东胜铀矿床的断隆叠加成矿作用

刘德长， 伊丕源， 叶发旺， 杨 旭， 董秀珍

(核工业北京地质研究院遥感信息与图像分析技术重点实验室，北京 100029)

东胜铀矿床的断隆叠加成矿作用

刘德长， 伊丕源， 叶发旺， 杨 旭， 董秀珍

(核工业北京地质研究院遥感信息与图像分析技术重点实验室，北京 100029)

东胜矿床是近几年来在鄂尔多斯盆地东北部发现的一个特大型铀矿床，对该矿床成矿作用的研究具有重要的理论意义和找矿价值。早期人们认为该铀矿床属层间氧化带型矿床，但经对资料的分析认为用层间氧化带的观点很难完全解释东胜铀矿床的成矿问题。利用遥感技术研究了矿床的区域成矿构造背景，发现本区存在一断隆构造，矿床处于该断隆构造的南缘。该断隆构造叠加在早期蚀源区-斜坡带成矿背景之上。在此基础上，结合前人研究成果，对古层间氧化带型铀矿进行了追溯，并探讨了断隆叠加与铀矿化形成的关系，提出断隆构造的发生、发展促进了东胜矿床成矿作用的演化。从断隆的隆升作用，构造-热事件作用和断隆边缘断裂的导通作用等方面，论述了断隆构造的叠加是东胜铀矿床叠合成矿的诱因。由于东胜铀矿床是断隆叠加成矿作用形成的铀矿床，因此，对这类矿床的勘查，不仅要重视沉积体系和氧化带的研究，还要重视构造和深部物质运移迹象的研究。

铀矿床;遥感技术;断隆构造;成矿作用

刘德长，伊丕源，叶发旺，等.2012.东胜铀矿床的断隆叠加成矿作用［J］.东华理工大学学报：自然科学版，35(3)：208-215.

Liu De-chang，Yi Pi-yuan，Ye Fa-wang，et al.2012.Fault-uplift superimposed mineralization of Dongsheng uranium deposit［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，35(3)：208-215.

东胜矿床是近年来在鄂尔多斯盆地东北部发现的一个特大型铀矿床。鄂尔多斯盆地是中朝克拉通上的一个大型盆地，属我国克拉通3个大型盆地之一(另两个是塔里木盆地和四川盆地)。东胜铀矿床的发现进一步证明，我国这类盆地是油、气、煤、铀多种能源共生成藏的盆地。

早期人们认为东胜矿床是层间氧化带型铀矿床。其形成是在氧化条件下蚀源区的铀经地下水搬运，沿透水性高的砂岩层迁移。当这种含铀、含氧地下水从氧化带进入还原带，由于氧化—还原环境的改变，导致铀的沉淀富集而成矿。

通过对矿床同位素年龄资料的分析，矿床的形成虽然经历了从(177±16)Ma到(8±1)Ma的一个漫长过程，但这个过程的成矿作用却不是一个连续的，具有阶段性成矿的特点，其主要成矿阶段为:(120±11)Ma;(80±5)Ma;(20±2)Ma和(8±1)Ma(刘汉彬等，2007)。从成矿的阶段性看，新生代(20±2)Ma和(8±1)Ma仍有铀矿化的形成。可是，新生代时河套断陷已形成，并将盆缘蚀源区与成矿区隔开，这时成矿的铀源已不可能再来自盆缘。再者，矿床的含矿层为中侏罗统直罗组下段的辨状河砂岩，矿化却产于其中的灰绿色砂岩(灰绿色砂岩通常认为是油气还原的产物)与灰色砂岩之间的过渡带中，矿石颜色呈暗绿色或浅兰色，铀矿物主要是铀石，矿石中含大量沥青脉，并发现多期次油气包裹体。同时，矿化还具明显的热改造现象。这些矿化特征均不同于典型的层间氧化带类型铀矿床。

上述事实表明，用传统的层间氧化带观点很难完全解释东胜铀矿床的形成和它的成矿作用。针对这一问题，作者应用遥感技术，对东胜铀矿床的区域地质构造背景进行了研究，发现本区存在一断块隆起构造(即断隆构造)，而其叠加于早期蚀源区-斜坡带区域成矿构造背景之上，造成了断隆的叠加成矿，形成了东胜特大型铀矿床。据此，作者提出了东胜铀矿床断隆叠加成矿的观点。这不仅对丰富砂岩型铀矿的成矿理论具有重要意义，而且对指导砂岩型铀矿床的勘查具有重要的实践价值。

1 东胜铀矿床区域成矿背景断隆构造的遥感判识

利用增强处理的ETM彩色合成图像对东胜铀矿床构造背景进行了遥感解译与地质分析，发现铀矿床所在地区发育一断隆构造，东胜铀矿床处于该断隆构造的南缘。断隆构造为一楔形隆起断块，北缘为F2和F3断裂(图1)。F2断裂为一条被地震剖面和地表地层逆冲现象所证实的断裂;F3断裂为河套断陷南缘断裂，是一条至今仍有活动的断裂。上述两条断裂多见于丁燕云(2002)、姚宗惠等(2003)关于本区的地质和地球物理场特征研究报告，是两条已知的区域性大断裂。ETM图像客观、形象地反映了这一地质和地球物理认识成果。F1断裂呈NWW向，在遥感图像上表现为南北两侧色调、纹理的明显分界。该断裂不仅在重力、航磁上有反映，而且根据野外验证，在地表见有断层面，断面走向NWW230°，倾角80°，倾向SEE(叶发旺等，2005);断层早期片理化明显，晚期发育断层角砾，反映该断裂带早期为压扭性，根据断层在平面上的牵引现象判断扭动方向为左行;晚期力学性质转化为张性或张扭性。东胜矿床铀矿化带呈近东西向展布，与断裂带的延伸方向大体一致，反映出该断裂带对东胜铀矿床的控制作用。

图1 东胜地区遥感图像(左)及构造解译图(右)Fig.1 The remote sensing image and geology structure of the Dongsheng

在对F1断裂厘定的基础上，通过对F1与F2，F3限定地区ETM图像的进一步分析，发现该区的西部还发育有NE和NW两组断裂(F4和F5)。这两组断裂的东侧和西侧在遥感图像上的色调和纹理明显不同。这样，由F1，F2(F3)，F4，F5组成一个楔型断块，其内部色调和纹理与周围明显不同，特别是断块内部纹理比周围明显发育，反映该楔型断块为一隆起的断块构造，命名为东胜-石湾子断隆构造。该断隆构造的轮廓在DEM支持下的遥感三维图像(图2)上，显示的更为形象和真切，也反映了其近期仍处于隆起状态(向伟东等，2006)。

经对东胜铀矿床区域成矿背景的进一步研究表明，该断隆构造是叠加在燕山期形成的大青山—河套蚀源区与南部斜坡带成矿背景之上。

2 断隆构造的发生和发展促进了铀成矿作用的演化

虽然东胜铀矿床赋矿的直罗组砂岩在沉积和成岩过程有铀的预富集，并测得有(177±16)Ma的成矿年龄，但它属于温暖潮湿条件下富铀层的形成过程。真正的成矿过程是从古层间氧化带型铀矿的形成开始的。断隆构造的叠加作用，使早期形成的古层间氧化带型铀矿化得以改造和发展，从而促进了东胜铀矿床的成矿演化。

2.1 古层间氧化带铀矿的追溯

图2 东胜地区断隆构造遥感三维可视化图像Fig.2 3D visualization of the fault-uplift

肖新建等(2004)通过对东胜铀矿床蚀变分带特征、元素地球化学特征，以及某典型剖面中铀和伴生元素沉淀场分布特征的研究，追溯了东胜铀矿床古层间氧化带铀矿化的存在。特别是通过对矿床某南北向勘探线10个钻孔微量元素的变化规律的研究，发现矿化砂岩层中的元素峰值依次出现的顺序为硒、铀、钒和钼，认为这与传统层间氧化带卷锋构造的元素分布区段十分相似。而且，铀、钒、钼、硒峰值的重迭区正是层间氧化带矿化的卷锋带，是从氧化带逐渐过渡到还原带的中间过渡区段。这表明该砂岩矿层具有层间氧化带型铀矿的特征。向伟东等(2006)在对东胜铀矿床成矿地质特征研究后指出，灰绿色砂岩中存在古氧化蚀变残留和古氧化斑点，灰绿色砂岩是控矿的古氧化岩石遭受还原流体改造的产物，随后的后生还原作用掩盖了古氧化蚀变带。上述研究成果均反映了东胜铀矿床早期层间氧化带型铀矿化的存在。

追溯其成矿过程为:晚侏罗世末或早白垩世初，断隆构造所在地区与北部大青山隆起区相连，构成大青山-河套蚀源区与南部斜坡带的成矿构造环境格局。铀源主要来自盆地边缘蚀源区的古老地层和不同时代的花岗岩体，形成(120±11)Ma的层间氧化带型铀矿化(图3a)。

2.2 断隆叠加铀矿的形成和演化

经遥感、地质、地球物理信息的综合分析，东胜-石湾子断隆构造的形成经历了一个发生、发展的过程:首先是断隆南缘断裂的形成，之后是北缘断裂的发生和断隆构造整体隆起。断隆构造的这一发生、发展过程，导致了古层间氧化带型铀矿形成后的成矿过程与其息息相关。

(1)断隆南缘断裂的发育与铀矿的形成和演化。刘德长等(2004)提出东胜铀矿床之南发育一条NWW向的区域断裂，并认为该断裂是一条从地表切入盆地基底的贯穿性断裂，对东胜铀矿床具有明显的控制作用，是一条控矿断裂。

至于该断裂在早白垩世已经形成的有力证据是:它分开了下白垩统伊金霍洛组和东胜组，是二者的分界线，造成下白垩统在本区沉积时的南北差异(图4)。从图4可以看出，以断隆南缘断裂为界，其北分布的是东胜组，其南为伊金霍洛组。伊金霍洛组包括了志丹群的洛河组、环河组、罗汉洞组、泾川组，是一套紫红色、灰绿色、黄色等杂色碎屑岩。但缺失了志丹群底部的宜君组。伊金霍洛组沉积期间断裂以北为隆起剥蚀区，石油钻探证实缺失上述沉积。东胜组是沉积在泾川组之上的地层，限于断隆南缘断裂之北，呈NWW向带状展布，向北被库布其沙漠覆盖。由两个岩性段组成，下段由灰绿、黄绿、灰紫色砾岩、砂砾岩组成;上段为红色、浅灰绿色砂砾岩、砂质泥岩。与下伏直罗组和安定组呈不整合接触。

地层的这种沉积关系反映，早白垩世时期该区以断隆南缘断裂为枢纽带，南北断块之间发生过“翘板”运动(张伯声等，2006)，当洛河-泾川组沉积时南部的伊金霍络旗地区在下降，而北部的东胜地区在隆起;当东胜组沉积时，北部的东胜地区在下降，而南部伊金霍络旗地区在隆起。

上述事实表明，早白垩世时，断隆南缘断裂已经形成。它不仅造成沉积地层的南北分异，而且是南北断块发生“翘板”运动的枢纽带。

图3 东胜铀矿床古层间氧化带形成过程的计算机模拟图Fig.3 The computer simulation of the formation process about the Dongsheng uranium deposit

晚白垩世，由于受太平洋板块和特提斯洋板块的联合推挤，鄂尔多斯盆地整体隆升遭受剥蚀，受这一大区域构造背景的影响，东胜地区结束了早白垩世东胜组的沉积，随之隆起，缺失了上白垩系。这时河套断陷尚未形成，继续保持着大青山-河套蚀源区与南部斜坡带的成矿环境格局。铀源仍来自盆缘蚀源区，但断隆南缘断裂已形成，断裂在成矿过程中发挥了重要作用。结合遥感和重、磁、地震资料对断隆南缘断裂的分析，认为该断裂是一条从地表深切盆地基底的贯穿性断裂。由于它深切盆地基底，可沟通深部气、水、油等还原性物质，并导致其沿断裂带向上运移，在遇到早期形成的古层间氧化带型铀矿化时，使其遭受改造并形成二次还原。同时，贯穿性断裂又是切过地表的断裂，由于断裂的减压作用，会促使含铀、含氧地下水沿含矿砂体向断裂定向驱动。当流向断裂的含铀、含氧地下水与沿断裂上升的油气等还原性物质相遇时，由于遭受强还原和酸化作用，会导致铀发生沉淀富集;贯穿性断裂又是排泄带，“卸货”后的地下水会沿着断裂带不断的被排泄掉，从而构成有利于铀成矿的地下水循环系统，使成矿作用得以持续进行，形成了(80±5)Ma(晚白垩世末)的铀矿化。值得强调的是，由于贯穿性断裂和油气参与了成矿过程，使早期古层间氧化带阶段的浅部成矿作用，转变为浅部与深部复合的成矿作用(图3b)。

(2)断隆整体隆起与铀矿的形成和演化。新生代，由于北缘断裂的发育和河套断陷的下陷，使成矿区与大青山蚀源区隔开。之后，由于断隆的不断隆升，使断隆上的延长组、延安组和直罗组富铀层、含矿层遭受风化剥蚀，并暴露出地表。在干旱气候条件和氧化环境下，为成矿提供了新的铀源。同时，主要在印度板块的向东北推挤作用下，中生代时期的鄂尔多斯长方形断块(张杭，1989)，发生顺时针旋转，变为新生代时期的菱形断块。随着喜山期断隆构造-热事件的发生及南缘断裂的重新开启，这期间，除油气沿南缘断裂上升外，增添了含铀热流体的参与，使之以前形成的铀矿化，在大约(8±1)Ma时期，还发生了较强的热成矿作用，形成铀石、硒化物、硫化物和一些高温矿物，并有Se，Si，Ti，P，REE 等元素的叠加富集(图3c)。

图4 断隆南缘断裂与东胜组和伊金霍络旗组关系图Fig.4 The relationship of the south fault of the fault-uplift with the Dongsheng formation and Yijinhuoluoqi formation

综上所述，多次铀成矿作用的叠加形成了东胜特大型铀矿床。

3 断隆构造的叠加是东胜铀矿床叠合成矿的诱因

李子颖等(2009)在研究了东胜铀矿床后认为，该矿床形成的铀源、成矿流体和成矿作用具有多元性和复杂叠置，提出东胜铀矿床的“叠合铀成矿模式”。这无疑是对东胜铀矿床认识的深化。然而是什么直接导致了东胜铀矿床的叠合成矿?本文在研究了区域成矿背景和成矿过程的基础上，提出东胜铀矿床断隆叠加成矿的观点，并结合矿床的基本地质特征，认为断隆构造的叠加作用是东胜铀矿床叠合成矿的诱因，其中包括断隆的隆升作用，断隆的构造-热事件作用和断隆边缘断裂的导通作用等。

3.1 断隆的隆升作用

断隆的隆升作用可以将深部铀矿床和富铀层抬升到地表，或者使深部铀矿床得以暴露，易于发现，或者使铀矿床和富铀层遭受风化剥蚀，为新的成矿过程提供铀源。隆升造成的高地形环境，有利于形成地下水的补给区，不均衡的隆升还会改变地下水的流动方向。隆升引起的高位，会导致油气向断隆方向的运移。

(1)断隆的隆升剥蚀作用。如前所述，东胜-石湾子断隆构造的隆升，使成矿区与大青山蚀源区分开。这时的铀源不可能再来自盆地西北部、北部大面积分布的太古代、早元古代结晶岩系和不同时代的花岗岩体。但是断隆构造上发育有三叠系延长组和侏罗系的延安组、直罗组富铀地层。延长组为一套含铀和煤的陆相碎屑岩;延安组为一套含煤暗色碎屑岩;直罗组主要由灰色、灰绿色和杂色碎屑岩组成的地层。这些地层(除直罗组上段外)是在温暖潮湿气候条件下形成的，含大量腐蚀植和炭质等还原物质，铀含量高。在航放资料上，显示为初始铀的高场区(图5)。这些富铀地层，随着断隆构造的隆升，并遭受风化剥蚀，逐渐露出地表，为成矿作用提供了中生代地层的铀源，并与蚀源区的铀源叠加，造成东胜矿床成矿过程蚀源区与中生代地层铀源的叠合。

(2)断隆的不均衡隆升作用。该断隆构造的隆升具不均衡性，表现为东北高，西南低的特点。

断隆构造的东部和北部，延长组、延安组、直罗组等富铀层大面积出露地表，在断隆北缘的吴四圪堵-响沙湾一带还见基底变质岩出露地表，而西部和南部却是大面积白垩世地层覆盖。由于这种东北高西南低的不均衡隆起作用，在东胜神仙沟一带发育了新生代典型的层间氧化带型铀矿化。根据对神仙沟的地表观察和对100多个煤炭钻孔资料的成图(图6)分析，从东北向西南直罗组下段含矿层的颜色由黄色变为灰色;神仙沟一带的铀矿矿点和矿化点处于黄色区域与灰色区域之间的氧化-还原过渡带，氧化带前锋呈NW-SE向展布，显然是受东北高西南低的地形控制。可见，断隆不均衡隆起控制了新生代典型层间氧化带铀矿的形成，使该区的铀成矿出现了复杂的局面。

3.2 断隆的构造-热事件作用

断隆构造东部和格林尔地区新近纪红粘土中发育3层拉斑玄武岩，红粘土底部地质年龄为8.3 ～7.41 Ma;玄武岩 Ar-Ar年龄为(6.4 ±0.2)Ma，认为其形成时代为晚中新世(邹和平等，2010)。反映断隆构造东部晚中新世发生了上地幔物质上涌和地壳的伸展。这与鄂尔多斯断块以东、太行山以西的华北地区在中新世以来发生的构造-热事件相吻合。晚中新世发生的这次构造-热事件主要与印度板块向欧亚板块幕式和阶段性推挤(张岳桥等，2006)和太平洋板块的向西俯冲消减有关。新生代鄂尔多斯盆地最大主压应力方向呈NNESSW向(徐黎明等，2006)。中新世以来，青藏高原的快速隆起和向东构造的挤出作用，使河套断陷加速沉降(邹和平等，2010)，东胜-石湾子断陷构造相应强烈隆升，并在太平洋板块向西推挤力作用下，东部翘起，形成东翘西倾的格局。NNE-SSE的强烈引张作用，导致了NNE向基底断裂的开启和断隆顶部NNE向横张断裂的发育，控制了和林格尔地区的玄武岩及其分布。

东胜铀矿床后期富矿形成阶段，显然经历了较强的热流体改造，其直接证据是包体测温获得95℃和14℃2个正态分布峰上的温度曲线，流体含盐度平均达10%，并且形成黄铁矿、方铅矿和闪锌矿等低温矿物组合(肖新建等，2004)，也正是由于热流体的叠加成矿作用，形成了矿床中的富矿石。东胜铀矿床(8±1)Ma的成矿作用，看来与晚中新世断隆上的这次构造-热事件密切相关。

3.3 断隆边缘断裂的导通作用

断隆边缘断裂往往是贯穿性断裂。它既切入盆地，甚至盆地基底的不同层位，又是盆地深部油气，甚至热流体垂直向上运移的通道。当油气和热流体沿贯穿性断裂向上运移的过程中，由于在有机酸的酸液、萃取和金属-有机络合作用下，可以从深部含铀地层，基底地层中汲取铀。据欧光习等(2006)的分析数据表明，石油、油层水较地表水具有数倍至数十倍的高铀含量。东胜矿床油气包体中含较高的铀含量也说明了这点。沿边缘断裂上升的油气和含铀热流体带来的铀的叠加，使东胜铀矿床成矿的铀源显得更加多样化，进而造成更多不同来源铀源的叠合。

同时，油气包体研究表明，矿床的油气作用是多期次的。油气除带来铀源外，在铀成矿过程中还有两方面的重要作用。一方面，对早期形成的铀矿进行改造，从而导致早期形成的层间氧化带型铀矿化遭受二次还原;另一方面沿断裂上升的油气当遇到向断裂运移的含铀、含氧地下水时，由于强烈的还原作用，使六价铀还原为四价铀而沉淀富集。

沿贯穿性断裂上升的热流体更具有很强的迁移能力，使成矿流体富集 U，Mo，V，Se，Si，Ti，P，REE(稀土)等。这种成矿流体的性质往往呈碱性。因此，导致成矿流体沉淀的主要因素是溶液性质的改变。这种流体由碱性向酸性转化过程中也会造成铀的的沉淀富集。

这样以来不仅造成蚀源区铀源、中生代地层铀源和深部流体带来的铀源在成矿过程中的叠合，而且造成大气降水、油气流体和含铀热流体等多种流体在成矿过程中的叠合。

正因为如此，使东胜铀矿床在成因类型上，既具有层间氧化带类型铀矿床的某些特征，又具有非层间氧化带类型铀矿床的某些特征，表现出明显的复合性，其主要特征见表1。

表1 鄂尔多斯盆地东胜铀矿床的铀矿化特征简表Table 1 Characteristics of uranium mineralization of Ordos basin

4 结语

(1)在地质研究中，如果总是重复使用相同的方法和手段研究同一问题，看不到新的现象和事实，也就很难再有新的突破。遥感技术在地质领域应用最大的技术优势就是它能够快速发现常规地质方法难以发现的地质体或地质现象，从而促进地质人员重新思考问题和进行创造性思维，以导致新概念的产生和成矿规律新认识的形成。

(2)中国大陆中-新生代以来，东面受太平洋板块，西南面受特提斯洋板块和印度板块的推挤发生了构造活化。构造活化的重要标志是地壳的断块活动和深部物质的上涌。事实表明，在中国克拉通盆地形成的砂岩型铀矿，不是被这一大地构造背景控制，就是被这一大地构造背景改造。东胜铀矿床就是受这一大地构造背景改造的一个典型实例。

(3)在中国这种特殊大地构造背景上造就的铀矿床，很难是国外那种形成于稳定大地构造背景之上，与断裂和深部物质无关，单纯的浅部成矿作用下形成的铀矿床，而往往是与断裂和深部物质密切相关，浅部与深部成矿作用复合的铀矿床。因此，在中国克拉通盆地找砂岩型铀矿，不仅要重视研究沉积体系和氧化带，还要重视研究构造和深部物质运移迹象，而后者过去在传统理论影响下，往往被忽视或重视不够。

余达淦教授和祝民强教授曾参与该项研究工作，为东胜铀矿床断隆叠加成矿作用观点的形成发挥了重要作用。余达淦教授还为本文提出很好的建议，并帮助修改全文，在此深表感谢。

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Fault-uplift Superimposed Mineralization of Dongsheng Uranium Deposit

LIU De-chang， YI Pi-yuan， YE Fa-wang， YANG Xu， DONG Xiu-zhen
(National Key Laboratory of Remote Sensing Information and Image Analysis Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China)

Dongsheng deposit is an oversize uranium deposit which was found at the northeast of Ordos basin in recent years，so the research of this deposit has significance for the metallogenic theory and prospecting.It was considered as an interlayer oxidation zone type deposit early，but through the further analysis of the data，it was found that this viewpoint could not explain the mineralization process completely.A fault-uplift structure was found by using the remote sensing technology to study the regional tectonic background，and the deposit is on the south of it.Also this fault-uplift is considered superimposed on slope zone metallogenic background which is the early provenance area.Based on these work，a theory that the generation and development of fault-uplift promote the evolution of mineralization of Dongsheng uranium deposit was put forward after reviewing the theory of paleo-interlayeroxidation type sandstone-hosted uranium deposit and the relationship of fault-uplift superimposition and uranium mineralization are discussed.Afterward，the viewpoint that the superimposition of fault-uplift is the inducement of superposition metallogenesis of Dongsheng deposit is demonstrated from many aspects，such as the uplift effect of fault-uplift、the tectothermal events and the guidance of the fracture on the margin of the fault-uplift.Not only the depositional system and oxidation zone，but also the geological structure and the evidence of the movement of the deep substance in the earth should be attach importance to for the exploration of this type deposit.

uranium deposit;remote sensing;fault uplift;mineralization

P619.14

A

1674-3504(2012)03-0208-08

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.03.002

2012-03-25 责任编辑:吴志猛

刘德长(1938—)，男，研究员，博士生导师，长期从事铀矿构造和遥感技术在铀资源、核军事等领域的应用研究及后遥感应用技术的开拓。E-mail:liudc@yeah.net