柴西南缘新近系铀储层发育与铀成矿水文地质条件分析

杨君， 奥琮*， 孟利山， 滕雪明， 魏学斌， 王铎， 冯平， 于航

(1.青海省青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室， 西宁 810012； 2.中国地质调查局天津地质调查中心， 天津 300170； 3.中国地质调查局铀矿地质重点实验室， 天津 300170； 4.中国石油青海油田勘探开发研究院， 敦煌 736202； 5.四川省核工业地质局二八三大队， 达州 635000)

柴达木盆地是中国三大内陆盆地之一，属封闭的巨大山间断陷盆地，四周被昆仑山脉、祁连山脉与阿尔金山脉所环抱，面积约25万km2。柴达木盆地自然资源丰富，矿产主要以石油、天然气、钾盐、芒硝为主。从20世纪50年代开始，柴达木盆地陆续发现了一批铀矿床、矿点、矿化点以及异常等，成为中国又一重要的铀资源基地。

近年来随着煤油资料“二次开发”新技术的应用[1-3]，柴达木盆地西南缘花土沟地区取得了砂岩型铀矿找矿的重大突破，新近系成为盆地重要的含铀岩系之一。很多学者对西南缘的沉积体系、层序地层特征、构造演化、水文地球化学条件、铀成矿条件等进行了研究。苏妮娜等[4]认为新近系沉积经历湖泊面积持续扩大的演化过程，沉积中心总体上有由南向北、由西向东迁移的规律，且沉积相具有分带性，阿尔金山西段的山前陡坡带发育扇三角洲-湖泊沉积体系；吴因业等[5]认为柴达木盆地基底的构造格架及不同位置发育的深大断裂及其所决定的古地理和古气候等因素共同控制了沉积相带在时空上的展布；杨超等[6]把柴达木盆地划分为 6个一级构造单元，分别为三湖坳陷、欧龙布鲁克隆起、德令哈拗陷、昆北坳陷、一里坪坳陷、祁南逆冲带；艾桂根[7]将柴达木盆地西北部第三系划分为4套地层层序及5个层序界面层，认为高水位体系域中的辫状河三角洲体系及扇三角洲体系是最有利的铀成矿单元；陈贤春等[8]认为柴达木盆地西北部冷湖地区上新统狮子沟组层间地下水接受周围山区裂隙水、第四系潜水、大气降水等含氧淋滤水的补给，含氧含铀地下水主要向南西方向运移，最终铀富集成矿；黄国龙等[9]认为柴达木盆地西北部狮子沟组存在有利的岩相、砂-泥-砂结构、地下水补-径-排条件好、水文地球化学具分带性等，可作为有利找矿目的层；张超等[10]对花土沟地区新近系油砂山组沉积特征进行分析，认为含铀岩系绿灰色碎屑岩受滨浅湖沉积体系控制；黄国龙等[11]认为冷湖地区的含矿目的层为新近系狮子沟组，发育有大型层间氧化带，具有较好的找矿前景；刘阳等[12]认为下部烃类气体沿断裂、微裂缝等运移通道向上运移到上油砂山组砂岩，绿灰色的砂岩层具有还原能力，成为潜在的铀储层。但对西南缘新近系铀储层发育与铀成矿水文地质条件的研究寥寥无几。通过分析柴西南缘花土沟地区地下水类型、水化学特征等，结合钻孔资料，编制砂地比图、沉积相图等，探讨铀储层发育及铀成矿时期水动力条件，为铀矿找矿提供依据。

1 区域地质背景

根据基底性质与起伏、现今的构造格局、地层展布、含油气系统等，将柴达木盆地划分柴西坳陷、一里坪坳陷、柴北缘隆起和三湖坳陷等四个一级构造单元、11个二级构造单元(图1)。

图1 柴达木盆地构造单元划分

花土沟地区位于柴西坳陷二级构造单元茫崖凹陷。茫崖凹陷包括狮子沟-油砂山构造带、油泉子构造带、英雄岭-茫崖凹陷、南翼山-碱石山构造带和落雁山构造带等。古近纪早中期处于下沉阶段，形成沉降、沉积相叠合的深凹陷，是盆地内古近系的生油中心，新近纪晚期至第四纪回返，形成一系列背斜带，并在上新统内发育铀异常。

1.1 盆地基底

柴达木盆地是在柴达木地块上发育起来的中新生代沉积盆地，基底具有古生代褶皱基底和元古宙结晶基底的双重基底结构[13]。结晶基底由元古宇混合岩化区域热流动力变质岩及前加里东期闪长岩、石英闪长岩、斜长花岗岩和花岗岩组成，岩石中含铀量高达(3.5～19.0)×10-6。褶皱基底主要为古生代浅变质岩，含铀量高，达(12.0～26.0)×10-6。丰富的铀源在后期的风化剥蚀过程中随地下水搬运至盆地内富集成矿。

1.2 盆地盖层

柴达木盆地盖层是指三叠纪以来所形成的陆相沉积岩系。柴达木西南缘花土沟地区主要发育古近系地层上干柴沟组、下干柴沟组、新近系下油砂山组、上油砂山组、狮子沟组及第四系七个泉组。

古近系、新近系地层中沉积物主要为砂岩、粉砂岩、泥岩、砂砾岩，钾元素含量平均为2.4×10-2，铀元素含量平均为3.9×10-6，钍元素含量平均12.4×10-6，呈现钾偏高，铀、钍明显偏高的特点，特别是新近系油砂山组、狮子沟组灰色、灰绿色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩铀元素含量分别高达7×10-6、9.8×10-6，具有较好的自身富铀条件及良好的铀富集环境。

早中更新统七个泉组灰色、灰绿色砂岩、粉砂质泥岩、土黄色泥质粉砂岩钾元素含量平均1.9×10-2，铀元素含量平均6.4×10-6，钍元素含量平均10.7×10-6，呈现铀明显偏高、钍较高、钾略低的特点，表明第四系早中更新统也是寻找砂岩型铀矿的有利层位之一。

2 区域水文地质特征

柴达木西南缘花土沟地区地下水主要靠阿尔金山和祁曼塔格山等山区的季节性洪流、大气降水及基岩裂隙水侧向补给。根据地质、地貌、地下水的赋存条件与水理性质、水动力特征等的不同，将西南缘的地下水划分为松散岩类孔隙水分布区、碎屑岩类孔隙裂隙水分布区、碳酸盐岩类裂隙岩溶水分布区、岩浆岩类裂隙水分布区、变质岩类裂隙水分布区等5个分布区(图2)。

图2 柴达木盆地西南缘水文地质图

2.1 地下水系统特征

2.1.1 松散岩类孔隙水分布区

松散岩类孔隙水分布区广泛分布于盆地平原区，由第四系的松散堆积物组成，包括山前倾斜平原至冲洪积-湖积盐沼平原。含水层表现为从山前到湖盆中心、从单一的潜水含水层变为双层或多层的承压-自流水含水层。

(1)单层结构潜水分布区。主要分布在盆地周边，赋存在山前冲洪积扇和冲洪积平原地层中，主要接受周边山区河水、降雨、冰雪融水及基岩裂隙水补给，受补给条件和补给形式的影响，各地水质、水量有明显的差异。从山前戈壁带到冲湖积盐沼平原，潜水含水层岩性颗粒由粗到细，富水性由强到弱，厚度由大到小，水位埋深从>100～3 m，到湖沼平原的0.1～1.0 m，最终以泉或沼泽的形式形成溢出带。

(2)双层结构孔隙潜水/承压水分布区。主要分布在盆地山前冲洪积扇前缘地带，赋存在冲洪积平原、湖积平原地层中，潜水层岩性主要为全新统盐湖沉积盐层及盐砂层，表层潜水受河流疏干作用的影响，呈不连续状态分布，由于补给、排泄条件的不同和含水层岩性差异，发育的程度也不相同，水质以及水量都有明显的变化，总的来说，从边缘到盐湖区为蒸发浓缩过程，矿化度明显增高。

冲湖积-湖积平原潜水含水层之下，发育有承压水，岩性为中、上更新统冲洪积砂砾石与细粉砂岩层，隔水层为亚黏土和亚砂土，含水层的水质、水量和富集规律与上层潜水基本相同。

2.1.2 碎屑岩类孔隙裂隙水分布区

碎屑岩类孔隙裂隙水分布区，主要分布于山前丘陵一带，在地区范围内主要为储存在储油构造中的与油、气共生的油田水，与地表无水力联系，水质差。古近-新近系碎屑岩类中形成的储油构造主要是大风山、油墩子、油泉子、咸水泉等构造；第四系下更新统的湖相沉积形成的储油构造分布在小梁山等地，这些构造中都存在丰富的油田水。

2.1.3 碳酸盐岩类裂隙溶洞水分布区

柴达木盆地长期处于干旱气候条件下，岩溶水分布不广泛，主要分布在昆仑山地区的宽沟、双石峡流域中部的山区，赋存在寒武系、奥陶系、石炭系、三叠系的灰岩、大理岩、结晶灰岩岩层中，主要受山区的大气降水和冰雪融水补给。

2.1.4 岩浆岩类裂隙水分布区

岩浆岩类裂隙水分布区中地下水赋存于岩浆岩、火山岩的构造裂隙、成岩裂隙以及风化裂隙中，缺乏较为稳定的含水层，受岩性和地形地貌的控制，富水性和水质也因地区而不同。昆仑山区出露大量的侵入岩体，赋存较丰富的地下水；在西北部的阿尔金山也出露部分岩浆岩，由于该区降水稀少，补给条件较差，未见有泉水出露，山区无常年性水流。

2.1.5 变质岩类裂隙水分布区

其分布范围较小，仅在阿尔金山有发育，水量也较为贫乏，富水性差。

2.2 含水岩组的划分及特征

柴西缘花土沟地区新近系含水岩组，按照其地下水赋存条件可以划分为狮子沟组基岩孔隙裂隙承压含水层、上油砂山组碎屑岩孔隙裂隙承压含水层、下油砂山组碎屑岩孔隙裂隙承压含水层。

(1)狮子沟组基岩孔隙裂隙承压含水层。岩性主要为细砂岩、中砂岩、粗砂岩，含少量含砾砂岩及砾岩，成分以石英、长石为主，分选性较好，渗透性强。由于砂泥岩互层，所以存在多个承压水层，厚度从几米到几十米不等。含水层受上层潜水的下渗补给，周边山区的冰雪融水则顺着层间裂隙补给到承压含水层中，由北东向南西径流，排泄到尕斯库勒湖。

(2)上油砂山组碎屑岩孔隙裂隙承压含水层。是花土沟地区最主要的含水层。岩性组成主要为新近系上油砂山组的砂岩，成分以石英、长石、岩屑为主，分选性一般，渗透性强。地下水位埋深随地形变化而变化，因本区蒸发强烈，水位埋深较深。

(3)下油砂山组碎屑岩孔隙裂隙承压含水层。岩性由新近系上、下油砂山组的砂岩构成，成分以石英，长石为主，分选性较好，渗透性强。地下水主要受上部潜水的下渗补给以及周边山区的远源补给，其顶、底板由同一层位的砂质泥岩、泥岩构成，并由北东向西南径流，排泄至尕斯库勒湖。

2.3 补给、径流、排泄条件

柴西南缘花土沟地区由于地处盆地，气候干旱，多风干燥，日照时间长，降水量少而蒸发量巨大。周边山区地势较高，降水量升高而蒸发量降低，形成了周边山区降水丰沛而盆地较为干燥的情况。因此大气降水渗入只是本地区地下水补给来源的一小部分，主要依靠周边高山冰雪融化水渗入补给，其次是山前出露的泉水以及山区暴雨形成的洪流渗入补给。

阿尔金山、祁曼塔格山山前洪积平原或湖积平原为地下潜水和承压水的径流区，潜水径流方向受地形影响较大，接受冰雪融水的补给后，地下水顺着地形坡度径流，由于地形坡度较缓，径流速度相对较慢，径流时间长。在山前倾斜平原前缘以上为单一潜水含水层，以下的冲积、湖积平原，变为多层结构的承压含水层，地下水由低矿化度淡水逐渐变为微咸水和咸水，甚至盐卤水。在花土沟地区祁曼塔格山前从阿拉尔—甘森一线以南为水量中等的潜水；尕斯库勒湖周围以水量丰富～中等的淡承压水为主，部分水量较小的微咸～咸承压水；在老茫崖周围以水量较小的微咸～咸承压水为主，部分水量丰富～中等的淡承压水为主。

由于研究区日照时间长，所以浅部潜水蒸发排泄，深部潜水以及承压水通过地下径流的方式径流并排泄进入尕斯库勒湖(图3)。

图3 柴达木盆地西南缘地下水补径排示意图

2.4 地下水化学特征及分带性

潜水水化学特征方面，从山前倾斜平原—冲积平原—湖积平原，水化学类型有HCO3·Cl-Na·Ca型、HCO3·Cl-Na·Mg型、Cl·HCO3-Na·Mg型、Cl·SO4-Na型、SO4·Cl-Na·Mg型、Cl-Na型。矿化度逐渐增高，分带明显。

承压水主要分布在冲积平原和湖积平原。从冲积平原至湖积平原区，水化学类型依次HCO3·Cl 型—Cl·HCO3型—Cl·SO4型—Cl型，矿化度逐步升高，湖盆中心为盐卤水。

3 新近系铀储层发育与铀成矿水动力条件分析

地下水在铀成矿过程中起到载体、媒介的作用[14]，水动力条件成为影响铀成矿规模和位置的重要影响因素之一，对查明研究区铀成矿规律和发掘铀矿化潜力具有十分重要的作用[15-18]。柴西南缘花土沟地区新近系上油砂山组为良好的铀储层。通过对其砂体展布特征及沉积相分布特征，研究其当时水动力条件对铀成矿的影响。

在新近系上油砂山组时期柴达木盆地西南缘整体呈现西北高东南低的构造格局，以阿尔金山物源、阿拉尔物源沉积体系为主。西北部山区的冰雪融水是地下水的补给来源，地下水富含氧铀。从上油砂山组残余厚度等值线看出，西北部抬升接受剥蚀，湖盆中心向东南方向移动，含氧含铀地下水从西北方向渗流到东南方向(图4)。

图4 柴达木盆地西南缘上油砂山组沉积相分布

上油砂山组时期，花土沟地区北部主要发育扇三角洲，蚀源区不断抬升，使从山区汇聚到盆地的水系具有很大的动能，水动力条件较强，砂体快速堆积，无法形成稳定连续的砂体，不具备形成铀矿的条件，但能把山区中被风化剥蚀富含铀的大量物质随地下水搬运至盆地内富集成矿。陈戴生等[19]在2014年就提出高能强水动力下，多数无铀矿化。

上油砂山组时期，花土沟西部主要发育辫状河-辫状河三角洲-湖湘沉积，砂体厚度大，含砂率高，砂体往湖盆推进，且连续性好，十分有利于含铀含氧水的补给和循环交替。

辫状河砂体厚度较厚，但地下水流速快，还原矿体被含氧含铀地下水再次氧化后，被水流带走，所以研究区辫状河沉积相不利于铀矿的沉淀富集。辫状河三角洲平原，分流河道向东继续向下渗流，地下水流速度变慢，泥质含量增高，有机质含量增加，砂地比仅为30%，在垂向上形成了典型的泥-砂-泥结构为铀成矿的形成赋存提供了一个良好的层位和地球化学屏障[20],使铀矿在此处容易沉淀富集成矿，成为潜在的铀储层。

在上油砂山组含矿岩石及围岩中都可见黄铁矿、褐铁矿化及灰棕色油砂和油斑(图5)，推测上新世末期受晚期喜山构造运动的影响，柴达木盆地结束了坳陷的发展时期，进入挤压褶皱阶段，盆地整体抬升，遭遇强烈剥蚀，含氧含铀流体下渗进入上油砂山组潜在铀储层中，被黄铁矿、油气等物质逐渐还原，导致铀沉淀富集[21]。

图5 油砂、油斑、黄铁矿化及褐铁矿化现象

4 结论

(1)基底蚀源区岩石中活性铀发育，含量高，为形成砂岩型铀矿提供了丰富的铀源；盆地盖层中新生代地层发育，为富铀建造，也可为砂岩型铀矿成矿提供铀源。

(2)柴达木西南缘花土沟地区地下水主要靠阿尔金山和祁曼塔格山等山区周边高山冰雪融化水、大气降水及基岩裂隙水侧向补给。新近系含水岩组，按照其地下水赋存条件可以划分为狮子沟组基岩孔隙裂隙承压含水层、上油砂山组碎屑岩孔隙裂隙承压含水层、下油砂山组碎屑岩孔隙裂隙承压含水层。

(3)新近系上油砂山组为良好的铀储层，水动力条件控制铀成矿规模和位置，北部地区水动力较强，把山区中被风化剥蚀富含铀的大量物质随地下水搬运至盆地内富集成矿；西部地区砂体厚度大，含砂率高，砂体往湖盆推进，且连续性好，在三角洲平原地区形成泥-砂-泥天然屏障，易沉淀富集铀，成为潜在铀储层；上新世末期含氧含铀流体下渗进入上油砂山组潜在铀储层中被还原，导致铀沉淀富集。