準(zhǔn)噶爾盆地南緣下白堊統(tǒng)鈣質(zhì)礫巖鈾礦化成因及找礦方向

唐湘飛，賈為衛(wèi)，魯克改，張強(qiáng)

(核工業(yè)二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011)

20世紀(jì)50年代以來，新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣先后發(fā)現(xiàn)了一批鈾礦點(diǎn)、礦化點(diǎn)，賦礦層位有侏羅系、白堊系和古近系，礦化類型有潛水氧化帶型、層間氧化帶型和次生還原型，含礦巖性有礫巖、砂巖及泥巖?? 魯克改,逄瑋,朱成剛,等.準(zhǔn)噶爾盆地鈾礦資源綜合評價,2005.。侏羅系、白堊系是鈾礦化發(fā)育的主要層位，其中，下白堊統(tǒng)清水河組、呼圖壁河組的鈾礦化規(guī)模最大，品位最高。典型礦點(diǎn)有東窩子礦點(diǎn)、石梯子礦點(diǎn)，礦化與鈣質(zhì)礫巖關(guān)系密切?? 唐湘飛,魯克改,王謀,等.準(zhǔn)噶爾盆地南緣1∶25萬鈾礦資源區(qū)域評價,2008.?? 賈為衛(wèi),張忠平,馮世榮,等.新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣喀拉扎地區(qū)鈾礦調(diào)查評價報告,2015.。陳正樂等認(rèn)為準(zhǔn)盆南緣鈾礦化屬潛水-層間氧化帶型[1]；黃少華等認(rèn)為現(xiàn)存的地表鈾礦化是在油氣還原帶上再次被潛水氧化帶疊加形成[2]；鄧功讀認(rèn)為準(zhǔn)南鈾礦化的形成方式是古層間氧化帶疊加后期層間氧化或潛水氧化[3]。通過研究地質(zhì)背景、巖石地球化學(xué)特征及鈾礦化與鈣質(zhì)礫巖、氧化帶空間定位關(guān)系，認(rèn)為鈣質(zhì)礫巖鈾礦化的成因類型為層間氧化帶礫巖型，受層間氧化帶控制，局部地段油氣參與次生還原作用，分析了鈾成礦控制因素，指出下一步找礦方向。

1 研究區(qū)地質(zhì)特征

1.1 構(gòu)造特征

準(zhǔn)噶爾盆地南緣位于天山造山帶北部邊緣，屬于山前褶皺沖斷帶(圖1)，自南向北可分為沖斷推舉帶和沖斷滑脫帶兩部分。沖斷推舉帶內(nèi)斷裂以高角度沖斷層為主，緊鄰天山山前表現(xiàn)為簡單單斜構(gòu)造，中深部表現(xiàn)為塹壘構(gòu)造。逆沖斷裂上盤或表現(xiàn)為小型向斜或表現(xiàn)為整體抬升的造山地貌，EW向的正向構(gòu)造有3條：南部山前推舉帶、中部坳中背斜帶和北部坳邊背斜帶，簡稱為“三排構(gòu)造”[4-5]。區(qū)內(nèi)已知鈾礦點(diǎn)、礦化點(diǎn)全部位于天山山前的第一排構(gòu)造上，典型鈾礦點(diǎn)、礦化點(diǎn)有喀拉扎礦點(diǎn)、阿德崗礦點(diǎn)、東窩子礦點(diǎn)、南方莊子礦化點(diǎn)、達(dá)坂礦化點(diǎn)、四棵樹礦化點(diǎn)等，鈾礦化主要賦存于下白堊統(tǒng)清水河組，礦點(diǎn)數(shù)量以北翼為主，次為南翼。構(gòu)造帶內(nèi)發(fā)育一系列不對稱褶皺構(gòu)造，在近核部位置時有斷層發(fā)育，褶皺南翼緩(30°～40°)，北翼陡(50°～70°)，反映主動力來自南面的特點(diǎn)。

1.2 目的層沉積特征

準(zhǔn)噶爾盆地南緣下白堊統(tǒng)清水河組(K1q)分布范圍較廣，從四棵樹至阜康一帶均有分布，呈NW向的條帶狀，與下伏上侏羅統(tǒng)喀拉扎組、齊古組呈角度不整合接觸，與上覆下白堊統(tǒng)呼圖壁河組呈整合接觸。該地層厚184～300 m，傾向5°～30°，傾角20°～25°。自下而上依次發(fā)育沖積扇相—扇三角洲相—湖相，在半深湖相中發(fā)育少量濁積相，反映了早白堊世盆地快速沉降運(yùn)動[6-7]。該組以發(fā)育一套厚度較穩(wěn)定的底礫巖為特征，底礫巖屬沖積扇相，厚80～110 m，成層性好，分選性和磨圓度較差，平均礫徑5 cm，最大礫徑可達(dá)20 cm，自下而上單個韻律的礫巖厚度及礫徑變小，反映沖積扇向源區(qū)退積的沉積特征。其中鈣質(zhì)礫巖層為區(qū)內(nèi)主要鈾礦化賦存層位，厚2～25 m，礫石含量約占40%～60%，呈次圓狀，成分為花崗巖、安山巖和凝灰?guī)r等巖屑；砂質(zhì)成分約占27%～34%，以粗砂為主，少量細(xì)砂，次棱角狀、次圓狀，成分由單晶石英、鉀長石及花崗巖、凝灰?guī)r和泥巖巖屑等構(gòu)成；填隙物約占11%～15%，多為方解石膠結(jié)物。鈣質(zhì)礫巖固結(jié)致密，地表呈突出屋檐狀，自東向西厚度逐漸變薄，粒度逐漸變細(xì)(圖2)。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣構(gòu)造綱要簡圖Fig.1 The Schematic diagram of Tectonic framework in southern margin of Junggar Basin

鈣質(zhì)礫巖以上發(fā)育扇三角洲相沉積，砂巖厚約15 m，其上為厚約200 m的灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖層。總體上清水河組下部為多期水道疊置，向上巖性逐漸變細(xì)，多為灰綠色、灰黑色泥巖，且泥巖中夾中-薄層濁積巖，單層砂體厚度較薄。

圖2 東窩子礦點(diǎn)西部清水河組下部礫巖露頭（鏡頭向西）Fig.2 Conglomerate outcrop of lower Qingshuihe formation in western of Dongwozi mineralized spot

下伏齊古組、喀拉扎組為一套形成于氧化環(huán)境下的紅色沖積體系。齊古組巖性為紫紅色、磚紅色泥巖，砂質(zhì)泥巖夾薄層砂巖；喀拉扎組巖性為棕紅色塊狀礫巖，底部有少量泥巖、砂巖、礫巖互層，局部為灰綠色具交錯層理的塊狀粗-細(xì)粒長石砂巖，夾細(xì)礫巖及泥礫團(tuán)塊。

1.3 鈾礦化特征

準(zhǔn)噶爾盆地南緣清水河組含礦鈣質(zhì)礫巖在區(qū)域上可從東部的頭屯河延伸到西部的四棵樹河地區(qū)，全長約240 km。平面上，含礦鈣質(zhì)礫巖沿走向及傾向分布范圍較穩(wěn)定，地表出露的鈣質(zhì)礫巖普遍存在放射性高異常，礫巖層整體氧化程度東強(qiáng)西弱。由于固結(jié)致密堅硬，不易風(fēng)化，露頭呈屋檐狀突出或帽沿形的獨(dú)特外觀特征。鈣質(zhì)礫巖之下褐紅色、灰色礫巖層由于固結(jié)疏松，抗風(fēng)化能力較差，易垮塌，多形成直立懸崖。這種屋檐狀鈣質(zhì)礫巖與疏松直立懸崖是地表找礦的直接標(biāo)志，該標(biāo)志在石梯子向斜和將軍溝向斜南翼尤其明顯。

在剖面上，鈣質(zhì)礫巖層中鈾礦體呈板狀、透鏡狀展布，厚度較穩(wěn)定，其下為褐紅色疏松礫巖層，上為褐色、褐黃色疏松砂巖層(圖3)。在東窩子礦點(diǎn)，鈾礦體埋深0～338.24 m，單孔累計厚度為0.10～8.43 m，品位0.010%～0.112%，地表礦體長1 300～1 900 m，寬300～600 m。石梯子礦點(diǎn)，鈾礦體地表出露長100 m，平均厚0.65 m，平均品位0.107%。

賦礦鈣質(zhì)礫巖是底部礫巖層頂部的氧化-還原過渡帶和后生改造相對緩慢的部分，具以下特征：①含礦鈣質(zhì)礫巖原生地球化學(xué)環(huán)境為還原環(huán)境，成礦期處于氧化還原過渡帶。鈾礦體主要賦存于氧化-還原過渡帶且靠近還原帶一側(cè)，少量賦存于氧化帶，上、下礫巖、砂巖層氧化程度越高，鈾的富集程度就越低?；疑}質(zhì)礫巖、礫巖、砂巖中的鈾、有機(jī)碳、碳酸鹽含量多高于氧化巖石(表1)。賦礦礫巖膠結(jié)物以方解石為主，含量1%～9%，膠結(jié)類型為晶粒鑲嵌和連晶膠結(jié)；②樣品分析及伽馬測井結(jié)果顯示，鈾礦化與鈣質(zhì)礫巖中碳酸鈣含量高低有一定正相關(guān)性(表1，圖4)。鈾富集過程中，碳酸鹽也同時富集，這在鄂爾多斯盆地已發(fā)現(xiàn)的層間氧化帶砂巖型鈾礦床中也有明顯表現(xiàn)[8]。研究區(qū)清水河組成巖過程中可能經(jīng)歷了早期酸性氧化及后期堿性還原過程，在鈾成礦的氧化還原過程中，大多數(shù)情況下均有微生物參與[9]。清水河組灰色鈣質(zhì)礫巖中含較多有機(jī)質(zhì)，與鈾成礦關(guān)系最密切的應(yīng)是早期成巖過程中產(chǎn)生的腐殖酸。該物質(zhì)能強(qiáng)烈吸附地下水中的UO22＋，將其轉(zhuǎn)化為鈾酰腐殖酸絡(luò)合物進(jìn)行遷移，至氧化-還原過渡帶，在硫酸鹽還原菌參與下，地層中SO42-被深部上升油氣中的CH4還原為H2S及CO32-，在H2S作用下，地下水中的Fe3+被還原生成黃鐵礦，UO2(CO3)34-被還原成 UO2、CO32-，CO32-與水中的Ca2＋形成CaCO3，形成的鈾礦物、方解石及黃鐵礦在氧化-還原過渡帶均有富集的現(xiàn)象；③樣品分析顯示鈾在鈣質(zhì)礫巖中主要以分散吸附狀態(tài)存在于填隙物中。鈾礦物為顯微狀瀝青鈾礦和含鈾瀝青石，多與碳酸鹽伴生或包裹于巖屑之間的填隙物中，為后期含鈾流體在還原環(huán)境中沉淀富集而成，黃鐵礦則多在碳酸鹽的外緣分布(圖5)。富鈾的鈣質(zhì)礫巖通常含較多的黃鐵礦、碳屑和粘土質(zhì)，較純凈的鈣質(zhì)礫巖通常未發(fā)現(xiàn)鈾礦化賦存。

圖3 東窩子礦點(diǎn)近東西向剖面示意圖Fig.3 The Sketch Map of Near East-West cross-section of Dongwozi mineralized spot

2 鈾成礦控制因素分析

2.1 鈾源

研究區(qū)鈾成礦所需的各容礦層在地表出露較廣，白堊系清水河組下部礦化鈣質(zhì)礫巖層中含大量淺紅色、褐紅色花崗質(zhì)及中酸性火山巖礫石(圖6)，其來源于南部蝕源區(qū)已剝蝕的富鈾花崗巖或火山巖，這些酸性巖體為清水河組提供了富鈾的原生沉積建造。在后期氧化剝蝕過程中，鈾不斷從富鈾巖體遷出向盆內(nèi)運(yùn)移和疊加，在氧化-還原過渡帶富集成礦。區(qū)內(nèi)涌水孔水樣分析結(jié)果也顯示富鈾特征，清水河組礫巖層水中鈾含量為18.4×10-6～48.9×10-6g/L，水質(zhì)類型為Cl·SO4-Na型。長時間連續(xù)取樣分析顯示，水中鈾含量分布穩(wěn)定，表明區(qū)內(nèi)外生、內(nèi)生鈾源條件好。

表1 清水河組灰色、褐紅色砂巖、礫巖地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Geochemical parameters comparison of gray and red conglomerate in Qingshuihe formation

圖4 東窩子礦點(diǎn)鈣質(zhì)礫巖視電阻率與伽馬照射量率對應(yīng)略圖Fig.4 The Correspondence between apparent resistivity and gamma ray dose rate of Calcareous conglomerate in Dongwozi mineralized spot

圖5 清水河組鈣質(zhì)礫巖中的鈾礦物與碳酸鹽Fig.5 Uranium minerals and carbonates in the calcareous conglomerate of Qingshuihe formation

2.2 構(gòu)造演化與鈾成礦

晚侏羅世末，準(zhǔn)噶爾盆地南緣受燕山期構(gòu)造擠壓作用的影響，經(jīng)歷了較強(qiáng)烈的改造，形成了一系列寬緩的向斜與背斜，并遭受強(qiáng)烈剝蝕，形成侏羅系與白堊系之間區(qū)域性角度不整合面，下白堊統(tǒng)清水河組普遍超覆沉積于上侏羅統(tǒng)喀拉扎組、齊古組及中侏羅統(tǒng)頭屯河組之上，后期構(gòu)造運(yùn)動的進(jìn)一步強(qiáng)化，造成塔西河組缺失沉積或被強(qiáng)烈剝蝕。褶皺強(qiáng)烈的地段(背斜南翼)，早侏羅世發(fā)育的潛水、層間氧化帶及其鈾礦體被破壞而再次遷移進(jìn)入下白堊統(tǒng)，下白堊統(tǒng)層間氧化作用得到進(jìn)一步加強(qiáng)，鈾的富集得到進(jìn)一步強(qiáng)化。喜山運(yùn)動期間，受自南向北擠壓作用的影響，喀拉扎背斜繼續(xù)向北滑動，褶皺進(jìn)一步加劇，地層后期剝蝕強(qiáng)烈，現(xiàn)今出露于地表的鈾礦點(diǎn)、礦化點(diǎn)均為早期層間氧化帶的直接產(chǎn)物，新近世晚期，獨(dú)山子組(N2d)近水平覆蓋于向斜之上，未剝蝕地區(qū)層間氧化作用有一定的弱化。

圖6 礦化鈣質(zhì)礫巖巖心縱切面中的礫石成分及其分布特征Fig.6 Gravel composition and its distribution characteristics in the vertical section of mineralized calcareous conglomerate

2.3 巖性-巖相對鈾礦化的控制

區(qū)內(nèi)清水河組發(fā)育沖積扇-扇三角洲沉積體系，以沖積扇快速入湖沉積為主要特點(diǎn)，砂體極發(fā)育。呼圖壁河組為濱淺湖灘壩沉積，砂體不發(fā)育，但這兩個層位還原容量較好，多有鈾礦化發(fā)現(xiàn)。清水河組下部為一層厚度穩(wěn)定的礫巖、砂礫巖、砂巖，中上部為粉砂巖、泥巖夾薄層細(xì)砂巖；下部礫巖、砂巖滲透性好，是氧源、水源、鈾源的提供者。雖然近天山山前清水河組覆于上侏羅統(tǒng)喀拉扎組之上，喀拉扎組頂部為疏松的砂礫巖、砂巖，難以構(gòu)成清水河組砂體的底板，但向盆地腹部，喀拉扎組頂部發(fā)育湖相沉積，其泥巖、泥質(zhì)粉砂巖可構(gòu)成清水河組礫巖底板，具備發(fā)育層間氧化帶所需的“泥-砂(礫)-泥”地層結(jié)構(gòu)條件，有利于鈾礦化的形成。

2.4 層間氧化帶與鈾成礦

鈾礦體分布與層間氧化帶關(guān)系密切，層間氧化帶在形成過程中，含氧含鈾的層間水在運(yùn)移中使巖石中具還原性的組分被氧化，在氧化-還原過渡帶，水中的U6＋還原為U4＋發(fā)生沉淀，同時有機(jī)物及其伴生元素(硒、鉬、釩、錸等)也發(fā)生富集沉淀。取樣分析顯示，鈾礦化與有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦密切相關(guān)。含礦鈣質(zhì)礫巖往往夾持于上、下氧化砂巖、礫巖之間。賦礦礫巖中鈾含量與鈣質(zhì)含量有一定的正相關(guān)性，通常鈣質(zhì)含量低于1%的礫巖中鈾含量相對較低，但也不是所有鈣質(zhì)含量最高的礫巖中鈾含量最高。部分疏松氧化礫巖、砂巖中也有較高鈾含量，表明有顯著的鈾遷入作用發(fā)生，疏松礫巖、砂巖層受到后期層間含鈾含氧水的改造，從伽馬照射量率曲線形態(tài)分析，底部疏松礫巖層是提供鈾的主要通道，次為上部疏松砂巖層。鈣質(zhì)礫巖中的鈾礦化屬于層間氧化帶翼部礦化，受層間氧化帶控制，而非同生沉積成因。清水河組底部含水砂礫巖層中鈾含量達(dá)n×10-5g/l，也說明后生氧化作用是鈾成礦的主控因素。

2.5 古氣候?qū)︹櫝傻V的影響

準(zhǔn)噶爾盆地在中新生代古氣候演化過程中，先后經(jīng)歷了4次大的氣候轉(zhuǎn)變，主要表現(xiàn)為溫暖潮濕氣候與干旱炎熱氣候的相互交替[10]，其中，中侏羅世晚期、晚侏羅世晚期與早白堊世晚期的3次氣候演化對區(qū)內(nèi)清水河組鈾成礦有重大影響，三疊紀(jì)晚期古氣候演化對區(qū)內(nèi)鈾成礦無影響。中侏羅世晚期古氣候由溫暖潮濕向干旱炎熱轉(zhuǎn)變，沉積了一套原生氧化紅層，造成清河組底礫巖層底板有機(jī)質(zhì)的缺乏；晚侏羅世晚期至早白堊世早期古氣候轉(zhuǎn)變?yōu)闇嘏睗駳夂颍练e了下白堊統(tǒng)清水河組原生灰色建造，為層間氧化提供了良好的容礦載體；早白堊世晚期古氣候由溫暖潮濕向干旱炎熱轉(zhuǎn)變，有利于地表含鈾含氧水的持續(xù)滲入與層間氧化帶的發(fā)育。古近紀(jì)以后，燕山運(yùn)動、喜山運(yùn)動并未從根本上改變盆地構(gòu)造格局及古氣候環(huán)境[11]，沉積建造總體為紅色和雜色巖層，反映長期干旱炎熱的氣候環(huán)境，強(qiáng)烈的蒸發(fā)、溶蝕作用使地下水中鈾的濃度逐漸升高，大量活性鈾持續(xù)向深部運(yùn)移，有利于層間氧化帶持續(xù)向深部發(fā)育，為規(guī)模化鈾礦化的形成創(chuàng)造了有利的氣候演化條件。

2.6 油氣還原與鈾成礦

準(zhǔn)噶爾盆地南緣是我國中西部典型的疊加型前陸盆地，區(qū)內(nèi)油氣資源豐富，先后發(fā)現(xiàn)了獨(dú)山子、齊古、呼圖壁、吐谷魯?shù)纫慌蜌馓锛爸T多含油氣構(gòu)造[12]。下白堊統(tǒng)清水河組底礫巖與其上部砂巖在斷層、不整合面及古構(gòu)造的組合下，可形成良好的油氣聚集，多處已獲得工業(yè)油氣流，晚侏羅世—早白堊世早期形成的砂礫巖與不整合面、古構(gòu)造隆起相配合，是目前侏羅系烴源巖的主要油氣儲層之一[13-14]。伴隨喜山運(yùn)動期深部油氣藏的破壞，油氣可通過斷裂、不整合面以及砂礫巖輸導(dǎo)層侵位至各容礦層[15-16]，油氣侵位不僅對早期已形成的古礦具還原隱蔽作用，也可提高上覆地層砂體的還原容量。盆地腹部下白堊統(tǒng)清水河組半深湖-深湖相深灰色含砂質(zhì)泥巖段有機(jī)質(zhì)豐富，是準(zhǔn)南地區(qū)不可忽視的一套重要烴源巖[17]。沉積盆地中的鈾礦化常與地瀝青化、綠色蝕變帶、漂白蝕變、碳酸鹽化及黃鐵礦化等(伴)共生，暗示形成于統(tǒng)一構(gòu)造背景下的鈾礦和油氣藏存在密切的時空分布及成因關(guān)系，某些地區(qū)石油含鈾可達(dá)5×10-5～2×10-5[18-22]。油氣對鈾具還原作用是日趨認(rèn)可的事實，已成為含油氣盆地鈾礦床定位預(yù)測中的一個關(guān)鍵因素[23]。油氣還原能直接或間接參與鈾礦的形成[24-28]。鈾礦勘探過程中在東窩子礦點(diǎn)底礫巖上部砂巖中見到油苗，說明清水河組、喀拉扎組深部砂體存在油氣提供還原劑的可能，這對層間氧化帶的發(fā)育和鈾成礦有利。

3 鈾礦化類型與找礦方向

準(zhǔn)噶爾盆地南緣清水河組鈾礦化類型主要為層間氧化帶礫巖、砂巖型，少數(shù)為同生沉積泥巖型。目前在地表清水河組發(fā)現(xiàn)了累計長約10 km的礫巖型、砂巖型和泥巖型鈾礦化、異常帶，主要代表地段有東窩子、石梯子、將軍溝等。其中，東窩子礦點(diǎn)已在東西長為3.60 km的范圍內(nèi)揭露到受層間氧化帶控制的清水河組底礫巖型板狀鈾礦體，鈾礦體往東、西、北未圈閉，是重點(diǎn)找礦地段。石梯子、將軍溝地段清水河下部礫巖層、砂巖層露頭后生氧化強(qiáng)烈，北部露頭區(qū)處于還原環(huán)境，深部油氣資源豐富，具備與東窩子礦化點(diǎn)相類似的鈾成礦地質(zhì)環(huán)境。向斜南翼從深部導(dǎo)入還原劑和吸附劑的條件較好，形成富礦的可能性較大，預(yù)測可能的鈾成礦部位距砂體露頭800～2 000 m，埋深400～700 m。

4 結(jié)論

準(zhǔn)噶爾盆地南緣下白堊統(tǒng)清水河組發(fā)育層間氧化帶及其鈾礦化，含礦主巖為清水河組中下部的灰色鈣質(zhì)礫巖，屬沖積扇-扇三角洲相。礫巖中的鈣質(zhì)與鈾伴生，為鈾富集沉積時的同生產(chǎn)物，并非原生沉積。已發(fā)現(xiàn)的清水河組鈣質(zhì)礫巖鈾礦化屬層間氧化帶翼部礦化，早期發(fā)育的層間氧化帶及其鈾礦化在北部受到油氣次生還原，前鋒線發(fā)生后退，造成鈾礦體“懸浮”于還原巖石之中離氧化帶前鋒線較遠(yuǎn)的現(xiàn)象，今后準(zhǔn)噶爾盆地南緣清水河組層間氧化帶礫巖型鈾礦化應(yīng)繼續(xù)向北進(jìn)行追索，在前鋒線附近尋找更有利的鈾礦化。