黄铁矿是砂岩型铀矿床中最常见的还原介质之一,对铀具有吸附与还原作用,可有效记录铀成矿的地球化学过程。因此,黄铁矿矿物学和地球化学特征的详细分析对于阐明铀富集机理具有重要作用。然而,目前对砂岩中黄铁矿复杂的发育特征缺少系统性调查研究,且不同地区地质背景的差异导致了黄铁矿多元化的成因机制。鄂尔多斯盆地北部赋存于直罗组中的古砂岩型铀矿床,黄铁矿分布广泛,与铀矿物紧密共生,为其多阶段形成过程与演化规律的研究提供了有利条件。本文通过钻孔岩心与野外露头考察,运用光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、电子探针、激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱仪和二次离子质谱仪等多种分析测试手段,阐明了铀储层砂体中黄铁矿的空间分布、宏观与微观形态、赋存状态、形态与成分演化等多种特征,分析了黄铁矿与铀成矿的关系,由硫同位素组成揭示了黄铁矿的成因机理,进而建立了多尺度制约要素下黄铁矿的形成与演化模式。宏观上,黄铁矿的类型分为结核状、浸染状和条带状,其中结核状最为丰富。黄铁矿的发育与有机还原介质(煤层、碳质碎屑和暗色泥砾)关系密切,其直径与数量均与至有机还原介质的距离呈负相关,且介质的还原性能越强,黄铁矿的丰度越大。微观上,黄铁矿的形态分为莓状、自形和胶状,其中莓状体分布最为广泛,胶状黄铁矿的丰度最大。各形态黄铁矿均与铀矿物呈紧密共生关系,成矿期莓状黄铁矿直径与铀矿物截面积的正相关性表明,黄铁矿对铀有吸附与还原作用,黄铁矿外部残留被氧化的痕迹,而铀矿物对黄铁矿具交代作用。黄铁矿的生长依赖于碳质碎屑、粘土矿物、黑云母、早期黄铁矿和铁钛氧化物等“核”载体,其或是黄铁矿结晶有利的物理或地球化学场所,或可为黄铁矿的沉淀提供所需的物质来源。黄铁矿与载体组分的共生关系可分为周缘式、填充式和混合式。以亚稳态的莓状体为载体,在物理聚集或流体的加入下,黄铁矿的形态可分别演化为复莓状体、胶状和自形晶,结构变得更加稳定。黄铁矿在灰色含矿砂岩中含量最高,在红色砂岩中含量最低,而在原生灰色砂岩中的含量大于黄色砂岩,表明氧化作用促使黄铁矿发生了成分转化,黄铁矿的化学氧化作用先形成针铁矿,后脱水可转化为赤铁矿,均可呈黄铁矿假晶赋存,其分别是黄色和红色砂岩中的主要致色矿物。早期的莓状黄铁矿与碳质碎屑密切相关,其δ³⁴S组成为-19.1‰~-8.0‰,为硫酸盐还原细菌参与下形成,而与其他类型载体共生的自形和胶状黄铁矿的δ³⁴S表现为+7.9‰~+20.3‰,为盆地热流体作用下的硫酸盐还原反应成因。成矿前黄铁矿的氧化溶解为成矿阶段黄铁矿的沉淀提供了主要物质来源,成矿期的莓状黄铁矿的δ³⁴S组成为-31.2‰~-3.8‰,为生物成因形成,而成矿期的自形和胶状黄铁矿的δ³⁴S组成为-56.9‰~-34.3‰,结合微观形态演化过程与硫同位素分馏机制,认为其是由莓状黄铁矿的溶解,经奥斯特瓦尔德熟化(Ostwald ripening)过程,形成不稳定的溶解硫相,发生歧化反应,产生同位素分馏效应的化学成因形成,该过程受到含硫、硒等的矿物组合所反映的Eh/p H化学条件变化的控制。由“盆地—造山带”型千米级大尺度、“钻孔岩心”型米级中尺度、“手标本”型毫米级小尺度、“光薄片”型微米尺度和“晶体形态”型纳米尺度,逐步聚焦,共总结出可通过影响硫质和铁质来源、赋存空间或微环境等进而制约黄铁矿发育的23种关键要素。在此基础上,以砂体中的区域性氧化还原事件为标志,建立了黄铁矿“沉淀、溶解、再沉淀、保存、再溶解”的多期次形成与演化模式。黄铁矿多阶段的发育规律也指示了铀的活化、迁移和富集的复杂过程,这对于铀矿产资源的勘查工作也具有一定的指导意义。