碎屑沉积岩化学组成特征主要受物源和沉积环境等共同控制，不同来源的碎屑沉积岩化学组成特征通常不同，因此，通过碎屑沉积岩化学组成特征可以揭示其物源和沉积环境(Taylor et al., 1985；McLennan and Taylor，1991)。准噶尔盆地顶山地区乌伦古河组发现有砂岩型铀矿显示，铀矿化受氧化-还原带前锋线控制，铀矿体呈板状、卷状，具成矿时间晚，铀-镭极不平衡等特征(何江涛，2000；林双幸和王果，2003)。针对顶山地区砂岩型铀矿开展了构造、水文、沉积及铀矿化特征等方面研究(师志龙，2002；谭鸿赞，2002；唐湘飞，2002；王果，2003；张卫民等，2004；陈正乐等，2006)，而沉积物源研究薄弱。砂岩型铀矿铀源受沉积物源及其构造背景制约，为满足砂岩型铀矿进一步勘查需要，本文采用元素地球化学特征方法对乌伦古河组沉积物源及其构造背景进行探讨。

1 地质背景

顶山地区位于准噶尔盆地北部3个泉隆起与乌伦古凹陷交接部位，东邻青格里底山、南邻3个泉断裂、西至德南-石英滩凸起、北达乌伦古河(图 1)。中生代以来，受西伯利亚板块向南的抵触作用和南强北弱的近南北向挤压构造作用影响，准噶尔盆地南部强烈下坳，北部缓慢抬升，形成了准噶尔盆地一大型斜坡带，倾向南西，其中古近系倾角为1°~2°，顶山地区即位于斜坡带上。顶山地区断裂构造发育，整体呈北东向、北西向，受吐孜托依拉断裂控制明显，乌伦古北断裂、红盆断裂、索-红南断裂及黄花沟-喀拉奥依断裂亦有影响。顶山地区断裂形成于海西期，于喜山期再次活化(陈正乐等，2006；辛秀等，2014)。

准噶尔盆地顶山地区沉积盖层主要为上白垩统艾里克湖组、上白垩统红砾山组、下第三系乌伦古河组、上第三系索索泉组和第四系(图 2)。艾里克湖组仅见于研究区的东北部福海水库及华拉盖里斯一带，为浅灰白色中粗粒石英砂岩、含砾砂岩、砾岩与棕黄色、棕红色泥岩、砂质泥岩的互层，厚80~179 m。红砾山组出露于乌伦古河北岸、黄花沟等地区，与艾里克湖组整合接触，在盆地边缘为低角度不整合接触，局部直接超覆在古生界之上，厚度约283.4 m。乌伦古河组分布广泛，可分为W-1和W-2两个旋回。W-1旋回为一套厚大的砾岩、砂砾岩、(含砾)粗砂岩组合，夹薄层泥岩；W-2旋回砂岩粒度明显小于W-1旋回，砾岩类岩石不发育，泥岩、粉砂岩厚度较大、分布广且较稳定；以底砾岩和古风化壳与下伏地层红砾山组平行不整合接触。索索泉组出露亦十分广泛，岩为一套以红色泥岩为主夹砂岩薄层的浅水湖相沉积建造，钙质含量高，与乌伦古河组呈平行不整合接触，厚度约59 m。第四系分布广泛，为松散的砂、泥、砾的杂色混杂堆积，厚度约18 m。

2 采样与分析

本次研究样品32件均采自顶山地区ZK15009号钻孔，岩性为土黄色、褐色、灰色砂岩。微量元素采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析，仪器型号为iCAP-Q。称取粉碎好的样品50 mg装入坩埚，加入1 mLHF蒸干，再加入1 mLHF和1 mLHNO₃，加盖密封后加热至200℃并保持48 h，取出坩埚冷却后加入1 mLHNO₃蒸干，重复一次；加入2 mLHNO₃、5 mL蒸馏水和1 mL内标溶液，加盖密封后加热至130℃并保持4 h，取出坩埚冷却后稀释到50 mL，所得溶液采用ICP-MS测定，相对标准偏差小于5%。分析测试在核工业北京地质研究院完成。

3 分析结果 3.1 微量元素特征

样品分析结果见表 1，顶山地区乌伦古河组砂岩相对上地壳(Rudnick and Gao, 2003)亲铁元素富集Co(富集系数为1.27)，亏损Ni、Mo(富集系数分别为0.66、0.62)；亲石元素亏损Li、Sc、V、Sr、Cr、Cs、Th(富集系数分别为0.83、0.57、0.76、0.53、0.68、0.78、0.42)，富集W、U(富集系数分别为11.22、2.09)；亲铜元素亏损Cu、Zn、Cd、Pb、Ga、Tl(富集系数分别为0.43、0.38、0.78、0.78、0.70、0.54)，富集Sb(富集系数为2.23)。

稀土元素球粒陨石标准化见图 3(Sun and McDonough，1989)，样品∑REE为63×10^-6~148×10^-6，平均98×10^-6，小于北美页岩的均值173×10^-6。LREE/HREE比值为6.26~8.36，平均7.31，约低于北美页岩比值7.5。(La/Yb)_N为5.91~8.63，平均6.99，表明LREE相对HREE富集。(La/Sm)_N为3.16~4.04，平均3.59，表明轻稀土元素之间分馏中等。(Gd/Yb)_N为1.09~1.45，平均1.25，说明重稀土元素之间基本不分馏。

4 讨论 4.1 矿物分选与再循环

碎屑沉积岩沉积分选与再循环往往会造成重矿物的富集，从而引起某些元素的富集(McLennan et al., 1990)。Zr、Th及Sc在风化作用过程中化学性质稳定，是碎屑沉积岩沉积分选与再循环判断标志之一(Asiedu et al., 2004)。锆石是Zr元素主要赋存的矿物，同时锆石稳定性很强，会随着沉积再循环在沉积物中富集，样品Zr含量为44.5×10^-6~161×10^-6，平均99.82×10^-6，含量不高，表明样品再循环作用较弱(Spalletti et al., 2008)。Th通常赋存在酸性岩中，而Sc赋存与基性岩中，且Th、Sc基本不受后期沉积循环作用影响，因此Th/Sc值常被用来进行物源化学成分变化研究(McLennan，1989；McLennan et al., 1993)。Zr/Sc值不受后期热液作用影响(Lambeck et al., 2008)，且随着沉积再循环过程中锆石的富集而增大，因此Zr/Sc值可作为沉积物分选程度、重矿物富集程度的重要指标(McLennan et al.，1993；孙平昌等，2012)。初始沉积物Th/Sc值与Zr/Sc值呈正相关，再循环沉积物Zr/Sc值随Th/Sc值的微弱变化而快速变化，表明锆石随再循环作用富集。样品Th含量为2.81×10^-6~7.94×10^-6，平均4.46×10^-6，Sc含量为2.97×10^-6~11.50×10^-6，平均6.26×10^-6，Th/Sc值为0.54~1.27，平均0.75，比值较低，远低于茂名盆地油柑窝组(Th/Sc值为2.22~3.55，平均2.79)(周圆圆等，2016)，代表不相容元素Th对相容元素Sc相对不富集，指示物源风化作用较弱。样品Zr含量为44.50×10^-6~161.00×10^-6，平均99.82，Zr/Sc值为9.50~28.95，平均16.97，波动范围较大，暗示沉积物源经历了一定沉积再循环作用。样品Zr/Sc-Th/Sc图解(图 4)得出，样品点靠近成分演化线(BFG)分布，接近大陆上地壳(UCC)和澳大利亚后太古宙页岩(PAAS)，表明顶山地区乌伦古河组砂岩成分受源岩成分控制，经历了较弱的沉积再循环作用，物源距离适中。

4.2 物源分析

REE配分模式是判定盆地沉积源区性质的重要手段之一(McLenna，1989；刘士林等，2006；谢国梁等，2013)。对澳大利亚后太古代页岩(PAAS)及北美页岩组合(NASC)的REE特征研究发现：轻稀土富集，重稀土亏损但含量稳定且Eu负异常等可以代表上地壳来源(Taylor et al., 1985；McLennan，1989)。准噶尔盆地顶山地区乌伦古河组砂岩球粒陨石标准化REE配分模式与PAAS以及NASC球粒陨石标准化REE配分模式(图 3)基本一致，表明乌伦古河组砂岩物源主要来自于上地壳(刘清俊等，2014)。图 4显示样品Th/Sc值与大陆上地壳和澳大利亚页岩Th/Sc、Zr/Sc值接近，表明源岩为相对长英质的岩石组分。

Cr赋存于铬铁矿石中，代表铁镁质组分；而Zr赋存于锆石中，代表长英质组分，Cr/Zr能够反映沉积物源区铁镁质与长英质组分的相对比例(Wronkiewicz and Condie, 1989)。顶山地区乌伦古河组砂岩具有低的Cr/Zr值，为0.09~0.44，平均0.24，比值小于以长英质组分为主的洪水庄组页岩(Cr/Zr值为0.31~0.54，平均0.43)(Luo et al., 2015)，反映物源基本不含镁铁质组分。随着岩石的持续演化La、Th、Hf、Zr和REE等元素在酸性岩石中富集，Sc、Ni、Cr、Co等元素在基性岩石中富集，因此，酸性岩比基性岩有更高的La/Sc值和更低的Co/Th值，La、Th、Sc、Cr、Co等元素在风化、剥蚀以及沉积期后作用中稳定，因此常应用Co/Th、La/Sc值研究物源(Cullers et al., 2000)。样品Co/Th=0.65~4.16(Z205比值明显偏大，予以剔除)，平均1.99，比值较小；La/Sc=2.03~4.56，平均3.32，比值较大；在Co/Th-La/Sc(Cullers，2002)与La/Th-Hf图解(Floyd and Leveridge, 1987)中样品大部分落在长英质火山岩与安山岩之间(图 5a，5b)，与Cr/Zr值判断基本不含镁铁质组相一致。La-Th-Sc、∑ REE-La/Yb源岩判断结果显示(图 5c，5d)：样品物源分布于花岗岩和花岗闪长岩之间，综合得出：顶山地区乌伦古河组砂物源为长英质火山岩和安山岩混合来源。这与顶山地区北东缘阿尔泰广泛分布加里东期和海西期中性-酸性侵入岩体(闪长岩、花岗闪长岩、斜长花岗岩等)相一致(刘伟，1990；袁峰等，2001)。

4.3 物源区构造背景

碎屑沉积岩中Sc、Zr、Ti、Th、La等微量元素在风化搬运、沉积及沉积期后作用中稳定性较好，其含量变化与源岩构造背景紧密相关，适用于源区类型和大地构造背景研究(Bhatia et al., 1986)。随着对已知构造背景碎屑沉积岩元素地球化学研究得出(Bauluz et al., 2000；何政军等，2007):不同构造背景下形成的不同沉积盆地内的沉积物具有不同的地球化学特征；反之，具有不同地球化学特征的沉积物形成于不同的构造环境(朱志军等，2010)。澳大利亚已知物源构造环境的碎屑沉积岩微量元素地球化学研究发现：物源类型及构造背景与碎屑沉积岩化学成分之间存在对应关系，建立了Th-Zr、Th-Co-Zr/10、Th-Sc-Zr/10构造环境判别图解(Bhatia et al., 1986；Bauluz et al., 2000)。由图7可知，顶山地区乌伦古河组砂岩投点分布较集中，推测物源区构造背景较为简单；在Th-Co-Zr/10、Th-Sc-Zr/10构造判断图(图 6b，6c)中样品均集中分布于大陆岛弧，Th-Zr图(图 6a)中分布于大陆岛弧与大洋岛弧过渡区域；综合分析可知乌伦古河组砂岩物源区为大陆岛弧构造背景。

在陆源碎屑的沉积岩中，用微量元素如Rb、Sr、Zr、Hf、Th、Cr和Sc等判断沉积岩的沉积构造环境具有更大的优越性(Taylor et al., 1985；Bhatia et al., 1986)。顶山地区乌伦古河组砂岩样品稳定微量元素比值来看(表 2)，Rb/Sr值为0.33~0.60，平均0.46；Zr/Hf值为35.32~44.19，平均41.02；Zr/Th值为10.70~37.02，平均22.96；Sc/Cr值为0.20~0.39，平均0.27；Rb/Sr、Zr/Hf、Zr/Th及Sc/Cr值均与大陆地壳特征元素比值相一致(Tribovillard et al., 2006)，进一步说明乌伦古河组源岩为大陆岛弧构造背景。

准噶尔地体位于西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块、伊犁地体和中天山地体之间，太古代至早-中元古代以海洋间隔。新元古代-早古生代，准噶尔地体稳定发展，与俯冲消减作用有关的岛弧火山活动、前陆变质褶皱、洋壳残体逆掩推覆，形成阿尔泰-额尔齐斯造山褶皱带(张致民，2000)。晚泥盆世—早石炭世，准噶尔地体与西伯利亚板块和哈萨克斯坦板块拼贴碰撞。早石炭世晚期-晚石炭世早期，伊犁地体与准噶尔地体拼贴。二叠纪-三叠纪，准噶尔地体处于前陆盆地阶段，发育盆地内大型隆起平缓褶皱和边缘冲断、推覆并强烈褶皱，盆地开始接受沉积。侏罗纪-早第三纪，准噶尔盆地处于陆内坳陷阶段，盆地内构造变形为平缓褶皱、稳定沉降，盆地边缘为挤压环境。新第三纪-第四纪，受喜马拉雅造山运动影响，北天山强烈隆升，以压扭性强挤压为特征，盆地的沉降中心快速南迁到乌苏-昌吉一带，中部陆梁隆起迅速形成，将盆地分隔成乌伦古坳陷和准南前陆坳陷(陈新等，2002)。准噶尔盆地北部顶山地区乌伦古河组砂岩源岩为中性-酸性侵入岩体(闪长岩、花岗闪长岩、斜长花岗岩等)，源岩构造环境为大陆岛弧。寒武纪-早志留世，北准噶尔洋伸展-消减旋回，形成了加里东期大陆岛弧中性-酸性侵入岩体；晚志留世-早石炭世，克拉美丽有限洋盆拉张聚敛旋回，形成了海西期大陆岛弧中性-酸性侵入岩体(张朝军等，2006)。新近纪，受喜马拉雅造山运动影响，准噶尔盆地周缘构造缝合带再次活化，盆地中部隆起，乌伦古凹陷区接受北东、北西缘广泛分布的加里东期和海西期中性-酸性侵入岩体(闪长岩、花岗闪长岩、斜长花岗岩等)沉积形成乌伦古河组碎屑沉积岩。

砂岩型铀矿成矿铀源主要为蚀源区以及目的层，沉积源岩是制约目的层铀含量重要影响因素，乌伦古河组沉积物源为加里东期、海西期长英质火山岩和安山岩等，为中性-中酸性岩，铀含量较高，乌伦古河组砂岩铀含量为1.00×10^-6~22.50×10^-6，平均5.86×10^-6，高于松辽盆地南部姚家组含矿层(平均3.93×10^-6)(于文斌，2009)，低于吐哈盆地西南缘中下侏罗统含矿层(平均7.34×10^-6)(周巧生和李占游，2003)，与伊犁盆地水西沟群含矿层相当(砂岩5×10^-6~6×10^-6；泥岩7×10^-6~8×10^-6)(陈戴生等，1997)，目的层铀源良好。喜山期，顶山地区构造活动适中，北东-北西构造缝合带再次活化剥蚀，北部抬升形成倾向近南北的稳定单斜构造带，含铀含氧水由北至南不断入侵，有利于砂岩型铀矿的行成。

5 结论

(1) 准噶尔盆地顶山地区乌伦古河组砂岩相对上地壳Co、W、U、Sb等元素富集，Ni、Mo、Li、Sc、V、Sr、Cr、Cs、Th、Cu、Zn、Cd、Pb、Ga、Tl等元素亏损。稀土元素总量小于北美页岩均值，轻稀土元素之间分馏中等，重稀土元素之间基本不分馏。

(2) 准噶尔盆地顶山地区乌伦古河组砂岩成分受物源成分控制，经历了较弱的沉积再循环作用，物源距离适中。

(3) 准噶尔盆地顶山地区乌伦古河组砂岩物源为北东、北西缘地区加里东期和海西期中性-酸性侵入岩(闪长岩、花岗闪长岩、斜长花岗岩等)，为大陆岛弧构造背景，反映了寒武纪-早志留世，北准噶尔洋伸展-消减旋回，加里东期大陆岛弧中性-酸性侵入岩体的形成；晚志留世-早石炭世，克拉美丽有限洋盆拉张聚敛旋回，海西期大陆岛弧中性-酸性侵入岩体的形成。乌伦古河组铀源良好，喜山期形成稳定的单斜构造带，含铀含氧水由北至南不断入侵，有利于砂岩型铀矿的行成。