伊犁盆地南缘含矿砂体特征与铀成矿关系研究

康　勇，逄　玮，任满船，王　冰，张大绪

（核工业二一六大队，乌鲁木齐830011）

伊犁盆地南缘含矿砂体特征与铀成矿关系研究

康勇，逄玮，任满船，王冰，张大绪

（核工业二一六大队，乌鲁木齐830011）

含矿砂体物质成分、厚度、沉积特征与渗透性，是层间氧化带砂岩型铀矿成矿不可或缺的因素。通过对伊犁盆地南缘中西段含矿砂体的厚度变化、沉积微相特征的系统分析。认为不同沉积条件下，含矿砂体特征、砂体泥质与粘土矿物含量及砂体中透镜体泥质隔挡层的数量、厚度不同，导致含矿主岩的还原能力、吸附能力的不同。地下水渗流模式的多样性，使得伊犁盆地南缘的成矿模式具有多样性。对砂体厚度研究发现，工业铀矿体大都发育在砂体厚度变化的转折部位，垂向上岩性由粗转细的界面（氧化-还原界面）是工业铀矿体易于富集的场所。

层间氧化带；砂岩型铀矿；砂体厚度；渗透性能；粘土矿物；成矿模式

0　引言

经过核工业几代人的不懈努力，伊犁盆地陆续探明了库捷尔太、乌库尔其、扎吉斯坦、蒙其古尔、洪海沟等多个大中型砂岩型铀矿床（图1）。前人对砂岩型铀矿的成矿因素、控矿因素具有不同的认识。张占峰等认为构造和地下水补径排条件是铀成矿的驱动因素［1］；焦养泉等认为砂体既是铀成矿流体的运移通道，也是铀成矿的储集空间，砂体结构和规模适中的骨架砂体是铀成矿的最基本条件和必备因素［2］，并提出了“砂岩型铀储层”的概念；多数研究者认为充足的铀源及含矿砂岩本身的还原能力是铀成矿不可或缺的条件。笔者在砂岩型铀矿成矿机制研究中发现，每一个沉积旋回砂岩不仅记录该沉积期的气候、环境及沉积水动力特征，还有成矿期的后生蚀变特征。因此研究砂岩型铀矿成矿机制，首先须要对每个沉积旋回砂岩进行剖析和梳理，总结出其与铀成矿的关系。

1　含矿主岩物质成分

伊犁盆地南缘中下侏罗统水系沟群含矿主岩为块状构造，以中-粗粒不等粒砂状结构、泥质胶结为主。岩石中显微状孔隙发育，连通性好。含矿砂体骨架颗粒主要由石英、岩屑和长石三大矿物组成。不同含矿层位含矿主岩矿物岩石学特征及成矿规律有以下特征（表1）。

①含矿主岩为较典型的沉积环境下形成的高铝硅酸盐矿物组合，其岩性以碎屑砂岩、长石岩屑砂岩和砂质砾岩为主。

图1　伊犁盆地铀矿床分布简图Figure1　Distribution of uranium ore deposits in Ili Basin

表1　伊犁盆地南缘中下侏罗统水西沟群铀矿石矿物成分Table1 Ili Basin south margin middle and lower Jurassic Shuixigou Group uranium ore mineral composition

②从岩石矿物学特征看，平面上石英、岩屑含量变化不大，长石含量自洪海沟至蒙其古尔铀矿床呈变小趋势。垂向上从三工河组向上值西山窑组上段，石英含量逐渐减小、岩屑和长石含量增加，岩性由岩屑砂岩为主过渡为岩屑砂岩和长石岩屑砂岩为主，至西山窑组上段过渡为长石岩屑砂岩为主。

③长石、岩屑中的黏土化普遍发育，氧化岩石见有不同程度的褐铁矿化。黏土矿物、碳屑、弱氧化黄铁矿、褐铁矿粉末等是铀吸附的主要集合体，黄铁矿边缘易伴生沥青铀矿和铀石［5］。

④岩屑种类繁多，蚀源区岩性多样。铀矿石与盆地南部山区安山玢岩稀土元素分布型式相一致，表明南部的察布查尔山是水西沟群物源区。蒙其古尔铀矿床酸性火成岩岩屑占岩屑总量的30%左右，表明来自铀源丰富的酸性岩碎屑数量较多，这类岩屑的大量分布使上述含矿砂体本身即成为层间氧化成矿的铀源提供者［6］。

2　含矿砂体厚度与铀成矿关系

伊犁盆地南缘侏罗系砂体以冲积扇、三角洲平原河道相及曲流河相为主，空间上具有稳定的泥-砂-泥互层结构，单层砂体厚度一般为10～30 m。纵观国内外层间氧化带砂岩型铀矿，砂体厚度远大于伊犁盆地含矿砂体厚度的矿床比比皆是：内蒙古东胜-榆林一带直罗组含矿砂岩厚度变化为8～75 m［7］；内蒙古巴彦乌拉地区赛汉组含矿砂体厚度40～100 m［8］；中央克孜勒库姆、楚-萨雷苏、锡尔河等中亚三大成矿域铀矿化层位为白垩系-新近系，含矿砂岩沉积厚度巨大，500～3 000 m不等，许多大型、超大型铀矿连成一片，矿体厚度大、品位高［9］。因此，单纯考虑砂体厚度并不能分析其成矿的利弊。研究砂体厚度与铀成矿关系时，应首先考虑砂体的整体性和稳定性，只有区域内广泛分布并且连通性好的砂体，才具备畅通的地下水径流体系。另外，还有具备能足以推动层间氧化带不断向前运移的水动力条件。伊犁盆地南缘侏罗系含煤地层还原介质普遍存在，其独特的“双源性”（蚀源区和侏罗系本身均可提供铀源）具备了铀成矿物质基础。在相同成矿背景下，砂体自身厚度变化特征及砂体中的还原性物质就成了铀成矿的关键因素。

通过对洪海沟、库基尔太、乌库尔其、扎基斯坦、蒙其古尔等铀矿床Ⅶ旋回、Ⅴ旋回等砂体的厚度研究，含矿砂体厚度与铀成矿关系显示以下特征：

①具备曲流河相沉积特征的Ⅶ旋回砂体，在空间上的“分合”程度较大。该旋回砂体发育较好的洪海沟矿床，空间上能识别出两套具备各自独立补-径-排体系的砂体，并且延展性、连通性好。库捷尔太矿床砂体厚大且疏松，层间氧化带和铀矿化发育不好，仅有400多米宽。在苏东布拉克301线一带亦出现类似特征。乌库尔其地区Ⅶ旋回砂体发育较差，虽然在空间上能识别出2～4层砂体，但各亚层砂体相变较快，空间上分合较频繁，由沉积中心向边缘过渡较快，砂体厚薄变化不均，各相邻两层砂体间频繁产生交叉径流，在交叉水动力体系甚至缺失地下径流，形成的铀矿体比较零散，往往呈“鸡窝状”，导致平面上工业铀矿带窄，连续性差，垂向上工业铀矿体频繁叠置。

②相比Ⅶ旋回，Ⅴ旋回砂体在伊犁盆地南缘中西段分布相对稳定、连续，岩性同样以固结疏松粗砂岩、含砾粗砂岩为主，为该旋回各亚层地下水运移创造了良好的径流条件，时有利于铀成矿的砂体。

③平面上，工业铀矿体大都发育在砂体厚度突变的界面上成矿流体运移方向和流动速度严格受砂体骨架发育形态控制。当砂体厚度发生变化时，成矿流体的能量以及物质运移方向也会发生相应变化，多数情况下这种变化对铀成矿有利。

从洪海沟铀矿床Ⅶ2、Ⅶ1旋回，蒙其古尔铀矿床Ⅶ、Ⅴ1等旋回含矿砂体编制的砂体等厚度与矿体形态展布图看。

洪海沟宽敞Ⅶ2、Ⅶ1旋回砂体形态相对简单。Ⅶ1旋回砂体主要沿K01线方向呈南东-北西向展布，由沉积中心向两侧收敛，工业铀矿体大都分布于砂体厚度的渐变带上（图2）。Ⅶ2旋回砂体展布类似于Ⅶ1旋回砂体，不同的是该旋回砂体在K04线至K44线厚度骤减，工业铀矿体恰好沿着砂体厚度骤减的边缘线发育。

蒙其古尔铀矿床各旋回砂体发育形态相对较复杂，工业铀矿体多集中发育在砂体厚度变化的地段（图3）。

综上所述，纵观伊犁盆地侏罗系水西沟群各层位砂体厚度变化与铀矿体分布，不难发现含矿砂体“稳中有变”的总体特征对成矿是十分有利的。即稳定连续分布含矿砂体中，因沉积砂体厚度变薄或者砂体中泥质夹层增多的部位是成矿有利部位。

3　砂体沉积特征与铀成矿关系

图2　洪海沟铀矿床Ⅶ1旋回砂体等厚度图Figure2　Honghaigou uranium ore deposit VII 1 cycle sandbody isopach

图3　蒙其古尔铀矿床Ⅴ22旋回砂体等厚度图Figure3　Monqigur uranium ore deposit V22cycle sandbody isopach

由于砂体早期沉积的不均一性，加之后期沉积冲刷作用，同一沉积旋回不同地区的砂泥沉积体呈现不同的泥—砂—泥结构。就泥—砂—泥结构而言，伊犁盆地南缘砂体具备以下几种特征：①砂体顶板泥岩沉积缺失，在蒙其古尔铀矿床三工河组下段的顶板泥岩多处沉积缺失，形成了多处透水天窗；②砂体顶、底板隔水层分布稳定，但沉积厚薄不均，局部地区甚至小于1 m；③单层含矿砂体的收敛沉积及砂体中沉积的大量低渗透性隔挡层（这种隔挡层亦包括后期压实、成岩过程中形成的大面积钙质结核、铁质结核、硅质结核等）。

与上述三种沉积类型相对应的地下水渗流模式分别为：①越流渗流模式。蒙其古尔矿床P0-P31线三工河组上段的地下水渗流模式属于越流补给成矿模式［10］，这种成矿模式在伊犁盆地南缘尚属特例，但不一定是唯一特例；②穿越流渗流模式。当含水层顶、底板隔水层过于薄弱，强大的渗透压力会使得薄弱的顶、底板隔水层变成“弱透水层”，这样，地下水就会透过“弱透水层”向上或者向下补给相邻含水层；③绕流渗流模式。洪海沟铀矿床西山窑组上段层间水存在绕流现象［11］。层间水运动不同于管中流体运移，当地下水运动遇到透镜体隔挡层或者收敛沉积的砂体时，成矿流体会迅速转向周边高渗透性的砂体中运移。简言之，就是成矿流体在运移的过程中遇到壁垒、障碍，而构成壁垒、障碍的泥质隔挡层携带的大量还原性物质，绕流作用致使壁垒、障碍附近地下水流速明显减缓，水—岩作用时间相应延长，这种渗流模式从时间和物质上为铀的沉淀和富集提供了十分便利的条件。

绕流渗流模式在伊犁盆地南缘很常见，作为壁垒的收敛性砂体，在绕流作用下成孤立的岛状还原砂体，砂体周围及两翼则属氧化环境，这样岛状还原砂体则有可能形成工业铀矿化。

与洪海沟地区不同的是蒙其古尔铀矿床以泥质隔挡层取代了收敛性砂体，携带还原物质的泥质隔挡层会与周围氧化环境形成强烈反差，从而形成明显的氧化还原地球化学界面，泥质隔挡层及其周边砂体则变成了一个“铀吸附体”。笔者通过对蒙其古尔铀矿床泥质隔挡层厚度及隔挡层与工业铀矿体分布特征的分析，并结合工业铀矿体的分布特征进行了分析，发现分大部厚度为1～2 m的泥质隔挡层周边均伴有铀矿体产出。当泥质隔挡层厚度超过2 m时，其周边几乎很少发育铀矿体。工业铀矿体多分布于泥质隔挡层发育较集中且厚度变化适中的地段（图4）。

图4　蒙其古尔铀矿床Ⅴ22旋回砂体中泥质隔挡层等厚度图Figure4　Monqigur uranium ore deposit V22cycle sandbody argillaceous barrier isopach

从蒙其古尔铀矿床看，含矿砂体中常出现以泥岩、泥质粉砂岩等为主透镜体夹层，且大部分泥岩透镜体周边均富集有工业铀矿体。砂体厚度骤减部位往往是工业铀矿体的聚集部位。铀矿体能在这些地方聚集，不仅与成矿流体流速减缓，水—岩作用时间增长有关，还与这些变异部位原始有机质及黏土含量偏高导致层间氧化带很容易在这些地方尖灭有关，这些都是氧化-还原过渡带形成的有利条件。

4　砂体骨架渗透性与铀成矿关系

从物质和能量守恒角度看，在一次完整交替过程中，成矿流体的氧化能力沿地下水流向会发生由强到弱的变化，原生地层的还原能力因此被不断削弱，氧化带前锋线则在一次次水交替过程中不断的向前推移，当氧化-还原能力接近平衡时，才能形成相对稳定的地球化学障。在这个过程中，水-岩作用完成了侵蚀（携带）-预富集-富集等过程，与该过程对应的地球化学剖面则是铀矿化-翼部矿体-卷头矿体。

每个沉积旋回至少包含一套正粒序或逆粒序砂体，这种垂向上砂体岩性的变化会导致岩石渗透性能的不均一性。成矿流体优先选择渗透性好的部位通过。砂体中有大量成矿流体通过、渗透性好的部位，是氧化作用最强烈部位，而砂体顶、底部渗透性差的细砂岩，其氧化速度会滞后于渗透性好的粗砂岩，这些细砂岩在垂向上构成了还原体。这种垂向上岩性变化的界面，便构成了氧化-还原的分界面。也就是说，砂体顶、底部岩性分界面是铀矿预富集的有利部位，从而揭示了通常见到的铀矿化、翼部矿体大都位于一套正粒序、逆粒序砂体顶部或者底部的原因。

5　结论

通过对伊犁盆地南缘含矿砂体特征与铀成矿关系研究，得到以下认识：

①伊犁盆地南缘含矿砂体均为较典型的沉积环境下形成的高铝硅酸盐矿物组合，以岩屑砂岩、长石岩屑砂岩和砂质砾岩为主要岩性。长石、岩屑普遍发生黏土化，遭氧化的岩石发育不同程度的褐铁矿化。黏土矿物、炭屑、弱氧化的黄铁矿、褐铁矿粉末等是吸附铀的主要集合体。

②纵观伊犁盆地侏罗系水西沟群各层位砂体厚度与铀矿体分布特征时，认为含矿砂岩中的“稳中有变”沉积特征对铀成矿是十分有利的，即稳定连续分布含矿砂体中，因收敛沉积砂体厚度变薄或者砂体中泥质夹层增多的部位是成矿有利部位。

③铀矿体多赋存于砂体厚度急剧减薄，泥质夹层增多，砂岩粒度由粗突然变细等部位，这种砂体变化由微相环境变化所致，这些变异部位往往是原始有机质及黏土含量增高的部位。砂体的这种突变会造成层间地下水的流速减缓甚至流向发生改变，水岩作用时间延长，层间氧化作用受阻。层间氧化带迅速尖灭是形成氧化-还原过渡带，促使铀从水中沉淀，在砂体中富集的重要因素。

④垂向上的岩性分界面与氧化还原分界面在空间上具有一致性特点，往往是铀矿体预富集的有利部位。在成矿的中、后期这些预富集的铀矿体又会遭到溶蚀破坏，并随着地下水运移的方向不断迁移、富集，形成铀矿床。

［1］张占峰，蒋宏，王毛毛.蒙其古尔铀矿床成矿驱动因素及其在伊犁盆地找矿实践中的意义［J］.矿床地质，2010，29：165-166.

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Relationship between Ore-bearing Sandbody Features and Uranium Mineralization at South Margin of Ili Basin

Kang Yong，Pang Wei，Ren Manchuan，Wang Bing and Zhang Daxu
（No.216 Geological Team，China National Nuclear Corporation，Urumqi，Xinjiang 830011）

Material composition，thickness，sedimentary features and permeability of ore-bearing sandbody are indispensable factors for interlayer oxidized zone sandstone type uranium mineralization.Through systematic analysis of ore-bearing sandbody thickness varia⁃tion and sedimentary microfacies features at mid-west sector south margin of Ili Basin，considered that under different sedimentary con⁃ditions，different ore-bearing sandbody features，sandbody pastes，clay mineral contents，and amount，thickness of lenticular argilla⁃ceous barrier in sandbody caused different ore-bearing host rock reducing capacity and adsorptivity.Diversity of groundwater seepage models has caused diversity of mineralization models at south margin of Ili Basin.Study on sandbody thickness has found the pay grade uranium orebodies are mostly developed at sandbody thickness turning position，vertically lithological interface turning from coarse to fine（redox interface）.

interlayer oxidized zone；sandstone type uranium ore；sandbody thickness；permeability；clay minerals；mineralization model

P611

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.10.07

1674-1803（2016）10-0029-05

中国地质调查局项目（1212011220775）

康勇，（1981—），男，2005年毕业于东华理工大学水文与水资源工程专业，水文地质高级工程师，从事铀、煤矿水文地质找矿工作。

2016-05-17

责任编辑：宋博辇