准噶尔盆地东部沙帐断褶带下侏罗统沉积体系研究及其找矿意义

2023-07-23唐湘飞吴声明

铀矿地质 2023年4期

唐湘飞，吴声明

（核工业二一六大队，新疆乌鲁木齐 830011）

准噶尔盆地位于“中央亚洲活动带古亚洲成矿域阿尔泰-准噶尔铀成矿省”，具有砂岩型铀矿找矿的巨大潜力［1-3］。核工业二一六大队自20 世纪90 年代末在准噶尔盆地东部开展砂岩型铀矿找矿工作，在沙帐断褶带下侏罗统发现了较大规模的层间氧化带及其控制的铀矿体，对成矿远景进行了初步评价，但由于前期工作程度低、研究资料少，对下侏罗统沉积体系与铀成矿的关系研究程度不高，难以满足现今铀矿找矿要求［4-6］：一是仅对局部侏罗系进行了沉积体系分析，缺少精细化研究；二是对区内丰富的煤田钻孔、石油钻孔的资料利用较少，沉积体系空间展布以推测为主，准确性不高；三是没有与区内铀成矿关系紧密结合，达不到客观评价铀成矿前景的目的。本文依据区内近几年最新的煤田、铀矿勘查成果［7-10］，整合了最新钻孔数据，深入分析厘定了目的层沉积体系及其与铀矿化的关系，探讨了铀成矿前景，具有积极的找矿意义。

1 区域地质背景

研究区位于新疆东部卡拉麦里山与准噶尔盆地的交接地带，大地构造位置上位于东准噶尔晚古生代陆缘盆地，隶属于天山-兴蒙造山系准噶尔弧盆系准噶尔地块的一部分，构造主体为沙帐断褶带，其西侧为五彩湾凹陷，东侧为石树沟凹陷（图1）。区内由一系列近南北向的向斜、背斜构成，自西向东有沙丘河背斜、芦草沟向斜、火烧山背斜、西大沟向斜及帐篷沟背斜（图2），其中沙丘河背斜、火烧山背斜、帐蓬沟背斜呈鼻状隆起，北宽南窄并向南倾没，芦草沟向斜、西大沟向斜在沙奇凸起以北交汇。沙帐断褶带总体上呈自北东向南西展布的单斜，侏罗系埋深浅于两侧的石树沟、五彩湾凹陷［11-12］。

图1 准噶尔盆地构造单元分区略图Fig.1 Outline of structural units in Junggar Basin

图2 沙帐断褶带-卡拉麦里山东西向构造剖面略图（据文献［11］修改）Fig.2 East-west trending structural profile of Shazhang fault-fold belt-Kalamili Mountain（modified after reference［11］）

区内地层区划上属于天山-兴安地层区准噶尔盆地地层分区的卡拉麦里地层小区，地层发育较齐全，自古生界、中生界延续到新生界。盆地具前寒武结晶基底及古生界褶皱基底的“双层”基底结构，其中前寒武基底是砂岩型铀矿的有利基底条件［13］。古生界褶皱基底为泥盆系、石炭系、二叠系浅海-海陆交互环境下沉积，以北部卡拉麦里山为主要出露区；中-新生界盖层在盆地内广泛分布，为三叠系—白垩系及新近系、第四系。其中下侏罗统八道湾组、三工河组砂体较发育，岩性-岩相条件有利，是区内层间氧化带砂岩型铀矿找矿的主要目的层位（图3）。依据区内历年铀矿、煤田勘查及物探测量成果，五彩湾地区下侏罗统八道湾组、三工河组层间氧化带主要分布于帐蓬沟东、西两侧。中生代以来，准噶尔盆地东部古气候大致经历了干旱—潮湿—干旱的古气候演化过程，地层自老至新相应呈现出红—灰—红的颜色转变（图3）。其中早三叠世主要处于干旱古气候环境，形成一套红色粗粒碎屑物沉积；晚三叠世—中侏罗世晚期转为潮湿古气候环境，形成一套富含炭化植物成为碎屑的含煤碎屑物积；中侏罗世晚期以后又转变化干旱古气候环境，又形成一套红色、杂色碎屑物沉积。潮湿古气候环境下沉积的灰色层构成发育层间氧化带砂岩型铀矿的最有利层位。

图3 沙帐断褶带侏罗系钻孔单井沉积相综合分析图Fig.3 Comprehensive analysis of sedimentary facies of Jurassic in single borehole in Shazhang fault-fold belt

2 下侏罗统沉积特征

据区内煤田钻孔及往年勘查实践，区内下侏罗统八道湾组主要为扇三角洲沉积，三工河组主要为辫状河三角洲沉积，二者砂体均较为发育，构成良好的“泥-砂-泥”结构，且三工河组由于砂体厚度适中，走向上分布稳定，对层间氧化带的发育更为有利（图3）。

2.1 八道湾组

研究区八道湾组出露范围较小，主要出露于火烧山北西部沙丘河隆起及帐蓬沟隆起两侧。据石油部门资料，八道湾组分布于大5 井以西，以东除局部外，基本上缺失。八道湾组与下伏的下三叠统上仓房沟群（T1ch）、中-上三叠统小泉沟群（T2＋3xq）、下石炭统巴塔玛依内山组（C1b）呈角度不整合接触。该层位在帐蓬沟隆起南西侧厚度较大，在其他区域厚度较薄，地层厚度为35～452 m。八道湾组沉积相存在辫状河三角洲相、扇三角洲相的两种争议［14-17］，通过近几年铀矿勘查工作中砂体粒度样品的采集与分析测试，其砂岩频率分布直方图呈较明显的单峰且不对称状（图4），概率累积曲线呈三段式，悬浮次总体在这种概率曲线中含量很低，反映一定的波浪回流，反映双向水流特征，符合扇三角洲的水动力环境，属扇三角洲相沉积。八道湾组下段以砂岩、砂砾岩为主，砂岩较薄，砂体厚30～90 m；上段以泥岩为主，局部夹薄层砂岩、厚度较薄。从卡拉麦里山往盆地方向，沉积物粒度由粗变细。剖面上八道湾组总体表现为向上粒度变细的正韵律特征，发育1～2 套砂体，底部发育一厚层固结较致密的砾岩，向上为薄层砂砾岩、砂岩，并且在帐蓬沟西翼已揭到层间氧化带及其控制的铀矿化、异常，是区内找矿目的层之一。八道湾组砂岩主要为长石岩屑砂岩、次为岩屑砂岩，底砾岩层岩性以砾岩、砂砾岩为主，夹薄层粗砂岩，沿走向、倾向延伸较为稳定，一般厚度为50～90 m，是有利于层间氧化带发育的层位。其上薄层砂体以粗砂岩为主，夹薄层中、细砂岩，厚度为10～29 m，局部钻孔揭露到层间氧化带。底砾岩层底板埋深仅在近卡拉麦里山一带（沙丘河背斜、火烧山背斜）及帐蓬沟背斜东翼埋深小于500 m，对找矿较有利；其他绝大部分埋深超过600 m，其中西大沟向斜北部核心地带、石树沟凹陷南东部及五彩湾南西部均有埋深超过1 000 m 的区域，而五彩湾凹陷埋深更是绝大部分超过1 500 m，对找矿较不利。

图4 沙帐断褶带八道湾组砂岩粒度频率分布直方图及概率累积曲线图Fig.4 Histogram and accumulative probability curve of sandstone particle size in Badaowan Formation of Shazhang faultfold belt

2.2 三工河组

三工河组出露范围较小，紧依八道湾组出露于沙丘河鼻隆及帐蓬沟隆起两侧，全区均有分布，与下伏下侏罗统八道湾组（J1b）呈平行不整合接触。该层位在帐蓬沟隆起东西两翼地层厚度较大，在其他区域地层厚度较薄，厚度为80～376 m。

区内三工河组砂岩粒度频率分布直方图及概率累积曲线图总体平缓（图5），分布较宽，呈不明显双峰且不对称状，粗细粒碎屑混杂，分选性相对较差；概率累计曲线多呈三段式，砂岩总体上粗碎屑含量相对较高，整体反映出近缘河流的牵引流为主的沉积环境，受到湖水顶托的影响，个别呈现出较弱的混合水动力特征，结合岩石样品岩屑、长石含量较高，整体反映了辫状河三角洲辫状河道微相沉积。三工河组下部为辫状河三角洲平原相砂质辫状河沉积，厚30～70 m；中、上部为滨湖、浅湖相沉积，以泥质粉砂岩及泥岩为主，局部夹分流河道相砂体。从卡拉麦里山往盆地方向，沉积物粒度逐渐变细。在剖面上，三工河组总体表现为向上粒度变细的正韵律特征，自下而上可见1～3 层砂体，底部发育一层砾岩，厚10～50 m。自帐蓬沟隆起向东西侧逐渐过渡为一个大韵律层，厚约70 m，是区内层间氧化带发育的主要目的层位，规模最大，矿化最好。与八道湾组相似，三工河组底板埋深一般超过500 m，其中西大沟向斜北部核心地带、石树沟凹陷南东部及五彩湾南西部均有埋深超过1 000 m 的区域，而五彩湾凹陷埋深更是绝大部分超过1 000 m，对找矿较为不利。总体上看，区内三工河组砂体以砂岩、砂砾岩为主，其中帐蓬沟隆起以东岩石成岩度较高，多钙质、硅质胶结，岩石固结较致密，透水性较差，对成矿较为不利；帐蓬沟隆起以西岩石成岩度相对较低，多泥质胶结，岩石固结较疏松，透水性较好，对成矿较为有利。

图5 沙帐断褶带三工河组砂岩粒度频率分布直方图及概率累积曲线图Fig.5 Histogram and accumulative probability curve of sandstone particle size in Sangonghe Formation of Shazhang faultfold belt

3 连井剖面沉积相分析

连井相分析是建立在单井沉积相分析的基础上，充分利用钻孔岩心资料进行仔细的对比，建立起研究区域内各相关连井相序关系，以确定沉积相在垂向和平面上相序变化的一种相分析方法。此次研究中，选取了最具有代表性的两条连井剖面，分别垂直物源方向和顺物源方向。

3.1 顺物源剖面

该剖面选取沙丘河以东、火烧山以西的一条顺物源连井剖面，结合了往年铀矿地质孔及煤田钻孔共8 个孔的资料，剖面长约30 km（图6）。

图6 沙帐断褶带侏罗系北东向沉积相剖面略图Fig.6 NE-trending profile of Jurassic sedimentary facies in Shazhang fault-fold belt

八道湾组：埋深较深，该剖面揭穿八道湾组钻孔仅有ZK9001，在完成ZK9001 单井相分析后，对本剖面的连井相分析，多为推测，待后续施工钻孔加密后，再进行精准分析。在靠近湖岸处，该组底部沉积物粒度较粗，为正粒序，发育厚层灰色砾岩，为扇三角洲平原砾质辫状河沉积，砾岩上部发育中、粗砂岩为扇三角洲前缘水下分流河道沉积。在水下分流河道之间，存在一些黑色薄煤层和深色泥岩沉积，为水下分流间湾。随着向湖盆中心延伸，水体变深，河道砂体逐渐减薄。ZK9033 钻孔揭露了八道湾组厚层砂岩上部泥岩，总体上ZK9033 八道湾组上段沉积序列与ZK9001 类似。

三工河组：该组下段沉积期以低幅度构造活动为主，物源供给充沛，大量碎屑物从卡拉麦里山进入区内，形成辫状河三角洲沉积。该组上段沉积期受物源供给增强或湖平面下降的影响，整体处于浅水沉积阶段，盆地物源供给充足，沉积物快速入湖。辫状河三角洲向湖盆推进，发育辫状河三角洲平原进积沉积物，辫状河三角洲砂体延伸达数十千米，至ZK1610钻孔处，相变为辫状河三角洲前缘亚相，辫状河道入湖受到湖水的顶托作用发生迁移改道，发育水下分流间湾沉积。沉积中晚期，由于构造活动趋于稳定，研究区主要发育辫状河三角洲前缘退积沉积物和滨浅湖沉积，多发育水下分流间湾沉积，水下分流河道在ZK9001 和ZK9033 两孔发育。

3.2 切物源剖面

该剖面选取帐蓬沟背斜以西近东西向切过西大沟向斜的一条切物源连井剖面，结合了往年施工铀矿地质孔及煤田钻孔共5 个孔的资料，剖面长约20 km（图7）。

图7 沙帐断褶带侏罗系近东西向沉积相剖面略图Fig.7 EW-trending profile of Jurassic sedimentary facies in Shazhang fault-fold belt

八道湾组：底部发育大规模厚层砾岩及细砂岩，夹薄层中砂岩，颜色均为原生灰色、灰绿色，砂岩多后生氧化呈浅褐色。厚层砾岩为扇三角洲平原砾质辫状河沉积，砂岩为扇三角洲前缘水下分流河道沉积。八道湾组下段沉积初期末，湖平面开始扩大，物源供给减弱，出现大规模湖侵，水下分流河道砂体以中粗砂岩为主，分流河道间泥岩、粉砂岩隔夹层发育明显，相变为扇三角洲前缘相和滨浅湖相。由于在ZKJ109 钻孔处揭露了该组底部厚层砾岩，推测该组砾岩规模较大，延伸较远。

三工河组：该剖面显示，在ZK8004 钻孔处三工河组砂体较发育，而在ZK8024、ZKJ105 钻孔处仅在底部发育薄层砾岩，表明ZK8004 钻孔处辫状河道延伸方向为南北向，ZK8024、ZKJ105 钻孔处砾岩、砂砾岩为决口扇沉积。ZKJ109、ZKJ111 钻孔处砂体较发育，河道延伸方向也为南北向。而ZKJ8024、ZKJ105 和ZKJ111、ZKJ109 钻孔上部多为辫状河三角洲前缘水下分流间湾沉积。

4 沉积相与层间氧化带及其铀矿化关系

经往年铀矿勘查实践，中下侏罗统层间氧化带规模及矿化差异较大，其中三工河组层间氧化带规模最大，发现工业矿化；八道湾组有一定规模，仅发现矿化、异常。区内层间氧化深度与范围差异较大，这与砂岩中有机质、黄铁矿含量，还原容量，砂体分布稳定性及后期地下水动力强弱有关，而这些均与目的层沉积相带的分布密切相关。

4.1 八道湾组

八道湾组沉积相以扇三角洲相、滨浅湖相为主要特征，其中扇三角洲相占据了区内较大沉积单元。沉积早期受印支运动影响，卡拉麦里山强烈隆升致使区内古地势帐篷沟以西为“北东高、南西低”，帐篷沟以东则“北西高、南东低”。

通过测量多组具流水指向的沉积构造产状，推断八道湾组古水流方向整体由北向南，主要发育扇三角洲相，规模较大，砂体厚度整体由北东至南西、由北向南减薄。

八道湾组在帐篷沟背斜两侧均发育较大规模扇三角洲平原砾质辫状河微相，底部发育一套80～98 m 厚层砾岩、砂砾岩，其上普遍发育一层粗砂岩（厚约20 m），与底部砾岩一起构成厚层层间氧化带。砾岩在盆缘固结较疏松，层间氧化带较发育，向盆地固结逐渐致密、透水性变差，层间氧化带多呈“指状”向盆内延伸，有时底部砾岩层由于钙质胶结致密不透水而成为上部砂岩层间氧化带的底板；上部砂岩固结疏松，透水性好，前锋线向盆内延伸较远，是区内层间氧化带发育的主要部位。

靠近盆缘砾石较大，多为次圆状，次棱角状次之，总体上固结较疏松-致密，透水性稍差；八道湾组层间氧化带在帐蓬沟东、西均有发育，前锋线埋深50～1 000 m，距蚀源山区1～9 km，累计长约110 km，其中前锋线在帐西自沙丘河矿化点延伸至沙南供水队以东，长约70 km，具有一定规模；在帐东自大井西侧延伸至卡拉麦里南麓，长约35 km，但地下水补-径-排机制后期被帐东断裂所破坏，不具工业找矿意义。八道湾组层间氧化带前锋线基本位于扇三角洲平原内，少部分位于扇三角洲前缘，但均未超过湖岸线，大都与盆缘砾质辫状河道的分布位置相关。在扇三角洲平原相与前缘相过渡部位往往赋存铀矿化、异常，矿化品位为0.010 6%～0.018 9%，厚度为0.20～0.40 m，是今后的重点找矿部位（图8）。

图8 沙帐断褶带八道湾组沉积相略图Fig.8 Sedimentary facies sketch of Badaowan Formation in Shazhang fault-fold belt

4.2 三工河组

三工河组沉积相以辫状河三角洲相、滨湖相为主要特征，其中辫状河三角洲相占据了区内较大沉积单元。沉积早期受燕山运动影响，卡拉麦里山持续隆升致使区内古地势帐篷沟以西为“北东高、南西低”，帐篷沟以东则“东高西低；北高南低”。

三工河组在帐篷沟以西发育辫状河三角洲平原分流河道微相，分流河道迁移摆动，叠置切割，砂体连片分布，面积较大，形成“泛连通体”结构。河道砂体厚度分布相对稳定，主要形成一套厚层中、粗砂岩夹薄层砂砾岩、砾岩沉积，局部夹薄层泥岩、粉砂岩。河道砂体基本连片分布，侧向连通性较好，砂体最厚70 m 左右，在盆缘通常为一层厚大砂体，向盆内逐渐分隔成1～3 层砂体，单层厚10～30 m，对应于1～3 层层间氧化带，其中底部第一层砂体层间氧化带最为发育，规模最大，也是矿化、异常主要赋存的层位。

五彩湾—沙南供水站以北一带相变为辫状河三角洲前缘亚相，砂体变薄，广泛发育水下分流河道微相，水动力微弱，不利于铀大量富集成矿，其砂岩型铀成矿前景较有限。帐篷沟以东，多发育辫状河三角洲前缘亚相，局部发育平原分流河道微相，规模较小；大井以东广泛发育辫状河三角洲前缘水下分流河道及滨浅湖（图9）。

图9 沙帐断褶带三工河组沉积相略图Fig.9 Sedimentary facies sketch of Sangonghe Formation in Shazhang fault-fold belt

三工河组层间氧化带在帐蓬沟东、西均有发育，前锋线埋深300～1 050 m，距蚀源山区2～20 km，累计长约230 km，规模相较于八道湾组要大得多。其中前锋线在帐西自沙丘河矿化点以北延伸至沙南供水站以东，长约110 km，规模较大，分布稳定，砂岩型铀成矿条件最好；在帐东自大井西侧延伸至卡拉麦里南麓，长约70 km，但地下水补-径-排机制后期被帐东断裂所破坏，不具工业找矿意义。三工河组层间氧化带前锋线基本上位于辫状河三角洲平原相内，部分位于前缘相，而铀矿化、异常多赋存于二相过渡地带或前缘相向水下分流间湾过渡的地带，工业矿孔品位为0.010 9%～0.038 4%，厚度为0.30～4.50 m，平米铀量为1.10～2.81 kg/m2。这些地带在区内分布区域大，具有较好的砂岩型铀矿找矿前景，是今后的重点找矿部位。