伊犁盆地南缘三工河组沉积特征与铀成矿关系

孟云飞

（核工业二三〇研究所，湖南 长沙 410007）

伊犁盆地地处天山造山带西部，是一个中新生代山间盆地，是我国重要的铀矿基地之一［1］。早期对伊犁盆地的地层划分不够精细，沉积相划分也不统一，尤其是对于下侏罗统的认识还存在争论，主要为冲积和湖泊沉积体系、扇三角洲沉积和扇三角洲-湖沼-河流沉积体系之分歧［2］。本文通过对野外工作中搜集到的大量钻孔资料的统计分析，以及野外地质调查、钻孔编录中对岩层的宏观观察与微观研究，尝试更加准确全面地刻画伊犁盆地南缘三工河组的沉积特征。

根据野外地质路线调查，对野外露头的沉积相进行了初步判别；结合典型钻孔剖面开展单井和连井剖面沉积相分析，划分了沉积地层的亚相和微相。砂岩粒度是反映岩石沉积条件和沉积环境的一个重要指标，通过对岩石粒度数据的分析，对岩相划分提供重要的参考；根据所搜集的伊犁盆地南缘钻孔数据库数据，统计1 000 余口钻井的信息，选取目的层砂体厚度和骨架砂厚数据，编制出相应的砂体等厚图和砂地比图；在综合整理、消化吸收已知资料基础上，研究各主要铀矿床不同沉积期次、不同含矿建造类型、不同构造演化阶段及其对铀成矿的控制作用［3］。综合研究地层沉积特征与铀成矿之间的关系，总结了伊犁盆地南缘砂岩型铀矿的铀成矿规律。

1 区域地质背景

伊犁盆地是在石炭纪-二叠纪裂谷基础上发展演化而成的陆内中新生代山间断陷-坳陷复合型盆地，伊犁盆地大地构造位置处于中天山地块和北天山增生造山带之间，南北分别以那拉提断裂和北天山断裂为界（图1）。天山造山带为一典型的复合型造山带，分别经历了古生代初始造山和晚中生代—新生代的再造山作用，受控于天山晚古生代造山后的调整-伸展应力体制，中生代时期该地区整体沉降，天山以南的塔里木盆地、吐哈盆地与准噶尔盆地连通成为一片，发育广泛的冲积扇-河流-三角洲-湖泊沉积体系。在白垩纪中后期，由于受到区域挤压构造机制影响，伊犁盆地的基底不断抬升，晚白垩世—古近纪—第四纪，整个天山造山带再一次的抬升剥蚀，造山带边缘发育向前陆地带压载的冲断构造，南北缘进入到前陆盆地发育阶段［4］。

图1 伊犁盆地构造及基底埋深图［5］Fig.1 Tectonic sketch and basement depth of Yili basin［5］

伊宁坳陷是伊犁盆地的一个二级构造单元，该坳陷分别以陆内造山带南缘向南（向盆）的逆冲断裂和察布查尔山北缘向北（向盆）的角度较高的逆冲推覆断裂为南、北界线，东部以阿吾勒拉山以西的赛-莫断裂及盆地的白尼NE 向断裂为界。总体上是一个发育在石炭纪早期基底之上和石炭纪火山岩基底之上，由中新生代地层构成的近EW 向的向斜盆地，其轴部在伊宁市南，呈不对称状，北短南长［5］。此坳陷可进一步划分为6 个构造单元：主要有北部斜坡（断坡）带、北缘断陷带、霍城断凸区、中央凹陷带、南部斜坡带及其相邻的察布查尔山北缘逆冲推覆断层带，盆地内构造活动具有南弱北强、西弱东强的特点［6］，其中南部斜坡带发育有一系列的压性逆断层［7］。

在研究区发育的侏罗系主要为中侏罗统的头屯河组和中下侏罗统水西沟群，在盆地南缘地区下侏罗统相对发育，地层分布稳定，岩性变化也不太大。中下侏罗统水西沟群（J1-2Sh）主要为暗色含煤碎屑岩系，可划分为八道湾组、三工河组和西山窑组。该套含煤碎屑岩建造是伊犁盆地的主要含矿层位。主要岩性有含砾砂岩、砂岩、泥岩与粉砂岩互层夹煤层及煤线，组成明显的下粗上细的韵律层，单个韵律层厚20～40 m 不等。水西沟群在盆地南缘沉积厚度为300～500 m，自下而上发育12层煤，煤层在东部发育较为完整，其中5 煤层、8煤层和10 煤层比较稳定，可作为盆地南缘地层对比的标志层。根据其沉积韵律特点，水西沟群自下而上可划分为7 个沉积旋回，其Ⅰ～IV旋回相当于八道湾组，V1～V21旋回相当于三工河组，V22～Ⅶ相当于西山窑组（图2）。

图2 伊犁盆地南缘侏罗系划分简图［8］Fig.2 Stratigraphic division of the Jurassic system in southern margin of Yili basin［8］

2 三工河组沉积特征

侏罗纪地层总体特点为下粗上细，反映在沉积早期水动力较强，随后水动力逐渐变弱并趋于稳定的特点。侏罗系下部的八道湾组沉积物主要为砾岩和粗砂岩，在八道湾组顶部5 煤层发育，该煤层是一个区域标志层，是划分八道湾组与三工河组的重要标志。八道湾组上部为三工河组（J1s），三工河组在沉积旋回上相当于V1～V21亚旋回。在三工河时期，伊犁盆地的构造隆升剥蚀作用减弱，而盆地受板块内伸展作用持续的影响，盆内的沉积环境也在随之发生变化，在三工河组底部的沉积地层岩石粒度比较粗，成分成熟度和结构成熟度也比较低。

2.1 野外露头特征

三工河组在伊犁盆地南缘的阿尔玛拉沟剖面出露较为齐全，地层较为完整，侏罗纪地层几乎无缺失，地层陡立，是本地区的一个代表性露头。三工河组（J1s）上部以较细粒的粉砂岩和中砂岩为主，（炭质）泥岩厚度较薄，砾岩相对少。在三工河组下部碎屑岩的粒度较大，可见多层的泥岩（粉砂岩）与砂岩、砾岩互层，是一个典型的“砂包泥”结构，发育有厚层的黄色砂岩（图3），在黄色中粗砂岩层中见有较多的槽状层理、交错层理（图3b），并夹有一层厚约1.5 m 褐红色赤铁矿（已开采），赤铁矿呈结核状、鲕状、肾状结构（图4）。可见在早侏罗世气候温暖湿润，水动力条件较强，铁元素较为丰富，形成赤铁矿、黄铁矿，其中黄铁矿为砂岩型铀矿的形成提供了良好的还原剂。

在整体上该处露头以砂岩、砂砾岩为主，泥岩厚度相对较薄，呈现出典型的“砂包泥”沉积结构特征（图4）。在此沉积体系中沉积层理特别发育，常见槽状层理、包卷层理、斜层理等沉积构造，地层中的砾岩厚度也较大，砾岩的成分较为复杂，以石英、砂泥岩及火山岩为主，砾石直径通常在0.5～1 cm 之间，砾石经过较长距离的搬运，砾石磨圆度较好，分选中等，在砾石层中可见平行层理（图3c）。

图3 伊犁盆地南缘阿尔玛沟三工河组野外露头特征Fig.3 The outcrops of Sangonghe Formation at the Aerma gully，southern margin of Yili basin

图4 伊犁盆地南缘阿尔玛拉沟三工河组剖面图Fig.4 The geologic profile of Sangonghe Formation at Aerma gully，southern margin of Yili basin

2.2 钻孔岩心特征

伊犁盆地南缘三工河组岩性主要为灰绿色、灰黑色泥岩、灰色（含砾）粗砂岩以及泥质粉砂岩。对比伊犁盆地南缘的多口钻孔，发现P1907 孔的沉积地层连续，沉积构造十分明显，该孔为三工河组的代表性钻孔，钻孔的砂岩砂质成分以长石、石英为主，颗粒磨圆度一般，分选中等。同时，砂砾岩中砾石的磨圆度也一般，分选中等，反映三工河组碎屑岩在沉积过程中经历了适当距离的搬运，其沉积点离物源相对较远，非近源堆积。此外，在灰色砂岩及灰色泥岩中多见灰黑色炭化植物茎秆，沉积物中有机质较为丰富，表明该地层在沉积时期处于弱还原环境，这不仅为铀成矿作用提供了较好的成矿空间，也提供了良好的还原条件。砂岩岩心中层理较为发育，在岩心中多见斜层理、水平层理等沉积构造，局部岩层见有赤铁矿化蚀变或发生氧化作用，而呈浅肉红色、杂色（图5）。

图5 伊犁盆地南缘蒙其古尔地区P1907 钻孔三工河组综合柱状图Fig.5 Comprehensive stratigraphic column of Sangonghe Formation in borehole P1907 in Mengqiguer，southern margin of Yili basin

在单孔分析的基础上，对伊犁盆地南缘的地层进行横向对比分析。由于伊犁盆地南缘自南向北为一个河流入湖相的沉积体系，该沉积特征的纵向（NS 向）展布已十分明确，为研究其横向（WE 向）展布特征，在WE 向剖面上挑选出代表性的钻孔进行地层对比，在WE 向剖面上看，沉积物以砂岩为主夹薄层的泥岩，三工河时期发育辫状河三角洲沉积体系，其沉积亚相主要为辫状河三角洲平原亚相、三角洲前缘亚相、前三角洲亚相，相应发育（水下）分流河道微相、分流间湾和河口砂坝等辫状河三角洲沉积微相，在430 井处泥岩厚度相对较大，砂岩与泥岩的互层相对不频繁，泥沼相发育，说明该处为沉积环境相对稳定，水体相对较深的沉积洼地。因此，与八道湾组相比，三工河沉积期沉积的泥岩占比增大，其岩性组合仍以砂岩和泥岩为主，其中东部砂岩相对西部砂岩发育，泥岩含量西部更高，煤层发育稳定并且厚度较大（图6）。

图6 伊犁盆地南缘三工河组WE 向连井图Fig.6 The W-E profile of borehole for Sangonghe Formation in the southern margin of Yili basin

在岩性组合上研究区三工河组下段发育砂岩-泥岩-砂岩组合，上段泥岩厚度相对较大，显示一个湖侵的过程。研究区三工河组砂体发育较为稳定，厚度在10 m 左右，以（含砾）粗砂岩为主，下部与泥岩呈冲刷接触关系，上部多呈突变接触，具阶段性物源供应沉积的特征，以辫状河三角洲前缘水下分流河道沉积为主，河口砂坝中倒粒序不发育，三工河时期河漫滩和分流河道发育。因此，在早侏罗世盆地南缘的沉积环境发生变化，由八道湾组的扇三角洲沉积体系转化为三工河组的辫状河三角洲沉积体系。

2.3 地层厚度、砂地比特征

研究区三工河组相当于Ⅴ1-Ⅴ21亚旋回，以暗色细碎屑岩建造为主，主要岩性为深灰色、灰色砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层，砂体厚度较大，岩性组合多呈下粗上细的正韵律产出，地层厚度18～48 m。含矿砂体上下两分的产出特征主要分布在乌库尔其以东地区，尤以扎吉斯坦-蒙其古尔-郎卡一带明显，且均为含矿层位。砂体规模远小于Ⅴ22亚旋回，单层厚度一般小于18 m。岩性以砂岩和少量含砾砂岩为主，其间夹有泥岩和煤层。Ⅴ1-Ⅴ21亚旋回砂体间的泥质隔水层发育不稳定，除扎吉斯坦-蒙其古尔-郎卡一带局部缺失外，盆地南缘大部分地段两层砂体合二为一。

通过统计伊犁盆地南缘近千口钻孔的数据，统计出三工河组的砂体发育情况，做出了该地区的砂地比等值线图和砂体等厚图，发现三工河组砂地比值变化较大（图7），在乌库尔其以西一般小于0.3，乌库尔其-蒙其古尔一带较大，为0.35～0.65 之间，达拉地地区小于0.35，主体属于三角洲前缘的产物，层理构造以斜层理、水平层理及波状层理为主。三角洲平原分流河道在乌库尔其-蒙其古尔较发育，且砂体厚度均小于15 m，单层厚度不超过6 m，以含砾砂岩和砂岩为主，其间夹有泥岩和煤层，乌库尔其以西及达拉地地区，分流河道不太发育，主要为三角洲前缘亚相，砂体呈透镜状产出，岩性以泥岩为主，夹细砂岩和薄层煤。

图7 伊犁盆地南缘三工河组砂地比等值线图Fig.7 Contour map of sand-layer percentage of Sangonghe Formation in the southern margin of Yili basin

从砂体平面图来看（图8），伊犁盆地南缘的沉积物源来自于西南部蚀源区。通过对比砂地比分布图和砂体等候图可以发现骨架砂体平面分布特征与砂地比展布基本一致，指示阶段性物源沉积的特征，砂地比值在0.6 以上的区域形成三条向NNW 向延伸的分支河道［8］。

图8 伊犁盆地南缘三工河组砂体等厚图Fig.8 Chorisogram of sandbody thickness in Sangonghe Formation in the Southern Margin of Yili basin

2.4 粒度特征

粒度参数主要有粒度平均值，偏度，分选系数，峰态等参数，根据砂岩的粒度分析可以研究粒度参数和分布，砂岩的粒度分析既有利于分析沉积水动力条件，又可以为沉积相和沉积环境的识别提供参考。

粒度分析有多种方法，比如直接测量法、粒度分析放大镜、筛选、沉降分析、细粒悬浮物的粒度分析、显微镜下的粒度分析、半自动、自动粒度分析仪等，本研究委托中国石油华北油田勘探开发研究院沉积实验室，根据SY/T5434—2009《碎屑岩粒度分析方法》的原理，运用激光粒度分析仪测定了伊犁盆地南缘系统取样的岩心样品的粒度特征。

据G.S.VISHER，et al（1969），在粒度统计中主体为0～4.5 φ（φ 为平均粒径），其他组分仅占比约10%，因此本文沿用粒度统计的原始文献观点，主要统计的是0～4.5 φ 的数据［9］。

从图9、10 中可以看出三工河组的粒度特征，直方图和频率曲线：直方图的峰值出现在1～2 φ 之间，频率曲线表现为单峰，峰度值较低，粒度分布较广，频率曲线的偏度变化较大，在本样品中几乎全为正偏。

图9 伊犁盆地南缘乌库尔其地区三工河组砂岩粒度曲线图Fig.9 The granularity graph of Sangonghe Formation in Wukuerq area，southern margin of Yili basin

图10 伊犁盆地南缘蒙奇古尔地区（P824、P2926）三工河组砂岩粒度曲线图Fig.10 The granularity graph of Sangonghe Formation in Mengqiguer area（P824、P2926），southern margin of Yili basin

概率累积曲线：粒度曲线平滑过渡，即其中的悬浮，跳跃和滚动组分区别不是太大。

粒度概率图：支流河道主要表现为两段式，且曲线斜率较低，悬浮斜率在20°～30°之间，跳跃总体斜率在50°～65°之间，跳跃总体和悬浮总体占的比重较大。跳跃总体和悬移总体含量在30%左右，滚动组分的含量较少，反映砂体在沉积过程中有一段相对较长的搬运距离，并非近物源快速堆积沉积环境。

通过对比G.S.Visher 沉积物粒度概率分布，认为沉积时期的水动力条件比较强，三工河组为一套辫状河三角洲相沉积［10］。

同时根据表3 可知，该地区样品的粒径的标准偏差较大，在2～3 之间，反映出了该组样品分选性较差的特点。砂体的峰度值较高，多数处在1.1～1.4 之间，其中三工河组的平均偏度在上下段之间有差别，即上段的成熟度高于下段。而三工河组上段处于三角洲前缘亚相，下段主要发育三角洲平原亚相，上段砂体的搬运距离更远。

表3 伊犁盆地南缘Ⅴ旋回粒度分析参数Table 3 Grain size analysis of sedimentary cycle Ⅴof strata in the southern margin of Yili basin

2.5 沉积相展布

三工河组整体表现为一套湖侵体系域，在三工河组发育有四期的正旋回，该四期旋回的岩石组合形式为砂岩-泥岩、砂砾岩-泥岩、砾岩-（炭质）泥岩、砂砾岩-泥岩。

研究区范围内在蒙-扎-乌和达拉地一带发育三角洲前缘水下分流河道沉积，垂向上表现为明显的退积序列组合；在三工河沉积期的末期，本区湖泊发育范围达到最大（图11）。在垂直剖面上，表现为水下分流河道的下切，与下部湖相泥岩呈突变接触，河口砂坝倒粒序特征不明显。三工河组下部以含砾粗砂岩为主，泥岩、粉砂质泥质岩呈薄层状与砂岩互层，三工河组下部与泥岩呈冲刷接触关系，三工河组上部砂岩厚度相对较薄，砂岩粒度相对较小，多呈突变接触，具阶段性物源供应沉积的特征，以三角洲分流河道和三角洲前缘水下分流河道沉积为主，河口砂坝中倒粒序不发育。三工河组时期物源来自南部，向NNE向分散，砂体集中化程度仍较高，以南缘中部和东部为主沉积区，骨架砂体分布基本上与砂地比值呈正相关性，代表水下主河道的位置分布。向北一带有小的分叉高值区，厚度多在5～10 m 之间，呈扇形向北打开，砂地比值不高，多在0.3 以下（图7），说明北部地层厚度较大，泥岩较厚，已为前三角洲入湖沉积环境［11］。

图11 伊犁盆地南缘三工河组沉积相图Fig.11 The sedimentary facies map of Sangonghe Formation in the southern margin of Yili basin

1）蒙-扎-乌矿集区沉积相展布特征

蒙其古尔-扎吉斯坦-乌库尔其（蒙-扎-乌）矿集区三工河组为一套辫状河三角洲沉积体系，其矿集区主体发育三角洲前缘亚相和三角洲平原亚相。该区平原亚相的沉积微相主要发育分流河道与分流间湾微相，主河道为NNW 向展布，主河道宽5～8 km。前缘亚相主要为前缘席状砂和水下分流河道微相展布，此处发育三条分支河道呈指状向盆地内部延伸。

在切吉沟草场到阿鲁斯坦牧场之间发育一个小型朵体，为蒙-扎-乌大型朵体的一个分支，该区平原亚相的沉积微相主要发育分流河道微相与分流间湾微相，分流河道的主河道规模相对较小，通常宽约3～5 km，方向NNW，前缘亚相主要发育席状砂和水下分流河道，水下分流河道呈指状向盆地内延伸、尖灭。

2）达拉地沉积相展布特征

达拉地一带为一套三角洲沉积体系，其沉积主体为辫状河三角洲平原亚相，平原亚相发育分流河道与分流间湾微相；主河道呈南北向展布，宽约4～6 km；其西侧发育一条小型水下分流河道展布在前缘席状砂上。

3 沉积特征与铀成矿关系

砂岩型铀矿有其自身的成矿和储矿特征，砂岩型铀矿的成矿需要特殊的、多种地质条件，而适宜的砂岩储层是其应具备的最基本条件［12］。

中下侏罗统水西沟群为南缘主要含矿岩系，其中，三工河组主要为层间氧化带砂岩型铀矿。伊犁盆地南缘早中侏罗世处于弱伸展构造环境，在该环境下三工河组发育一套河流-三角洲-湖泊沉积体系［13］，这种良好的相带展布为有利砂体的形成提供了可能。

伊犁盆地南缘砂岩型铀矿控矿因素主要有：①三角洲平原分流河道微相是最主要的控矿岩相，规模较大的铀矿体往往分布在较大的分流河道中，古河道分叉汇聚的地方有利于砂岩型铀矿成矿；②容矿层中沉积成岩铀的预富集是后生层间氧化带砂岩型铀矿成矿的重要基础；③盆地构造演化对盆地南缘砂岩型铀矿成矿具有十分重要的控制作用。

从泥岩-砂岩-泥岩结构稳定性来看，分流河道微相的泥岩-砂岩-泥岩结构稳定性最好，砂体厚度也大，延伸也较稳定。因此，泥岩-砂岩-泥岩结构稳定的分流河道发育区是有利铀成矿的远景地区［14］。

砂体是可地浸砂岩型铀矿的载体，砂体的分布控制了铀矿体的分布；砂体的不均一性导致矿体分布也具有一定的规律性［15］。砂体厚度及延伸稳定性：厚度太薄的砂体不利于地下水的流动，从砂体氧化而提供的铀源有限；厚度太厚的砂体范围大，不利于铀的集中富集。

铀矿体多位于河道砂体底部与边缘。平面上，矿化主要位于主次河道交汇处及主河道拐弯处。铀矿化如此分布的原因主要是河道底部、边部岩性变化复杂，有机质丰富，地下水流速在这些部位易发生变化，利于铀的还原富集。对比八道湾组与西山窑组沉积物可知，三工河组的沉积厚度较薄，沉积期也较短，发生在同沉积时期的成矿规模有限。因此，为寻找富大矿体，在选取找矿靶区时，还应考虑三工河组沉积期后的沉积环境变化对铀成矿作用的影响，在三工河期之后由于湖侵作用，三工河组部分砂体位于湖水水平面（沉积基准面）以下，由于砂体的透水性，地下水位上升，砂体中的富铀流体的水动力条件发生变化，有利的铀成矿部位向盆地边缘的砂体迁移，在该区域可能发生铀矿化作用形成铀矿体。此外，若沉积期后成矿作用与分流河道控矿作用叠合，更容易形成富大矿体。因此，在乌库尔其及其以东地区靠近盆地南部边缘的部位是一个有利的成矿远景区。

4 结 论

1）由于受到构造演化的控制，伊犁盆地在早侏罗世发生湖侵作用，伊犁盆地南缘经历了从扇三角洲到辫状河三角洲沉积环境的转变，在三工河组发育辫状河三角洲沉积体系。

2）伊犁盆地的铀成矿与沉积相关系密切，其中产矿层位主要在三角洲沉积体系中，三角洲平原河道砂体是铀矿化赋存的有利砂体。在微相上主要产于主次河道的分开处（河道分叉）和主河道的转弯处。三角洲平原分流河道微相是最主要的控矿岩相，规模较大的铀矿体往往分布在较大的分流河道中，同时，考虑三工河组沉积期后铀成矿作用的连续性，三工河组在伊犁盆地南缘东部区域靠近盆地边缘的部位有较好的成矿前景。