甘肃北山南部总口子盆地砂岩型铀矿成矿条件及找矿潜力分析

2022-12-02戴鹏飞鲁宝龙

东华理工大学学报(自然科学版) 2022年4期

戴鹏飞，鲁宝龙，王刚，牛霆，贺锋

(1.核工业二〇三研究所，陕西西安 710100；2.核工业北京地质研究院，北京 100029)

甘肃北山地区分布大面积侏罗纪和白垩纪山前盆地，形成了总口子、扎格高脑、公婆泉、黑鹰山、石板井和骆驼泉等一系列小型盆地群。许多学者对本区区域构造、岩浆活动、成矿规律、盆地演化、沉积地层及成油潜力等方面进行了较为深入的研究(彭楠等，2013；韩小锋等，2019；靳拥护等，2020；牛海青等，2021; Yang et al.,2001)。2000年以来，中国核工业地质局在本区开展了铀矿调查评价工作，主要以层间氧化-还原砂岩型铀成矿理论为核心(聂逢君等，2021)，提交了大量地质及物化探成果，显示本区有大量放射性异常(聂凤军等，2006；王文青等，2019)。通过对本区地质勘查资料的总结分析，筛选铀异常点(带)，认为总口子盆地要以层间氧化带型铀矿找矿为突破口。2019—2021年经钻探查证，在总口子盆地首次发现了铀矿工业矿孔，显示了本区具有良好的铀找矿前景。为进一步扩大找矿成果，笔者对总口子盆地构造特征进行了分析，划分找矿目的层，研究沉积类型及演化过程，选取成矿条件优越地段，开展砂岩型铀成矿条件评价。

1 区域地质背景

图1 北山地区总口子盆地大地构造位置图(1)陈祖伊,郭庆银,2004.北山-走廊地区铀资源勘查部署规划研究报告[R].北京:核工业地质局.Fig.1 Geotectonic location map of the Zongkouzi basin in Beishan area1.沉积盆地；2.加里东期缝合线；3.华力西期缝合线；4.印支期缝合线；5.逆冲断层；6.走滑断层；7.蛇绿岩；8.研究区范围

总口子盆地位于中国的西北部，嘉峪关市以北130 km，属北山盆地群之一，大地构造位置位于构造演化复杂、岩浆活动繁多的北山造山带(图1)。北山造山带位于塔里木-哈萨克斯坦-西伯利亚三大板块衔接处(刘帅等，2012；祝民强等，2013；王红杰等，2021；白荣龙等，2022；姜洪颖等，2022; Qian et al.,2001; Smith et al.,2006; Song et al.,2015)。总口子盆地受印支、燕山和喜山运动影响，发育众多中新生代陆相沉积，地层从老至新为三叠系、侏罗系、白垩系、新近系、第四系。三叠系仅局部出露，发育湖相和河流相碎屑沉积岩。侏罗系为湖泊-沼泽-河流相碎屑岩沉积，常含煤系。白垩系为扇三角洲-湖相沉积，不整合于侏罗系之上，岩性为长石砂岩、杂砂岩、泥页岩夹煤层。新近系主要为上新统苦泉组，由后期抬升剥蚀残留地层，大多地区剥蚀残留面积较小，总口子盆地出露于盆地内西北部。岩性以橘红色粉砂质泥岩夹薄层细砂岩，深灰色、黄色泥岩夹薄层细砂岩，杂色砂岩、砾岩。厚度为10～278 m，区内岩性稳定，产状平缓。第四系在盆地内分布广泛，发育较全，从早更新世至全新世均有各种成因的沉积物发育，下部为土黄色泥岩及黏土、砂岩、粉砂岩等，上部为冲积-洪积砂砾层。

图2 北山地区总口子盆地铀矿地质图Fig.2 Uranium geological map of the Zongkouzi basin in Beishan area1.第四系；2.新近系苦泉组；3.白垩系新民堡群；4中侏罗统；5.下-中三叠统；6.中二叠统；7.下二叠统；8.上石炭统；9.中石炭统；10.下石炭统；11.寒武系；12.燕山早期花岗岩；13.燕山期花岗闪长岩；14.燕山晚期花岗岩；15.燕山期二长花岗岩；16.燕山期石英闪长岩；17.华力西晚期花岗岩；18.华力西中期花岗闪长岩；19.华力西中期闪长岩；20.华力西期石英闪长岩；21.实测与推测断层及产状；22.实测及推测地层界线；23.实测及推测地层不整合界线；24.花岗岩型铀矿/矿化点

北山地区主要经历了3次构造岩浆事件：早中古生代(460～370 Ma)、晚古生代(330～251 Ma)、早中生代(251～200 Ma)。在经历了兴凯运动、加里东运动和华力西运动之后，本区海相沉积演化阶段结束，海水全部退出，形成了中-新生代盆地的基底。盆地基底及周缘蚀源区主要由太古界-元古界中深变质岩、寒武系-石炭系火山碎屑岩及加里东-燕山期花岗岩组成。盆地基底构造样式以断裂构造为主，总体构造比较稳定(图2)。

2 构造特征

北山地区的大地构造位置决定了盆地基底的差别，进而决定了总口子盆地在燕山运动和喜山运动中构造变形的差异。多期次构造作用造成盆地基底反复的抬升和沉降，把盆地分割为大盆套小盆的构造格局(李明杰等，2004；杜玉良等，2009；云龙等，2021)。

图3 总口子盆地主要断裂与地层关系示意图Fig.3 Schematic diagram of relationship between main faults and strata in the Zongkouzi basin1.第四系；2.新近系；3.白垩系；4中侏罗统；5.早侏罗统；6.基底；7.主要断裂构造

现今盆地基底形态总体特征是两凹夹一隆(图3)，两凹指东部的红柳大泉-黑帐房凹陷和西部老树窝-南泉凹陷，一隆是指煤窑西山-沙婆泉隆起带。红柳大泉-黑帐房凹陷可分为8个次级凹陷与凸起，凸起内无侏罗系，基底埋深较浅，最大埋深为700 m，凹陷内普遍存在侏罗系，最大埋深为2 200 m。老树窝-南泉断陷可分为4个次级凹陷与凸起，凹陷一般埋深800～1 000 m，最大深度可达1 700 m，以白垩系为主要沉积盖层，局部地段可能有侏罗系。侏罗系总体上呈北西西向展布，主要分布于相对隆起区内，断裂构造发育，以北西西向和北东向断裂构造为主，其中北西西向断裂是早中侏罗世的控盆构造，褶皱构造表现为紧闭线性褶皱，地层倾角陡，而东部地层的产状相对较缓(5°～30°)，常被北东向断陷所切割。下白垩统主要出露于金庙沟凹陷、老树窝凹陷、俞井子凹陷及红柳大泉凹陷的中部。断裂构造发育程度较早中侏罗系弱，主要为北东、北西西向的隐状断裂构造，这些断裂构造往往是径流区的排泄源。褶皱构造以平缓开阔的复式向斜为主，地层产状平缓。新构造活动在该盆地内主要表现为断裂构造复活，断块的差异升降，在其东南部有掀斜作用。

3 下白垩统新民堡群划分、沉积相及砂体特征

3.1 下白垩统新民堡群划分

下白垩统新民堡群下沟组为本区找矿目的层，厚度为100～1 600 m，岩层走向一般呈北东向、近东西向，局部为北北东向，倾角为5°～30°，连续性较好，多形成宽缓的短轴状向斜、背斜构造。该套沉积物粒度从盆地边缘至中心大多由粗变细，厚度也由薄增厚，自下而上表现为由粗到细，再由细到粗的沉积特点。从盆地早白垩世中期沉积演化史可以看出，盆地在早白垩世沉积过程中，均存在沉积岩相的分异性，不同时期的相带互相叠置形成了良好的泥-砂-泥结构。通过层序分析，将下白垩统新民堡群由下至上划分为赤金堡组、下沟组、中沟组。

(1)赤金堡组主要分布在红柳大泉西侧、黑帐房南部、总口子西，不整合于下侏罗统之上。以紫红色砂质砾岩、砂岩、含砾泥岩和泥岩为主，砾石分选差，以棱角、次棱角为主。该层位为早白垩世初期，在地形地貌变化不稳定的山间凹陷快速沉积了一套杂色冲洪积扇-辫状河相粗粒碎屑岩，其中冲洪积扇发育泥石流沉积，砾石分选差，成熟度低，反映早期沉积有原地搬运，填平补齐的特点。该层的主要划分标志为一套含砾泥岩，总体泥质碎屑含量大、透水性差，不利于砂岩型铀矿形成。

(2)下沟组主要分布在总口子盆地南泉和红柳大泉-黑帐房一带，为紫红、褐黄、灰、灰绿色碎屑岩夹泥灰岩，厚度可达1 200 m(图4)。顶部界线为灰绿、浅灰色泥质细砂岩、泥岩与中沟组底部厚层紫红色砾岩，两者整合接触；底部为紫红色、褐色、黄色砾岩或砂岩与赤金堡组顶部黑色页岩为界，两者整合接触或不整合于侏罗系之上。

(3) 中沟组主要分布于总口子盆地南泉北和煤窑西山一带，为一套棕红色、褐黄色砂砾岩、含砾砂岩及砂岩等粗碎屑岩夹泥岩、粉砂岩，含砾泥岩夹薄层灰色砂岩。由于抬升剥蚀，在北山地区该层位残留较少，残留厚度为10～110 m。

3.2 沉积相特征

中侏罗世末期，受区域近东西向的挤压，地表不均衡上升，盆地最低处的南泉-沙坡泉沉陷带沿北北东向强烈隆起，并有花岗岩的侵入，使隆起带上侏罗统有轻微变质，同时该地区地表抬升遭受剥蚀(党犇等，1998)。这种不均衡的上升运动强烈破坏了盆地格局，将完整的盆地分为3个独立的凹陷(总口子西、南泉、红柳大泉)，如图5所示。

总口子盆地受燕山运动影响，于早白垩世早期发生沉降，这次沉降活动基本继承了晚侏罗世的格局。早白垩世早期属于干旱气候，沉积砖红、灰色碎屑岩。煤窑西山-红柳大泉隆起带以东，地势开阔，地形平坦，河流相发育。隆起带以西，地形狭窄，以冲积扇相粗碎屑沉积为主。

早白垩世中期气候由干旱转为湿热，北山总体进入泛湖阶段，总口子盆地沉积物以湖相为主，为一套灰、灰黑色泥岩、砂岩、含煤建造。在南泉凹陷上部为薄层泥砂互层出现的冲积扇前缘亚相，下部为一套湖相含炭泥岩，后期沉积中心随时间向北东迁移，由于抬升剥蚀，该期沉积体系不完善。

早白垩世末期，由于燕山运动的强烈上升活动，至新近纪中新世末盆地内没有接受沉积，以剥蚀作用为主，气候以干旱为主，氧化作用强烈，可能为铀主成矿期。上新世，盆地北部局部下降接受了苦泉组陆相红色碎屑岩沉积。第四纪初，地壳仅有微弱振荡运动，盆地接受了极薄的第四系沉积物。盆地现今构造特征基本继承了早白垩世的构造格局。

图4 总口子盆地下沟组岩石序列组合特征Fig.4 Characteristics of rock sequences of the Xiagou Formation in the Zongkouzi basin1.含砾粗砂岩；2.粗砂岩；3.中粒砂岩；4.细砂岩；5.粉砂岩；6.泥岩；a,b.砂岩地表露头照片；c.灰白色细砂岩富含有机质；d.氧化砂体发育赤铁矿化；e.浅黄绿色砂体

总口子盆地下沟组主要分布于南泉断陷、红柳大泉-黑帐房一带。在南泉断陷下沟组上部以洪积扇沉积为主，南北两侧近蚀源区以厚大的砂砾岩、细砂岩、砾岩为主，近断陷中心以粉砂质、泥质岩等湖相沉积为主，夹少量中厚层状细砂岩层。红柳大泉-黑帐房一带下沟组主要为扇三角洲平原亚相，发育含砾砂岩、中粗砂岩和细砂岩，偶见粉砂岩、页岩，具中、小型交错层理，与蚀源区接合部位发育小面积浅湖相沉积和以泥石流、筛积物为标志的扇中亚相沉积。

图5 总口子盆地下沟组沉积相图Fig.5 Sedimentary facies diagram of Xiagou Formation in Zongkouzi Basin1.蚀源区;2.扇端亚相;3.冲积扇根亚相;4.扇中亚相;5.扇三角洲平原亚相;6.扇三角洲前缘亚相;7.浅湖相;8.深湖相;9.蚀源区边界;10.花岗岩型铀矿化点

3.3 新民堡群下沟组主要砂体发育特征

总口子盆地下沟组以河流相韵律层极其发育为特点，砂泥呈4～20 cm不等厚互层。老树窝向斜底部仅有约60 m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。通过地质调查及钻探查证，南泉断陷下沟组厚度为20～280 m，单层砂体厚度为2～7 m，具泥-砂-泥结构，砂体分选相对较好，富含有机质，潜水、层间氧化发育，发现多处砂岩型的铀矿化点，深部存在较好砂岩型铀矿化。红柳大泉-黑帐房一带下沟组总体砂体发育，单层砂体厚度为5～58 m，具泥-砂-泥结构，砂体分选相对较好，其次潜水、层间氧化发育，且地层中富含炭屑等有机质(图6)。

图6 总口子盆地砂岩岩芯照片Fig.6 Sandstone core photos of the Zongkouzi basina.ZK2-2孔深76 m处浅黄棕色细砂岩；b.ZK2-2孔深19 m处黄棕色细砂岩；c.ZK2-2孔深386 m处灰色油浸细砂岩；d.ZK2-2孔深147 m处砂体中炭屑

4 成矿条件及找矿潜力分析

4.1 成矿条件分析

下白垩统新民堡群下沟组为总口子盆地主要找矿目的层，在红柳大泉地段出露面积较大，埋藏浅。其构造相对简单，多表现为宽缓褶皱构造，地层倾角一般小于15°，发育扇三角洲沉积体系-扇三角洲平原亚相，泥-砂-泥结构发育，可见5～15层以上稳定的砂体，单层砂体厚度可达5～58 m，泥砂比(3.5～1∶1)，砂岩中孔隙率为5%～30%。另外，盆地基底和蚀源区铀源丰富，区内寒武系的炭质板岩、硅质岩是区域上的含铀层，有大量的放射性异常点、带出现。广泛出露的志留系酸性、中酸性火山岩及火山碎屑岩，铀含量平均值为4.6×10-6，铀浸出率约13.6%，是一套相对富铀的岩石。区内华力西期的酸性、中酸性侵入岩，广泛分布，规模大，总面积达8 000 km2。岩体内发现有大量异常点、带，已发现的铀矿点10个，铀矿化点4个。该套岩体不仅是盆地沉积时期的主要物源，还能为成矿提供重要的铀源(王刚等，2018)。对蚀源区的新鲜岩石、风化壳分别进行地面γ能谱测量，结果显示风化壳中的铀含量比新鲜岩石的铀含量低，说明岩石中的铀经过淋滤、迁移，最后汇集到盆地内。

早白垩世早期，该地段气候干热，产生了一些红色沉积层夹石膏层的氧化环境下的沉积，形成了下白垩统下部的紫红色砾岩，砂砾岩夹石膏及钙质粉砂岩透镜体。早白垩世中期，盆地沉降相对减缓，气候由干热变为湿热，动、植物处于相对繁荣时期，沉积环境由早期的氧化→半氧化变为半还原→还原环境，湖滨地带及浅湖出现了沼泽或半沼泽化现象，在一些盆地里形成了含煤及油页岩岩系。早白垩世晚期，盆地抬升缩小，气候由潮湿转变为干旱，沉积了厚度较大的红色碎屑岩。

总口子盆地中已知的地表铀异常点较多，下白垩统新民堡群铀背景值较高，平均值为23.7×10-6，其中黑色、灰色泥岩中铀含量最高(28.8×10-6)；浅灰、灰黑色砂岩稍低(21.1×10-6)。在下白垩统中已发现铀异常(矿化)点9处。在总口子盆地索索井2 059个矿点中，个别细砂岩样品铀品位达到0.078%。以上铀异常、矿化与中侏罗世和早白垩世沉积关系密切，既存在于河流相中心的异常，又有产于洪积扇相和湖相的异常，赋存岩性不仅有砂岩、砾岩，也有泥岩、泥灰岩。空间上，铀矿化不仅产于近蚀源区的盆缘，也产于盆地中心。

4.2 成矿潜力及找矿方向分析

通过钻探查证，在总口子盆地南泉和红柳大泉地段均发现砂岩型铀矿化孔。通过对区内水文地质条件分析，在红柳大泉、索索井以南地段为氧化带范围，红柳大泉、索索井以北到白沙窝以南为氧化还原过渡带，白沙窝以北2～5 km范围内为还原带。该层间氧化带呈近东西向展布。砂岩型铀矿化体赋存于下沟组下部与赤金堡组接触面之上，埋深为74.00～93.20 m，厚度为0.20～4.60 m，品位为0.010 8%～0.017 0%，平米铀量为0.05～1.67 kg/m2，赋矿岩性为紫红色中砂岩和灰色细砾岩(图7)。

图7 ZK7-1孔含矿段岩芯照片Fig.7 Photo of ore-bearing section of ZK7-1 holea.紫红色中砂岩；b.灰色细砾岩

综合分析认为，总口子盆地红柳大泉凹陷具备相对稳定的构造环境、丰富的铀源条件以及扇三角洲平原亚相等有利条件。下白垩统找矿目的层在早白垩世经历了由干旱到温暖潮湿再到干旱的演化过程，古气候的多次频繁转化，发育了一套灰、绿灰、暗灰色砂岩、粉砂岩、泥岩夹砂砾岩，夹煤层、煤线、油页岩等，动植物化石丰富，具备还原条件。另外，在红柳大泉首次发现砂岩型铀矿工业孔，证实了红柳大泉凹陷为该盆地砂岩型铀矿找矿潜力较大区域。