干溝拗陷砂巖型鈾礦成礦地質(zhì)條件研究

崔長遠(yuǎn)，張振強

（核工業(yè)二四〇研究所，遼寧 沈陽 110032）

0 引言

砂巖型鈾礦具有品位低、儲量大的特點。自從20世紀(jì)80年代國外采用地浸開采方法，我國迅速轉(zhuǎn)向開展以開采可地浸砂巖鈾礦為主。地浸砂巖型鈾礦開采具有建設(shè)周期短、基建投資少、開采成本低、環(huán)境污染小、自動化程度高、見效快等優(yōu)點。我國先后在新疆伊犁盆地、吐哈盆地、東北松遼盆地、內(nèi)蒙鄂爾多斯盆地發(fā)現(xiàn)了數(shù)個大型、超大型可地浸砂巖型鈾礦床，部分礦床正在進行地浸開采。河北省干溝坳陷具有較好的成礦條件，本文從幾個方面對其開展分析。

干溝拗陷位于建昌中生代火山盆地的南緣，處于我國著名的青龍－興城鈾成礦帶上（王正邦，1997；黃凈白等，2015）。在拗陷內(nèi)發(fā)現(xiàn)有嶺頭中型（433）和干溝（434）大型鈾礦床（統(tǒng)稱青龍鈾礦田）及蓋子、邵杖子鈾礦點及眾多鈾礦化點。前人對該礦田成因進行了較多研究，如張景訓(xùn)（1992）、商亞軍等（2010）對青龍礦田鈾成礦地質(zhì)條件、地質(zhì)特征及找礦方向進行了研究，李澤明等（2020）對干溝鈾礦床開展了蝕變特征巖石學(xué)研究。但前人研究多集中對礦床進行解剖分析，缺少對整個拗陷成礦條件綜合分析，外圍找礦成果不理想，曾一度中斷。近幾年加大了干溝拗陷鈾找勘查力度，核工業(yè)二四三大隊開展了“河北省沽源縣－內(nèi)蒙古克什克騰旗鈾礦資源調(diào)查評價”項目，對干溝拗陷地成礦條件開展了綜合研究，取得了較好的生產(chǎn)與科研成果。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

干溝拗陷（東經(jīng)119°25′～119°45′，北緯40°20′～40°30′）位于華北地臺山海關(guān)古隆起與燕遼沉降帶接壤部位建昌中生代火山盆地的南緣。就構(gòu)造體系而言，處于東西向構(gòu)造體系與北東向構(gòu)造體系的接合部位（圖1）。

圖1 干溝拗陷區(qū)域構(gòu)造圖（黃凈白等，2015）

從板塊角度來分析，干溝拗陷處在華北板塊的北緣。中生代以前本區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場與整個華北地塊一樣，主要有南北向壓應(yīng)力為主的應(yīng)力場（左旋為主），因而近東西向的斷裂構(gòu)造發(fā)育，并控制了干溝火山地塹的成生和發(fā)展（控盆構(gòu)造）。中生代是華北地塊構(gòu)造應(yīng)力場的巨大轉(zhuǎn)變時期。由于太平洋板塊向東部俯沖而出現(xiàn)了北西、面東向壓應(yīng)力場產(chǎn)生一系列北東、北北東向斷裂，對盆地的演化及改造起著控制作用。

2 干溝拗陷基本地質(zhì)特征

干溝拗陷具有明顯的二元結(jié)構(gòu)。基底巖石比較復(fù)雜，東側(cè)為中元古界長城群碎屑巖，鞍山期混合花崗巖、花崗片麻巖；西側(cè)有中元古界南口群化學(xué)沉積巖夾細(xì)碎屑沉積巖。太古界單塔子群黑云母斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖。下元古界朱杖子群黑云母片巖、黑云角閃片巖、變質(zhì)角礫巖；南部主要為呂梁期似斑狀黑云母花崗巖，其次為鞍山期混合花崗巖、花崗片麻巖；北部基底巖石有中元古界南口群化學(xué)沉積巖和絹云母片巖或黑云母角閃片巖。

火山活動從早侏羅世延續(xù)到晚侏羅世，白堊世有同源巖漿的補體侵入，且呈次火山巖體產(chǎn)出?；鹕絿姲l(fā)以中心式噴發(fā)為主，裂隙式噴發(fā)次之。噴發(fā)強度呈有規(guī)律的周期性變化，噴發(fā)－沉積相間出現(xiàn)。火山活動中心隨時間的推移從西向東轉(zhuǎn)移。盆地蓋層為一套中生代侏羅紀(jì)中基性－中酸性－酸堿性火山巖、火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖、沉積碎屑巖。按其巖性和沉積－噴發(fā)旋回韻律。盆地蓋層層序由老至新劃分為興隆溝組、北票組、海房溝組、蘭旗組、土城子組、白旗組、張家口組、義縣組、金剛山組、建昌組、九佛堂組。

構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主。按其展布可分為近東西向、北東向、南北向和北西向四組斷裂構(gòu)造。近東西向構(gòu)造組規(guī)模最大，形成時間最早，活動時間最長，控制著盆地成生、深化和礦床分布。北東向構(gòu)造組發(fā)育最好，與近東西向構(gòu)造相交時往往產(chǎn)生歸并跟蹤，對盆地的演化和礦床的展布也起控制作用。南北向構(gòu)造不甚發(fā)育。北西向構(gòu)造組發(fā)育，生成時間最晚，多數(shù)被酸堿性和中基性脈巖充填。

3 鈾成礦地質(zhì)條件分析

3.1 鈾源條件

3.1.1 基底、蝕源區(qū)含鈾性

巖石鈾含量以常州溝組（Z1Ch）石英砂巖（9.23×10-6）、呂梁期中粗粒二長花崗巖（γ21）（3.60×10-6）、大紅峪組（Z1d）石英砂巖（3.15×10-6）最高，其次是南店子組（Arn）石英片巖（3.04×10-6）、串嶺溝組（Z1c）石英砂巖（2.75×10-6）、老爺廟組（Ptl）石英片巖（2.60×10-6）、鳳凰咀組（Arf）黑云鉀長片麻巖（2.80×10-6）；最低為鞍山期混合花崗巖（Mγ1）（0.63×10-6）（表1）。

鈾的浸出率以串溝嶺組（Z1c）石英砂巖（35.6%），呂梁期中粗粒二長花崗巖（γ21）（31.90%）、中?；◢弾r（γ22）（28.22%），常州溝組（Z1Ch）石英砂巖（21.70%）最高；其次為南店子組（Arn）石英片巖（17.40%）、大紅峪組（Z1d）石英砂巖（16.20%）；再次為鳳凰咀組（Arf）黑云鉀長片麻巖（10.50%），老爺廟組（Ptl）石英片巖（12.30%），鞍山期混合花崗巖（7.1%）（表1）。

表1 干溝拗陷基底蓋層巖石平均鈾含量及浸出率表

3.1.2 蓋層和小侵入體含鈾性

蓋層巖石含鈾量最高為金剛山組（J3j）凝灰質(zhì)粉砂巖（3.95×10-6）、義縣組（J3y）晶屑凝灰?guī)r（3.70×10-6）；其次為蘭旗組（J2l）安山玢巖（3.40×10-6）；小侵入體的含鈾量最高為流紋斑巖（λπ5）（4.50×10-6），次為石英正長斑巖（λεπ5）（表1）。

蓋層巖石浸出率最高為土城子組（J2t）復(fù)成分中礫巖（20.90%），其次為建昌組（J3z）熔結(jié)凝灰?guī)r（11.30%）；小侵入體浸出率最高為石英正長斑巖（λεπ5）（11.40%），其次為流紋斑巖（λπ5）（10.40%）（表1）。

由此認(rèn)為，區(qū)內(nèi)鈾源十分豐富。鈾源可來自基底、蝕源區(qū)和蓋層巖石。主要供給活性鈾的巖石有石英巖、片巖、片麻巖；其次為白云巖和蓋層的安山玢巖。這些為形成富鈾層位奠定了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.2 巖相古地理古氣候條件

（1）巖相的控制作用。所有礦化位于緩傾斜錐狀沖積扇的扇前、扇上及扇側(cè)河流相含炭巖石中。所見礦體位于緩傾斜貝型沖積扇，扇端含炭巖石中。兩種形態(tài)不同的沖積扇是在河相沉積過程中形成。沖積扇插入河相復(fù)成分礫巖中，是同時異相的兩個地質(zhì)體。錐型扇產(chǎn)狀陡，扇內(nèi)流水急，扇內(nèi)砂質(zhì)、炭質(zhì)都被水沖刷到扇外，在河流和其它環(huán)境中沉積。貝型或席狀扇體傾角緩，扇內(nèi)水流將扇根扇中部位的砂質(zhì)炭質(zhì)都沖刷到扇端沉積，使扇端物質(zhì)變細(xì)。由于扇后期形態(tài)不同，鈾沉淀富集部位也不同，錐型扇多在扇側(cè)和扇前含炭砂體或其它沉積物中，貝型扇多扇端含炭砂巖中。

（2）古地理控制著扇體形態(tài)和河流彎曲，靠近控盆構(gòu)造的陡地形易形成錐型扇體，鈾礦化多在扇外。遠(yuǎn)離控盆構(gòu)造緩地形，易形成貝型扇，鈾多在扇端成礦。彎曲河流在拐彎處造成細(xì)碎屑沉積較多，與錐型扇相遇有利于成礦；與貝型扇相遇其成礦就不如錐型扇，因其透水性差。

（3）過渡性的古氣候有利于鈾的浸出。海房溝組古氣候正處于潮濕性向干旱性氣候過渡期（周福慶，2008）。海房溝組下部為北票組含煤系，它的古氣候條件潮濕溫，適應(yīng)生物生長，降雨量大于蒸發(fā)量。而海房溝組上部蘭旗組為火山巖，再上就是土城子組區(qū)域性“紅層”發(fā)育時期，它的古氣候是干旱炎熱，降雨量小于蒸發(fā)量。此外，海房溝組沉積時，介質(zhì)為堿性重碳酸水，pH=7～9。為過渡性氣候條件，對鈾的成礦有利。

總之，拗陷內(nèi)富鈾層位（海房溝地層）鈾礦化的形成受巖相、古地理、古氣候條件控制，即透水性好巖石夾有含碳質(zhì)透水性差的巖石，沖積扇與其它環(huán)境接觸部位，河道拐彎處、潮濕向干旱過渡的古氣候條件，有利于富鈾層位的生成。

3.3 斷裂構(gòu)造條件

橫穿本區(qū)的東西向青龍-錦西復(fù)雜構(gòu)造帶是控盆構(gòu)造，其再次活動，并與炮手營-響水-雹神廟次級構(gòu)造形成構(gòu)造夾持帶。該帶破壞了含鈾層位的承壓熱水與地表水的溝通，地下熱水從構(gòu)造處排氣減壓使之流動。水中所含的鈾在有利的地球化學(xué)條件下再沉淀富集，在構(gòu)造附近的含鈾層位中形成鈾礦體（王慎全，1982；張成江等，2007；王永軍等，2019）。礦體都位于這兩組構(gòu)造的夾持地帶（圖2）。501 號礦化點蝕變花崗巖中的鈾礦化均直接受南部構(gòu)造及其派生的構(gòu)造裂隙控制。

圖2 干溝拗陷礦化區(qū)斷裂夾持帶與礦體分布圖

3.4 圍巖蝕變條件

3.4.1 蝕變類型

（1）粘土化。發(fā)育于淺色和紫褐色花崗質(zhì)礫巖及復(fù)成分礫巖中，礦物成分主要為迪開石、鈣蒙脫石、水云母和少量的高嶺石。復(fù)成分礫巖粘土含量最高（15%～21%），淺色花崗質(zhì)礫巖（12%～15%），紫色花崗質(zhì)礫巖最低（8%）。

高嶺石在酸性條件下生成（王劍鋒，1992），多水高嶺石在弱酸性條件下生成，鈣蒙脫石在強堿性條件下生成。粘土礦物和蝕變礦物的生成可以彼此相連、互相過渡的弱酸-中性、中性-弱堿，弱堿-堿性三個帶。中性-弱堿性帶為酸堿過渡帶。

（2）碳酸鹽化。分布最普遍、范圍最廣。在礦石中主要表現(xiàn)為兩種：一種呈質(zhì)地不純的浸染狀、微粒狀、團塊狀分布于鈾礦物及含鈾有機質(zhì)碎片的兩側(cè)，有時則包圍有機質(zhì)角礫，此泥化碳酸鹽多與鈾礦化有關(guān)；另一種碳酸鹽多為純凈的方解石組成，常呈網(wǎng)脈狀、樹枝狀、細(xì)脈狀穿插切割巖石和所有的蝕變及礦化，為礦床最晚的蝕變產(chǎn)物，與鈾礦化無關(guān)。

（3）褐鐵礦化。發(fā)育于紫褐色巖石中，尤其是紫褐色花崗質(zhì)礫巖中。多呈分散浸染、網(wǎng)脈狀、樹枝狀產(chǎn)出，屬于含黃鐵礦的巖石風(fēng)化或氧化作用的產(chǎn)物。

（4）硅化。常與赤鐵礦化密切共生，表現(xiàn)為隱晶質(zhì)狀，越靠近礦脈處硅化愈強烈（王青等，2015；吳燕清等，2018；王世成，2019）。巖石致密堅硬，在化學(xué)成分上，礦化凝灰?guī)r中SiO2含量可達84%。

（5）赤鐵礦化（紅化）。由針鐵礦—水針鐵礦及赤鐵礦所引起（王劍鋒，1992；景建安，2005；張成江等，2007），呈粉末狀，較均勻地分布于凝灰?guī)r或膠結(jié)物中。巖石呈紅色，常與硅化密切伴生（佟國元等，2012；席海銀等，2014；羅強等，2020）。從圍巖到礦體，紅化和硅化逐漸加強，越靠近礦脈處，紅化愈強烈，巖石的顏色也就愈紅，可視為直接的找礦標(biāo)志。紅化的分布范圍大體與富礦體一致，且具有穿層跨相的現(xiàn)象。

3.4.2 蝕變的分帶性

蝕變具有一定的分帶性（黃振等，2014），可分為紫色帶（紫色花崗質(zhì)礫巖)、過渡帶和淺色帶（淺色花崗質(zhì)礫巖）（李澤明等，2020）。淺色帶和紫色帶交替出現(xiàn)，兩者在厚度上彼此呈消長關(guān)系?？拷鼜?fù)成分礫巖和基底部位，淺色帶較薄，幾厘米至幾米，呈透鏡狀、扁豆體狀夾于紫色層中。在中部或中下部淺色層較厚，呈層狀展布，其間又可見紫色帶透鏡體，由西至東展布。淺色層和紫色層往往呈過渡關(guān)系。不同帶之間彼此有分枝復(fù)合現(xiàn)象，呈犬牙交錯或鋸齒狀接觸。

不同帶對應(yīng)的蝕變礦物有明顯不同（表2）。（1）紫色帶：富含褐鐵礦和長板狀、碎片狀水云母，網(wǎng)脈狀碳酸鹽發(fā)育，不含有機質(zhì)，化學(xué)成分上Fe3+高、Fe2+低，F(xiàn)e3+>Fe2+。（2）過渡帶：含顯微粒狀、球粒狀、莓粒狀黃鐵礦，赤鐵礦，鈣蒙脫石、蒙脫石化水云母，富含碎片狀有機質(zhì)，碳酸鹽為微粒狀泥化。（3）淺層帶：含顯微粒狀、不規(guī)則狀黃鐵礦，含碎片狀水云母和鈣蒙脫石、富含條帶狀水云母，化學(xué)成分上Fe2+高、Fe3+低，F(xiàn)e2+>Fe3+。

表2 干溝拗陷礦化區(qū)蝕變分帶特征對比表

將花崗質(zhì)礫巖淺色層厚度與紫色層和淺色層厚度之和相比，得出色比值，并圈出色比等值線平面圖（圖3）。色比0～20%為氧化帶，色比20%～40%為氧化還原過渡帶（后文簡稱過渡帶），色比>40%為還原帶。通常認(rèn)為，鈾礦化在過渡帶沉淀、富集（魏欣等，2020）。干溝坳陷已發(fā)現(xiàn)的鈾礦化絕大部分落在過渡帶區(qū)域內(nèi)（圖3），該區(qū)域Fe3+/Fe2+為0.4～1.2，氧化還原電位（△Eh）在30～50 mV之間。U4+/U6+為0.82～0.94。

圖3 干溝拗陷礦化區(qū)色比與鈾礦化之間的關(guān)系

3.5 鈾礦化富集條件

海房溝組(J2h)含鈾背景值較高，達(10～20)×10-6，是本區(qū)最主要的含礦層。其在沉積成巖期鈾已有相當(dāng)程度的富集（局部達0.4%）。在干溝拗陷內(nèi)已發(fā)現(xiàn)433、434鈾礦床及石蓋子、邵杖子等鈾礦點。鈾礦體均賦存在海房溝組花崗質(zhì)礫巖，凝灰質(zhì)復(fù)成分礫巖、凝灰質(zhì)砂巖及凝灰?guī)r中。礦化嚴(yán)格地受地層控制，明顯地分布于古地形的溝槽部位。礦體嚴(yán)格受淺色花崗質(zhì)礫巖的控制，它的形態(tài)和展布均與淺色花崗質(zhì)礫巖的空間分布相吻合（張景訓(xùn)，1992；商亞軍等，2013；孫詳?shù)龋?013）。礦體形態(tài)主要為似層狀（圖4），扁豆?fàn)?，少?shù)為透鏡狀。礦體產(chǎn)狀為340°～20°，傾角為20°～40°。厚度變化較大，一般為幾厘米到幾米。但多數(shù)為1～8 m，最厚可達14.62 m。品位變化也較大，平均為0.127%，最富為3.046%。

圖4 干溝拗陷1號勘探線礦體形態(tài)剖面圖（張景訓(xùn)，1992）

4 結(jié)論

（1）干溝拗陷基底、蝕源區(qū)和蓋層含鈾性好或者含鈾量高、鈾源豐富。

（2）海房溝組河流相和扇側(cè)、扇前相砂礫巖含有機質(zhì)（碳），古氣候正處于潮濕向干旱氣候過渡的條件，有利于鈾的同生沉積。

（3）東西向斷裂構(gòu)造與次級構(gòu)造形成構(gòu)造夾持帶，水中所含的鈾在有利的地球化學(xué)條件下再沉淀富集，形成鈾礦體。

（4）紫色花崗質(zhì)礫巖與淺色花崗質(zhì)礫巖之間存在一條氧化還原過渡帶，有利于鈾礦化的沉淀富集。

（5）海房溝組發(fā)現(xiàn)工業(yè)鈾礦化，其受層位控制明顯，大而富的工業(yè)鈾礦體多賦存于紫色和淺色花崗質(zhì)礫巖交匯部位之淺色礫巖一側(cè)。