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World Nuclear Geoscience >

2025 , Vol. 42 >Issue 1: 45 - 59

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-0636.2025.01.004

RESEARCH ARTICALS

Geochemical characteristics and geological significance of uranium-bearing sandstone in the lower member of Toutunhe formation in Louzhuangzi area, southern margin of Junggar basin

  • Chao GUO ,
  • Weiwei JIA ,
  • Song HUANG ,
  • Guorong WANG ,
  • Gang LIAN
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  • Geologic Party No. 216，CNNC，Urumqi 830011，China

GUO Chao，male，born in 1983，engineer，focusing on uranium geological exploration. E-mail：

Received date: 2024-12-30

  Revised date: 2025-01-20

  Online published: 2025-11-07

Supported by

uranium investigation and evaluation project of China Nuclear Geology “Investigation and Evaluation of Uranium Resources in Jingouhe to Qianshuihe Area in the Southern Margin of the Junggar Basin, Xinjiang（No：202107-2）”

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Abstract

This article analyzes the petrological characteristics，geochemical features，provenance composition，structural background, and sedimentary environment of uranium bearing sandstone in the lower member of the Toutunhe formation in the Louzhuangzi area by the methods of geochemical analysis，microscopic identification and core observation，and preliminarily explores their relationship with uranium mineralization. The results show that the tectonic background of the ore-bearing sandstone source rocks in the lower member of the Toutunhe formation is mainly the active continental margin and the passive continental margin. The special tectonic background provided favorable conditions for the migration of uranium. The source of sandstone debris was dominated by neutral igneous rock，and the parent rock was mainly calc-alkaline granite with a small amount of pyroclastic rock，sedimentary rock and metamorphic rock，which indicated the sandstone from multi-source nature，and has a good uranium source. The sandstone formed in a warm and humid paleoclimate and the source rock was strongly weathered. The sandstone is rich in reducing medium，reflecting that the lower member of Toutunhe formation was in a reducing environment and has good primary reduction ability. The content of major elements of the sandstone debris in the target layer has the characteristics of rich alkali，high silicon and weak aluminum，and the ore-bearing sandstone are of lower w(SiO2) and w(Al2O3) and higher w(CaO) than those of the sterile sandstone. The difference of component content in the sand body of the ore-bearing member is characterized by strong clay alteration and carbonate development. U，Mo and Se are relatively enriched，and other trace elements are relatively depleted except for Ga，which is comparable to the sedimentary rocks in China. The content of trace elements in ore-bearing samples of the same borehole is generally higher than that in sterile samples， U，Mo，Se，V，Ge，Ti，Sc and Y are significantly increased, which indicated that the trace elements in the sand body of the target layer also have migrated and enriched in the uranium mineralization process.

Key words： Louzhuangzi; lower member of Toutunhe formation; uranium-bearing sandstone; lithogeochemistry

Cite this article

Chao GUO , Weiwei JIA , Song HUANG , Guorong WANG , Gang LIAN . Geochemical characteristics and geological significance of uranium-bearing sandstone in the lower member of Toutunhe formation in Louzhuangzi area, southern margin of Junggar basin[J]. World Nuclear Geoscience, 2025 , 42(1) : 45 -59 . DOI: 10.3969/j.issn.1672-0636.2025.01.004

楼庄子地区位于准噶尔盆地南缘，2019年在该区头屯河组取得砂岩型铀矿找矿突破，主要含矿层位为头屯河组下段的粗碎屑砂岩。近几年来，随着铀矿勘查力度不断加大，找矿成果日渐显著，发现长约20 km砂岩型铀矿（化）带，落实中型矿产地，并具有“大型”砂岩型铀矿找矿前景。前人对区内的构造条件、构造演化方面研究认为，早-中侏罗世的稳定坳陷沉降阶段有利于形成铀的早期预富集；晚侏罗世—早白垩世，该阶段的构造挤压隆升利于形成层间氧化带型铀矿体；晚白垩世—古近纪，较为稳定的构造环境有利于铀成矿作用的持续性；研究多认为楼庄子地区的铀成矿作用与构造活动关系密不可分[1-3]，也有研究认为受一定油气作用的影响[4-5]。前人对沉积环境和砂体特征也进行研究，认为头屯河组下段辫状河相砂砾岩体为最有利的砂岩型铀成矿地质体，并控制工业铀矿化的空间分布[6-10]。沉积岩碎屑物质的地球化学成分与源岩关系十分密切[11-12]，目前尚未对头屯河组下段赋矿砂岩的岩石地球化学特征、物源组成以及在成矿过程中砂岩碎屑主、微量元素含量的变化进行研究，仅有对侏罗系岩石地球化学特征的研究[13]。本文通过岩心观察、镜下鉴定和地球化学分析等方法，确定研究区内头屯河组含矿砂岩的地球化学特征及岩石学特征，探讨含矿砂岩的构造-沉积环境及源岩性质与铀成矿的关系，对比分析含矿砂岩与无矿砂岩中各主、微量元素以及C有、全S及CO2等含量的变化规律，以及组分含量的差异性在矿段的具体表现。为今后该区研究铀成矿过程和铀成矿机理提供地质依据。

1 地质概况

准噶尔盆地南缘位于北天山前山断褶带，发育多期次的构造变形。前人将山前断褶带自东向西划分为4个构造单元[14]，在南北方向上，自山前至盆地划分为三排近EW向延伸的构造带[15]，在山前第1排构造带发现多个铀矿（化）点，显示其良好的找矿潜力。
楼庄子地区位于准噶尔盆地南缘山前齐古断褶带的东部，中-新生界由三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系及第四系构成。头屯河组受喀拉扎向斜和硫磺沟背斜挟持，研究区位于喀拉扎向斜南翼（图1a），呈向NE向倾斜的单斜构造，地层倾角介于10°~25°之间。
图1 准噶尔盆地南缘楼庄子地区地质略图及头屯河组柱状图

1—第四系；2—新近系；3—古近系；4—白垩系；5—喀拉扎组；6—齐古组；7—头屯河组；8—西山窑组；9—三工河组；10—八道湾组；11—郝家沟组；12—地质界线；13—地质界线（不整合）；14—断裂；15—公路；16—水系；17—地名；18—铀矿化点；19—地层产状；20—工业矿带。

Fig. 1 The geological sketch map of Louzhuangzi area in the southern margin of Junggar basin and the columnar map of Toutunhe formation

1—Quaternary；2—Neogene；3—Eogene；4—Cretaceous；5—Kalaza formation；6—Qigu formation；7—Toutunhe formation；8—Xishanyao formation；9—Sangonghe formation；10—Badaowan formation；11—Haojiagou formation；12—Geological Boundary；13—Geological unconformity boundary；14—Fracture；15—Highway；16—River syetem；17—Place name；18—Uranium mineralization point；19—Stratigraphic occurrence；20—Industrial ore belt。

地表出露的头屯河组呈近EW向的不规则带状分布，埋深介于46.92~1 199.25 m之间，向喀拉扎向斜中心逐渐变深，地层厚度介于39.84~917.43 m之间，平均厚度512.28 m。整体上为一套河流相沉积，沉积跨度较大，由下部的辫状河流相向上过渡为曲流河相，古气候也由暖湿气候向干旱-半干旱转变。具体表现为岩性上段以褐色、紫褐色的杂色泥岩为主，杂色条带增多；下段以灰色砂岩、灰绿色泥岩为主，具有典型的辫状河沉积特征（图1b）。按沉积韵律将头屯河组划为6个旋回；本文主要论述的是头屯河组下段第Ⅲ旋回砂体，亦是区内头屯河组主要含矿砂体，该层砂体为一套由多期河道叠加形成的厚层含砾粗砂岩、砂砾岩及砾岩，厚度介于70~150 m之间，沿走向发育宽度超过15 km。

2 样品采集与分析方法

本次研究所采用的样品均取自楼庄子地区铀矿工业孔或矿化孔中含矿目的层砂体，以便于对比同一层砂体中含矿砂岩与无矿砂岩的地区化学差异性。样品质量为200 g/样，岩矿样加工粒度介于0.050~0.074 mm之间，化学分析样加工粒度介于0.074~0.097 mm之间，样品加工依据《地质矿产实验室测试质量管理规范：DZ/T 0130—2006》 [16]、《铀矿样品加工和管理技术规范：EJ/T 1121—2000》 [17]的规定。主量元素（除FeO）采用型号为AxiosmAx 的波长色散型X荧光光谱仪进行测试，FeO采用酸式滴定容量法分析；微量元素采用电感耦合等离子质谱仪进行分析；主、微量元素分析按照规范GB/T 14506.28—2010[18]、GB/T 14506.14—2010[19]和GB/T 14506.30—2010[20]的规定进行测试。CO2、C有和全S采用型号为HCS-801DS的高频红外碳硫分析仪，分别按照规范DZG 93-12-17[21]、GB/T 19145—2003[22]和GB/T 14506.13—2010[23]的要求进行分析。样品加工和分析均由核工业新疆理化分析测试中心完成。

3 赋矿砂体岩石学特征

镜下鉴定显示，头屯河组下段赋矿层砂岩类型主要为岩屑长石砂岩，次为长石岩屑砂岩，少量长石砂岩（图2a）。碎屑成分以石英为主，长石次之，岩屑少量，及微量的鳞片状黑云母、白云母及绿泥石等。石英含量介于30 % ~60 %之间；长石含量介于17 %~43 %之间，岩屑介于6 %~44 %之间；成分成熟度指数一般介于0.43~1.50之间，平均为0.88，成分成熟度较低，属杂砂岩。填隙物主要由泥质杂基组成，并零星散布有黄铁矿胶结物（图2b）。杂基以细粒长石、石英和黏土为主，碎屑颗粒见明显的黏土化类蚀变，其边缘有明显的溶蚀作用，孔隙发育。碎屑颗粒之间以点接触为主，少量点-线接触，孔隙式胶结为主，磨圆呈次棱角状-次圆状，分选性差。石英以单晶石英为主，少量多晶石英。单晶石英具明显波状消光现象，多晶石英以石英岩为主，少量玉髓等；长石主要为钾长石和斜长石（图2b、c），部分钾长石具有轻微程度泥化，斜长石有轻微-中等程度绢云母化，部分斜长石双晶纹弯曲变形；岩屑主要为英安岩、凝灰岩、霏细岩、安山岩、玄武岩、千枚岩和泥岩等（图2b、c和d），少量鳞片状白云母、黑云母和鳞片状绿泥石。岩屑部分呈轻微-中等程度绢云母化，个别具黄铁矿化。
图2 砂岩分类三角图及镜下鉴定照片

a—砂岩分类三角图（1-石英砂岩；2-长石石英砂岩；3-岩屑石英砂岩；4-长石砂岩；5-岩屑长石砂岩；6-长石岩屑砂岩；7-岩屑砂岩）；b—砂岩中凝灰岩岩屑和黄铁矿（正交偏光）；c—砂岩中凝灰岩岩屑和花岗岩岩屑（正交偏光）；d—砂岩中凝灰岩岩屑和英安岩岩屑（正交偏光）； Q—石英；Kf—钾长石；Pl—斜长石；Cc—方解石；Py—黄铁矿。

Fig. 2 Triangle classification diagrams and thin section of sandstone

a—Triangle diagram ofsandstone classification（1-Quartz sandstone；2-Feldspathic quartz sandstone；3-Lithic quartz sandstone；4-Arkose；5-Lithic feldspar sandstone；6-Feldspar lithic sandstone；7-lithic sandstone）；b—Orthogonal polarized photo of tuff debris and pyrite in sandstone；c—Orthogonal polarized photo of marl debris and granite debris in sandstone；d—Orthogonal polarized photo of tuff debris and dacite debris in sandstone； Q—Quartz；Kf—Potassium-feldspar；Pl—Plagioclase；Cc—Calcite；Py—Pyrite.

4 赋矿层砂岩岩石地球化学特征

4.1 主量元素

通过对头屯河组下段目的层砂岩主量元素含量统计（表1），可以看出主量元素总体上SiO2含量最高，其次为Al2O3高，除CaO、K2O和Na2O存在一定差异外，其他主量元素差别甚微。
表1 楼庄子地区头屯河组下段赋铀砂岩主量元素含量/%统计表

Table 1 Statistics of main element content /% of uranium-bearing sandstone samples in the lower member of Toutunhe formation in Louzhuangzi area

样号 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O P2O5 MnO TiO2 FeO TFe2O3 备注
A301-3 72.94 10.82 1.01 4.28 0.50 3.13 1.89 0.048 0.106 0.139 1.14 2.05 含矿
A401-2 69.69 10.17 0.74 6.05 0.55 2.67 2.01 0.051 0.180 0.212 1.41 2.08
A405-3 64.62 12.08 0.63 6.11 0.82 2.58 2.63 0.086 0.398 0.423 2.16 2.73
A501-2 68.14 9.49 0.69 7.09 0.49 3.76 2.31 0.063 0.190 0.147 1.34 1.95
A502-1 69.59 10.11 0.65 5.61 0.52 4.10 2.30 0.047 0.056 0.145 1.41 1.99
A503-2 72.24 10.54 0.71 3.43 0.61 4.13 2.49 0.063 0.088 0.189 1.66 2.30
A504-1 70.72 12.21 1.15 2.96 0.64 3.05 2.68 0.063 0.022 0.269 0.57 1.60
A601-1 69.18 9.95 0.67 6.96 0.43 2.62 2.38 0.050 0.066 0.255 1.20 1.80
A602-3 71.25 13.36 0.74 2.27 0.70 3.15 3.06 0.086 0.112 0.283 1.41 2.08
A1101-4 72.62 10.61 0.89 3.96 0.45 2.88 2.20 0.055 0.057 0.162 0.31 1.11
1102-3 65.43 10.89 1.14 7.06 0.67 2.57 1.99 0.077 0.325 0.599 0.66 1.68
平均值 69.67 10.93 0.82 5.07 0.58 3.15 2.36 0.06 0.15 0.26 1.21 1.94
A301-2 76.84 10.96 1.47 1.20 0.73 2.78 1.79 0.060 0.043 0.216 1.60 2.92 无矿
A401-3 71.86 12.20 0.88 1.98 0.72 2.87 2.62 0.062 0.064 0.232 2.05 2.84
A405-2 71.43 12.95 1.50 1.56 1.07 3.23 2.48 0.079 0.041 0.380 0.77 2.11
A501-3 75.61 10.33 0.53 2.15 0.47 4.30 2.56 0.051 0.045 0.158 1.35 1.83
A502-2 73.89 11.81 0.66 1.44 0.60 4.29 3.32 0.070 0.055 0.237 1.74 2.33
A503-1 75.67 10.85 0.75 0.70 0.82 4.29 2.17 0.055 0.030 0.225 1.41 2.09
A504-2 65.46 13.87 4.22 0.43 1.24 2.40 2.18 0.079 0.033 0.661 1.37 5.17
A601-3 76.07 11.28 0.85 0.99 0.76 3.01 2.31 0.057 0.026 0.270 1.03 1.80
A602-2 75.64 11.99 0.78 1.26 0.48 3.43 2.76 0.058 0.037 0.269 0.51 1.21
A1101-1 75.37 11.39 0.76 1.10 0.76 2.87 2.15 0.059 0.029 0.302 0.50 1.18
1102-6 73.72 10.41 0.66 3.40 0.61 2.99 2.06 0.056 0.081 0.220 0.70 1.29
平均值 73.78 11.64 1.19 1.47 0.75 3.31 2.40 0.062 0.044 0.288 1.18 2.25

注：TFe2O3代表全铁，TFe2O3=Fe＋0.9×Fe2O3

SiO2含量介于64.62 %~76.84 %之间，平均71.73 %；指示目的层砂岩中富含石英矿物及硅质岩碎屑，与镜下鉴定结果一致。其次为Al2O3，含量介于9.49 %~13.87之间，平均11.29 %；TiO2含量介于0.66 %~0.14 %之间，平均0.27 %；Al2O3含量远大于TiO2含量，反映物源以长英质物源区为主。K2O含量介于2.40 %~4.30 %之间，平均3.23 %；Na2O含量介于1.79 %~3.32 %之间，平均2.38 %。K2O/Na2O平均为1.37，表明源岩中富钾矿物或钾长石含量高于斜长石。CaO含量介于0.43 %~7.09 %之间，平均3.27 %，MgO含量介于0.43 %~1.24 %之间，平均0.67 %， CaO/MgO平均为5.75，表明目的层砂岩中方解石胶结物较多。综合而言，砂岩中w（SiO2）、w（Al2O3）和 w（K2O＋Na2O）值高，反映目的层砂岩碎屑具有富碱、高硅和弱过铝的特点[24]。

4.2 微量元素

对各微量元素测试结果进行统计（表2），将其与中国沉积岩丰度相比较[25]，可以看出，U、Mo和Se相对富集，U在含矿砂岩中含量介于22.89×10-6~3 339.41×10-6之间，平均999.21×10-6，在无矿砂岩中含量介于3.27×10-6~4.01×10-6之间，平均3.64×10-6，表明目的层砂岩中自身铀含量较高，也是成矿的关键因素之一；Mo在含矿砂岩中含量介于3.60×10-6~327.83×10-6之间，平均118.84×10-6，在无矿砂岩中含量介于0.40×10-6~2.48×10-6之间，平均1.30×10-6；Se在含矿砂岩中含量介于0.24×10-6~6.14×10-6之间，平均2.39×10-6，在无矿砂岩中含量介于0.12×10-6~8.47×10-6之间，平均3.33×10-6； Ga与中国沉积岩丰度相当，介于9.91×10-6~14.71×10-6之间，平均12.15×10-6；其他微量元素相对亏损。
表2 楼庄子地区头屯河组下段赋铀砂岩样品微量元素分析结果

Table 2 Trace element analysis results of uranium-bearing sandstone samples in the lower member of Toutunhe formation in Louzhuangzi area

样号 U/10-6 Th/10-6 Mo/10-6 Se/10-6 Ga/10-6 V/10-6 Ge/10-6 Cu/10-6 Ti/10-6 Sc/10-6 Y/10-6 备注
A501-27 1 435.52 10.32 232.14 6.14 11.82 42.75 1.60 30.26 2 578.91 7.89 53.94 含矿
A602-16 3 339.41 4.63 327.83 0.24 13.99 105.43 0.63 28.13 1 235.31 4.46 24.45
A502-14 167.30 11.17 20.6 3.54 14.71 60.78 1.45 14.52 3 461.66 6.51 26.32
A1102-9 30.92 5.52 3.60 0.42 11.39 46.67 1.00 9.26 1 602.37 6.57 23.48
A503-12 22.89 8.79 10.04 1.61 12.61 38.58 0.77 10.02 2 528.13 8.87 20.54
A501-14 3.76 4.20 0.40 4.03 9.91 26.28 0.60 8.37 1 018.90 4.40 12.95 无矿
A602-19 3.27 4.77 2.18 0.12 12.15 38.91 0.69 31.12 1 117.52 5.24 12.69
A502-17 3.81 5.35 0.58 2.36 11.18 25.96 0.64 5.49 1 398.78 4.22 15.41
A1102-14 4.01 1.32 0.86 8.47 11.81 39.53 0.73 6.64 1 398.45 1.13 3.03
A503-13 3.37 2.53 2.48 1.68 11.94 27.54 0.77 6.25 1 459.99 1.78 5.54
中国沉积岩丰度 2.00 8.70 0.56 0.11 13.00 54.00 1.70 28.00 2 650.00 10.00 20.00
进一步对比含矿与无矿砂岩中各微量元素含量，发现除Se、Ga外，其他元素在含矿砂岩中含量明显高于无矿砂岩，特别是Y在含矿砂岩中相对富集，含量介于20.54×10-6~53.94×10-6之间，平均29.75×10-6；在无矿砂岩中相对亏损，含量介于3.03×10-6~15.41×10-6之间，平均9.92×10-6。

5 讨论

5.1 源区构造背景

研究表明，可以利用主量元素投图来分析判别其源岩的形成构造背景[26]。本文采用（TFe2O3＋MgO）-Al2O3/（Na2O＋CaO）判别图、（TFe2O3＋MgO）-Al2O3/SiO2判别图及SiO2-K2O/Na2O判别图来分析楼庄子地区头屯河组含矿目的层砂岩源岩形成的构造背景。在（TFe2O3＋MgO）-Al2O3/（Na2O＋CaO）关系图解中（表3，图3a），样品主要投影在被动大陆边缘和活动大陆边缘及其相交区域；在（TFe2O3＋MgO）-Al2O3/SiO2 关系图解中（图3b），样品主要集中在活动大陆边缘与被动大陆边缘相交部位及其附近；在SiO2-K2O/Na2O 关系图解中（图3c），样品主要集中在活动大陆边缘区域，少量分布在被动大陆边缘区域。
表3 楼庄子地区头屯河组下段赋铀砂岩主量元素相关参数计算结果表/%

Table 3 Calculation results of main elements and related parameters of uranium-bearing sandstone samples in the lower member of Toutunhe formation in Louzhuangzi area /%

样号 TFe2O3+MgO K2O/Na2O Al2O3/SiO2 Al2O3/TiO2 Al2O3/(Na2O+CaO) CaO/MgO （Fe2O3+Al2O3）/(MgO+CaO) F1 F2 备注
A301-3 2.55 1.66 0.15 77.84 1.75 8.56 2.47 5.99 2.00 含矿
A401-2 2.63 1.32 0.15 47.97 1.26 11.05 1.65 7.14 2.22
A405-3 3.55 0.98 0.19 28.57 1.38 7.46 1.83 8.46 2.78
A501-2 2.44 1.63 0.14 64.67 1.01 14.46 1.34 6.28 4.69
A502-1 2.51 1.78 0.15 69.52 1.28 10.85 1.76 5.31 4.52
A503-2 2.91 1.66 0.15 55.68 1.78 5.62 2.78 4.31 3.75
A504-1 2.24 1.14 0.17 45.39 2.16 4.63 3.71 5.74 2.59
A601-1 2.23 1.10 0.14 38.99 1.07 16.22 1.44 7.69 3.31
A602-3 2.78 1.03 0.19 47.12 2.51 3.23 4.74 6.31 2.88
A1101-4 1.56 1.31 0.15 65.32 1.72 8.89 2.61 5.45 2.26
1102-3 2.36 1.29 0.17 18.17 1.20 10.49 1.56 7.13 2.67
A301-2 3.65 1.55 0.14 50.74 3.67 1.64 6.44 4.73 (0.43) 无矿
A401-3 3.56 1.09 0.17 52.57 2.65 2.74 4.83 6.20 1.40
A405-2 3.18 1.30 0.18 34.13 3.21 1.46 5.50 4.55 1.42
A501-3 2.31 1.68 0.14 65.22 2.20 4.54 4.15 3.12 3.78
A502-2 2.93 1.29 0.16 49.86 2.48 2.39 6.11 4.03 4.44
A503-1 2.91 1.98 0.14 48.33 3.79 0.84 7.64 1.91 2.15
A504-2 6.41 1.10 0.21 20.99 5.32 0.35 10.78 6.85 (1.49)
A601-3 2.57 1.30 0.15 41.74 3.41 1.30 6.90 3.79 0.86
A602-2 1.69 1.24 0.16 44.58 2.98 2.62 7.32 4.07 2.76
A1101-1 1.94 1.34 0.15 37.73 3.51 1.46 6.55 3.49 0.66
1102-6 1.90 1.45 0.14 47.22 1.91 5.60 2.76 4.57 1.74

注：TFe2O3为全铁，ICV=（Fe2O3+ K2O+ Na2O + CaO + MgO + MnO + TiO2）/Al2O3（ 单位均为摩尔分数）；F1=－1.773TiO2＋0.607Al2O3＋0.76TFe2O3－1.5MgO＋0.616CaO＋0.509Na2O－1.224K2O－9.09；F2=0.445TiO2＋0.07Al2O3－0.25TFe2O3－1.142MgO＋0.438CaO＋1.475Na2O＋1.426K2O－6.861[26]。

图3 砂岩主量元素构造环境关系图解

a－（TFe2O3＋MgO）-Al2O3（/ Na2O＋CaO）图解， b－（TFe2O3＋MgO）-Al2O3/SiO2图解，c－SiO2-K2O/Na2O图解，底图均据文献[27]。ACM－活动大陆边缘；PM－被动大陆边缘；OIA－大洋岛弧）；CIA－大陆岛弧；A1－弧（Arc）；A2－演化弧。

Fig. 3 Diagrams of the relationship between major elements and tectonic environment of sandstone

a－The diagrams of the （TFe2O3＋MgO）-Al2O3/（ Na2O＋CaO）， b－The diagrams of the （TFe2O3＋MgO）-Al2O3/SiO2，c－The diagrams of the SiO2-K2O/Na2O，Base map according to reference[27]。ACM－Active Continental Margin；PM－Passive Continental Margin；OIA－Ocean Island Arc；CIA－Continental Island Arc；A1－Arc；A2－Evolutionary Arc.

上述结果表明，头屯河组下段含矿砂岩源岩形成构造背景主要为活动大陆边缘和被动大陆边缘，也是导致其物源多样性的关键因素。这与耿英英等人[28]研究认为的头屯河组沉积时期，天山地区构造活动开始增强，物源主要来自于北天山和中天山，且北天山源区比例明显增多的结果相吻合。对天山地区发育的岩体的地球化学研究表明，古生代岩体中铀含量平均值大于3×10-6[29-33]，如中天山北缘望峰地区花岗岩岩体铀含量高达9.45×10-6[34]，平均值高达6.13×10-6，说明物源区赋铀地质体为楼庄子地区头屯河组下段铀成矿提供了较好的铀源基础。

5.2 源区母岩类型

沉积岩的碎屑物质与源岩关系密切，它可指示沉积岩源岩特征。在F1-F2 源岩类型判别图解中[35]（图4a），含矿目的层绝大部分样品投在中性火成岩物源区，仅一个样品落入镁铁质火成岩物源区，反映出目的层砂岩碎屑物源以中性火成岩物源为主，少量的镁铁质火成岩物源混入。样品投点于Schieber[36]提出的Al2O3-TiO2判别图，可知目的层砂岩样品绝大部分落在花岗岩区，仅个别投在花岗闪长岩区，表明源区母岩类型以花岗岩为主（图4b），同时也伴有钙碱性花岗岩分布，这与砂岩碎屑中K2O含量远大于Na2O含量，以及低TiO2的特点相一致。
图4 主量元素物源及源岩判别图

Fig. 4 Identification diagrams of provenance and source rock attribute of major elements

综上所述，目的层砂岩物源以中性火成岩物源为主，存在少量的镁铁质火成岩物源；其源区母岩以花岗岩为主，少量的花岗闪长岩类，物源主要来自于南侧天山物源区的古生代中酸性岩浆岩，源区岩浆岩呈富碱、高硅和弱过铝的特征。

5.3 赋矿砂体沉积地球化学环境

5.3.1 古气候分析

古气候和沉积环境通常利用沉积岩中的某些主量元素的比值来判别，Fe2O3和Al2O3含量高表示暖湿环境，CaO和MgO含量高表示相对干旱或有干湿季节变化的环境，本文采用(Fe2O3+Al2O3)/(CaO+MgO)来判别环境的相对湿润程度[37]，目的层砂岩中(Fe2O3+Al2O3)/(CaO+MgO)值介于1.34~10.78之间，平均值为4.31，指示古环境为较暖湿的环境。此外，还可利用CaO/MgO值来判别古环境的气温，高值指示相对较高的气温，反之则指示相对较低的气温[38]。目的层砂岩CaO/MgO平均值在5.75，也反映了古环境气温相对较高。

5.3.2 沉积期地球化学环境分析

根据各钻孔揭露的情况来看，楼庄子地区头屯河组下段含矿目的层的灰色粗碎屑砂岩中多见条带状、块状炭化植物碎屑和有机质，以及细粒状、星点状黄铁矿等还原性介质（图5a，b），尤其以含矿段部位的岩心往往呈现大量炭化植物碎屑和黄铁矿特征更为显著，铀品位越高，岩心颜色越深为特点（图5b）。
图5 含矿砂岩中富含条带状炭化植物碎屑和细粒状黄铁矿

Fig. 5 The ore-bearing sandstone is rich in banded carbonized plant debris and fine-grained pyrite

微量元素中U、Mo为氧化-还原敏感元素，可以指示古氧化-还原环境，目的层砂岩碎屑中微量元素U、Mo的富集系数分别介于1.63~1 669.710之间和介于0.71~585.41之间，U、Mo的异常富集反映含矿砂岩沉积时处还原环境。
以上证据均表明，目的层砂体沉积时处于还原环境，具备良好的原生还原能力。

5.4 铀成矿过程中主量元素变化特征

通过对头屯河组下段目的层砂岩主量元素含量进行投图（图6），可以看出主量元素 w（SiO2）值最高，介于64.62 %~76.84 %之间，平均值为71.73 %；w（Al2O3）次之，介于9.49 %~13.87 %之间，平均值为11.30 %；其他主量元素占比较小，除w（CaO）、w（K2O）和 w（Na2O）存在微弱浮动外，整体上主量元素含量变化趋势相似。
图6 砂岩主量元素含量变化特征

Fig. 6 Variation characteristics of main element content in sandstone

但对单个钻孔含矿样品和无矿样品进行分别统计投图，发现主量元素的含量变化在砂岩型铀成矿过程中具备一定的规律性，即：所有钻孔中含矿样品主量元素中w（SiO2）、 w（Al2O3）值较无矿样品偏低，显示在楼庄子地区的砂岩型铀成矿作用中，有SiO2和Al2O3组分的迁出，数据结果与含矿段砂体中长石类矿物具明显而强烈的黏土化蚀变现象相一致（图7a）。同时，含矿砂岩中w（CaO）含量的增高，与含矿段砂体中发育的碳酸盐化现象相对应（图7b）。并在含矿砂岩中表现为w（SiO2）与w（CaO）呈明显的负相关（图8）。
图7 含矿砂岩中黏土化蚀变和碳酸盐化

Fig. 7 Clay alteration and carbonation in ore-bearing sandstones

图8 砂岩主量元素关系图

Fig. 8 Relationship diagram between major elements of sandstone

5.5 铀成矿过程中微量元素变化特征

将目的层砂岩中的微量元素含量与中国沉积岩元素丰度进行对比，计算富集系数（表4）。富集系数K：K=X样品/X沉积岩（X样品—样品中元素含量，X沉积岩—中国沉积岩元素丰度。富集系数大于1表明元素在样品中相对富集，小于1则表明相对亏损。从微量元素蛛网图（图9）可以看出，各微量元素组分总体富集、亏损程度具有一定相似性，U、Mo和Se相对富集，Ga与中国沉积岩丰度相当，其他微量元素相对亏损。
微量元素富集系数统计结果

Table 4 Statistical results of enrichment coefficient of trace elements

样号 U Th Mo Se Ga V Ge Cu Ti Sc Y
DHA501-27 717.76 1.19 414.53 55.82 0.91 0.79 0.94 1.08 0.97 0.79 2.70
DHA501-14 1.88 0.48 0.71 36.66 0.76 0.49 0.35 0.30 0.38 0.44 0.65
DHA503-12 11.44 1.01 17.92 14.65 0.97 0.71 0.45 0.36 0.95 0.89 1.03
DHA503-13 1.68 0.29 4.43 15.29 0.92 0.51 0.45 0.22 0.55 0.18 0.28
DHA1102-9 15.46 0.63 6.42 3.83 0.88 0.86 0.59 0.33 0.60 0.66 1.17
DHA1102-14 2.00 0.15 1.53 76.96 0.91 0.73 0.43 0.24 0.53 0.11 0.15
DHA502-14 83.65 1.28 36.79 32.19 1.13 1.13 0.85 0.52 1.31 0.65 1.32
DHA502-17 1.91 0.62 1.03 21.42 0.86 0.48 0.37 0.20 0.53 0.42 0.77
DHA602-16 1 669.71 0.53 585.41 2.20 1.08 1.95 0.37 1.00 0.47 0.45 1.22
DHA602-19 1.63 0.55 3.89 1.11 0.93 0.72 0.41 1.11 0.42 0.52 0.63
图9 砂岩微量元素标准化蛛网图

Fig. 9 The standardized trace element spider diagram of sandstone

通过各钻孔含矿和无矿样品微量元素含量的对比分析，发现同一钻孔含矿样品微量元素含量普遍较无矿样品含量偏高，特别是U、Mo、Se、V、Ge、Ti、Sc和Y等元素增高明显。这一现象在不同钻孔均有普遍型，即目的层砂体中微量元素在铀成矿过程亦存在迁移富集现象，并在含矿样品中更为富集。

5.6 其他组分的变化特征

由表5可见，含矿样品中C有介于0.18 %~1.78 %之间，平均值为0.88 %，全S介于0.96 %~3.29 %之间，平均值为1.97 %，CO2介于5.79 %~10.60 %之间，平均值为7.86 %；呈现C有、全S及CO2含量均高于无矿砂岩的特点，这以结果与岩心特征相吻合，U矿化往往在砂岩还原能力更强的砂岩段进行沉淀富集。同时，含矿砂岩中较明显的黄铁矿化、碳酸盐化，也揭示出砂岩型铀成矿过程中Fe、S和CO2等组分的迁移和富集性；以黄铁矿与U矿的空间伴生关系极为密切，铀矿石呈分散状或团块状分布于碎屑颗粒表面（图10a），与黄铁矿共生或伴生，或呈团块状分布于矿物颗粒之间碳酸盐胶结物边缘，与黄铁矿伴生（图10b）。
表5 楼庄子地区头屯河组下段赋铀砂岩中C有、全S和CO2含量统计表

Table 5 Statistical of C有, total S and CO2 content of uranium-bearing sandstone samples in the lower member of Toutunhe formation in Louzhuangzi area

组分 含矿砂岩 无矿砂岩
最小值 最大值 平均值 最小值 最大值 平均值
C有/% 0.18 1.78 0.88 0.10 0.15 0.12
全S/% 0.96 3.29 1.97 0.35 0.83 0.57
CO2/% 5.79 10.60 7.86 0.83 8.51 3.49
图10 铀矿物分布特征

备注：Cb－碳酸盐，Py－黄铁矿。Remarks：Cb－Carbonate，Py－Pyrite.

Fig. 10 Distribution characteristics of uranium minerals

6 结论

1）砂岩主量元素的相关参数和判别图解、岩石地球化学特征表明，含矿目的层砂岩碎屑物源以中性火成岩物源为主，母岩类型主要为花岗岩，少量花岗闪长岩类、火山碎屑岩、沉积岩及变质岩，反映物源的多源性，同时也说明物源区自身铀源较好。
2）目的层砂岩源岩形成构造背景主要为活动大陆边缘和被动大陆边缘，特殊的构造背景下，地层抬升和掀斜，加速蚀源区富铀地质体中铀的活化与迁移；同时造就物源的多源性。
3）主量元素比值，指示头屯河组下段含矿砂岩沉积时，具有暖湿的古气候特点；垂向上泥-砂-泥的地层结构有利于含铀含氧水的渗入；辫状河相的厚层粗碎屑岩为铀的成矿流体的迁移和富集，提供有利的运移通道和良好的容矿空间；砂岩中富含有机质和黄铁矿等还原性介质，以及微量元素U、Mo的高度富集，指示头屯河组下段沉积时处于还原环境，同时还原性物质为铀的沉淀富集和后期改造提供较高的还原容量；为铀的成矿创造有利的沉积环境。
4）主量元素含量变化趋势相似，并在砂岩型铀成矿过程中具有一定的规律性，即：所有钻孔含矿样品主量元素中w（SiO2）、w（Al2O3）值较无矿样品偏低，w（CaO）含量的增高；组分含量的差异性具体表现为矿段砂岩中碳酸盐化的发育，以及明显的黏土化蚀变现象。
5）微量元素富集和亏损程度基本相似，U、Mo和Se相对富集，除Ga与中国沉积岩丰度相当外，其他微量元素相对亏损；微量元素含量亦呈现出一定的规律性，即：同一钻孔含矿样品微量元素含量普遍较无矿样品含量偏高，特别是U、Mo、Se、V、Ge、Ti、Sc和Y等元素增高明显，并在含矿样品中更为富集；显示目的层砂体中微量元素在铀成矿过程也存在迁移富集现象。

感谢唐湘飞、闫晶晶和杜默给予的支持和帮助！

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