二连盆地乌兰察布坳陷中东部赛汉组上段古河道砂体岩石学特征及其铀成矿意义

2021-03-24吕永华封志兵康世虎李满根苟冽源

东华理工大学学报(自然科学版) 2021年1期

吕永华，封志兵，康世虎，李满根，苟冽源

(1. 核工业二〇八大队，内蒙古包头 014010；2. 东华理工大学，江西南昌 330013)

砂岩型铀矿已成为我国铀矿勘探的主要类型(张金带，2011；聂逢君等，2015)。二连盆地的砂岩型铀矿找矿工作已历经20余年，期间确定并优选位于盆地西北部的连通乌兰察布坳陷、马尼特坳陷内的古河道为成矿有利区(童波林等，2017)，并相继探明了赛罕高毕、巴彦乌拉、哈达图、芒来等一系列铀矿床。前人对该古河道开展了大量研究工作(董庭宽等，2001；刘武生等，2013；聂逢君等，2015；刘波等，2016，2017，2018；乔鹏等，2017；童波林等，2017)。利用石油、煤炭和核工业部门的勘查钻孔、地震剖面等资料，结合古气候、沉积学和矿物学等测试结果，对含矿目的层赛汉组进一步开展了分层对比研究，揭示了构造约束下的古河道砂岩型铀矿床分布特征及成因，探讨了古河道内巴彦乌拉、赛汉高毕等典型铀矿床的成矿机理，建立了各铀矿床的成矿模式，提出了找矿方向(聂逢君等，2015；刘波等，2016，2017，2018；王浩锋等，2019；张文东等，2020)。上述研究多以马尼特坳陷和乌兰察布坳陷北部的古河道砂体为对象。近年来，在乌兰察布坳陷中东部探明了哈达图、乔尔古等多个铀矿床/点。但与其他同类型铀矿床相比，该区氧化砂体异常发育，原生带砂岩甚至普遍缺失。通过大量的钻孔岩芯编录，并与测井资料对比发现，该区铀矿化受岩石岩性变化控制明显。因此，笔者将对乌兰察布坳陷中东部赛汉组上段古河道含矿砂岩与围岩系统地开展镜下鉴定和电子探针分析，并对其粒度特征、碎屑岩结构、组分特征等进行对比研究，以揭示古河道砂体控矿特征并建立该区岩石学宏观找矿标志。

1 区域地质

二连盆地地处蒙古-兴安裂谷系中部(漆家福等，2015)。在早元古代至晚古生代，因古西伯利亚板块与古华北板块挤压碰撞，古蒙古洋逐渐消亡，形成二连盆地复背斜、复向斜相间和北东向深断裂组合的基底构造格局。进入中生代后，由于太平洋板块向欧亚板块强烈俯冲，地壳发生强烈的北东向断裂活动，二连盆地由此进入陆相盆地发展阶段，乌兰察布坳陷在此期间形成(马新华等，2000)。

三叠纪中朝板块与西伯利亚板块再次相向强烈挤压，古生代地层进一步强烈褶皱、冲断并发生区域隆升，造成二连盆地普遍缺失三叠系沉积，且此时地层以风化剥蚀作用为主，形成一定厚度的风化壳，为后期盆地盖层沉积提供丰富的物源。在侏罗世，盆地先后经历了拉张伸展和构造反转作用，导致部分早侏罗世地层缺失，而中-晚侏罗世出现大量逆冲断裂，并形成一系列活动构造。由于早白垩世末期再次发生构造反转，下白垩统及侏罗系发生逆冲和隆升剥蚀。此时，盆地收缩封闭，早期断陷冲积扇-三角洲-湖泊沉积逐渐结束，转向以河流相为主的沉积(任建业等，1998；肖安成，2001)，由此发育了沿坳陷长轴方向赛汉组上段古河道砂体(图1)。铀矿钻探揭示，乔尔古-哈达图-赛汉高毕地区发育一条长达150 km的古河道砂体，另推测乔尔古地区以西也有一条长80 km的古河道发育。其单层砂体厚度有30～80 m(图2)，为铀成矿提供了有利的储存空间。

图1 二连盆地乌兰察布坳陷构造分区略图Fig.1 Tectonic division of the Ulanqab depression in the Erlian basin

图2 乌兰察布坳陷中东部古河道赛汉组上段地层对比剖面Fig.2 Stratigraphic correlation of the upper Saihan formation from paleo-valley deposition in the mid-eastern Ulanqab depression1.古近系；2.二连组；3.赛汉组上段；4.赛汉组下段；5.泥岩；6.砂岩；7.红色氧化；8.灰色还原；9.黄色氧化；10.绿色还原；11.地层角度不整合接触；12.铀矿体

2 岩石学特征

对乌兰察布坳陷中东部赛汉组上段含矿砂岩和围岩取样42组(图3)，开展详细的镜下薄片分析。该工作在核工业二〇八大队分析测试中心完成。石英、长石和岩屑等的含量统计结果见表1。另取8组含矿砂岩样品开展电子探针分析，该测试在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成。实验仪器为JXA—8100M型电子探针，加速电压为15.0 kV，探针电流为20.0 nA，束斑直径小于2 μm。

图3 乌兰察布坳陷中东部古河道赛汉组上段砂岩样品取样位置Fig.3 Sampling locations of clastic rocks of the upper Saihan formation from paleo-valley deposition in the mid-eastern Ulanqab depression1.乌兰察布坳陷中东部古河谷；2.工业孔；3.矿化孔；4.异常孔；5.无矿孔；6.地名及位置

2.1 碎屑岩组分特征

含矿砂岩岩性以长石石英砂岩为主，其中石英、长石和岩屑分别占72%～83%、12%～28%、2%～14%。另有少数矿石样品岩性为长石砂岩、岩屑长石砂岩。围岩岩性以长石砂岩和长石石英砂岩为主，其中石英、长石和岩屑分别占33%～82%、5%～58%、1%～22%。其次为长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩(图4)。总体反映碎屑岩成分成熟度低的特征。

图4 乌兰察布坳陷中东部古河道赛汉组上段碎屑岩Folk三角图Fig.4 Folk-classification triangle chart of clastic rocks of the upper Saihan formation from paleo-valley deposition in the mid-eastern Ulanqab depression1.石英砂岩；2.长石石英砂岩；3.岩屑石英砂岩；4.长石砂岩；5.岩屑长石砂岩；6.长石岩屑砂岩；7.岩屑砂岩

(1)石英。古河道赛汉组上段砂岩中的石英主要来自花岗岩，呈云雾状消光，其次为来自其他火山岩的石英。这些石英常保留近六边形外形或具港湾状溶蚀边，不具波状消光，表面光洁；来自变质岩的石英在碎屑物中也可见到，他形粒状结构，集合体呈条带状，具灰白干涉色和波状消光。本区部分石英具有自生加大边结构，应归属为再旋回石英。碎屑物中石英的多样性，反映本区碎屑物物源的多样性。

(2)长石。古河道赛汉组上段碎屑岩长石一般由正长石、条纹长石、微斜长石和斜长石组成，以正长石为主。正长石属于单斜晶系，晶体结构为架状结构，其形态为短柱状和厚板状，集合体呈粒状，颜色发白，具有玻璃光泽；微斜长石属于三斜晶系，晶体结构为架状结构，形态为板状和短柱状，与正长石相似，它们都属于钾长石系列；条纹长石属于碱性长石，由含钠的长石和含钾的长石混合而成，具有条纹结构。钠长石在钾长石晶体中沿钾长石一定结晶方向，呈水滴状、纺锤状、树枝状、碎云状分布；斜长石的形态主要为叶片状，因钠和钙的比例不同，再加上其他矿物质的染色作用，使得斜长石的颜色较多。说明碎屑物具有近物源，母岩主要为酸性或碱性成分的火山碎屑岩。

(3)岩屑。岩屑主要由火成岩岩屑和变质岩岩屑组成，其中火成岩中花岗岩岩屑占主导地位(图5)。围岩中岩屑的平均含量(18%)大于矿石中岩屑的平均含量(15%)且围岩中下部的岩屑含量和类型高于上部围岩。由此反映了赛汉组上段古河道从早期到晚期物源的减少和河道化逐渐成熟的过程。

图5 乌兰察布坳陷中东部古河道赛汉组上段砂岩岩屑成分显微镜镜下特征Fig.5 Clastic constituents of sandstone of the upper Saihan formation from paleo-valley deposition in the mid-eastern Ulanqab depression using microscopic observationa.花岗岩、火山碎屑岩岩屑；b.花岗岩、流纹岩岩屑

(4)重矿物和云母。碎屑岩中重矿物、云母含量极少，大多数样品中不含重矿物和云母，个别样品中含量小于1%。重矿物主要有绿泥石、阳起石、黝帘石、燧石、金红石及针铁矿。部分样品中绿泥石含量较高，呈片状，一般为绿色，部分干涉色灰暗；阳起石呈淡绿色，柱状，斜消光，具有角闪石式解理与晶型特征；黝帘石、燧石、金红石及针铁矿的含量相对较少，少许针铁矿充填在碎屑物的裂隙中；云母在碎屑岩中以白云母最常见，呈片状或者板状，细小呈鳞片状(绢云母)，颜色呈淡灰、淡绿色玻璃光泽，解理面呈珍珠光泽。重矿物和云母的组合特征反映母岩以碱性蚀变和碱交代作用为主，矿物组合以层状结构硅酸盐亚类为主。

(5)伊利石和高岭石。伊利石的含量要大于高岭石和其他黏土矿物。伊利石的形态为显微鳞片状和致密块状，镜下呈白色、灰白色，玻璃光泽，致密块状呈油脂光泽或土状光泽，为酸性火成岩表生风化产物。高岭石的形态为隐晶质致密块状和土状集合体。其中，土状块体具有粗糙感，一般呈白色，有时含杂质呈深浅不同的各种颜色，主要是在酸性介质的环境中富含铝硅酸盐的火成岩和变质岩经低温热液交代所形成。

(6)有机质、褐铁矿和黄铁矿。有机质和黄铁矿在矿石中多见，而在围岩中少见。有机质为炭化植物枝叶和枝杆，碎且小，部分边缘被氧化呈亮黄色。黄铁矿在矿石中多见，且与铀矿物密切共生(图6)。黄铁矿一般呈星点状充填在碎屑颗粒裂隙中，或者以草莓状和立方体存在。褐铁矿主要存在于上下围岩中，呈浸染状或斑点状，主要是由黄铁矿后期氧化作用形成。

图6 铀矿物与其它矿物共伴生关系的电子探针背散射电子像Fig.6 Backscattered electron images of the relationship between uranium minerals and other mineralsa.正长石颗粒间的铀与共伴生矿物；b.石英颗粒间的铀与共伴生矿物；c.黄铁矿边缘的铀矿物；d.黄铁矿表面的铀矿物；Or.正长石；Py.黄铁矿；Bi.黑云母；Qz.石英；U.铀矿物

2.2 碎屑岩结构特征

(1)支撑结构和胶结作用。根据碎屑岩中颗粒的百分含量，并结合电子显微镜正交偏光照片可以判断出赛汉组上段古河道碎屑岩基本为颗粒支撑结构，孔隙胶结(表1)；个别样品为杂基支撑，基底胶结。颗粒之间多为点接触(图7)，说明沉积物渗透性好，后期成岩改造作用较弱特点。

图7 乌兰察布坳陷中东部古河道赛汉组上段砂岩支撑结构显微镜镜下特征Fig.7 Supporting structures of sandstone of the upper Saihan formation from paleo-valley deposition in the mid-eastern Ulanqab depression using microscopic observationa.颗粒支撑；b.颗粒支撑

(2)粒度特征。碎屑岩粒度统计表明(表2)，围岩中砾石居多(41.52%)，其次为粗砂(27.62%)。矿石以粗砂为主(32.47%)，其次为中砂(27.08%)、细砂(27.34%)。矿石中砂、细砂、粉砂和黏土等的含量明显高于围岩，而围岩中砾石的含量要远远大于矿石。

(3)分选性和磨圆度。矿石和围岩中碎屑颗粒的磨圆度都很低，一般以次棱角状为主(表1)。矿石中分选性中等及以上的约占35%，分选差的约占65%。围岩中分选性中等约占45%，分选差的约占55%。整体上反映了赛汉组上段古河道碎屑沉积物分选性差，同时也表明矿石的分选性要差于围岩。

3 地质意义

乌兰察布坳陷中东部赛汉组上段古河道砂岩主要为长石石英砂岩，其次为长石砂岩，碎屑物以颗粒支撑、孔隙胶结为主，具有分选性差、成熟度低、近物源等特点。此外，碎屑物物源呈多样性，其中花岗岩占主要部分，火山岩次之。研究区与巴音宝力格隆起毗邻。卫镜岩体位于该隆起的东南部，为多期次形成的花岗岩岩体(聂逢君等，2018)。该岩体靠近盆地内部且风化严重，可为铀成矿提供铀源，也可为古河道内含矿目的层砂体的形成提供物质来源(聂逢君等，2018)。此外，这些搬运至古河道的火成岩碎屑物自身含铀量较高，且围岩氧化砂体异常发育。氧化砂体中的铀可随氧化流体迁移至灰色含矿砂岩中，叠加形成铀矿。研究区含矿砂岩通常呈深灰色、灰黑色，多见炭屑和黄铁矿。经电子探针分析表明，铀矿物与有机质和黄铁矿空间位置关系密切(图6)。有机质、黄铁矿的大量存在为研究区铀成矿提供充足的还原剂。古河道砂岩基本为颗粒支撑结构，孔隙胶结，良好的孔渗性为后期流体的补-径-排和铀的富集成矿创造了有利条件。矿石中石英含量相对较高，而长石和岩屑含量相对较少；碎屑物粒度小于围岩，矿体基本上位于每个沉积旋回顶部或者河道边缘部位；杂基含量相对较高，表明沉积速率相对较大、水动力条件弱、岩石结构成熟度低、分选性差的特征。因矿石的碎屑物粒度小于围岩，且黏土含量相对高(表2)，其孔渗性要比围岩低，后期氧化流体难以渗入，起到保矿作用。矿石和围岩的上述岩石学特征，可为今后二连盆地古河道找矿工作提供良好的指示标志。

表2 乌兰察布坳陷中东部古河道赛汉组上段碎屑岩粒度分类统计表Table 2 Grain-size classification of clastic rocks of the Saihan formation from paleo-valley deposition in the mid-eastern Ulanqab depression using the slice observation /%