鄂尔多斯盆地北东部区域大规模叠合氧化形成条件与铀成矿作用

刘 璐 ， 彭云彪， 戴明建，2

（1.核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010；2.中国地质大学，武汉 430074）

20世纪90年代，大规模铀矿勘查与找矿工作从早期热液型铀矿转向砂岩型铀矿，砂岩型铀矿成为主要的矿床类型［1］。中核地质系统经过不懈努力，相继在中国北方伊犁盆地、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地、二连盆地和松辽盆地发现和探明了一批大型、特大型砂岩型铀矿［2-9］。通过对这些地区典型砂岩型铀矿床的研究，前人总结了砂岩型铀矿成矿规律和成矿作用，初步建立了我国陆相盆地层间氧化带型砂岩铀矿的成矿模式和找矿标志等［6，10-13］。

鄂尔多斯盆地北东部主要发现了皂火壕、纳岭沟和大营特大型铀矿床，并发展为杭东—皂火壕巨型层间氧化带砂岩型铀成矿带。该成矿带是中国北方最重要的砂岩型铀矿聚集区之一，为内蒙古铀业大基地的建设提供了资源保障。区内矿床具以下特点：其一，在形成后经历了多期次还原改造作用；其二，后生还原改造介质可以来自深部的油气流体，也可以来自下伏的煤成烃；其三，成矿时的层间氧化带完全被还原改造，完全体现不出成矿时岩石地球化学的特点，矿床完全隐伏于还原岩石地球化学环境中；其四，该类型矿床形成时间往往较早［14-15］。研究该巨型铀成矿带的层间氧化带形成条件与叠合氧化作用，总结其铀成矿作用，对鄂尔多斯盆地下步铀矿找矿工作具有一定的指示意义。

1 区域地质背景

研究区位于鄂尔多斯盆地北东部，构造上处于陕北斜坡的伊盟隆起，其南部为杭锦旗凹陷，北部为河套断陷（图1）。加里东和早海西运动使伊盟隆起成为隆起区，并使该区具备相对稳定的基底构造条件。印支运动早期主要表现为隆起背景上的北高南低［3］，并造就了盆地由西向东、由北向南倾斜的大型低缓斜坡带（绝大多数地区地层倾角小于2度）［16］；燕山运动造成盆地多次抬升，北部河套古隆起为该区提供了长期稳定的含氧含铀水的补给，为盆地北部铀成矿提供保障；新构造运动在盆地边缘形成断陷，但并未改变盆地的总体结构，同时有利于新的氧化作用及铀成矿。

图1 鄂尔多斯盆地构造分区略图Fig.1 Schematic map of structure division in northern part of Ordos basin

研究区地层发育较全。太古宇-下元古界为地台的结晶基底；中元古-古生界为地台盖层；中、新生界为盆地盖层。中生界是盆地的沉积主体，主要为山麓相、河流相、湖相碎屑岩建造。研究区铀矿钻孔揭见层位主要包括第四系（Q）、 新近系（N）、 下白垩统（K1）、中侏罗统直罗组（J2z）、延安组（J2y）。找矿目的层为直罗组下段（J2z1），为河流-三角洲-沼泽相沉积建造［17］。并可进一步划分为下亚段（J2z1-1）和上亚段（J2z1-2）， 其中下亚段主要为容矿的灰色砂岩；上亚段主要为灰绿色砂岩、泥岩。直罗组上段为杂色的中细砂岩、泥岩［18-19］。矿体的空间分布明显受氧化带控制。赋矿层位呈 “上绿下灰”的特征，即上部为古氧化绿色砂体，下部为未蚀变的原生灰色砂体。矿体产在两者之间，板状为主，卷状为辅。

2 层间氧化带形成条件

层间氧化带的最主要特征是呈层状和对含水层的专属性，其中灰色砂岩被氧化，低价铁被氧化成高价铁，有机质被部分氧化甚至完全消失。携铀含氧承压地下水沿夹持于不透水岩层（如泥岩）之间的透水砂岩向下方运移，在氧化带前锋处铀被还原而沉淀富集形成铀矿床［20］。

鄂尔多斯盆地北东部层间氧化带规模巨大，宽可达60 km，延伸长度近300 km。之所以能形成如此巨大的层间氧化带，笔者认为，是因为区内具有稳定的构造斜坡带、丰富的双重铀源、巨型泛连通砂带、发育受区域隔水层控制的充足含氧水补给以及发育保矿作用的后生还原地球化学障。

2.1 区域稳定的斜坡构造环境

鄂尔多斯盆地为一大型克拉通盆地，具有相对稳定的基底构造特点。中生代以来，鄂尔多斯盆地演化进入了强烈的陆内变形和改造阶段，受到不同板缘动力作用产生的远程效应和盆地深部构造-热体制转换的影响，盆地经历了多期次、不同应力方向的改造作用。中生代早期，受特提斯构造域的控制及受印支运动影响，盆地四周褶皱成山，盆地轮廓基本确定，形成了基本上以由北西向南东倾斜为主的印支古构造运动面格局［21-22］。印支运动造就了盆地由西向东、由北向南倾斜的伊陕单斜（图1），为延安组和直罗组沉积岩相由北西向南东稳定连续发育创造了极为有利的基底构造条件。在相对稳定抬升的构造背景下，形成了直罗组下段深切谷的泛连通的层状砂，并保持了由北西向南东稳定发育的趋势，并为后期铀成矿提供了良好的赋矿空间。伊陕单斜区地层倾角在0°～50°，构造活化适度，为最有利于层间氧化带形成的正向构造运动的地区［23-24］。主要含矿层直罗组在盆地边缘直接或间接暴露在地表，使含氧含铀水以渗入水动力方式沿目的层砂体向盆内运移。

2.2 丰富的双重铀源

岩石的古铀丰度是形成地浸砂岩型铀矿的物质基础，区内除具备来自蚀源区丰富的铀源，来自目的层本身的铀亦很丰富。

2.2.1 来自蚀源区的铀

盆地周边蚀源区主要由前中生代的地层和岩体组成。研究区中生代沉积的物源主要来自盆地的北部。盆地北西部大面积分布的太古宙、古元古代结晶岩系和不同时代的花岗岩类岩体铀含量较高，一般为2.32～3.35 nC/（kg·h）， 不仅为盆地盖层沉积提供了物源和铀初始富集的铀源，同时也为后生铀成矿提供了丰富的铀源。

2.2.2 来自目的层本身的铀

延安组与直罗组沉积时进行了铀的预富集，地层本身具有较高的铀含量。由于当时气候温暖潮湿，沉积物中富含大量的腐殖质、炭质或煤屑，可吸附铀，如延安组和直罗组砂岩的铀含量分别高达4.90×10-6和15.80×10-6，属富铀地层，可作为后期铀成矿的重要铀源。

2.3 巨型泛连通砂带

研究区直罗组下段为沉积早期在潮湿气候环境下的河流-三角洲沉积体系。在垂向上由多个自粗砂岩到细砂岩 （或粉砂岩、泥岩）的（半）正韵律层叠置而成，河道砂体发育规模大，构成地下水良好的运移通道，在靠河道中心部位砂体厚度巨大（40～140 m），地层结构不太理想，对形成层间氧化带型砂岩铀矿不太有利；但在河道边部或河道分叉部位，砂体厚度适中（30～70 m），泥-砂-泥结构有利，也有利于层间氧化带的发育及后生成矿；平面上，主河道从呼斯梁向南偏东发育至成吉思汗陵一带，长约120 km，宽30～60 km不等（图2），其前端以及两侧发育多条分支河道，特别是在皂火壕—神山沟一带，由北西向南东方向发育多条分支河道，且相互交错成网状，形成泛连通的辫状河道砂体，砂体厚度相对较薄，多为30～50 m。总之，巨大的泛连通砂带为巨型铀成矿带的形成提供了足够的储集空间。

2.4 受区域隔水层控制的充足含氧水供给

图2 鄂尔多斯盆地北东部直罗组下段下亚段砂体等厚度图Fig.2 Sandstone grade thickness of lower sub-member of lower member of Zhiluo Formation in northeastern Ordos basin

研究区侏罗系主要包括延安组与直罗组。延安组为灰色含煤建造，是温暖潮湿气候条件下的沉积；直罗组以杂色为主，气候已由潮湿向半干旱过渡。在主要找矿目的层直罗组沉积后，其它长时期均以干旱气候为主，使盆地及周边蚀源区处于长时期的风化剥蚀状态，准平原化发育，有利于蚀源区含氧含铀水向盆中运移，并发生氧化作用。且在河套断陷及形成以后，由于切断了盆地与北部隆起区的水力联系，该区地下水补、径、排条件总体表现为补给不足、径流缓慢、排泄不畅。但是在盆地地层出露处，由于大气降水的补给，形成了一定规模的层间氧化带。

同时，主要找矿目的层直罗组下段存在相对稳定的隔水-含水-隔水的水文地质结构，平面展布规模大，稳定性好。在晚侏罗世渗入期及白垩纪水文地质期，古气候转为半干旱、干旱，氧化作用发育，来自北部及东部古隆起上的含氧含铀水直接渗入补给，古地下水流向与当时的沉积物迁移和地层相带展布方向基本保持一致，这对铀的稳定迁移、层间氧化带的稳定发育及铀在氧化带前锋线一带稳定沉淀并成矿是非常有利的，这种古地下水流向、物源方向和相带发育的一致性，一直保持到始新世末，时间长达115 Ma，是区内层间氧化带的发育期和可能的铀成矿期，而主要的铀成矿期应为晚白垩世-始新世，持续时间约 60 Ma［25］。

2.5 巨型氧化-还原化学障

铀沉淀的地化障有氧化-还原障、酸-碱（中和）障、吸附障、蒸发障及热动力障等。但其中最重要的是还原障［26］。

研究区南西部苏里格气田、乌审旗气田和榆林气田的主要产气层二叠纪下石盒子组盒8段和山西组山1段有机质丰富、骨架砂体分布稳定、演化程度高，形成的天然气储量巨大［27］。根据冯乔等对鄂尔多斯盆地北部（东胜铀矿、榆林气田、镇川堡气田）山西组流体包裹体类型、均一温度及捕获压力变化的研究［28］，反映了古流体（极富含CH4的煤型天然气和液态烃）由南西向北东的构造高部位运移溢散，并最终汇聚到鄂尔多斯盆地北东部。目前，已在研究区内钻遇石盒子组天然气。在早白垩世末的燕山运动中，由于构造调整和地层掀斜，液态烃继续向北运移，并直至地表散失，如在北部有大量油砂岩的形成［29］， 在下白垩统中可见多处油苗显示［30］，且在钻孔岩心中亦发现有油斑显示。

工作区主要找矿目的层直罗组下段主要发育古层间氧化带，即以 “灰绿色岩石”作为氧化带的判别标志，其形成与直罗组沉积之后的晚侏罗世及晚白垩世-古近纪长时期沉积间断有关［11］；并在北东靠近直罗组砂体出露区叠加有现代氧化作用所形成的黄色岩石。古层间氧化带总体由北向南、由北西向南东方向展布，发育规模较大，宽度在5～50 km之间，氧化深度达700多米。氧化带前锋线位于杭东—南梁—大成梁—合同庙—代杜梅—皂火壕一带，氧化带前锋线多分布于河道的侧部，形态受砂体厚度、河道形态所控制，呈蛇曲状沿近北西向-南北向-近东西向展布，长约210 km（图3）。

区域古层间氧化带前锋线南及南西部砂体呈灰色，富含有机质、黄铁矿等还原介质；氧化带前锋线北部、北东部砂体呈绿色与灰色互层，向北及北东部绿色砂体厚度增加而灰色砂体厚度变薄至尖灭。说明含氧水主要来自北部及北东部，氧化方向由北向南、由北东向南西为主。

图3 鄂尔多斯盆地北东部直罗组下段岩石氧化还原过渡带分布Fig.3 Redox zone distribution of Lower member of Zhiluo Formation in northeastern Ordos basin

3 大规模叠合氧化与铀成矿作用

通过研究区构造演化、应力场特征和铀矿石年龄等的分析，区内铀矿床的形成经历了一个漫长过程，是受4期氧化成矿作用叠加的结果［31-33］（图 4）。

3.1 第1期

该期氧化作用主要是受燕山运动Ⅰ幕影响。此时，太平洋板块向日本海沟俯冲，并产生左旋剪切作用，派生了鄂尔多斯盆地主压应力轴迹为 NW-SE向挤压构造应力场［34］。盆地抬升，在潮湿环境下沉积了直罗组砂体。古流向由北西向南东。来自北部阴山山系的含氧含铀水沿赋矿的直罗组砂体向南东方向迁移。由于该时期气候温暖潮湿，沉积地层有机质丰富，故该期氧化作用相对较弱。但是直罗组本身富含铀，所以在氧化方向前端、河道砂体变薄与分叉频繁和还原介质更丰富的皂火壕地区进行了铀矿富集，并测得有193～161 Ma的成矿年龄。

3.2 第2期

该期氧化作用为主氧化作用，且时间亦跨度最长，由晚侏罗世末一直延续至渐新世。在这一时期，历经燕山运动以NW-SE向主构造应力场向喜山运动NE-SW向主构造应力场转变［22］。盆地抬升与掀斜运动，使盆地北部富铀的阴山山系蚀源区及直罗组长期暴露地表并遭受风化剥蚀，古气候主要为干旱、半干旱，含氧含铀水沿地层中砂体向下渗透，在砂岩层运移过程中将其中的铀不断淋出，铀随着含氧水不断向南、南东和北西方向运移和富集，形成了杭东—皂火壕巨型铀成矿带，并测得有133～33 Ma多个成矿年龄。

3.3 第3期

图4 地层、构造与氧化期次综合图Fig.4 Integrated diagram of stratum，struture and oxidizing stages in Ordos basin

该期氧化作用主要发生于喜马拉雅运动早期。此时，鄂尔多斯地块构造应力场发生了根本的改变，即挤压方向由燕山期的NW向为主转变为NE向，这种改变是太平洋板块向NW俯冲以及特提斯构造域的NE向挤压，迫使中国东部岩石圈块体遭受NW-SE向拉伸的必然结果，其挤压应力来源于特提斯构造域［33］。该期层间氧化带地下水流动方向为NW向，铀源区为相对贫铀的吕梁山山脉，氧化作用相对较弱，但它与古层间氧化带铀矿体相互叠加改造时，在靠近铀源区的皂火壕地区形成了22～7 Ma的铀矿化。

3.4 第4期

该期氧化作用发生在黄河诞生（约1.6 Ma）之后，受黄河支流溯源侵蚀的影响，研究区东部早期形成的铀矿化有可能在黄河诞生之后被剥蚀殆尽。由于盆地东部仍在强烈抬升，早期形成的矿体受现代E-W向氧化作用影响仍有不同程度再次活化和迁移，在含煤等还原介质丰富的区域富集。这也是研究区东部神山沟地段矿体露头铀镭平衡偏铀、地表矿化砂体为黄色的主要原因。

4 铀成矿模式

鄂尔多斯盆地各铀矿床严格受层间氧化带控制。在平面上，富矿体主要集中在古层间氧化带前锋线附近；在垂向上，富矿体主要产于与绿色砂岩相邻的灰色砂岩中。统计发现，铀矿体全部产于氧化-还原过渡带中，完全氧化带中没有工业铀矿体产出。但是，当前期过渡带中的铀矿化受后期氧化改造不彻底时，会在完全氧化带中出现残留的铀矿化。

研究区北部河套古隆起上的阴山山脉作为物源体系为区内提供了稳定的物源供给，并沉积了巨型呈泛连通的河流-三角洲体系朵状砂体。不同的沉积旋回顶部沉积了相对稳定分布的泥岩层，将砂体分隔成多个 “泥-砂-泥”结构，从而形成多套 “隔水层-含矿含水层-隔水层”的水动力系统。同时，阴山山脉基岩中富含铀，持续为研究区提供铀源。受后期燕山和喜山构造运动的影响，形成以北东-南西向为主，向南、向西和向南东方向为辅的多期叠合氧化。在含氧水供给与还原介质相互作用下，形成氧化物质与还原性物质平衡的氧化-还原界面，即层间氧化带前锋线，铀在氧化-还原界面附近富集成矿（图5）。

图5 鄂尔多斯盆地北东部铀成矿模式Fig.5 Metallogenic model of uranium mineralization in northeastern Ordos basin

5 结论

通过对鄂尔多斯盆地北东部区域层间氧化带的形成条件分析，认为其主要控制因素为具有区域稳定的斜坡构造环境、丰富的双重铀源、巨型泛连通砂带、发育受区域隔水层控制的充足含氧水补给以及存在巨型氧化-还原性化学障的保护作用。

结合构造演化、构造应力和矿石年龄等分析，在鄂尔多斯盆地北东部共划分出NWSE、N-S、NE-SW和E-W向共4期叠合氧化成矿作用。其中第1期主要是受燕山运动Ⅰ幕影响，氧化作用相对较弱，形成了193～161 Ma的铀矿体；第2期为主氧化作用，且时间跨度最长，由晚侏罗世末一直延续渐新世，形成了杭东—皂火壕巨型铀成矿带，并形成了133～33 Ma的铀矿体；第3期发生于喜马拉雅运动早期，氧化作用相对较弱，形成了22～7 Ma的铀矿化；第4期发生在黄河诞生之后，为现代氧化作用，铀矿化主要发生于研究区东部神山沟地段。

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