二连盆地哈达图铀矿床铀矿化特征与成矿作用探讨

2021-07-24杜鹏飞康世虎苗爱生刘武生

世界核地质科学 2021年2期

杜鹏飞，康世虎，苗爱生，刘武生，张锋

（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；3.核工业北京地质研究院，北京 100029）

二连盆地富含铀、煤和油等矿产资源。从20世纪80年代以来，盆内发现了努和廷、哈达图、巴彦乌拉、赛罕高毕、苏崩、查干、马林诺夫斯基等一系列铀矿［1-3］。哈达图铀矿床是盆地西北部2011年开展1：250 000区域铀矿地质调查评价发现的又一个大型砂岩型铀矿，位于乌兰察布坳陷齐哈日格图次级凹陷中。目前关于哈达图矿床研究主要集中在铀的赋存状态、地球化学特征、含矿目的层碎屑物特征等方面。结果表明铀矿物主要呈粒径极小的显微状、超显微状铀矿物及其集合体形式吸附在黏土矿物、黄铁矿及有机质表面，以沥青铀矿为主。哈达图矿床富矿石与强氧化还原能力ΔEh、中强酸、富Re等密切相关，与深部流体参与叠加成矿作用有关［4-9］。尽管众多学者对此矿床的研究取得了诸多成果，该矿床成矿特征与成矿作用研究仍较少。笔者主要对哈达图铀矿床赋矿目的层砂体规模、铀矿化特征以及铀赋存状态开展了系统的研究工作，探讨了研究区铀矿化特征与成矿作用。

1 区域地质

哈达图矿床位于齐哈日格图凹陷北部，该凹陷受苏尼特隆起、东方红凸起、赛乌苏凸起和塔木钦凸起夹持，南北向展布，其面积近700 km2，其约长60 km，宽（10～25）km（图1）。区内发育有三条断裂构造：一是盆内基底断裂，呈近东西向展布；二是近北东向的控盆构造，主要发育在各次级凹陷边缘部位，控制盆地盖层沉积主体演化；三是盆地晚期构造挤压背景下形成的一系列断裂构造，部分区域见沉积盖层发生较为强烈的剥蚀。盆内主要出露早古生代及中新生代地层，含矿目的层主要位于中新生代沉积地层内。

图1 哈达图地区构造简图Fig.1 The structural sketch of Hadatu area

2 铀矿化特征

2.1 含矿层特征

研究区主要含矿层为下白垩统赛汉组上段（图2）。钻孔编录揭示，赛汉组上段河道北部（F48—F63线）和南部东侧（F645—F171线）铀矿化发育最好（图3），铀矿（化）体主要呈近南北向展布，南北长达20 km，铀矿（化）体连续分布。赛汉组上段砂体厚度范围80～230 m，由3～6个沉积旋回组成。其中，单层砂体厚20～135 m，横向上连续稳定，砂体隔水顶板为洪泛沉积泥岩，底板为旋回之间洪泛泥岩或赛汉组下段泥岩，隔层稳定，具“泥-砂-泥”互层结构，发育大规模氧化带。

图2 哈达图地区典型钻孔地层结构图Fig.2 Typical stratigraphic structure of borehole in Hadatu area

图3 哈达图铀矿床F645—F171线地质剖面图Fig.3 Geological section of Line F645—F171 of Hadatu uranium deposit

根据地层结构、沉积旋回和测井曲线特征对目的层赛汉组上段进行精细化研究，从下往上可以划分出三个亚段（图2），赛汉组上段第一亚段主要为一套砾质辫状河沉积，其碎屑颗粒粒度较粗，主要为细砾岩及粗砂岩，河道较宽，砂体发育较好且连续，其厚度为15～140 m；第二亚段河道为砂质辫状河沉积，以砂质砾岩和粗砂岩为主，河道宽8～20 km，河道宽缓，砂体厚度30～125 m，砂体稳定、连通性好；第三亚段河道为曲流河沉积，粒度较细，以中粗砂岩为主，宽度5～15 km，砂体厚度15～55 m，最大累计厚度约100 m，规模相对较小，砂体不连续，大部分呈透镜体分布。

钻孔揭示，哈达图铀矿成矿与赛汉组上段第一亚段（K1s2-1）、第二亚段（K1s2-2）沉积物质密切相关。据研究区F48—F63线垂向地质剖面图可知，铀矿主要产出于目的层中下部粗粒沉积物中，即赛汉组一、二亚段，由于沉积相和地球化学环境改变，铀多富集于河道边缘氧化还原过渡带附近灰色粗砂岩、中砂岩中。第一亚段中铀矿体埋深为294～548.69 m，平均厚度3.43 m。第二亚段中的矿体为研究区最主要含矿层位，矿体垂向上呈板柱状、透镜状。

2.2 铀矿石矿物特征

矿石主要为长石砂岩和岩屑长石砂岩，颜色为灰色和灰黑色，富含炭化植物碎屑及黄铁矿。碎屑物含量80%～90%，成分主要为石英、长石和中酸性花岗岩、变质岩岩屑，见少量黑云母，杂基含量小于10%，常见有伊利石和高岭石。分选性差，以棱角-次棱角状为主，杂基支撑，基底式胶结为主。矿石结构主要有充填和包含两种（图4A），第一种充填结构：裂隙中见星点状黄铁矿发育，铀矿物以分散状形式存在；第二种包含结构（图4B）：钾长石与黄铁矿表面溶蚀坑内附着沥青铀矿，呈球粒状。

图4 扫描电镜下矿石分布特征Fig.4 SEM image of ore distribution characteristics

哈达图铀矿床矿石及围岩的岩石化学成分分析表明（表1）：a）含铀矿物成分多为铝硅酸盐，铀主要来源于中酸性花岗岩；b）烧失量、二价铁、全铁含量与铀品位具正相关关系，说明氧化作用和还原介质与铀成矿相关；c）在U含量大于1%的矿石中MgO明显增高，可能与绿泥石有关［10-11］，其他成分变化不大或无明显规律。

表1 哈达图铀矿床矿石中硅酸盐全分析统计数据/%Table 1 Statistic of major element content/% of silicate in ore of Hadatu uranium deposit

通过扫描电镜、电子探针观察、分析铀矿物的形态、大小、含量以及与黄铁矿、黏土矿物等存在关系，矿石矿物类型以沥青铀矿为主，存在少量铀石、磷钙铀矿，其存在形式主要表现为吸附态和充填于裂隙、孔隙两种，与新疆伊犁及吐哈盆地铀赋存特征相似［5-9］。铀矿物形成于两期，包括早期板状磷钙铀矿和晚期鲕粒状沥青铀矿（图5A、B），其中沥青铀矿多分布于黄铁矿周边（图5C），部分附着于黏土矿物表面（图5D）或者充填于碎屑颗粒裂隙、孔隙内；磷钙铀矿主要呈吸附态附着在黏土矿物表面（图5D），包围黄铁矿或与沥青铀矿、铀石共生，偶见细小鳞片状，部分因后期改造出现裂缝；铀石呈颗粒状产于黏土矿物之中或产于碎屑颗粒裂隙、孔隙内。

图5 矿石扫描电镜及质谱分析图Fig.5 SEM image and mass spectrometry analysis of ore

样品15EL005和15EL020分析了8个铀矿物点，其中UO2的含量高达81.86%，CaO的含量为3.76%～4.39%，SiO2的含量为1.05%～1.57%（表2）。矿石黑色含黄铁矿、黄色黄铁矿柱状晶体，铀矿物吸附于黄铁矿晶体的表面，及长石、云母、石英颗粒间的空隙，以沥青铀矿为主。

表2 哈达图铀矿床铀的单矿物类型与电子探针分析结果/%Table 2 Electronic probes analysis results/% of major elements of Single mineral in the Hadatu uranium deposit

3 铀成矿作用讨论

多种因素耦合形成了哈达图铀矿床，主要控矿因素有丰富的铀源、规模较大的古河谷砂体、由南向北持续后生氧化作用、丰富的还原介质、畅通的“补-径-排”系统等［12-14］。哈达图铀矿床与巴彦乌拉、赛汉高毕铀矿床成矿过程进行对比，具有很大相似性［15-16］，初步将成矿作用过程分为4个阶段：1）早白垩世晚期（K12）赛汉组上段铀初始预富集阶段；2）早白垩世晚期-前晚白垩世（K12-K2）赛汉组上段北部形成“天窗”形成铀成矿预富集阶段；3）晚白垩世至始新世（K2-E2）赛汉组上段砂体强烈改造富集成矿阶段；4）渐新世至第四纪（E3-Q）保矿阶段（图6）。

图6 哈达图铀矿床成矿阶段示意图Fig.6 Schematic diagram of metallogenic model for Hadatu uranium deposit

1）初始预富集阶段（K12）

含矿目的层赛汉组上段初始沉积期为早白垩世晚期，该期形成了厚层且连续的砂体。此外，蚀源区含铀含氧水沿河道腹部向两侧顺层发育，形成了大规模的层间氧化带，活化沉积砂岩本身的铀随氧化作用的而迁移，在还原砂体中初始预富集，进而形成铀矿化、铀异常。

2）预富集阶段（K12-K2）

赛汉组上段沉积之后至晚白垩世，在挤压应力场的作用下，在哈达图北段与塔木钦之间形成背斜构造，在背斜的轴部造成长时间的沉积间断，使沉积层发生较为强烈的剥蚀，赛汉组上段目的层砂体形成大面积的“天窗”，天窗为有利的“排泄源”。此时，含铀含氧水仍然沿着河道中央从南向北运移，在氧化-还原界面附近预富集形成铀矿（化）体。

3）富集成矿阶段（K2-E2）

赛汉组上段目的层砂体中富含有机质和细菌硫酸盐，随着沉积成岩作用的增强，伴随细菌硫酸盐的还原作用和目的层有机质的分解，以及沿构造导通上移的油气、煤成气进入含矿层，大大增强了目的层还原容量，生成了大量的次生黄铁矿，有利于铀的沉淀和富集，在预富集基础上沿河道两侧氧化-还原过渡带富集成矿，推测该时期为矿床主成矿期，目前测得成矿年龄为（67.3～27.2）Ma（图7a、b）。另外，该期氧化作用强烈，持续时间长，氧化作用贯通河道中央，氧化流体“越流”进入二连组，二连组中也形成了工业铀矿化。