鄂尔多斯盆地南部镇原地区环河组下段赋矿砂岩基本特征与铀成矿作用

2023-12-09武正乾胡永兴刘坤鹏王晓鹏刘持恒王凯张良毛宁王奇辉

铀矿地质 2023年6期

武正乾，胡永兴，刘坤鹏，王晓鹏，刘持恒，王凯，张良，毛宁，王奇辉

（1.核工业二〇三研究所，陕西西安 710086；2.甘肃省地质调查院，甘肃兰州 730000；3.核工业北京地质研究院中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

铀资源是支撑国家国防核力量建设和核能发展的重要战略资源，一直都列为国家的重点勘查对象。近20 年我国在北方6 大沉积盆地陆续发现多个大型、超大型铀矿床，使我国跻身世界10 大产铀国［1］。2020 年以来，随着国家投资力度的增加，中国核工业地质局部署了“新地区、新层位、新类型”的“三新”铀矿找矿工作，勘查深度从700 m 向1 000 m 及以上延伸，核工业二〇八大队、核工业二〇三研究所和核工业北京地质研究院相继在鄂尔多斯盆地北部特拉敖包地区［2］和南部镇原地区下白垩统环河组落实了大型铀矿产地，标志着鄂尔多斯盆地“三新”找矿工作取得重要突破。

本文旨在介绍鄂尔多斯盆地南部镇原地区铀矿勘查的最新成果，以促进该地区找矿效率的提高和资源规模的扩大，进而对其他地区同类型铀矿勘查及研究提供一定的指示作用。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地地处华北克拉通西部，是一个古生代稳定沉降，中生代拗陷迁移，新生代周边扭动、断陷的多旋回叠合盆地［3］。盆地具有“双重”基底的特点，间接基底即结晶基底，为太古界（Ar）及古元古界（Pt1）变质结晶岩系，其中太古界由麻粒岩相、角闪岩相的高级变质岩和混合花岗岩组成，古元古界主要由角闪岩相和绿片岩相组成，两者以角度不整合接触。结晶基底均有不同程度的出露，不仅为盆地直接基底的形成提供物源，而且由于其隆起时间较早，遭受风化剥蚀时间较长，在一定程度上也为盆地中新生代盖层的沉积和后期铀成矿提供了丰富的物源和铀源［4］。盆地直接基底即地台沉积盖层，由中元古界（Pt2）和下古生界、上古生界（Pz1、Pz2）组成。盆地沉积盖层为中生界－新生界，发育有三叠系（T）、侏罗系（J）、下白垩统（K1）和新生界古近系渐新统（E3）、新近系上新统（N2）、第四系（Q）。各地层在横向和纵向上差异较大，其中三叠系、侏罗系和白垩系下统是盖层沉积的主体。鄂尔多斯盆地经历不同的演化阶段，最终形成一坳（天环坳陷）、一坡（陕北斜坡）、两隆（伊盟隆起、渭北隆起）、两带（西缘逆冲带和晋西挠褶带）的构造格局（图1）。

图1 鄂尔多斯盆地南部镇原地区区域地质-构造单元图Fig.1 Regional geology-structure unit map of Zhenyuan area in southern Ordos basin

镇原地区大地构造位置位于天环坳陷的南缘，东邻陕北斜坡带，西邻西缘逆冲带。天环坳陷南北长600 km，东西宽50～60 km。古生代表现为西倾斜坡，晚侏罗世开始坳陷成为当时的沉降带，沉降中心在石沟驿－平凉一带。早白垩世，随着西缘逆冲带的持续向东推进，天环坳陷成为其前渊坳陷，构造面貌为一个东部缓西缘陡的不对称向斜［5］，当时盆地的沉积中心和沉降中心重合于此，接受了早白垩世的巨厚沉积，并控制了下白垩统沉积面貌：西缘沉积体系主要以近源粗碎屑沉积为主，发育以冲（洪）积扇、扇三角洲、辫状河为主，东部缓坡主要以湖泊三角洲、风成沙丘为主，新生代时坳陷结构进一步加强，最终形成其现今构造形态。其次级褶皱自北向南有三眼井凹陷、盐池凹陷、环县低凸起、镇原凹陷和灵台坳陷等（图1）［6］，呈NNW 向斜列式展布，是在EW 向挤压的背景上兼有右行扭动作用而形成。

2 环河组下段沉积学特征

镇原地区环河组（K1h）发育一套冲积扇、辫状河、辫状河三角洲、湖泊相沉积，环河组砂岩的铀含量高达（2.51～4.47）×10-6。根据地层结构、岩性组合和沉积组合，环河组划分为上、下两个岩性段：环河组下段（K1h1）地层厚度220～240 m，自西向东依次发育冲积扇、辫状河、辫状河三角洲相，发育3～4 个沉积旋回，砂体呈厚层状，厚度200～240 m，主要发育棕红色、浅黄色、灰色中细砂岩和灰绿色中砂岩，是该区主要的含矿层位。底部发育冲积扇不等厚砾岩、砂质砾岩，砾径向上变细，分选差，砾石成分为石英岩、片麻状花岗岩等。环河组上段（K1h2）以细碎屑沉积为主，具有下细上粗的沉积特征。自西向东发育辫状河三角洲、滨浅湖相、半深湖相，发育4～5 个沉积旋回，上部砂体以棕红色细砂岩为主，下部以灰色细砂岩、粉砂岩为主，局部夹灰绿色细砂岩，是该区含矿层位之一（图2）。

图2 鄂尔多斯盆地南部镇原地区下白垩统综合柱状图Fig.2 Composite stratigraphic column of Lower Cretaceous in Zhenyuan area，southern Ordos basin

3 赋矿砂岩岩石学特征

根据岩石的碎屑或矿物成分，镇原地区赋矿砂岩主要为中细粒长石石英砂岩，由砂质碎屑颗粒和填隙物组成，砂质碎屑颗粒±85%（石英±75%、长石±15%、岩屑±2%、褐铁矿±3%、黄铁矿±3%、绿泥石<1%、方解石<1%），填隙物±15%（主要为碳酸盐和少量黏土矿物胶结物）。其中碎屑颗粒多呈次棱角状-次圆状，粒度主要集中分布于0.1～0.3 mm 之间，分选较好，碎屑颗粒之间多呈点-线接触关系，为颗粒支撑类型。石英多为单晶石英，少量多晶石英，波状消光明显（图3a）；长石主要为条纹长石和少量斜长石、正长石等（图3b）；岩屑含量较少，主要见有碳酸盐岩屑和硅质岩岩屑；填隙物主要为碳酸盐和少量黏土矿物胶结物，黏土矿物主要为高岭石和绿泥石等，岩石的胶结类型主要为孔隙式胶结（图3c、d）；岩石中还见有少量褐铁矿、黄铁矿等不透明矿物（图3e、f）。

图3 镇原地区赋矿砂岩岩石微观特征Fig.3 Microscopic characteristics of mineralization host rocks in Zhenyuan area

4 赋矿砂岩地球化学特征

4.1 主量元素分析

镇原地区下白垩统环河组下段砂岩的化学成分分析结果显示：SiO2含量60.83%～84.40%，平均79.42%，Al2O3含量2.26%～5.76%，平均4.39%，与物源区盆地基底太古界（Ar）及古元古界（Pt1）变质结晶岩系化学成分近似。CaO 含量为0.86%～3.92%，变化范围大，后生作用强烈；烧失量和FeO 含量较高，其中FeO 含量含量0.09%～1.30%，平均0.37%，岩石的还原能力较强（表1）。

表1 镇原地区环河组下段赋矿砂岩岩石化学成分/%Table 1 Petrochemical composition/% of mineralization host rock in lower member of Huanhe formation,in Zhenyuan area/%

4.2 U、Th、CO2、Corg、∑S、Fe2+、△Eh特征

对镇原地区环河组下段无矿化岩石的环境指标分析结果显示：U含量为（4.53～13.28）×10-6，平均为9.37×10-6，Th 含量为（3.44～4.29）×10-6，平均为3.82×10-6，反映赋矿层位具有铀预富集特征。CO2平均含量为3.29%，属于含碳酸盐类岩石。Corg 平均含量为0.24%，∑S 平均含量为0.06%，Fe2+平均含量为0.39%，△Eh 平均为26.39 mV。灰色岩系总体铀含量增高，平均铀含量高达13.28×10-6，∑S、Fe2+和△Eh 较红色岩系也有明显增高，表明灰色岩系中具有较好的还原能力，有利于铀矿的还原成矿（表2）。

表2 镇原地区环河组下段无矿化岩石环境指标分析结果Table 2 Environment index Analysis results of barren rock in the lower member of Huanhe formation,Zhenyuan area

4.3 灰色岩石中烃类物质

镇原地区环河组下段灰色砂岩的岩石学、矿物学、地球化学研究表明，来自下伏地层含烃流体等对砂岩存在明显的后生还原蚀变作用，赋矿砂岩中烃类物质含量均比灰色无矿砂岩的高，反映深部流体参与了铀成矿作用（表3）。此外，钻孔岩心编录发现灰色砂岩存在油浸和油斑现象以及含甲烷、乙烷、硫化氢的解析气的褪色蚀变等（焦养泉，2023）［1］。

表3 镇原地区环河组下段灰色岩石烃类物质分析结果Table 3 Hydrocarbon composition of grey rock in the lower member of Huanhe formation,Zhenyuan area

据邱林飞（未发表数据，私人通讯）对灰色矿石研究指出，铀矿段赋矿砂岩中的油气包裹体十分丰富，GOI 可达3%以上，矿段下部棕红色砂岩中的油气包裹体也较为发育，GOI 约为1%～2%，矿段下部黄色砂岩中的油气包裹体丰度明显降低，GOI 普遍小于1%，指示铀矿化可能与深部渗出作用的中轻质油气流体有关（图4）。

图4 镇原地区赋矿砂岩岩石微观特征Fig.4 Microscopic characteristics of mineralization host rocks in Zhenyuan area

4.4 岩石地球化学分带特征

通过收集整理区内各种地质资料，开展综合研究与编图，进一步总结了目的层主砂体地球化学分带特征，由盆缘向沉积中心依次发育红色氧化带、氧化－还原过渡带、灰色还原带。氧化带中砂岩为棕红色、褐黄色，氧化率100%；还原带中砂岩为灰色、灰绿色，氧化率0；氧化－还原过渡带中砂岩既有氧化砂岩，又有还原砂岩，砂体氧化率0%～100%。环河组下段氧化带一般靠近剥蚀区和边缘相展布，宽度5～40 km，氧化砂岩140～270 m，氧化率为95%～100%；还原带分布于崇信一带，南北长约80 km，东西宽80 km；氧化－还原过渡带位于氧化带和还原带之间，南北长300 km，宽80～150 km。镇原地区下白垩统环河组发育NWW—SEE 向氧化－还原过渡带控制铀矿化分布，环河组下段发育西、东矿化带，环河组下段西矿化带氧化率10%～60%，东矿化带氧化率50%～70%（图5）。其中环河组西矿化带赋矿岩性为褐红色细砂岩、含砾砂岩和砂质砾岩，部分呈浅灰色，含少量炭屑和有机质；环河组东矿化带赋矿岩性主要为浅灰色细砂岩，含细微粒黄铁矿。环河组普遍发育褐红色氧化、浅黄色氧化，其中浅黄色氧化砂岩是重要的找矿标志。环河组泥-砂-泥结构发育，发育大规模层间氧化作用，层间氧化带具有多层性、多期叠加的特点，发育铀矿化。

图5 镇原地区环河组下段氧化率等值线图Fig.5 Isogram of oxidation rate of the lower member of Huanhe formation in Zhenyuan area

5 铀成矿作用探讨

对镇原地区赋矿砂岩下白垩统环河组沉积学、岩石学、岩石地球化学和岩石原生地球化学类型的研究显示，区内环河组赋矿砂岩为一套半干旱—半湿润气候条件下形成的红色碎屑岩系，发育辫状河三角洲、三角洲沉积体系和良好的泥-砂-泥地层结构；砂岩主要为中细粒长石石英砂岩，岩石孔隙度和连通性较好，有利于含氧富铀流体和深部流体的渗透和径流；岩石中有机碳含量平均达到0.24%，反映其具有还原能力；U 含量平均达9.37×10-6，具备丰富的铀源条件。

天环坳陷与西缘逆冲带、渭北隆起之间均以区域性断裂分隔，加之盆地基底断裂发育，经过海西运动、印支运动、燕山运动，形成NS、NW、NEE 向为主的基底断裂，喜山运动作用下断裂活化，镇原地区自北向南发育多条隐性断裂带，叠加延长组至下白垩统，引发盆地深部油气大规模向上迁移、渗透和逸散，提升下白垩统还原容量。镇原地区主要发育有大量呈NW、NEE 向雁列展布的小型走滑断裂体系（图6）（据王猛，2019；潘杰，2017；杨桂林等，2022；修改）［7-9］，长度一般1～3 km，断距5～30 m，倾角大于65°（图7a、b），裂隙中充填黑色有机质（图7c）。钻孔中岩心中常见微裂隙，或充填褐铁矿化（图7d）、粉末状有机质（图7e）、角砾状碳酸盐-黄铁矿细脉（图7f），并在罗汉洞组、环河组、洛河组发现厚度不等的油气还原砂岩，伴生铀矿化及异常。

图6 镇原地区中生界断层分布图［7-9］Fig.6 Mesozoic fault distribution map in Zhenyuan area ［7-9］

图7 镇原地区地表断层、岩心宏观特征Fig.7 Outcrop and hand speciment photos shongwing the faults in Zhenyuan area

镇原地区紧邻红河油田和长庆油田，区内发育大规模的NE—SW 向断裂，断裂能有效地沟通延长组烃源岩、安定组油页岩、洛河组、环河组，断裂带可作为浅层含氧富铀流体排泄区，同时也是铀成矿过程中还原介质运移的必要通道（朱强等，2019；司庆红等，2022）［10-11］。来源于下伏地层（延长组、安定组）的含烃流体和还原性气体（H2S、CH4、NH3）沿断层和裂缝等运移通道至环河组（焦养泉，2023；朱强等，2019；司庆红等，2022）［1，10-11］，与含氧含铀流体直接发生强烈的氧化还原作用，导致铀沉淀成矿。

镇原地区铀成矿机制为：晚侏罗世—早白垩世以来，半干旱—半湿润气候条件下形成环河组红色氧化砂岩层。晚白垩世以来，盆地西缘遭受强烈的构造挤压造成盆缘六盘山脉的隆升和盆地南部镇原地区发育大规模的NE—SW 向断裂。六盘山及周缘岩石中的铀沿着环河组顺层向盆地中心迁移，发生层间氧化渗入作用。同时，该阶段地温梯度达到最高，地层达到最大古地温［12］，是主要油气生成期，发生油气渗出作用。NE—SW 向断裂构造为深部油气上升运移提供了重要通道，富氧含铀流体中的铀离子与油气中的还原剂发生强烈的氧化还原作用，导致铀沉淀成矿［13］（图8）。