四川盆地北部砂岩型铀矿含矿层砂岩致密化成因及对铀找矿方向的启示

丁 波,贺 锋,刘红旭,邱林飞,肖柯相,王战永,杨嘉宝

（1.核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价重点实验室，北京 100029；2.核工业二八〇研究所，四川 广汉 618300）

从20世纪50年代至90年代初期，相继在四川盆地北部探明了南江县花台寺（303）矿床、通江县松溪（4210）矿床、宣汉县毛坝（7201矿床）和南江县范家山矿床（457）等4个中、小型砂岩型铀矿床、21个铀矿点及39个铀矿化点，构成了四川盆地北部砂岩型铀矿成矿带［1］。尽管四川盆地北部铀资源勘查取得了丰硕的成果，但是勘查工作以就矿找矿、地表找矿为主以及已探明砂岩型铀矿为沉积成岩初始富集与热水改造再富集的结果［2-12］，使得四川盆地北部、乃至四川盆地层间氧化带型砂岩型铀矿成矿条件与评价研究工作始终没有实质性突破。

近年来，随着中国北方砂岩型铀矿勘查工作的持续推进及勘查力度的加大，盆地中有利找矿空间不断缩小，找矿难度也不断增大，进而提出“新层位、新类型、新地区”的三新找矿思路，使得四川盆地成为砂岩型铀矿找矿工作的新地区。但是，四川盆地砂岩型铀矿潜在目标层砂岩整体致密化，呈现孔隙度低与渗透率低的特征，是制约四川盆地是否发育规模型层间氧化带型砂岩型铀矿化的关键因素。因此，笔者在前人研究的基础之上，选择四川盆地北部砂岩型铀矿含矿层为研究对象，通过岩矿鉴定、流体包裹体测温等手段，厘定含矿层砂岩致密化成因与时间，结合含矿层经历的埋藏演化史，评价砂岩致密化对该区砂岩型铀矿成矿的影响，从而为四川盆地砂岩型铀矿找矿提供方向启示。

1 区域地质背景

四川盆地位于扬子陆块西北角，经历了古生代-早中生代的克拉通坳陷阶段和晚三叠世-新生代的前陆盆地阶段，是在上扬子克拉通基础上发展起来的大型叠合盆地。现今的四川盆地主要是指经喜马拉雅期构造运动改造后，形成有中、新生代红层分布的盆地，周缘由一系列造山带构成，盆地西侧与龙门山陆内复合造山带相接，再向西过渡为松潘－甘孜褶皱系；北与米仓山－大巴山隆起带相接，向北过渡为秦岭褶皱系，南与峨眉山、凉山断块褶皱带相邻；东南和西南抵大凉山－大娄山－齐耀山，为雪峰陆内构造变形系统［13-15］（图1）。盖层以侏罗系-白垩系为主体，地层发育比较齐全，新生界基本缺失，并长期遭受风化剥蚀［1］。邓宾［14］和何登发［13］等学者对四川盆地及邻区磷灰石裂变径迹研究成果显示，四川盆地白垩纪以来区域上具有相似的冷却史，表现为阶段性沉降-隆升剥露过程，即早期盆缘快速隆升期/盆内沉积后沉降埋深阶段（～80 Ma以前）、中期缓慢隆升抬升冷却阶段（80～20 Ma）和晚期快速抬升剥露阶段（20 Ma～现今）三个阶段，晚白垩世以来剥蚀量整体介于2000～3000 m，威远背斜剥蚀量更是大于3000 m。

图1 四川盆地及其邻区大地构造简图（据参考文献［15］修改）Fig.1 Tectonic sketch of Sichuan Basin and its adjacent areas（Modified after References［15］）

2 矿区地质概况

研究区位于盆地北缘强烈褶皱区的山前凹陷内，归属于川北低缓断褶带（图1）。四川盆地北部砂岩型铀矿位于四川省北部的南江、通江及宣汉县境内，由南江县花台寺（303）矿床、通江县松溪（4210）矿床、宣汉县毛坝（7201）矿床、南江范家山（457）铀矿床等4个中、小型砂岩型铀矿床及一系列铀矿点、矿化点组成，其中花台寺铀矿床分布于新华向斜南东翼，松溪铀矿床分布于泥溪复向斜北东翼，毛坝铀矿床分布于涪阳背斜南东侧转折端［10-11］（图2）。出露地层主要为上侏罗统蓬莱镇组（J3p）、下白垩统苍溪组（K1c），受燕山晚期-喜马拉雅期构造运动的影响，在研究区内形成平缓褶皱构造及一系列NW-SE和NEE-SWW向平行断裂带［6］（图2）。

图2 四川盆地北部砂岩型铀矿构造示意图（据参考文献［10］修改）Fig.2 Structural diagram of sandstone type uranium deposits in northern Sichuan Basin（Modified after References［10］）

砂岩型铀矿含矿层主要为下白垩统苍溪组（K1c），为半干旱-干旱条件下的冲积扇-河流相杂色碎屑岩建造，自下而上划分为两段九层，每层砂体皆由下部浅色砂岩段与上部红色泥岩段组成，呈下粗上细的正向粒序，其中浅色砂岩段主要为浅灰色-灰黑色粗粒砂岩，红色泥岩段主要为紫红色泥岩-粉砂岩（图3）。苍溪组第一段第一层（K1c1-1）为四川盆地北部砂岩型铀矿主要含矿部位，定位于浅色砂岩段，与下伏蓬莱镇组（J3p）呈平行不整合接触，不整合面附近苍溪组第一段第一层为灰黑色砾岩或含砾中-粗粒砂岩，富含有机质、炭化植物碎屑，蓬莱镇组为紫红色薄层泥岩、泥质粉砂岩互层［11］。

图3 四川盆地北部砂岩型铀矿含矿层下白垩统苍溪组岩性柱状图［11］Fig.3 Lithology column of the sandstone type uranium deposit host layer of Lower Cretaceous Cangxi Formation in northern Sichuan Basin［11］

3 含矿层砂岩致密化成因与形成时间

四川盆地北部砂岩型铀矿苍溪组铀矿石岩性主要为深灰色中-细砂岩，富含炭屑与黄铁矿（图4 a、b、c）。岩石中碎屑成分占比75%～90%，胶结物占比10%～25%。碎屑主要为石英、岩屑，其中岩屑成分以碳酸盐岩、粉砂岩、变质岩为主（图4 d、e），含少量火成岩碎屑，裂缝中见沥青（含黄铁矿）充填，磨圆中等，呈次棱角状-次圆状，呈孔隙式-接触式胶结，胶结致密；胶结物主要为方解石，含量一般在20%～30%，局部高达40%，呈泥晶与亮晶方式产出，其中泥晶方解石胶结杂基产出（图4 f、g、h），而亮晶方解石常包裹泥晶方解石与交代石英、长石等碎屑，使得颗粒之间呈现点接触甚至不接触，颗粒呈漂浮状悬在胶结物中（图4 f、g、h、i），说明方解石的胶结作用发生时间较早，在强烈的压实作用之前。

图4 四川盆地北部砂岩型铀矿石宏观与微观特征Fig.4 Macroscopic and microscopic characteristics of uranium ore in sandstone type uranium deposits in northern Sichuan Basin

据邓宾［14］以及何登发［13］对四川盆地构造隆升剥蚀研究认识，四川盆地北部在下白垩统沉积以来的构造运动过程中整体抬升了2000～3000 m，说明现今地表的苍溪组在晚白垩世的埋深最大可达3000 m左右，遭受较强烈的压实作用，但是颗粒呈漂浮状悬在方解石胶结物中（图4 f、g、h、i），却显示着压实作用不强。苍溪组是在干旱炎热气候大背景条件下，在局部地区的干旱与潮湿相间，形成产于河道中灰色砂岩与大规模河漫滩红色泥岩、粉砂岩，地层沉积过程可直接从过饱和碱性湖水介质中析出泥晶方解石。此后，随着埋藏深度的增加，在上覆压力的作用下，泥岩与砂岩发生差异压实作用，不仅造成泥岩与砂岩的原生孔隙的大规模下降，而且造成泥岩压实过程排出大量的压榨水（含Ca2+与HCO3-的弱碱性流体）向孔隙度与渗透率更大的砂岩运移，形成大规模的泥晶方解石，造成砂岩原生孔隙的降低，这一过程主要发生于准同生至早成岩早期。大规模的泥晶方解石形成会抑制后续的压实作用，从而造成现阶段可见的颗粒之间点接触甚至不接触现象。亮晶方解石常包裹泥晶方解石产出（图4 f、g、h），其中原生包裹体皆为纯液相包裹体（图5 b、c、d），基本不发育含烃类包裹体，但是砂岩孔隙中发育蓝色荧光（图5 a），说明亮晶方解石的形成时间早于油气充注时间。此外，亮晶方解石原生包裹体测温结果显示均一温度在62～106℃，主要集中在62～90℃（表1），结合四川盆地北部地温梯度为2.5℃/100 m与地表年平均温度为20℃，推算亮晶方解石开始出现的地层深度约为1600 m，最大深度约为2800 m，基本发生在早成岩晚期，说明在苍溪组埋藏成岩过程中再一次形成了亮晶方解石，其形成与大气降水有关，为埋藏成岩过程中地层进一步压榨形成的地层水（图6）。埋藏过程中地层温度的升高及地层水的活动，容易造成早期形成的泥晶方解石重结晶，形成包裹泥晶方解石产出的亮晶方解石。此外，碳酸盐岩屑的溶蚀与黏土矿物之间相互转化也为亮晶方解石的析出沉淀提供了重要的物质来源。因此，认为苍溪组砂岩致密化的根本原因是成岩作用过程中普遍发育的方解石胶结作用，其形成于沉积-早成岩时期，且早于油气充注时间。

图6 四川盆地北部铀矿石中亮晶方解石流体包裹体均一温度-盐度相关关系图Fig.6 Homogenization temperature-salinity correlation diagram of fluid inclusions of sprite calcite in uranium ore

表1 四川盆地北部砂岩型铀矿石流体包裹体显微测温结果表Table 1 Results of microscopic temperature of fluid inclusions in sandstone type uranium ore in northern Sichuan Basin

图5 四川盆地北部砂岩型铀矿石亮晶方解石胶结物中盐水包裹体特征Fig.5 Characteristics of brine inclusions in sprite calcite cements of uranium ore from sandstone type uranium deposits in northern Sichuan Basin

4 对砂岩型铀矿找矿的指示意义

四川盆地北部砂岩型铀矿苍溪组铀矿石致密化是方解石胶结作用的结果，形成于沉积-早成岩时期，发生晚白垩世构造抬升与烃类充注之前，不利于后期构造活动期的含铀含氧水渗入与规模性层间氧化带型砂岩型铀矿化的形成。此外，大量学者对四川盆地须家河组［16-19］与沙溪庙组［20-21］砂岩致密化成因与时间开展了研究，认为砂岩孔隙度平均小于10%，渗透率远小于1×10-3μm2，为典型的低孔-低渗致密砂岩，是埋藏过程中的强压实作用的结果，且成岩过程中的石英次生加大和碳酸盐胶结是砂岩致密化的强化与关键，发生在晚白垩世构造抬升与烃类充注之前，结合野外踏勘露头与钻孔揭露的须家河组、沙溪庙组多数为灰色、灰绿色致密砂岩，未见明显的氧化痕迹（图7），虽野外踏勘露头可见少量致密砂岩氧化，但规模不大，可能是潜水氧化作用造成（图7d、f）。上述分析说明四川盆地须家河组、沙溪庙组与苍溪组砂岩皆未经历大规模含铀含氧水渗入，对规模性层间氧化带型砂岩型铀矿化的形成较为不利。然而，四川盆地北部苍溪组致密砂岩中发育有一系列中、小型沉积成岩-热液叠加改造的砂岩型铀矿化，这可能为四川盆地的砂岩型铀矿找矿提供了方向。四川盆地找矿目标层中砂岩致密化发生于晚白垩世构造活动之前，虽然造成含铀含氧水不能大规模渗入氧化，但后期构造活动容易使得致密砂岩形成大量的裂隙与断裂，能为热液改造型砂岩型铀矿提供容矿空间及热液运移有利通道，而四川盆地北部含铀红色方解石脉则证明热液参与铀成矿，并能为铀成矿提供铀源。此外，四川盆地晚白垩世以来的构造隆升剥蚀造成盆地内地层释压，致使下部先期形成的油气藏发生油气流体逸散，或者是盆地内热卤水等热流体向上迁移，在适宜的构造部位成矿，形成热液叠加改造型砂岩型铀矿化，或者与地表水混合叠加，形成与渗出-渗入流体叠加作用有关的复合成因型砂岩型铀矿化。因此，认为四川盆地有利的找矿类型应与四川盆地北部砂岩型铀矿类似，为沉积成岩-热液叠加改造型，可作为后期四川盆地铀矿资源扩大的一个方向。

图7 四川盆地须家河组与沙溪庙组钻孔岩心与野外露头宏观特征Fig.7 Photos of drilling cores and outcrops in Xujiahe Formation and Shaximiao Formation in Sichuan Basin

5 结论

1）四川盆地北部砂岩型铀矿铀矿石普遍致密化，为大规模泥晶与亮晶方解石胶结作用的结果，形成于沉积-早成岩时期，发生晚白垩世构造抬升与烃类充注之前，其中泥晶方解石是沉积-早成岩时期直接从过饱和碱性湖水介质中析出与泥岩压实过程向砂岩型排出大量的压榨水（含Ca2+与HCO3-的弱碱性流体）形成，而亮晶方解石则是埋藏过程中地层温度的升高及地层水的活动造成早期泥晶方解石重结晶形成。

2）四川盆地须家河组、沙溪庙组与苍溪组砂岩致密化是埋藏过程中的压实作用与胶结作用的结果，发生晚白垩世构造抬升之前，不利于后期构造活动期的含铀含氧水渗入与大规模层间氧化带型砂岩型铀矿化的形成，而沉积成岩-后期热液叠加改造型的砂岩型铀矿化则是四川盆地后期勘查找矿扩大的一个重要方向。