鄂尔多斯盆地直罗组与洛河组砂岩型铀矿成矿地质特征及对比研究

2022-02-19文思博李光耀司庆红赵华雷

华北地质 2022年4期

朱强，吴越，文思博，王予，李光耀，司庆红，赵华雷

(1.中国地质调查局天津地质调查中心,天津 300170;2.中国地质调查局铀矿地质重点实验室,天津 300170;3.华北地质科技创新中心,天津 300170;4.中国石油长庆油田分公司勘探事业部,西安 710018)

鄂尔多斯盆地是我国中西部重要的含能源矿产盆地，东北部盆地边缘分布有皂火壕、纳岭沟、大营、罕台庙等砂岩型铀矿床，南部分布有双龙、店头、国家湾等砂岩型铀矿床，已发现的铀矿床含矿层位主要为中侏罗统直罗组，埋深一般小于700 m，近年来，中国地质调查局组织的铀矿勘查工作证实，盆地西南洛河组中同样具有工业意义的铀矿体，该砂岩型铀矿床位于盆地内部，含矿砂体埋深800 m以深，隶属于风成沉积体系，是一种新类型的砂岩型铀矿床[1]，西南部地区不仅找矿潜力巨大，而且科研价值较高。已有研究结果表明，盆地东北部中侏罗统直罗组与西南部下白垩统洛河组铀矿化特征存在许多相似之处，但也有明显的差异，两种类型铀矿床对比研究，可以为分析鄂尔多斯盆地东北部和西南部铀矿床成矿条件及成因提供重要的科学依据，并对今后寻找类似铀矿床提供参考意义。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北陆块西部，是我国中生代典型的大型内陆沉积盆地之一，蕴藏有丰富的石油、天然气、煤炭、铀矿、油页岩等多种能源矿产，盆地东北部杭锦旗地区、西南部泾川地区是近几年的铀矿勘查与研究的热点区域。

泾川地区位于鄂尔多斯盆地西南部，研究区隶属庆阳市，地处陕北斜坡南部、天环坳陷南端及渭北隆起交界处[2]，东北侧毗邻著名的长庆油气田。区域构造较为发育，以北西向、近南北向断裂构造为主。中新生代盖层发育有上三叠统延长群、侏罗系、下白垩统、渐新统、上新统和第四系，下白垩统自下而上包括宜君组、洛河组、环河-华池组、罗汉洞组和泾川组，沉积相和沉积岩类型多样（图1），其中主要的含矿层位为洛河组，目的层沉积类型主要为风成沉积体系，地层倾角较缓，多发育交错层理和斜层理，以浅灰色、浅灰绿色、黄色、红色细砂岩为主，其次为中砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩，泥岩、粉砂岩较少见，仅发育薄层夹层，横向上不连续，不属于稳定的隔水层[3,4]。

杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地东北部，隶属鄂尔多斯市，西邻大营特大型铀矿床,东近纳岭沟大型铀矿床,地处盆地北缘伊盟隆起的中北部（图1）。中侏罗统直罗组具有适宜的还原介质条件和还原流体运移通道[5-10]，是该区主要的找矿目的层，目的层沉积类型主要为辫状河及辫状河三角洲沉积体系，岩性主要包括灰色、灰绿色中粗砂岩、红色粉砂岩、泥岩，直罗组与上覆白垩系下统志丹群（K1zh）不整合接触，与下伏延安组（J1-2y）平行不整合接触。自中侏罗世晚期后，该区构造形态由北西向南东倾斜渐变为由北东向南西倾斜的缓单斜构造，基本不发育断层和褶皱。

图1 鄂尔多斯盆地构造纲要图及研究区位置示意图Fig.1 Structural outline map of Ordos Basin and location schematic diagram of the study area

2 洛河组铀矿化特征

2.1 矿体空间展布特征

铀矿体主要赋存在洛河组下部浅灰色细砂岩、砂砾岩中，少量富集于红色细砂岩中，垂向上位于红色细砂岩或黄色细砂岩与浅灰色细砂岩接触位置的下部，更偏向于浅灰色细砂岩一侧，矿体呈层状，似层状和透镜状，与地层产状基本一致，矿化层一般1～2层，部分钻孔中相邻两层矿体中间夹红色细砂岩条带（图2）。

图2 镇原地区洛河组-环河华池组砂体联井剖面图Fig.2 The profile of sand body from Luohe formation to Huanhe Huachi Formation in Zhenyuan area

2.2 沉积体系类型及特征

洛河组沉积时期气候炎热干旱，砂体交错层理或斜层理发育（图3a-c），局部发育波状层理，主要为砾质辫状河沉积、风成河流交互沉积和风成沉积等，其中研究区偏西侧为冲积扇-砾质辫状河道沉积，东侧为风成沙漠沉积，风成沉积体系下碎屑物石英含量较高，颗粒磨圆度较圆，分选性好（图3d），结构疏松，孔隙发育，横向连通性良好，矿体主要位于孔渗性较好的沙丘亚相中，少量位于辫状河道中。

图3 镇原地区洛河组砂岩宏观、微观特征Fig.3 Macro and micro characteristics of Luohe Formation sandstone in Zhenyuan area

2.3 岩石矿物学及还原介质特征

洛河组砂体主要为红色、浅黄色、灰色、浅灰绿色中-细粒长石岩屑砂岩或岩屑长石砂岩，少量岩屑石英砂岩和石英砂岩，未见炭屑，除矿段外，黄铁矿、钛铁矿含量相对少见，并且金属矿物粒径较小，在显微镜下黄铁矿以他形粒状、胶状、胶结物状为主，莓球状黄铁矿含量较少，其中胶状黄铁矿与沥青铀矿的伴生关系最为常见，钛铁矿氧化蚀变程度差异较大，自中心向外侧呈现钛铁矿-锐钛矿-沥青铀矿的环带结构，黄铁矿与钛铁矿、锐钛矿多伴生产出。

洛河组风成砂岩的内部还原介质十分缺乏，目前的岩石学和有机地球化学证据均显示，目的层灰色砂层的空间展布与断裂构造及次生油气藏关系密切，砂岩内富含沿裂隙贯入的深层含烃流体[11]，洛河组下部砂岩中可见到明显的油浸、油斑或油迹，显微镜下见荧光[1]（图4a，b，c），砂岩胶结物中发育大量的油气包裹体[12]，经检测含矿砂岩及下部围岩中吸附气主要有甲烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷和二氧化碳，非矿段烃类气体含量较低[13]，反映出烃类气体与砂岩型铀矿空间赋存位置一致，还原机理为深层烃类流体沿结构裂缝、粒度较粗部位或层理灌入红色砂岩（图4d，e，f），引起了含矿目的层中的氧化-还原分区和铀矿的沉淀[11]，初步推断还原性流体来源于上三叠统延长组[1]。

图4 镇原地区洛河组砂岩中烃类流体作用痕迹Fig.4 Traces of hydrocarbon fluid migration in the sandstone of Luohe formation in Zhenyuan area

2.4 铀矿物类型及主要赋存状态

铀矿物类型主要为沥青铀矿、含钛铀矿物，基本未见铀石，沥青铀矿中UO2平均含量为81.5%，SiO2平均含量为1.92%，铀矿物与黄铁矿、磷灰石、绿泥石伴生关系最紧密，与他形、半自形黄铁矿相关性不强（图5a），多分布在胶状黄铁矿裂隙中或周边（图5b），蚀变钛铁矿周边（图5c），或被短柱状磷灰石（图5d，e）、针叶状绿泥石吸附（图5f）。通过野外现场伽玛检测，结合实验室分析结果，发现该区灰色砂岩中含矿性整体强于红色砂岩。

图5 洛河组砂岩中铀矿物赋存特征Fig.5 Occurrence characteristics of uranium minerals in the sandstone of Luohe formation

3 直罗组铀矿化特征

3.1 矿体空间展布特征

铀矿体主要分布在直罗组下部灰绿色、灰色中、粗砂岩中，垂向上位于灰白色砂岩与灰绿色、灰色砂岩接触位置的上部，更加远离灰白色砂岩一侧，矿体主要呈层状，与地层产状基本一致，矿化层一般1层，部分钻孔中为2层（图6）。

图6 杭锦旗地区NW-SE向钻孔联井剖面图Fig.6 NW-SE cross-hole section in Hangjinqiarea

3.2 沉积体系类型及特征

根据沉积环境与古气候特点，将直罗组划分为上段及下段，其中上段为一套红色碎屑岩建造，以洪泛沉积为主，砂体不发育，呈“泥包砂”结构，横向连通性差，为曲流河-曲流河三角洲沉积，直罗组下段为灰色、灰绿色碎屑岩建造，辫状河砂体发育，可进一步划分为下亚段的辫状河-辫状河三角洲沉积及上亚段的辫状河-曲流河过渡沉积，下亚段砂体呈“砂包泥”结构，渗透性强，横向连通性好。

3.3 岩石矿物学及还原介质特征

直罗组下段含矿砂岩主要是灰色、灰绿色中粗粒长石岩屑砂岩和岩屑砂岩[6]，以泥质胶结为主，局部钙质胶结，少量菱铁矿胶结。还原介质类型多样，以碳屑、黄铁矿、钛铁矿为主（图7a，b，c），此外，高岭石、蒙脱石等适宜吸附铀矿物的粘土矿物含量丰富。黄铁矿类型多样，包括莓球状、自形、他形、胶状，其中以胶状黄铁矿最为常见，并且与铀矿伴生关系最为紧密，其次为莓球状黄铁矿。钛铁矿呈碎屑颗粒状，氧化蚀变现象较严重，从中心向外侧多呈现钛铁矿-锐钛矿-铀石的环带结构。

图7 杭锦旗地区直罗组砂岩中有机质及烃类流体作用痕迹Fig.7 Types of organic matter and traces of hydrocarbon fluid migration in the sandstone of Zhiluo formation in Hangjinqiarea

钻孔岩心中可见红色泥质粉砂岩中夹黄褐色细砂岩、灰绿色细砂岩、灰白色细砂岩条带或团块，红色粉砂质泥岩中由外向中心部位依次夹黄褐色细砂岩、灰绿色中砂岩、灰白色粗砂岩团块，灰绿色细砂岩中的红色氧化残留现象（图7d，e，f）。陈宏斌等（2006）对东胜铀矿床直罗组中不同颜色岩石进行紫外荧光强度分析发现，绿色岩石较高，灰绿色次之，紫红色和蓝绿色较低，岩石在320～360 nm激发波长时出现荧光强度峰值，与轻质油、天然气的荧光特征相似，说明绿色岩石中含有较高的烃类物质，其发生过以天然气为主的油气聚集[14]，研究区有关烃类流体的来源仍存在一些争议，尤其是下古生界奥陶系碳酸盐岩和上古生界煤系地层的贡献仍有待进一步明确，但长期以来多数学者认可，盆地中心古生界天然气（油）沿断裂向北部大规模的运移造成了该区烃类流体的富集和灰绿色砂岩的形成[15-17]。虽然古生界烃类流体增强了直罗组地层的还原能力，但目前并没有直接的证据证实它们在砂岩型铀矿形成过程中起到了唯一的主导作用，我们通过对含矿砂岩与不含矿砂岩中有机地球化学研究，发现萜、甾类化合物含量及特征并没有明显的差别，前人研究发现，研究区直罗组铀成矿作用总是与上覆的薄煤层或者煤线相伴而生[5]，铀储层酸解烃类主要是CH4，与来自煤层的煤层气主成分一致[18]，我们前期通过对典型参数的统计，发现研究区铀矿体厚度与延安组煤层的厚度、直罗组炭屑层数正相关性明显[19]，钻孔岩心中可见含沥青质的镜煤，显微镜下观察到炭屑等有机质周边吸附了铀石[6]，野外露头中延安组与直罗组交界处可见大量的球状黄铁矿，并且高岭土化明显，黄铁矿与高岭石的形成与延安组煤层密切相关，而黄铁矿与高岭石在含矿目的层含量丰富，并且与铀石伴生紧密，具有成因联系。宏观与微观现象均反映出直罗组下段砂岩除了遭受了深部油气还原作用外，还受到延安组煤层产生的烃类流体作用，并且下伏延安组煤层、直罗组底部炭屑由于距离近，分布范围较广，既能充当铀酰离子的吸附剂，又可以作为有利的还原剂在铀成矿过程中可能起到了更为直接的作用[19]（图7g）。

3.4 铀矿物类型及主要赋存状态

鄂尔多斯盆地东北部浅部含铀岩系中铀矿物最主要的类型为铀石,其次为含钛铀矿物、沥青铀矿等。UO2平均含量为64.69%，SiO2平均含量为18.89%，铀矿物颗粒细小（0.001～0.03 mm），与黄铁矿、炭屑（有机质）、高岭石等伴生关系最为常见，少见与绿泥石的伴生现象。铀石多吸附在莓球状、黄铁矿裂隙中、胶状黄铁矿边缘（图8a，b，c），或分布在炭屑等有机质边缘（图8d，e，f），或被粘土矿物吸附。

图8 直罗组砂岩中铀矿物赋存特征Fig.8 Occurrence characteristics of uranium minerals in the sandstone of Zhiluo formation

同样根据野外伽玛检测，结合实验室分析，浅灰色砂岩中含矿性整体强于灰白色砂岩，又强于灰绿色砂岩，这是由于灰色砂岩中植物炭屑、黄铁矿最为发育，灰白色砂岩中高岭石发育，而灰绿色砂岩中植物炭屑、高岭石较少，并且黄铁矿以成岩期的自形粒状黄铁矿居多，相较另外两者不利于铀矿的沉淀富集。

4 直罗组与洛河组关键控矿要素对比

从沉积体系、粘土矿物、古气候、还原介质（有机质、黄铁矿、钛铁矿）、特征矿物等几个方面对鄂尔多斯盆地东北部和西南部砂岩型铀矿关键控矿要素的异同进行对比（表1），初步建立了盆地北部直罗组（图9a）、南部洛河组（图9b）砂岩型铀矿床控矿机理模型。

图9 直罗组与洛河组砂岩型铀矿床控矿机理模型（图a据焦养泉等，2018修改）[5]Fig.9 Ore-controlling mechanism model of sandstone-type uranium deposits in Zhiluo Formation and Luohe Formation

表1 直罗组和洛河组砂岩型铀矿主要控矿因素对比Table 1 Comparison of main ore controlling factors of sandstone type uranium deposits between Zhiluo Formation and Luohe Formation

沉积体系：直罗组下段下亚段为辫状河-辫状河三角洲沉积体系，砂体疏松、孔隙度大、渗透率高，上段曲流河沉积，下部延安组泥岩，具备“泥-砂-泥”的地层结构特征。洛河组下段为风成沉积体系，砂体同样疏松、渗透性好，上部环河华池组湖相沉积，洛河组底部大套钙质砂岩，下伏安定组粉砂岩或泥灰岩发育，同样具备“泥-砂-钙”或者“泥-砂-泥”的地层结构，均属于有利于矿体赋存的良好铀储层。

粘土矿物：直罗组下段粘土矿物总量较高，以蒙皂石+伊/蒙混层+绿泥石为主,下亚段含矿砂岩中的黏土矿物以高岭石+伊/蒙混层+蒙皂石为主，其中高岭石含量相对直罗组上段和直罗组下段上亚段具有明显的升高，反映出砂体自下而上具有酸性-碱性的过渡变化特征，蒙皂石、伊蒙混层和高岭石对铀矿物具有较好的吸附性，是含铀岩系中重要的吸附介质。洛河组下部以伊/蒙混层+高岭石+绿泥石+伊利石为主，但因其主体为风成砂岩，粘土矿物总量较低，不是铀矿富集的主要控制因素。

古气候特征：直罗组下段为亚热带-暖温带半湿润-半干旱气候，洛河组沉积早期为亚热带干旱—半干旱气候为主，局部出现短暂的湿热气候[1]，均是古气候演化的转折区和古气候分带之间的过渡区，对于砂岩型铀矿的预富集和形成具有有利的控制作用[20-21]。

有机质含量：直罗组下段砂岩中碳屑、酸解烃含量较高，矿段位置含量最高，矿化段次之，无矿段最低[10,18,22]，还原流体来源包括古生界天然气（油）和延安组煤层[18-19,23-24]。洛河组砂岩中未见炭屑，仅含矿砂岩及围岩部位有机质含量较高，初步推测还原烃类来源为上三叠统延长组湖相页岩[1]。虽然有机质类型、来源和含量有所不同，但在矿段都有所富集，外部还原流体同样都是铀成矿的主控因素之一。

黄铁矿、钛铁矿含量：黄铁矿即是良好的还原介质又是吸附介质，蚀变钛铁矿可能主要起到吸附铀矿物的作用[25-26]。直罗组下段砂岩中黄铁矿、钛铁矿含量较高，矿段附近最高，且类型多样，与铀矿伴生关系紧密。而洛河组砂岩中金属矿物含量较少，且颗粒细小，但在矿段位置同样具有局部富集的现象。磷灰石含量：直罗组砂岩中基本未见磷灰石，P元素没有明显的富集现象，不是浅部砂岩型铀矿的共生矿物类型，而在洛河组砂岩中磷灰石含量较高，P、Ca与U元素含量在空间上具有高度一致性，铀矿物吸附在短柱状磷灰石周缘，是研究区洛河组内最重要的铀矿伴生矿物之一。

砂体成因：直罗组下段沉积时期处于半湿润-半干旱气候转折期，上段沉积时期处于半干旱气候，因此直罗组上段以原生红色沉积物为主，下部以原生灰色沉积物为主，叠加了后期含氧含铀流体和还原流体的改造作用[27]。直罗组下段底部呈现灰白色蚀变砂岩，向上过渡为灰色、浅灰色蚀变砂岩，下段上部为灰绿色蚀变砂岩，受控于断层分布、煤层范围、沉积相变等因素，蚀变强度有所差异，红色砂岩在其中零星分布，呈团块状残留。洛河组沉积时期以原生红色、黄色砂岩为主，间杂原生灰色河流相、滨湖相砂岩、粉砂岩，洛河组下部砂岩遭受了还原流体的改造，生成了灰色、浅黄色蚀变砂岩[28]。

铀矿物类型不同：直罗组砂岩中铀矿物以铀石为主,少量含钛铀矿物、沥青铀矿等，而洛河组砂岩中铀矿物以沥青铀矿、含钛铀矿物为主，基本未见铀石。