准噶尔盆地南缘下白垩统钙质砾岩铀矿化成因及找矿方向

唐湘飞，贾为卫，鲁克改，张强

(核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011)

20世纪50年代以来，新疆准噶尔盆地南缘先后发现了一批铀矿点、矿化点，赋矿层位有侏罗系、白垩系和古近系，矿化类型有潜水氧化带型、层间氧化带型和次生还原型，含矿岩性有砾岩、砂岩及泥岩❶❶ 鲁克改,逄玮,朱成刚,等.准噶尔盆地铀矿资源综合评价,2005.。侏罗系、白垩系是铀矿化发育的主要层位，其中，下白垩统清水河组、呼图壁河组的铀矿化规模最大，品位最高。典型矿点有东窝子矿点、石梯子矿点，矿化与钙质砾岩关系密切❷❷ 唐湘飞,鲁克改,王谋,等.准噶尔盆地南缘1∶25万铀矿资源区域评价,2008.❸❸ 贾为卫,张忠平,冯世荣,等.新疆准噶尔盆地南缘喀拉扎地区铀矿调查评价报告,2015.。陈正乐等认为准盆南缘铀矿化属潜水-层间氧化带型[1]；黄少华等认为现存的地表铀矿化是在油气还原带上再次被潜水氧化带叠加形成[2]；邓功读认为准南铀矿化的形成方式是古层间氧化带叠加后期层间氧化或潜水氧化[3]。通过研究地质背景、岩石地球化学特征及铀矿化与钙质砾岩、氧化带空间定位关系，认为钙质砾岩铀矿化的成因类型为层间氧化带砾岩型，受层间氧化带控制，局部地段油气参与次生还原作用，分析了铀成矿控制因素，指出下一步找矿方向。

1 研究区地质特征

1.1 构造特征

准噶尔盆地南缘位于天山造山带北部边缘，属于山前褶皱冲断带(图1)，自南向北可分为冲断推举带和冲断滑脱带两部分。冲断推举带内断裂以高角度冲断层为主，紧邻天山山前表现为简单单斜构造，中深部表现为堑垒构造。逆冲断裂上盘或表现为小型向斜或表现为整体抬升的造山地貌，EW向的正向构造有3条：南部山前推举带、中部坳中背斜带和北部坳边背斜带，简称为“三排构造”[4-5]。区内已知铀矿点、矿化点全部位于天山山前的第一排构造上，典型铀矿点、矿化点有喀拉扎矿点、阿德岗矿点、东窝子矿点、南方庄子矿化点、达坂矿化点、四棵树矿化点等，铀矿化主要赋存于下白垩统清水河组，矿点数量以北翼为主，次为南翼。构造带内发育一系列不对称褶皱构造，在近核部位置时有断层发育，褶皱南翼缓(30°～40°)，北翼陡(50°～70°)，反映主动力来自南面的特点。

1.2 目的层沉积特征

准噶尔盆地南缘下白垩统清水河组(K1q)分布范围较广，从四棵树至阜康一带均有分布，呈NW向的条带状，与下伏上侏罗统喀拉扎组、齐古组呈角度不整合接触，与上覆下白垩统呼图壁河组呈整合接触。该地层厚184～300 m，倾向5°～30°，倾角20°～25°。自下而上依次发育冲积扇相—扇三角洲相—湖相，在半深湖相中发育少量浊积相，反映了早白垩世盆地快速沉降运动[6-7]。该组以发育一套厚度较稳定的底砾岩为特征，底砾岩属冲积扇相，厚80～110 m，成层性好，分选性和磨圆度较差，平均砾径5 cm，最大砾径可达20 cm，自下而上单个韵律的砾岩厚度及砾径变小，反映冲积扇向源区退积的沉积特征。其中钙质砾岩层为区内主要铀矿化赋存层位，厚2～25 m，砾石含量约占40%～60%，呈次圆状，成分为花岗岩、安山岩和凝灰岩等岩屑；砂质成分约占27%～34%，以粗砂为主，少量细砂，次棱角状、次圆状，成分由单晶石英、钾长石及花岗岩、凝灰岩和泥岩岩屑等构成；填隙物约占11%～15%，多为方解石胶结物。钙质砾岩固结致密，地表呈突出屋檐状，自东向西厚度逐渐变薄，粒度逐渐变细(图2)。

图1 准噶尔盆地南缘构造纲要简图Fig.1 The Schematic diagram of Tectonic framework in southern margin of Junggar Basin

钙质砾岩以上发育扇三角洲相沉积，砂岩厚约15 m，其上为厚约200 m的灰色泥岩、泥质粉砂岩层。总体上清水河组下部为多期水道叠置，向上岩性逐渐变细，多为灰绿色、灰黑色泥岩，且泥岩中夹中-薄层浊积岩，单层砂体厚度较薄。

图2 东窝子矿点西部清水河组下部砾岩露头（镜头向西）Fig.2 Conglomerate outcrop of lower Qingshuihe formation in western of Dongwozi mineralized spot

下伏齐古组、喀拉扎组为一套形成于氧化环境下的红色冲积体系。齐古组岩性为紫红色、砖红色泥岩，砂质泥岩夹薄层砂岩；喀拉扎组岩性为棕红色块状砾岩，底部有少量泥岩、砂岩、砾岩互层，局部为灰绿色具交错层理的块状粗-细粒长石砂岩，夹细砾岩及泥砾团块。

1.3 铀矿化特征

准噶尔盆地南缘清水河组含矿钙质砾岩在区域上可从东部的头屯河延伸到西部的四棵树河地区，全长约240 km。平面上，含矿钙质砾岩沿走向及倾向分布范围较稳定，地表出露的钙质砾岩普遍存在放射性高异常，砾岩层整体氧化程度东强西弱。由于固结致密坚硬，不易风化，露头呈屋檐状突出或帽沿形的独特外观特征。钙质砾岩之下褐红色、灰色砾岩层由于固结疏松，抗风化能力较差，易垮塌，多形成直立悬崖。这种屋檐状钙质砾岩与疏松直立悬崖是地表找矿的直接标志，该标志在石梯子向斜和将军沟向斜南翼尤其明显。

在剖面上，钙质砾岩层中铀矿体呈板状、透镜状展布，厚度较稳定，其下为褐红色疏松砾岩层，上为褐色、褐黄色疏松砂岩层(图3)。在东窝子矿点，铀矿体埋深0～338.24 m，单孔累计厚度为0.10～8.43 m，品位0.010%～0.112%，地表矿体长1 300～1 900 m，宽300～600 m。石梯子矿点，铀矿体地表出露长100 m，平均厚0.65 m，平均品位0.107%。

赋矿钙质砾岩是底部砾岩层顶部的氧化-还原过渡带和后生改造相对缓慢的部分，具以下特征：①含矿钙质砾岩原生地球化学环境为还原环境，成矿期处于氧化还原过渡带。铀矿体主要赋存于氧化-还原过渡带且靠近还原带一侧，少量赋存于氧化带，上、下砾岩、砂岩层氧化程度越高，铀的富集程度就越低。灰色钙质砾岩、砾岩、砂岩中的铀、有机碳、碳酸盐含量多高于氧化岩石(表1)。赋矿砾岩胶结物以方解石为主，含量1%～9%，胶结类型为晶粒镶嵌和连晶胶结；②样品分析及伽马测井结果显示，铀矿化与钙质砾岩中碳酸钙含量高低有一定正相关性(表1，图4)。铀富集过程中，碳酸盐也同时富集，这在鄂尔多斯盆地已发现的层间氧化带砂岩型铀矿床中也有明显表现[8]。研究区清水河组成岩过程中可能经历了早期酸性氧化及后期碱性还原过程，在铀成矿的氧化还原过程中，大多数情况下均有微生物参与[9]。清水河组灰色钙质砾岩中含较多有机质，与铀成矿关系最密切的应是早期成岩过程中产生的腐殖酸。该物质能强烈吸附地下水中的UO22＋，将其转化为铀酰腐殖酸络合物进行迁移，至氧化-还原过渡带，在硫酸盐还原菌参与下，地层中SO42-被深部上升油气中的CH4还原为H2S及CO32-，在H2S作用下，地下水中的Fe3+被还原生成黄铁矿，UO2(CO3)34-被还原成 UO2、CO32-，CO32-与水中的Ca2＋形成CaCO3，形成的铀矿物、方解石及黄铁矿在氧化-还原过渡带均有富集的现象；③样品分析显示铀在钙质砾岩中主要以分散吸附状态存在于填隙物中。铀矿物为显微状沥青铀矿和含铀沥青石，多与碳酸盐伴生或包裹于岩屑之间的填隙物中，为后期含铀流体在还原环境中沉淀富集而成，黄铁矿则多在碳酸盐的外缘分布(图5)。富铀的钙质砾岩通常含较多的黄铁矿、碳屑和粘土质，较纯净的钙质砾岩通常未发现铀矿化赋存。

图3 东窝子矿点近东西向剖面示意图Fig.3 The Sketch Map of Near East-West cross-section of Dongwozi mineralized spot

2 铀成矿控制因素分析

2.1 铀源

研究区铀成矿所需的各容矿层在地表出露较广，白垩系清水河组下部矿化钙质砾岩层中含大量浅红色、褐红色花岗质及中酸性火山岩砾石(图6)，其来源于南部蚀源区已剥蚀的富铀花岗岩或火山岩，这些酸性岩体为清水河组提供了富铀的原生沉积建造。在后期氧化剥蚀过程中，铀不断从富铀岩体迁出向盆内运移和叠加，在氧化-还原过渡带富集成矿。区内涌水孔水样分析结果也显示富铀特征，清水河组砾岩层水中铀含量为18.4×10-6～48.9×10-6g/L，水质类型为Cl·SO4-Na型。长时间连续取样分析显示，水中铀含量分布稳定，表明区内外生、内生铀源条件好。

表1 清水河组灰色、褐红色砂岩、砾岩地球化学参数统计表Table 1 Geochemical parameters comparison of gray and red conglomerate in Qingshuihe formation

图4 东窝子矿点钙质砾岩视电阻率与伽马照射量率对应略图Fig.4 The Correspondence between apparent resistivity and gamma ray dose rate of Calcareous conglomerate in Dongwozi mineralized spot

图5 清水河组钙质砾岩中的铀矿物与碳酸盐Fig.5 Uranium minerals and carbonates in the calcareous conglomerate of Qingshuihe formation

2.2 构造演化与铀成矿

晚侏罗世末，准噶尔盆地南缘受燕山期构造挤压作用的影响，经历了较强烈的改造，形成了一系列宽缓的向斜与背斜，并遭受强烈剥蚀，形成侏罗系与白垩系之间区域性角度不整合面，下白垩统清水河组普遍超覆沉积于上侏罗统喀拉扎组、齐古组及中侏罗统头屯河组之上，后期构造运动的进一步强化，造成塔西河组缺失沉积或被强烈剥蚀。褶皱强烈的地段(背斜南翼)，早侏罗世发育的潜水、层间氧化带及其铀矿体被破坏而再次迁移进入下白垩统，下白垩统层间氧化作用得到进一步加强，铀的富集得到进一步强化。喜山运动期间，受自南向北挤压作用的影响，喀拉扎背斜继续向北滑动，褶皱进一步加剧，地层后期剥蚀强烈，现今出露于地表的铀矿点、矿化点均为早期层间氧化带的直接产物，新近世晚期，独山子组(N2d)近水平覆盖于向斜之上，未剥蚀地区层间氧化作用有一定的弱化。

图6 矿化钙质砾岩岩心纵切面中的砾石成分及其分布特征Fig.6 Gravel composition and its distribution characteristics in the vertical section of mineralized calcareous conglomerate

2.3 岩性-岩相对铀矿化的控制

区内清水河组发育冲积扇-扇三角洲沉积体系，以冲积扇快速入湖沉积为主要特点，砂体极发育。呼图壁河组为滨浅湖滩坝沉积，砂体不发育，但这两个层位还原容量较好，多有铀矿化发现。清水河组下部为一层厚度稳定的砾岩、砂砾岩、砂岩，中上部为粉砂岩、泥岩夹薄层细砂岩；下部砾岩、砂岩渗透性好，是氧源、水源、铀源的提供者。虽然近天山山前清水河组覆于上侏罗统喀拉扎组之上，喀拉扎组顶部为疏松的砂砾岩、砂岩，难以构成清水河组砂体的底板，但向盆地腹部，喀拉扎组顶部发育湖相沉积，其泥岩、泥质粉砂岩可构成清水河组砾岩底板，具备发育层间氧化带所需的“泥-砂(砾)-泥”地层结构条件，有利于铀矿化的形成。

2.4 层间氧化带与铀成矿

铀矿体分布与层间氧化带关系密切，层间氧化带在形成过程中，含氧含铀的层间水在运移中使岩石中具还原性的组分被氧化，在氧化-还原过渡带，水中的U6＋还原为U4＋发生沉淀，同时有机物及其伴生元素(硒、钼、钒、铼等)也发生富集沉淀。取样分析显示，铀矿化与有机质、黄铁矿密切相关。含矿钙质砾岩往往夹持于上、下氧化砂岩、砾岩之间。赋矿砾岩中铀含量与钙质含量有一定的正相关性，通常钙质含量低于1%的砾岩中铀含量相对较低，但也不是所有钙质含量最高的砾岩中铀含量最高。部分疏松氧化砾岩、砂岩中也有较高铀含量，表明有显著的铀迁入作用发生，疏松砾岩、砂岩层受到后期层间含铀含氧水的改造，从伽马照射量率曲线形态分析，底部疏松砾岩层是提供铀的主要通道，次为上部疏松砂岩层。钙质砾岩中的铀矿化属于层间氧化带翼部矿化，受层间氧化带控制，而非同生沉积成因。清水河组底部含水砂砾岩层中铀含量达n×10-5g/l，也说明后生氧化作用是铀成矿的主控因素。

2.5 古气候对铀成矿的影响

准噶尔盆地在中新生代古气候演化过程中，先后经历了4次大的气候转变，主要表现为温暖潮湿气候与干旱炎热气候的相互交替[10]，其中，中侏罗世晚期、晚侏罗世晚期与早白垩世晚期的3次气候演化对区内清水河组铀成矿有重大影响，三叠纪晚期古气候演化对区内铀成矿无影响。中侏罗世晚期古气候由温暖潮湿向干旱炎热转变，沉积了一套原生氧化红层，造成清河组底砾岩层底板有机质的缺乏；晚侏罗世晚期至早白垩世早期古气候转变为温暖潮湿气候，沉积了下白垩统清水河组原生灰色建造，为层间氧化提供了良好的容矿载体；早白垩世晚期古气候由温暖潮湿向干旱炎热转变，有利于地表含铀含氧水的持续渗入与层间氧化带的发育。古近纪以后，燕山运动、喜山运动并未从根本上改变盆地构造格局及古气候环境[11]，沉积建造总体为红色和杂色岩层，反映长期干旱炎热的气候环境，强烈的蒸发、溶蚀作用使地下水中铀的浓度逐渐升高，大量活性铀持续向深部运移，有利于层间氧化带持续向深部发育，为规模化铀矿化的形成创造了有利的气候演化条件。

2.6 油气还原与铀成矿

准噶尔盆地南缘是我国中西部典型的叠加型前陆盆地，区内油气资源丰富，先后发现了独山子、齐古、呼图壁、吐谷鲁等一批油气田及诸多含油气构造[12]。下白垩统清水河组底砾岩与其上部砂岩在断层、不整合面及古构造的组合下，可形成良好的油气聚集，多处已获得工业油气流，晚侏罗世—早白垩世早期形成的砂砾岩与不整合面、古构造隆起相配合，是目前侏罗系烃源岩的主要油气储层之一[13-14]。伴随喜山运动期深部油气藏的破坏，油气可通过断裂、不整合面以及砂砾岩输导层侵位至各容矿层[15-16]，油气侵位不仅对早期已形成的古矿具还原隐蔽作用，也可提高上覆地层砂体的还原容量。盆地腹部下白垩统清水河组半深湖-深湖相深灰色含砂质泥岩段有机质丰富，是准南地区不可忽视的一套重要烃源岩[17]。沉积盆地中的铀矿化常与地沥青化、绿色蚀变带、漂白蚀变、碳酸盐化及黄铁矿化等(伴)共生，暗示形成于统一构造背景下的铀矿和油气藏存在密切的时空分布及成因关系，某些地区石油含铀可达5×10-5～2×10-5[18-22]。油气对铀具还原作用是日趋认可的事实，已成为含油气盆地铀矿床定位预测中的一个关键因素[23]。油气还原能直接或间接参与铀矿的形成[24-28]。铀矿勘探过程中在东窝子矿点底砾岩上部砂岩中见到油苗，说明清水河组、喀拉扎组深部砂体存在油气提供还原剂的可能，这对层间氧化带的发育和铀成矿有利。

3 铀矿化类型与找矿方向

准噶尔盆地南缘清水河组铀矿化类型主要为层间氧化带砾岩、砂岩型，少数为同生沉积泥岩型。目前在地表清水河组发现了累计长约10 km的砾岩型、砂岩型和泥岩型铀矿化、异常带，主要代表地段有东窝子、石梯子、将军沟等。其中，东窝子矿点已在东西长为3.60 km的范围内揭露到受层间氧化带控制的清水河组底砾岩型板状铀矿体，铀矿体往东、西、北未圈闭，是重点找矿地段。石梯子、将军沟地段清水河下部砾岩层、砂岩层露头后生氧化强烈，北部露头区处于还原环境，深部油气资源丰富，具备与东窝子矿化点相类似的铀成矿地质环境。向斜南翼从深部导入还原剂和吸附剂的条件较好，形成富矿的可能性较大，预测可能的铀成矿部位距砂体露头800～2 000 m，埋深400～700 m。

4 结论

准噶尔盆地南缘下白垩统清水河组发育层间氧化带及其铀矿化，含矿主岩为清水河组中下部的灰色钙质砾岩，属冲积扇-扇三角洲相。砾岩中的钙质与铀伴生，为铀富集沉积时的同生产物，并非原生沉积。已发现的清水河组钙质砾岩铀矿化属层间氧化带翼部矿化，早期发育的层间氧化带及其铀矿化在北部受到油气次生还原，前锋线发生后退，造成铀矿体“悬浮”于还原岩石之中离氧化带前锋线较远的现象，今后准噶尔盆地南缘清水河组层间氧化带砾岩型铀矿化应继续向北进行追索，在前锋线附近寻找更有利的铀矿化。