二连盆地脑木根凹陷沉积型铀矿成矿特征

唐朝苗，徐 强，赵 岳，霍 超，盛新丽

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

近年来，在二连盆地乌兰察布坳陷发现了以赛汉高毕为代表的一批砂岩型铀矿床[1-6]，展示了良好的多元铀矿成矿资源潜力。脑木根凹陷位于二连盆地乌兰察布坳陷西南端，从大地构造位置、盖层构造-沉积演化及区域铀矿化等条件分析，认为其具有沉积型铀成矿的基本条件。

通过煤田钻孔资料“二次开发”，开展铀矿勘查综合选区，进行钻探验证的铀矿资源找矿思路已在北方主要沉积盆地取得重大的找矿突破[7-10]。以脑木根凹陷下白垩统赛汉组为研究对象，利用钻孔岩心编录、测井曲线分析及样品分析测试等手段，重点从铀矿化特征、沉积充填序列及地球化学特征等方面分析了本区铀成矿特征，研究了铀成矿作用机理，总结出古气候、成矿期砂体沉积特征、铀源、后生氧化作用等控矿因素，探索建立了铀矿成矿模式。

1 研究区地质背景

脑木根凹陷位于内蒙古二连盆地乌兰察布坳陷的西南部，为一呈北东-南西向展布的地堑式凹陷(图1)。

区内基底主要为下古生界奥陶系、志留系、石炭系及二叠系。下白垩统赛汉组(K1bs)为研究区主要含铀层位，自上而上可分为三段。岩性具有“粗-细-粗”的特点(图2)。上段为一套灰白色、浅黄色为主的含砾粗砂岩、砂岩、中砂岩，见高岭土化、褐铁矿化蚀变，为河流相沉积环境。中段主要为黑色、灰黑色泥岩、炭质泥岩及煤层为主的湖相沉积的细粒碎屑岩组合，是铀发育层段。铀矿化主要分布在灰黑色泥岩、炭质泥岩及细砂岩中。下段主要为扇三角洲沉积为主的粗碎屑岩组合。

图1 脑木根凹陷区域地质及构造图(剖面图据文献[11]修改)Figure 1 Regional geological and structural map of Nomgen depression (sections after reference [11], modified)

图2 脑木根凹陷沉积充填及构造演化关系图Figure 2 Relationship between sedimentary filling and structural evolution in Nomgen depression

2 铀成矿特征

2.1 铀矿化特征

研究区铀矿化主要分布在下白垩统赛汉组中段顶部暗色泥岩中，中段中部泥岩及粉砂质泥岩中也零星分布铀矿化。铀矿化主要发育于泥质岩中，泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩及褐煤中铀矿化出现频率分别为38%、28%和34%，富铀的褐煤发育水平纹层理构造，泥炭质结构，分布细脉状有机炭(图3)。

ZKU-1，深度78.02m，褐煤，水平纹层理构造，泥炭质结构图3 研究区铀矿化岩石显微结构Figure 3 Study area uranium metallogenic rock microstructures

平面上，铀矿化主要分布在凹陷靠近蚀源区斜坡地带及沉积中心部位。剖面上，铀矿化呈现板状、透镜状分布于赛汉组上段与中段之间沉积间断面附近(图4)。

图4 研究区北东-南西向地质剖面示意图Figure 4 Study area NE-SW diagrammatic geological section

赛汉组中段铀矿化层底界埋深112.85～210.75m，平均161.55m。矿化层埋深由西南向北东逐渐减小，与赛汉组展布特征较一致。铀矿化层厚度为0.10～1.00m，平均0.47m；品位为0.005 2%～0.030 4%，平均0.013 7%；米百分数为0.001～0.024 3，平均0.007 4。铀含量为2.0×10-6～2 919×10-6，镭含量为0.337×10-11～49.640×10-6(表1)。

2.2 沉积充填序列

研究区赛汉组沉积充填序列自上而下划分为3套沉积组合，即上部的砂岩段(图5A)，中部的泥岩、含煤层段(图5B、图5C、图5D)及下部的砂砾岩段(图5E)。下白垩统赛汉组沉积时期，主要发育三角洲?湖泊沉积体系。赛汉组早期(下段)处于低位体系域，在凹陷边缘发育辫状河三角洲、扇三角洲，向凹陷中央逐渐转变为湖泊相沉积。赛汉组中期(中段)处于湖泊扩展体系域，发育滨浅湖-沼泽相，岩性以粉砂岩、泥岩、炭质泥岩、褐煤等细粒沉积物为主，地层中炭化植物碎屑等还原介质容量大，有利于铀矿的富集。赛汉组晚期(上段)处于高位体系域，古气候从早期的潮湿型转变为干旱型，主要发育河流及三角洲沉积体系，沉积了一套稳定的氧化砂体。砂岩中多见呈次棱角状的花岗岩碎屑，体现了近源沉积特点，并普见高岭土化、褐铁矿化后生蚀变(图5A)，潜水氧化作用明显。

表1 研究区赛汉组含铀矿地层岩石U和Ra含量

不同的沉积环境铀矿化的富集程度不同，脑木根凹陷最适宜铀富集的沉积环境为滨浅湖泥炭沼泽(图6)。湖泊的扩张引起可容空间增大，为泥炭的沉积提供了广阔的空间，有利于富有机质泥岩、煤层发育，为铀的富集提供了丰富的吸附剂和还原剂。黑色岩系中有机质和铀含量存在线性关系[11-12]。其次，凹陷边缘的三角洲平原分流间湾等微相中发育的泥岩沼泽也有利于暗色泥岩、煤层等富有机质岩系的发育。以U6+溶解于水体中的铀被暗色泥岩、煤层中的有机质吸附后进入还原环境中，以U4+形式沉淀下来，富集成矿。

2.3 地球化学特征

通过对研究区赛汉组含矿层段不同类型岩石FeO、Fe2O3及有机碳含量(C有)的测试分析，结果表明赛汉组岩石地球化学环境在垂向上具有后生氧化-还原的特征。赛汉组上段为灰白色、黄色粗砂岩、中砂岩，形成于弱氧化环境，见褐铁矿化，呈黄色斑点或条带状分布(图5A)。赛汉组中段及下段为灰色、黑色砂岩、泥岩及煤层，形成于还原环境，灰色泥岩Fe3+平均质量分数4.67%、C有平均质量分数0.68%，明显高于上部黄色砂岩及下部灰色类岩石(图7)。铀矿化层及上部砂岩层环境指标变化明显。

A：浅黄色、灰白色中砂岩，粒度概率曲线显示三段式，河流相沉积，67～70m，ZKU-3；B：灰绿色砂质泥岩、泥岩及泥灰岩，镜下显示泥灰岩球粒结构，方解石95%，泥质物5%，滨浅湖相，87～90m，ZKU-3；C：灰黑色泥岩，深湖相，188～190m，ZKU-16；D：黑色炭质泥岩，74m，ZKU-1；E：交错层理粗砂岩，210m，ZKU-9。图5 研究区主要岩相类型Figure 5 Study area main lithofacies types

图6 研究区典型铀成矿沉积序列Figure 6 Study area typical uranium metallogenic sedimentary sequence

研究区不同颜色和岩性的岩石伽马照射量率存在差异性。古近系红色泥岩的伽马值较小，一般<2.0 nC/kg·h；赛汉组黄色砂砾岩、灰色砂岩的伽马值在1.8～3.0 nC/kg·h，高于赛汉组灰色泥岩的伽马值。根据岩石颜色、粒度与伽马照射量率的对应关系可知，细粒的还原色岩石组合伽马背景值高，说明地层中铀背景值与细粒级岩石及有机质含量有关。

图7 研究区不同岩石地球化学特征Figure 7 Study area different rock geochemical features

3 铀成矿作用

沉积型铀矿床的形成需要稳定的大地构造环境。其中，同沉积泥岩型铀矿强调同沉积期稳定构造背景，而砂岩型铀矿强调基底沉积期、同沉积期及成矿期多重构造背景[1,13]。研究区下白垩统沉积时期经历了多层次、周期性的裂陷作用过程。在阿尔善期及腾格尔期，裂陷作用由初始弱裂陷逐渐变强，断裂构造发育，控制了这一时期的沉积演化。赛汉组沉积时期，构造演化转变为早期的断拗转换期及晚期的裂后热沉降期。

3.1 古气候

有利于铀成矿的古气候条件应该是具有相对稳定的持续隆起的正地形和干旱与潮湿交替的气候[14]。研究区蚀源区(巴音宝利格隆起、温都尔庙隆起)长期处于稳定的相对隆起状态，物理风化作用强烈，促使含铀岩体的风化破碎及分解。研究区早白垩世古气候以潮湿气候为主，岩石中富含有机质、硫化物等等还原介质，是铀成矿有利的母岩。早白垩世以后，研究区古气候由潮湿转变为干旱性质，早白垩世晚期发育红土黄色、灰白色为主的砂岩沉积。干旱气候条件下，有利于含铀含氧水的渗入，研究区含铀含氧水垂向下渗进入灰色含矿层后，遇到富含有机质、黄铁矿等还原剂吸附成矿。

3.2 成矿期砂体展布特征

赛汉组中晚期沉积阶段，研究区整体缓慢沉降，在靠近凹陷沉积中心的位置有利于发育稳定湖泊沉积体系，为溶解铀提供了良好的储集空间，本区赛汉组湖相同沉积泥岩型铀成矿作用与东北部的额仁淖尔凹陷泥岩型铀成矿类似，受到湖泊扩展事件的控制[2-3,14]。靠近凹陷斜坡带三角洲相泥岩型铀成矿主要分布在三角洲河漫沼泽及分流间湾微相的泥炭、煤炭富集层位中(图6)。

赛汉组晚期，研究区构造沉降速率远小于沉积速率，主要发育河流相沉积体系，形成了一套横向上稳定展布的砂体，有利于氧化作用的发生。本区发育的第二类铀矿化与二连盆地已发现的潜水氧化型铀成矿相似[2-3,15]。铀矿化赋存于赛汉组上段古潜水氧化带底部的暗色泥岩、砂质泥岩及细砂岩中(图6)，铀矿化展布形态、赋存位置均表明本层铀矿化具有含铀含氧水垂向下渗成矿的特点(图4)。

3.3 铀源

充足的铀源是形成沉积型铀矿床的最基本条件之一。潜水氧化型铀矿的铀源为双重铀源供给系统，既有成矿期蚀源区含铀含氧水的贡献，也有同沉积期潜在铀矿层本身铀的输入[1]。同沉积泥岩型铀矿的铀源主要来自单一的同沉积期潜在铀矿层，蚀源区富铀岩体以地表水系为载体向湖盆方向输送大量的溶解铀(U6+)。研究区西缘的巴音宝利格隆起铀含量为4.13×10-6，钍含量为18.0×10-6，铀丢失率为80%～93%[8]，富铀卫镜花岗岩体在风化过程中为周缘凹陷区提供了大量的铀源[18]，南缘的温都尔庙隆起岩石原始铀丰度平均5.7×10-6，U 活化丢失 89%[17]。上述蚀源区花岗岩体为研究区同沉积期及后期成矿期提供了大量的铀源。此外，通过镜下观察发现含矿目的层赛汉组砂岩中花岗岩碎屑含量普遍较高，花岗岩碎屑通常以砾石、粗砂级为主，次棱角状，反映出近源堆积的特点(图8)。

通过统计研究区赛汉组含矿主岩岩石铀含量发现，灰色砂岩、灰黑色泥岩、炭质泥岩铀含量介于20×10-6～90×10-6， 均明显高于同类沉积岩的平均铀含量0.45×10-6～13.00×10-6[18]。表明研究区赛汉组沉积层本身可作为良好的铀源输入。

(A)ZKU-1，深度70m，黄褐色砾质砂岩，砾石大小2～6mm，次棱角状，以花岗岩为主，见有糜棱岩化的花岗岩；(B)ZKU-11，深度85m，中粗粒长石砂岩 砾石大小2～5.50mm，次棱角状，以花岗岩为主，见千枚状板岩。图8 研究区赛汉组砂岩典型显微结构Figure 8 Study area Saihan Formation sandstone typical microstructures

3.4 铀成矿地球化学类型

通过划分研究区含矿目的层段地球化学类型，发现下白垩统赛汉组除顶部发育稳定的黄色砂体外，总体为灰色、灰黑色原生地球化学类型岩石，且有机质含量高，岩石还原能力强，是良好的铀矿成矿母岩。

研究区后生氧化蚀变分布在赛汉组的顶部，表现出高岭土化、褐铁矿化后生蚀变(图5A)，颜色呈灰白色、浅黄色，后生蚀变与铀矿化关系密切。含铀含氧水沿着氧化-还原接触面扩散并发生铀的沉淀[19]，氧化-还原界面的位置一定程度上决定着铀富集成矿的位置。研究区下白垩统赛汉组与古近系之间发生了长时间的沉积间断，不整合面以下的赛汉组顶部地层遭受长期的剥蚀，形成古潜水氧化带(图9)。研究区稳定分布的第一层铀矿化位于上述古潜水氧化带之下的暗色泥岩、炭质泥岩中。

4 铀成矿模式

根据前述分析，建立了研究区潜水氧化叠合沉积型铀矿成矿模式(图10)。

图9 研究区古潜水氧化界面及铀成矿Figure 9 Study area paleo-phyreatic oxidation interfaces and uranium metallization

图10 研究区潜水氧化叠合沉积型铀成矿模式Figure 10 Study area phyreatic oxidation superimposed by sedimentary uranium metallogenic model

将铀成矿期分为两期。早白垩世时期，研究区西北部蚀源区富铀岩体以U+6的形式向凹陷中心湖泊中运移，湖泊中心富有机质通过持续吸附U+6而富集成矿。

早白垩世晚期以后，发育了一套稳定的河流相粗粒碎屑岩，古气候由还原环境转变为氧化环境，地下水渗入作用强烈，发生潜水氧化铀成矿作用，在古风化壳底部的富有机质泥岩中赋存潜水氧化型铀矿化。

古近系和新近系时期，沉积了稳定厚层的红色泥岩超覆与赛汉组之上，保护早期形成的铀矿化(图10)。

5 结论

(1)脑木根凹陷构造形态呈地堑式，下白垩统赛汉组为研究区主要含铀层位。

(2)脑木根凹陷铀矿化产于下白垩统赛汉组中段，第一层铀矿化受到潜水氧化作用控制，铀矿化呈板状、透镜状赋存在潜水氧化界面之下的暗色泥岩、炭质泥岩中，为典型潜水氧化型铀矿类型。第二层铀矿化受到湖泊扩展事件的控制，铀矿化呈板状，为同沉积泥岩型铀矿化类型。铀矿化受到古气候、构造-沉积演化、铀源、后生氧化作用的控制。

(3)建立了潜水氧化叠合泥岩型铀矿成矿模式，早白垩世晚期赛汉组沉积时期，凹陷中央湖泊中心发生同沉积泥岩型铀成矿；早白垩世以后，凹陷斜坡带及凹陷中央普遍发生潜水氧化铀成矿。