鄂尔多斯盆地北部下白垩统赋矿砂岩中有机质特征及其与铀成矿的关系

doi:10.13745/j.esf.sf.2023.9.23

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (4): 281-296.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.9.23

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鄂尔多斯盆地北部下白垩统赋矿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^,^*(), 张字龙¹, 王龙辉², 李振成², 韩美芝¹, 王婷婷¹

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○八大队, 内蒙古包头 014010

收稿日期:2023-07-16 修回日期:2023-09-18 出版日期:2024-07-25 发布日期:2024-07-10
通信作者: * 李子颖(1964—),男,博士,正高级工程师,博士生导师,主要从事铀矿地质科研与找矿工作。E-mail: zyli9818@126.com
作者简介:邱林飞(1984—),男,博士,正高级工程师,主要从事铀成矿作用与成矿机理研究工作。E-mail: qlf0602@163.com
基金资助:
国家自然科学基金联合基金重点项目(U2167210);中核集团集中研发项目(SD04)

Characteristics of organic matter in Lower Cretaceous ore-bearing sandstones and its relationship with uranium mineralization in the northern Ordos Basin

QIU Linfei¹(), LI Ziying¹^,^*(), ZHANG Zilong¹, WANG Longhui², LI Zhencheng², HAN Meizhi¹, WANG Tingting¹

1. CNNC Key Laboratory of Uranium Resource Exploration and Evaluation Technology, Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China
2. CNNC Geological Party No.208, Baotou 014010, China

Received:2023-07-16 Revised:2023-09-18 Online:2024-07-25 Published:2024-07-10

摘要/Abstract

摘要：

近几年,鄂尔多斯盆地北部下白垩统铀矿找矿取得重大突破,在特拉敖包及其外围发现了多个产于环河组下段的厚大铀矿孔。有机质是砂岩型铀矿化的重要因素之一,环河组下段赋矿砂岩中缺乏肉眼可见的有机质,在铀矿化过程中起主导作用的有机质类型目前还缺乏研究,铀成矿作用过程还不清楚。本文以特拉敖包铀矿产地赋矿砂岩为研究对象,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与铀成矿的关系。研究结果表明:赋矿砂岩中几乎不含炭屑有机质,有机质主要为顺层沿砂岩孔隙充填、具有流动特征的浸染状有机质,它是一种具有与沥青相似的复杂结构、低演化程度的大分子物质,具有高等植物和低等水生生物混合来源的特点。铀矿化与固体炭屑有机质关系不大,主要与浸染状有机质密切相关,特拉敖包铀矿产地的成矿特征契合“渗出”砂岩型铀矿成矿模式的特点,深灰色、灰褐色铀矿石的形成可能主要与深部渗出的有机流体有关。成矿元素可能主要以有机质络合物的胶体形式迁移,物理化学条件的变化可能是导致成矿流体发生分解并沉淀成矿的主要因素。

关键词: 有机质, 铀成矿作用, 下白垩统, 砂岩型铀矿, 鄂尔多斯盆地

Abstract:

In recent years, significant progress has been achieved in uranium exploration within the Lower Cretaceous strata of the northern Ordos Basin. Notably, numerous large-scale industrial drill holes, revealing substantial ore bodies, have been unearthed within the lower segment of the Huanhe Formation in the Tela’aobao area and its vicinity. Organic matter serves as a pivotal factor in sandstone-type uranium (U) mineralization. Despite the absence of visible organic matter in U-mineralization sandstone, there remains a dearth of research on the specific organic matter types influencing the U-mineralization process, thus leaving the uranium mineralization process ambiguous. This study focuses on the sandstone-type U-deposit in Tela’aobao area, located in the northern region of the Ordos Basin. Through comprehensive observation of drill cores and subsequent laboratory analyses, we have delineated the organic matter types present in the U-mineralization sandstone and investigated the relationship between organic matter sources and U-mineralization. Our findings indicate that the organic matter in U-mineralization sandstones is primarily disseminated and exhibits flowing characteristics within sandstone pores. This macromolecular organic matter, akin to bitumen, possesses a complex structure and low evolutionary degree, suggesting a mixed origin from both higher plants and lower aquatic organisms. The formation of dark gray and gray-brown uranium ores may be linked to exuded organic fluids. Ore-forming elements are likely transported primarily in colloidal form via organic matter complexes. Moreover, changes in physical-chemical conditions may constitute the primary driver behind the differentiation and mineralization of ore-forming fluids.

Key words: organic matter, uranium mineralization, Lower Cretaceous, sandstone-type uranium deposit, Ordos Basin

中图分类号:

邱林飞, 李子颖, 张字龙, 王龙辉, 李振成, 韩美芝, 王婷婷. 鄂尔多斯盆地北部下白垩统赋矿砂岩中有机质特征及其与铀成矿的关系[J]. 地学前缘, 2024, 31(4): 281-296.

QIU Linfei, LI Ziying, ZHANG Zilong, WANG Longhui, LI Zhencheng, HAN Meizhi, WANG Tingting. Characteristics of organic matter in Lower Cretaceous ore-bearing sandstones and its relationship with uranium mineralization in the northern Ordos Basin[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(4): 281-296.

图/表 13

图1 鄂尔多斯盆地构造纲要图(图a)(据文献[21]修改)及盆地北部区域地质图(图b)(据文献[10]修改)与矿区地质图(图c)(据核工业208大队资料修改)

Fig.1 Tectonic outline map of the Ordos Basin (a) (modified from [21]) and regional geological map of the North Ordos Basin (b) (modified from [10]) and geological map of ore deposit area (c) (modified according to data from No.208 Geological Party, CNNC)

图2 特拉敖包铀矿产地铀矿体连井剖面图

Fig.2 Connecting well profile of the uranium ore bodies in the Tela’aobao uranium deposit

图3 特拉敖包铀矿产地铀矿石手标本及其显微岩相特征 a—不同颜色的典型矿石标本;b—长石岩屑砂岩显微特征,单偏光;c—赋矿砂岩呈点-线接触,受铁质泥质胶结,单偏光;d—赋矿砂岩呈点-线接触,受方解石胶结,正交偏光(包裹体片)。

Fig.3 Hand specimens of uranium ore from the Tela’aobao uranium deposit and their microscopic lithological characteristics

表1 本研究主要样品信息简表

Table 1 Summary table of the main sample information in this study

钻孔号	样品编号	岩性	样品颜色	深度/m	伽马强度/Ur
W20-1	E2020-76	粗砂岩	浅红色	332.6	16
	E2020-77	粗砂岩	灰绿色	337.8	17
	E2020-81	杂色粗砂岩	褐红-灰绿色	366.5	17
	E2020-86	粗砂岩	灰绿色	391.4	15
	E2020-89	粗砂岩	灰色(含紫红色)	453	12
	E2020-334	粗砂岩(矿段)	灰绿色	334	126
	E2020-335	粗砂岩(矿段)	褐灰色	407.04	61
	E2020-634	粗砂岩	褐灰色	201.0	17
W20-3	W2020-17-1	中细砂岩	灰绿色	461.1	23
	W2020-17-2	中砂岩	灰绿色	466.3	25
	W2020-17-3	中细砂岩	灰绿色	471.5	28
W19-1	E2020-225	粗砂岩	紫红色	80.41	10
	E2020-234	中砂岩	绿色	198.38	10
	E2020-242	中砂岩	红色	286.6	11
	E2020-249	中砂岩	灰绿色	337.8	11
	E2020-279	粗砂岩	绿色	446.8	9
	E2020-283	粗砂岩	绿色	470.18	10
Y31-0	Y31-0-4	中细砂岩(矿段)	灰绿色	358.31	23
Y0-31	Y0-31-20	细砂岩(矿段)	灰绿色	299.95	45
	Y0-31-23	中砂岩(矿段)	灰白色	328.7	12
	Y0-31-26	中粗砂岩(矿段)	灰绿色	453.5	66
	Y0-31-37	条带状氧化细砂岩	浅红-灰色	148.6	12
Y31-32	Y31-32-1	细砂岩	灰绿色	264.4	9
	Y31-32-J	中粗砂岩(矿段)	绛紫色	346.1	334
	Y31-32-C	含有机质中粗砂岩(矿段)	灰黑色	349.3	165
Y32-31	Y32-31-1	细砂岩(矿段)	灰绿色	315.9	18

图4 特拉敖包铀矿产地赋矿砂岩有机质的宏观与微观特征 a—铀矿体上部灰绿色中粗砂岩中含条带状有机质;b—不同颜色铀矿石的手标本;c—铀矿体上部砂岩中见细脉浸染状有机质;d—图b中灰黑色矿石切片,呈灰黑色铀矿石中富含黑色细脉浸染状有机质;e—绛紫色铀矿石粒间孔隙中充填铁氧化物和浸染状有机质;f—褐灰色含矿粗砂岩粒间孔隙中受轻质油浸染,显示强浅蓝色荧光;g,h—灰黑色铀矿石粒间孔隙中富含细脉浸染状有机质,且其石英碎屑的微裂隙中发育呈带状分布的轻质油包裹体,显示浅蓝色的荧光;i,j—灰黑色含矿砂岩石英碎屑的微裂隙中发育呈带状分布的轻质油包裹体,显示浅蓝色的荧光。

Fig.4 Macroscopic and microscopic characteristics of organic matter in ore-bearing sandstones from the Tela’aobao uranium deposit

图5 特拉敖包铀矿产地含矿砂岩中铀矿物及其典型共生矿物显微特征与绿泥石拉曼光谱图图a-i中,除图b为扫描电镜能谱面扫描合成图外,其余均为背散射图。a—褐灰色含矿砂岩粒间孔隙中大量充填纤维状钛铁氧化物(主要为针铁矿),其中见短柱状或不规则状铀石矿物;b—褐灰色含矿砂岩粒间孔隙中充填含钛铀石矿物-草莓状黄铁矿-锐钛矿-铁氧化物的共生组合;c—钾长石碎屑微裂缝中充填含钛铀石矿物;d,e—含矿砂岩石英碎屑被强还原性有机流体溶蚀,溶蚀孔洞中充填铀石和有机质;f—深灰色铀矿石中充填细脉浸染状有机质,与闪锌矿、黄铁矿和含钛铀石矿物紧密共生;g—黏土矿物表面吸附了球状铁氧化物和粒状、短柱状铀石矿物;h—灰褐色含矿砂岩粒间孔隙充填草莓状黄铁矿与含钛铀石矿物;i—灰黑色富矿石中充填细脉浸染状有机质,其中见大量的含钛铀石、硒铅矿等;j—赋矿砂岩中的绿泥石及其中心部位褐红色氧化物(褐铁矿)拉曼光谱图。

Fig.5 Microscopic characteristics of uranium minerals and their typical associated minerals in ore-bearing sandstones from the Tela’aobao uranium deposit, along with the Raman spectra of chlorite

图6 特拉敖包铀矿产地矿石中铀矿物FIB切割及透射电镜-能谱特征 a—含细脉浸染状有机质的灰黑色铀矿石和绛紫色铀矿石手标本;b—灰黑色铀矿石中含铀矿物有机质的扫描电镜能谱面扫描图;c—对图b中的典型区域进行FIB切割;d—灰黑色铀矿石FIB切割后透射电镜下的电子背散射图;e—与图d同一区域,透射电镜下的铀元素能谱面扫描图;f—绛紫色铀矿石中含铀矿物区域的扫描电镜;g—绛紫色铀矿石中铀矿物FIB切割后透射电镜下的铀元素能谱面扫描图;h—与图g同一区域,透射电镜下的铀元素电子背散射图;i—FIB切割过程图。

Fig.6 Focused ion beam (FIB) cutting and transmission electron microscopy-energy dispersive spectroscopy (TEM-EDS) characteristics of uranium minerals in ore from the Tela’aobao uranium deposit

图7 鄂尔多斯盆地东北部含矿砂岩有机质的激光拉曼光谱图 a—鄂尔多斯盆地东北部巴音青格利矿床直罗组赋矿砂岩炭屑有机质激光拉曼光谱;b—特拉敖包铀矿产地环河组赋矿砂岩中条带状有机质激光拉曼光谱图;c—特拉敖包铀矿产地环河组赋矿砂岩碎屑石英矿物中有机质包裹体激光拉曼光谱图;d—赋矿砂岩浸染状铁氧化物+有机质的激光拉曼光谱。

Fig.7 Laser Raman spectrogram of organic matter in ore-bearing sandstones, northeastern Ordos Basin

表2 特拉敖包铀矿产地环河组赋矿砂岩铀含量及TOC含量分析结果

Table 2 Uranium and total organic carbon (TOC) content analysis results of ore-bearing sandstones of the Huanhe Formation from the Tela’aobao uranium deposit

样品编号	样品特征	铀含量/10^-6	TOC含量/%
E2020-76	褐灰色中粗砂岩	23.4	0.17
E2020-77	褐灰色中粗砂岩	21.2	0.10
E2020-81	绿色细砂岩	26.7	0.12
E2020-86	灰色粗砂岩	16.2	0.09
E2020-334	灰绿色粗砂岩(矿段)	378.0	0.13
E2020-335	褐灰色粗砂岩(矿段)	79.0	0.23
E2020-89	绿色粗砂岩	4.0	0.08
E2020-225	紫红粗砂岩	1.84	0.10
E2020-234	绿色中砂岩	7.99	0.09
E2020-242	红色中砂岩	7.15	0.13
E2020-249	灰绿色中砂岩	12.5	0.11
E2020-279	绿色粗砂岩	2.18	0.12
E2020-283	绿色粗砂岩	2.15	0.08
Y32-31-1	灰绿色细砂岩(矿段)	11.8	0.09
Y31-32-1	灰绿色细砂岩	7.36	0.11
Y31-0-4	灰绿色中细砂岩(矿段)	17.3	0.13
Y0-31-23	灰白色中砂岩	9.28	0.09
Y0-31-20	灰绿色细砂岩(矿段)	39.5	0.08
Y0-31-26	灰绿色中粗砂岩(矿段)	79.7	0.09
Y0-31-37	条带状氧化细砂岩	4.28	0.19
Y31-32-C	灰黑色铀矿石(矿段)	424	2.26

图8 特拉敖包铀矿产地赋矿砂岩有机碳含量与铀含量关系图

Fig.8 Plot of TOC versus uranium contents of ore-bearing sandstones from the Tela’aobao uranium deposit

表3 特拉敖包铀矿产地环河组赋矿砂岩的可溶有机质抽提及色谱-质谱分子地化分析参数

Table 3 Parameters of soluble organic matter extraction and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) molecular geochemical analysis of ore-bearing sandstones of the Huanhe Formation from the Tela’aobao uranium deposit

样品号	氯仿沥青A 含量/%	饱和烃含量/%	芳香烃含量/%	胶质含量/%	沥青质含量/%	主碳数	饱芳比	Pr/Ph	CPI	OEP	Pr/nC₁₇	Ph/nC₁₈
E2020-634	0.0023	46.67	11.11	33.33	8.89	nC₁₇	2.0	0.912	1.301	1.077	0.335	0.386
W2020-17-1	0.0021	54.00	15.00	22.00	9.00	nC₂₇	3.6	0.725	1.113	1.052	0.737	0.851
W2020-17-2	0.0012	35.00	20.00	31.67	13.33	nC₁₈/nC₂₇	1.7	0.687	1.083	0.942	0.841	1.045
W2020-17-3	0.0016	57.14	12.86	17.14	12.86	nC₂₉	4.4	0.771	0.963	1.107	0.963	1.087

图9 特拉敖包铀矿产地环河组赋矿砂岩残留有机质抽提物GC-MS分析结果典型谱图 a—抽提物正构烷烃气相色谱图;b—抽提物萜类化合物特征;c—抽提物甾类化合物特征。

Fig.9 Typical chromatograms of gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analysis of residual organic matter extracts from ore-bearing sandstones of the Huanhe Formation from the Tela’aobao uranium deposit

图10 深部烃源岩排烃排铀与成矿流体演化过程示意图

Fig.10 Schematic diagram of hydrocarbon expulsion, uranium, and ore-forming fluid evolution from hydrocarbon source rocks

参考文献 46

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鄂尔多斯盆地北部下白垩统赋矿砂岩中有机质特征及其与铀成矿的关系

Characteristics of organic matter in Lower Cretaceous ore-bearing sandstones and its relationship with uranium mineralization in the northern Ordos Basin

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