柴达木盆地北缘鱼卡地区砂岩型铀成矿条件及成矿潜力分析

2020-05-14廉康赵兴齐王继斌宋炎

铀矿地质 2020年3期

廉康，赵兴齐，王继斌，宋炎

（1.核工业二〇三研究所，陕西咸阳 712000；2.核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

柴达木盆地是我国典型的多能源沉积盆地，盆地中蕴藏丰富的石油、天然气、煤、钾盐、铅锌、芒硝、硼砂及铀等多能源矿产［1-12］。盆地的铀矿地质工作开始于20 世纪50 年代中期，前人针对地表铀矿化信息开展了航空能谱、航磁、地表异常查证及部分地段的钻探查证工作，取得了许多重要成果及认识，在柴达木盆地北缘中、下侏罗统含煤碎屑岩建造中发现了一批砂岩型铀矿点、矿化点及铀异常点和异常带［7-11］，表明柴北缘地区中、下侏罗统具备砂岩型铀成矿的基本地质条件，但该盆地砂岩型铀矿找矿工作至今仍未取得重大突破。近年来，核工业地质系统相关单位加大了对柴北缘地区砂岩型铀矿找矿工作的投入力度，相继在中、下侏罗统含矿目的层中发现了多个铀矿化孔及异常孔。其中在鱼卡地区中侏罗统含矿目的层中发现铀工业孔1 个，矿化孔8 个、异常孔13 个［8-10］，表明该区中侏罗统含矿目的层中砂岩型铀成矿潜力较大。因此，笔者在运用层间氧化带砂岩型铀矿成矿理论基础上，系统总结鱼卡地区铀矿化特征、成矿环境、控矿因素及成矿规律，以期为鱼卡地区乃至整个柴北缘地区砂岩型铀矿找矿突破提供依据。

1 区域地质背景

鱼卡地区位于柴达木盆地北缘冲断带中部的鱼卡红山凹陷内，面积约430 km2，区内地势西高东低，西与赛什腾山为邻，北东与祁连山隆起带相望，南与绿梁山相接，西南以马仙断裂为界，整体呈NW 向展布的条带状凹陷（图1），平均海拔为3 050 m。受断裂及褶皱构造影响，区内主要发育了马海尕秀背斜、尕秀向斜、鱼卡背斜、鱼卡向斜、鱼卡北部背斜和九龙山背斜构造；区内逆断层十分发育，走向NWW 向，断层带较宽，断层面较陡，靠近断层处的岩层产状一般陡立［1，13］。野外露头及钻井揭示，中、上侏罗统在鱼卡地区发育较为齐全，自下而上依次发育中侏罗统大煤沟组（J2d）、石门沟组（J2s），上侏罗统采石岭组（J3c）和红水沟组（J3h）；白垩系遭受后期抬升剥蚀较为严重，在鱼卡地区仅局部残留下白垩统犬牙沟组（K1q）。

中、下侏罗统整体为一套陆相河流、湖沼泽相含煤碎屑建造，岩性主要为深灰-灰绿色含煤及碎屑岩沉积［14-16］，是柴达木盆地主要的产煤层和油气藏中油气的主要烃源层，同时也是柴达木盆地砂岩型铀矿主要找矿目的层之一；上侏罗统整体为一套陆相杂色、红色碎屑岩沉积，岩性主要以杂色和棕红色碎屑岩沉积为主，伴有泥岩沉积。中生代以来，鱼卡地区经历了早-中侏罗世伸展断陷阶段、晚侏罗世-白垩纪挤压反转阶段、古近纪弱断陷阶段、中新世-上新世早期凹陷阶段、上新世晚期-第四纪挤压反转阶段5 个完整的演化过程［13］。

图1 柴达木盆地北缘鱼卡地区铀矿地质图Fig.1 Uranium geology map of Yuqia area，northern margin of Qaidam Basin

2 铀成矿条件分析

2.1 铀源条件

一般而言，沉积盆地中砂岩型铀矿的铀源主要来自两个方面，一方面是盆地周缘的蚀源区铀源，其次是盆地富（含）铀的盖层和含矿目的层自身［17-18］。鱼卡凹陷西部的嗷崂山、北东部的达肯达坂山和南部的绿梁山富铀花岗岩体和元古宙、古生代火山岩岩石中U 含量为（3.0～7.8）×10-6，Th 为（12.5～64.1）×10-6，Th/U 为4.17～8.22［10］，表明蚀源区岩体中铀有大量的迁出，可为鱼卡凹陷铀成矿提供较丰富的铀源；该区沉积盖层中侏罗统U 含量较高，砂岩中U 含量一般为（1.6～5.1）×10-6，含碳质碎屑和煤层中U 含量一般在（6.0～22.7）×10-6之间，为一套富铀建造。在中侏罗统黄色砂岩、细砂岩、粉砂岩中Th/U 可达3.57，具铀丢失现象；而在灰色建造中Th/U小于1.5，具有明显的铀富集现象，在该区局部砂岩和含铀煤层中可达到工业品位或形成地表铀矿体。以上特征表明，鱼卡地区具备形成砂岩型铀矿体的富铀花岗岩体和元古宙、古生代火山岩蚀源区铀源以及中侏罗世富铀地层双重铀源条件。

2.2 含矿目的层特征

野外露头及钻探查证鱼卡地区铀矿点、铀矿化及异常点集中分布在中侏罗统大煤沟组（J2d）及石门沟组下段（J2s1）含矿目的层中。由于受岩相古地理特征影响，鱼卡凹陷内中侏罗统大煤沟（J2d）和石门沟组（J2s）虽然同属一个湖侵期，但在空间上的分布各有特点。在大煤沟组到上覆的石门沟组的层序演化中，原始古地理表现为凹陷东部地势相对低洼，凹陷西部地势相对较高；湖平面上升过程中大煤沟组沉积期是一个古地形填平补齐的阶段，从地势低洼的凹陷东部向凹陷西部超覆沉积，平面上嗷唠河以东均有发育，地层总厚度为23.96～607.80 m，平均厚143.26 m；垂向上东部厚度大，向西部逐渐变薄。大煤沟组沉积后期，湖平面扩大至整个鱼卡凹陷，石门沟组在全区均有分布，地层总厚度为26.36～385.65 m，平均厚120.67 m，垂向上厚度变化规律不明显。中侏罗世沉积期鱼卡地区主要发育冲积扇、辫状河、辫状河三角洲及湖泊沉积体系（图2）。其中，有利于砂岩型铀成矿的沉积相带为辫状河河道亚相、辫状河三角洲分流河道微相。辫状河道亚相主要分布于尕秀、鱼卡本部、二井田、北山及羊水河地段，三角洲平原分流河道微相在鱼卡本部、北山、羊水河等地段均有分布。

2.3 构造演化与铀成矿关系

中生代以来，柴北缘及鱼卡地区经历了早-中侏罗世（J1-2）伸展断陷阶段、晚侏罗世-白垩纪（J3-K）挤压反转阶段、古近纪（E）弱断陷阶段、中新世-上新世早期（）凹陷阶段、上新世晚期-第四纪（）挤压反转阶段5 个完整的演化过程［13］。

早—中侏罗世，鱼卡地区主要发育冲积扇、辫状河和辫状河三角洲沉积体系，该沉积建造为含煤碎屑岩建造，地层中有机质含量高，为该区砂岩型铀矿的预富集提供了条件。该时期也是鱼卡地区中、下侏罗统烃源岩形成的主要时期，主要发育了一套以深灰色、黑灰色泥岩、碳质泥岩、煤层和油页岩为主的河湖相优质烃源岩，有效烃源岩厚度大（200～400 m），有机质含量高（TOC＝0.47%～18.27%），生烃潜力大（S1＋S2＝2.60～42.04 mg/g），有机质类型好，主要以腐殖腐泥型（Ⅱ1）和腐泥腐殖型（Ⅱ2）为主，其次为腐泥型（Ⅰ）有机质；烃源岩有机质成熟度分布范围广（Ro＝0.50%～1.40%），主要处于成熟-高成熟的热演化阶段［5-6］，是柴达木盆地北缘中侏罗统烃源岩发育最好的区域。

晚侏罗世—白垩纪，鱼卡地区乃至整个柴北缘地区地层发生明显的挤压抬升剥蚀作用，导致中、下侏罗统甚至基底都被强烈挤压、褶曲、抬升、剥蚀，接受地表含氧含铀水的地下改造形成古潜水-层间氧化带型铀矿化，该时期是柴北缘地区砂岩型铀矿的主要成矿作用阶段。

图2 柴达木盆地北缘鱼卡地区沉积环境与层序地层综合柱状图（据王晓鹏等，2016［4］修改）Fig.2 Comprehensive strata column of sequence stratigraphy and deposition environment in Yuqia area，northern margin of Qaidam Basin

渐新世末期—上新世早期，柴北缘地区主要为弱挤压坳陷型盆地发育期，该时期主要以沉积作用为主，导致早期中、下侏罗统中形成的铀矿化被深埋而得以保存。而坳陷深部中、下侏罗统烃源岩在始新统路乐河组（E1-2l）沉积末期开始进入生烃门限阶段（Ro＞0.5%），在中新统油砂山组（N1y）沉积末期进入高-过成熟阶段，开始进入生凝析气阶段（图3）。该区上侏罗统采石岭组（J3c）绿灰色泥岩及红水沟组（J3h）中发育的大套棕红色泥岩为该区油气成藏提供了很好的盖层条件，中、下侏罗统源岩在热演化过程中生成的油气在中侏罗统储集层中形成自生自储型和在上侏罗统储集层中形成下生上储型原生油气藏，这些晚期生成的油气通过断裂及渗透性较好的砂体发生运移或扩散，对地层中早期形成的铀矿体进行了叠加改造。

图3 柴达木盆地北缘鱼卡凹陷埋藏史与热演化史图Fig.3 Burial history and thermal evolution of Yuqia sag，northern margin of Qaidam Basin

上新世晚期—第四纪，挤压反转作用激活了该区古老的断裂系统，使柴北缘中、下侏罗统含矿目的层发生严重挤压、变形及断裂，形成了区内现今复杂多样的构造格局［19-20］。该期挤压反转作用导致鱼卡地区中、下侏罗统含矿目的层遭受明显的抬升剥蚀，在近地表及地表形成表生铀矿化；同时也导致了该区早期在中、上侏罗统储集层中形成的原生油气藏发生改造和破坏，部分油气沿断裂向上运移至地表形成油砂［21］。向盆地深部及内部，中、下侏罗统含矿目的层深埋急剧加大（＞1 000 m）且主要为湖泊相沉积体系，以泥岩沉积为主，砂体不发育，因此柴北缘地区盆地内部及深部砂岩型铀矿找矿潜力有限。

2.4 水文地质特征

鱼卡地区地下水主要来源于北部达肯达坂山、柴达木山及南部绿梁山等山区的季节性洪流及基岩裂隙水的侧向补给。地形特征北高南低、东西两端高，中部低，山前广泛发育冲洪积扇。区内第四系孔隙水丰富，浅层水由北山区向盆地中侧向补给，区内发育多条NWW 向断裂构造，地下水最终以这些断裂体系为排泄窗。山前倾斜平原为地下水径流区，在前缘地带地下水位变浅，最终以泉或沼泽形式形成溢出带，为地下水排泄区。常年性河流、季节性洪流及基岩裂隙水在径流途中，除补给第四系孔隙含水层外，渗入补给下伏古近系、新近系含水层［11］。该区水中铀异常主要产于中侏罗统，水中铀含量（12～20）×10-9。中侏罗统具有两个含水层组，其中，第Ⅰ含水层组位于中侏罗统石门沟组下段（J2s1）灰色中细砂岩中，分布稳定，厚约3～179 m，厚度变化较大，靠近鱼卡背斜及向斜轴部厚度一般超过100 m，隔水层主要为泥岩、粉砂岩、页岩及煤层，渗透系数（0.1～2.0）m/d，透水性较好，主要赋含孔隙水；第Ⅱ含水层组位于中侏罗统大煤沟组下段（J2d1）灰色含砾中粗砂岩中，分布稳定，厚约3.5～233.8 m，隔水层主要为泥岩、粉砂岩、页岩及煤层，渗透系数（0.1～0.5）m/d，矿化段渗透系数一般小于0.1 m/d，表明透水性一般，主要赋含孔隙水。目前在该区第Ⅰ、Ⅱ含水层中已发现工业铀矿化和系列铀异常，指示深部具有较好铀成矿潜力。综合鱼卡地区水文地质特征分析认为，该区具备完整的补-径-排体系，靠近绿梁山山前的平缓斜坡部位、区内背斜和向斜两翼地层产状平缓且深大断裂发育部位应为该区中侏罗统最有利的铀矿找矿地段。

2.5 古气候特征

鱼卡地区中侏罗统大煤沟组和石门沟组总体为一套含煤碎屑岩地层，颜色以黑、灰黑色为主，煤系、碳质泥岩及油页岩广泛发育，其中大煤沟组中常见沟粉、无口器粉-二连粉、桫椤粉-石松粉等孢粉组合，代表该时期为温暖潮湿的古气候环境；而石门沟组中常见桫椤粉-冠翼粉-克拉棱粉等孢粉组合，代表该时期为潮湿半干旱的古气候环境［22］。在该区大煤沟组和石门沟组钻孔岩心中常见黄铁矿，表明该时期气候温暖潮湿，主体处于还原环境，有利于砂岩型铀矿的预富集。晚侏罗世—白垩纪时期总体为一套红色地层，颜色以各种红色色调为特征，有紫红、棕红，且发育含钙质及石膏层，常见克拉棱粉-双囊松粉的孢粉组合［22］，表明气候极度炎热干燥，有利于砂岩型铀矿后生改造成矿作用。古气候的这种由温暖潮湿向干旱炎热的变化，为鱼卡地区富铀岩系的形成及铀的后生富集提供了十分有利的条件。

2.6 后生蚀变特征

根据鱼卡地区构造演化特征及油气埋藏史特征综合分析认为，该区后生蚀变作用主要表现为地下水渗入对地层的氧化作用以及深部油气渗出对地层的次生还原作用两大类［8-11，23-27］。鱼卡地区氧化作用主要发育在鱼卡凹陷北部达肯达坂山、西部的羊水河和南缘绿梁山周缘山前斜坡部位，油气的渗出还原作用主要发育于凹陷内逆冲冲断构造发育的背斜构造核部及两翼斜坡部位。

2.6.1氧化带发育

图4 柴达木盆地北缘鱼卡地区中侏罗统钻孔剖面图Fig.4 Drilling hole section for Middle Jurassic in Yuqia area，northern margin of Qaidam Basin

柴达木盆地北缘发育于侏罗系中的层间氧化带是含矿目的层沉积之后，在干旱炎热的气候条件下，承压含氧含铀水对原生灰色岩石进行后生蚀变改造，并遭受后期构造作用挤压抬升到浅部所致。鱼卡凹陷层间氧化带主要发育于中侏罗统大煤沟组上、下段和石门沟组下段中，氧化埋深25～558 m，钻孔查证在中侏罗统可见4～6 层层间氧化带，氧化厚度为3.8～98.5 m，平均厚约23.5 m。由于鱼卡凹陷大部分地区的石门沟组上段（J2s2）顶部发育一层厚约30～120 m 的油页岩（图4），从而制约了地表含氧含铀水向盆内渗入，层间氧化带发育局限，仅在盆地边缘或背斜的核部由于石门沟组上段（J2s2）顶部的油页岩被剥蚀后才发育渗入层间氧化蚀变。在该区，仅在尕秀斜坡带、鱼卡背斜带的核部和两翼、二井田单斜带，石门沟组上段（J2s2）顶部的油页岩受后期构造抬升剥蚀，导致油页岩残留小于10 m，有利于地表含氧含铀地下水的渗入形成潜水氧化带型和层间氧化带型两种铀矿化类型［8-11］。该区潜水氧化带发育深度从3.90～96.40 m 均有分布，平均为25.59 m，潜水氧化带型铀矿化主要分布在靠近蚀源区或隆起区的山前地段；向盆内，逐渐转为层间氧化带型铀矿化。

2.6.2油气渗出次生还原作用

燕山晚期，鱼卡乃至整个柴北缘地区发生了强烈的挤压抬升作用，中、下侏罗统及下部基底都发生强烈挤压、褶曲、抬升、剥蚀，形成系列叠瓦状逆冲冲断构造，同时该阶段形成的断裂及古背斜构造为该区晚期油气的运移和聚集提供了有利通道和储集场所。喜山早期，鱼卡地区整体为弱挤压坳陷型盆地发育期，主要以沉积作用为主，随着地层埋深的增大，区内中下侏罗统烃源岩开始大量生排烃［1，4-6，19，28］，这些生成的油气沿断裂及渗透性好的砂体向中侏罗统有利圈闭中聚集成藏，形成自生自储型油气藏；部分油气向上运移至上侏罗统有利圈闭中形成下生上储型油气藏（图5）。晚喜山期，鱼卡地区发生了强烈的挤压反转作用，地层大规模抬升剥蚀，导致该区早期形成的油气藏发生明显调整改造，部分油气藏抬升至近地表或出露地表，遭受氧化、生物降解及水洗等作用形成油砂［1，21］。油气的渗出还原作用具体表现为在该区地表发育大规模的油砂、沥青，在多个钻孔中可见黑色油浸砂和黄绿色粗砂岩、细砂岩和泥岩。在钻孔岩心中油砂的含油性显示较好，以油斑和油浸为主；镜下观察发现，油砂中常见次生黄铁矿化、绿泥石化和高岭石化，有机碳含量明显较未蚀变围岩高，砂体的还原容量明显增大，有利于铀成矿［29-31］。

图5 柴达木盆地北缘鱼卡地区潜水氧化带、层间氧化带发育示意图Fig.5 Schematic section of phreatic and interlayer oxidation zones in Yuqia area，northern margin of Qaidam Basin

3 铀矿化发育特征及控矿因素

3.1 铀矿化发育特征及找矿标志

1）铀矿化发育特征

前文已述，鱼卡地区主要发育层间氧化带型铀矿化，铀矿化受层间氧化带控制明显。目前在该区钻探查证发现1 个工业铀矿孔（ZKY0-5）、多个铀矿化孔和异常孔［8-11］。ZKY0-5钻孔铀矿化主要产于氧化-还原过渡带前锋线的灰色粗砂岩中，含矿含水层砂体厚15.10 m，渗透性良好，埋深418.00～433.10 m，顶板为浅灰绿色泥岩，底板为黄绿色泥岩，“泥-砂-泥”结构稳定，含矿层岩性为中侏罗统石门沟组下段（J2s1）浅灰色粗砂岩，矿体总厚度为2.20 m，平均品位0.026 1%，铀矿石为黄绿色粗砂岩和细砂岩，矿石胶结疏松。该区多个钻孔岩心中可见黑色的油浸砂和油气褪色蚀变形成的黄绿色砂岩，表明该区铀成矿作用与深部烃类流体关系密切。

2）找矿标志

鱼卡地区土壤氡气浓度特征显示，该区土壤氡气异常值最高值可达108 000 Bq/m3，且其中大于13 800 Bq/m3的异常点189 个，处于异常晕130 个，高晕159 个，偏高晕262个，正常晕478 个（表1）。该区钻探查证的工业铀矿孔、铀矿化孔及铀异常孔主要处于两高相夹的低值部位，土壤氡气值达6 500～9 600 Bq/m3，形成典型的“两高夹一低”的砂岩型铀矿指示特征（图6）。该区层间氧化带前锋线总体呈近东西向展布，长约20 km，在平面上氧化带前锋线呈港湾状或蛇曲形态，岩性为褐黄、浅黄色粗、中-细砂岩为主，砂体厚约20～60 m，砂体中有机质含量高，常见植物炭屑、煤线和薄煤层，发育褐铁矿化。

3.2 主要控矿因素

通过对鱼卡地区铀源、构造演化、含矿目的层、水文地质、古气候及后生蚀变特征的综合分析认为，该区铀成矿的主要控矿因素有以下4 个方面。

1）铀源因素:鱼卡凹陷西部的嗷崂山、北东部的达肯达坂山和南部的绿梁山富铀花岗岩体，元古宇、古生界火山岩岩系以及中侏罗统富铀地层，是控制该区砂岩型铀矿化形成的重要铀源。

2）地层岩性、结构因素:中侏罗统大煤沟组及石门沟组沉积期，鱼卡凹陷主要发育冲积扇、辫状河、辫状河三角洲、曲流河三角洲及湖泊相沉积体系，含矿目的层具有良好的“泥（煤）-砂-泥（煤）”地层结构，砂体厚度大、结构疏松、透水性好、赋含有机炭屑及煤层等有机质。

表1 柴达木盆地北缘鱼卡地区土壤氡气浓度统计Table 1 Statistical table of soil radon concentration of Yuqia area，northern margin of Qaidam Basin

图6 柴达木盆地北缘鱼卡地区土壤氡气浓度等值线图Fig.6 Contour map of soil radon concentration of Yuqia area，northern margin of Qaidam Basin

3）构造演化与古气候因素:盆地的多期次沉降和挤压抬升，导致研究区发育多个地层产状较为平缓的背斜和向斜构造。同时，中侏罗世—晚侏罗世—白垩纪沉积期研究区古气候整体由温暖潮湿向干旱炎热转变，这为鱼卡地区富铀岩系的形成及铀的后生富集提供了十分有利的条件。

4）后生蚀变因素:该区主要发育地下水的渗入氧化以及深部油气渗出还原两种后生蚀变，研究区已发现的铀矿化、异常受层间氧化带控制明显，主要位于层间氧化带的上、下两翼及氧化-还原过渡带前锋线附近，常呈板状或薄层状产出。

4 铀成矿潜力评价

鱼卡地区中、新生代砂岩型铀矿含矿层位及找矿目的层为中侏罗统大煤沟组和石门沟组下段含煤碎屑岩系。通过野外地质调查及对该区煤田钻孔资料进行认真整理、分析，发现20 个煤田钻孔中存在明显的自然伽马异常，其值高于围岩的5～10 倍，其中，ZK4-4、ZK2-1、Y35、ZK4-2、ZK0-3 等煤田孔内中粗砂岩中铀含量为（158～663）×10-6，厚达2.28～3.92 m，可推测为工业铀矿孔；目前在该区钻探查证发现砂岩型工业铀矿孔1个、矿化孔8 个、铀异常孔13 个，钻孔中铀矿化受控于区内层间氧化带的分布。综上所述，鱼卡地区铀源条件丰富、发育多个背斜-向斜有利成矿构造、层间氧化带发育、具“两高夹一低”的土壤氡气找矿指示、发育地表含氧含铀水的渗入氧化和深部烃类气体的渗出还原两种后生蚀变，矿化埋深小于750 m，各种成矿要素在空间上匹配性良好，表明该区具有较好的砂岩型铀矿找矿前景。结合土壤氡气异常特征，初步在鱼卡地区圈定了砂岩型铀成矿远景区1 片（图7），具备形成中型以上的砂岩型铀成矿潜力，值得进一步开展钻探查证工作。