伊犁盆地北缘表生热液成因砂岩型铀矿勘探前景及找矿方向

（成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059）

砂岩型铀矿是目前世界上最重要的铀产品来源之一，已被证实的资源约占世界铀资源量的四分之一，对世界铀资源起着决定性的作用[1]。这些砂岩型铀矿大多在矿化过程中形成时代相对较新，主要发育在中生代盆地盖层中。美国的怀俄明州保德河盆地、中亚的锡尔河盆地[2]、伊犁盆地、西西伯利亚地区Kansk-Achinsk 盆地[3]以及中国的吐哈盆地、鄂尔多斯盆地均发现了可地浸砂岩铀矿。我国从90年代中期到现今都以寻找可地浸砂岩型铀矿为主，并取得了较好的结果，在辽西—冀北建昌盆地、内蒙二连盆地、鄂尔多斯盆地、吐哈盆地、伊犁盆地等盆地均已获得具一定储量的铀矿床[4]。伊犁盆地是我国目前最重要的砂岩型铀矿勘探开发基地，已陆续发现和探明的矿床有库捷尔太、扎基斯坦、蒙其古尔、乌库尔其等[5]，研究显示：伊犁盆地南缘砂岩型铀矿床的赋矿层位为侏罗系砂岩，其铀源主要来自盆地南缘含铀较高的岩浆岩，稳定展布的厚层砂体是铀矿形成的重要条件[6]，侏罗系的沉积相特征直接影响砂体的发育，从而影响砂岩型铀矿床的形成和展布[7]。目前虽然在伊犁盆地南缘矿床地质、基础地质、成矿机制等方面取得了很多重要的成果，对于伊犁盆地北缘砂岩型铀矿勘探却少有进展，一系列勘探井位的失败，预示着应用新的成矿理论指导铀矿勘探打井已成为趋势。近年来煤层自燃与砂岩铀矿的成因联系被提出[8]，侏罗系煤层自燃的产物—烧变岩被认为是伊犁盆地南缘铀矿找矿标志之一，用（与煤层自燃有关的）表生热液铀成矿理论指导伊犁盆地北缘，可验证该理论的可靠性。本文提出了用该理论指导铀矿勘探的实例，预测了伊犁盆地远景勘探区和勘探井位。

1 地质背景

伊犁盆地位于天山造山带上，属于断陷-挠曲凹陷复合盆地，其复杂特殊的地形特征与中生代以来的造山带断裂活动有关[9]。盆地基底为中上元古界及古生界褶皱岩系，盖层由中生界陆相含煤碎屑沉积和中-新生界红色碎屑沉积组成[10]。伊犁盆地是在天山海西地槽褶皱回返基础上发展而成的次造山带山间盆地，其构造背景相对稳定，该盆地具有形成层间氧化带砂岩型铀矿的良好地质背景，在盆地南缘陆续发现了一系列铀矿床和矿化点，铀矿化主要赋存于中、下侏罗统水西沟群含煤地层中[10]。伊犁盆地发育的中新生代地层有：三叠系中上统小泉沟群（T2-3xq）、侏罗系中下统水西沟群（J1-2sh）、中侏罗统头屯河组（J2t）、白垩系（K）、新近系（N）和第四系（Q）。该盆地的含矿建造主要在中下侏罗统水西沟群中，为一套陆相暗色含煤碎屑岩系，划分为4个组，由下而上依次是：八道湾组(J1b)、三工河组(J1s)、西山窑组(J2x)、齐古组（J3q），其沉积环境显示了从底部八道湾期冲积扇-扇三角洲到西山窑期曲流河转变的特征，而齐古组岩性以含砾砂岩为主，夹泥岩，为滨湖-河流湖泊三角洲相[11]。其中八道湾组、三工河组和西山窑组均发育层间氧化带型砂岩铀矿床[12-14]。

伊犁盆地北缘含煤系厚约900m左右，其岩性特征与南缘大致相似，显示出砂岩泥岩互层或砂泥夹煤层(煤线)的沉积特征，但也有一些特殊的现象。如砂岩中含有较多菱铁矿；含泥灰岩或含钙泥岩；西山窑组处于相对稳定的、水动力不强的沉积环境，砂岩大部分为钙质胶结物，具有类似于石灰岩地区的地貌特征；还发育水平层理、微斜层理[15]。八道湾组岩性为灰白色砂砾岩，含褐红色、暗红色泥质斑块，为扇三角洲、湖泊、泥炭沼泽相沉积；三工河组以灰色、深灰色、黄褐色粉砂岩、泥岩为主，砂岩与煤层互层，下部以中砂岩为主，也有含砾中砂岩，为典型的浅水湖泊-湖泊三角洲相沉积；西山窑组地层底部为灰白色—浅褐黄色砾岩，中部为灰色中、细砂岩和粉砂岩，上部由粉砂岩、泥岩、煤层夹碳质泥岩组成，为河流-沼泽沉积环境[16-17]。盆地北缘地质图见图1。

图1 伊犁盆地北缘地质简图

2 关于表生热液成因砂岩型铀矿理论

根据最新研究成果，我们认为伊犁盆地南缘的侏罗系砂岩型铀矿多为与煤层自燃有关的表生热液成因[8]，通过对伊犁等盆地侏罗系砂岩型铀矿的研究，认为砂岩型铀矿“层间氧化带”中常见的红、褐色“氧化带”砂岩及“褪色带”白色砂岩与煤层自燃过程对陆源碎屑岩的改造有关，是一种特殊类型的烧变岩（如图2所示）。干旱气候条件下煤层大规模自燃，在气候变化后的湿润气候条件下，自燃煤层及其影响的砂、泥岩层（烧烤岩等）受大气降雨影响，造成高温流体沿着渗透性砂岩层流动，形成表生热流体。在流动过程随着温度降低，携带难以迁移的铀等金属元素沉淀、析出的过程[8]。表生热液流动的距离受煤自燃程度、大气降水、渗透率及砂体发育规模等因素控制，其对砂岩的改造分为两个方面[8]：相对高温的热流体（约600℃左右）对渗透性砂岩，特别是对砂岩中填隙物的热改造，使其三价铁矿物（如褐铁矿、赤铁矿、钛铁矿等）丰富而呈红色，形成所谓的“层间氧化带”，相对低温的热流体（约200℃左右）对砂岩改造比较弱，造成粘土矿物的转化及岩石的“褪色”而呈白色，形成白色的“褪色带”[8]。此成矿模式可以合理解释砂岩型铀矿主要分布在中国北方干旱地区的原因，预示着烧变岩是陆相含煤盆地表生热液砂岩型铀矿主要的找矿标志[8]。

图2 与煤层自燃有关的表生热液砂岩型铀矿成矿模式图

3 伊犁盆地北缘赋铀砂岩存在的基础与证据

3.1 烧变岩

时志强等[8]将烧变岩分为低温烘烤岩（层状烘烤岩）、烧烤岩（层状烧烤岩和板状烧烤岩）、烧熔岩三类四种，并认为伊犁盆地和鄂尔多斯盆地砂岩铀矿常与烧变岩空间距离近，在成因上有密切联系。伊犁盆地南缘烧变岩分布广泛，主要分布于盆地边缘露头区，在其下延至盆地地腹埋深数百米的地层内可发生阴燃，在烧变岩分布区之南数公里范围内分布有蒙其古尔、达拉地、扎基斯坦、库捷尔太、乌库尔其、洪海沟等多个砂岩型铀矿床，其分布层位为西山窑组、三工河组及八道湾组。在伊犁盆地北缘侏罗系露头区，烧变岩也极为发育，在多个剖面多个层位均有发育，分布较广，主要出现在中侏罗统西山窑组中，烧熔岩、烘烤岩和层状低温烘烤岩均可在露头剖面中见到（图3）。伊犁盆地北缘烧变岩的形成过程（即煤层自燃过程）可伴随四价铀向六价铀的转变，由此变得更易迁移，预测可以形成与盆地南缘成因类似的砂岩型铀矿。

图3 伊犁盆地北缘苏拉宫剖面出露的侏罗系烧变岩宏观特征

3.2 铀异常

在伊犁盆地南缘陆续探明和发现了多个铀矿床和一大批铀异常、矿化点[5]。通过对盆地北缘苏拉宫附近的烧变岩取样测试发现，经高温改造的煤层铀元素含量异常为460ppm，显示盆地北缘沉积岩中亦有较为丰富的铀源，是表生热液型砂岩铀矿形成的物质基础。时志强等[8]认为侏罗系煤层的大规模自燃导致燃烧煤层本身以及上覆岩层物质重组，在高温条件下，铀元素从赋铀岩石（煤层、砂岩层或以前形成的铀矿）中析出是砂岩铀矿形成的主要过程之一。

3.3 构造因素

伊犁盆地的形成与南北两侧相邻的不同性质造山带密切相关，南侧塔里木板块和北侧哈萨克斯坦板块在剪切挤压应力作用下造成巨大山间坳陷[18]。盆地在侏罗纪后期经历了一个长期而缓慢的抬升作用过程，导致侏罗系与白垩系之间有明显的不整合接触关系，新构造运动造成的背斜向斜使得地表氧化水得以持续、稳定的补给，利于铀矿化的形成[19-20]。伊犁盆地北缘褶皱发育，单斜的构造背景和背、向斜造成了侏罗系地层的倾斜，在向斜核部出露的地层或被第四系覆盖，伴随着构造活动，表生热液可因此进入渗透性强的砂岩层体，在流动受阻的条件下，铀元素从表生热液流体中析出、富集而成矿。预测其成矿模式如图4所示。

图4 伊犁盆地北缘砂岩型铀矿成矿模式图

3.4 侏罗系砂岩沉积背景

伊犁盆地中—下侏罗统暗色含煤碎屑岩建造沉积环境主要为冲积扇—三角洲沉积，有机质含量高，具有多层泥-砂-泥（煤）岩性结构，是伊犁盆地南缘砂岩型铀矿最主要的含矿层[21]。在伊犁盆地北缘，下侏罗统八道湾组沉积时期，盆地整体为泛滥平原环境，大面积的冲积扇和扇三角洲裸露，扇三角洲砂体发育稳定，厚度大，延伸远，有利于含铀表生热液的渗入；中侏罗统西山窑组沉积时期辫状河、曲流河及沼泽发育，形成厚而稳定的煤层和砂岩体，主要岩性为砾砂岩，岩石胶结疏松，孔隙发育，也有利于铀矿的沉淀、富集。

4 伊犁盆地北缘砂岩型铀矿找矿预测

4.1 预测依据

根据上述有利因素，我们推断伊犁盆地北缘也可能存在砂岩型铀矿，具有较为良好的勘探前景，预测的依据有以下几个方面：

1）烧变岩分布范围

伊犁盆地南缘发育侏罗系煤层自燃后形成的烧变岩，盆地南部的扎斯坦及蒙其古尔铀矿床位于扎基斯坦河两侧，绵延河流上游数公里[8]。而在伊犁盆地北缘西山窑组中，烧熔岩、低温烘烤岩和烧烤岩均有大规模分布（图3），形成了与盆地南缘类似的表生热液成矿条件。

2）砂岩层分布

在伊犁盆地南缘中侏罗统地层的八道湾组、三工河组、西山窑组、齐古组是盆地内铀、煤矿产的赋存层位，其（煤）泥-砂-泥的地层结构，为成矿提供岩相条件和岩性组合[22]。而这些地层也分布于伊犁盆地北缘露头区的南端，并且砂岩的粒度由粗逐渐变细，砂泥比值由大变小（图5），大套的砂岩可为含矿流体的渗透和流动运移提供通道。

3）构造控制的地层产状

在伊犁盆地南缘，中等强度的构造运动环境为铀成矿提供动力条件[24]，后期形成的层间氧化带及对铀矿化的改造作用使得层间氧化带及铀矿化复杂多变，影响和控制着矿床的形成和发育[19]。伊犁盆地北缘有单斜（图4-A）和向斜（图4-B）的构造组合，构造运动相对较弱，地层产状相对平缓，背、向斜局部发育，为表生热液渗流提供了空间和通道。

4）水系走向

伊犁盆地隆起地区属渗入型自流盆地，为地下水补给区，新构造运动使盆地内断裂活化，形成了良好的补给-径流-排泄循环体系，为地下水的排泄提供了通道[25-26]。伊犁盆地北缘现代水系走向为南北向，盆地中部的伊犁河为地下水的排泄区，新生代盆地北缘水系分布与现代类似，上游河流携带来自燃煤层及附近高温烧烤岩层中释放的铀元素，在新生代渗透性较好的砂岩层中迁移、富集（图4）。

图5 伊犁盆地北缘水西沟群岩性对比图（据李盛富，2017）[23]

4.2 远景勘探区预测

基于盆地的成矿模式和对盆地内表生热液成因的砂岩型铀矿的认识，本文对伊犁盆地北缘的砂岩型铀矿进行了有利区勘探预测，共分为三级有利区域，并大致圈定了九个勘探井位以供下阶段勘探证实，具体位图见图6。根据表生热液成矿理论，新近系覆盖的地区侏罗系煤层难以自燃，因而难以提供高温铀源来形成砂岩铀矿床，有利的远景区主要位于烧变岩分布区，即侏罗系煤层出露区及其附近地区。

1）Ⅰ型区域：为最有利勘探区，位于盆地北缘的中段，在Ⅰ型区域中有较少的断层，具备向斜构造，有充足的来源于上游流至伊犁河的水系，且水系上游可见广泛发育的烧变岩，与之有关的铀元素通过表生热液运移、聚集，从而富集成矿。

2）Ⅱ型区域：为次有利勘探区，位于盆地北缘的东段，烧变岩广泛可见。此地区侏罗系滨湖三角洲相发育砂体有一定厚度且稳定，值得进行下一步的研究勘探。

3）Ⅲ型区域：该地区地层产状较缓，有向斜发育或预测有第四系覆盖的地腹向斜构造，有侏罗系烧变岩发育和渗透性砂岩层分布；可能受到新生代水系的影响。可作为远期勘探区。

图6 伊犁盆地北缘砂岩型铀矿有利区域勘探预测图

5 结论

1）伊犁盆地北缘侏罗系煤层自燃形成的烧变岩是寻找砂岩型铀矿的标志，渗透性砂岩层和构造运动产生的褶皱为铀矿的运移、富集提供有利条件。根据烧变岩分布、煤层铀异常、构造因素以及沉积背景认为伊犁盆地北缘存在砂岩型铀矿赋存的基本地质条件，具备一定的勘探前景。

2）根据伊犁盆地南缘的表生热液成矿理论模式，预测了伊犁盆地北缘砂岩铀矿远景区，认为有利勘探区分为三类，Ⅰ型为最有利勘探区，断层可见，还有向斜构造和充足的水源，可着重进行勘探；Ⅱ型为次有利勘探区，烧变岩广泛分布，有大套的砂岩存在，具有勘探的价值；Ⅲ型区域受水系和构造的因素影响为相对有利勘探区，若有条件也可对此区域适当展开工作。