東準卡姆斯特地區中侏羅—漸新世古氣候環境分析及對砂巖型鈾礦的影響

孫瀟 王國榮 王果

摘 ? 要：砂巖型鈾礦屬沉積盆地內表生水滲入成礦類型，古氣候條件、沉積環境對含礦建造的形成、后生改造及鈾元素的富集成礦等具重要影響。本次研究主要對該區內多個鉆孔不同層位、不同顏色巖石系統采樣測試，據測試結果對卡姆斯特地區不同地質時期巖石地球化學特征及古氣候條件、沉積環境進行研究，并探討古氣候條件對該區鈾元素遷移富集的影響。本次共采取234件侏羅—新近系巖石樣品，開展常、微量元素分析、有機碳含量分析及粘土礦物相對含量分析。結果表明，從中侏羅世西山窯期至古近紀中晚期研究區氣候總體為溫濕-干旱，中侏羅世頭屯河期早期沿襲了溫濕氣候，后期逐漸向干旱轉變，為一個氣候過渡期，有利于卡姆斯特地區與氧化帶相關鈾成礦作用的發育。

關鍵詞：卡姆斯特地區;古氣候;沉積環境;砂巖型鈾礦

砂巖型鈾礦的形成受控于氧化-還原作用，古氣候不僅決定了含礦巖系沉積時的氧化、還原性質，同時對沉積期后蝕源區及地層中鈾的淋濾、遷移及沉淀具重要影響。因此，古氣候條件研究在某一地區砂巖型鈾成礦條件評價工作中是不容忽視的。陳戴生等對我國中新生代古氣候演化及對盆地砂巖型鈾礦的控制作用進行了探討[1]，楊燁、何中波通過尋找古生物、沉積體系、孢粉證據，分析了準噶爾盆地中新生代古氣候演化特征，并對砂巖型鈾成礦作用進行了探討[2]。另有學者通過研究地球化學指標（常量元素、微量元素、稀土元素、有機質等）的變化規律及粘土礦物組合特征對古氣候、古沉積環境進行了研究[3-5]。本次通過對卡姆斯特地區多個鉆孔巖心樣品的系統采集和分析測試，開展了不同地質時期的沉積地球化學特征及古氣候環境條件研究，并探討了古氣候條件對鈾元素遷移富集的影響。

1 ?研究區概況

準噶爾盆地及周邊經歷了多旋回的構造運動。石炭紀早期為洋盆，在海西構造運動中完成與周圍板塊的拼合。新生代前發育各種繼承性、持續性或階段性隆起與坳陷。研究區地處準噶爾盆地東北緣，構造上縱向橫跨索索泉凹陷及滴北凸起（圖1），發育上古生界和中新生界，分別構成盆地基底和蓋層。蓋層由中新生界三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系組成。侏羅系發育較齊全，包括八道灣組、三工河組、西山窯組、頭屯河組和齊古組。八道灣組巖性以灰色泥巖、砂巖、碳質泥巖、褐煤互層為主，底部為礫巖層;三工河組巖性以泥巖、泥質粉砂巖、砂巖為主，底部為礫巖或含礫砂巖層，下部主要為低彎曲度砂質辮狀河沉積，中、上部沉積了一套以濱湖、淺湖相為主的泥質粉砂巖及泥巖，局部夾有分流河道相砂體;西山窯組巖性以灰白色砂巖、泥巖、泥質粉砂巖互層為主，夾煤層和碳質泥巖、礫巖，總體沉積相以濱湖相、湖相為主，下部沉積了一套辮狀河相砂體;頭屯河組下部為原生灰色層，由礫巖、砂巖、泥巖和泥質粉砂巖組成，為一套辮狀河、濱湖、淺湖相、分流河道沉積物，底部泥礫巖為標志層;上部為一套雜色層，以河道相、河漫灘相、濱湖、淺湖相沉積物為主，由灰、灰綠色與紫紅、褐紅色砂泥巖互層組成，以泥巖為主;齊古組為一套棕紅色、紫紅色細碎屑巖，下部為中、細砂巖，中上部為粉砂質泥巖、泥巖;下白堊統吐谷魯群僅在鉆孔中被古近系超覆，地表未見出露。巖性以紫紅色泥巖、砂質泥巖、泥質砂巖為主，夾細砂巖、中細砂巖，底部礫巖層;古近系烏倫古河組巖性為厚層淺黃、淺黃白及灰白色中細砂巖、細砂巖、粉砂巖夾泥巖，底部為礫巖、砂礫巖;新近系沙灣組以黃色、淺褐色砂礫巖、礫巖為主。

2 ?樣品采集及分析方法

本次研究234件樣品的加工及常、微量元素分析、有機碳含量分析均由核工業新疆理化分析測試中心完成，沉積巖粘土礦物相對含量分析由中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司實驗檢測研究院分析測試。按規范EJ/T1121-2000、DZ/T0130-2006，樣品加工粒度物理項目80～100目，化學分析項目160～200目，質量200 g/樣。本次研究Th、微U、CaO、MgO、Al2O3、Ga、Rb分析項采用ICP-OES，ICP-MS分析， B分析項采用一米平面光柵攝譜儀WWP1分析，FeO、Fe2O3、有機碳分析項采用滴定管滴定，沉積巖粘土礦物相對含量x衍射分析采用D8 X射線衍射儀分析。

3 ?古氣候及古沉積環境分析

3.1 ?元素地球化學分析

地球化學元素的遷移與富集特征是古氣候環境的忠實記錄者。地球化學元素遷移與富集同盆地演化的構造背景、物源區地質特征等因素有關。目前很難采集與地層沉積時期相一致的物源區巖石樣品進行比對研究，因此，本次研究僅討論地球化學元素的遷移與富集對古氣候環境變化的記錄。

沉積巖中的常量元素、微量元素及某些元素的比值被廣泛用于恢復古氣候和判別沉積環境[3-6] 。粒度粗的沉積物在較強的水動力條件下接受沉積，水動力較強的分選作用使得粒度細的顆粒被帶走。在弱水動力條件下，粒度較細的沉積物（粉砂級、泥級）經較長時間搬運和分選后沉積，因此，較細沉積物中會保留反映該時段完整豐富的地球化學記錄[4]。本文用來分析古氣候及沉積環境的樣品主要來自卡姆斯特地區侏羅—漸新世地層中的泥質粉砂巖、粉砂質泥巖和泥巖，共計72件。下白堊統吐谷魯群24件，上侏羅統齊古組24件，中侏羅統頭屯河組上段7件，中侏羅統頭屯河組下段10件，中侏羅統西山窯組5件。

常量元素中CaO、MgO、Al2O3對古氣候環境具敏感反映，Al2O3喜濕， CaO/MgO值高指示古環境氣溫相對較高，CaO/MgO值低指示古環境氣溫相對較低[7]。據分析（圖2），Al2O3含量平均值總體呈下降趨勢，但在晚侏羅世齊古期至早白堊世吐谷魯期略有升高，反映中侏羅世西山窯期至中侏羅世齊古期，該地區古氣候逐漸由濕潤向干旱轉變，齊古晚期至早白堊世吐谷魯期，該地區古氣候干旱程度降低，向半干旱氣候過渡。CaO/MgO值變化不大，中侏羅世西山窯期略有下降，說明該時期氣溫較之前有所降低，但還屬溫熱氣溫。硼元素（B）在海相泥質沉積物中含量較高，稼元素（Ga）多富集在淡水沉積物中，利用泥質沉積物的硼與稼的比值指示古鹽度是有效的[8-9]。Fe2+/Fe3+的值及有機碳含量往往對地層沉積時的氧化、還原環境有一定指示作用，當Fe2+/Fe3+>1時為還原環境[8]。

研究表明，B/Ga值越大古鹽度越大，陸相環境B/Ga比值一般小于3.0～3.3[9]。如圖3所示，卡姆斯特地區中侏羅世西山窯期至早白堊世吐谷魯期沉積物B/Ga值都小于3.0，但整體呈增加趨勢，表明該地區這一時期為淡水環境，古鹽度略有增加。下白堊統吐谷魯群砂巖及粉砂巖中見大量鈣質結核也印證了這一推斷。中侏羅世西山窯期至早白堊世吐谷魯期，樣品Fe2+/Fe3+均值呈遞減趨勢（圖4），中侏羅世西山窯期至頭屯河期早期Fe2+/Fe3+值大于1，為還原環境，其中西山窯期Fe2+/Fe3+均值為18.641，遠大于1，呈強還原環境。頭屯河晚期各地層中Fe2+/Fe3+均值小于1，呈氧化環境，說明頭屯河期為一個由還原環境向氧化環境轉變的過渡時期。古近系—中侏羅統齊古組有機碳含量具有同Fe2+/Fe3+值一致的變化趨勢。有機碳高值區基本重疊于還原相帶，且位于古鹽度較低處，可見Fe2+/Fe3+>1及較低的古鹽度有利于沉積物中有機碳的含量升高。

3.2 ?粘土礦物組分分析

粘土礦物為次生礦物，廣泛分布于地表沉積物中，其組合特征及結晶程度與外部氣候環境變化密切相關。在風化作用下，綠泥石水鎂石層內的二價鐵易被氧化;高嶺石常發育于高溫多濕及強酸性條件下;堿性、高鎂的溫暖氣候條件有利于蒙脫石的形成;干燥氣候、弱淋濾作用有利于伊利石的形成和保存[10-11];伊利石-蒙脫石混層礦物指示著其出現時的成巖強度[12]。

本次采集樣品中粘土礦物含量分析結果顯示（表1），卡姆斯特地區西山窯期高嶺石含量最高，伊利石含量較低，綠泥石含量不高但略高于其它時期。說明當時為溫暖、潮濕的氣候條件，伊利石-蒙脫石混層礦物檢出，但未檢出蒙脫石，表明成巖過程中存在蒙脫石向伊利石的轉化;頭屯河期高嶺石含量驟減，綠泥石含量較低，伊利石含量較前一時期略有增加，伊利石-蒙脫石混層礦物、蒙脫石均有檢出，說明該時期較前一時期溫度和濕度有所降低，但仍屬于溫暖潮濕的氣候環境，且成巖過程也存在蒙脫石向伊利石轉化;齊古期未檢出高嶺石，綠泥石含量較低，伊利石-蒙脫石混層礦物檢出，蒙脫石含量略低于與相鄰的兩個時期，伊利石含量與蒙脫石呈相反趨勢，說明齊古期相對其它時期較干燥，氣溫較前期增高;吐谷魯期未檢出高嶺石，綠泥石含量低，伊利石-蒙脫石混層礦物檢出，蒙脫石含量較前期有所增加，伊利石含量與蒙脫石呈相反趨勢，說明吐谷魯期該區仍處于溫暖環境，相對前期干旱程度有所降低;烏倫古河期未檢出高嶺石和蒙脫石，伊利石-蒙脫石混層礦物檢出，綠泥石含量低，伊利石含量接近于零，反映烏倫古河期該區氣溫較之前有所下降且轉向干旱環境。

4 ?古氣候及古環境對砂巖型鈾礦的影響

樣品元素地球化學分析及粘土礦物組分特征表明，東準卡姆斯特地區中侏羅—漸新世古氣候逐漸由溫熱、潮濕向亞熱、干旱轉變，雖有冷干與暖濕波動，但總體上呈較溫暖的氣候特征，沉積環境均為淡水環境，但古鹽度增加。本次采取的樣品中鈾含量結果顯示（圖5），古近系、新近系樣品U含量均小于3×10-6;上侏羅統齊古組、下白堊系樣品U含量2×10-6～6×10-6;中侏羅統頭屯河組U含量相對偏高，為3×10-6～7×10-6，部分樣品U含量高達10×10-6;西山窯組U含量2×10-6～5×10-6。

鈾的表生地球化學行為突出，在氧化環境中遷移強，還原環境中遷移性弱。中侏羅世西山窯期沉積階段氣候濕熱，頭屯河期呈過渡型特征。早期延續了西山窯期潮濕的古氣候，氣溫略有降低。西山窯—頭屯河早期，地層中有機碳含量較高，為還原沉積環境。巖石中氧化物CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2等，經地面溫濕氣候作用，與含氧水共同產生堿性、酸性溶液，并將巖石中鈾元素溶解、搬運，遇到地層中有機碳、黃鐵礦等還原介質，溶液中鈾元素被還原沉積。頭屯河晚期濕度逐漸降低，至晚侏羅世齊古期轉為干旱氣候，為氧化沉積環境。干旱氣候有利于大氣氧深入到地下水位以下，甚至滲入到承壓水系統中[16]。蝕源區高鈾地質體中鈾元素被富氧的大氣降水及地表徑流淋濾、活化遷出、運移，至中侏羅統頭屯河組下段和西山窯組還原為砂體，在水動力作用下，形成穩定的層間氧化帶，并在氧化-還原過渡部位持續鈾的富集。早白堊世吐谷魯期濕度增加，轉為半干旱、暖熱氣候。豐富的地表含氧水的補給，有利于氧化帶的持續發育。古近紀后，該區氣候逐漸變得溫涼、干旱，為氧化沉積環境。這種濕潤-干旱-半干旱-干旱的交替變化，有利于地層中氧化發育及鈾元素的富集。頭屯河組底部及西山窯部分灰色砂體中發育較大規模工業鈾礦體。

5 ?結論

（1） 元素地球化學及粘土礦物組分顯示，東準卡姆斯特地區中侏羅世西山窯期為溫濕的古氣候，頭屯河晚期至晚侏羅世齊古期，氣溫升高變為干旱，齊古至晚白堊世吐古魯期氣溫繼續升高，但濕度略有增加，進入新生代古近紀后轉為溫涼干旱氣候。

（2） 中侏羅世西山窯期至頭屯河期早期，地層中有機碳、黃鐵礦等還原介質豐富，為還原環境， 頭屯河晚期之后為氧化環境。

（3） 東準卡姆斯特地區中侏羅—漸新世古氣候及古環境，有利于蝕源區富鈾地質體中鈾元素遷出，并為中侏羅統西山窯組和頭屯河組下段灰色砂巖中的氧化帶的持續發育和鈾礦形成提供了保障。

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Abstract：The sandstone-type uranium deposit belongs to the type of the mineralization that sedimentary basin in which the surface water infiltrates for mineralizing，the paleoclimatic conditions and depositional environment have important effects on the construction of ore-bearing， ?the epigenetic alteration and the enrichment of uranium elements for mineralization.In this study， the systematic sampling and testing of rock samples from different layers and various color rock systems in multiple boreholes in this area were carried out.According to the test results， the geochemical characteristics of rocks formed in different geological periods，paleoclimatic conditions and sedimentary environment in Kamuster area were studied， and the influence of paleoclimatic conditions on the migration and enrichment of uranium elements in this area was discussed.In this study， a total of 234 Jurassic-neogene rock samples were taken for the analysis of ordinary and trace elements，organic carbon content and relative content of clay minerals.The results show that the area from the Xishanyao period in middle Jurassic to the middle-late paleogene had a climate that is generally by temperature humidity-drought，the early of Toutunhe period in middle Jurassic followed humid climate，which gradually became drought in the late and it was a transitional climate that is benefit to the development of regional uranium mineralization is associated with the oxidation zone in this area.

Key words：Kamuster area;Paleoclimate;Sedimentary environment;Sandstone-type Uranium deposit