新疆乌伦古坳陷乌伦古河组碳酸盐化及铁锰矿化与铀成矿关系

2022-10-18冯世荣孙潇李晓红

世界核地质科学 2022年3期

冯世荣，孙潇，李晓红

（核工业二一六大队，新疆乌鲁木齐 830011）

乌伦古坳陷铀矿找矿目的层（图1）为上白垩统红砾山含水岩组（K2h）和古近系始-渐新统乌伦古河含水岩组（E2-3w）［1］。含水层为巨厚砂体，泥岩隔水层呈透镜状及似层状，稳定性差，造成含水层之间广泛存在水力联系。含水岩组由辫状河相浅黄色、黄色局部褐黄色及浅灰色粗砂岩夹砂砾岩及中砂岩组成［2］。隔水层由褐红色、棕红色、浅褐红色局部灰色、灰绿色泥岩、砂质泥岩及粉砂质泥岩构成［3］。其中乌伦古河含水岩组上段存在3～5层碳酸盐化、铁锰矿化及褐红色泥岩中垂向裂隙状褪色现象，基本上分布于断裂破碎带的上盘［4］。经钻探揭露目的层含水岩组砂体普遍处于弱氧化状态。

红砾山含水岩组（K2h）和乌伦古河含水岩组（E2-3w）混合地下水静止水位埋深1.32～162.50 m，涌水量0.61～3.39 l/s，单位涌水量0.085～0.730 l·s-1·m-1，渗透系数0.085～3.68 m/d；地下水矿化度1.02～2.762 g/l，pH值7.16～8.10［5］，水质类型从硫酸-钙型到氯化物·硫酸-钠型。从这些数据分析乌伦古坳陷铀找矿目的层砂体含水，并且透水性好［6］。地下水属于弱碱性或碱性低矿化度水（小于3 g/l）。因此，该地区水文地质条件对形成铀矿化有利［7］。

顶山矿点产于吐兹托依拉断裂破碎带上盘［8］乌伦古河含水岩组下段层间氧化带两翼及前锋线灰色砂体，普遍发育黏土矿化，见少量的黄铁矿化及炭化植物碎屑［9］。并且在矿点以南约1～2 km的乌伦古河含水岩组上段露头区分布着3～5层碳酸盐化、铁锰矿化及褐红色泥岩裂隙状褪色现象。

从上述信息可以看出，这些碳酸盐化、铁锰矿化及褪色现象和铀矿化都分布于断裂破碎带的上盘，赋存于同一层位。然而这些碳酸盐化、铁锰矿化及褪色现象产于这一层位的上段，而铀矿化发育于下段（图1）。那么，这些碳酸盐化、铁锰矿化及泥岩褪色现象代表什么地质意义以及它们是怎样形成的，它们与铀矿化之间又有什么关系，本文对此展开讨论。

图1 乌伦古坳陷目的层水文地质综合柱状图Fig.1 Comprehensive hydrogeological column of target stratums in Ulungur Depression

1 碳酸盐化及铁锰矿化特征

1.1 碳酸盐化及铁锰矿化分布

如上所述，经调查在有些断裂破碎带上盘乌伦古河组上段存在着3～5层碳酸盐化、铁锰矿化（图2）及泥岩裂隙状褪色现象（图2c）。有的地段它们共生，有的地段单独存在，通常分布于砂岩的顶底板（图2a），而锰矿化单独出现时位于砂岩中部（图2f、g）。发育于泥岩中的主要为碳酸盐化及少量锰矿化（图2b、e），局部可见褐铁矿化。

图2 乌伦古坳陷乌伦古河组碳酸盐化、铁锰矿化及泥岩褪色现象Fig.2 Outcrops of carbonatation，ferro-manganese and the fading of mudstone of Wulunguhe Formation in Ulungur Depression

发现碳酸盐化、铁锰矿化及褪色现象出露于顶山盐池以北、杜热东南、三个泉及三个泉以北地带（图3）。钻孔几乎没有揭露到碳酸盐化，仅在分布于断裂附近（吐兹托依拉断裂）的钻孔中见有少量的锰矿化，并且具有一定分布规律，都分布于断裂构造的上盘。这种现象说明碳酸盐化、铁锰矿化及褪色现象仅发育于断裂破碎带附近，并非普遍发育，与断裂破碎带关系较为密切。根据现有文献及资料推断其与沿断裂破碎带上升的含多金属深部地下卤水有关［10-11］。如沿吐兹托依拉断裂破碎带出露的自流孔、顶山盐池水及沿三个泉断裂破碎带出露的泉水中镁含量较高也可间接地佐证这一观点（表1）。地下水中镁含量一般在海相或存在白云岩的地层中较高，依据区域地质资料乌伦古坳陷基底为石炭系海陆交互相地层，并且通过该层位的有些断裂也切穿了上部目的层。出露的这些水源点可能是沿这些断裂破碎带上升的深部卤水与上部目的层地下水的混合水，引起水源点水中镁含量较高，从而证实与断裂破碎带有关。

图3 准噶尔盆地北部油气田、油气显示区及钙化、铁锰化示意图（据核工业二一六大队内部资料）Fig.3 Carbonatation，ferro-manganese，oil and gas distribution in northern Junggar Basin

表1 乌伦古坳陷地下水化学成分Table 1 Chemical compositions of groundwater in Ulungur Depression

1.2 碳酸盐化及铁锰矿化成因分析

1.2.1碳酸盐化及铁锰矿化的特点

发育于砂岩中的碳酸盐化或产于顶、底板，或仅发育于顶板及底板；呈透镜状或似层状，厚度一般0.2～0.5 m，局部可达1.0 m。产于泥岩中的呈串珠状或树枝状，近似垂直于岩层，宽度一般1～3 cm，个别可达5 cm；若泥岩层较薄则贯穿整个层位，若泥岩层较厚因未完全出露因而不得而知，但推测也应贯穿整个层位（图2b）。

铁锰矿化一般与碳酸盐化共生，以锰矿化为主，局部有铁矿化（图2d）；呈透镜状及似层状，局部地段的锰矿化呈团块状及树枝状。产于砂岩中的厚度一般0.2～0.5 m，局部可达1.0 m。而产于泥岩中的一般为分布于次级裂隙中树枝状锰矿化（图2e）。

褪色现象仅发现于褐红色泥岩中，与泥岩中的碳酸盐化类似呈串珠状或树枝状，近似垂直于泥岩层，宽度一般1～3 cm，局部可达5 cm；若泥岩层较薄则贯穿层位，若泥岩层较厚因未完全出露就不得而知，但推测也应贯穿了层位（图2c）。

1.2.2碳酸盐化及铁锰矿化成因讨论

总之，碳酸盐化及铁锰矿化现象是客观存在的，关键是它们代表什么样的地质事件以及有没有寻找铀矿的意义？这才是关注的重点。

要回答这一问题，首先应分析这些现象是怎样形成的。从出露现象分析，一般认为砂岩中的碳酸盐化、铁锰矿化是干旱气候条件下同沉积形成的；而泥岩中的碳酸盐化、锰矿化及褪色现象是因沉积后暴露地表形成龟裂，后期被上覆沉积物再次充填形成的。然而，若砂岩中的碳酸盐化是同沉积形成的，一般呈层状、透镜状，致密坚硬，并且碳酸盐呈结晶状。而研究区的实际现象则不然，虽整体呈现似层状、透镜状，但具体为“生姜”状、较致密较坚硬，碳酸盐为非结晶状。因此，推断是后期形成的产物。

若发育于泥岩中的碳酸盐化及褪色现象是由同沉积时“龟裂”现象引起，那么形状应该是从上到下的“楔”形，并不是串珠状及树枝状的，而且不应该切穿层位，即深度相对较浅；充填物应该是上覆围岩而不是化学成因的碳酸盐，应该是后期形成的产物。

铁锰矿化，特别是锰矿化，如果是同沉积形成则要求氧化还原电位及pH值都比较高（Eh：+400～+450 mv，pH＞8.2）［10］。而该地区的铁锰矿化普遍产于浅灰色、灰白色岩石中，显然满足不了同沉积的形成条件。经资料查阅和分布位置综合分析，认为其应属于沿断裂破碎带上升的深部含多金属地下卤水形成［11］。

如图4所示，深部高压、高温含还原性气体及多金属的地下水与浅层（一般指红砾山含水岩组和乌伦古河含水岩组）低矿化度含氧水混合（化合）形成的产物或现象。这种现象类似于泉华，只是泉华是出露地表形成的产物，而该地区的碳酸盐化及铁锰矿化是在浅部地层及地下水中形成的产物［11］。

图4 深部高压地下水运移及形成产物示意图Fig.4 Schematic diagram of deep high-pressure groundwater migration and its product

确认还原性气体为H2S、CH4，而且CO2含量较高。从98007号供水井（图3）冒出的气流较大，然而H2S、CH4气味较淡，推测大量气体可能为CO2，也间接证实在断裂破碎带附近具备了形成碳酸盐化的条件。顶山盐池及附近的自流井及顶山盐池水证实为含多金属的咸水及卤水［12］，金属元素以MeCl络合物的形式存在［10］。

当这种深部地下卤水进入浅层砂岩时，在顶底板主要形成碳酸盐化、锰矿化，其次形成铁矿化。有的地段三者共生（顶山盐池北部），有的地段碳酸盐化和铁锰矿化分离（三个泉洼地）。这种现象可能与不同地段深部地下卤水中含有不同种类的金属元素有关。而为什么仅分布于砂岩的顶底板，这可能与深部卤水突破泥岩层时的减压卸载及沿砂岩层向上运移时遇到泥岩层时的阻挡（或扩散减缓［13］）作用有关。

同时，这样的地下卤水含有还原性气体时就造成了浅层砂体的次生还原，也就是形成了局部的还原性地球化学障。这为后期层间氧化带的发育及砂岩型铀矿化提供了必要的条件。当然，这种发生于砂岩中的次生还原现象也应属于褪色现象。

当这些地下卤水进入泥岩时，在主裂隙带有的地段既形成碳酸盐化又形成铁锰矿化，在次级裂隙带形成树枝状锰矿化及褪色现象；有的地段仅为碳酸盐化或围岩褪色现象；有的地段仅为铁锰矿化。其形成原因基本与上述机理相同。

综上所述，该地区的碳酸盐化、铁锰矿化及泥岩褪色现象，是沿断裂破碎带上升的深部含还原性气体及多金属地下卤水，在浅部层位与低矿化度含氧地下水混合（化合）减压卸载的产物，并非同沉积的产物。这些还原性气体，为普遍被氧化蚀变的目的层形成层间氧化带砂岩型铀矿化提供了后生还原性地球化学障［14］。因此这些还原性气体可能是该地区砂岩型铀矿化形成的必要条件之一。而碳酸盐化、铁锰矿化及泥岩褪色现象，仅指示曾经在这些地段发生过深部含还原性气体及多金属地下卤水沿断裂破碎带向上运移这一地质事件，与铀矿的形成并没有直接关系，而与铀成矿有关的是同期上升的还原性气体。根据上覆的索索泉含水岩组（N1ss）中没有发现这种现象推测，这一事件应发生于其沉积之前。

2 顶山矿点成因分析

顶山矿点属于层间氧化带控制的砂岩型铀矿化点，已探明发育着两层层间氧化带。工业铀矿化发育于W-Ⅰ号层间氧化带前锋线，而铀异常发育于W-Ⅱ号层间氧化带的下翼。

W-Ⅰ号层间氧化带发育于地下水位以下（图5）。矿化异常产于层间氧化带上下翼及卷头，普遍发育黏土矿化，见有少量的黄铁矿化及炭化植物碎屑。

W-Ⅱ号层间氧化带，除ZK14号钻孔揭露到的以外，顶山矿点一带基本上都位于现代地下水位以上（图6）。铀异常赋存于下翼的灰色、深灰色粗砂岩、中砂岩及砂砾岩中。其他仅发现有黏土矿化。

从图5可看出，铀矿化分散，圈不成矿带，但将异常考虑进去就可以圈出矿化异常带，并且清晰反映出是典型的层间氧化带卷状矿化异常带。造成这种现象的原因较多，但主要可能与含水围岩中还原剂的还原容量分布不均匀有关［9］。还原性较强的地段可能形成了矿化，甚至工业矿化，而较弱的地段仅形成异常甚至异常也没有。

图5 顶山矿点C号勘探线水文地质剖面Fig.5 Hydrogeological profile of exploration Line C in Dingshan uranium occurrence

如表2：顶山矿点铁元素总量分别为1.66%、1.65%、1.67%，其值低于新疆地区沉积构造层铁丰度的3.6%［15］；Fe3+/Fe2+值在氧化带最高过渡带最低灰色带略有增高，基本符合层间氧化带的典型分布特征；有机质含量在地球化学分带上略有变化，其变化规律与层间氧化带发育的一般特征相悖；从氧化带至过渡带到还原带，砂岩中铀含量有低高低的变化特征，符合砂岩型铀成矿规律。由此可见铀成矿与砂体的氧化还原有关，但还原剂偏低。因此预测铀的还原富集应有沿断裂破碎带上升的深部H2S、CH4等还原性气体的参与。

表2 顶山矿点乌伦古河组岩石地球化学参数特征Table 2 Characteristics of geochemical parameters of Ulungur Formation in Dingshan ore occurrence

SH-03号至SH-08号水源点分布于吐兹托依拉断裂破碎带的两侧（图3），水中Cl-、Na+、K+及Mg2+离子含量明显较高（表1），特别是顶山盐池叠加了强烈的蒸发浓缩作用，使这些离子含量更高。显然由河水补给的浅层地下水中这些离子要达到这样高的含量是比较少见的，特别是Mg2+含量。因此，沿断裂破碎带分布的地下水，应该是沿断裂破碎带上升的深部高压含多金属地下水（卤水）与上部浅层地下水混合的产物。

如表3：地下水中氧化还原指标Fe2+、Fe3+离子含量较低，但是H2S、碘化物含量较高。显然与上升的深部含还原性气体的地下水有关。特别是碘化物，浅层地下水中含碘化物是很少见的，应来源于深部。总之，以上指标可以证实乌伦古坳陷沿着断裂破碎带分布的地下水，应该是沿断裂破碎带上升的深部高压含多金属及还原性气体的地下水（卤水）与浅层低矿化度混合形成的产物。总之，顶山矿点铀矿化的形成与沿断裂破碎带上升的深部高压含多金属及还原性气体的地下水（卤水）关系密切。

表3 乌伦古坳陷水源点氧化还原指标数据Table 3 Oxidation-reduction parameters of water source in Ulungur Depression

如图6所示，根据现有资料综合分析，顶山矿点也应是沿切穿目的层含水岩组断裂破碎带上升的深部高压含还原剂及多金属地下卤水，与经目的层含水岩组开启区补给的含铀含氧水在其结合部位形成的氧化还原地球化学障上富集形成的产物。因此，顶山矿点的形成与沿断裂破碎带上升的深部高压含还原剂及多金属地下卤水关系较密切。结合前述，其顶山盐池北部分布的碳酸盐化、铁锰矿化及泥岩褪色现象也证实了曾经发生过沿断裂破碎带上升的深部地下卤水的事实。因此，认为在乌伦古坳陷存在碳酸盐化、铁锰矿化及泥岩褪色现象的吐兹托依拉断裂破碎带、陆南-三个泉断裂破碎带及英1井-索索泉断裂破碎带地带，其附近存在铀矿化的可能性较大，是下一步开展工作的重点地带。