准噶尔盆地南缘头屯河地区砂岩型铀矿成矿环境与找矿方向

耿英英，刘章月，2，黄少华，何中波

（1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083）

我国核电产业的快速发展对铀资源提出了重大长远的需求，而发现和查明更多的铀资源是国内核地质领域当前或今后相当长一段时期内的重大任务［1］。

我国北方广泛发育了众多中新生代沉积盆地，目前已有多个盆地发现、探明了一批大中型乃至特大型砂岩型铀矿床。准噶尔盆地作为我国第二大沉积盆地，与全球著名的砂岩型铀矿聚集区——中亚铀矿聚集区毗邻［2］，与之有相似构造演化和沉积岩石组合的吐哈盆地和伊犁盆地均有大型砂岩型铀矿床产出，但至今在准噶尔盆地仍没有发现大型铀矿床，仅在准东卡姆斯特地区发现了中型铀矿床［3-4］。据核工业二一六大队钻探资料显示，准噶尔盆地南缘头屯河地区中侏罗统头屯河组和下白垩统清水河组中发现了工业铀矿体，找矿成果不断扩大，作为砂岩型铀矿优选区段，准噶尔盆地南缘头屯河地区显示出良好的开发前景［5-10］，表明本地区很有可能实现砂岩型铀矿的突破。

针对准噶尔盆地南缘的构造和沉积演化，前人已开展了大量的研究，尤其对准噶尔南缘的变形特征、演化历史［11］，天山山脉的隆升历史和机制［12-13］以及盆地的沉积响应［14-15］等方面都进行了深入的研究。此外针对本地区的砂岩型铀矿化点，也做了一些研究，前人工作主要集中于成矿条件分析等方面［16-20］，而对于准噶尔盆地南缘强构造变形区砂岩型铀矿成矿环境及成矿远景方面研究较少。在此背景下，本文以砂岩型铀矿成矿理论为指导，通过近年来铀矿勘查的最新进展和认识并结合前人地质研究成果，对该地区砂岩型铀矿成矿环境及构造保矿条件进行深入研究，探讨砂岩型铀矿的成矿远景及找矿方向。

1 区域地质背景

准噶尔盆地位于中亚造山带中部，其南北两侧被天山造山带和西伯利亚-哈萨克斯坦板块所限，是中国第二大内陆盆地。头屯河地区位于准噶尔盆地南缘中部，发育区域性纵向走滑断层，向东以山前断裂带为界与博格达山相邻，发育博格达山前弧形逆冲推覆构造带［21］，向西发育三排近东西向延伸的具有典型断展式特征的北天山山前褶皱-逆冲推覆构造带（图1a），盆山耦合方式为冲隆-掀斜型，变形方式主要为沿走滑断裂产生的宽缓雁列褶皱，地层逆冲推覆缩短量较小，基本保留了原先盆缘单斜的构造形态［22］。

头屯河地区中、新生代地层出露齐全，赋矿层位为侏罗系和白垩系，两者之间呈不整合接触。白垩系底部清水河组（K1q）可见冲刷面，普遍发育含有花岗质砾石的灰绿色底砾岩，是铀矿化发育的主要层位，向上细砂岩、粉砂岩和泥岩逐渐增多，总体表现为冲积扇快速入湖的沉积特征。侏罗系不整合覆盖于三叠系之上，自下而上细分为八道湾组（J1b）、三工河组（J1s）、西山窑组（J2x）、头屯河组（J2t）、齐古组（J3q）和喀拉扎组（J3k），均发育有一定规模的利于铀矿富集的河流相沉积。

2 铀矿化特征

准噶尔南缘头屯河地区已发现的砂岩型铀矿（化）点均发育于第一排构造带内，产于鼻状背斜的北翼或向斜南翼的中生代地层内。铀矿化赋存层位主要为下侏罗统八道湾组、三工河组、中侏罗统西山窑组、头屯河组和下白垩统清水河组，尤其以头屯河组最为富集，其次是下白垩统清水河组。主要矿（化）点包括：喀拉扎矿点、冬窝子矿点、硫磺沟矿点、阿德岗矿点、达坂矿化点、万家窑矿化点、哈萨坟异常点及郝家沟异常点等（图1b，表1）。铀矿化类型主要为砂岩型，矿化成因主要分为两种：一种为古层间氧化，后期叠加油气-潜水氧化，油气一般沿断裂、不整合面及砾岩、砂砾岩、砂岩等渗透性较好的岩层渗出迁移至地表；一种为潜水氧化，氧化带呈面状展布。主要成矿要素包括铀源条件、构造活动、含矿层位、沉积建造、沉积相、后生蚀变、层间氧化作用、铀矿化标志等。

图1 准噶尔盆地南缘头屯河地区铀矿化地质图Fig.1 Geology map of uranium mineralization in Toutunhe area，southern margin of Junggar Basin

表1 头屯河地区主要已知铀矿点、矿化点及异常点（据文献［8］修改）Table 1 Mainly uranium deposits，mineralization occurrences and uranium anomalies in Toutunhe area (modified after reference[8])

3 关键控矿因素

3.1 铀源

蚀源区的富铀地质体是砂岩型铀矿成矿的重要条件。头屯河地区的铀源主要来源于南侧天山地区“活性铀”份额较高的中酸性火山岩、火山碎屑岩和花岗岩体，铀含量平均值超过3×10-6［23-27］，个别富铀地质体铀含量非常高，如中天山北缘望峰花岗岩铀含量可高达9.45×10-6［28］，平均铀含量高达6.13×10-6。

除蚀源区富铀地质体能给含矿目的层输送铀源外，下白垩统清水河组底砾岩富含花岗岩砾石，也可以为准噶尔盆地南缘中下侏罗统（阿德岗矿点）和下白垩统输送大量铀源。

通过系统采集准噶尔盆地南缘下白垩统清水河组底砾岩，分析其中的原始铀含量。选择样品时剔除了含矿段，且所取样品均为未被氧化的灰绿色砾岩，并将样品粉碎至80 目，模拟成矿时地下水水化学环境，即用NaHCO3配置成与本区现代地下水相当的pH 值＝8 的弱碱性HCO3－水溶液，采用固液比为1∶10，在室温（20 ℃）条件下分别浸泡7 天、15 天和30 天（每天搅拌1～2 次），各取浸液一次进行铀含量分析（表2）。分析表明下白垩统清水河组底砾岩铀含量为（1.96～104）×10-6，较一般沉积岩高，也较准噶尔盆地周缘蚀源区酸性侵入岩高。所有样品在浸泡7 天后，基本将其中的活性铀浸出，后期浸出液中铀含量变化不大。30 天总浸出率为0.33%～7.86%，平均为2.24%，而周缘蚀源区酸性侵入岩铀浸出率为0.05%～1.90%，平均为0.91%［18］，远远低于清水河组底砾岩。由此可见，本区下白垩统清水河组底砾岩铀本底值较高，而且其中铀浸出率较蚀源区高出2～3 倍，是中下侏罗统充足的铀源体，而且活性铀搬运距离短，是一个高效铀源体。

表2 头屯河地区清水河组底砾岩铀本底和铀浸出率Table 2 Uranium background value and active uranium leaching rate of conglomerate at the bottom of Qingshuihe Formation in Toutunhe area

3.2 构造

头屯河地区在构造上属于准噶尔盆地南缘西部断褶带，南邻北天山构造带。晚古生代至今，准噶尔盆地南缘经历了多期构造运动，古生代为增生造山阶段，中生代开始进入陆内演化阶段，特别是新生代受到南侧印度和欧亚板块碰撞的影响，天山山脉快速隆升，向两侧盆地强烈逆冲，导致中、新生代地层发生强烈变形。

晚侏罗世—早白垩世，拉萨地块与欧亚板块发生碰撞，天山地区受此影响构造活动开始活跃，北天山开始隆升并向北逆冲，准噶尔盆地南缘中、下侏罗统发生构造抬升和剥蚀作用，造成下白垩统清水河组与上侏罗统喀拉扎组（或齐古组）之间的不整合接触，亦形成了头屯河地区山前第一成矿斜坡带。随着构造活动的继续，喀拉扎断裂向南逆冲，致使其北侧中、下侏罗统产生掀斜［29］，从而在头屯河地区形成了第二成矿斜坡带，并与山前第一成矿斜坡带一起构成了本区双重斜坡带的格局（图3）。

图3 头屯河地区双重成矿斜坡带构造Fig.3 Structure of double metallogenic slope zone in Toutunhe area

成矿年代学研究表明，我国天山山间盆地（伊犁盆地和吐哈盆地）内典型铀矿床的主要成矿年龄为48～38 Ma；塔里木盆地北缘萨瓦甫齐铀矿床的主要成矿年龄为39 Ma［30］。可见，天山山间盆地和南侧盆地均在古近纪期间发生了大规模成矿作用。刘红旭等［31］研究显示，该期成矿作用在天山山间盆地和两侧盆地内具有普遍性，被称为新疆地区砂岩型铀矿的主成矿期。白垩纪—古近纪，头屯河地区两个成矿斜坡带整体表现为较稳定的缓慢抬升，其上覆地层的沉积范围相比于侏罗系明显减小，沉积边界开始明显向北迁移。而在斜坡带南部边界，中下侏罗统和下白垩统被掀斜，靠近地表，有利于来自蚀源区的含铀含氧水对目的层进行长期蚀变改造并成矿。

中新世末（10 Ma）以来，天山及其邻区发生强烈的隆升和逆冲推覆作用。随着逆冲作用的持续进行，本区双重斜坡带的格局遭到破坏，尽管南部山间盆地内可能有铀矿体残留，如松树头铀矿点，但紧邻北天山的第一成矿斜坡带之上的铀矿体已被剥蚀殆尽；而远离造山带的第二成矿斜坡带抬升剥蚀量较小［31］，因此基本保留了原始的单斜构造形态，其上仍残留有部分铀矿体，如喀拉扎断裂北侧的硫磺沟背斜两翼的铀矿体。

3.3 古气候演化及有利沉积建造

晚三叠世—早白垩世早期，头屯河地区古气候大致经历了潮湿—半干旱—潮湿—半干旱—干旱5 个演变阶段［32］。

早侏罗世延续了晚三叠世晚期的成煤环境，以温暖潮湿的气候为主，下侏罗统八道湾组表现为辫状河三角洲相沉积，主要发育暗色含煤碎屑岩建造，下段主要为中粗砂岩和细砂岩为主，夹粉砂岩和碳质泥岩及煤线；中段主要为泥岩和泥质粉砂岩为主，代表了一个大规模的湖浸过程；上段中厚层状粗砂岩与泥岩、粉砂岩互层，夹碳质泥岩、煤线，局部发育薄层红色泥岩，反映早侏罗世早期成煤环境遭受破坏，指示了气候的短期干旱。下侏罗统三工河组整体为一套湖浸体系下形成的细碎屑沉积物，以灰绿色、深灰色泥岩和砂岩不等厚互层为特点，总体上以泥岩为主，向东至吉木萨尔一带，粒度变粗，在三工河地区以砂岩为主，水西沟地区为砾岩与泥岩互层；向西至玛纳斯河一带，岩性主要为厚层砂岩、粉砂岩与粉砂质泥岩不等厚互层。

中侏罗世早期以暖温带潮湿气候为主，含煤地层发育，中侏罗世晚期气候由温暖潮湿型向偏干旱方向发展，出现半干旱、半潮湿的特点，中侏罗统西山窑组发育灰、灰绿色河湖相泥岩夹煤层和薄层砂岩，头屯河组发育河湖相杂色碎屑岩沉积，主要为灰、灰绿色、黄绿色与棕红色泥岩与砂岩互层，上、下粗中间细，中部夹泥灰岩及碳质泥岩或煤线。地层中自下而上红色层比例逐渐增加，指示气候逐渐干旱化。晚侏罗世，全球性升温事件持续了整个晚侏罗世，地层以单调的紫红色或棕红色砂砾岩为主，晚侏罗世—早白垩世沉积期间，上侏罗统齐古组和下白垩统清水河组底部发育薄层灰绿色粗砂岩和砾岩沉积，指示出现过短暂的半干旱-半潮湿气候。

3.4 有利目标层位及砂体发育特征

准噶尔盆地已知含矿层具有多层位的特点，从二叠系至新近系均有产出，准噶尔盆地南缘头屯河地区砂岩型铀矿主攻目标层位则主要为中侏罗统头屯河组（图4）和下白垩统清水河组［32］。

图4 头屯河地区头屯河组辫状河相沉积特征Fig.4 Sedimentary characteristics of braided river facies in Toutunhe Formation in Toutunhe area

头屯河组沉积时期，研究区碎屑物源供应充足，主要以河湖相沉积为主，为灰色、灰绿色、灰黄色、紫红色砂砾岩、细-粉砂岩、泥岩相交互的地层，上、下粗中间细，中部夹泥灰岩及碳质泥岩或煤线。砂岩总体厚度自北向南递增，在20～130 m 之间。白垩系总体砂体不发育，且都以红色-褐红色为主。目前，下白垩统清水河组底部为一套扇三角洲相底砾岩沉积，颜色主要为灰绿色，偶含炭屑，含丰富的黄铁矿，厚度在5～23 m 之间。

总体而言，头屯河地区早中侏罗世和早白垩世早期砂岩中含较多的炭屑及黄铁矿，并夹灰色、灰黑色泥岩或煤层，具有较高的还原容量（图5），为该区铀的富集提供了良好的容矿空间，其后多期次的干旱古气候环境对蚀源区铀元素的活化迁移提供了便利，同样为铀元素的富集奠定了物质基础。因此总体来说研究区是一个有铀成矿潜力的区域。

图5 头屯河地区铀矿（化）点含矿砂岩层的还原介质Fig.5 Reduction medium of ore-bearing sandstone layer in uranium mineralization occurrences in Toutunhe area

3.5 氧化带发育特征

准噶尔盆地南缘氧化带保存较少，从目前地面观测和钻孔调查情况分析，头屯河地区三工河组、头屯河组和清水河组氧化带发育和保存条件最好，发育有古层间氧化叠加油气-潜水氧化带和潜水氧化带。

3.5.1 古层间氧化叠加油气-潜水氧化带

在白垩纪—古近纪较为稳定的沉积期内，本区以宽、浅湖相沉积为主，沉积边界开始明显向北迁移，未发现大面积砾岩等不稳定沉积组分；古近系基本继承了白垩纪沉积特征，主要以河流相-湖相沉积为主，其盆地边界、盆山格局也与白垩纪相似。白垩纪—古近纪稳定的构造环境有利于盆缘含铀含氧水长期对中下侏罗统目的层进行改造，从而在此期间形成了准噶尔盆地南缘区域古层间氧化带。

古近纪之后，在喀拉扎断裂在形成过程中，断裂切穿了中下侏罗统甚至三叠系，深部含油气热卤水沿断裂上移［33］，浸入上部头屯河组、齐古组、喀拉扎组和清水河组等地层，提高了地层的有机质容量，同时在断裂带中形成方解石脉和地沥青充填，后与地表含铀含氧水混合，进而对成矿斜坡带的古层间氧化带进行了改造。这种适度的含油气流体的浸入对本区古层间氧化带型铀矿的保护及后期潜水氧化型铀矿的形成非常有利。阿德岗矿点为典型的油气侵入叠加潜水氧化成因，地表可见潜水氧化淋滤形成的铁锰质团块，并含有片状石膏充填其中，有铀异常。

3.5.2 潜水氧化带

头屯河地区三工河组、头屯河组和清水河组均发育不同程度的潜水氧化带。其中，三工河组中的潜水氧化带主要见于郝家沟地区，发育于三工河组上段，由北向南氧化程度逐渐变强。砂体颜色变化规律为黄灰色、含黄色氧化斑点和黄色，具有潜水氧化带特征。头屯河组砂砾岩中的氧化带在头屯河地区广泛发育（图6），在硫磺沟背斜南翼可见地表呈黄色、土黄色，氧化带与原生灰色带有清晰的灰黑色过渡条带，经扫描电镜和能谱分析，灰色主要为褐铁矿和锰的高价氧化物；清水河组底砾岩中的潜水氧化带主要见于冬窝子矿点，呈红黄色，发育规模不大，主要呈条带状，氧化程度不高，没有发现底砾岩整体被氧化的现象，而根据前期在冬窝子矿点的钻探工程完成的南北向联孔剖面显示，条带状氧化带在冬窝子矿点南侧（浅部）发育多层，而在北侧（深部）钻孔氧化带明显较少，且快速尖灭，为典型的潜水氧化成因。

图6 硫磺沟矿点（小北沟）油气漂白带残留的褐红色氧化砂体Fig.6 Maroon oxide sand body remaining in the oil and gas bleaching zone of Liuhuanggou uranium occurrence（Xiaobeigou）

4 铀成矿模式及找矿方向

4.1 铀成矿模式

根据头屯河地区区域地质背景、铀成矿地质特征、成矿地质条件及铀矿化发育特点、铀成矿成因机制等，考虑到头屯河地区构造活动强度以及对盆缘铀成矿作用的改造方式等因素，认为头屯河地区铀成矿模式为强构造改造背景下的叠加改造成矿，铀成矿发育过程可分为3 个阶段（图7）。

图7 头屯河剖面双重斜坡带成矿模式Fig.7 Ore-controlling model of dual-slope zone of Toutunhe section

1）含矿建造形成期-铀的预富集阶段

早中侏罗世，天山地区处于准平原化状态，准噶尔盆地南缘稳定沉降水体与盆地的中央坳陷区相连，在暖温带潮湿气候控制下，中下侏罗统发育厚层煤层、碳质泥岩层，之上发育了富含有机质、炭屑的灰色砂砾岩层。中侏罗世晚期古气候向干旱炎热型转变，头屯河组上部沉积了一套以泥岩、细砂岩为主的杂色岩层，为铀成矿提供了很好的容矿空间的同时，也接受了来自中天山和北天山的中酸性花岗岩碎屑物质，在地层中形成了早期的铀预富集［34］。

中下侏罗统发育的厚层煤层、碳质泥岩层作为古层间氧化作用的隔水底板，头屯河组上部发育的泥岩、细砂岩为主的杂色岩层作为古层间氧化作用的隔水顶板，这种泥-砂-泥的地层结构有利于来自天山的含铀含氧水的渗入。

2）主成矿期

晚侏罗世—早白垩世，受拉萨地块与欧亚板块碰撞远程效应影响，天山地区构造活动开始活跃，北天山开始隆升并向北逆冲，准噶尔盆地南缘侏罗系发生构造抬升和变形，并形成了下白垩统与上侏罗统之间的区域性不整合面。同时，喀拉扎断裂开始形成，造成其北侧早侏罗世地层发生掀斜，形成本区南北两个斜坡带的双重斜坡带格局。

晚白垩世—古近纪，这是本区砂岩型铀成矿的主要时期，在此期间准噶尔盆地南缘整体发生较稳定的缓慢沉降，地层沉积范围相比侏罗系明显减小，这有利于含铀含氧水对盆缘中下侏罗统目的层进行长期蚀变改造，可在盆缘形成大面积古层间氧化带型砂岩型铀矿。具体而言，由于本区具有双重斜坡带箕状凹陷特点，在箕状凹陷周缘山前第一斜坡带上可大规模形成古层间氧化带及铀矿化，同时，在第二斜坡带上也形成了古层间氧化带铀矿体。

3）后期改造保矿期

中新世末（10 Ma）以来，天山及其邻区发生强烈的隆升和逆冲推覆作用。由于强烈的构造挤压与抬升剥蚀，本区双重斜坡带的格局遭到破坏，早期形成的古层间氧化带型铀矿体抬升至地表而被强烈剥蚀殆尽，而在构造抬升相对缓和的第二成矿斜坡带可能有部分古矿体保留下来。

4.2 找矿方向

判断一个研究区是否具有找矿前景，需要考虑两个因素：在地质演化过程中是否发生过成矿作用；成矿期后的构造演化是否有利于矿体保存［31］。

白垩纪—古近纪，头屯河地区两个成矿斜坡带整体表现为较稳定的缓慢抬升，在斜坡带南部边界发育了大规模铀成矿作用。中新世末以来，天山及其邻区发生强烈的隆升和逆冲推覆作用，本区双重斜坡带格局遭到破坏，第一成矿斜坡带因紧邻北天山，构造活动强烈，之上的铀矿体已被剥蚀殆尽，第二成矿斜坡带远离造山带，地层抬升剥蚀量较小［22］，基本保留了原始的单斜构造形态，其上古层间氧化带和部分铀矿体得以保存，又因喀拉扎断裂导通地下水和含油气热卤水而接受后期改造，使古层间氧化带和铀矿体变得复杂。

5 结论

1）从铀源、构造背景、古气候演化及有利沉积建造、砂体发育及后生氧化蚀变等成矿条件分析，头屯河地区具有较大的砂岩型铀矿找矿潜力，主要找矿层位为中侏罗统头屯河组和下白垩统清水河组，找矿类型为古层间氧化带型叠加油气-潜水氧化和潜水氧化型。

2）蚀源区富铀火成岩和下白垩统清水河组底部砾岩层为头屯河组和清水河组铀成矿提供了丰富的铀源；早中侏罗世和早白垩世早期，形成于亚热-温湿性古气候和半干旱-半潮湿环境下的富含炭屑、有机质和黄铁矿等还原性物质的含煤碎屑沉积建造，为该区铀的富集提供了良好的容矿空间，且垂向上泥-砂-泥的地层结构有利于来自天山的含铀含氧水的渗入、古层间氧化作用的发育和铀的富集；构造掀斜为含铀含氧水的渗入改造提供的构造条件，也为大规模的古层间氧化带和潜水氧化带的发育提供了物质基础。

3）头屯河地区现今地层变形强烈，受到明显的抬升和剥蚀，但在铀成矿时期，本地区处于较稳定的构造环境，只是在成矿期后地层被褶皱抬升剥蚀，在构造变形相对较弱的部位铀矿体可能被保存下来，形成剥蚀残留型古矿。此外头屯河地区古层间氧化带型和潜水氧化带型砂岩铀矿化受铀源、构造活动、地层结构、沉积建造、氧化带和还原介质多重控矿因素影响。从构造保矿角度分析，第二成矿斜坡带有利于前期“古矿”的保存，是寻找古层间氧化带砂岩型铀矿化的优选地段。因此，在准噶尔盆地南缘头屯河地区，应将找矿方向从不利于保矿的山前褶皱冲断带强构造变形区转移至靠近第二排构造带的单斜区域。