松辽盆地Q区砂岩型铀矿床典型特征与铀成矿关系

王 勇，施泽进，张成江，陈克勇

（1.成都理工大学 地球化学系，成都610059；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059）

砂岩型铀矿最早发现于20世纪50年代[1]，经过几十年的勘探研究，在成矿控制因素[1－3]、铀矿的地球化学特征[4－8]、成矿模型[9]、铀矿的勘探方法[10]及资源潜力评价[11]等方面取得了丰硕的成果。尤其是20世纪60年代，美国和苏联等国家对其开展了大规模的勘探和开发[12]。现在砂岩型铀矿床已经成为澳大利亚及美国等产铀大国的主要矿床类型[13]。

中国砂岩型铀矿的勘探开发起步较晚，大规模的勘查和开发始于20世纪90年代。在“主攻可地浸砂岩型铀矿与积极探索其他经济型铀矿相结合”[14]的思想指导下，在新疆伊犁盆地[15]、鄂尔多斯盆地[8，16]、二连盆地[17]及松辽盆地[18，19]等沉积盆地中，砂岩型铀矿找矿取得了一系列的重大突破。近些年诸多地矿学术研讨会（如2009年中国核学会学术年会及2010年全国成矿理论与深部找矿新方法及勘查开发关键技术交流研讨会）均将砂岩型铀矿作为会议的主要议题加以讨论，体现了砂岩型铀矿的勘探开发在中国逐渐受到重视及其在能源保障和国防事业中的战略地位不断得到加强。

松辽盆地中的砂岩型铀矿是在进行石油勘查过程中发现的可地浸砂岩型铀矿。目前在松辽盆地Q区已经建立了一个中等规模的地浸砂岩型铀矿开采基地。其主要含矿层是侏罗系的辫状河沉积地层，尤其是姚家组具有非常优越的成矿条件。尽管在松辽盆地的多个地区已经发现了较明显的铀异常[20－22]，但近些年来一直未能取得突破。本文通过对松辽盆地Q区典型铀矿床的解剖，分析其典型特征与成矿关系，以期能对松辽盆地其他地区的砂岩型铀矿勘探有所裨益。

1 Q区砂岩型铀矿床典型特征

砂岩型铀矿是一种赋存于沉积盆地中的矿床，它一般由含氧含铀的地下水在砂岩中运移至氧化带边缘，以还原作用、吸附作用等方式沉淀富集而形成的矿体，所以它是一种典型的后生矿床。通过对其典型特征的分析，可以帮助我们更好地认识和理解松辽盆地Q区铀矿床的形成机理。

1.1 矿床赋存岩性

通过岩心观察、测井资料及伽马枪测试等分析，研究区的铀矿床有一个非常显著的特征，即铀矿床几乎不在红色或黄色砂岩中出现，有铀矿富集的地方无一例外地都在灰色砂岩中（图1）。在以大套红色砂岩为主（红色砂岩层厚度＞70%）的地层中，很少出现矿化现象；在以灰色砂岩为主的地层中，即使在已经有矿的地层中，如果出现红色砂岩，则铀矿化现象马上消失（图1）。

对Q区姚家组24口生产井和19口非生产井的统计表明，生产井中红色（氧化）砂的比例绝大多数＜40%，红色砂＜20%的井占到了总井数的60%以上；但若是大套大面积的灰色砂岩中，也不容易出现矿化现象。

图1 研究区典型矿化井铀矿化与砂岩颜色关系Fig.1 The relation between the color of sandstone and the uranium mineralization in study area（Q2－02井）

事实上，Q区姚家组铀矿为典型层间氧化带砂岩型铀矿床，而层间氧化带铀矿床是沉积岩形成的含矿层系经过含氧（铀）地下水的改造，铀迁移并沉积形成的。铀矿床一般位于氧化带蚀变砂体中的富含有机质、黄铁矿和烃类、硫化氢（气、液）等的氧化还原过渡带上。在氧化环境中，铀通常以[UO2]2＋和[UO2（OH）]＋形式溶解于流体中，难以沉淀保留；只有在还原环境（灰色砂岩）中，铀元素才能以[UO2]的形式沉淀保留下来。因此氧化带砂岩型铀矿床具有独特的地球化学分带性。

6价铀的强迁移性和4价铀的弱迁移性促使铀具有在氧化环境中分散，在还原环境（灰色砂岩）中沉淀，并在氧化－还原界面附近的还原环境中富集的地球化学特点。这一特点决定了铀矿形成的基本要求，即必须在氧化－还原过渡带中才能富集，因此氧化－还原带的确定对砂岩型铀矿的勘探来说是至关重要的一个环节。

1.2 成矿地层结构

Q区成矿层具有很好的泥－砂－泥结构。无论是在对中国的伊犁盆地、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地还是对乌兹别克斯坦、俄罗斯等国外的氧化带砂岩型铀矿的勘探研究过程中，都特别强调了隔水层（泥岩层）的重要性[23－25]。上下隔水层的存在，能使特定性质的流体在一定的范围内稳定地流动，不至于扩散到其他地层中，这样持续稳定的流体性质有利于铀矿不断富集，在适当的位置容易形成具有工业价值的铀矿。

通过Q区井间隔水层对比（图2）可以发现姚家组发育了为数众多的泥质隔水层，尤其是姚家组顶部、中部和底部各发育了几套较厚且连续性很好的隔水层，形成了几套稳定的流体流动单元。在这几套流体流动单元中，也存在一些由相对较薄的、连续性稍差的隔水层组成的小的流体流动单元。

53口井的统计表明，研究区姚家组顶部隔水层厚度在1.76～17.7m之间，平均为7.3m，是一套非常稳定的泥岩层；中部隔水层厚0.35～10.1m，平均为5.0m，也是非常稳定的泥岩层；底部隔水层厚0.35～7.7m，平均为3.9m，局部变薄，稳定性比顶部和中部的隔水层稍差。由矿体与隔水层的距离散点图可以看出，矿体距离上下隔水层的距离从零到十几米不等，大多数在0～6m（图3），表明隔水层对矿体的纵向位置有一定的控制作用，即矿体多分布在隔水层的附近。

1.3 薄层泥岩或碳质的影响

图2 隔水层井间对比（近南北向）Fig.2 Correlation of the aquifuges between wells（Nearly North－South）

图3 矿体与隔水层位置关系图Fig.3 The relation between orebody and aquifuge

通过岩心观察及测井分析，隔水层对矿体在纵向上的分布有一定的控制作用，矿体在流体流动单元中的横向位置似乎更多地取决于对铀矿吸附性较强的物质的空间位置，Q区的吸附物质主要有泥质（尤其是深色泥质）和碳质两类，在测井上或现场经常能见到以碳质层（图4－A）或薄层深色泥岩、泥质粉砂岩、泥砾岩（图4－A，B，C）等泥质含量较高的岩石为中心的高放射性异常区，有的甚至以泥质层直接作为含矿层（图4－D）。铀元素在适当的位置沉淀下来以后，作为吸附质要被吸附剂所吸附，由于泥质（碳质）的吸附性远大于砂岩，所以在薄层富泥（或碳质）砂岩中比在较纯的砂岩中更容易富集成矿。

用这种吸附作用及相伴生的扩散作用就可以解释铀矿化在纵横向上强烈的非均质性。在纵向上通常表现为铀矿层以某种含泥质砂岩或泥岩为中心形成矿层，但在向上或向下一定距离后迅速消失，几乎不出现过渡带，U测井曲线表现为尖锐的峰状或指状突起（图4）。在横向上同样存在在一定范围内富集、向周围迅速消失的现象。例如Q2a井与Q2ax井的水平距离不足8m，但两者的含矿情况却相差很大。Q2a井在380～400 m处有很好的矿显示（图5－A），在采矿过程中该井发生了事故，因此在其东不足8m的地方重新布置钻井Q2ax准备开采，但Q2ax完钻后却几乎没有矿化显示。在岩心观察时，两者的岩性差别不大（图5），但在镜下观察的时候就会发现，Q2a井的岩石粒度比Q2ax井的更细一些，并且含有较多的泥质和有机质（图6）。无论是纵向上还是横向上，当存在某一吸附性较强的岩体时，铀元素会向该岩体移动并被吸附，吸附后造成孔隙溶液中铀的浓度降低，形成一定浓度差（图7）。扩散作用会使得周围岩石孔隙溶液中的铀不断地朝此方向扩散并聚集在富含泥质和有机质的岩层中。只有当吸附性强的岩体吸附了足够的铀元素后这种扩散才停下来，其他吸附性较弱的岩体才有机会吸附铀元素，这就造成了铀矿的贫富极化现象，即有矿的地方异常富集，没有矿的地方异常贫乏。

1.4 成矿砂体厚度

对Q区29口含矿砂体统计结果表明（图8），含矿砂体的厚度大多集中在5～20m。这可能与砂体厚度对含矿流体的流动状态的影响有关。当砂体较薄时，砂体中流体流动的连续性及持续性容易受到影响，不利于铀源的持续补给；当砂体太厚太纯时，由于其具有较好的连通性和均质性，流体流动较快，同时缺乏对铀元素具有较强吸附能力的物质，也不利于铀元素的富集成矿。因此，只有当砂体具有适当的厚度时，既能保证砂体中流体的连续性及持续性又有利于铀的富集成矿。

2 成矿控制因素分析

图5 Q2a井与Q2ax井岩性柱状对比图Fig.5 Comparison between lithologic columns of Well Q2aand Well Q2ax

图6 Q2ax井与Q2a井典型岩性显微照片Fig.6 Typical lithologic micrographs of Well Q2ax and Well Q2a

图7 铀元素的扩散作用示意图Fig.7 Dispersion of uranium

图8 单砂体厚度与铀成矿关系图Fig.8 The relation between the thickness of sandbody and the uranium metallogenesis

以上几项特征是铀矿床能在Q区形成的必然表现，也为我们在整个松辽盆地寻找类似的矿床指明了方向。

由于Q区砂岩型铀矿床是典型的氧化带型矿床，而对氧化带型砂岩型铀矿床来说，在这种代表了氧化环境的红色砂岩中，铀元素是以可溶的离子形式存在于流体中的，只有在代表了还原环境的灰色、灰黑色、灰白色砂岩中6价可溶的铀元素才能还原为4价铀沉淀并富集。但在还原环境中，若离氧化前锋线距离太远，由氧化性流体带来的铀元素可能难以到达，就很难实现铀元素的还原沉淀和富集作用。所以对松辽盆地的砂岩型铀矿来说，氧化还原过渡带是最有可能取得突破的地方。氧化还原带对整个松辽盆地的砂岩型铀矿具有绝对的控制作用。

而对于地层是否具有较好的泥－砂－泥结构、砂层中是否有薄层富泥（或碳质）且厚度合适的砂层，它们实际上都是受沉积微相控制的。

无论是Q区砂岩型铀矿床的上、中、下3套比较稳定的隔水层，还是地层中的多套连续性较差的小型隔水层，都主要由紫红色泥岩组成。泥岩中水平层理发育，均为泛滥平原沉积物。具有薄层富泥（或碳质）且厚度在5～20m的砂层往往出现在辫状河沉积的河道充填微相中（图9）。在砂质辫状河中，河床宽而浅，河道经常迁移，所以对于辫状河道来说，水动力条件也有一个由强变弱的变化过程。每一个辫状河道单元均由一套正韵律砂层组成，底部为冲刷面，冲刷面之上为粒度较粗的砂砾岩、含砾砂岩，向上粒度则逐渐变细，可见粗砂、中砂、细砂交互出现，常见楔状交错层理。最上部则是主水道侧向迁移后，水动力条件减弱而留下的泥质粉砂岩、泥岩等细碎屑沉积物，这些细碎屑沉积物往往成为在还原环境中铀元素的主要吸附体。

图9 研究区Q18钻孔姚家组综合柱状图Fig.9 Comprehensive column of Yaojia Formation from Well Q18in study area

3 结论

a.松辽盆地Q区铀矿床是典型的层间氧化带型矿床。在氧化环境中，铀元素溶解在溶液中不易沉淀富集，因此，在代表氧化环境的红色砂岩中几乎没有矿化显示，铀元素只能在距离氧化前锋线不远的还原环境（灰色砂岩）中富集成矿。

b.姚家组在沉积过程中形成了3套非常稳定的泥质隔水层，同时还存在一些小型的连续性较差的隔水层，形成了非常好的泥－砂－泥结构。这种结构的存在，可使特定性质的流体在一定范围内稳定流动，有利于铀元素的持续富集。

c.研究区矿床的铀元素富集具有非常强的非均质性，矿体常常在合适的环境中富集在含泥质或碳质的粉砂岩中。泥质或碳质是Q区铀元素的主要吸附体，这些吸附体的空间位置在很大程度上决定了矿体的空间位置。

d.氧化－还原带及沉积微相是Q区砂岩型铀矿床成矿的2个重要控矿因素。在氧化带中不能成矿，矿床只能形成于具有较好隔水层的氧化－还原过渡带中。最易成矿的部位是过渡带中的河道充填微相砂体。

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