媛媛，张鹏飞，聂逢君，剡鹏兵，张治波，严兆彬，张 鑫

鄂尔多斯盆地北部直罗组砂岩重矿物分布特征及其指示意义

张媛媛1，张鹏飞2，聂逢君3，剡鹏兵1，张治波4，严兆彬3，张 鑫3

(1. 核工业二〇八大队，内蒙古自治区 包头 014010；2. 成都理工大学 沉积地质研究院，四川 成都 610059；3. 东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013；4. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221083)

近年来，鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿资源评价取得了较大进展，关于找矿目的层物源和铀源的问题长期以来备受关注。运用重矿物综合分析方法，探讨鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿赋矿层直罗组碎屑物质来源和成矿铀源。结果表明，研究区内直罗组的重矿物组合主要为石榴子石+锆石+绿帘石+黑云母+尖晶石，其次包含少量磷灰石、榍石、金红石、角闪石、电气石、钛铁矿等，反映以中高级变质岩和中酸性岩浆岩为主的母岩类型。重矿物特征指数反映了以含石榴子石变质岩为主要源岩类型和近源沉积的特点。综合分析认为，区内直罗组主要的物源为盆地北部大青山和乌拉山地区的中下太古界–元古界的乌拉山岩群、中元古界扎尔泰群以及各时期的中酸性侵入体等。其中，古老基底变质岩与各时期中酸性岩浆岩普遍具有较高的铀含量，沿着NW–SE方向铀迁出明显，为后期铀成矿作用提供了初始铀源。

重矿物；砂岩型铀矿；物源；中酸性岩浆岩；变质岩；鄂尔多斯盆地北部

近年来，随着核电事业在我国能源发展中的地位越来越高，对铀矿资源的需求也越来越迫切。鄂尔多斯盆地作为多能源叠合盆地，富含煤、铀、石油和天然气[1-2]。盆地内砂岩型铀矿找矿成果显著，目前在盆地北部已经发现了数个特大型、超大型铀矿床，铀资源潜力巨大。针对铀矿目的层直罗组，前人在铀储层特征、沉积环境和成矿规律等方面已开展大量研究，认为盆地北缘直罗组下段是主要的赋矿层位，主要发育辫状河沉积体系，铀矿化受控于沉积相变界面[3-5]。鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿为叠加成矿模式，经历了沉积成岩、层间氧化和热液改造作用3个成矿阶段[6-9]。其中，在沉积成岩和层间氧化阶段，地层中预富集的铀是该砂体铀成矿的重要铀源[10-11]，目的层沉积期蚀源区的富铀岩体为盆地提供了高铀背景砂体。正确厘定盆地北部直罗组的物源对铀的来源和目的层铀的预富集作用具有指示性意义。

重矿物以强稳定性、抗风化的特点而作为推断母岩类型的重要指示剂[12]，对地层对比和源区构造背景分析也具有一定的参考价值。目前，鄂尔多斯盆地北部开展了重矿物分析的目标层位主要集中在山西组、上石盒子组和延长组[13-16]，而针对铀矿目的层直罗组开展的研究较少。目前对于物源统一的认识是来自盆地北缘大青山—乌拉山一带的孔兹岩、片麻岩等变质岩系以及华力西期—燕山期的岩浆岩[17-21]，但对于变质岩和岩浆岩的贡献比例和物源供给主体的认识还存在分歧。目的层物源分析在研究手段上目前以碎屑锆石U-Pb定年和岩石地球化学分析为主，或者辅以重矿物组合和古流向特征的综合研究，而专门针对重矿物特征的定量和综合分析还不够深入，对鄂尔多斯盆地北部直罗组重矿物的形态、组合和分布规律等认识不足，使得在母岩类型的判断上及其物源的指示方面说服力不足。目前，盆地边缘的富铀岩体被认为是重要的铀源提供者，一种可能是成岩期盆地边缘富铀岩体经剥蚀后沉积成岩；二是盆地边缘富铀岩体中的铀活化迁移，在盆地目的层还原成矿[6,10,22-23]。但是具体是什么时代的地层，哪一类型的岩石，目前还没有统一的说法。基于前人的研究基础和现状问题，笔者通过重矿物特征综合分析方法，探讨研究区铀矿母岩类型和可能的源区，以进一步推断物源和铀源的联系，为下一步找矿工作提供理论支持。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地地处华北克拉通盆地的西部，盆地的四周均被造山带所围限，构造单元上自北向南依次为天山–兴蒙褶皱带、阿拉善地块、走廊过渡带和祁连–秦岭褶皱带[24]。盆地周边活动性强，褶皱、断裂形迹密集，岩浆活动发育，受多期构造影响，盆地西北部多出露孔兹岩带[25]。盆地内构造相对稳定，以发育隆起(凸起)、坳陷(凹陷)、宽缓褶皱等构造为主要形式。根据基底性质及构造形态，把鄂尔多斯盆地划分为6个次级构造单元，分别是伊盟隆起、陕北斜坡、天环坳陷、西缘逆冲带、晋西挠褶带和渭北隆起(图1a)。

研究区位置位于鄂尔多斯盆地北部的伊盟隆起上，北以黄河断陷相邻，是近年来盆地内砂岩型铀矿主要的勘查区之一(图1b)。该地区地层具有双层结构，下部为太古代、元古代结晶和变质基底，上部为中生代以来的沉积盖层，中侏罗统直罗组是区内的主要赋矿层位，根据直罗组沉积时期岩性组合特征和古气候差异，将其分为上段(J22)和下段(J21)。下段为潮湿气候环境下的粗碎屑岩建造，岩性为灰色、浅灰色、绿色砂岩夹泥岩的组合，发育辫状河、曲流河相[26-27]，局部发育河流三角洲相；上段形成于干旱的古气候环境，岩性以杂色的砂岩与粉砂岩、泥岩互层为主，为河流湖泊和小规模三角洲相。中生代以来，研究区经历了印支、燕山和喜马拉雅多期构造活动的叠加，形成了现今的构造格局。

2 样品采集与分析

在鄂尔多斯盆地北部的多个铀矿床具有代表性的14个钻孔中共采集了28块砂岩样品，采样地点如图1所示。采样层位为中侏罗统直罗组下段，该层位主要岩性为绿色、灰绿色、灰色粗砂岩、中砂岩，夹褐红色、绿色泥岩、粉砂岩。重矿物的分选工作在河北省廊坊市科大岩石矿物分选技术服务有限公司完成，实验误差为3%～5%。重矿物筛选和计量过程如下：

1—第四系；2—下白垩统；3—中侏罗统安定组；4—中侏罗统直罗组；5—中侏罗统延安组；6—上三叠统延长组；7—中三叠统二马营组；8—盆地边界；9—构造边界；10—河流；11—研究区；12—取样位置

① 样品筛选 将样品洗净晾干，取约1 kg的样品通过浸泡、过筛后分离出0.125～0.063 mm粒级的样品，反复清洗后烘干、称质量(精度0.1 mg)；

② 重液分离 首先利用三溴甲烷(密度为2.89 g/cm3)分离轻矿物与重矿物，用酒精冲洗后烘干称重；

③ 磁 选 将重矿物平铺在玻璃板上后，用纸包住磁铁在矿物层上缓慢移动，多次反复移动后将磁性矿物分离出，再分别将磁性矿物和非磁性矿物进行称重；

④ 镜下鉴定 将分离出来的磁性矿物和非磁性矿物在显微镜下采用条带法随机进行矿物鉴定，取平均值以减小误差，每种重矿物的鉴定颗粒数大于500粒，统计每种重矿物颗粒含量后，通过密度计算得出重矿物含量。

3 结果分析

3.1 砂岩中重矿物种类及形态特征

样品中共检出重矿物19种，主要重矿物有13种，占所有重矿物的97.44%(表1)，黄铁矿、方铅矿、重晶石等占比过小，不计入总体数据，通过薄片镜下观察发现，黄铁矿和方铅矿存在次生成因，因此，不纳入探讨[28-29]。

表1 鄂尔多斯盆地北部直罗组砂岩重矿物组成及含量

对上述碎屑矿物进行算术平均，占比较高的重矿物为石榴子石(54.11%)、锆石(10.24%)、绿帘石(10.93%)、尖晶石(3.82%)和磷灰石(3.56%)。主要矿物的镜下形态特征如图2所示。

a—锆石；b—磷灰石；c—榍石；d—金红石；e—白钛石；f—石榴子石；g—角闪石；h—绿帘石；i—电气石；j—钛铁矿；k—独居石；l—尖晶石

锆石(图2a)，粉红色和黄色，呈自形–半自形柱状，粒径大小为0.05～0.2 mm不等，平均0.1 mm，通常磨圆度较好；磷灰石(图2b)，无色，呈自形–半自形柱状，粒径0.1～0.2 mm不等，磨圆度中等；榍石(图2c)，颜色呈棕黄色，形态以半自形粒状为主，偶见信封状自形，粒径0.2 mm左右，颗粒边缘不规则，部分有蚀变现象；金红石(图2d)，颜色为暗红褐色，形态以自形–半自形柱状、半柱状为主，粒径多为0.1～0.4 mm，部分有磨圆现象；白钛石(图2e)，颜色为暗银色，形态为半自形粒状，粒径多为0.1～0.4 mm，部分有磨圆现象；石榴子石(图2f)，粉红色，呈半自形粒状，粒径达0.2～ 0.5 mm，平均0.3 mm，磨圆度差，发育裂纹；角闪石(图2g)，颜色为暗绿色，形态以自形–半自形柱状，粒状为主，粒径较大，粒径多为0.1～0.4 mm，部分有磨圆现象；绿帘石(图2h)，暗绿色，呈半自形粒状，粒径0.1～0.2 mm不等，磨圆度差，棱角–次棱角，可见柱面晶形，部分颗粒见凹凸不平的锯齿状；电气石(图2i)，颜色呈褐色，形态为自形–半自形板柱状，磨圆中等，粒径多为0.15～0.2 mm，个别粒径较大达0.5 mm；钛铁矿(图2j)，颜色黑或棕黑色，反射光为银白色，形态为半自形粒状，磨圆中等，粒径0.1～1.0 mm；独居石(图2k)，颜色以浅棕红色，浅黄色为主，形态以半自形圆柱状，粒状为主，磨圆中等，粒径较大，粒径多为0.1～0.2 mm；尖晶石(图2l)，暗紫红色，呈半自形粒状，粒径达0.2～0.5 mm，磨圆度中等。

从重矿物形态特征来看，颗粒主要为次棱角–次圆状，自形程度较好，大部分保留了矿物原来的晶形，搬运过程中对矿物的形态改造程度较低，反映了近源沉积的特征。

3.2 重矿物组合特征

重矿物是物源分析中明显的指示剂[28]。在风化搬运过程中，源岩会分解为不同的物质组分，而重矿物不易分解、易保存，可以依据其组合反映源岩类型。

根据重矿物理化学性质，将样品中重矿物组合分为3类：稳定矿物组合、较稳定矿物组合和不稳定矿物组合。稳定重矿物包含金红石、白钛石、锆石和电气石，占总量的14.27%；较稳定重矿物包含石榴子石、磷灰石、钛铁矿、榍石和独居石，占66.73%；不稳定重矿物包含绿帘石、辉石和角闪石，占14.62%。由表1可知，较稳定重矿物在该地区占比较大。

通过重矿物含量堆积面积(图3)可以明显看出，区内重矿物组合为石榴子石+锆石+绿帘石+黑云母+尖晶石，其中以石榴石、锆石和绿帘石尤为突出，其余的重矿物如磷灰石、榍石、金红石、角闪石、电气石、钛铁矿、独居石和辉石也占有一定的比例，所有样品的重矿物含量差异很小。不同样品的组合矿物基本一致，表明直罗组母岩类型基本一致，属于同一源区，沉积过程中物源稳定[30]。

图3 鄂尔多斯盆地北部直罗组砂岩中各类重矿物累加面积

碎屑沉积物中重矿物组成与源岩类型有很好的对应关系，根据矿物种类及组合可以判断源岩类型及源区[31-32]。分析本区的重矿物类型、含量及其组合特征可知(图4)，研究区砂岩的源岩主要为中高级变质岩(石榴子石+绿帘石+变质锆石)、中酸性岩浆岩(岩浆锆石+榍石+磷灰石+独居石+钛铁矿)和基性岩浆岩(辉石、尖晶石和角闪石)。

3.3 重矿物特征指数分析

特征指数是物源分析的重要参考指标[33]。重矿物特征指数主要是采用某些稳定重矿物含量来反映物源区的母岩类型，推测搬运距离和方向。稳定重矿物在搬运过程中，更不易受到物理破碎、化学溶蚀的影响，能更好地反映物源特征[12]。如ATi指数(100×磷灰石/(磷灰石＋电气石))，可反映物源为火山岩的相关性；GZi指数(100×石榴子石/(石榴子石＋锆石))，可判断角闪岩或麻粒岩是否提供物源；MZi指数(100×独居石/(独居石＋锆石))，可判断物源为深成岩的可能性[33]；ZTR指数是锆石、电气石和金红石之和占总重矿物之比，ZTR指数越大，重矿物的成熟度越高。对重矿物成熟度进行系统研究，可以指示沉积搬运距离和物源方向，或反映不同时期的古构造和古气候的变化[12]。研究区内重矿物的特征指数见表2。

Grt—石榴子石；Ep—绿帘石；Tur—电气石；Zrn—锆石；Ap—磷灰石；Sph—榍石；Spl—尖晶石；Mnz—独居石；Ilm—钛铁矿；Rt—金红石

表2 研究区重矿物特征指数

由表2可知，ZTR指数为3.46%～41.76%，平均14.12%，成分成熟度较低；GZi指数为41.32%～ 95.38%，平均83.32%，该指数偏高，指示石榴子石角闪岩和麻粒岩为主要源岩类型；ATi指数为4.35%～95.45%，平均59.95%，说明火山岩也提供了物源；MZi指数为0～45.45%，平均12.69%，该指数偏低，反映仅有少部分深成岩体参与提供物源。

4 讨论

4.1 物源分析

鄂尔多斯盆地周缘古老基底包括太古宇､元古宇多套古老变质岩系，岩石组合以变火山–沉积岩为主[34-35]，总厚度超过26 000 m。从元古宙以后盆地周缘长期处于剥蚀隆起状态，形成盆地北部的阿拉善–阴山古陆和南部的祁连–北秦岭古陆，并持续为鄂尔多斯盆地提供碎屑供给。

受特提斯构造运动的影响，鄂尔多斯盆地从三叠纪末期开始隆升，造成了盆地西高东低、北高南低的古构造格局。针对该地区的直罗组，前人开展了古流向和沉积相分析[18,36-37]，认为在盆地东北部地区，直罗组主要发育辫状河和曲流河沉积，盆地北部的西北地区是主要的剥蚀区，自NW向SE方向由河流相逐步过渡为三角洲最后入湖，现今盆地东部的延安、富县一带为区域的沉积中心，其中，直罗组下段总体为辫状河沉积，平面上河道沉积总体呈NW–SE向展布。雷开宇[19]对鄂尔多斯盆地北部的直罗组开展了古流向研究，系统测量了交错层理、波痕、砾石最大扁平面方向和剥离线理等层理和层面构造的产状，测量结果显示古水流优势方位在120°～150°之间，表明直罗组沉积时期的古流向主要为NW–SE方向[19]，这与沉积相的展布也比较一致，即盆地北部尤其是NW部是当时主要的物源区。

盆地北部的基底地层现今主要出露在狼山、乌拉山、色尔腾山及大青山一带，其结晶基底主要由古太古界集宁群，新太古界乌拉山群，古元古界色尔腾山群及二道凹群，中元古界长城系渣尔泰山群､白云鄂博群及蓟县系什那干群等多套变质岩系组成[38-39](图5)。其中，太古界集宁群、乌拉山群，元古界色尔腾山群、二道凹群及白云鄂博群等岩性组合为中–高变质岩和孔兹岩系，富含石榴子石，其变质程度可达到角闪–麻粒岩相[16,40-41]。

结合前人[17-18,22,42-45]对盆地北部的东胜、石岗沟、大营、纳岭沟、杭锦旗、塔然高勒和巴音青格力地区直罗组砂岩碎屑锆石年龄与源区年龄对比，总结出以下几个峰值年龄段，分别是200～500、1 600～2 100和2 200～2 700 Ma。200～500 Ma锆石年龄段与乌拉山–阴山–大青山的中酸性侵入岩[18-20,42]有较好的对应关系，这一时期是阴山造山带强烈隆升时期，期间形成了大面积的中酸性侵入岩体[46]；1 600～2 100 Ma段与乌拉山–大青山孔兹岩带形成年龄一致[18]，与狼山、阴山和固阳–武川地区的片麻岩、麻粒岩年龄也有较好的对应关系[20,42,44]，在这一阶段，发生了2期重要热事件，这与孔兹岩带的形成有密切的关系[18]；2 200～2 700 Ma时间段与阴山的花岗质片麻岩和片麻岩、乌拉山–大青山的片麻岩和花岗岩及阴山地区的TTG片麻岩和基性麻粒岩年龄对应较好[20,42]，这一时期，乌拉山–大青山地区发生了一次大规模的变质热事件，TTG岩系和变质基底发育[18,25]。

图5 鄂尔多斯盆地北缘基底岩体分布图(据文献[18]，修改)

综合以上分析认为，鄂尔多斯盆地北部直罗组沉积时期，主要的物源区在现今的大青山和乌拉山一带地区，其母岩主要为北部阴山古陆的中–新太古界–元古界乌拉山岩群和中元古界的渣尔泰山群的孔兹岩系和片麻岩，该地区出露的大规模晚古生代中酸性侵入岩体也作为一部分物源。

4.2 铀源探讨

关于铀的来源，目前比较统一的观点认为有3种：蚀源区的富铀岩体，目的层岩石中的碎屑、吸附态的预富集铀以及深部高铀流体的带入｡其中前两点是砂岩型铀矿中铀的重要来源[10-11,22-23,25]。雷开宇等[20]统计了盆地北部隆起区与古老基底变质岩铀含量，发现盆地北缘各时期侵入岩与古老基底变质岩铀含量均普遍较高。盆地北部隆起区的晚古生代中酸性岩浆岩是区内铀的来源之一[8-9,47-49]，如乌拉山地区的大桦背和狼山东部的查干花钼矿区花岗岩体，铀含量均较高[50-51]。盆地北部的阴山造山带，太古宇乌拉山岩群和狼山地区的狼山群中的片麻岩组具有较高的铀背景值(2.54×10–6、3.5×10–6)，是潜在的铀源[52-53]，蚀源区岩石均有强烈丢失铀的现象[10]。因此，沿着NW–SE方向，随着蚀源区碎屑物的供给，在目的层沉积期也发生了铀的预富集作用，这为铀矿床的形成奠定了基础。现今盆地北部规模较大的铀矿床均分布在盆地东北部的杭锦旗–鄂尔多斯一带，也证实了这一观点。由此推断，盆地北部分布的古老基底变质岩和各时期的侵入岩，在直罗组沉积期提供了初始铀源。

5 结论

a. 鄂尔多斯盆地北部直罗组重矿物组合主要为石榴子石+锆石+绿帘石+黑云母+尖晶石，其次，还含有少量的磷灰石、榍石、金红石、角闪石、电气石、钛铁矿等，重矿物组合和特征指数综合反映的母岩类型以中高级变质岩和中酸性岩浆岩为主，总体表现为近源沉积的特征。

b. 盆地北部分布于大青山和乌拉山地区的中–新太古界—元古界的乌拉山岩群、中元古界渣尔泰群以及各时期的中酸性侵入岩体为研究区直罗组提供物源。

c. 盆地北部的古老基底变质岩与各时期中酸性岩浆岩普遍具有较高的铀含量，沿着NW—SE方向铀迁出明显，为后期铀成矿作用提供了初始铀源。

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Distribution characteristics of heavy minerals in the sandstone of Zhiluo Formation of northern Ordos Basin and its implication

ZHANG Yuanyuan1, ZHANG Pengfei2, NIE Fengjun3, YAN Pengbing1, ZHANG Zhibo4, YAN Zhaobin3, ZHANG Xin3

(1. Geological Party No.208, CNNC, Baotou 014010, China; 2. Institute of Sedimentary Geology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 3.State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment, East China University of Technology, Nanchang 330013, China；4. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou221083, China)

In recent years, the evaluation of sandstone-type uranium ore in Ordos Basin has made great progress, and the problems about provenance and uranium sources of the target layer have drawn the most attention for a long time. Based on the comprehensive analysis of heavy minerals, this paper discusses the source of detrital materials and ore-forming uranium sources in Zhiluo Formation of sandstone type uranium deposits in the northern Ordos Basin. The results show that the heavy mineral assemblages of Zhiluo Formation in the study area mainly include garnet, zircon, epidote, biotite, spinel, as well as a small amount of apatite, sphene, rutile and hornblende, tourmaline, ilmenite, which reflects the parent rock type of mainly intermediate and high-grade metamorphic rocks and intermediate acid magmatic rocks. The heavy mineral characteristic index reflects the characteristics of the garnet-bearing metamorphic rock as the main source rock type and proximal deposition. The comprehensive analysis shows that the main provenance areas of Zhiluo Formation are the Middle-Lower Archean Proterozoic Wulashan Rock Group, the Middle Proterozoic Zartai Group and intermediate acid intrusive bodies of various periods in Daqingshan and Wulashan regions in the northern part of the basin. Among them, the ancient basement metamorphic rocks and various periods intermediate acid magmatic rocks generally have high uranium content, with an obvious uranium migration along the NW-SE direction, providing the initial uranium source for the later uranium mineralization.

heavy minerals; sandstone-type uranium deposit; provenance; intermediate-acid magmatic rocks; metamorphic rocks;northern Ordos Basin

P588.2

A

1001-1986(2021)04-0142-11

2020-08-23；

2020-10-31

中国核工业地质局项目(201902)；国家自然科学基金项目(42072099)

张媛媛，1993年生，女，宁夏银川人，硕士，助理工程师，从事沉积学和铀矿勘查研究. E-mail：812948019@qq.com

张媛媛，张鹏飞，聂逢君，等. 鄂尔多斯盆地北部直罗组砂岩重矿物分布特征及其指示意义[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(4)：142–152. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.017

ZHANG Yuanyuan，ZHANG Pengfei，NIE Fengjun，et al.Distribution characteristics of heavy minerals in the sandstone of Zhiluo Formation of northern Ordos Basin and its implication[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：142–152. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.017

(责任编辑 范章群)