准噶尔盆地西缘车排子地区砂岩型铀矿成矿潜力及找矿方向

2021-06-18胡兆国梅贞华吴春文王富伟张之武王小玉

地质与勘探 2021年3期

赵磊,胡兆国,华北,梅贞华,秦峰,吴春文,王富伟,张之武,孙峰,李宁,王小玉

(1.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，山东济南 250014；2.中国冶金地质总局矿产资源研究院，北京 101300；3.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257200；4.中国石油化工股份有限公司新疆新春石油开发有限责任公司，山东东营 257000；5.中国冶金地质总局，北京 100025)

0 引言

新疆准噶尔盆地是我国重要的砂岩型铀矿成矿省(图1a，张金带，2016；朱鹏飞等，2018)，自中新生代以来该地长期处于相对稳定的沉积状态，盆地边缘形成了巨大的沉积物斜坡带，加之新近纪以来，其长期处于干旱-半干旱的气候条件，为砂岩型铀矿提供了良好的构造条件和气候条件。前人对准噶尔盆地铀矿开展了大量工作(刘健等，2003；高山林等，2006；郭召杰等，2006；张虎军等，2012；何中波等，2016；陈奋雄等，2016；秦明宽等，2017；郭强等，2018；万汉平等，2020)，并且在盆地周缘陆续找到多处砂岩型铀矿(点)(张卫民，2002；王果等，2016；何中波等，2018；王浩锋等，2019)，但是前人工作主要集中于盆地东缘和北缘地区，以侏罗系、白垩系和古近系为主要找矿目标层，盆地西缘研究工作相对薄弱，尤其对新近系成矿潜力未予足够的重视。

近年来，在位于准噶尔盆地西缘、扎伊尔山以南的车排子凸起带，油气勘探工作在新近系中发现了放射性异常(余琪祥，2008；党龙和唐湘飞，2015)，然而，车排子地区铀矿化和油气之间否存在成因联系？砂岩型铀矿成矿潜力和找矿方向如何？这些都是亟待解决的科学问题。鉴于此，本文通过对车排子地区地质、地球化学特征的研究，结合准噶尔盆地西缘区域地质、构造以及水文地质条件，对车排子地区砂岩型铀矿成矿条件和成矿方式进行详细研究，以探讨区域内砂岩型铀矿成矿潜力和找矿远景。

1 成矿地质背景

车排子凸起位于准噶尔盆地西缘，平面上呈近似三角形状，其东为昌吉凹陷和中拐凸起，红山嘴-车排子断裂带为二者界线；其南为四棵树凹陷，以一系列近东西向断层为界；其西和西北为扎伊尔山(图1b)。车排子凸起隆升不均衡，总体上西北部扎伊尔山前隆起最高，向东、南隆起幅度逐渐降低，消失于奎屯-安集海一带。

图1 准噶尔盆地大地构造位置图(a，据Pirajno et al.,2011)、准噶尔盆西缘地质构造简图(b，据翟光明，1993修改)

1.1 构造

车排子地区经历多期构造叠加改造，发育复杂的断裂体系(梁宇生，2019)。受主断裂红山嘴-车排子断裂影响，区内次级断裂多呈近NS向和近EW向，少量为NW-SE向(董大伟等，2015；胡秋媛等，2016)。断裂以正断层为主，倾向南东，倾角60°～70°(图2)。

图2 车排子凸起构造图(据董大伟等，2015修改)

1.2 地层

在车排子凸起基底之上依次沉积石炭系、侏罗系、白垩系、新近系和第四系(图3)。石炭系为太勒古拉组(C2t)和包古图组(C1b)，岩性为一套大洋岛弧背景的火山岩-火山碎屑岩。侏罗系八道湾组(J1b)岩性主要为厚层的灰色、杂色砾岩和角砾岩，与下伏石炭系是角度不整合接触。白垩系吐谷鲁群(K1tg)岩性主要为浅红色泥岩、浅灰绿色粉砂质泥岩和灰绿色砂岩，与下伏侏罗系呈角度不整合接触。新近系沙湾组(N1s)岩性以灰色、蓝灰色泥岩、粉砂岩、灰白色细砂岩、含砾细砂岩为主；塔西河组(N1t)，岩性组合上部为棕红色、灰褐色泥岩和棕红色粉砂质泥岩夹少量灰色、棕红色泥质粉砂岩、粉砂岩，下部为褐灰色砂砾岩和棕红色细砂岩，与下伏新近系沙湾组为整合接触。第四系(Q)主要为风积物和残积物。其中沙湾组和塔西河组是区内主要潜在含矿层位，岩石组合多具“泥-砂-泥”结构。

图3 车排子地区地层剖面图(剖面位置见左下角)

2 铀矿化特征

通过对车排子地区内油田测井和编录资料进行筛选和研究，择优选择成矿潜力较好的钻孔进行验证，了解铀矿化及对应砂体特征，为研究区内成矿潜力提供依据。

2.1 放射性异常特征

本次研究通过对新疆车排子地区油田资料二次开发利用，筛选GR异常值大于300 API石油探井50多孔，GR(自然伽马)异常70多层，其中GR异常>600 API的有47层，GR异常>1000 API的有23层；GR异常厚度1.3～17.5 m，平均厚度5.30 m(图4)。异常主要位于新近系沙湾组，白垩系吐谷鲁群(K1tg)和塔西河组(N1t)中亦有少量分布，对应岩性主要为泥质粉砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩(图5)。

图4 车排子地区异常钻孔分布图

图5 新疆车排子地区连井剖面

2.2 验证情况

本次研究工作在车排子地区共施工3个钻孔，由北向南依次为1#，2#，3#(图4)，其中一个为工业孔(3#)，另外两个为铀矿化孔(1#和2#)。钻孔共揭露2套砂体，砂体厚度为4～15 m，属较稳定砂体，连通性较强，岩性以粗砂岩和含砾粗砂岩为主，属强透水层。砂体呈浅灰白色，局部含有油迹或油斑，表现出还原性砂体特征，是非常有利的铀矿化后生改造条件。砂体两侧围岩为蓝灰色泥岩、粉砂质泥岩，岩石中多发育草莓状或星散状黄铁矿，砂体及围岩均处于还原环境中(图6)。砂体中发现4段铀矿(化)层，单层最厚为4.6 m，最高品位为0.0206%，平米铀量最高为2.05 kg/m2；主要位于新近系沙湾组中，根据岩心颜色和岩心中含有大量黄铁矿等特征表明铀矿化主要位于过渡带或偏还原环境内。

图6 3#钻孔柱状图及γ测井曲线图

3 成矿潜力分析

通过对车排子地区砂岩型铀矿成矿潜力和找矿方向的分析，为下一步勘查工作指明方向。

3.1 铀源条件

车排子凸起西北蚀源区的扎伊尔山中石炭系岩浆岩非常发育，主要为中酸性岩浆岩，这些地质体中铀含量为0.64×10-6～3.28×10-6，平均值为1.7×10-6；钍的含量为3.65×10-6～12.40×10-6，平均值为8.25×10-6，Th/U值为2.24～10，平均值为5.15(苏玉平等，2006；王中刚等，2006；赵振华等，2006；宋继叶，2014；魏少妮和朱永峰，2015)，活性铀浸出率为1.64%～3.59%，平均值2.62%，浸出率为准噶尔盆地周缘最高(宋继叶，2014)。因此，这些相对富集U、Th且活性铀浸出率高的岩体，是车排子地区铀矿富集的主要源区，在风化淋滤的作用下，形成富含铀元素的流体(张宇龙等，2006)，为车排子地区源源不断的提供铀源。

相对于钍元素，铀是变价元素，地球化学性质较为活泼，且U6+易溶于水。在地表风化淋滤作用下，铀元素易于活化迁出，而钍元素基本仍保留在原地。岩石中，由于离子半径相近，铀钍元素往往相互伴生，其含量比值相对固定，因此Th/U比值一定程度上反映铀源区铀元素的活化迁移。

铀源区中锆石铀钍含量能够反应原始岩浆的铀含量(李耀菘等，1995)。蚀源区中酸性岩体中锆石U含量为(6～188)×10-6，平均值为66×10-6；Th含量为(4～184)×10-6，平均值为46×10-6，Th/U比值0.37～1.52，平均值为0.71(宋继叶，2014；魏少妮和朱永峰，2015)；全岩中Th/U值为2.24～10，平均为5.15。蚀源区岩体全岩中的Th/U值明显高于锆石中Th/U值，表明这些岩体成岩后，可能已经向车排子凸起内砂岩提供物质来源。

3.2 构造条件

新近纪以来(N-Q)，车排子凸起处于相对稳定的沉积环境(杨勇等，2011；董大伟等，2015；胡秋媛等，2016)，来自北西、西部的物源在车排子凸起沉积了沙湾组、塔西河组等地层(苏朝光和仲维苹，2010)。地层由老到新，均超覆沉积，新地层将老地层封闭，地层沿倾向延续性较好，沿走向稳定性较好，总体上由NE向SW地层厚度逐渐增厚。

这些地层均为区域性单斜地层，倾角在3°～10°之间。缓倾角地层控制了研究区水动力系统格局，形成了完善而复杂的补-排-径体系水动力体系，控制着含矿流体的运移方向，强化了水岩反应与物质交换，有利于层间氧化带发育(张金带等，2005；金若时等，2014)。此外，研究区地层中断层构造多切穿不同的地层，为含矿流体在不同层位物质交换提供条件，同时，为还原性油气运移提供通道，有利于地球化学障的形成和含铀流体的还原富集(刘文进等，2019)。因此，本文认为车排子凸起构造体系具有较好的砂岩型铀矿成矿构造条件。

3.3 岩性、岩相条件

车排子地区主要含矿层位为新近系沙湾组，多具“泥-砂-泥”岩性组合结构，经统计泥砂比约为1∶2(杨恺等，2012)。沙湾组内砂体规模较大，厚度大(4～25 m)，砂体连续(图7)，为砂岩型铀矿成矿提供巨大的成矿空间。沙湾组平面沉积相呈NW-SE向展布，以冲积扇相和河流沉积相为主(杨少春等，2011；叶茂松等，2015)，沉积物源来自北西方向的扎伊尔山，源区的花岗岩类和火山岩类具有较高铀丰度值。

图7 车排子地区南北向沙湾组砂体分布图

研究区内砂体主要由灰白色含砾粗砂岩、粗砂岩和少量砂砾岩组成，岩石为中-粗粒，主要造岩矿物为石英、钾长石、斜长石及少量粘土矿物，岩石胶结物类型以钙质为主(图8、9)。据春风油田岩石物性分析资料统计，岩石孔隙度为22.9%～39.7%，平均值为33.6%；渗透率为(54.1～9490)×10-3μm2，平均值为3436.8×10-3μm2。砂体中岩石孔隙度高、渗透性好，为含铀流体的运移提供了良好通道。

图8 灰白色粗砂岩

3.4 水文地质条件

3.4.1 补-径-排条件

车排子地区补给区主要为北部的扎伊尔山，补给区基岩主要由石炭系火山岩和花岗岩等组成。受区域性达尔布特断裂影响，源区岩石遭受强烈破坏作用，构造裂隙水十分发育，是车排子地区主要补给源，其补给主要为大气降水和冰雪融水。扎伊尔山山前有新近系出露或被第四系浅覆盖，有利于新近系含水层地下水的补给。车排子凸起的地层倾向南东，地下水径流方向与地层倾向一致，经扎伊尔山源区不断的补给，在新近系地层中，形成沿斜坡带自流或承压自流，新近系斜坡带为径流区。排泄方式主要为沿断层破碎带排泄，研究区主要排泄区为车排子凸起东部红车断裂一带。区内地下水由补给区至排泄区形成了一个完整的水循环系统，有利于含氧地下水携带活性铀沿新近系地层运移。

图9 灰色砂砾岩

3.4.2 地下水化学特征

潜水水化学特征：扎伊尔山一带，由于岩石强烈破碎，裂隙水较为发育，矿化度约为0.2 g/L，以HCO3-Ca型为主；在山前地带矿化度升高，约为0.5 g/L，水化学类型主要为SO4·HCO3-Na·Ca型。

承压水水化学成分，自北东至南西，由补给源区向盆地延伸，水化学类型由开启型HCO3-Ca水型逐渐演变为封闭型SO4·Cl-Na·Ca水型，水矿化度也逐渐升高，表明由NE至SW方向，地下水动力逐渐变弱，砂体由氧化环境渐变为还原环境，砂体封闭性逐渐变强(余琪祥等，2010；占庆等，2015)。地层水化学特征分析表明研究区具备良好的地层水化学环境，为铀矿床保存提供了保障。

3.5 氧化-还原条件

通过地球化学指标样统计分析，样品基本反映目的层氧化还原特征，岩石颜色对氧化还原特征反映最明显(刘健等，2003；李盛富和张蕴，2004)。根据含矿层位砂体Fe3+、Fe2+、C有、S全等地球化学指标(表1)，目标砂体Fe3+/Fe2+比值介于0.65～2.45之间，目的层有机质含量一般在0.02%～0.21%之间，在油气活动层位有机质含量明显增高，达到4.13%，同时S全含量增高，说明油气活动为目的层补充了还原剂。

沙湾组砂体中Fe3+和Fe2+整体含量不高，由北向南钻孔依次为1#、2#、3#(图4)，钻孔中沙湾组砂体Fe3+/Fe2+比值由北向南逐渐降低(1#为2.45～2.68、2#为1.33～1.48、3#为0.45～1.35)，其对应的自然伽马峰值强度依次升高(1#为795 API、2#为1668 API、3#为2912 API)。由研究区钻孔Fe3+/Fe2+比值和自然伽马峰值强度变化规律可知，北部砂体具有较好的氧化条件，保证了铀元素随含氧流体搬运；向南砂体逐渐演变为还原环境，能够形成有效的地球化学障。铀矿储层中具有低的有机质含量，说明有机质在参与铀成矿过程中被大量消耗。同时，具有较强的还原性油气为储层补充还原剂，为铀的快速还原沉淀提供保障。因此，沙湾组砂体中有利的氧化还原条件，为砂岩型铀矿的形成提供了有利条件。铀矿化主要位于过渡带或偏还原环境内，也证明了这点。

3.6 气候条件和地貌特征

新近系以来，准噶尔盆地西北部缓慢抬升，新近纪初期气候潮湿，上新世变为半干旱，更新世和全新世处于干旱期，气候呈现干湿交替变迁特点，但整体趋于干旱(潘春孚等，2011)，含矿层位(新近系沙湾组)大面积出露地表。在干旱气候条件下，植被不发育，有机物及腐殖质等还原介质较少，大气氧能够毫无阻挡地深入地下，进入层间。同时，地壳抬升使地下水位下降，地下水的循环加剧，氧化带沿可渗透性岩层向纵深发展，有利于铀元素的活化、迁移，并提高铀元素在水中的浓度，有利于在盆地中渗入成矿。

4 成矿潜力和找矿方向

基于对车排子地区铀矿成矿条件的分析，结合研究区内放射性异常和已开展的验证情况，对车排子地区成矿潜力及找矿方向进行初步论断：(1)车排子地区具备形成砂岩型铀矿需要丰富的铀源、较大规模的斜坡带、有利的地下水补-径-排系统及氧化还原环境等因素；(2)由于粘土矿物的吸附性，泥岩的吸附性往往高于砂岩。但是在车排子地区砂岩具有高GR异常值特征，我们认为这是砂岩富集铀矿物所致，也证明车排子地区具有较好的找矿潜力；(3)沙湾组砂岩性组合具有泥-砂-泥组合特征。岩石粒度较粗、泥质含量低、孔隙度较高并且砂体的渗透性较好，有利于成矿流体的运移；富含还原物质有利于铀矿的沉淀富集；(4)铀矿化类型为油气还原型。车排子地区铀矿化与油气均分布于盆地边缘的斜坡带中。从层位来看，油气主要位于侏罗系和白垩系吐谷鲁群，新近系沙湾组次之；铀矿化主要赋存于新近系沙湾组和塔西河组，白垩系吐谷鲁群次之。从空间来看，横向上二者呈北东-南西向展布，纵向上呈上下叠置关系，铀矿化位于油气段上部(余琪祥等，2010)。钻孔中含铀矿化砂体中均含油迹或油斑。

由上述可知，沙湾组砂体自身还原物质有限，还原能力不足，后期油气的运移扩散增加了还原性，含铀含氧流体沿砂体向中心运移过程中，在补给水压力与油气渗出压力相近的区域，发生氧化还原反应，使得铀沉淀富集。

车排子地区主要找矿方向：(1)区内油田钻井中GR高异常，是最直接的指示标志。GR异常厚度大、峰值高，异常面积大区域是寻找铀矿层重要部位。(2)储层为新近系沙湾组砂体，研究区东南部砂体厚度大，埋深小于700 m，油气显示较差的砂体是重要的找矿目标层。(3)已见工业铀矿体钻孔，对其进行追索，为寻找到较好的工业铀矿体提供指导。