新疆三塘湖盆地牛圈湖地区盖层特征及砂岩型铀成矿条件分析

2022-06-24郑国栋罗强黄国龙唐湘飞吴建勇韦昌鑫

西北地质 2022年2期

郑国栋，罗强,*，黄国龙，唐湘飞，吴建勇，韦昌鑫

(1.核工业二九〇研究所，广东韶关 512026；2.广东省环境保护核辐射追踪研究重点实验室，广东韶关 512026；3.广东省放射性生态环境保护工程技术研究中心，广东韶关 512026；4.核工业二一六大队，新疆乌鲁木齐 830011)

铀矿床类型复杂多样(张金带，2012)，其中，砂岩型铀矿在全球铀矿“家族”中占有十分重要的地位(张金带，2016)。在20世纪90年代中国主攻北方砂岩型铀矿的背景下，在三塘湖盆地先后开展过不同小比例尺铀矿资源调查评价(核工业华东地质局二七一大队，1997，1998)，并前后有不同学者从水文地质条件、地貌、基底等不同角度对整个盆地进行了较为系统的研究与铀成矿条件分析(金和海，2003；赵宝光等，2004；白志民等，2009；唐湘飞等，2009；黄大友等，2012；刘惠华，2014；洪涛，2018)，最终确立区内铀矿找矿目标类型为层间氧化带型。铀矿找矿目的层有侏罗系西山窑组、头屯河组及新近系昌吉河群；局部地区发现了受层间氧化带控制的铀矿化(唐湘飞等，2009)。值得提出的是，三塘湖目前仍未发现工业铀矿化，仅在局部地区发现了受层间氧化带控制的铀矿化，且以往工作主要集中在盆地西部的汉水泉和淖毛湖地区，盆地内中东部大部分区域仍然缺乏大比例尺资料和目的层钻孔资料(牛圈湖地段)。近年来，得益于煤矿勘查工作的开展，在牛圈湖地段发现局部放射性较强，该地段位于盆地内前期铀矿工作的薄弱地区。因此，精细解剖牛圈湖地段铀成矿条件，对发现盆地内新的找矿空间，进一步发现工业铀矿化至关重要。

1 地质背景

三塘湖盆地位于新疆维吾尔自治区东北部，伊吾县和巴里坤哈萨克自治县境内，南与吐哈盆地隔山相望，西与准噶尔盆地相邻，北与蒙古国接壤，盆地主体呈北西—南东向条带状夹持于苏海图山与莫钦乌拉山之间，南北宽约46 km，东西长约500 km，面积约23 000 km2(欧阳征健等，2006；鲁海鸥，2012)。盆地是古生代早期西伯利亚古板块与哈萨克斯坦板块碰撞形成的前陆盆地(图1)，表现为东北逆冲推覆隆起带与西南逆冲推覆隆起带夹持的中央坳陷带，呈两隆夹一坳的构造格局(图2)。中央坳陷带又由10个次级构造单位组成，自北西至南东依次为乌通凹陷、小青凸起、汉水泉凹陷、红疙瘩凸起、条湖凹陷、岔哈泉凸起、马郎凹陷、方方梁凸起、淖毛湖凹陷及苏鲁克凹陷(唐湘飞等，2009)。南北逆冲推覆隆起带构成盆地南北主要蚀源区，出露泥盆系、石炭系、二叠系，有少量华力西期侵入岩(俞仁连等，1996；唐湘飞等，2009)。前人对盆地基底和盖层形成演化已有一定的研究(Li et al.,1998；Liegeois et al.,1988; Coleman,1989; 肖序常等，1992；汪双双，2013)。认为盆地整体大致经历了7个演化阶段，分别为基底构造演化阶段、寒武纪—泥盆纪洋盆开启闭合阶段、早石炭世残留海盆地演化阶段、中晚石炭世—早二叠世雏形盆地发育阶段、晚二叠世前陆盆地发育阶段、三叠—白垩纪坳陷盆地发育阶段及古近纪—第四纪再生前陆盆地发育阶段(欧阳征健，2003；刘艳，2010)。盆地中新生代盖层由中—上三叠统小泉沟群、侏罗系、下白垩统吐谷鲁群、古近系—新近系和第四系组成。

1.大断裂；2.盆地边界；3.地名及位置

牛圈湖地区位于三塘湖盆地马朗凹陷内。马朗凹陷位于三塘湖盆地中央坳陷带的中南部，西至西峡沟，东至三塘湖以东地区，平面上围绕条山凸起形成了一系列平行于条山凸起近东西走向的大型鼻隆构造带；这些鼻隆构造带自东向西倾伏于凹陷中(司学强等，2015)，可进一步细分为岔哈泉构造带及牛圈湖-牛东构造带(图2)。凹陷内出露侏罗系主要为中—上侏罗统、缺失下侏罗统。牛圈湖地区在马郎凹陷内构造特征整体为近东西向展布的宽缓背斜，南北两侧受背冲逆断裂夹持(高岗等，2006；文静等，2011；盛军等，2016)。

1.盆地边界；2.逆断裂；3.地层尖灭及起始剥蚀线；4.构造带；5.凹陷；6.凸起

2 牛圈湖地区盖层特征

2.1 盖层地层沉积序列

在结合前人资料及本次地表调查的基础上，对牛圈湖地区的盖层沉积序列进行对比分析，厘定了该地区的盖层沉积序列(图3)。

图3 新疆三塘湖盆地牛圈湖地段地层划分沿革图

2.1.1 侏罗系

出露侏罗系主要为中侏罗统西山窑组和头屯河组。

西山窑组:区内主要岩性为黄色球状含粉砂质泥岩、灰白色硅质粉砂岩、中厚层状岩屑长石粗砂岩、含砾粗砂岩、褐色细粒铁质岩屑砂岩及泥岩，夹煤层、煤线及菱铁矿透镜体;最大可采煤厚度达30多米；水平层理、平行层理及交错层理发育(图4a);常见球形风化(图4b)、煤层、煤线(图4c)和菱铁矿结核(图4d)，区别于其他地层。

头屯河组:主要岩性为灰、褐灰、黄色、砖红色砾岩、含砾砂岩、长石岩屑砂岩夹铁质砂岩、铁质粉砂岩、泥岩及煤线，底部见有砾岩、板状交错层理(图4e)、菱铁矿薄层(图4f)或透镜体;以砂岩为主夹极少煤线、菱铁矿薄层；地层受强烈风化作用，多呈土状，形成低缓地形。

2.1.2 白垩系

白垩系在该地区主要出露地层为吐谷鲁群，主要岩性为灰色、浅褐色、浅黄色、砖红色砾岩、砂岩(图4g、图4h)及泥岩；可见有硅化木，发育平行层理、水平层理，形成丹霞地貌特征。

a、b、c、d.西山窑组；e、f.头屯河组；g、h.吐谷鲁群；i、j.安集海河组；k、l.独子山组

2.1.3 古近系—新近系

主要出露古近系安集海河组和新近系独子山组。

安集海河组:前人对盆地内古近系始新世上部—渐新世下部的这套地层称为乌伦古河组。在准噶尔盆地北缘该套地层沉积称为乌伦古河组，准噶尔盆地南缘则统称为安集海河组(新疆维吾尔自治区地质矿产局，1999)。安集海河组主要出露岩性为灰白色、砖红色泥岩夹同色泥灰岩(图4i)、薄层砂岩、砾岩及介壳层；发育交错层理、平行层理(图4j)；形成丹霞地貌特征。野外所采样品镜下薄片显示，岩石成分有方解石、石英、长石、岩屑、黏土矿物和不透明矿物，可见多条碳酸盐岩脉，滴稀盐酸起泡强烈，表现为明显的泥质灰岩特征。综合分析，该套地层应划归于安集海河组较为合适。

独山子组：出露地层一直被划分为昌吉河群，该群自下而上又可细分为沙湾组、塔西河组和独山子组(蔡土赐等，1999)。该群在区内出露岩性以苍棕色外貌为特征，岩性为苍棕色、褐红色、褐黄、土黄色砂质泥岩(图4k)、泥质砂岩夹砂岩及砾岩，可见钙质结核发育(图4l)，地貌上较为低缓。根据出露岩性特点，可将出露地层进一步划归于上新世独子山组。

2.1.4 第四系

第四系可细分为上更新统新疆群及全新统冲洪积物、湖沼积物2种成因类型，主要分布于山前、坡麓，沿冲沟两侧呈面状展布；地貌上呈略向南、南西或北东缓倾斜的山前洪积扇带，构成现代的戈壁滩。

2.2 盖层沉积构造演化

三叠纪早期，三塘湖—淖毛湖地区处于抬升阶段，缺失早三叠世地层，中—晚三叠世三塘湖—淖毛湖地区继承性沉降，形成了中—晚三叠世的河流、滨浅湖相沉积。牛圈湖地区缺失该时期的地层。早侏罗世，牛圈湖及周边地区整体抬升，缺失该时期地层。中—晚侏罗世由于应力松弛引起了盆地大幅度下沉，出现了开阔湖盆及河流三角洲。中侏罗统西山窑组经历了以湖盆北部大面积分布早期辫状河三角洲沉积向晚期的湖相沉积为主的转变，为一套含煤沉积建造；头屯河组则出现含菱铁矿薄层的河湖相沉积建造。早白垩世，由于地壳抬升，盆地范围缩小，盆地内堆积了下白垩统吐谷鲁群的一套红色碎屑岩建造；白垩世末期，地壳全面抬升，造成盆地中缺失上白垩统。

自古新世开始，构造运动以差异性垂直升降为主，山区被抬升，而湖盆范围又进一步扩大，湖相沉积直接超覆于古生界之上，堆积了始新统—渐新统安集海河组的一套湖相细碎屑岩建造。到新近纪湖盆范围继续扩大，在此时期区域上接受了上新统独山子组湖相细碎屑岩沉积。第四纪早期(早更新世)由于地壳上升和冰川发育而使湖盆干涸，中—晚更新世主要为洪积沉积，沿山前形成广阔的洪积平原。

3 找矿目的层的确定

整个盆地的找矿目的层有侏罗系西山窑组、头屯河组及新近系昌吉河群(唐湘飞等，2009)，但在盆地的不同区段，找矿目的层可呈现不同的定位。牛圈湖地区位于三塘湖盆地东西坳陷的分隔部位，地表西山窑组、头屯河组出露较好的红色、黄色氧化砂岩及灰色、灰黑色的泥岩及泥质粉砂岩，存在透水性好的砂岩层，厚度适中；深部存在多层煤层，与泥质岩层可共同形成良好的顶底板隔水层，在马朗—淖毛湖一线以北可直接出露地表，顶板埋藏浅(金和海等，2003),牛圈湖地段西山窑组、头屯河组2地层底板埋深多小于1 000 m。综合分析，该地区找矿目的层为中侏罗统西山窑组、头屯河组。

4 铀成矿条件分析

4.1 铀源条件较好

据前人资料，三塘湖盆地铀源较丰富，老地层中U含量一般为2.5×10-6，侏罗系与下白垩统U含量为2×10-6～4×10-6。在东部坳陷下白垩统及头屯河组、西山窑组灰白-黄褐色含煤地层中，U含量高并形成异常或矿化带(洪涛，2018)。例如，产于牛圈湖淖毛湖一带头屯河组灰色粉砂岩中的131号矿化带，东西长1 000 m，南北宽700 m，呈透镜状分布。已有资料表明，以酸性火成岩和高级变质岩原岩为泥质岩的基底盆地, 其铀源条件最为优越；区内分布较大面积的花岗岩，该区的铀源条件也相对较好(赵宝光等，2004)。盆地东北部中酸性花岗岩类分布面积较大，石炭纪火山岩类广泛发育，能为盆地东北缘提供较丰富的铀源，对成矿相对有利。盆地东部坳陷内U含量较高的地层不仅提供盆地盖层沉积物中的U，也可以为盆地地表、地下水提供铀源。

4.2 有利的岩性、岩相条件

从铀的成矿条件分析，有利于后生砂岩型铀矿化形成的砂体类型必须是渗透性好的层状砂体、席状砂体、似层状砂体或带状砂体。从沉积相和沉积体系来看，能形成这种砂体的沉积体系有辫状河流沉积体系、辫状河三角洲沉积体系、扇三角洲沉积体系、滨湖三角洲沉积体系和滨海三角洲沉积体系等(余达淦等，2004)。前文已叙述，牛圈湖找矿目的层为西山窑组和头屯河组。

西山窑组岩性以浅黄色、黄褐色、黄绿色、灰色泥岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩、夹煤层煤线为主；煤层单层厚度较大，为15～20 m，普遍含碳化植物碎屑；在区域上有稳定的隔水层，砂体薄，胶结作用不强，砂体粒度相对较细，以中细粒为主，泥-砂-泥结构较好。岩相上，从整个马朗凹陷来看，西山窑组主要发育辫状河三角洲和湖泊相，西山窑组沉积环境主要由早期辫状河三角洲为主向晚期湖泊相为主演变，整体为一个水进过程(司学强等，2015)；牛圈湖一带主要为辫状河、辫状河三角洲相(图5)。

1.辫状河；2.辫状河三角洲、前三角洲；3.泛滥平原；4.辫状河三角洲平原；5.滨浅湖；6.基底；7.山脉

头屯河组岩性以黄褐色、砖红色、灰色、灰白色砂岩、砾岩、泥岩夹铁质砂岩、铁质粉砂岩为主，可见煤线；砂体厚度较大，泥-砂-泥结构较好；在砂体中发现了较多的黄铁矿、有机质碳屑等还原物质，显示有利还原环境。岩相上，头屯河组在盆地中东部主要为一套冲积扇-辨状河-湖相沉积(图6)，牛圈湖地区主要为辫状河相及浅湖相(图6)。2地层皆显示较为有利的岩性、岩相特征。

1.中新生代盆地边界；2.头屯河组残留边界；3.岩相界线；4.主要地名；5.冲积扇、扇三角洲相；6.辫状河相；7.河湖交互相；8.浅湖相

4.3 后生蚀变发育

研究表明，目的层岩石中发育明显的后生氧化蚀变作用，分带性越明显，铀成矿的可能性越高。三塘湖盆地由于后期气候极端炎热、地层长期暴露于地表遭受剥蚀，具备发育氧化作用、层间氧化作用的条件。地表可见牛圈湖地区头屯河组(图7a)、西山窑组(图7b)出露多层氧化砂岩，后生氧化蚀变十分明显。牛圈湖地区ZKL4001钻孔中西山窑组发育2套层间氧化砂体(图7c)，砂体厚约15～30 m，岩性主要为中砂岩、细砂岩，以泥质胶结为主，次为铁质、钙质胶结，砂岩固结较疏松；在ZKL4002钻孔则发现头屯河组层间氧化砂体(图7d)，氧化砂体厚约30 m，岩性以细砂岩为主，少量中砂岩，泥质、铁质胶结，固结较疏松。2组地层地表及深部皆可见明显的后生氧化蚀变发育。

a、d.头屯河组地表及钻孔氧化砂岩；b、c.西山窑组地表及钻孔氧化砂岩

4.4 有利的古气候条件

据准噶尔盆地中新生代古气候演化特征，对砂岩型铀成矿作用研究表明，铀矿化目的层位多为潮湿-半潮湿古气候环境控制下产物(杨烨等，2016)。来自牛圈湖北西缘塘浅3井的孢粉资料显示，中侏罗统西山窑组可见孢粉组合：Cyathiditesminor-Osmundacidites-Cycadopites-Quadraeculina，以喜温湿和湿热的分子为主，延续了早侏罗世晚期的气候，古气候以温湿为主；中侏罗统头屯河组则可见孢粉组合:Kraeuselisporitesma-nasiensis-Classopollis-Quadraeculina，出现指示干旱环境的Classopollis，喜湿分子相对减少，主体仍为亚热带气候环境，但气候较西山窑组沉积时期相对干燥些(黄嫔，2002)。孢粉化石反映的古植被类型揭示牛圈湖地段经历了中侏罗世早期温带或亚热带气候向晚期亚热带气候的转变，这种气候有利于在西山窑组及头屯河组沉积时期形成铀矿化。

4.5 有利的水文地质条件

渗入型流水盆地因其可为铀溶解与迁移提供很好的水动力条件，是形成典型层间氧化带砂岩型铀矿不可或缺的有利成矿条件之一(徐争启，2013)。三塘湖盆地是具有正向水文地质和水文地球化学分带的渗入型坳陷盆地，具丰富的水源补给区(金和海，2003；黄大友等，2012)。据盆地内构造特征，又可分为西部自流水区及东部自流水区，各区具有完整独立的补-径-排系统。

牛圈湖地区位于盆地东部自流水区，东部自流水区补给区为盆缘基岩山区，主要为南部的天山—北山(巴里坤北山)、北部的沙依苏北山；补给来源则以南侧的北天山中高山区侧向补给为主，尤其是地表径流及山间溪水和泉水对地下水的补给；地下水总体上沿坳陷边缘山前戈壁地带顺地形坡度运移，最后呈东向西径流；东部坳陷排泄区位于牛圈湖、马郎和汗虚一带，排泄区主要在马朗、大盐池及小盐池一带，淖毛湖北缘断裂及淖毛湖南缘基底断裂形成排泄窗，总体上以断裂上升泉、洼地的形式表现(黄大友等，2012)。从古水文地质条件分析，盆地地下水的径流方向曾发生过倒转，目的层中侏罗统西山窑组、头屯河组广泛发育潜水及层间氧化作用。

有学者通过对盆地内地下水进行系统取样分析，认为盆地内潜水层随着水的矿化度增加，水中U含量有增高的趋势(黄大友等，2012)。笔者通过对牛圈湖及周边地区14个水化学样的采集分析(表1)，可以看出排泄区水化学样矿化度及U含量明显高于径流区，表现为较明显地随着水矿化度的增加，水中U含量随之增高，U含量最高可达2.5×10-3g/L，矿化度最高可达149.05 g/L。而盆地深部层间水中U含量低于同地区表生带水时，表现出随着水化学成分的形成和深度的增加，水中U含量降低，这种变化规律有利于形成层间氧化带型水成铀矿化(黄大友等，2012)。

表1 三塘湖盆地牛圈湖及周边地区水化学类型水平分带规律统计表

4.6 层间氧化带前锋线走向与放射性煤田异常孔分布对应较好

近年来，铀矿勘查工作中对于煤田和石油钻孔资料的收集和二次开发至关重要，尤其是筛选放射性异常钻孔，进行钻探验证(刘文进等，2019)。将已收集到的煤田钻孔资料进行二次开发，对牛圈湖地段的层间氧化带进行大致预测。结果显示，头屯河组和西山窑组层间氧化带分布范围连续，从鸭子泉一直可以连续到马朗以东。其中，预测头屯河组层间氧化带前锋线走向整体呈北西向，总长度可达120 km；西山窑组在梧桐窝子以东层间氧化带前锋线走向呈北西向，以西则转变为北东东向展布，总长度约115 km(图8)。

1.第四系；2.新近系独子山组；3.古近系安集海河组；4.下白垩统吐谷鲁群；5.中侏罗统头屯河组；6.中侏罗统西山窑组；7.上二叠统；8.中—上石炭统；9.下石炭统；10.华力西期花岗岩类；11.自然伽马值异常的煤田钻孔；12.地层整合界线；13.地层不整合界线；14.隐伏断层；15.性质不明断层；16.公路；17.预测的头屯河组层间氧化带前锋线；18.预测的西山窑组层间氧化带前锋线

同时，牛圈湖地区北侧及南东侧存在较多的自然伽马测井异常钻孔，主要是NW9ZK4、ZK0306等11个钻孔部分层段具有高放射性异常(表2、图9)。通过对比钻孔中自然伽马异常对应的岩性，发现自然伽马异常主要对应2种岩性：一种为异常最高值出现在红色砂岩中，岩层上下多为砂质泥岩、泥岩，表现为较好的泥-砂-泥结构；另一种多出现在粉砂、细砂岩与砂质泥岩接触界线附近。2种岩性均分布在煤层之上。

1.中—新生界；2.古生界；3.侵入岩；4.断裂；5.地点；6.石油孔；7.铀矿化点；8.铀异常点；9.油气区及生油层位

表2 三塘湖盆地牛圈湖地区煤田钻孔放射性异常统计表

可以看出，预测层间氧化带前锋线走向与煤田自然伽玛异常钻孔分布位置具有较好的对应关系。

4.7 盆地内目的层已有铀矿化和异常发育

盆地东部地表可见西山窑组、头屯河组铀矿化异常点。例如，128异常点、131矿化点等。同时，深部揭露钻孔也可见西山窑组、头屯河组层间氧化带砂岩型U异常显示。例如，汉水泉地区ZKH1005、ZKW1003等孔，自然伽玛曲线双峰形态明显，与层间氧化作用有关。在盆地东部淖毛湖L1号勘探线头屯河组砂岩中揭露到U异常，层间氧化砂体厚约9 m，埋深58～67 m，异常砂岩厚约0.5～1.3 m，层间氧化现象较明显，说明盆地目的层具备一定的铀成矿潜力。

4.8 油气资源条件为砂体提供了有利的次生还原条件

三塘湖盆地油气勘探始于20世纪90年代，随着石油勘探程度的不断提高，在盆地内马朗、条湖凹陷发现了5个油田、2个含油气构造。其中，有北小湖、牛圈湖、黑墩、马中4个油田投入开发(王盛鹏，2013)，在二叠统及中—下侏罗统中获得工业油流生油岩层(洪涛，2018)(图9)。马朗凹陷主要可见黑墩、马中、牛圈湖3块油田。其中，马朗凹陷的牛圈湖油田侏罗系西山窑组油气藏属于背斜油气藏，在背斜附近有断裂与下伏芦草沟组烃源岩沟通，而这种配置有利于形成油气藏(高岗，2010)。此外，在牛圈湖北东的塘浅3井西山窑组中也发现了含油迹砂岩(洪涛，2018)。

结合盆地断裂构造发育特征认为，一些断裂构造切穿盆地基底，当断裂构造延伸到侏罗系、白垩系会明显变弱(白志明，2009)。马郎凹陷油气中有大量还原性气体(CH4，H2S)逸出，沿马朗、条湖凹陷的2个含油气断裂构造上升迁移，在层间与含O、含U地下水相遇，使U还原富集。因此，马朗、条湖凹陷丰富的油气资源及切穿中新生代盖层断裂的存在可为该地段层间氧化带的发育提供充分的次生还原条件。

4.9 铀成矿前景分析

三塘湖盆地牛圈湖地段周边中酸性花岗岩类及石炭纪火山岩类广泛发育，铀源条件较好。目的层西山窑组、头屯河组在该地段出露较好，岩相表现为有利的辫状河、辫状河三角洲沉积，地表及深部可见明显的后生氧化砂体发育，有机质、黄铁矿含量高，砂体有效孔隙度为15%～25%，砂岩层结构松散，单层砂体厚度为15～60 m，岩层产状为15°～25°，处于相对稳定的构造环境，具有良好的“泥-砂-泥”结构，目的层顶板埋藏浅，底板埋深多小于1 000 m；中侏罗世古气候表现为以温暖潮湿为主向温暖半湿润为主的有利气候转变；地下水补给区主要来自周边的基岩山区，戈壁滩地貌自南向北地形起伏形成主要径流区，排泄区则主要位于牛圈湖一带的盐碱发育地，总体上呈断裂上升泉、洼地的形式；排泄区水化学样矿化度及U含量明显高于径流区，表现为较明显地随着水的矿化度的增加，水中U含量增高。目的层发育较连续的层间氧化砂岩，预测的层间氧化带前锋线走向与煤田自然伽玛异常孔分布位置对应较好，且周围油气区及含油气构造发育。综合分析，该地区成矿条件较好，铀矿工作程度低，是寻找层间氧化带砂岩型铀矿的有利地区，牛圈湖地区北侧一带煤田异常孔集中分布地段是下一步开展工作的重点靶区。