0 引言

陆源碎屑沉积物中黏土矿物的比重较大，普遍存于各种泥岩、砂岩、砂砾岩的胶结物中，具有颗粒细小、比表面积大等特点。这些特征使得其对地质环境变化特别敏感，因此黏土矿物的类型及其组合特征与沉积环境、沉积物源、古气候特征、成岩作用、构造背景和成矿作用等有密切的关系。不同流体地质作用下，对应不同的黏土矿物组合特征，黏土矿物成为记录成矿流体信息的重要介质（宋昊等，2016；李伟涛等，2020；陈程等，2023）。通常认为蒙脱石代表碱性介质环境，高岭石代表酸性介质环境（丁波等，2020a），伊利石代表中性介质环境。国内外学者已经发现黏土矿物对铀矿物的吸附现象，并对其作用机制和地质意义展开了研究（陈路路等，2018；赵华雷等，2018；丁波等，2020b）。丁波等（2020a）通过黏土矿物分析发现鄂尔多斯盆地北缘砂岩型铀矿的形成经历了 3 期流体作用，即有机酸流体发育阶段—含铀含氧水层间渗入成矿阶段 —油气大规模逸散-叠加改造保矿共 3 阶段。脑木更地区发现的砂岩型铀矿是近年来取得的较为重大的勘探成果，矿床规模有望达到中型，研究发现，该区砂岩型铀矿的成矿特点主要受辫状河三角洲沉积微相控制，即成矿部位主要位于辫状河道水流速减缓处（滞水带），该部位有利于炭屑等有机质的富集，其成矿特点与哈达图铀矿床相似，不同于赛汉高毕铀矿床的曲流河沉积特征和巴彦乌拉矿床底部煤层的还原介质作用。但同时，储层砂岩微观地球化学特征对铀成矿的机理研究相对薄弱，因此本次通过对矿层及围岩黏土矿物特征进行研究来反演该区的成矿流体特征（钟佳霖等，2022）。笔者以脑木更地区矿层砂岩及其围岩为研究对象，通过电子探针、扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等手段，分析其黏土矿物组合特征，探讨该区成矿流体与铀矿化之间的关系。

1 区域地质背景

二连盆地处于西伯利亚板块与华北板块缝合线部位，是在兴—蒙海西期褶皱基底上发育起来的大型中新生代断-坳复合型断陷盆地（漆家福等， 2015；赵贤正等，2015）。盆地面积约 11 万 km²，走向为近北东向，向西和西南逐渐变为北东东和近东西向。盆地具有五坳一隆的构造格局，5 个坳陷由东往西依次为乌尼特坳陷、腾格尔坳陷、马尼特坳陷、乌兰察布坳陷和川井坳陷，中部为苏尼特隆起，各坳陷及隆起内部又分成多个次级凹陷和凸起，盆地内部分割性强，俗称“碎盆”。盆地主要受巴音宝力格、温都尔庙、大兴安岭 3 大隆起控制，隆起区普遍发育大面积酸性花岗岩，为盆地内部提供充足铀源，是中国主要产铀盆地之一（郭宏伟，2014）。目前在盆地西北部的乌兰察布坳陷发现多个铀矿床，包括努和廷超大型泥岩铀矿床，巴彦乌拉、赛汉高毕等大中型砂岩铀矿床。研究区位于乌兰察布东南部脑木更地区（图1）。

2 样品采集及分析方法

根据脑木更地区砂岩型铀矿孔见矿情况，本研究样品采自于二连盆地脑木更凹陷施工的钻孔 NY1-4岩心，采样层位主要为赛汉组含矿层及其上下围岩（图2）。该区赛汉组下段岩性为灰色中砂岩、灰色砂砾岩、褐黄色砂砾岩、褐红色砂砾岩以及薄层深灰色泥岩，其中矿层岩石中富含炭化植物碎屑、黄铁矿等还原介质，垂向上具有“两黄夹一灰” 的颜色组合特征，赛汉组上段发育厚层褐红色泥岩夹薄层灰绿色中砂岩，这与最新研究成果“红黑”岩系沉积结构特征相吻合（程银行等，2024）。黏土矿物分析及铀矿物成分、类型鉴定均在中国地质调查局西安地质调查中心进行。 XRD 所用仪器为 PanalyticalX'Pert PRO MPD，检测方法执行 SY/ T5163-1995、SY-T6201-1996 行业标准，分析条件为：电压40 keV，电流40 mA，X射线靶为Cu靶，测量角度范围为 3°~30°。黏土矿物 XRD 的实验前处理如下：首先将岩心制作成长、宽、高约 1 cm 的立方块，之后对其进行镀碳处理，以增加其导电性；SEM 分析所用仪器型号为FEI Nova Nano SEM450场发射扫描电子显微镜，电压20 keV，束斑直径小于1 µm。电子探针仪器型号 EMX-SM7，所用的实验参数电压 20 keV，电流 1×10^-8 A，束斑 1~5 µm，检出角度 40º，温度25℃，温度50%，标准GB/T15245-2002GP/ T，测试之前对样品预处理：用镀膜材料制成靶作为阴极，样品放在阳极上，在两极间加 500~1000 V 的电压，预处理所用仪器型号为 JEE 420T，真空度 8× 10^-2 Pa，电流 40 mA，时间历时 3~4 h。因电子探针无法检测出 OH、羧基、有机质等的含量，故水和有机质无法检出，导致检测总量小于百分之百。

3 铀矿物与黏土矿物特征

经电子探针铀矿物成分分析鉴定（表1）：铀矿物UO₂含量为84.84%~93.96%，SiO₂含量为0.11%~2. 03%；一般情况下，铀石中 SiO₂在 20% 以上，沥青铀矿 SiO₂含量一般小于 10%，沥青铀矿 UO₂含量明显高于铀石，同时沥青铀矿形成温度明显低于中低温热液流体环境下形成的铀石和含钛铀矿，这也就印证了该区不同于典型的受热液流体蚀变成因影响的砂岩型铀矿床（庞康等，2022）。铀石和沥青铀矿的形成环境也有较为明显的差别，铀石主要形成于中性—弱酸性，较强还原性（Eh=0~500 mV）介质中，沥青铀矿则生成于中性—弱碱性/弱氧化—弱还原性（Eh=100~350 mV）介质中（闵茂中等，1999）。脑木更地区铀矿物类型主要为沥青铀矿这一特点也就说明该区成矿流体为中性—弱碱性。

对矿层砂岩进行电子探针观察发现，黄铁矿与铀矿物密切共生，并且见黄铁矿充填于植物细胞，保留了植物细胞的原始结构，铀矿物围绕黄铁矿生长（图3），说明在成矿期，植物根茎等有机质为成矿期流体提供了良好的还原环境和储集空间，使得流体中携带的 Fe³⁺ 被还原为 Fe²⁺ 与 S^2- 结合卸载形成黄铁矿，同时黄铁矿的形成也为之后铀矿物的富集提供了良好的还原环境，这在一些学者的研究中也得到了证实（陈梦雅等，2021；朱强等，2022）。

由于黏土矿物主要由铝硅酸盐水解而成，因此赛汉组砂岩中的 Al₂O₃、CaO含量可以表征黏土矿物的含量，本研究中，Al₂O₃+CaO 含量在不同颜色砂岩中的含量均一性较高，只是不同类型黏土矿物含量上略有差别（图4、图5）。

通过 X 射线衍射（XRD）、扫描电镜观察等分析手段，查明了二连盆地脑木更地区含矿目的层及围岩黏土矿物类型主要为蒙脱石、高岭石、伊利石（表2），扫描电镜下易观察到绿泥石（图3）。总体上看黏土矿物总量变化范围为 3. 0%~31.6%，平均含量 17.2%；红层砂岩黏土含量为 3. 0%~31.6%，平均含量16.3%，黄层砂岩黏土平均含量18.9%，矿层砂岩黏土含量为 9. 0%~23.3%，平均值 17.8%。黏土矿物种类具有明显差异性，蒙脱石是研究区黏土矿物中含量最高的，其次是高岭石和伊利石，伊利石含量相对最低。蒙脱石占黏土总量的比例为 63.49%~100%，平均值 78.79%，红层砂岩蒙脱石平均值在84.79%，黄层砂岩蒙脱石平均值63.49%，矿层砂岩蒙脱石含量平均值 75.89%。通常认为，蒙脱石是弱化学风化的产物，低程度的化学风化作用才能使蒙脱石不被再次风化成为其他黏土矿物，因此其形成与古地形和气候密切相关，通常发育在气候干旱、风化持续时间较短的沉积环境中，如沙漠相、河流相、陆相、三角洲相等（张龙等，2015）。高岭石的存在代表了温暖潮湿环境下的弱酸性强风化环境，伊利石、蒙脱石指示了弱碱性环境，是干燥环境的指示矿物（李建国等，2018）。研究区砂岩沉积期虽为湿润气候，但近源的辫状河沉积使得矿物并未遭受较长时间的风化，地表水携带细粒的蒙皂石黏土在河流洪泛阶段或地下水位变化时期渗入高孔渗的河道砂体中，黏土颗粒附着在碎屑颗粒表面，辫状河沉积砂岩孔渗性好，多次渗滤后形成厚层的蒙脱石黏土薄膜。孔渗陆源碎屑沉积盆地储层砂岩中普遍含有大量富含高铝硅酸盐的矿物，这为高岭石的形成提供了丰富的物质基础；脑木更地区砂岩储层中含有较多的有机质，在成岩过程中流体携带 CO₂和有机酸进入砂岩的孔隙中，水介质呈酸性；当铝硅酸盐与酸性流体介质发生反应，晶格中的K⁺ 不断迁出，铝硅酸盐被改造和解体进一步形成高岭石。其形成反应如下：

（1）2KAlSiO₃O₈ （钾长石）+2H⁺ +H₂O=Al₂Si₂O₅ （OH）₄（高岭石）+4SiO₂+2K⁺

a— 黄铁矿充填植物胞腔，沥青铀矿沿黄铁矿边缘分布；b，c，d—沥青铀矿与黄铁矿共存

（2）2NaAlSiO₃O₈ （钠长石）+2H⁺ +H₂O=Al₂Si₂O₅ （OH）₄（高岭石）+4SiO₂+2Na⁺

（3）CaAl₂Si₂O₈（ 钙长石）+2H⁺ +H₂O=Al₂Si₂O₅ （OH）₄（高岭石）+Ca²⁺

由表1可知，研究区高岭石含量仅次于蒙脱石，占黏土总量的 0%~24.34%。并且纵向上具有明显的分带性，矿层砂岩中的高岭石含量明显低于矿层上段红色砂岩和矿层下段红色砂岩、黄色砂岩，表明矿层砂岩经历了从成岩期的弱酸性环境过渡到成矿期的偏碱性环境。研究区砂岩中高岭石化蚀变发育在钾长石和杂基中，通过扫描电镜观察，发现高岭石呈六边形书页状，见于颗粒孔隙中或颗粒表面，书页状高岭石相互叠置形似蠕虫状，也见有绿泥石包裹高岭石的现象（图3）。

a—黏土矿物附着在颗粒表面；b—书页状高岭石；c—花朵状绿泥石；d—蠕虫状高岭石；e—绿泥石包裹高岭石；f—波浪状绿泥石

矿层及围岩蒙脱石含量和高岭石含量表现出明显的负相关性（图6），这一特征说明蒙脱石与高岭石存在转化关系；高岭石在碱性环境条件下处于不稳定状态，当环境中存在Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺ 时，高岭石将转化为绿泥石、蒙脱石，当流体介质中存在K⁺ 时，高岭石将转化成伊利石，此种过程为负熵反应，启动后将自发进行（李伟涛等，2020）。矿层及围岩蒙脱石含量均较高，说明赛汉组下段砂岩均处于偏碱性环境。在早期层间氧化下的含氧含铀酸性流体使得赛汉组下段砂体整体处于偏中酸性环境，生成一定量的高岭石，后期孔隙水在有机质的参与下被还原为偏碱性流体，部分高岭石转化为伊利石和蒙脱石，这也就说明了高岭石含量在矿层砂岩中较低的原因。同时见有绿泥石呈现花朵状分布于颗粒表面或晶粒之间，其成因来源于高岭石在还原环境中与Fe²⁺ 反应。

4 黏土矿物特征与铀成矿关系探讨

研究砂岩型铀矿中的黏土矿物可以了解控制该矿床形成的沉积环境、成岩作用和成矿作用等。通过X射线衍射、扫描电镜等手段，对脑木更地区工业孔不同蚀变带中黏土矿物特征展开研究，结果表明，脑木更地区铀矿物主要为沥青铀矿，黏土矿物总量和组合类型在各层位的差异性较小，电子探针能谱观察下发现，绿泥石对铀具有一定的吸附作用 （图7、图8），但吸附作用并不显著，因此认为黏土矿物对铀成矿的作用影响相对较小，相较于该区辫状河沉积环境下河道弯曲处（滞水带）富集植物碎屑等有机质对铀成矿的作用而言，黏土矿物只是在此基础上起到了一定限度的吸附作用。另一方面，黄铁矿等有机质对铀矿物的富集也起到了一定的积极作用，经过电子探针观察发现，沥青铀矿与黄铁矿相伴生，沿着黄铁矿的边缘分布生长，或者与黄铁矿有着密切的穿插关系，黄铁矿粒径较大，为50～200 µm，呈脉状展布，认为成矿期流体携带的Fe³⁺ 经过氧化还原障时被还原与溶液中的 S^2- 结合形成黄铁矿，植物根茎等有机质给黄铁矿的形成提供了良好的还原环境以及储集空间，这些还原性黄铁矿和有机质是铀赋存的最重要载体。

a—电子探针能谱测试点；b—电子探针能谱分析结果

5 结论

（1）二连盆地脑木更地区砂岩型铀矿矿层及围岩中黏土矿物主要为蒙脱石、高岭石、伊利石及少量绿泥石，其中以蒙脱石为主。

（2）研究区矿层砂岩表现出蒙脱石含量与高岭石含量呈较为明显的负相关性，表明蒙脱石主要由高岭石转化而来，并且高岭石含量在矿层砂岩中相对最低，说明矿层砂岩比围岩经历了更强的偏碱性流体作用，在偏碱性成矿流体作用过程中，在矿层中高岭石转换成蒙脱石更加彻底，绿泥石的形成与蒙脱石在碱性条件下与流体介质中的 Mg²⁺、Fe²⁺ 反应有关。

（3）研究区矿层及围岩黏土总量及黏土矿物种类差别不明显，均以蒙脱石为主，说明赛汉组下段砂体总体处于一偏碱性环境，同时也间接说明了黏土矿物在铀成矿过程中的作用并不是最主要的，在成矿过程中仅提供了部分对铀的吸附作用。

参考文献