北山地区残留盆地砂岩型铀成矿潜力分析

2022-07-27牛霆鲁宝龙戴鹏飞贺锋张字龙孟龙

铀矿地质 2022年4期

牛霆，鲁宝龙，戴鹏飞，贺锋，张字龙，孟龙

（1.核工业二〇三研究所，陕西西安 710086；2.核工业北京地质研究院，北京 100029）

前人对北山地区的区域构造、岩浆活动、多金属成矿规律等进行了较为深入的研究［1-9］。20世纪80年代以来，煤田和石油等部门在北山地区相继开展了中-新生代盆地概略研究［10-23］，而铀矿工作仅局限在区域评价和地表调查，通过地表调查发现一批矿化点［24-29］。2000 年以来，中国核工业地质局进一步组织开展了评价和选区工作［30-35］，确定下白垩统为区内砂岩型铀矿主要找矿目的层。通过总结前人研究成果［30-35］，笔者认为北山地区砂岩型铀矿找矿工作还存在一些问题，一是北山盆地群是否具备古河道型铀矿找矿潜力，二是北山地区下白垩统是否还残留有砂岩型铀成矿有利相带，三是将北山盆地群作为一个整体泛盆还是独立盆地找矿。针对以上问题，本文在前人认识的基础上，进一步对盆地演化进行梳理，根据56 个钻孔揭露情况，筛选代表性钻孔进行系统对比分析下白垩统残留岩性-岩相特征，总结铀矿化特征，评价铀成矿潜力，以期为后续铀矿勘查部署提供指导。

1 区域地质背景

北山地区位于我国的西北部，包括甘肃省西北部和内蒙古自治区西部。从大地构造位置上而言，这一地区整体上位于哈萨克斯坦板块、华北板块和塔里木-卡拉库姆板块的交汇处。前人将北山地区划归为天山-兴蒙褶皱带的一部分［8］，由7 个大小不同的中-新生代沉积盆地组成（图1，表1）。

表1 北山地区各盆地特征简表Table 1 Characteristics of simplified stratigraphic strata of basins in Beishan area

图1 北山地区铀矿地质简图Fig.1 Sketch uranium geology map of Beishan area

1.1 地层

区内地层出露齐全，从元古宇至新生界均有分布。盆地基底主要由前中生界变质岩、加里东期、华力西期及燕山期中酸性侵入岩组成。盆地盖层自下而上发育有三叠系、侏罗系、白垩系、新近系和第四系（图2）。其中三叠系零星分布，中下三叠统二段井组为干旱环境下沉积的红色粗碎屑岩建造，上三叠统珊瑚井组为灰绿色河流-沼泽相沉积。侏罗系总体呈近东西向、北西西向展布，中下侏罗统为一套以灰色河流相沉积为主的含煤碎屑岩，受后期构造改造，岩石成岩度高，不利于砂岩型铀成矿，上侏罗统在区内缺失。白垩系在北山地区主要出露下白垩统，自下而上发育赤金堡组、下沟组和中沟组。赤金堡组为以冲积扇为主的杂色碎屑建造；下沟组为灰色、灰绿色河湖相、扇三角洲相沉积，为区内主要找矿目的层；中沟组为干旱环境下沉积的红色碎屑岩建造。新生界仅出露有上新统和第四系，其中上新统苦泉沟组呈近东西向展布，为干旱环境下冲积扇-湖相沉积形成［10］。

图2 北山地区盆地盖层综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of basins in Beishan area

1.2 构造

北山盆地群内主要发育近东西向（或北西西向）、北东向和北西向3 组断裂构造，对中-新生代盆地的形成、发展及后期改造有明显的控制作用。

近东西向（北西西向）断裂：是区域深大断裂，构成区内基底构造的基本构造框架。该组断裂具有形成早（元古宙、古生代已形成）、切割深、延伸远，并有长期、多期次活动的特点。在燕山期复活后，对侏罗纪盆地基底构造有明显的控制作用。新构造运动期仍强烈活动，对新近系及现代地貌也有明显的控制作用。在盆地内部多呈隐伏产出，大多被北东向及北西向断裂构造错断或改造。

北东向断裂：在区内较为发育，形成于晚侏罗世末期，为早白垩世的控盆断裂。该组断裂构造以左行正断层或左行剪切为主，断裂延伸不长，一般在几十千米到百余千米。该组断裂与北西向断裂构造存在相互作用，互有错断现象，组成共轭“X”型断裂系，或构成“L”或“反L”型构造组合，对白垩纪盆地基底形成起到明显的控制作用［34］，并对近东西向断裂构造有明显的错断现象。

北西向断裂：与北东向断裂构造形成时代相近，即形成于早白垩世早期，其形成规模及发育程度不如北东向断裂构造。断裂以右行剪切或正断层为主，对白垩纪盆地边界有一定的控制作用。该组断裂构造规模不大，长度一般在几十千米，多呈隐伏状产出，并对早期形成的近东西向（或北西西向）断裂构造有明显的错断。

1.3 岩浆岩

研究区处于特殊的大地构造位置，多期次构造运动导致侵入岩、火山岩多期次侵入与喷发，包括加里东期、华力西期、印支期和燕山期等不同时期的岩浆岩，且分布广泛，岩类齐全，超基性、基性、中性、中酸性、酸性岩类均有发育。华力西期是区域侵入岩最为发育的时期之一，以中酸性侵入岩为主，总体为近东西走向，分布受区域断裂控制，岩性主要为钾长花岗岩、二长花岗岩、花岗闪长岩、花岗岩。该期大多为富铀岩体，铀含量为（3.46～19.4）×10-6，钍含量为（9.32～75.10）×10-6，钍铀比约1.81～7.69，铀丢失程度高，此外岩体中及周边也形成了多个花岗岩型铀矿化及异常点带。

2 中-新生代盆地演化

1）三叠纪挤压抬升阶段

早-中三叠世，北山地区处于造山期的隆升环境中［9］，仅在局部小凹陷中堆积了近源粗碎屑沉积。经过晚二叠世—早-中三叠世造山-夷平后，晚三叠世在低洼地带沉积了一套河流-沼泽相堆积物。印支运动末期，本区普遍抬升，致使上三叠统遭受剥蚀。

2）早-中侏罗世裂陷、拉分盆地发生阶段

受早期燕山运动的影响，东西向构造开始活动，沿此方向产生了一系列的断陷，在断陷处形成了众多的早-中侏罗世沉积盆地［19-23］（图3a、图4a）。由于基底起伏不平，发育了以砾岩为主的山麓洪积相，随后渐变为河流-湖泊相沉积，部分地区还发育有沼泽相。中晚期时，由于断裂的进一步活动，水体逐渐加深，在盆地中央的半深湖-深湖相中，发育了暗色细粒沉积物，这一时期总口子为沉积中心。

3）晚侏罗世逆冲、剥蚀阶段

侏罗纪晚期，强烈的南北向挤压作用结束了早-中侏罗世断陷盆地的发育历史，伸展盆地发生强烈反转，整体处于抬升状态，缺失上侏罗统沉积［11-13，21，30］，中-下侏罗统大部分地区隆升地表遭受剥蚀，构造变形较为强烈。构造变形造成中-下侏罗统产状陡立，褶皱发育。

4）早白垩世拉分盆地全面发展阶段

早白垩世，北山地区转化为伸展的构造背景，形成一系列北东向构造，沉积盆地受断裂控制［22］（图3b），叠置在早-中侏罗世盆地之上或超覆在基底之上（图4b、c），局部地段北东向凹陷两侧的侏罗系为下白垩统提供物源（图4d）。依据沉积范围、古气候以及填充序列早白垩世可划分为早、中、晚3 个阶段。

图3 北山盆地群中-新生代地层沉积分布略图Fig.3 Sketch stratigraphic map of Mesozoic and Cenozoic in Beishan basin group

图4 北山盆地群侏罗纪以来构造演化示意图Fig.4 Schematic diagram of structural evolution of basins in Beishan since the Jurassic

早白垩世早期（赤金堡期）：为初始裂谷期，受北东向构造影响，形成一系列断陷盆地，此时盆地部分叠置在早-中侏罗世盆地之上，更多是超覆在基底之上。这一时期盆地以近源为主，处于填平补齐阶段（侏罗系可作为白垩系物源）。由于处于干旱为主的古气候条件之下，早白垩世沉积了一套以杂色-红色为主的陆源碎屑岩建造，总口子盆地煤田钻孔揭露有厚层砾岩。

早白垩世中期（下沟期）：从盆地演化初期的填平补齐阶段进入到较为稳定沉积阶段，湖盆扩张，从早期的山麓-河流相沉积，逐渐演变为河流三角洲相沉积为主，古气候由干旱转换为潮湿环境（总口子盆地至扎格高脑盆地见大量硅化木），形成一套灰色、深灰色碎屑岩、泥岩。这一时期，盆地之间局部连通，形成统一泛盆，现今的山体之上，普遍可见白垩系出露。滨浅湖亚相较为发育，河流-冲积扇等沉积相发育于盆地边缘。

早白垩世晚期（中沟期）：湖盆范围缩小，湖水变浅，形成一套灰绿色、杂色、红色冲积扇-辫状河-滨浅湖相碎屑岩沉积。

5）晚白垩世-中新世隆升阶段

白垩纪晚期，随着印度板块与欧亚大陆的碰撞俯冲，青藏高原的迅速隆起，北山地区全面隆升，下白垩统隆升地表遭受剥蚀，缺失上白垩统沉积。在古新世—中新世时期，继承了晚白垩世的构造特点，北山地区仍处于构造抬升剥蚀区，未接受沉积，且下白垩统长期以来处于剥蚀状态。

6）上新世坳陷阶段

上新世（喜山运动早期），近东西向构造再次活跃［23］，在南东、北西向挤压应力作用下，形成近东西向、北西西向坳陷盆地（图3c、图4e、f），沉积了一套红色河湖相粗碎屑岩。这一时期的沉积中心应该在骆驼泉—扎格高脑—总口子盆地东部一带，受挤压作用影响，下白垩统形成了平缓褶皱。第四纪（喜山运动晚期）以来，北山地区长期处于缓慢挤压隆起状态，上新统及下白垩统继续遭受剥蚀。

3 盆地残留地层岩性-岩相特征

3.1 地层残留厚度

地层残留厚度可以结合盆地演化来分析沉积盆地规模，对北山地区砂岩型铀矿找矿意义重大。各盆地现残留厚度变化较大，从100 m到1 600 m 不等［34］，沉积厚度较大的为总口子盆地、公婆泉盆地（图5），其次为黑鹰山盆地，而石板井、扎格高脑和红石山盆地残留厚度较小，多小于800 m。现今的下白垩统总体平缓稳定，仅发育宽缓的褶皱，表明早白垩世以来北山地区为整体隆升，盆山之间变化较小，因此现残留厚度可以客观反映沉积期公婆泉、总口子、黑鹰山盆地规模相对较大。

图5 北山盆地群下白垩统（K1）等厚度图Fig.5 Isopach map of Lower Cretaceous（K1）in basins in Beishan

通过对北山地区各盆地内钻孔筛选，优选深度较大、揭露相对完整的10 个钻孔进行对比分析（图6），下白垩统上部中沟组以红色碎屑岩建造为主，总体遭受剥蚀；下沟组以灰色碎屑岩建造为主，同样遭受一定剥蚀，但相对保存较好。其中公婆泉盆地下沟组未被剥蚀；总口子盆地部分地段中沟组剥蚀殆尽，下沟组同样遭受不同程度剥蚀，但残留地层尚有一定规模；扎格高脑盆地中沟组被完全剥蚀，下沟组残留厚度较小；黑鹰山盆地钻孔较少，从钻遇地层来看，仅中沟组遭受剥蚀，下沟组保存完整。由于盆地钻孔深度有限，下白垩统下部赤金堡组仅有少量钻孔揭露，但通过类比发现，赤金堡组分布有限，如扎格高脑盆地和公婆泉盆地边部，钻孔揭露至基底，但未见该岩组，进一步证实赤金堡期为填平补齐阶段，仅在小范围沉积。通过地层对比，研究区下白垩统虽遭受一定剥蚀，但下沟组灰色建造保存较好，且上部红色层剥蚀，形成大型天窗，有利于含铀含氧水的渗入。因此本区以下沟组为主要找矿目的层，具有一定的找矿潜力。

3.2 岩性-岩相特征

北山地区下白垩统沉积物源长轴方向为南西-北东［22］（图7a），短轴方向为南北侧向近源快速堆积（图7b、c），总体为一套冲积扇、扇三角洲、湖相沉积，局部发育辫状河三角洲、曲流河、三角洲相，岩性为棕红色、红色、灰色砂岩、砂砾岩、砾岩。赤金堡组岩性以棕红色夹灰色泥岩、含砾砂岩、砾岩为主，为近源快速堆积形成，以冲积扇直接入湖为主的沉积体系；下沟组总体以灰色建造为主，局部夹有棕红色夹层，岩性为灰色、深灰色、棕红色泥岩、细-粗砂岩、砂砾岩，以冲积扇-扇三角洲-湖相为主，局部发育有河流相，相带分异优于赤金堡组；中沟组沉积范围进一步扩大，但总体水体较浅，形成一套红色碎屑岩建造，湖盆中心为灰绿色、棕红色泥岩。

图7 北山盆地群下白垩统（K1）沉积剖面图Fig.7 Sedimentary profiles of Lower Cretaceous（K1）in basins in Beishan

晚白垩世以来的长期隆升作用使北山地区上部地层被剥蚀，现残留地层多为下沟组和底部的赤金堡组，而赤金堡组整体为红色建造，因此本文主要对下沟组特征进行分析。根据岩性、岩相及地层残留现状，现今盆地受剥蚀厚度不等影响，下沟组各盆地略有差异，但总体特征相似。下面以总口子盆地、公婆泉盆地、扎格高脑盆地和黑鹰山盆地为代表进行分析。

总口子盆地下白垩统下沟组主要为冲积扇-扇三角洲-湖相沉积体系（图8a），由南西向北东，粒度由粗变细，北部为大面积湖相沉积，东部红柳大泉一带发育大面积扇三角洲平原亚相。根据综合研究分析、矿化线索及邻区塔木素矿床特征对比，该相带为本区有利成矿相带。从总口子盆地下白垩统下沟组岩相特征来看，与北山地区总体沉积特征相似，具有代表意义。公婆泉盆地下沟组主要为一套冲积扇-曲流河-湖相沉积体系（图8b），岩性为棕红色、灰色砂砾岩、砂岩、含砾砂岩、泥岩，总体表现为由西向东沉积，且由东向西，粒度逐渐变细，盆地边缘发育河流-辫状河三角洲相沉积。扎格高脑盆地下沟组现残留地层上部主要为湖相沉积（图8c），岩性以灰绿色、灰色、深灰色泥岩夹薄层砂岩；下部为河流相沉积，以灰色、浅黄色、紫红色含砾砂岩、砂砾岩为主。通过电法解译结合地表调查，上部盆地南北两侧发育粗碎屑岩，但由于剥蚀作用，厚度不大。黑鹰山盆地下沟组以冲积扇、扇三角洲和辫状河三角洲为主，盆地中心为湖相沉积（图8d），其中砂岩型铀成矿有利相带扇三角洲平原相和辫状河三角洲相分布广泛，岩性以棕红色、灰色细-粗砂岩、含砾砂岩、砂砾岩为主。

通过上述4 个盆地岩性-岩相特征来看，北山地区下白垩统虽然遭受强烈剥蚀，但在总口子、公婆泉和黑鹰山盆地下白垩统下沟组仍然存在成矿有利相带，特别是红柳大泉、马鬃山东部及黑鹰山北部，发育有利的沉积相带。

3.3 砂体特征

通过区内钻孔统计，北山地区下白垩统下沟组砂体发育，砂体主要分布在扇三角洲平原亚相、曲流河相，发育2～31 层（表2，图9），厚度为2.95～90.68 m。总口子盆地砂体主要分布在西部和东部红柳大泉一带，另外老树窝向斜底部仅有60 m 左右的褐黄色砂岩与砾岩层，向上急剧相变为湖相泥岩、粉砂岩及泥灰岩；扎格高脑盆地砂体主要分布在红旗沟一带，但砂体受剥蚀作用影响，残留厚度小，炭窑井地段目的层底部发育厚层砂砾岩；公婆泉盆地砂体主要分布在盆地中西部；黑鹰山盆地砂体同样分布在盆地南部和西部。本区各盆地砂体特征具有相似性，岩性主要为棕红色、灰色、浅黄色含砾细-粗砂岩、砂砾岩、砾岩，泥质胶结为主（基底-孔隙式胶结），疏松—较疏松，黏粉含量普遍较高（黏粉＞12%），分选性差（局部分选性好），磨圆度中等，渗透性中等—差。灰色砂岩中富含炭屑、植物碎屑（图10a～d）、黄铁矿等还原剂物质。

此外，本区下白垩统下沟组潜水氧化发育，几乎遍及整个盆地群，主要表现为浅黄色氧化，厚度变化为16～230 m。目的层层间氧化发育3～10 层，厚度为3～24 m。主要表现为浅褐黄色、浅黄色、紫红色（图10e～h），氧化砂体中多见有褐铁矿化、赤铁矿化。其中总口子盆地层间氧化主要分布在盆地东部红柳大泉一带，由南向北延伸达7 km；扎格高脑盆下沟组上段氧化带位于盆地北部，南北宽3～5 km，东西长30 km，下段位于盆地炭窑井一带，揭露氧化带由南西向北东延伸10 km；公婆泉盆地氧化带主要分布在马鬃山一带，向盆地中心延伸9 km；黑鹰山盆地因钻孔较少，仅在地表观察有潜水氧化，其深部后生改造情况尚不明确。

对比分析盆地目标层残留厚度、相带展布、砂体特征及后生改造等成矿要素，总口子盆地红柳大泉地段、公婆泉盆地马鬃山东部及扎格高脑盆地炭窑井地段为有利找矿远景区，可先行开展勘查工作，而黑鹰山盆地虽然发育有利相带和一定规模砂体，但后生改造尚不明确。

4 铀矿化特征及控矿因素

4.1 矿化特征

研究区地表已发现矿化点7 处，本文主要对公婆泉盆地和总口子盆地钻孔发现的矿化线索进行分析。矿（化）体产出于下白垩统下沟组，公婆泉盆地见铀工业孔1 个，见矿体1 层，埋深为229.75～230.85 m，厚度为1.10 m，品位为0.046 6%，总平米铀量为1.10 kg/m2，赋矿岩性为灰色泥质细砂岩，属于氧化带上翼矿体。总口子盆地见铀工业孔2个，矿化孔1个，见矿体1层，埋深为74.00～236.00 m，厚度为4.60～6.60 m，品位为0.010 0%～0.049 0%，总平米铀量为1.67～3.05 kg/m2，赋矿岩性为灰色细砾岩、细砂岩，为氧化带边部矿体；矿化孔见有2 段铀矿化，第一层埋深为71.80～93.20 m，厚度为0.30～1.60 m，品位为0.019 6%～0.027 1%，总平米铀量为0.13～0.93 kg/m2，赋矿岩性为紫红色中砂岩，属氧化带内矿化。

4.2 控矿因素分析

地层控矿：通过钻孔对比，已发现矿化均产出于下白垩统下沟组，砂体的延伸方向控制了铀矿化的富集，砂体的底部、边部是铀矿化易于产出部位。

氧化带控矿：区内所发现矿化均产于氧化带边部和上下翼，充分表明矿化富集受氧化带控矿。

相带控矿：综合分析已发现的工业孔和矿化孔分布特征，矿化主要集中于扇三角洲平原亚相，靠近扇三角洲前缘亚相和曲流河河床亚相位置，显示相带控矿的特征。

5 讨论

研究区位于北山成矿带，区内蚀源区及基底发育大面积富铀岩体。早白垩世，北山地区转化为伸展的构造背景，形成一系列北东向构造，在此基础上，经历填平补齐后，接受大范围沉积，现今的各盆地可能连为一体。晚白垩世以来，北山地区整体处于隆升状态，地层受后期构造改造作用弱，总体趋于稳定状态，仅遭受不同程度剥蚀。下白垩统剥蚀形成了大型“天窗”，有利于含铀含氧水的渗入。现残留下白垩统下沟组分布较广泛，为一套潮湿-半干旱环境下形成的以灰色为主的碎屑岩建造，发育扇三角洲平原亚相、河流相等有利相带，砂体发育，具稳定的泥-砂-泥结构，灰色层中富含黄铁矿、炭屑等还原物质，显示区内具有较好的砂岩型铀矿找矿潜力。

通过进一步对比分析，北山地区总口子盆地、扎格高脑盆地和黑鹰山盆地规模相对较大，且主要目的层下沟组残留厚度大，成矿有利相带较为完善。通过钻探查证，红柳大泉、马鬃山东部发现多层层间氧化带，且在氧化带上下翼发现有较好的铀矿化线索，显示层间氧化带型找矿潜力较大。此外，扎格高脑盆地炭窑井一带下沟组超覆于基底华力西期二长花岗岩之上，底部发育厚层砂体，且后生氧化强，显示具有古河道型砂岩型铀矿找矿前景［24，28-29，34］。