洪海沟铀矿床头屯河组下段砂体沉积特征及铀矿化控因

罗星刚，王守玉，王芳霞，刘富强

（核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011）

伊犁盆地南缘是我国层间氧化带砂岩型铀矿的重要矿集区，通过近些年的地质勘查工作将其划分为西部矿集区（洪海沟铀矿床、库捷尔太铀矿床）、中部矿集区（乌库尔齐铀矿床、扎吉斯坦铀矿床、蒙其古尔铀矿床）及东部矿集区（达拉地铀矿床）。其中洪海沟铀矿床位于伊犁盆地南缘斜坡带西段，构造不发育，主要含矿地层为中侏罗西山窑组上段（J2x3）、头屯河组下段（J2t1），其中头屯河组下段发育规模较大的典型层间氧化带砂岩型工业铀矿化。前人对洪海沟铀矿床西山窑组上段（J2x3）铀成矿成因做了较多研究，分析手段多从沉积相［1-3］、构造［4］、非均质性［5］、煤系［6-7］、渗透系数［8］等宏观角度入手，具体到含矿砂体特征的精细刻画则较少，而对头屯河组下段（J2t1）砂体特征精细化研究则更少。笔者以头屯河组下段（J2t1）沉积砂体为研究对象，从砂体沉积特征角度入手，解剖砂体垂向及平面展布特征，并分析其对铀矿化的控制及影响，为下一步铀矿勘查提供地质依据。

1 地质概况

洪海沟铀矿床位于伊犁盆地南缘斜坡带西部构造相对稳定区，属于次级构造单元洪海沟西部凹陷，矿床范围内未见断裂构造产出，仅在矿床东部见洪海沟断裂，地层总体呈向北西的单斜产出［4］（图1）。

图1 伊犁盆地南缘构造分区（据参考文献［4］修改）Fig.1 Structural division of the southern margin of Yili Basin（after reference［4］）

主要含矿层位头屯河组下段（J2t1）在矿床内分布广泛，均为暗色含煤碎屑沉积，其中头屯河组煤层仅发育于下部且集中于矿区北西部，其中第十二煤层（M12）位于西山窑组上段，大部分与头屯河组下段砂体直接接触，第十三煤层（M13）位于头屯河组下段砂体内部，呈透镜状产出。地层总体呈南高北低、北西向的单斜产出，倾角平缓（9°～13°），中部存在一小型挠曲，倾角变陡（16°～23°），挠曲的存在为层间氧化水体迁移与铀的富集起到积极作用。

2 沉积相特征

2.1 沉积特征

通过对岩心编录、钻孔数据统计及镜下鉴定成果的分析，认为洪海沟铀矿床头屯河组下段（J2t1）主要发育辫状河三角洲平原亚相沉积（图2）。

图2 洪海沟K9615钻孔头屯河组下段沉积相综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of sedimentary facies of lower member of Toutunhe Formation of drill hole k9615 in Honghaigou deposit

2.1.1 辫状河道微相

头屯河组下段（J2t1）辫状河道以砂砾岩、含砾粗砂岩、粗砂岩及中砂岩为主，垂向呈多个正韵律复合叠加的特征［9］。受辫状河道横向频繁迁移的影响，区内中、南部河道分叉、汇合作用明显，从而导致河道在平面上分布广泛。北部则发育北西及北东两条分叉的辫状河道，河道较为平直（图3）。

图3 洪海沟铀矿床头屯河组下段沉积相展布图Fig.3 Distribution of sedimentary facies of the lower member of Toutunhe Formation in Honghaigou uranium deposit

2.1.2 冲积平原微相

冲积平原则以厚层红色、黄色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹薄层细砂岩为主，其垂向多分布于头屯河组下段上部，中下部则多呈透镜状、条带状薄层［10］。受辫状河道水动力强且频繁分叉、汇合影响，矿区中南部冲积平原微相分布多呈现较为局限的条带，矿区北部主要分布于北东、北西两条河道之间，分布较广。

2.1.3 泥炭沼泽微相

头屯河下段（J2t1）仍继承中下侏罗统水西沟群时期潮湿的环境，于冲积平原低洼处及北部受到湖水影响的地段发育分布范围局限的泥炭沼泽微相沉积，形成稳定性较差的M13煤层（图4），泥炭沼泽微相主要分布于矿区北西部。

图4 洪海沟铀矿床头屯河组下段M13厚度等值图Fig.4 Thickness contour map of 13th coal seam in the lower member of Toutunhe Formation in Honghaigou uranium deposit

2.2 沉积演化

头屯河组下段（J2t1）沉积期主要发育辫状河三角洲平原亚相沉积，经历了由早期湿润环境下的辫状河道向晚期半干旱化的冲积平原沉积过程。该时期整体气候上继承了西山窑组的湿润环境，头屯河组下段（J2t1）下部砂体初始颜色为灰色且内见少量炭屑富集条带，但晚期已开始逐渐向干旱化转变，该时期煤层发育较差且头屯河组下段上部以红色、黄色、灰色等厚层杂色冲积平原泥质沉积为主。

3 砂体沉积特征与铀矿化

对于层间氧化带砂岩型铀矿来说，砂体是铀矿化赋存的载体，因此分析其沉积特征及与铀矿化之间的关系，对于铀矿找矿工作十分必要［11-15］。

3.1 砂体结构、构造

头屯河组下段（J2t1）砂体厚度较大，以黄色、灰色砂砾岩、含砾粗砂岩、粗砂岩及中砂岩为主，结构成熟度及成分成熟度均较差（图5a），砂体沉积构造发育不明显，多呈块状，局部见平行层理构造（图5b），底部多与M12直接接触（图5c），发育冲刷充填构造。底部砂体内多见少量炭屑富集条带及黄铁矿颗粒。

图5 洪海沟铀矿床头屯河组下段砂体特征Fig.5 Characteristics of sand body in the lower member of Toutunhe Formation in Honghaigou uranium deposit

头屯河组砂体粒度分析结果显示（图6）：频率曲线形态呈不明显双峰且不对称状，峰度值0.88～0.86，总体平缓；标准偏差1.18～1.32，显示分选性较差，粗细粒碎屑混杂；概率累计曲线总体呈河道三段式，以跳跃总体为主，含量87%～94%，粒度区间反映粒度粗大，曲线斜率40%～70%，指示水动力较强，滚动总体0.5%～13%，悬浮总体6%～12%，显示水动力强度向北西向减弱的特征。

图6 洪海沟铀矿床头屯河组下段概率累计曲线图Fig.6 Probability accumulation curve of lower member of Toutunhe Formation of Honghaigou uranium deposit

综上分析，头屯河组下段（J2t1）砂体整体成熟度较差，为强水动力条件下的辫状河道牵引流沉积，水动力条件整体较强；砂体整体层理发育不明显，以块状构造为主，碎屑颗粒间以接触式、基底式胶结为主，孔隙之间连通性好，孔隙度16%～40%，有利于氧化水体于砂体内的迁移，并为铀的富集提供了空间；砂体内炭屑、黄铁矿发育，炭屑多富集呈团块状、条带状，黄铁矿多围绕炭屑周缘发育，为氧化水体中铀的富集提供还原剂，有利于铀的吸附。

3.2 砂体垂向序列

头屯河组下段（J2t1）底界为M12，顶界为厚层杂色泥岩，厚度11.20～68.80 m，平均37.76 m。砂体主要发育于中下部，厚度0.95～54.00 m，平均19.34 m，底板为区域稳定的M12，在为砂体提供还原剂的同时构成良好的底板隔水层。顶板为厚层泥岩，下部砂体顶端局部发育薄层M13，整体构成“泥-砂-泥”的垂向序列（图7），有利于含氧含铀水体的迁移富集。砂体垂向粒序多呈一个或两个下粗上细正韵律或正韵律组合产出，砂体厚度较大，以砂砾岩、含砾粗砂岩、粗砂岩及中砂岩为主，成熟度较差，底部多与M12直接接触。

图7 ZK86123 单孔垂向序列图Fig.7 vertical sequence diagram of drill hole zk86123

北东向剖面Ⅰ-Ⅰ’显示（位置见图3），辫状河道砂体分布呈面状展布，SW-NE 向宽度较大（图8），横向辫状河道迁移迅速，底部砂体发育较稳定，多冲刷下伏M12；砂体发育较为集中于138～94 线，向南西及北东两侧砂体厚度减薄、粒度变细，砂体的这一展布特征引起氧化水体向北东及南西侧迁移受到局限；单孔砂体垂向多由一个或多个正粒序叠置，底部多呈突变接触，顶部渐变过渡为中、细砂岩或泥岩，局部砂体中发育薄层透镜状展布泥质夹层或炭屑富集条带或团块。以上特征一方面构成层间氧化带砂岩型铀矿所需要的“砂-泥-砂”结构，另一方面砂体垂向序列中出现的泥质夹层、砂体分叉、岩性变化、炭屑团块或条带导致氧化水体运移受阻，造成铀元素在迁移受阻部位逐渐富集，形成铀矿化。主砂体较为稳定且厚度较大，铀矿化多发育于砂岩内部，并且围绕炭屑、泥质薄层分布。

图8 洪海沟铀矿床头屯河组下段SW-NE 向连井剖面图Fig.8 Profile of SW-NE neighbor wells for the lower member of Toutunhe Formation of Honghaigou uranium deposit

沿北西向剖面Ⅱ～Ⅱ'（位置见图3），辫状河道砂体向北西侧具有厚度减薄、层数增多的特征，但砂体总体向北西向连续性较好，保障了层间氧化水体向北西迁移通道的畅通性（图9）；单孔砂体底部与M12之间多发育泥质薄层，内部多见炭屑且向北西侧厚度增大，而北西侧砂体中上部多发育薄层M13，砂体内见炭屑富集透镜体、条带。砂体垂向上仍具有“砂-泥-砂”组合特征，但内部泥质薄层层数较多，砂体顶部突变（直接过渡为泥岩），单层砂体的稳定性整体变差，以上特征造成北西侧铀矿化场呈围绕主砂体上下两侧的双峰状铀矿化，矿化岩性多为主砂体上下两侧的泥岩或细砂岩（图7）。

图9 洪海沟铀矿床头屯河组下段NW-SE 向连井剖面图Fig.9 Profile of NW-SE neighbor wells for the lower member of Toutunhe Formation of Honghaigou uranium deposit

3.3 砂体平面展布

3.3.1 砂体、底板埋深展布与铀矿化分析

头屯河组下段（J2t1）发育1～2 层厚砂体，以下部砂体发育较为稳定，为该层位主要含矿砂体。工程控制范围内揭露砂体长度大于8 000 m，宽度500～5 000 m，砂体厚度0.95～54.00 m，平均19.34 m。砂体于54～110 线呈近东西向产出，K36～K104 线呈北西向带状展布，54～38 线呈北东向带状展布（图10），砂体埋深166.00～753.05 m，平均514.60 m，南东部沿174 线南部至46 线中部底板海拔在小范围内由1 000 m 急剧减小为750 m，这为层间氧化水体向北西部迁移提供了良好的水动力条件，而在矿区西北部底板等值线平缓，整体呈向北展布，则有利于氧化水体流速减缓，从而形成铀矿化。

图10 洪海沟铀矿床头屯河组下段砂体等厚图Fig.10 Sand body thickness isopach for the lower member of Toutunhe Formation of Honghaigou uranium deposit

3.3.2 氧化砂体展布及铀矿化分析

头屯河组下段（J2t1）层间氧化带整体由南东向北西发育，层间氧化带宽度1 100～4 700 m，厚度0.60～38.35 m，埋深297.20～719.35 m（图11）。受砂体厚度减薄、粒度变细、砂体垂向泥质夹层增多、底板埋深等值线变化及沉积相变为冲积平原泥质沉积等因素的影响，层间氧化砂体在区内发育宽度、厚度变化较大。氧化带前锋线在矿床范围内呈南东-北西向展布，且氧化砂体厚度及宽度向北西部减薄、变窄。区内46～126 线，受砂体厚度沿近东西向朝北急速减薄、垂向泥质岩类厚度增大、砂体层数增多影响，层间氧化带前锋线呈缓蛇曲状展布。表现为62～94 线，层间氧化带向北西部凸出并形成环带状工业铀矿化带，94～134 线氧化带前锋线向南弯曲收敛，形成向南弯曲收敛的条带状工业铀矿化带，K36 线以西层间氧化带前锋线呈北西向蛇曲状展布，形成北西-南东向展布的带状工业铀矿化带。

图11 洪海沟铀矿床头屯河组下段氧化砂体等厚及矿体展布图Fig.11 Map of oxidized sand body isopach and ore body distribution in the lower member of Toutunhe Formation of Honghaigou uranium deposit

综上分析，认为头屯河组下段砂体总体上沉积范围广、厚度大，发育有多条北西向河道，在河道砂体厚度变化大，铀矿体主要富集于砂体厚度变化部位。需要注意的是洪海沟铀矿床北西部于K36～K104 线发育一条北西侧的辫状河道，但在174～158 线间受辫状河道分叉影响，该处分叉发育北部及南部两条氧化砂体，目前钻探工作在北部氧化带揭露出较好的工业铀矿化带，而南部氧化带则揭露较少，但其沉积特征与北部相近，推测此处也可能存在另外一条工业矿化带。而洪海沟断裂东部砂体发育较好，且内部见氧化砂岩，虽厚度不及西部，但也可进行钻探查证，验证其是否发育铀矿化的存在。

4 结论

1）利用大量钻孔统计数据，结合室内分析测试结果，认为研究区中侏罗统头屯河组下段（J2t1）主要发育辫状河三角洲沉积体系，其中三角洲平原分流河道微相为层间氧化带及铀矿化发育的有利相带。

2）通过梳理头屯河组砂体垂向结构、序列特征，认为厚大、连续的砂体为氧化水体的迁移提供了通道；层理发育不明显、孔隙之间连通性好、炭屑及黄铁矿的发育为铀的富集提供了还原介质及容矿空间。在矿床中部厚大、稳定的面状砂体内形成砂岩型铀矿化。

3）通过对头屯河组沉积微相、砂体空间展布形态、结合底板埋深、层间氧化带前锋线展布形态的对比研究，认为目的层砂体垂向岩性序列组合样式、平面展布形态共同决定了铀矿化类型及富集部位，层间氧化带前锋线及铀矿化主要发育在岩性-岩相变化部位，而构造展布样式则提供了层间氧化水体迁移的动力条件。