新疆准噶尔盆地北部黄花沟地区铀矿化特征及成因探讨

2023-12-09朱斌吴玉钟军陈虹东前毛广振

铀矿地质 2023年6期

朱斌，吴玉，钟军，陈虹，东前，毛广振

（1.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；2.核工业二一六大队，新疆乌鲁木齐 830011）

准噶尔盆地位于新疆北部，夹持于阿尔泰山脉与天山山脉之间，是新疆境内第二大盆地，蕴含石油、天然气、煤炭等能源矿产，也是我国砂岩型铀矿的重点勘查区。该盆地及周边铀矿找矿工作始于1956，经过近70 年勘探，虽发现了卡姆斯特、楼庄子两个大型铀矿产地、大庆沟小型铀矿床和诸多铀矿（化）点、异常点，但至今仍未落实中型及以上铀矿床。然而，与准噶尔盆地毗邻且同属于中亚铀成矿带的伊犁盆地、吐哈盆地均发现了大型铀矿床。因此，准噶尔盆地砂岩型铀矿找矿勘查工作亟待突破。

2021 年，核工业二一六大队在地质调查过程中发现了黄花沟铀矿化点。这是首次在准噶尔盆地北部发现地表铀矿化点。该矿化点的发现，对提振准噶尔盆地砂岩型铀矿的找矿信心具有重要意义。地表地质特征显示，黄花沟铀矿化点的铀矿体具有固结程度高、呈透镜状或板状、顺层、断续分布的特点，与典型的层间氧化带型铀矿化特征差别较大。本次研究通过开展详细地野外地质观察，系统地岩石地球化学和矿物学分析，揭示了黄花沟矿化点的铀矿化特征，并对其铀矿化成因进行探讨。

1 地质背景

1.1 区域地质背景

准噶尔地块位于天山-准噶尔-北山造山系内，其南北两侧通过额尔齐斯结合带以及那拉提-南天山结合带分别与阿尔泰弧盆系和塔里木陆块相连，其东西两侧分别与西伯利亚板块和哈萨克斯坦板块相接（图1），是哈萨克斯坦板块的东延部分，也是中亚造山带的重要组成部分［1-4］。准噶尔盆地是发育于准噶尔地块之上，自石炭纪以来经多期构造演化形成的大型叠合复合盆地［5］。盆地三面被晚古生代缝合线和褶皱带所围限（分别为西准噶尔弧盆系、额尔齐斯结合带、东准噶尔弧盆系、博格达裂谷盆地和依连哈比尔尕俯冲增生杂岩带）（图1），盆内面积约13 万km2。

图1 准噶尔盆地及邻区晚古生代大地构造位置简图（据文献［6］修改）Fig.1 Sketch map showing the tectonic location of Junggar Basin and its adjacent areas in Late Paleozoic（modified after reference［6］）

准噶尔盆地经历了海西、印支、燕山、喜山等多期次构造运动，形成了多期重要不整合面。石油系统依据盆地内部二叠系的沉积、构造特征及后期构造改造特征，将准噶尔盆地划分为乌伦古坳陷、陆梁隆起、中央坳陷、北天山山前冲断带、西部隆起和东部隆起6 个一级构造单元和44 个二级构造单元［7］（图2）。

图2 准噶尔盆地构造单元划分及铀矿化点分布图（据文献［7-8］修改）Fig.2 Distribution of structural units and uranium mineralization occurrences in the Junggar Basin（modified after references［7-8］）

准噶尔盆地在古生界褶皱基底之上发育了较为完整的二叠系至第四系，各地层的分布、厚度及沉积相特征受各期构造活动的控制。铀矿地质勘查发现，准噶尔盆地内，侏罗系—新近系均发育有铀矿化。研究发现，不同盆段、不同矿化类型的铀矿化赋存层位存在显著差异［8］。砂岩型铀矿在盆地东部、南部和西部均有发育，含矿目的层以侏罗系八道湾组、三工河组、西山窑组和头屯河组为主；盆地北部顶山地区在古近系乌伦古河组发育有铀矿化，但规模不大；近年来在盆地西部车排子地区新近系沙湾组发现较好的砂岩型铀矿化［9］。地沥青型铀矿化主要发育在盆地的南部和西北部，含矿层以白垩系吐谷鲁群为主。煤岩型铀矿化主要发育在盆地的东部和西北部，含矿层位以侏罗系西山窑组为主。

1.2 研究区地质概况

黄花沟地区位于准噶尔盆地北部乌伦古坳陷内，索索泉凹陷与红岩断阶带的交界处［10-11］。区内断裂、褶皱构造发育，主要有区域大断裂——吐丝托依拉断裂和乌伦古北断裂、次级断裂——黄花沟断裂和红砾山背斜等。吐丝托依拉断裂为乌伦古坳陷（一级构造单元）内索索泉凹陷和红岩断阶带2 个次级构造的分界（图2），在黄花沟地区为北西向延伸的高角度（40°～55°）逆冲推覆构造，切穿石炭系—白垩系，主活动期为中生代，具有边断边沉积的同生性质［12］。喜山期，研究区多见古近系和新近系形成的北西向平缓褶皱，区内构造活动微弱。受吐丝托依拉断裂及其次级断裂的影响，断裂附近地层发生褶皱变形，形成红砾山背斜（图3）。

图3 黄花沟地区地质简图Fig.3 Sketch geology map of Huanghuagou area

黄花沟地区中-新生代地层不整合覆盖在泥盆系和石炭系的凝灰质火山岩之上。地震资料显示［13］，自下而上依次为上三叠统（白碱滩组）、下侏罗统八道湾组（J1b）和三工河组（J1s）、中侏罗统西山窑组（J2x）、下白垩统吐谷鲁群（K1tg）、上白垩统红砾山组（K2h）、古近系乌伦古河组（E2-3w）、新近系索索泉组（N1ss）和第四系（Q）。钻探揭露显示，该地区三叠系零星分布，不整合覆盖于泥盆系变质火山岩之上。侏罗系近楔状自北向南往盆地延伸，分布范围自下向上逐渐变小，中侏罗统头屯河组和上侏罗统齐古组缺失，反映晚侏罗世该地区遭受了强烈的隆升剥蚀；下白垩统吐谷鲁群超覆沉积在侏罗系之上，分布范围大；上白垩统不整合于下白垩统之上，区域上以一厚层底砾岩为典型特征。古近系乌伦古河组分布范围最大，几乎覆盖整个盆地；新近系索索泉组是索索泉凹陷的代表地层，受新构造运动的影响，晚期遭受一定的抬升剥蚀，分布范围较乌伦古河组小。

研究区内，侏罗系主要为一套潮湿气候条件下形成的、表现为进积特征的湖岸沼泽-辫状河三角洲-河流特征的暗色含煤碎屑建造［13］，厚层中粗粒结构的砂体主要发育于三工河组和西山窑组；下白垩统主要为一套半干旱-干旱条件下形成的三角洲相沉积特征的灰色碎屑建造［14］，下部发育灰色中细粒三角洲平原相砂体，上部发育三角洲前缘相，以浅灰色细砂岩-粉砂岩与厚层浅棕红色泥岩互层为典型特征。上白垩统红砾山组至新近系索索泉组，整体为一套干旱条件下形成的红杂色岩系，以褐黄色砾岩、棕黄色-灰白色中粗粒砂岩以及浅棕红色泥岩为主，为冲积扇、辫状河三角洲以及湖泊沉积体系。

2 地表铀矿化特征

黄花沟矿化点位于吐丝托依拉断裂上盘（图4a），靠近背斜核部（图3，图4b、c）。背斜两翼均发育有铀矿化，具有较强的顺层特征（图4c），矿化点附近出露下白垩统吐谷鲁群、上白垩统红砾山组及古近系乌伦古河组（图3、图4a）。

图4 准噶尔盆地黄花沟地表矿化点典型地质剖面图Fig.4 Representative geological profile of uranium mineralization occurrences in Huanghuagou，Junggar Basin

研究区内，吐谷鲁群为一套半干旱-干旱条件下形成的三角洲相灰色碎屑建造，以青灰色-红色杂色泥岩、浅灰白色细砂岩和含砾细砂岩为典型岩性组合，局部发育砾岩。钻孔资料显示，在吐丝托依拉断裂两侧，吐谷鲁群残余厚度差异很大，断裂上盘（北侧）残余厚度一般不足300 m，而断裂下盘吐谷鲁群的残余厚度可达600 m 以上，表明吐丝托依拉断裂的活动晚于吐谷鲁群沉积期。红砾山组为一套干旱条件下形成的河湖相红杂色碎屑建造，以发育厚层红色泥岩为典型特征，还发育灰白色中细粒砂岩及砾岩，底部以一套厚层的底砾岩不整合覆盖于吐谷鲁群之上。钻孔资料显示，研究区内残余厚度约100 m，在断裂两侧红砾山组残余厚度不大，且具有较好的可对比性，表明在红砾山组沉积期，吐丝托依拉断裂活动已基本停止。乌伦古河组为一套典型的辫状河相碎屑建造，岩石多呈浅灰白-浅黄白色，发育厚层中粗砂岩，其底部为一套粗砂岩覆盖于红砾山顶部的棕红色泥岩之上。

黄花沟地表铀矿体发育于吐谷鲁群浅灰白色细砂岩中，矿化砂岩固结程度明显较未矿化砂岩高，多呈透镜状、板状产出（图5）。矿化砂岩遇盐酸不起泡，表明其非碳酸盐胶结。此外，在矿化砂岩体附近多发育有褐铁矿化、硬锰矿化，部分矿化砂岩中见红色泥砾。

图5 黄花沟矿化点野外露头典型照片Fig.5 Photos of typical outcrops and samples in Huanghuagou uranium occurrences

黄花沟矿化点的矿化砂岩连续性较差，多呈点状产出。目前已发现地表异常点十余处，呈北西西向展布，延伸超过1 km，总体与褶皱核部走向平行。伽马辐射仪（型号为HD2000）测得等效U 含量多介于100×10-6～300×10-6，最高可达500×10-6以上（仪器分析获得的等效U 含量单位为Ur，1 Ur等于1×10-6）；矿石微量元素分析结果显示，铀含量最高可达340×10-6。

3 样品和分析方法

在野外地质调查的基础上，利用伽马辐射仪，在黄花沟地表铀矿点的4 个异常点采集了13 块样品，包括未矿化砂岩、不同矿化程度的砂岩、赤铁矿化及硬锰矿化的含矿砂岩，以及矿体附近的砾岩。详细信息及典型照片见图6和表1。

表1 黄花沟地表样品采集信息表Table 1 Information of hand specimen from Huanghuagou area

图6 典型手标本样品照片Fig.6 Photos of representative hand specimen

对采集的样品开展了岩石薄片镜下鉴定、电子探针和能谱分析、全岩粉末的主量元素和微量元素分析。相关实验均在核工业北京地质研究院完成。电子探针和能谱分析使用的实验仪器为日本JEOL 公司生产的JXA-8100型电子探针分析仪，分析测试条件：加速电压为20 kV，束流为1×10-8A，分析束斑直径为2 μm。主量元素分析采用X 射线荧光光谱法（XRF），测试仪器为荷兰帕纳科公司生产的Axios-mAX AB104L 型波长色散X 射线荧光光谱仪。实验过程中，X 射线管电压为50 kV，电流为50 mA，元素的测定精度可达0.01%，分析误差＜5%。此外，用化学分析法（CA）测定样片中氧化亚铁的含量（测定范围＞0.5%）。微量元素采用ICP-MS 分析，使用仪器为美国Thermo Fisher 公司生产的ELEMENT XR 型号的高分辨电感耦合等离子质谱仪，元素含量大于10×10-6时，相对误差小于5%；小于10×10-6时，相对误差小于10%。

4 分析结果和讨论

4.1 岩石矿物学特征

岩石薄片显微镜下观察发现，矿化砂岩为岩屑长石砂岩，碎屑颗粒主要由石英、钾长石、斜长石、岩屑和少量黑云母组成，粒径为0.1～0.4 mm，为中细砂岩（图7a、b）。胶结物以泥质为主，在强烈矿化的砂岩中多为磷灰石，可见磷灰石充填于长石裂隙以及黑云母的解理缝中，显示后生交代的特点（图7c、d、e）。此外，含矿砂岩中多发育有硬锰矿、赤铁矿等，表明其遭受了较强的地表氧化改造。显微镜下观察发现，硬锰矿、赤铁矿及褐铁矿呈胶状包裹早期泥质胶结物以及磷灰石颗粒（图7f），表明其晚于磷灰石的形成，这与野外观察吻合，即赤铁矿、褐铁矿与硬锰矿多以脉状形式产出，切穿矿化砂岩。

图7 典型显微镜下照片Fig.7 Microscope photos of typical ore

4.2 铀赋存形式

电子探针分析发现，矿化砂岩中未见铀的独立矿物。全岩主量元素分析结果显示，矿化砂岩相比于未矿化砂岩明显富集磷和钙，未矿化砂岩和砾岩（砾岩粉末样品中不含砾石）的w（P2O5）和w（CaO）值仅为0.17%～0.26% 和1.06%～1.41%，而矿化砂岩的w（P2O5）和w（CaO）值高达3.94%～10.14% 和5.72%～14.66%（表2）。全岩粉末的元素含量协变关系图解显示，w（P2O5）与w（CaO）值呈强正相关（图8a），且比值（0.737）与磷灰石的 P2O5/CaO 值一致（0.736），表明矿石中的磷和钙基本都赋存于磷灰石中。更为重要的是，w（U）值与w（P2O5）和w（CaO）值呈良好的正相关（图8b、c），表明铀矿化与磷灰石之间具有成因联系。

图8 黄花沟地区全岩样品元素协变图Fig.8 Covariant diagram of elements for bulk rocks from Huanghuagou area

前人研究表明，磷灰石族矿物中经常见到铀的混入物，特别是在海相沉积的磷块岩中。Kochenov 等［15］认为，沉积岩中有机质和磷灰石的存在是岩石中铀富集的必要条件。然而，目前关于铀与磷灰石的关系仍存在争议。早期学者基于U4+（0.95Å）与Ca2+（0.97Å）具有相似的离子半径，推测铀以类质同象的形式替换钙存在于磷灰石晶格中［16］。后来，部分学者通过对富铀磷灰石开展选择性分离和电渗法研究发现，铀先于磷从胶磷矿（胶状的磷灰石）中溶解出来，且溶液中铀和磷被提取出来是毫不相干的，因此认为，铀并非以类质同象的形式存在于磷灰石中，而是以微细粒的铀氧化物呈吸附态被磷灰石所捕获［17］。

通过对黄花沟矿化砂岩中的磷灰石开展电子探针分析后发现，包裹于黑云母中的岩浆磷灰石（图7c）几乎不含U（低于检测限），且具有较高的Cl 含量；而交代磷灰石（胶结物）具有很高的w（UO2）值，最高可达0.36%（表3）。结合全岩w（P2O5）值，简单计算发现，磷灰石中的U 与全岩的U 含量基本一致。如样品NJ21-11 中w（P2O5）值为4.70%（表2），其中磷灰石的w（UO2）平均值为0.193%（表3），P2O5占磷灰石中的含量按40%计算，则全岩样品中磷灰石的铀含量为227×10-6，与全岩微量元素分析获得的U 含量几乎完全一致（228×10-6，表4），表明铀很可能以类质同象的形式赋存于磷灰石中。

笔者认为，铀在磷灰石中的赋存形式可能与磷灰石的产出形式有关。对于晶体磷灰石而言，如岩浆磷灰石，铀以类质同象的形式替换钙进入到其晶格之中；对于胶磷矿（磷灰石呈胶体形式），由于胶体具有很强的吸附能力，因此，铀以吸附态为主。黄花沟地区矿化砂岩中的交代磷灰石为矿物微晶，颗粒多介于3～10 μm，部分可达15 μm 以上，且晶形较好（图7d、f），与海相磷块岩中的胶磷矿（一般小于1 μm，多呈球状集合体）差异较大［18］，因此铀主要以类质同象的形式赋存于微晶磷灰石中。

全岩的w（UO2）值与w（Al2O3）、w（SiO2）值和全碱含量呈负相关关系（图8d、e、f），这是磷灰石交代（P2O5和CaO 含量升高）导致全岩中其他主量元素含量降低的结果。在砂岩型铀矿中，铀常被黏土矿物所吸附，因此，U 和Al2O3多呈正相关。黄花沟地区矿化砂岩中U 与Al2O3的负相关关系表明，黏土吸附铀并非该地区铀矿化的主要存在形式。

4.3 铀矿化成因

砂岩型铀成矿作用的核心机制是氧化还原反应，即地表氧化性水体富含U6+，当其渗入到还原性地层时，与砂岩（或砂砾岩）中的还原性物质发生氧化还原反应，流体的Eh 值降低，U6+还原为U4+，卸载成矿。因此，砂岩型铀矿的矿体分布受氧化还原反应界面控制明显。层间氧化带型砂岩型铀矿是最重要的砂岩型铀矿类型，前人研究表明，其多具有以下特征［19-24］：1）发育于厚层砂体中，其上部和下部具有良好的隔水顶板和底板；2）砂岩具有较高的还原容量，多见有机质（如：植物炭屑）和黄铁矿；3）铀矿体规模较大，连续性好，矿体受氧化还原过渡带控制明显；4）多见高岭土化、褐铁矿化等后生蚀变；5）铀矿物以沥青铀矿、铀石为主，低品位铀矿化中多见吸附态的铀；6）Re、Mo、V、Se 等变价元素常与铀共伴生。

黄花沟地表铀矿点的铀矿化特征与典型的氧化带型砂岩型铀矿明显不同。铀矿体上部和下部缺乏隔水顶板和底板，矿化砂岩中未见炭屑、黄铁矿等还原性物质，矿体虽然具有顺层特点，但多呈点状分布、连续性差、规模有限，未见明显的后生氧化作用，无独立铀矿物，铀矿化与磷灰石关系密切，未见明显的Re、Mo、V 等变价元素富集（表4）。因此，黄花沟地区的铀矿化可能是一种新的砂岩型铀矿化类型。

近期，张成勇等［25］在内蒙古西部巴音戈壁盆地本巴图地区下白垩统巴音戈壁组砂砾岩中也发现了磷灰石型铀矿化，在矿化砂岩中未见到独立铀矿物。基于矿化砂砾岩较未矿化砂砾岩明显富集REE、Y、W 和Sr 等元素，张成勇等认为苏红图组玄武岩喷发形成的火山热液与大气降水混合后，交代早期菱铁矿，形成磷灰石型铀矿化。在鄂尔多斯盆地的延长组长7 段的富铀烃源岩中，铀同样赋存于胶磷矿中，且胶磷矿中U 和ΣREE 含量呈明显的正相关，推测火山喷发（形成凝灰岩）是造成烃源岩富铀的主要原因［26］。

与巴音戈壁盆地本巴图铀矿化砂砾岩一样，黄花沟地表铀矿化砂岩的赋矿岩石同样产于下白垩统地层（吐谷鲁群），富铀的微晶磷灰石同样为氟磷灰石，但二者的微量元素特征明显不同。黄花沟地区矿化砂岩与非矿化砂岩具有相似的微量元素和稀土元素配分模式，除明显富集U 和P 外，矿化砂岩并不富集ΣREE、Sr、W、Y 等元素（图8g、图9、表4），且该地区不存在白垩纪之后的岩浆活动，因此，铀成矿作用与岩浆热液无关。

图9 黄花沟地表铀矿化样品微量元素蛛网图（a）和稀土元素配分图（b）Fig.9 Patterns of trace elements（a）and rare earth elements（b）from different rocks in Huanghuagou area

如前所述，黄花沟地表矿化砂岩中未见植物炭屑、黄铁矿等还原性物质，未发现Re、Mo、V 等变价元素富集（表4），且U 含量与Fe3+/Fe2+值无相关性（图8h），表明其铀矿化的形成与氧化还原过程关系不大。

那么黄花沟地区磷灰石型铀矿化究竟是如何形成的呢？

野外露头显示黄花沟地区磷灰石型铀矿体发育于吐谷鲁群浅灰白色细砂岩中，具有一定的顺层特点，且矿化砂岩固结程度明显较未矿化砂岩高，多呈透镜状、板状产出。岩石薄片显微镜下观察发现，矿化砂岩中早期泥质胶结物被晚期的磷灰石所交代，导致其固结程度增强。由于磷灰石中具有很高的铀含量，因此伴随磷灰石的交代过程，铀的富集成矿随即发生。

那么在富磷富铀的流体交代早期细砂岩时，为什么会形成这种“透镜状”、“板状”的差异性交代呢。最有可能的是，这种差异性在交代之前就已经存在了。事实上，不仅是黄花沟地区，整个准噶尔盆地西北缘下白垩统吐谷鲁群A、B 亚群的砂岩中均发育有钙质结核和板状钙质砂岩层（如乌尔禾地区的白杨河大峡谷和魔鬼城附近出露的吐谷鲁群地层）。富铀的磷酸盐流体交代砂岩中的钙质结核和板状钙质砂岩，由于磷酸钙的溶度积较碳酸钙小，因此，磷酸盐会将砂岩中的碳酸钙置换为磷酸钙（磷灰石），具体的反应方程［27］如下：

在磷灰石沉淀过程中，流体中的铀以类质同象的形式替换钙进入到磷灰石晶体，进而形成铀矿化。

解决了黄花沟矿化砂岩中磷灰石的形成过程，那么交代钙质砂岩的富铀、富磷流体又从何而来呢？

黄花沟地表铀矿化主要沿吐丝托依拉断裂两侧发育，特别是在断裂上盘，显示出较好的断裂控矿特点，那么该富铀、富磷的流体是不是深部来源呢？黄花沟地区的钻探查证工作显示，吐丝托依拉断裂带内，岩石发生强烈的机械破碎和变形，但蚀变十分微弱，流体改造迹象不明显。此外，磷灰石型铀矿化仅发育于近地表环境，钻孔内未揭露到同类型的铀矿化，表明成矿流体很可能来自浅部地表环境，矿化砂岩下部的泥岩阻隔了富铀、富磷流体进一步向深部渗入成矿。

微量元素协变图解中，矿化砂岩中U 与Be呈很好的正相关关系（图8i），指示二者具有一定的成因联系。黄花沟北西西方向约180 km 处，是著名的白杨河特大型铀铍矿床。黄花沟磷灰石型铀矿体的铀成矿年龄为（76.5±6.6）Ma（全岩U-Pb 等时线法，它文另述），彼时北西西方向的谢米斯台山是黄花沟地区的主要物源。

磷是地壳中第11 丰富元素，主要赋存于磷灰石和长石中。全球尺度磷的生物地球化学循环系统中，磷的最初来源是土壤发育过程中大陆风化作用产生的磷。大陆风化作用将岩石中的磷灰石和长石以溶解态和颗粒态的形式释放出来，通过河流、大气、地下水等方式搬运到海洋［28］。此外，磷作为一种生命元素，生物圈是磷的一个重要地球化学储库。因此，表生流体往往具有较高的磷含量。尤其是在干旱条件下，土壤中的灰质（碳酸盐）含量增加，具有更高的磷含量。

据此推测，晚白垩世，受吐丝托依拉逆冲断裂影响，黄花沟地区下白垩统吐谷鲁群被抬升至地表，遭受剥蚀。表生富磷流体将白杨河铀铍矿床中的铀和铍淋滤出来，在向盆地内部迁移过程中进一步淋滤地层中的铀，至黄花沟地区与吐谷鲁群砂岩中的钙质结核和板状砂岩发生磷酸盐交代作用，形成磷灰石型铀矿化。该交代作用为典型的潜水氧化型，交代的规模和范围受底板泥岩和钙质砂岩共同控制，故而，在黄花沟地区浅表地层中形成典型的顺层、断续发育的磷灰石型铀矿化。