伊犁盆地南缘砂岩型铀成矿年龄及其表征意义

2020-08-11宋继叶倪仕琪李真真

世界核地质科学 2020年2期

张晓，宋继叶，倪仕琪，李真真

（1.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；2.国防科技工业核材料技术创新中心，北京100029）

伊犁盆地南缘已经发现一系列的砂岩型铀矿床和铀矿点，自西向东依次分布有洪海沟、库捷尔泰、乌库尔其、扎吉斯坦、蒙其古尔及其东延部分（郎卡地区）等砂岩型铀矿床以及达拉地等煤岩型铀矿床，其铀成矿时序普遍具有幕式特征，且均具有多层性、多阶段和多种成因类型的成矿特征。在铀成矿年龄方面，前人做了大量的研究工作［1-8］，但研究对象一般仅限单个铀矿床或铀矿点，且使用方法不统一、分析样品情况不一致，一直以来年龄数据未得到系统统计分析。本次研究是借助伊犁盆地多年来累积的丰富资料，并开展了补充研究工作：采集伊犁盆地蒙其古尔铀矿床东延部分（郎卡地区）的铀矿石样品，挑选沥青铀矿颗粒并制靶，对其中晶形发育良好的沥青铀矿采用LA-ICP-MS 方法分析测试U-Pb 同位素年龄，与收集的前人同位素年龄综合分析，对上述问题展开深入的研究和对比，通过研究形成较系统的成矿年龄认识。

1 区域成矿地质背景

伊犁盆地是在石炭纪—二叠纪裂谷基础上发展演化而成的内陆中新生代山间断陷-坳陷复合型盆地［9-10］，呈西宽东窄的三角形夹持于天山造山带内。从大地构造位置上来看，处于哈萨克斯坦—准噶尔古板块南缘的伊犁（伊犁—伊塞克湖）地块之上［11］。伊犁盆地南邻哈里克—那拉提碰撞造山带，北依科古琴—博罗科努陆内造山带，东端以天山为界，西端与哈萨克斯坦相接，在我国境内面积达1.63×104km2。

伊犁盆地自下而上可划分三个构造层：中晚元古代古老结晶基底、古生代直接褶皱变形基底以及中-新生代沉积盖层。前寒武纪古老结晶基底在盆地南缘未出露，为一套变质的海相复理石建造和碳酸盐岩建造；古生界为盆地直接褶皱基底，广泛出露于南、北蚀源区，由一套石炭—二叠纪中酸性火山岩、碎屑岩组成，其中石炭系出露地层主要有上石炭统脑盖吐组（C2n）、下石炭统大哈拉军山组（C1d）和阿克沙克组（C1a）；中-新生代沉积盖层自下至上依次发育小泉沟群（T2-3xq）、水西沟群（J1-2sh）、头屯河组（J2t）、白垩系（E）和新近系（N）和第四系（Q），主要含矿目的层层位中下侏罗统水西沟群和中侏罗统头屯河组，为一套河流相、湖沼相暗色含煤碎屑岩建造，发育12 层煤，自下而上划分了8 个旋回。其铀成矿类型以层间氧化为主，其次为潜水氧化；赋矿岩石以砂岩为主，其次为泥岩和煤岩。伊犁盆地南缘西部以层间氧化带型砂岩型铀矿化为主，少量泥岩中存在铀矿化信息；东部层间氧化带砂岩型铀矿化发育，同时存在大量潜水氧化，至达拉地存在大量煤岩型铀矿化。

受基底构造格局以及后期新构造运动控制，伊犁盆地南缘斜坡带在东西向上表现出明显的分块特性（图1）——西段斜坡带（构造相对稳定区）、中段褶坳段（构造过渡区）、东段褶隆段（构造活动区），控制了铀矿体发育形态，在平面上，呈现蛇曲状，自西向东（矿床及矿点）发育不连续，具有明显的间隔性；剖面上，具有明显的层状特征，各层位铀矿体呈现叠瓦状排列，各层矿体之间发育稳定的泥质隔水层。

2 铀成矿时代特征

图1 伊犁盆地南缘中生代构造示意图［12］Fig.1 Schematic map showing the Mesozoic tectonic at the southern margin of Yili basin［12］

前人对伊犁盆地南缘铀成矿年代学研究过程中，使用多种分析测试方法对不同的含矿层样品进行测试（包括全岩U-Pb 同位素、沥青铀矿U-Pb 同位素、铀矿物铅化学年龄等），取得了一系列的数据成果，本次采用的沥青铀矿LA-ICP-MS 方法分析U-Pb 同位素年龄数据，不仅丰富了该地区U-Pb 同位素年龄测试方法，同时对空白区域（郎卡地区）的同位素年龄进行了补充。相关数据见表1。

铀赋存的岩石有砂砾岩、含砾砂岩、砂岩、粉砂岩、泥岩以及煤岩等，具有经济意义的主要为层间氧化带型砂岩铀矿化。目前，大部分学者认为层间氧化带型砂岩铀矿化是来自蚀源区的含铀含氧水沿盆地盖层透水性砂体或者裂隙渗入和流动，在氧化还原过渡带沉淀成矿，且成矿是一个连续的过程，具有“幕式”或阶段性特征。

本文对伊犁盆地南缘产出矿床的U-Pb 同位素年龄数据进行了统计，部分铀成矿年龄早于地层沉积时代，认为可能是由蚀源区搬运沉积而来。对含矿目的层沉积期以来的年龄（199.6 Ma～）进行分析（图2、3），特征如下：

图2 伊犁盆地南缘铀成矿年龄数据分布图Fig.2 Distribution of uranium metallogenic age at the southern margin of Yili basin

1）成矿年龄从老到新都存在，且具有连续性，表明铀成矿过程是连续的；

2）成矿年龄具有阶段性，在沉积成岩期（199.6～145.5 Ma）有少量铀成矿显示，存在铀的预富集作用；

3）伊犁盆地南缘沉积地层中下白垩统缺失，晚白垩世至古近纪（99.6～28.4 Ma）时期，盆地处于弱挤压构造环境，从成矿年龄分布中可以看出该时期存在较弱的铀成矿作用；

4）自中新世以来（23.3 Ma～），铀成矿年龄分布逐渐密集，说明该时期铀成矿作用逐渐加强，是主要的铀成矿时期，且成矿作用一直持续至今。

3 铀源条件分析

3.1 含矿砂体物源

沉积地层中碎屑锆石U-Pb 同位素年代学是研究碎屑物源的方法之一，选择蒙其古尔铀矿床中下侏罗统水西沟群含矿层目的砂体中的锆石进行U-Pb 同位素地质年龄测定。从锆石的形态来看（图4），锆石颗粒大小形状不尽相同，大多数锆石棱角-次棱角状，少数为带剥蚀标志的磨圆锆石颗粒；锆石外形从椭圆粒到短柱状、长柱状，部分颗粒机械破碎严重，表明经历了长距离的搬运；少数锆石颗粒晶形完好，应为近源搬运。表明沉积物源情况复杂，锆石颗粒大多具明显的岩浆震荡环带，岩浆成因明显。

图4 锆石形态特征、测点位置和年龄结果图Fig.4 Morphological characteristics，determination location and age of zircon

图5 锆石U-Pb 年龄谐和曲线图Fig.5 Harmonic diagram of zircon U-Pb age

图6 锆石U-Pb 年龄分布谱图Fig.6 Histogram of zircon U-Pb age

据50 个锆石测点的U-Pb 年龄结果来看（图5），其中46 个点落在谐和线上，谐和度为90%～110%，在年龄谱分布图中显示两个主要年龄区间（图6）：330～280 Ma，峰值年龄为320 Ma，为石炭纪中-晚期至二叠纪早期；380～330 Ma，峰值年龄为350 Ma，为泥盆纪晚期至石炭纪早期。含矿层砂体锆石U-Pb 年龄代表了盆地内沉积砂体物源区原岩的形成年龄，前人对伊犁盆地南缘蚀源区内花岗岩进行锆石U-Pb 年龄测定为316±41、293±18 Ma［14］。以上结果表明，伊犁盆地含矿砂体物源来自南部蚀源区的海西期花岗岩侵入体和石炭—二叠纪中酸性火山岩。

3.2 成矿铀源

岩石的原始铀含量（U0）和现在岩石中铀的含量（U）变化（得失率FU）是砂岩铀成矿过程中铀源条件研究中非常重要的参量，以期了解这些岩石作为成矿铀源的供铀能力。通过测定岩石的Th/U 比值来计算U0和FU：k＝Th/U，U0＝k×U/4.2，FU＝（U-U0）/U0×100［13］。其中，若FU≈0 则样品无后期铀得失；FU＞0 则样品有后期铀叠加；FU＜0 则样品有后期铀丢失。

3.2.1 含矿层砂体铀源条件

伊犁盆地南缘的含矿主岩以中下侏罗统水西沟群的岩屑石英砂岩为主，选取含矿层沉积砂体中137 件岩石为研究对象，据上文的计算方式进行统计（表2）表明：其中131 件样品FU＞0，说明含矿层铀的富集主要自沉积成岩后不同程度获得；另有6 个样品FU＜0，说明含矿层砂体中存在铀的丢失现象，沉积成岩后在层间流体的作用下，砂体中铀随流体不断迁移，为铀的富集提供了一定的铀源；在统计中发现大多数样品在沉积期后获得了不同程度的铀，表明铀成矿作用以沉积期后的叠加成矿为主，铀的获得量要远大于丢失量，说明铀源是多源的，除了沉积地层本身，更有层间渗入流体带入的蚀源区风化铀。

表2 不同地球化学分带铀含量及其得失率值Table 2 Uranium content and uranium gain-loss ratio in different geochemical zones

3.2.2 蚀源区原始铀含量及其变化

对伊犁盆地南部蚀源区海西期火山岩和花岗岩的37 个样品的原始铀进行计算（表3），整体表现为铀含量增加（FU＞0），主要是因为采集的蚀源区样品以靠近盆缘为主，在长期的地表含氧含铀水径流过程中，存在铀迁入迁出的地化行为，主要研究蚀源区铀丢失的样品（FU＜0），结果表明：1）29 个火山岩样品中10 个存在铀丢失，8 个花岗岩样品中4个存在铀丢失，丢失铀的火山岩样品主要赋存于更靠近盆缘的上石炭统脑盖吐组（C2n）；2）盆地蚀源区大面积出露的中酸性火山岩中铀含量变化较大，说明铀迁移量较大；3）蚀源区花岗岩也存在一定铀的得失，但在盆地内出露面积较小，铀含量变化较火山岩小，所以铀迁移总量不大。所以，盆地基底风化壳岩石在大气降水的淋滤下形成含铀含氧水，沿断裂等不断渗入含矿层，为盆地砂岩型铀矿的形成提供了重要的外源，且以靠近盆源的脑盖吐组中酸性火山岩为主要外源。

表3 伊犁盆地南缘蚀源区岩石原始铀含量与现代铀含量对比表Table 3 Original and modern uranium content of rocks in the source area at the southern margin of Yili basin

4 铀成矿与构造活动时空耦合关系讨论

伊犁盆地处于区域性天山造山带之中，中新生代以来构造变形强烈，但盆地内部具有南弱北强、西弱东强的特点，因而目前发现的砂岩型铀矿床主要分布于南缘扎吉斯坦断裂以西的构造相对稳定区和构造活动过渡区，而东部构造活动区亦有矿床发现，但规模局限。主要是因为扎吉斯坦断裂以西地区构造活动弱，地层抬升平稳，剥蚀较少，地下水动力机制稳定，可以长期稳定成矿，而东部构造活动强，引起地下水动力条件强烈变化，导致水动力系统不稳定，不利于形成容矿系统，不利于原有矿体的继承性成矿作用，且原有矿体很容易遭受改造，成矿年龄测定也佐证了这一点：东部达拉地成矿年龄大约为6.7～5.7 Ma，西部成矿年龄从老到新都存在，说明东部铀成矿作用不稳定，很难形成较大规模矿体；西部成矿作用持续至今，后期成矿作用叠加在早期成矿之上，后生叠加成矿作用明显，有利于形成规模较大的矿体。

伊犁盆地南缘成矿年龄从老到新都存在，甚至存在早于地层沉积年代（199.6～145.5 Ma）的年龄，可能是沉积期由蚀源区搬运沉积而来。沉积成岩阶段，伊犁盆地整体上处于弱伸展的成盆构造环境，存在区域性的夷平和断陷沉降，形成了不对称向斜状盆地形态，盆内冲积扇-辫状河-三角洲-湖泊沉积体系发育，砂体发育规模大且延伸稳定，为盆地后期改造成矿提供了良好的容矿构造。

晚白垩世—古近纪（99.6～28.4 Ma），盆地经历了燕山晚期、喜山Ⅰ、Ⅱ期等地质构造运动，在燕山运动的影响下，盆地挤压隆升，接受剥蚀，导致盆地缺失下白垩统，该阶段伊犁盆地南缘中下侏罗统灰色含煤碎屑岩建造广泛出露地表，来自南部蚀源区的含铀含氧承压水渗入到层间砂体中，形成大规模的潜水氧化和层间氧化，并伴有弱的铀成矿作用，显示了伊犁盆地后生表生铀成矿作用的开始。

新生代构造活动开始以来，从成矿年龄主要集中在该时代可看出铀成矿作用明显强烈。据资料显示［5，15-16］，伊犁盆地南缘新生代构造活动可划分为五期（表4）。第一期始新世晚期-渐新世，该时期构造运动于天山揭顶作用开始（24 Ma）的时间相对应，在此之后，铀成矿作用开始强烈，所以天山揭顶运动是伊犁盆地铀成矿关键的构造活动；第二期为中新世（N1），在该时期，扎吉斯坦断裂以东包括蒙其古尔矿区、达拉地、苏阿苏、察布查尔等地发育了一系列的褶皱构造，导致蒙其古尔西部因褶皱掀斜而形成单斜，形成了达拉地向斜、苏阿苏向斜、察布查尔背斜和向斜等，地层出露地表，遭受剥蚀，接受地表含铀含氧水的大量注入，之后开始大规模成矿；第三期构造运动（上新世（N2）），盆地南缘F1断裂继承性复活并向盆地方向逆冲，发生强烈的隆升与沉降作用，在蒙其古尔地区形成多处构造天窗，成为承压含水层的重要补给源；第四期为早更新世-中更新世，盆地整体下沉，接受沉积；第五期为中更新世以来，表现为差异升降，构造活动不强烈，含铀含氧水的持续补给使早期形成的铀矿体继续受到叠加改造，使其矿化厚度、规模不断增大，品位不断增高，且该成矿作用一直持续至今。