西宁盆地北缘白垩系砂岩型铀矿成矿条件及找矿前景分析

2021-07-30陈斌康利刚李强

铀矿地质 2021年4期

陈斌，康利刚，李强

（核工业二〇三研究所，陕西咸阳 721000）

西宁盆地是一个中新生代陆相沉积盆地，盆地中富含多种能源矿产，其中煤炭、石油、天然气尤为富集。前人在铀矿区域地质调查和普查过程中发现了一批砂岩型铀矿（化）点，通过研究和钻探查证，获得了一定的工业铀储量。前人在西宁-化隆盆地开展了砂岩型铀资源调查评价，初步优选了几片砂岩型铀成矿远景区，但调查区范围较大，通过地表调查及少量大间距的浅孔查证，对西宁盆地北部包马庄等重点矿化区的控制程度十分有限［1］。目前对研究区砂岩型铀成矿环境及成矿条件的研究较少，对盆地底部地层岩性组合特征及成矿条件认识不清，导致盆地砂岩型铀矿找矿未能取得新的突破。鉴于此，本文以最新砂岩型铀矿成矿理论和找矿思路为指导，在整理、分析前人已有铀矿勘探成果和最新煤田钻孔资料基础上，结合邻区找矿成功经验和新认识，在包马庄-五峰镇等重点矿化区及外围开展了钻探查证，在白垩系找矿目的层中发现了一定规模的层间氧化带和铀矿化显示［2-3］。本文拟通过对研究区白垩系砂岩型铀成矿环境及成矿条件进行综合分析，大致厘定该区砂岩型铀成矿特征及控矿要素，指明找矿方向，初步评价该区砂岩型铀成矿潜力及找矿前景，以期能为西宁盆地下一步砂岩型铀矿找矿突破及勘探部署提供科学依据和技术指导。

1 区域地质背景

西宁盆地位于青海省东北部，达坂山南缘断裂（F4）和拉脊山北缘断裂（F3）夹持部位，西与日月山相临，东南缘与民和盆地相接（图1）。研究区位于西宁盆地北缘，距盆地北部蚀源区较近，主要处于山前构造带的隆起区、褶皱带、阶地的过渡部位，构造环境极为复杂［1-3］。区内发育北西与北东向两组深大断裂，地层为北部埋深浅、南部埋深较深的构造斜坡带。基底岩性主要由中-深变质岩、浅变质岩和同期花岗岩及花岗闪长岩组成［4-5］，盖层主要为白垩系、古近系、新近系，其次为侏罗系［2］。找矿目的层主要为下白垩统河口群上、下岩组（K1hk2、K1hk1），其中河口群上岩组砂体沉积厚度为5.0～58.0 m，岩性以灰色、浅灰色及灰白色含砾粗砂岩、中砂岩和细砂岩为主，夹多层褐黄色、黄色及浅黄色氧化和弱氧化中、细砂岩，在灰色砂体中常见植物炭屑及黄铁矿结核发育，砂体中碎屑颗粒之间以泥质胶结为主，砂体疏松；下岩组砂体厚度明显较上岩组厚，但其粒度明显较上岩组细，主要为棕红色细砂岩和少量中砂岩，厚约28.0～63.0 m，砂体中局部发育炭化植物碎屑及褐铁矿化［3］。综合研究区构造演化特征及盆山耦合关系分析认为，下白垩统河口群上岩组有利于发育潜水、层间氧化带型铀矿化，而下岩组有利于同生沉积型铀矿化的发育［6-8］。

图1 西宁盆地构造单元划分图（据徐新文等，2020［3］修改）Fig.1 Division map of tectonic units in Xining Basin

2 成矿条件分析

2.1 铀源条件

西宁盆地古元古界湟源群、蓟县系花石山群岩性为片岩、板岩、千枚岩夹石英岩、大理岩及英安质凝灰岩，其原岩为海相陆源细碎屑岩夹碳酸盐岩、火山岩建造，平均铀含量为6.5×10-6，钍含量为20.6×10-6，钾含量为4.43%，钍铀比为3.2，既是区内的铀源层，又是产铀层。盆地周边蚀源区或基底中发育的中酸性侵入岩以加里东中期花岗岩类为主，岩体中花岗伟晶岩脉、细晶岩脉发育，为铀的活化迁移创造了有利条件［9］，花岗岩中铀含量较高，且有1005 矿点、152 矿化点等一批铀矿化。

盆地沉积盖层中铀含量普遍较高，中侏罗统灰色砂岩中铀含量为（3.3～5.2）×10-6，泥岩层中铀含量为（5.8～7.1）×10-6，局部在砂岩中富集，可达到工业品位或形成地表铀矿体；下白垩统河口群红色岩层铀含量为（1.3～3.1）×10-6、灰色层为（6.7～9.3）×10-6，局部在灰色层中富集，可达到工业品位或形成矿体；古近系铀含量为（1.1～3.0）×10-6，局部达到（10.0～12.4）×10-6。以上特征表明，研究区铀源条件丰富，既有富铀花岗岩体和元古宇-古生界火山岩蚀源区铀源，同时盆内多套富铀地层也能为铀成矿提供铀源条件［10-12］。

2.2 构造条件

中、新生代以来，西宁盆地经历了印支期-燕山期的伸展、燕山晚期的挤压和喜山期挤压等阶段，其中燕山晚期和喜山期的挤压作用使盆地边部抬升，目的层被掀斜为地下水进入目的层提供了必要条件；晚白垩世末挤压运动造成了西宁盆地北缘娘娘山凸起、扎板山-黑敦山凸起，在凸起带边缘发育有稳定的构造斜坡，如苏家堡-上台斜坡，这为蚀源区含铀含氧水渗入奠定了基础。

研究区内发育北西向F4 和北东向F5 两组断裂（图2）。其中F4 断裂为一隐伏断裂，呈北西向展布，地貌上表现为线性河谷，地表均为第四系覆盖。该断裂浅部控制了下白垩统河口群、古近系与第四系的分布，深部则控制了下白垩统河口群及基底的展布。F5 断裂位于研究区中东部，为一隐伏断裂，呈北东向展布，该断裂控制了下白垩统河口群及基底的空间分布特征。F4与F5断裂以南为深部凹陷区，中、新生代地层广泛沉积，其厚度一般大于600 m；F4与F5断裂以北为山前斜坡带，受构造挤压抬升影响，中、新生代地层部分遭受剥蚀，其沉积残余厚度一般为300～600 m［3，13］，是该区砂岩型铀成矿有利构造区。

图2 研究区构造纲要图Fig.2 Structural outline map of the study area

2.3 含矿目的层沉积相及砂体特征

白垩系广泛分布于西宁盆地各坳陷中，主要由下白垩统河口群（K1hk）和上白垩统民和组（K2m）组成。由盆缘向盆内主要为冲积扇相—河流相—湖相沉积，为干旱炎热古气候环境下形成的红色碎屑岩建造，主要由砂砾岩、砂岩及泥岩-砂岩组成，常见黄铁矿、有机炭屑等还原性物质，在F4、F5 断裂附近的局部可见还原性油气流体显示，砂体总体具呈由盆缘向盆内粒度由粗变细的环带状展布特征（图3）。

图3 西宁盆地早白垩世河口群岩相古地理图（据徐新文等，2020［3］，修改）Fig.3 Lithofacies-paleogeography map of Early Cretaceous Hekou Group in Xining Basin

研究区包马庄和五峰镇地区早白垩世中期（K1hk）岩相类型为砂岩相扇前缘-辫状河沉积，砂体发育，中间夹有20～200 m 左右的灰色层；自下而上具有粗—细—略粗、红—黑—杂完整沉积旋回的剖面结构，具备稳定的泥-砂-泥结构，在研究区钻孔岩心中可见找矿目的层下白垩统河口群发育6～13 层厚度和粒度不等的砂体，其厚度一般为5～60 m，岩性以砂砾岩、粗砂岩、中-细砂岩为主，局部见褐铁矿化发育。平面上从盆地（坳陷）边缘向中心依次为冲积扇相—河流相—湖相沉积，岩石粒度由粗逐渐变细，具备砂岩型铀成矿的有利相带和灰色层，成矿有利部位为辫状河三角洲前缘亚相发育地段，因此认为西宁盆地北缘包马庄和五峰镇下白垩统河口群是该区主攻找矿目的层和重点找矿地段［8-10，14-17］。

2.4 水文地质特征

湟水河、黄河自西向东分别流出西宁盆地，其支流由盆地两侧向干流中径流，因此，盆地表现出南北两侧高，中间低的侵蚀地貌特点，盆地周边蚀源区赋存基岩裂隙水，盆地盖层主要赋存孔隙和裂隙-孔隙水，总体以湟水河、黄河为汇流与排泄中心，形成南北高、中间低的区域地下水径流场。综合包马庄-五峰镇地区古水文地质特征分析认为，该区补-径-排体系发育完善，靠近盆地北缘斜坡带地下水径流区是该区下白垩统最有利的铀成矿地段［10，18-20］。

通过分析研究区地下水铀含量、矿化度及水化学类型可知，该区地下水中铀含量一般低值在0.76～4.92 μg/L之间，大部分值在8.26～28.7 μg/L之间，最高值高达41.2 μg/L；大部分pH值＞7的碱性水，极个别值＜7 的酸性水；地层水矿化度大部分在0.11～0.78 μg/L 之间，个别矿化度较高的值为1.00～1.41 μg/L；水化学类型以HCO3型弱碱性水为主［2-3］。统计分析认为，研究区水体中铀含量背景值为3.49 μg/L，新发现铀水化异常点17 个，其异常值在11.1～41.2 μg/L，为背景值3～11 倍之多，圈出包马庄-五峰镇地区铀水化异常区2 片（图4），显示研究区深部具有较好的铀成矿前景。

图4 研究区铀水化学异常区划分图Fig.4 Division map of hydrochemical anomalies and uranium mineralization in study area

2.5 后生蚀变特征

研究区主要发育层间氧化和潜水氧化两种后生蚀变作用［6，8，12，19］。层间氧化带主要发育在西宁盆地北缘、南缘、东缘等不同地区的下白垩统河口群及上白垩统民和组中，岩石大多被氧化为褐黄、浅黄、灰黄等颜色（图5a、b），在盆地北缘包马庄地区围绕扎板山隆起带下白垩统河口群灰色层段中发育一条长约15 km 的层间氧化带；而潜水氧化仅在研究区局部地段发育，在地表及钻孔中均见潜水氧化作用发育（图5c、d），发育层位主要为下白垩统河口群（K1hk），主要岩性为褐黄色、黄色及浅黄色粗砂岩及中、细砂岩，明显区别于原生红色氧化层；潜水氧化作用主要发育在盆地山前地带及河道和沟谷两侧，埋深一般为0至十几米。钻探查证结果表明，研究区单个钻孔中一般发育2～6 层层间氧化带，单层氧化带厚度为2.40～54.77 m，铀矿化或铀异常主要发育在层间氧化带前锋线附近或两翼缓坡部位。

图5 西宁盆地包马庄地区砂岩后生蚀变特征Fig.5 Epigenetic alteration characteristics of sandstones in Baomazhuang area，Xining Basin

研究区内层间氧化带总体分带不明显，根据岩石颜色、变价元素的矿物（黄铁矿、磁铁矿、黑云母等暗色矿物）、岩石组合及其地球化学参数，初步划分出了氧化带、过渡带及原生带［6-7，13，17］。研究区岩石具有原生氧化带（红色带）→后生氧化带（黄-褐黄色带）→还原带（灰色带）→过渡带（褐黄色、黄色、浅黄色）铀含量逐渐升高的特征，其各带铀含量平均为1.58×10-6、7.52×10-6、9.35×10-6、54.64×10-6，过渡带砂岩中铀含量明显高于氧化砂岩；钍含量平均为5.66×10-6、9.78×10-6、9.86×10-6、8.69×10-6；铀、钍在还原带、过渡带以及氧化带砂岩中均有明显的富集现象［2-3］；铀与有机质含量（C有）和全硫含量（∑S）呈明显的正相关性；Fe3+/Fe2+在原生氧化带及氧化带中最高，其次为过渡带，而在还原带中最低，其平均为0.73（表1）。除去表1 中部分样品为潜水氧化所致的极高值外，大部分样品呈现出氧化程度较弱的特征，表明研究区含矿目的层中后生氧化蚀变作用不强，主要处于氧化-弱氧化阶段。

表1 西宁盆地包马庄地区下白垩统河口群砂岩地球化学特征表Table1 Geochemical characteristics of sandstones of Lower Cretaceous Hekou Group in Baomazhuang，Xining Basin

3 铀矿化特征及控矿因素

3.1 铀矿化特征

包马庄-五峰镇地区铀矿化类型主要为层间氧化带型，受区域构造特征影响，层间氧化带型铀矿化在该区发育较为局限。该区在白垩纪末期发生局部抬升，导致含矿目的层下白垩统河口群（K1hk）局部出露或接近地表，来自盆缘蚀源区含铀含氧水沿下白垩统向下渗入到含矿建造层的承压层间水中，发生区域性层间氧化作用，有利于层间氧化带型铀矿化的发育［6-8，11-14］。喜山晚期，研究区下白垩统河口群含矿目的层进一步抬升至地表或近地表，导致早期形成的层间氧化带型铀矿化大部分遭受了剥蚀，目前含矿目的层中铀矿化多为残留的古层间氧化带型铀矿（化）体［2-3］。这些残留的层间氧化带型铀矿（化）体主要分布在西宁盆地北缘包马庄地段，含矿目的层为下白垩统河口群，赋矿岩性为疏松灰色、浅黄色细砂岩、含砾粗砂岩，含有炭屑、黄铁矿等还原物质，目前发现铀矿工业孔3 个，异常孔2个，铀矿化埋深14.20～260.90 m，品位0.005 2%～0.022 8%。

3.2 主要控矿因素

根据西宁盆地北缘铀源条件、构造环境、地层结构、目的层的岩石地球化学环境、水文地质特征及铀矿化分析，认为控制区内砂岩铀矿化的主要因素有以下4个方面［6，10，19，21-23］。

1）铀矿化集中区发育于盆地边缘构造凹陷-斜坡带中

西宁盆地自中、新生代以来，经历了印支、燕山、喜山期等重要的构造运动，使盆地形成了隆凹相间的构造格局，在靠近山前或者山间凹陷部位的周缘形成斜坡，白垩系向凹陷中部倾斜，地下水运动以水平向中心运动为主，铀矿化形成受水平地球化学界面和岩石透水性控制，铀矿化主要发育在红色细碎屑岩夹持的灰色相对较粗的碎屑物中，如包马庄工业铀矿化产于苏家堡-上台斜坡。

2）铀矿化产于辫状河三角洲前缘亚相或河湖交互相中，受灰色层控制

区内白垩系主要以一套红色碎屑岩建造为主，在凹陷带中河湖交互相或断裂带一侧的陡坡带冲积扇、扇三角洲相中，沉积物以灰色、灰黑色泥岩、灰色砂岩为主，构成了西宁盆地北缘的主要找矿层位，铀矿化主要富集在灰色层与红色层的氧化-还原过渡带部位。

3）铀矿化受层间氧化作用控制明显

区内钻探评价表明铀矿化与层间氧化作用有关，铀矿体定位于层间氧化带前锋线附近，常呈板状、卷状或薄层状产出。

4）铀矿化的形成与有机碳、总硫含量关系密切

铀矿化部位的岩石中有机碳、总硫含量相对较高，区内含矿砂体主要发育于灰色层中，含有大量的炭屑及黄铁矿。

4 铀找矿方向及前景分析

根据西宁盆地北缘包马庄-五峰镇地区构造演化特征、沉积充填史、基底和盖层特征、沉积相特征、铀源条件、水文地质特征、后生蚀变特征、铀矿化发育情况综合分析认为，西宁盆地北缘包马庄-五峰镇一带下白垩统河口群（K1hk）发育地段是该区砂岩型铀矿找矿的重点方向［8］。研究区具蚀源区及沉积盖层双重铀源条件、断裂及褶皱构造发育、北段地层剥蚀强烈且埋深较浅、构造天窗发育、补-径-排体系发育完善，有利于潜水氧化带型和层间氧化带型铀矿化的发育，因此认为马庄-五峰镇一带下白垩统河口群发育的斜坡部位是该区砂岩型铀矿找矿的重点地段。

研究区下白垩统河口群（K1hk）沉积期主要发育冲积扇-河流-湖相沉积，河流相砂体发育，泥-砂-泥结构稳定，补-径-排体系完善，潜水氧化带及层间氧化带发育，具水中放射性异常和土壤氡气异常，其中土壤氡气浓度分布在6 108.80～28 880.50 Bq/m3之间，与目前发现的矿化带在空间位置上较为吻合，对深部铀矿化具有较好的指示作用［21，24］。钻探查证表明，含矿目的层下白垩统河口群发育3～6 层层间氧化带，厚度为1.2～21.3 m，并在层间氧化带前锋线附近见铀矿化显示；目前区内有3 个铀矿工业孔、2 个异常孔，控制铀矿化长度2.0 km，初步将研究区划分为包马庄Ⅰ级和五峰镇Ⅲ级远景区（图6），远景区内各种成矿要素匹配性较好，具备形成中型及以上的铀成矿潜力［6，11，19，22］。