二连盆地芒来矿床砂体的非均质性与铀成矿关系研究

2020-11-09刘国安乔鹏康世虎彭瑞强任晓平黄镪俯

铀矿地质 2020年5期

刘国安，乔鹏，康世虎，彭瑞强，任晓平，黄镪俯

（1.核工业二〇八大队，内蒙古包头 014010；2.核工业二四三大队，内蒙古赤峰 024000）

近年来随着在芒来地段勘查工作的不断推进，找矿成果尤显突出，特别是在芒来地段西侧圈出3 条主矿体，落实了中型规模铀矿床［1-2］。虽然前人对该地段开展过大量研究，取得了很多成果，但是对于铀储层非均值性的研究还是较少。本文通过对芒来矿床砂体分散体系进行研究，统计含矿目的层赛汉组上段砂体及隔水层数据，分析总结目的层砂体非均质性与铀成矿关系，确定铀成矿有利部位及有利条件，为今后工作的开展提供可参考的依据。

1 地质概况

芒来地段位于马尼特坳陷西部的塔北次级凹陷内，凹陷北邻白音希勒凸起，南邻塔南凹陷，总体呈北东向展布。凹陷东西长约75 km，南北宽约15～25 km，面积约1 850 km2（图1）。

早白垩世早期，塔北凹陷呈北东向展布，北西侧的同生断裂构造，既约束着凹陷北西部边界，同时也控制着白垩纪至新近纪的沉积及发展。在早白垩世该断裂表现为同沉积断裂，到了早白垩世赛汉晚期，凹陷虽然继承了早期的构造特征，但由于断裂控制作用减弱，其伸展幅度变小，埋深变浅（一般为400～500 m），从而使盆地从断陷型向断坳转换型转变，这时该区总体转变为坳陷沉积，沉积范围进一步缩小到坳陷低凹区域，形成河谷型盆地，赛汉组上段古河谷砂体即在此背景下形成［3-4］。

图1 马尼特坳陷西部下白垩统基底结构略图Fig.1 Basement structural sketch map of the western Manite depression，Erlian Basin

芒来矿床内，钻孔主要揭遇地层包括：下白垩统赛汉组下段（K1s1）、赛汉组上段（K1s2）、古近系伊尔丁曼哈组（E2y），部分钻孔未揭遇赛汉组下段而是直接接遇到二叠系板岩。铀矿化产出于下白垩统赛汉组上段。

区内标志层主要有两套，分别是赛汉组上段顶部红色泥岩和赛汉组下段顶部灰色泥岩。赛汉组上段顶部红色泥岩是区分伊尔丁曼哈组与赛汉组的标志层。伊尔丁曼哈组在区内分布广泛，以一套冲积扇泛滥平原、河湖相沉积为主，底部与赛汉组呈角度不整合接触。赛汉组由上段和下段构成。上段以辫状河沉积为主，在该层底部可识别出砾质辫状河道沉积，电阻率曲线上与赛汉组下段为突变接触，表现为河道底部冲刷接触关系，是主要含矿含水层；中部厚度较大，为砂体发育层位，粒度较粗，电阻率曲线表现为箱形结构，反映为辫状河心滩沉积特征；顶部砂体不发育，岩性多以泥包砂为主，表现为泛滥平原沉积特征。赛汉组下段在研究区普遍存在，且相对稳定，局部区域被剥蚀或呈风化壳产出，构成赛汉组上段稳定隔水底板（图2）［5-10］。

2 矿体特征

芒来铀矿床主要有40 个工业铀矿孔控制，矿体主要产于赛汉组上段的河道砂体中，受潜水-层间氧化带控制，位于氧化界面以下灰色砂体中，以单层为主，近水平板状产出。其中，北部矿体由34 个工业铀矿孔控制，矿体总体呈北西-南东向展布，矿体埋深为112.25～129.55 m，平均121.75 m，品位为0.012 2%～0.069 0%，平均0.024 0%；中部矿体由6 个工业铀矿孔控制，矿体呈北东-南西向展布，矿体埋深为135.35～150.45 m，平均143.22 m，品位0.016 8%～0.093 2%，平均0.026 7%。

3 砂体非均质性与铀成矿关系

图2 芒来矿床赛汉组上段垂向序列图Fig.2 Vertical sequence in the Upper Member of Saihan Formation in Manglai deposit

石油地质学家最早提出砂体非均质性的概念，主要是用来揭示砂体非均质性导致油气储存与开发的复杂性，自该概念提出以来，已经取得了显著的进展［11］。在芒来矿床工作中发现，这一概念同样可以应用于砂岩型铀矿成矿过程分析及铀矿的空间定位预测中，砂体的非均质性不仅可以影响含矿流体的运移速度，而且还会影响着其运移方向，进而实现对铀成矿的控制［12］。

3.1 砂体平面非均质性与铀成矿关系

含矿目的层赛汉组上段砂体的连续性较好，但平面上的非均质性特征仍然很明显，主要表现在3 个方面：砂体厚度和含砂率的变化；砂体形态的变化；砂体性质或成因的变化。

对矿床已有钻孔数据进行整理分析，绘制出目的层赛汉组上段含水层砂体厚度等值线图及含砂率图。从图3 中可以看出，研究区砂体整体表现为西厚、东薄的特征，发育一条呈东西向的主干河道，河道自西向东流入，且在北西有侧向补给特征。宏观上目的层砂体厚度普遍在35～75 m，中部比两翼厚，西侧比东侧厚，且在中部形成心滩，将主干河道分为2 条分支河道，致使两侧砂体厚度明显小于中部砂体厚度，同时心滩也会使得河道内上游砂体粒度粗于下游砂体粒度，导致河道内砂体出现非均质性，而铀矿化往往位于心滩下游河道分叉部位。

图3 芒来矿床赛汉组上段砂体厚度等值线图Fig.3 Thickness contour of sand-body in the Upper Member of Saihan Formation in Manglai deposit

芒来矿床内铀矿化主要是受到潜水-层间氧化作用控制，而氧化前锋线则与砂体规模、形态及局部隔水层有着一定的联系［13］。矿床内厚大的砂体不仅为铀储存提供了场所，而且其良好的连通性与渗透性也有利于含铀含氧水的渗流，从而在原生灰色砂岩中形成氧化前锋线。砂体由厚变薄，反映出当时水动力条件减弱。河道内砂质含量减少，泥粉含量增多，不仅阻碍了含铀地下水的快速渗流，使其速度减缓，而且使得含铀含氧水与原生灰色砂岩中所含有还原性物质充分接触反应，为铀的富集沉淀奠定了基础，也为氧化前锋线的形成提供了良好的地球化学条件。因此，砂体的非均质性对铀成矿起着一定的控制作用，矿体基本上位于砂体由厚变薄部位，而这些部位多是主干河道向分支河道演化的区域。

赛汉组上段含砂率等值线图反映该区含砂率普遍为40%～70%（图4），并且在分支河道内要高于主干河道，这主要是因为主干河道内基本包含目的层赛汉组上段3 个小层序，而分支河道内基本上只包含第一、第二小层序，且层序间泥岩隔层多为缺失。从含砂率图上可以看出矿体往往位于分支河道内含砂率在60%～70%区域内，且多集中在含砂率变化速率快的区域。

在微观上，通过对145 个钻孔的赛汉组上段砂体特征进行统计，发现工业铀矿化主要集中在砂体厚度为45～65 m，含砂率为60%～70%的区域中（图5）。该部位砂体厚，连通性好，有利于含铀含氧水的运移，含砂率较大，泥岩夹层相对较少，利于成矿，同时矿体周围含砂率变化快，反映出砂体非均质性对于铀成矿存在积极有利的作用。

图4 芒来矿床赛汉组上段含砂率等值线图Fig.4 Contour of sand content rate of the Upper Member of Saihan Formation in Manglai deposit

图5 芒来矿床赛汉组上段含砂率、砂体厚度与铀矿化关系图Fig.5 Relationship of sand-bearing ratio，sand body thickness and uranium mineralization in the Upper Member of Saihan Formation of the Manglai deposit

3.2 砂体垂向非均质性与铀成矿关系

芒来矿床内砂体的垂向非均质性主要通过沉积物粒度变化及含矿层中隔水层数量及厚度的变化特征来体现的。隔水层主要是对流体的渗流起着隔挡作用，其可以使单一流体分散成多个流体来运移，从而使得水动力减弱，导致砂体粒度的变化。沉积物粒度的变化可以体现出沉积期原始水介质能量的周期性变化规律。

3.2.1 隔层与铀成矿关系

针对砂岩型铀矿来说，隔水层主要指的是地层中的泥岩、粉砂岩、钙质胶结的砂岩等，这些岩性不透水、不渗水，对流体起到隔挡作用。隔水层对铀成矿既有有利的一面，也有不利的一面。隔水层厚度太厚，不利于含铀含氧水在砂体中的渗流，阻碍了铀的迁移富集；隔水层太薄，吸附能力弱，则会使富集下来的铀再次被流经的地下水氧化带走，同样不利于铀的沉淀富集。因此对隔水层进行定量分析，寻找其与铀成矿关系，这对铀矿空间定位预测起着必不可少的作用［14-15］。

隔层的个数及厚度在一定程度上可以反映出沉积期原始水介质能量周期性变化及河道迁移变化特征。通过对研究区钻孔隔水层层数及隔水层厚度统计发现（表1、2），研究区目的层隔水层层数最多为13 层，主要为4～6 层，隔层累计厚度最大为88.5 m，主要为20～40 m。整体上主干河道比河道边缘或分支河道内砂体厚度厚（图6）。

通过对隔层厚度与含砂率关系的研究，发现在研究区内含砂率与隔层厚度呈负相关关系，即当隔层厚度增加时，含砂率反而逐渐降低（图7）。含砂率的降低，泥粉质含量的增多，也可以侧面的反映出当时沉积环境是由河道中心向河道边缘或分支河道转变的。

为了更好的展示隔层与铀矿化关系，对隔层层数、厚度及铀矿化情况进行统计发现（图8），隔层层数在4～6 层，隔层厚度在25～40 m，最有利于铀成矿。数理统计还发现，工业铀矿孔中隔水层厚度最小，平均为32.4 m；其次为铀矿化孔，隔层厚度平均为34.3 m；无矿孔隔层厚度平均为32.6 m，这主要是因为无矿孔多位于主干河道内，其泥岩层厚度较小；最厚为铀异常孔，隔层厚度平均为49.20 m。从中不难看出，总体上隔层厚度与含矿级别呈负相关性。

3.2.2 沉积物粒度变化与铀成矿关系

目的层赛汉组上段岩性主要包括砾岩、（砾质）砂岩、泥岩。其中，砂岩粒级包括砂质砾岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩。通过对研究区含矿层沉积物粒度进行统计制图发现（图9），见矿孔岩性主要为细砂岩，所占比例为48.00% ；其次为中砂岩，所占比例为36.00%；最少为粗砂岩、砂质砾岩，所占比例均为8.00%。这说明了成矿最好的为细砂，其次是中砂，粒度较粗的粗砂及砂质砾岩最差。同时可以从侧面说明辫状河分支河道一侧更有利于铀成矿。

表1 芒来矿床赛汉组上段隔层层数统计表Table 1 Statistics of groundwater confining layers in the Upper Member of Saihan Formation in Manglai deposit

表2 芒来矿床赛汉组上段隔层厚度统计表Table 2 Statistics of groundwater confining layer thickness of the Upper Member of Saihan Formation in Manglai deposit

图6 芒来矿床赛汉组上段隔层层数与砂体厚度关系图Fig.6 Relationship between groundwater confining layer numbers and sand-body thickness of the Upper Member of Saihan Formation in Manglai deposit

图7 芒来矿床赛汉组上段隔层厚度与含砂率关系图Fig.7 Relationship between thickness of groundwater confining layer and sand content rate of the Upper Menber of Saihan Formation in Manglai deposit

图8 芒来矿床赛汉组上段隔层层数与隔层厚度关系图Fig.8 Relationship between groundwater confining layers number and thickness in the Upper Member of Saihan Formation in Manglai deposit

图9 芒来矿床赛汉组上段沉积物粒度与铀成矿关系图Fig.9 Relationship between sediment granularity and uranium mineralization of the Upper Member of Saihan Formation in Manglai deposit

对研究区内剖面绘制发现（图10），工业铀矿体及铀矿化体多位于赛汉组上段底部砂体中，紧贴底板泥岩呈板状产出，含矿岩性上部黄色氧化砂岩多为砂质砾岩-粗砂岩等粗粒砂体，而含矿岩性多为细砂-中砂等细粒砂岩，具有底部细，下-中部粗，上部细的垂向序列特征，沉积物粒度在垂向上的排列组合影响着砂体垂向非均质性，进而影响铀成矿。

对研究区内工业铀矿孔柱状图对比可知（图11），工业铀矿体上部围岩多为粗砂岩、砂砾岩等粗粒砂岩，下部围岩多为细砂岩、泥岩等细粒岩石，电阻率曲线具有明显的倒韵律形态。同时，对矿体及上下围岩视电阻率、密度、γ 测井数据进行统计发现（表3），矿体上部围岩视电阻率值一般大于矿体，矿体大于下部围岩；围岩密度值均大于矿体密度值。这同样可以说明矿体多赋存在砂体粒度较细且粒度突变部位，砂体垂向上非均质性对铀成矿起到一定的积极作用。