酒泉盆地砂岩型铀成矿规律及白垩系找矿方向

2021-05-22贺锋倪仕琪牛霆郭长林张字龙田明明

铀矿地质 2021年3期

贺锋，倪仕琪，牛霆，郭长林，张字龙，田明明

（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.核工业二〇三研究所，陕西咸阳 712000）

砂岩型铀资源在我国铀矿资源中占有重要地位，我国目前已经发现的砂岩型铀矿床主要产于两种碎屑岩建造中，一种是中下侏罗统“灰色”碎屑岩建造，另外一种是白垩系-新近系“红色”碎屑岩建造，铀矿化主要赋存于红色夹灰色中-细粒碎屑岩建造中［1］。中国北方中新生代沉积盆地发现6 种大型-特大型砂岩型铀矿，伊犁式、吐哈式、东胜式均产于中下侏罗统含煤碎屑岩系，乌兰察布式、马尼特式、通辽式均产于上白垩统红色碎屑岩系［2］。陆相红层为红色的陆相碎屑沉积物，形成于古盆地和湖泊环境，主要形成于炎热、干燥的地质时期［3］。白垩纪发生了大规模火山活动、大洋缺氧事件与黑色页岩、大洋红层与富氧作用、生物群重大辐射和更替、超静磁带出现等重大地质事件［4］。多数铀矿床形成时间与上覆红层形成时间基本一致，在空间分布上相伴生，是富铀地质体与裂陷红盆叠置区，铀矿化主要与干热气候条件下形成的陆相红层有关，呈板状矿体赋存于灰色、灰绿色砂岩中［5-7］。酒泉盆地白垩系—新近系为一套红色陆相碎屑岩建造，该区铀矿地质工作程度总体不高，发现了红山铀矿床和一批铀矿点，具有一定的砂岩型铀矿找矿前景［8-9］。

本文在前人研究成果的基础之上，结合野外地质调查及室内分析测试，基于典型矿床和矿点实际勘查资料和成果，采用宏观综合研究与微观分析相结合的研究方法，通过对典型矿床、矿点的综合对比分析，明确酒泉盆地白垩系铀成矿特征，厘定关键控矿要素，总结铀成矿规律，明确了酒泉盆地砂岩型铀矿下一步找矿方向，也为我国西北地区白垩系红层找矿工作部署提供一定的理论依据。

1 区域地质背景

1.1 研究区概况

酒泉盆地位于甘肃省西北部的河西走廊西段及其邻区，属走廊盆地群，面积约2.6 万km2，为中生代伸展断陷和新生代挤压挠曲所叠合而成的盆地［10-11］。酒泉盆地处于北祁连造山带与阿尔金地块、阿拉善地块的结合部位［12］，受阿尔金断裂、祁连山北缘断裂、龙首山断裂和苏红图-特罗西滩断裂所夹持（图1）。研究区包括酒西盆地、花海盆地、酒东盆地和金塔盆地，即东起合黎山、榆木山，西止阿尔金断裂，南起北祁连山北缘，北抵北山山前。在南北方向，各盆地之间分别以不同的隆起为界相互分隔。西边的花海盆地和酒西盆地之间有宽台山-黑山隆起，东边的金塔盆地与酒东盆地之间有合黎山隆起，在东西方向上嘉峪关隆起将两侧盆地分隔开来。

1.2 构造特征

酒泉盆地中新生代以来经历了3 个阶段：早期初始断陷、中期快速扩张发展和晚期抬升萎缩阶段。晚白垩世-古新世的抬升剥蚀阶段和干旱气候环境有利于后生氧化改造作用及铀矿化叠加富集，是有利的铀成矿阶段［9，13］。

酒东盆地划分为南部逆冲带、酒东坳陷带和北部单斜带3 个一级构造单元（图2）。南部逆冲带是祁连山山前-金佛寺花岗岩的主体部分，断裂及局部构造发育，南陡北缓，向北逆冲并伴有平行轴线的逆断层［13-14］。受晚期北东向断裂构造的制约，营尔凹陷和马营凹陷是呈北东向展布的主要沉积凹陷，下白垩统沉积厚度可达4 400 m，埋深5 000 m。

图1 酒泉盆地铀矿地质简图（据参考文献［9］修改）Fig.1 Uranium geological map of Jiuquan basin（modified after reference［9］）

酒西盆地可划分为4 个一级构造单元，即南部隆起、酒西坳陷、北部斜坡和西部坳陷。其中酒西坳陷和西部坳陷基底埋深大，是区域沉积中心，白垩系厚度可达5 000 m，埋深6 000 m，而南部隆起是区域相对隆起抬升区，北部总体为向南西方向倾斜的斜坡带，构造相对稳定［15-16］。

花海盆地划分为南部逆冲带、花海坳陷和北部斜坡带3 个一级构造单元，花海坳陷带为一主要受东、南两边界断裂控制的不对称箕状断陷，白垩系厚约500～4 000 m，最大埋深5 000 m，西北部斜坡埋深较浅，为300～1 500 m。早白垩世末期，花海坳陷整体遭受剥蚀，北部斜坡带最大剥蚀厚度达1 600 m 左右。

金塔盆地也可划分为南部逆冲带、中部坳陷带和北部单斜带，其埋深相对较浅，白垩系厚约500～1 000 m，北部发育较稳定的斜坡带［17］。

酒东盆地、酒西盆地、花海盆地、金塔盆地南部为祁连山、龙首山构造带，晚白垩世以来强烈的逆冲推覆构造挤压，在山前沉积了巨厚的新生代沉积，白垩系埋深3 000～4 000 m，不利于铀成矿；而盆地的北部斜坡带地层产状相对平缓，构造相对稳定，沉积厚度为0～1 000 m，是砂岩型铀矿的有利成矿构造。

2 主要找矿目标层特征

2.1 岩性特征

依据区域中新生代盆地盖层发育、出露状况和铀矿化发育情况以及最新勘查结果，确定酒泉盆地下白垩统新民堡群为主要找矿目标层，中侏罗统、中新统和全新统为潜在含矿目的层［8］。其中花海盆地北缘主要找矿目标层为下沟组，次要目标层为中沟组；酒西盆地北缘主要找矿目标层为赤金堡组，次要目标层为下沟组，中新统白杨河组为酒西盆地潜在目标层；酒东盆地北缘主要找矿目标层为下沟组，潜在目标层为中沟组和中下侏罗统；酒东盆地南缘主要找矿目标层为中沟组，次要目标层为下沟组，第四系全新统为潜在目标层（图3）。

图2 酒泉盆地构造剖面图（据参考文献［13］修改，剖面位置见图1）Fig.2 Structural section of Jiuquan basin（modified after reference［13］）

下白垩统新民堡群赤金堡组（K1c）：下部为杂色厚层砾岩及砂岩与紫红色含砾砂岩互层，为洪积扇相沉积体系；中部为灰黑色页岩、泥岩、泥灰岩、粉砂岩夹薄层砂岩，是滨-浅湖相沉积体系；上部主要为灰色、褐黄色中粗砂岩，夹泥岩、煤层，发育正韵律组合，砂岩分选性好，固结疏松-较疏松，主要发育扇三角洲相沉积体系。该层位在赤金峡、低洼窑地区发育砂岩型铀矿化。

图3 酒泉盆地主要找矿目标层综合柱状图（据参考文献［17］修改）Fig.3 Comprehensive histogram of main target strata in Jiuquan basin（modified after reference［17］）

下白垩统新民堡群下沟组（K1x）：下部为紫红色砾岩层夹紫红色砂泥岩，上部为灰绿色、灰黑色泥岩、页岩、泥质粉砂岩与灰绿色砾岩、砾质砂岩、砂岩互层夹泥灰岩和生物碎屑灰岩。由盆缘向盆内依次发育扇三角洲或河流三角洲前缘相、滨-浅湖相及较深-深湖相沉积。该组上部层位在酒东盆地红山地区产有砂岩型铀矿床，在酒东盆地南部红崖子村发现铀矿化。

下白垩统新民堡群中沟组（K1z）：下部为棕褐色、灰绿色砾质砂岩、中细砂岩与灰黑色泥岩不等厚互层，为冲积扇-河流三角洲-浅湖相沉积体系；上部为黄褐色、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩夹砂岩，为滨浅湖相沉积体系。该组在酒东盆地南部屈家口子发现铀矿化。

中新统白杨河组（N1b）：为干旱气候环境下沉积的河流-湖泊相含石膏红色细碎屑岩沉积建造，岩性以棕红色含砾粗砂岩和棕红色泥岩互层为主，偶含石膏夹层，为玉门油田主要储油层之一，在酒西盆地南部石油钻孔伽马测井中发现放射性异常。

中下侏罗统龙凤山群（J1-2Ln）：主要残留、深埋在晚侏罗世-早白垩世断陷内，少量发育在逆冲带中，是一套以温湿气候为主、间或半干旱气候条件下沉积的，以灰色为主的含煤碎屑岩建造，且发育铀矿化和铀异常点，但地层分布非常局限。

2.2 沉积特征

酒泉盆地群包括酒东盆地、酒西盆地、金塔盆地和花海盆地，在中新生代沉积期相互连通成为一体。下白垩统新民堡群赤金堡组早期以冲积扇和河流相为主，中期为扇三角洲相与湖泊相交替，晚期以湖泊相为主；下沟组早期以冲积扇、扇三角洲与湖泊相交替为主要特征，晚期以滨浅湖-深湖相为主；中沟组早期以冲积扇和扇三角洲相为主，晚期以河流与浅湖相交替为特征。盆地沉积充填物表现为粗-细-粗的旋回性，沉积环境经历了冲积扇-扇三角洲-湖泊-扇三角洲-河流相的演化过程，对应着盆地从断陷初期—持续断陷期—断陷萎缩期的完整过程［18-19］。酒泉盆地晚侏罗世—早白垩世受北北东向生长断层控制，形成东翼陡、西翼缓的箕状形态。断陷的陡坡发育冲积扇-扇三角洲-滨浅湖-深湖、半深湖（夹湖底扇）相沉积体系，沉积物以近源碎屑为主，岩性粗、分选差、沉积厚度大，水平相变快，相带窄（图4）。断陷的缓坡带发育河流-三角洲-滨浅湖-浅湖相沉积体系，沉积物以滨湖夹三角洲相沉积为特征，由于物源区较远，岩性较细，沉积分异较好。扇三角洲平原和扇三角洲前缘相为下白垩统新民堡群有利沉积相带。

3 典型矿床（点）地质特征

至今酒泉盆地共发现了中型砂岩型铀矿床（红山矿床）、多个砂岩型铀矿化点（赤金、赤金北、低洼窑、祥云寺、红崖子村、屈家口子、野马井和北山煤窑等矿点）和花岗岩型矿化点（榆林坝、西山煤窑等矿点）（图1）［9，13］。铀矿化类型主要为沉积成岩叠加后生改造型，铀矿化层位主要为下白垩统新民堡群和侏罗系龙凤山群，另外在酒东盆地东南缘上河清的第四系富含有机质的河沟冲积物中也发现了铀矿化（图3）。

图4 酒泉盆地下白垩统沉积相图Fig.4 Sedimentary facies of Lower Cretaceous in Jiuquan basin

3.1 红山矿床

红山矿床位于酒东盆地的东北缘合黎山南部，铀矿化主要产于下白垩统新民堡群，直接覆盖在龙首山群变质岩和海西期花岗岩基底之上。含矿岩石主要为富含炭屑的粉砂岩，少数为泥质细砂岩。粒度均匀，分选性较好，发育水平层理。矿体较薄，呈层状，与地层产状一致，空间展布稳定，以10°～15°倾角向南东倾斜，矿体埋藏较浅。红山矿床受岩相古地理控制明显，后生改造较弱，属沉积成岩叠加部分潜水氧化型铀矿化（图5）。

红山矿床铀成矿模式分解［13］：沉积-成岩初始富集阶段，下白垩统新民堡群主要发育冲积扇-扇三角洲相沉积体系，来自蚀源区前震旦系变质岩和大面积的海西期花岗岩岩体的活性铀被沉积物中的丰富的有机质、炭屑以及黄铁矿等吸附、沉淀，形成了富铀建造；盆地边缘抬升剥蚀，目的层被改造，铀矿体初步形成阶段，铀铅同位素铀成矿年龄为106 Ma（早白垩世晚期）和57 Ma（古新世）；新构造挤压抬升，矿化叠加，富矿体形成阶段，上新世受区域性新构造运动的影响，盆地北缘再次进入了剥蚀淋滤，目的层再次被强氧化改造，矿体进一步叠加富集。

3.2 赤金北矿点

赤金北矿点位于酒西盆地北缘宽台山南部，位于北东-南西向展布的向斜北翼，含矿目的层为赤金堡组。铀矿化主要受层位和岩性控制，矿化岩性为黄色、棕黄色、红褐色粗砂岩，红褐色泥岩和火山碎屑岩。岩石分析测试结果表明铀含量最大为490×10-6，平均为190×10-6；钍含量最大为158×10-6，平均含量为26.8×10-6。矿化厚度为0.5～1.0 m（图6）。

3.3 金佛寺周缘矿化点

酒东盆地南部逆冲带发育金佛寺花岗岩体，呈北西-南东方向展布，主要岩石单元有黑云母二长花岗岩、黑云母钾长花岗岩和黑云母石英二长岩［20］，其中灰白色黑云母二长花岗岩伽马照射量率为5.5～7.4 nC/（kg·h），肉红色黑云母钾长花岗岩伽马照射量率为5.6～8.3 nC/（kg·h），发育榆林坝花岗岩矿点，铀源条件丰富。除了前人发现的祥云寺矿点以外，通过野外地质调查在金佛寺富铀花岗岩体西北缘中沟组（屈家口子）和东南缘下沟组（红崖子村）丹霞地貌中发现了两个新的铀矿化点。金佛寺花岗岩体的东南部（红崖子村）发育下沟组，与肮脏沟组（S1a）（黄色含砾粗砂岩，钙质胶结，砾石成分以石英岩为主，厚层状发育）呈不整合接触，地层倾角较陡。岩性主要为浅棕黄色、浅黄色粗砂岩、含砾粗砂岩、灰绿色粉砂岩和紫红色泥岩，砾石成分以变质砂岩、石英岩为主，分选差、磨圆差，砾石粒径为1～5 cm，砂岩单层厚1～3 m，砂岩底部发育5～50 cm 黑色碳质泥岩。红崖子村下沟组矿化岩性为棕红色泥岩中夹着浅黄色含炭粗砂岩和黑色碳质泥岩，铀含量为（134～635）×10-6，呈条带状、层状分布（图7）。

图5 红山矿床勘探剖面图（据参考文献［13］修改）Fig.5 Uranium exploration section of Hongshanuranium deposi（tmodified after reference［13］）

图6 赤金北矿点赤金组地质剖面图Fig.6 Geological section of Chijin Formation in Chijinbei uranium occurrence

金佛寺花岗岩体的西北部（屈家口子）发育中沟组，与基底灰白色二长花岗岩不整合接触（图8）。岩性为棕红色厚层泥岩、棕红色中粗砂岩和浅黄色、灰色含砾粗砂岩，发育丹霞地貌；棕红色泥岩和中粗砂岩，呈厚层-巨厚层；浅黄色、灰色砂岩中含大量碳质碎屑，偶夹5～10 cm 厚煤线，砂体总厚度约60～80 m，可见潜水氧化现象（图8 a～e）。屈家口子中沟组平均伽马照射量率较高，一般为6～8 nC/（kg·h），为富铀目的层；铀异常点的岩性主要是棕黄色、浅黄色含砾粗砂岩夹黑色碳质中细砂岩、碳质泥岩，伽马照射量率一般可达15～50 nC/（kg·h）；部分黑色碳质中细砂岩和碳质泥岩伽马照射量率最高可达122 nC/（kg·h）（图8f、g）。

4 区域铀成矿规律

4.1 控矿因素

酒泉盆地的主要控矿因素有构造、层位及岩性-岩相、后生氧化改造和铀源。构造：相对稳定且适度抬升的盆地构造背景有利于砂岩型铀成矿，铀矿化集中区位于盆地高位边缘抬升带，铀矿体受基底凸起构造控制；层位及岩性岩相：大部分的铀矿化都在下白垩统中发现，扇三角洲平原河流相、冲积扇前缘砂体及其炭屑分布密集区是砂岩型铀矿富集最有利还原环境和赋矿空间，层位及岩性岩相控制了铀矿床、铀矿点带的分布；后生氧化改造：铀矿体及富矿体一般出现在多期次氧化作用叠加部位，成矿与潜水氧化作用密切相关；铀源：盆缘基地主要由太古宙变质岩和大面积出露的花岗岩组成，铀背景高（铀含量一般大于5×10-6），产有多处内生铀矿床、点，形成多片铀矿化集中区，长期处于隆升剥蚀状态，有利于基岩风化壳发育和铀元素向盆地内迁移。

图7 红崖子村下沟组矿点地质剖面图Fig.7 Geological section of Xiagou Formation in Hongyazi uranium occurrence

4.2 铀成矿规律

综合分析典型矿床和矿点，酒泉盆地白垩系砂岩型铀矿成矿规律具有以下几个特征。

4.2.1 近铀源成矿

目前已发现的砂岩型铀矿床、矿点和异常点都发育在富铀花岗岩体周缘，与蚀源区的直线距离一般在1～3 km，属于近铀源成矿。金塔盆地野马井矿点基岩为肉红色正长花岗岩，下沟组与花岗岩呈不整合接触，且发育花岗岩风化壳，出露厚度约1 m，铀含量偏高，高达21.5×10-6，为铀矿点的形成提供了充足的铀源，矿化点离花岗岩体直线距离为1.5 km。赤金峡矿点北部蚀源区岩性主要为肉红色中粗粒钾长花岗岩与灰色中粒黑云母二长花岗岩互层，伽马能谱测量都显示铀异常，以晚期侵入的肉红色花岗岩伽马值异常更加显著，铀含量可达58.4×10-6，可作为良好的铀源，矿点离花岗岩体的直线距离约1.6 km。因此，富铀岩体对铀矿床、矿点、铀异常点的定位有重要的控制作用。

4.2.2 铀矿化在红色和灰色建造过渡部位形成

图8 屈家口子矿点中沟组野外地质剖面特征Fig.8 Stratigraphic labeled field photos of Zhonggou Formation in Qujiakouzi uranium occurrence

早白垩世气候经历了由半干旱向温湿气候过渡，再向干旱炎热气候的转变，形成的地层中下部发育一定厚度的灰色碎屑岩建造。赤金矿点发育于紫红色泥岩、棕黄色砂岩和灰绿色粉砂岩、灰色泥岩的过渡带上；屈家口子和红崖子村铀异常点均发育于棕红色泥岩、砂岩和灰色含炭屑砂岩、黑色碳质泥岩的过渡带上。铀成矿主要发育在紫红色砂岩、泥岩和灰色沉积的过渡带形成，矿化层位在一定程度上受湖平面变化控制。

4.2.3 赋矿岩性以含炭屑砂岩和碳质泥岩为主

红山矿床下沟组含矿岩石主要为含碳质的粉砂岩，少数为泥质细砂岩，粒度均匀，原生色为灰色和灰黑色，氧化后呈黄褐色；赤金矿点岩性为浅黄色粗砂岩、棕红色泥岩和棕红色火山碎屑岩，阿尔金断裂周边地区早白垩世、晚白垩世和古近纪三期火山活动在与铀成矿相关密切；金塔野马井矿点下沟组铀富集在灰绿色、浅黄色含砾粗砂岩中；屈家口子中沟组铀异常点的岩性主要是浅黄色含砾粗砂岩夹黑色碳质中细砂岩、碳质泥岩；红崖子村下沟组矿化岩性为棕红色泥岩中夹着的浅黄色含炭屑粗砂岩和黑色碳质泥岩；低洼窑矿点铀矿化主要产于下沟组劣质煤层（线）之中；赤金峡矿点主要岩性为棕黄色中细砂岩和灰色含炭屑的粉砂岩、泥岩。

大量钻孔资料和野外露头调查结果表明，铀矿体赋存部位与炭屑密集区相关。铀矿大多富集在富含炭屑的灰色、浅黄色、灰绿色砂体和黑色碳质泥岩中，仅赤金北矿点少部分在火山碎屑岩中富集。有机质在岩石中主要呈分散状和煤线两种形式产出，对铀矿化的形成起到重要的作用。从矿床和各个矿点的化学分析结果来看，铀含量高的样品中其有机碳和硫的含量普遍偏高（表1）。红山矿床中ZK15-8 钻孔中铀含量最高可达3 731×10-6，有机碳高达34.4%，硫含量也高达2.61%，铀含量与有机碳含量普遍正相关，相关系数为0.875。从典型矿床（点）铀矿物扫描电镜特征也可以看出，铀矿物的分布与有机质密切相关，一般铀矿物与有机质和有机质中的绿泥石、伊利石、高岭石等黏土矿物、黄铁矿等共生（图9）。

4.2.4 铀成矿类型以沉积成岩为主叠加后生改造型

酒泉盆地砂岩铀成矿类型主要为沉积成岩叠加潜水氧化型，可能存在少量的层间氧化带。下白垩统目的层灰色碎屑沉积本身铀含量高，为铀的富集提供了一定保障。花海盆地钻孔岩心化学分析结果表明，其地层中铀含量比较丰富，铀含量平均可达6.9×10-6，暗色泥岩和灰色细砂岩中铀含量最高可达32×10-6。低洼窑矿点和金塔北山煤窑矿点均为沉积成岩型，呈层状分布，金塔北山煤窑矿点下沟组矿化岩性为灰绿色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩；红山矿床和和红崖村铀异常点明显受岩相古地理控制，后生改造作用较弱，以沉积成岩型铀矿化为主，叠加少量潜水氧化型；赤金峡、金塔野马井矿点、屈家口子铀异常点均属于沉积成岩叠加潜水氧化型。

表1 典型矿床（点）铀含量与有机碳和硫含量表Table 1 Uranium,organic carbon and sulfur contents of typical deposit and occurrences

图9 典型矿床（点）铀矿物扫描电镜特征Fig.9 SEM characteristics of uranium minerals in typical deposits and occurrences

4.3 白垩系红层找矿方向

酒泉盆地白垩系主要发育红色陆相碎屑岩建造，红色建造的铀背景值较低，有机质含量也较少，红色建造整体是不利于铀成矿的。早白垩世气候经历了由半干旱向温湿气候过渡，再向干旱炎热气候的转变，形成的地层发育一定厚度的灰色碎屑岩建造。灰色建造中铀含量普遍偏高，砂体中炭屑较为发育，另外我国西北地区有些含铀盆地富含油气［21］，也可以提供较强的还原物质，因此红层中的灰色建造是有利于铀成矿的形成的。酒泉盆地目前已发现的砂岩型铀矿床、矿点和异常点都发育在富铀花岗岩体周缘，为近铀源成矿；白垩系铀成矿主要发育在棕红色砂泥岩和灰色砂岩的过渡带；铀矿体大多富集在富含炭屑的灰色砂体中，部分浅黄色砂岩中；下白垩统目的层本身高铀含量对铀的富集提供了一定保障，铀成矿类型以沉积成岩叠加潜水氧化。

相对稳定且适度抬升的构造斜坡带、长期隆升的富铀花岗岩体周缘、红色建造和灰色建造的过渡带、有利的容矿砂体及炭屑密集区（或者油气叠置区）和多期次氧化作用叠加部位可作为酒泉盆地白垩系红层找矿方向。综合分析认为花海盆地北部斜坡带铀成矿条件有利，经钻探查证首次在花海盆地钻遇矿化孔和异常孔，进一步证实了该区具有较大的铀成矿潜力。酒东盆地已在东北缘发现红山矿床，北缘成矿条件有利；盆地南部逆冲带发育金佛寺花岗岩体，铀源条件有利，发育逆冲构造，砂体发育，潜水氧化改造强烈，已发现新的铀矿化点带，成矿条件较有利。酒西盆地北部铀源条件较好，发育斜坡带，构造相对稳定；已发现赤金堡组发育赤金峡、低洼窑两个矿点；目标层下白垩统赤金堡组、下沟组和古近系白杨河组，埋深浅，目标砂体发育，发育土壤氡气异常，成矿条件较有利。