杭锦旗砂岩型铀矿床地质特征及成因探讨

2018-12-14，

地下水 2018年6期

，

(西北大学地质学系，陕西西安 710069)

砂岩型铀矿泛指赋存于松散透水砂岩层中的工业铀矿床，常形成于河湖相或滨浅海相沉积环境，是世界上发现较早的工业铀矿床之一[1-2]。截止2014年底，我国砂岩型铀矿资源量占“四大类型”铀总矿资源量的52.3%，2014年国内砂岩型铀矿开采量占“四大类型”铀总开采量的31.0%[3]。鉴于此优势，本文重点对鄂尔多斯盆地北部杭锦旗铀矿地质特征及成因进行论述，以期说明盆地砂岩型铀矿“源—运—汇”成矿系统，探讨大型砂岩型铀矿成矿的控矿地质因素。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是发育于华北板块的三叠纪多旋回残延内克拉通盆地，区内地层较全，产状平缓[4]；现今盆地构造面貌是古生代“大华北盆地”演化—改造的残留盆地[5]。盆地发育时限为T2—K1，受古太平洋构造体制的影响，纸坊期始鄂尔多斯盆地作为一个独立的系统演化发育[5]。中新生代盆地沉积演化至少经历了明显的四个阶段[6]：延长组代表了盆地发育的鼎盛阶段；三叠纪末不均衡抬升，早侏罗世盆地广泛沉积富县—延安组河流、沼泽相沉积；直罗—安定期盆地古气候潮湿—干旱转化中形成冲积体系沉积充填；晚侏罗世燕山运动活动强烈，盆地再次隆升，至早白垩世沉积厚层粗粒沙漠相和河流相沉积。早白垩世末，盆地整体抬升进入后期改造—演化阶段。

依据盆地现今的构造格局及其演化特征，鄂尔多斯盆地可划分为六个小的构造单元[7]；盆地北部铀矿化集中在伊盟隆起中北部斜坡带[8]。伊盟隆起继承了盆地前寒武结晶基地的隆起形态，受加里东运动、海西运动的影响，一直处于隆起剥蚀状态，至早二叠世山西期开始接受沉积[9-12]；自中生代晚三叠世以来经历多期次的东强西弱、东早西晚的构造隆升—剥蚀事件，逐渐形成现今东南高西北低的鼻状构造格局，区内地层多以平行不整合或角度不整合接触，强烈构造变形受差异剥蚀地层残留厚度变化较大。依近年来的地震解释成果和钻探等资料将杭锦旗地区划分为天环向斜局部、陕北斜坡一角、公卡汗凸起、杭锦旗断阶、乌兰格尔凸起[7]，区内断层不发育，地层整体表现为向西南缓倾斜的单斜，但矿区南侧发育有受基底断裂控制深切的断面北倾的泊尔江海子断裂[13-14]，这条断裂架起了深部流体向盆地北部运移逸散的桥梁，为砂岩型铀成矿提供了良好的富集条件和保矿环境。

2 杭锦旗铀矿床地质特征

近年来盆地北部在伊盟隆起带陆续发现东胜、杭锦旗(纳令沟)、大营砂岩型铀矿床[15-17]，伊盟隆起带成为继中亚、北美巨型砂岩型铀矿带的另一巨型砂岩型铀矿带[15-16,18]。杭锦旗铀矿床位于鄂尔多斯盆地北部边缘伊盟隆起带上(图1)，是伊盟隆起带上典型的砂岩型铀矿床之一。

2.1 含矿岩系的岩性组合及矿化特征

矿区铀矿化段主要为直罗组J2Z1-2辫状河厚层砂岩[19-20]；砂岩碎屑中石英和长石成分最多，石英平均含量约为23%，颗粒表面光滑，具绿泥石薄膜，含大量流体包裹体；长石类平均含量18%左右，以斜长石为主，多发生绢云母化或绿帘石化。胶结类型为孔隙式胶结和薄膜式胶结，砂岩的渗透性能较好。通过电子探针和α径迹蚀刻分析指出矿化砂岩中铀主要以独立铀矿物(铀石等)和吸附态铀的形式产出，铀矿物颗粒细小，以微粒集合体形式存在[21]。

针对铀石的微区原位稀土元素测试识别出两种不同组合的铀矿物[17]。第一种是与富钒云母共生的铀石(I)，铀石富钒(V)贫铁(Fe)钇(Y)、球粒陨石稀土标准化LREE富集的配分模式，这与中亚等地的典型卷状砂岩型铀矿床特征相似，I类铀石的轻稀土富集特征表明这类铀石与外源氧化(碱性)大气渗入水控制的层间氧化成矿相关；第二种铀石(Ⅱ)与同时期的亮晶方解石共生，铀石富铁(Fe)钇(Y)贫钒(V)，球粒陨石稀土元素分配呈平坦型，与变质型铀矿形成的铀矿物相类似，因而铀石(Ⅱ)的形成是典型的高盐度成矿流体与热液铀矿化相兼容的模式，间接表明矿区可能存在深部铀源。

2.2 层状氧化带与铀矿化

众所周知，层状氧化带对砂岩型铀矿床具有重要意义。研究区层间氧化带呈北西—东南方向展布，并推测与东胜铀矿区层间氧化带相连接，在杭锦旗油气探区内长约100 km的范围内均有分布。针对各分带进行岩芯观察、地化分析等信息的提取[10]，从氧化带→过渡带→还原带，岩石颜色依次为红褐色→绿、灰绿色→灰色→灰白色，过渡带具有最高丰度的铀含量，有机碳和∑S也同样显示了这种特征；二次还原绿色砂岩(古氧化带)表现较为特殊的地球化学特征，有机碳含量和Fe2+/Fe3+特征和还原带相似，说明其现在确为还原性质，但其总铁和∑S的含量却和红色氧化砂岩相似，说明其前身为氧化砂岩，在后来的还原作用事件中氧化砂岩转化成了还原性的绿色化砂岩。结合镜下观察发现，绿色砂岩的绿色为绿泥石和蒙脱石包裹在碎屑颗粒表面所呈现的色调。

图1 鄂尔多斯盆地北部伊盟隆起东胜-杭锦旗-大营巨型成矿带铀矿地质图(内部报告)

3 成因分析及控矿因素探讨

杭锦旗铀矿床与盆地北部的构造演化及其北部可能的物源区河套盆地的隆升沉降密切相关。鄂尔多斯盆地从晚三叠世至早白垩世发育一定厚度的泥岩与砂岩互层，此阶段盆地古气候以干旱炎热或干旱为主,是赋矿层位形成的有利气候。游离氧的产生和铀源区铀元素的分解带出形成富铀含氧地下水向含矿层渗流，有利于层间氧化带持续向盆地方向发展。在东胜组沉积之前与直罗组沉积之后的地质演化历史里，杭锦旗地区与北部大青山隆起区相连，一直处在隆起剥蚀的环境之中，此时河套地区的南部斜坡带的成矿物质来源为大青山—阴山蚀源区稳定提供。晚侏罗纪至白垩纪早期，直罗组一度遭受风化剥蚀，随着地表含铀含氧水的顺层渗入，杭锦旗地区层间氧化带逐渐形成并发展同时形成层间氧化带型铀矿化。晚白垩世以来，受特提斯洋板块和太平洋板块的联合挤压作用，鄂尔多斯盆地北部地区逐渐停止沉积并随之隆升；进入风化剥蚀期，全盆地各层位都有可能进入渗入进下水活动期，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。第三纪时，盆内大范围隆起，周缘形成地堑系，随着北缘断裂的形成发育和河套断陷的下沉，成矿区与大青山蚀源区隔开。

对杭锦旗地区流体作用与成矿的研究指出[21]，铀矿化与3种流体作用相关—氧化渗入水带来铀成矿原始物质、源于地层深部的酸性流体作用、后期有机碳参与的碱性热流体，其中碱性热液活动区为砂岩铀高矿化区。含氧含铀水进入直罗组高孔辫状河砂体促使形成层间氧化带，同时，杭锦旗探区是上古生界天然气运移、逸散的有利指向区[15]，贯穿盆地基地的泊尔江海子断裂及其伴生的次级断裂为成矿流体进入容矿层提供了便捷通道，易于形成有深部物质参与的成矿环境和作用；油气提供的还原条件，利于铀的二次富集和保矿。晚白垩世后期，深部碱性热液流体进入成矿层，使原先存在的微生物成矿作用停止并萃取砂层中分散存在的铀矿物和吸附态存在的铀矿物，此后，随着碱性流体活动的停止和地层水温度的降低，微生物活动继续开始还原成矿。第三纪以来，随着河套盆地的形成，切断了北部氧化渗入水向矿区的流动，加之油气二次还原作用，杭锦旗地区直罗组(古)层间氧化带呈现为特殊的灰绿色或浅灰绿色。