洪海沟铀矿床Ⅶ旋回水化学条件与铀源分析

王福东，张磊，陈程，魏显珍

（1.核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中华全国供销合作总社天津再生资源研究所，天津 300191）

关键字 洪海沟地区；水化学条件；成矿规律；铀源分析

0 引言

洪海沟铀矿床位于新疆伊犁盆地南缘，是核工业地质系统近几年新发现的大型可地浸砂岩型铀矿床（陈奋雄等，2016a），目前洪海沟铀矿床已经进入到试验原地浸出开采阶段。砂岩型铀矿床的形成是受多种因素综合控制的结果，包括大地构造背景与铀源条件、岩相岩性、盆地古气候、水文地球化学条件等（陈祖伊，2002）。已有的研究主要集中在岩性（董亚栋等，2016）、岩相（冯建辉等，1999；邱余波等，2014）及煤铀共生（王毛毛等，2015；贾志勇等，2020）等方面。伊犁盆地南缘已发现的铀矿床在成矿条件方面具有一定的成矿共性：均以二叠系凝灰岩为主要的成矿物质来源，构造背景基本一致，均发育在南部构造斜坡带中，赋矿地层中下侏罗统水西沟群为一套潮湿气候下形成的含煤碎屑建造，含丰富的有机质和黄铁矿等特征（李盛富等，2006）。邢东旭等（2014）总结了洪海沟地区地下水的水化学分带。以往研究对于洪海沟铀矿床的主要含矿层位Ⅶ旋回砂体的水化学条件特征和成矿阶段铀源问题均缺少具体的探讨。本文结合钻探资料，根据水化学特征，总结铀成矿规律及铀矿物来源，为今后铀矿勘探工作提供经验。

1 区域地质背景

伊犁盆地在大地构造单元划分上属于天山造山带中的伊犁-中天山微地块，盆地南缘的近东西向断裂带发育于华力西晚期，展布于石炭系和二叠系中，多为挤压逆冲断层（陈奋雄等，2016b）。盆内次级断裂以近南北向张性断裂和北东向扭性断裂为主（张国伟等，1999）。中新生代地层在每个断阶上总体呈向北缓倾的单斜构造，地层发育较齐全。盆地斜坡带东、西段后期构造活动，尤其是新构造运动强度有明显差异，西部构造活动较弱，为向北缓倾的单斜构造；东部构造活动强烈，由一系列排列紧密的背、向斜组成，断裂发育，局部中新生界在山前倒转产出（图1）。研究区位于伊犁盆地南缘斜坡带西部构造相对稳定区，其构造分区属于次级构造单元洪海沟西部凹陷，向东与库捷尔太微凸相毗邻。

图1 伊犁盆地南缘构造分区图（据陈奋雄等，2016c修改）

2 矿床地质特征

2.1 地层

上古生界为研究区的直接基底和主要的物源区，为一套海相火山喷发沉积、海相—海陆过渡相碎屑岩沉积组合，主要岩性为流纹岩、英安岩、安山岩、玄武岩、凝灰岩以及凝灰质角砾岩、火山碎屑岩，在盆地南部山区出露。

洪海沟铀矿床中新生代盖层总体齐全，仅缺失上侏罗统。中新生代盖层不整合覆盖于石炭系或二叠系中酸性火山岩、火山碎屑岩之上。受区域构造运动影响，造成中新生代发生了规模较大的沉积间断（J～N），表现为地层之间的不整合接触和地层的缺失。

研究区内盖层为三叠系中上统小泉沟群、侏罗系、新近系和第四系。侏罗系水西沟群岩石的韵律变化及其组合在剖面上的重叠，反映了水西沟群沉积过程中因地壳的差异运动导致沉积环境变化的规律，尽管这种韵律变化在局部发育并不十分完善，但在矿区却具有规律性和可比性，根据这种规律性将水西沟群自下而上划分为4个组、8个沉积旋回和若干亚旋回（用Ⅰ～Ⅷ表示）（阿种明和张新科，2003）。组与旋回对应关系为：八道湾组对应Ⅰ～Ⅳ旋回，三工河组和西山窑组下段对应Ⅴ旋回，西山窑组中—上段对应Ⅵ—Ⅶ旋回，头屯河组对应Ⅷ旋回。

2.2 铀矿化层位

洪海沟铀矿体产出于侏罗系地层Ⅶ旋回砂体中，空间上铀矿体形态呈典型的卷状，部分呈板状；在平面上，矿体在氧化带前锋线位置赋存。近年来，通过对矿床主含矿层岩性-岩相的深入分析，发现在单斜构造背景条件下，层间含氧含铀水在砂体内的渗流状态主要受到含矿砂体展布形态的制约，表现为层间氧化带收敛于砂体突变（沉积微相相变）部位，层间含氧含铀水与含矿砂体构成动与静的关系，砂体空间展布约束着层间氧化流体的运移，砂体的非均质性造成层间氧化带分层，进而控制铀矿体的空间产出状态。洪海沟铀矿床为典型的单斜构造中的层间氧化带型水成铀矿床（王军和耿树芳，2009）。

3 研究区水化学特征

3.1 水文地球化学特征

地下水的环境特征决定于地下水的水化学成分、标型元素（或化合物）含量及pH值、Eh值等。标型元素（或化合物）在含水层中随着地下水的流动而迁移，决定着地下水的水文地球化学环境。同时，水-岩作用的结果也会影响标型元素（或化合物）的含量，使得地下水的水文地球化学环境发生改变。这种改变正是铀氧化溶解或还原沉淀的重要条件（王福东和魏显珍，2015）。研究区地下水可划分为HCO3型、HCO3·SO4型、SO4·HCO3型、SO4·Cl和SO4·Cl·HCO3混合型等4个水带，平面上地下水的矿化度由补给区向排泄区逐渐增大，同时表现为以K01线为中轴线，向两侧增大，水质类型变化特征与矿床内地下水的流向吻合（图2）。

图2 洪海沟地区地下水水化学图

据水文地球化学调查资料（表1），矿床南部基岩裂隙水溶解氧含量大于7.00 mg/L，Fe2+/Fe3+为0.71，Eh值为434.90 mV，pH值7.65～8.25，表明补给区基岩裂隙水具有较强的氧化性，有利于基岩中的铀氧化进入地下水中，同时基岩裂隙水中含U元素的含量较高，同样说明了这一点。

表1 洪海沟铀矿床Ⅶ旋回水文地球化学参数表

矿床地下水pH值7.20～8.88，为弱碱性；水中铀含量因取样位置原因达0.90×10-6～40.60×10-6g/L，略高于基岩裂隙水；Eh值-88～396 mV，显示氧化还原特征，处于过渡带；Fe2+/Fe3+为0.02～2.00，水中溶解氧含量较小，一般为1.50～4.51 mg/L。以上表明中生代侏罗系Ⅶ旋回地层中不同位置分别存在着氧化、还原的水文地球化学环境。

3.2 Ⅶ旋回含矿含水层水动力特征

研究区内Ⅶ旋回含矿含水层地下水水量丰富，单位涌水量为0.016～0.098 L/s·m，地下水水位埋深由南东向北西逐渐增大，一般为52.75～120.94 m；地下水承压性较好，承压水头高度116.25～484.65 m，压力传导系数为0.63×104～5.35×104m2/d，渗透系数一般为0.31～1.13 m/d，导水系数5.05～16.07 m2/d。通过对第Ⅶ旋回含水层地下水矿化度与洪海沟地表水矿化度的对比（表2），说明洪海沟地表水对含矿含水层地下水有补给作用。含矿层在接受第四系潜水和洪海沟河水的入渗补给后，顺地层的倾向流动。因此在研究区地下水的流向总体呈北西向。

表2 洪海沟铀矿床Ⅶ旋回含矿含水层地下水化学成分横向变化与补给距离关系表

4 水化学条件与铀成矿的关系

洪海沟铀矿床Ⅶ旋回矿体为后生的水成铀矿，地下水在成矿过程中起着至关重要的作用（李细根和黄以，2001）。富含氧的大气降水入渗察布查尔山北坡古生代石炭纪、二叠纪地层风化裂隙中，其中的还原态铀被氧化溶解并向侏罗系Ⅶ旋回砂体含水层入渗侏罗系承压含水层中，在水头压力的作用下沿地层倾向向北西形成地下径流。地下水携带着被氧化的铀元素顺层迁移，至东曼里以北约2 km的隐伏断裂（侏罗系各层承压水排泄源）处，由于断层的减压释气作用而使地下水的化学成分发生如下变化：

释气作用使地下水中CO2浓度降低，使上述各平衡向右移动，结果导致水中离子含量升高。在侏罗系Ⅶ旋回地层中大量还原剂（有机炭含量一般0.1%～0.4%，最高达4.7%，洪海沟西部的有机炭含量高于东部）的作用下，发生还原而以沥青铀矿形式沉淀于有机物含量较高的岩石颗粒表面。

矿体形成后，含氧地下水不断从上游补充，一方面继续溶解岩石中较高品位的分散状态的铀元素，另一方面对矿体尾部的铀元素再次氧化迁移。当岩石中还原剂将地下水中氧化剂消耗到一定程度，水的氧化-还原电位（Eh水）值小于六价铀被还原为四价铀的氧化-还原电位临界值（Eh临）时，六价铀就再次被还原为四价铀而沉淀下来。地下水这种不断的氧化、还原、再氧化、再还原过程，使得铀矿体不断地溶解重新沉淀而向前“推移”。由于含水层中地下水粘滞性的差异，使得靠近顶底板部位地下水流速小，导致了含水层顶底部地下水中铀元素优先还原沉淀，因此，铀矿体多形成为卷状（刘铭艳和张占锋，2007），其形成机制与水动力条件关系见图3。

图3 层间氧化带砂岩型铀矿成矿模式图

综上所述，完整的地下水补给-径流-排泄体系既是地下水运动的内在动力，又是铀元素溶解迁移和富集成矿的必要条件。

5 洪海沟铀矿床铀源分析

目前，关于洪海沟铀矿床的铀源问题尚未有比较统一的全面认识，不过结合临近库捷而太矿床对铀源的分析，现阶段比较一致的观点是外部和内部的铀源对成矿可能都有重要贡献（李彦龙，1997）。以下对内部和外部铀源进行全面分析。

（1）内部铀源。铀是在沉积作用时与砂体一起沉淀的，形成于早－中侏罗纪（J1-2）含矿建造形成期。对于内部铀源的分析建立在大量样品的检测数据总结基础上。由样品的分析结果表明：铀元素在层间氧化带各地球化学分带中的变化规律性最明显（表3），铀在氧化带含量最低，平均为7.47×10-6，随氧化程度减弱，铀含量不断增高，过渡带含量急剧上升达最高值，超过100×10-6，到原生岩石带铀含量降为13.26×10-6，略高于氧化带（李细根，2002）。说明在地下水氧化还原性砂体而形成层间氧化带发育过程中，砂体中的铀元素明显发生了活化并向前迁移。这一过程导致地层砂体中原生的约44%的铀被活化迁移至氧化带锋线位置沉淀下来，并随着氧化带的前移而不断重复活化-沉淀。

表3 层间氧化带各地球化学分带中U与C有、S全及价态铁含量统计表

由以上分析可得出，在矿体卷头部位中有一部分铀来源于原生还原砂体，数量可由氧化带的规模确定。由于Ⅶ旋回的氧化带规模有限，所以由地层内部铀源所成矿体只占矿床很小一部分。

（2）外部铀源。对洪海沟矿床来讲，外部蚀源区的铀源在成矿中也起着重要的作用。由于矿床南部蚀源区出露的石炭系—二叠系各岩性单元及中酸性侵入岩体含铀性好，广泛分布的中酸性火山岩及火山碎屑岩平均铀含量为5.8×10-6～9.7×10-6，Th/U值平均2.72。其中石炭系脑盖组（C2n）的各种凝灰岩现代铀含量相对较高，其中铀平均值为17.5×10-6，铀丢失率占67%以上，铀浸出率达20%。铀于近地表的花岗岩和凝灰岩中淋出从而为铀矿床的生成提供了主要的来源，且这些铀的活化时间较晚，大约于上新世—全新世才发生活化（刘陶勇，2004）。因为这一时期新构造运动进一步发展，盆地抬升，蚀源区与盆地盖层落差明显加大，古生代地层构成的察布查尔山隆起构成了补给区的水文地质体，在盆地中心的东西向隐伏大断裂构成了盆地区域排泄源。此时侏罗系Ⅶ旋回地层形成了完整的补-径-排层间承压水动力系统。富含的含氧含铀水在水动力机制下源源不断的进入洪海沟Ⅶ旋回地层，并在有机质、硫等还原性介质的作用下而沉淀富集。

6 结论

（1）研究区目的层砂体具有稳定的补-径-排体系，且这一体系持续的时间较长，始于上新世以前。这一特点为含氧含铀水持续的自山区进入地层空间上提供了运移通道，时间上提供了一个长期的稳定的环境。同时侏罗系Ⅶ旋回地层砂体厚度10.0～30.0 m之间，与上下含矿含水层之间无水力联系。砂体成分主要为长石和石英，易溶矿物及碳酸盐含量较少，颗粒成分均一，结构疏松，含矿砂体透水性好，这些为铀提供了赋存的空间。

（2）研究区地下水可划分为HCO3型、HCO3·SO4型、SO4·HCO3型及SO4·Cl和SO4·Cl·HCO3混合型等4个水带。以上4个水化学类型分带沿地下水流向展布。随着地下水环境的改变，水中铀离子的组分也发生了很大的变化。这一水化学环境的差异为铀的活化或者沉淀提供了动力条件。

（3）洪海沟铀矿床Ⅶ旋回砂体中的铀元素只有少部分来自于与砂体同时代沉积的内部铀源。其中大部分矿体中的铀是在含矿建造形成完整的补-径-排体系之后由含氧水从矿床南部山区的花岗岩和凝灰岩淋滤并携带进入Ⅶ旋回砂体中。这些进入砂体中的铀经过多次的活化、沉淀过程的滚动叠加，矿体就缓慢的从很小的点成长为有规模的矿体。