二连盆地赛汉高毕铀矿床渗出成矿作用和模式

刘武生，李子颖，刘持恒，纪宏伟，李西得

（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）

近年来，二连盆地古河道型铀矿取得重大突破，铀成矿作用也进行了较深入研究，基于地表含氧含铀水渗入铀成矿理论，逐渐建立了二连盆地中部以赛汉晚期古河道为成矿场所，通过侧向（谷坡）或顺向（河道走向）或垂向（“天窗”）的含氧含铀水的补给，与容矿砂岩发生水-岩作用，形成以“天窗”为补给区的潜水氧化带型铀矿化，以侧向（谷坡）为补给区的潜水-层间氧化带型铀矿化，以顺向（河道走向）为补给区的层间氧化带型铀矿化，建立了建造间式古河道型铀成矿模式［1-8］，总结了铀源、古河道规模、氧化带前锋线三位一体关键控矿要素。然而，在哈达图、赛汉高毕铀矿床中，铀矿化受连通腾格尔组的断裂、矿化悬空于黄色砂体间受灰色砂体控制等现象难以解释。李子颖等［9］以哈达图铀矿床为典型，提出了一种新的铀成矿作用：渗出成矿作用，其是与层间渗入成矿作用大相径庭的新观点。受此新思路影响，本文以赛汉高毕铀矿床为突破口，以基于赛汉高毕铀矿床成矿环境、矿石矿物特征分析、铀成矿作用探讨，提出赛汉高毕铀矿床主要为渗出成矿作用的结果，结合建造间古河道特点，构建赛汉高毕式铀成矿模式，提练关键控矿要素，为区内铀矿勘查提供依据。

1 成矿地质背景

赛汉高毕铀矿床位于天山-兴蒙造山系二连盆地乌兰察布坳陷东北部的准宝力格凹陷中，紧邻马尼特坳陷（图1）。北部为巴音宝力格隆起，南侧与塔木钦隐伏二叠纪花岗岩岩体（γP）倾伏方向相连。二叠纪花岗岩铀含量为（3.7～9.4）×10-6，钍含量一般为（11.2～45.9）×10-6，铀钍比为2.5～10.5。经计算花岗岩的原始铀含量达（17.8～19.5）×10-6，铀活化迁移达49%～57%［10］，说明本类岩石为盆地内沉积层提供过丰富铀源，造就准宝力格凹陷中不同层位中的铀含量均大于5.0×10-6。矿床内揭露地层主要有下白垩统腾格尔组（K1t）、赛汉组上段（K1s2）、赛汉组下段（K1s1）和古近系伊尔丁曼哈组（E2y），其中赛汉组上段为铀含矿层，为一套半干旱古气候条件下沉积的曲流河沉积体系，泥岩整体呈红色，砂岩呈黄色、灰绿色夹灰色，铀矿化赋存于灰色碎屑岩中（图2）。

图1 二连盆地赛汉高毕铀矿床构造位置略图Fig.1 Structural position of Saihan Gobi uranium deposit in Erlian Basin

图2 赛汉高毕铀矿床SZK0-16 钻孔赛汉组上段小层序划分Fig.2 Delineation of minor stratigraphic sequences in the upper member of Saihan Formation in Borehole SZK0-16 at Saihan Gobi uranium deposit

2 矿床成矿环境

2.1 构造环境

赛汉高毕铀矿床处于乌兰察布坳陷东部的准宝力格凹陷中，该凹陷为一半地堑，控陷断层为向南倾的铲式正断层F1，南部缓坡侧发育2 条反向正断层F2、F3，形成一个北西深南东缓的箕状凹陷［11］。其中，西北部深凹处基底埋深1 200～2 000 m，南东缓坡带基底埋深400～800 m。赛汉高毕铀矿化主要就位于南东缓坡带，且与F2、F3 断裂关系密切；西北部深凹处由于钻探工作程度低，未见工业铀矿化（图3）。

图3 赛汉高毕铀矿床基底构造图Fig.3 Basement structural map of Saihan Gobi uranium deposit

研究区北部蚀源区主要发育石炭纪灰岩、变质砂岩夹板岩和二叠纪花岗岩；区内含矿层赛汉组上段（K1s2）底部古河道下切于腾格尔组（K1t）和阿尔善组（K1a）中，形成K1s2/K1t、K1s2/K1a高角度不整合，有利深部层位中产生的油气渗出至目的层砂体中（图4）。

图4 赛汉高毕铀矿床BD1 地震解释图Fig.4 Interpreted seismic profile BD1 of Saihan Gobi uranium deposit

通过对赛汉高毕蚀源区石炭纪沉积岩样品（EN1002）磷灰石模拟的t-T曲线反演埋藏-抬升史：石炭纪（345～285 Ma）主要为海陆交互相沉积期；二叠纪—侏罗纪（285～135 Ma）为准平原化过程，未接受沉积，为后期沉积提供了丰富的物源；白垩纪（135～65 Ma），赛汉高毕处于沉积沉降期，形成了该区含矿建造；古近纪（65～20 Ma），赛汉高毕处于挤压环境，断层活动较强，地层快速抬升［12-13］，持续时间达40 Ma，较有利于后生渗入或渗出成矿作用发育；新近纪以来（20 Ma—今），二连盐池处于准平原化过程，形成现今地形地貌，铀成矿作用基本停止（图5）。

图5 二连盐池石炭纪沉积岩类模拟的年龄－温度曲线图［17］Fig.5 The thermal history modeling of the Carboniferous detrital apatite in Yanchi of Erlian［17］

2.2 建造环境

赛汉高毕古河道为一条宽而缓的曲流砂质河道，呈东西向展布，宽5～10 km，长60 km，埋深一般小于200 m，砂体厚度为10～80 m，在底部可见到花岗岩和变质岩成分的卵石［2-3］。岩性主要为黄色、灰绿色、灰色中细砂岩，含细砾中砂岩，富含有机质，含量高达7.4%。赛汉高毕铀矿化主要受灰色砂体控制，灰色砂体主要沿凹陷低洼处和F2、F3、F4 断裂夹持区分布，外围周边主要分布黄色和绿色砂岩类（图6）。

图6 赛汉高毕铀矿床赛汉组上段岩性地球化学图Fig.6 Lithological-geochemical map of the upper member of Saihan Formation in Saihan Gobi uranium deposit

2.3 油气演化特征

二连盆地主要发育三套烃源岩系，分别位于阿尔善组、腾格尔组一段和腾格尔组二段。其中，二连盆地阿尔善组和腾格尔组烃源岩均是在100 Ma左右开始排烃成藏［14］，且经历了两次成藏，第一期成藏在腾一末期，第二期成藏大致在赛汉期末，并且以第二期成熟油充填为主［15］。这都说明在赛汉组沉积末期（约100 Ma），主力烃源岩仅达到了成熟油阶段（1.0%＜Ro＜1.3%），并未达到生气阶段。而迁移能力更强、还原能力更强的甲烷等天然气是在更大的埋深时期（二连组沉积末期）成熟并迁移［16］。

当地层温度在80～120 ℃时，有机酸浓度达到最高峰。该成岩温度基本与磷灰石裂变径迹（AFT）部分退火区间温度相近，因此碎屑AFT 年龄可以近似认为沉积地层中有机质释放有机酸的高峰时期。在齐哈日格图、赛汉高毕等地区赛汉组中获得的碎屑磷灰石裂变径迹年龄为52～48 Ma。该年龄在盆地构造演化上基本对应于上白垩统二连组沉积后，赛汉组埋深最大的时期，或上白垩统二连组与始新统之间快速抬升的构造阶段。该时期赛汉组下段的有机质释放的有机酸和碳酸达到最高峰，为其上覆地层赛汉组上段提供了还原性流体。

2.4 铀矿化特征

赛汉高毕铀矿化赋存于赛汉组上段底部灰色砂体中，品位为0.012%～0.119%、厚0.2～11.4 m、平米铀量为0.04～2.72 kg/m2，含矿岩性为灰色、深灰色及灰黑色砂质砾岩、含砾中粗砂岩、含砾中细砂岩、含砂砾泥质细砂岩等，矿体在平面上呈透镜状或板状［2-3］。绿色砂体主要发育于赛汉组上段砂体的中上部（图7）。

图7 赛汉高毕铀矿床S0 勘探线地质剖面图Fig.7 Geological profile of exploration line S0 at Saihan Gobi uranium deposit

经分析，铀矿石中六价铀的比例较高，达到55%～62%左右，四价铀的比例在37%～45%左右。这一结果说明了该区铀矿物中较高的六价铀，可能是四价铀被氧化成六价铀进而被黏土矿物、有机质、硫化物、钛矿物等吸附的结果（表1）。

表1 赛汉高毕铀地区铀矿石中铀的价态分析结果Table 1 Uranium valence analysis results of ores in Saihan Gobi uranium deposit

2.5 铀成矿年龄

针对二连盆地赛汉高毕铀矿床砂岩型铀矿石开展全岩U-Pb 测年（数据由核地研院采用沥青铀矿、晶质铀矿的年龄测定方法测定），主要得到（63±1.1）Ma 和（42.2±3.7）Ma［4］、（21.3±3.6）Ma 三组年龄，为新生代古近纪古—始新世（E1-2），与区域油气逸散期、挤压构造期时代上一致。

3 铀矿石矿物特征

3.1 铀矿石元素地球化学特征

3.1.1主量元素

赛汉高毕含矿主岩的化学成分在佩蒂庄（Pettjohn）岩石地球化学分类图解中主要投影于长石砂岩、岩屑砂岩和杂砂岩区（图8），岩石的SiO2/Al2O3值变化在4～11.5 之间，平均值为7.06，反映了近源，岩石成熟度低。

地质灾害是在自然或人为因素的作用下形成的，对人类生命财产安全、环境造成破坏和损失的地质作用(现象)。随着社会的发展，人类工程活动不断加剧，地质灾害的发生逐年增长，严重危害人类生命财产安全，制约着社会经济的发展。因此，在我国开展各县市地质灾害详细调查显得尤为重要。地质灾害详细调查内容广泛，调查数据信息量大，数据类型种类繁多，如何处理和储存这些海量的数据信息，成为地质灾害详细调查面临的主要问题。

图8 赛汉高毕地区赛汉组SiO2/Al2O3-Na2O/K2O 分类图解Fig.8 Classification diagram of SiO2/Al2O3 and Na2O/K2O in Saihan Formation at Saihan Gobi area

区内各类砂岩中含有较多的碎屑铝硅酸岩和黏土矿物，CaO＋Al2O3达10%以上，P2O5与铀含量呈明显正相关，相关性系数达0.84，均表明该矿床具有沉积成岩期的预富集现象［18］（表2）。

表2 赛汉高毕铀矿床不同环境岩石类地球化学参数特征表Table 2 Geochemical parameters in different rock types of Saihan Gobi uranium deposit

岩石中的总铁含量在1.82%～2.48%之间，差别不大，且在黄色（绿色）岩石类和灰色类岩石类中的Fe2+/Fe3+均小于0.8，说明均处于氧化环境，从而亦说明该套地层整体处于氧化环境，后经油气渗出，局部形成还原环境，发育渗出成矿作用。

区内各类砂岩中酸解烃含量均比较高，达160 μL·kg-1以上，其中甲烷含量达136 μL·kg-1以上。其中，随黄色—绿色—灰色—深灰色类砂体中的酸解烃含量依次增高，且经分析，甲烷主要是油气裂解成因，而非生物成因［19］。由此说明，赛汉高毕铀矿床油气渗出成矿作用明显。

3.1.2微量元素

通过分析赛汉高毕铀矿床不同类型岩石，即浅黄色类、黄绿色类、暗灰色类（低品位类）、深灰色类（工业铀矿化类）、灰色类微量元素特征，结果显示，浅黄色类、黄绿色类岩石—暗灰色类（低品位类）、深灰色类（工业铀矿化类）岩石—灰色类岩石中U、Co、Ni、Zn、Mo、Re、V 等元素含量由低—高—低变化，其中，在深灰色类（工业铀矿化类）中达最高，往往为浅黄色类的2.5 倍以上（表3）。分析表明，矿石中Co、Ni、Zn 含量高，主要是与深部渗出流体还原作用有关［9］；矿石中Re、Mo、V 含量较高，与渗入流体氧化作用有关。

表3 赛汉高毕铀矿床不同类型岩石地球化学特性表Table 3 Geochemical characterization of different types of rocks in Saihan Gobi uranium deposit

Sr/Ba：可作为古盐度识别的灵敏标志，一般淡水沉积相中Sr/Ba 值＞1，半咸水相中Sr/Ba 值为1～0.6，微咸水相中Sr/Ba 值＜0.6［20］。从赛汉高毕铀矿床Sr/Ba 值看，该区Sr/Ba 值普遍偏低，均小于0.5，属微咸水，与地表含氧含铀水不一致（表3）。

V/（V＋Ni）：V 在氧化环境被吸附富集，Ni 则在还原环境更易富集。V/（V+Ni）＞0.82，反映水体分层及底层水体出现H2S 的厌氧环境；0.56～0.82 中等比值范围，反映其水体分层不强的厌氧环境；＜0.56，反映水体未分层的弱氧化环境［20］。由计算结果可以看出，不同类型的赛汉高毕岩石V/（V＋Ni）值主要介于0.75～0.84 间，显示该地区水体环境主要为分层不强或底层水体出现H2S 的厌氧环境。受渗入氧化影响，少量浅黄色类型样品和黄绿色样品V/（V＋Ni）小于0.56，显示其受氧化改造作用，也从另外一个角度证明了赛汉高毕铀矿床在局部范围内渗入氧化作用是存在的（表3）。

Th/U：可作为评价铀迁出和迁入，进而判定成矿环境的指标［21］。一般在渗入氧化带中Th/U＞2，主要表现为铀的迁出；在氧化-还原过渡带中，Th/U＜1，表征为铀的迁入；在原生带中，Th/U 介于1～2 间，表示不存在铀的迁出或迁入现象。赛汉高毕矿区不同类型岩石的Th/U 均值均小于2，总体表现为不存在铀的迁出现象，仅在浅黄色和黄绿色的4 个样品中（总样品数为26 个）Th/U＞2，表明局部存在渗入氧化现象（表3）。

3.2 铀矿物特征

用蚀刻α 径迹示踪，对铀含量在200×10-6～1 770×10-6的12 片碎屑岩光薄片作了扫描电镜分析和电子探针分析，用分子量计算法计算，确定本区含铀碎屑岩中的铀是以多种铀矿物形式存在，其中大部分铀主要是富含铁铝等杂质的磷钙铀矿［19］，共生矿物有黄铁矿和硬沥青（Uintahite）。据此，本区铀矿石可分为3 种类型：①黄铁矿-铀矿物（包括富含铁铝等杂质的磷钙铀矿和少量磷铀矿、沥青铀矿、铀石）型，这是主要的，占绝大部分；②硬沥青包裹铀矿物型；③微粒碎屑铀矿物型。

1）黄铁矿-铀矿物型

黄铁矿具多种形态，产出最多的是与磷-铀矿化密切共生和连生的微球粒状黄铁矿集合体，绝大部分集合体呈球形草莓状黄铁矿，莓球内一般不含铀或含铀很少，莓球之间充填的主要是磷钙铀矿或磷铀矿；还有一些粒度在1 μm 左右的黄铁矿呈他形-半自形微粒集合体，也与富含铁铝等杂质的磷钙铀矿共生。同时见在沥青质不等粒砂岩中有一粒十字双晶黄铁矿，其近旁也有磷钙铀矿共生（图9a）。图9b为含砾不等粒沥青质砂岩的粒间填隙物中产出的十字双晶黄铁矿，方框是扫描电镜微区面扫描分析范围，其中元素含量分别是：S为45.35%，Fe为39.35%，As为0.44%，F为0.40%，Pb为0.14%，U为0.11%。经计算，其中含有黄铁矿（89.40%）、方铅矿（0.17%）、雌黄（0.78%）、沥青铀矿（0.13%），C 是十字双晶黄铁矿中心裂隙中的地沥青充填物，含量为9.52%（已剔除喷碳）。黄铁矿周边仍有微粒富含铁铝等杂质的磷钙铀矿（Puc）形成。

图9 黄铁矿扫描电镜典型照片Fig.9 Typical scanning electron microscope photograph of pyrite

2）硬沥青包裹铀矿物型

硬沥青是本矿区铀矿物的载体。在薄片观察中最引人注目的就是普遍有多少不一的黑色不透明长条状物质，与铀矿物密切共生。经拉曼光谱分析确定为硬沥青［19］（图10），其中黑色双峰曲线是硬沥青的标准拉曼光谱谱线，具有1 340 cm-1和1 588 cm-1两个峰值；硬沥青多呈长条状、短脉状，也有少量粒状、长粒状。长条状和短脉状硬沥青普遍有竹节状横断裂隙，沥青边缘与围岩之间也都有裂隙，皆为原石油中的CH4等烃类碳氢化合物挥发殆尽，体积收缩变成硬沥青产生的空隙，表明沥青是由石油变来。总之，石油质轻含烃气，有向上移动的趋势，石油移动上侵进入上部岩石裂隙、孔隙中，经受长期成岩作用和风化作用，其中的烃类成分全部挥发，所残留的不挥发物质就是硬沥青，由于体积缩小，普遍有纵横两个方向的收缩裂隙。光薄片中可见这些长形硬沥青定向排列，并有扭曲现象，如鱼群状，表明是在成岩后含有磷、铀、钙的石油沿着一组扭裂隙贯入充填形成硬沥青包裹富含铁铝等杂质的磷钙铀矿（图11）。

图10 含铀碎屑岩中的硬沥青镜下特征（a）及激光拉曼光谱特征（b）Fig.10 Microscopic characterization（a）and laser Raman spectroscopic characterization（b）of uintahite in uranium-bearing clastic rocks

图11 硬沥青包裹铀矿物典型镜下照片Fig.11 Typical microscopic photo of uranium minerals encapsulated in uintahite

硬沥青的化学成分经扫描电镜微区分析，其中96%～99.5%以上都是沥青质，含有少量至微量磷钙铀矿、黄铁矿、石膏、自然硫，SiO2、Na2O 等混入物。但在硬沥青中并不都是碳，而是普遍含有15%～30%的氧，还含有氢、氮、硫、胶质等，但基本上仍是碳氢氧化合物，是磷铀矿化的成矿载体。

3）微粒碎屑铀矿物型

本区主要铀矿物是磷钙铀矿，其次是少量磷铀矿和沥青铀矿，还可能存在铀石和硅钙铀矿。范光等［22］曾对内蒙古二连盆地赛汉组赛汉高毕砂岩型铀矿床铀的存在形式作过深入研究，经X 射线衍射分析确定矿床的主要工业铀矿物是水磷钙铀矿，王文广［19］将此水磷钙铀矿确定为富含铁铝等杂质的磷钙铀矿。

本区铀矿物与黄铁矿的混合物碎屑或颗粒都很细小，肉眼观察多难以查见，在显微镜下都是黑色不透明，大部分粒度小于1 mm，多在0.8～0.1 mm 之间。富含铁铝等杂质的磷钙铀矿的形态呈微晶柱状、微晶板状、针状、微晶叶片状和在草莓状、微粒黄铁矿粒间呈致密状填隙物。其中，硬沥青呈显微细脉，微粒碎屑长762 μm，宽50～168 μm，不是经过搬运沉积的碎屑，特别是碎屑表层的富含铁铝等杂质的磷钙铀矿保持了其原始的生长形态，没有搬运磨蚀的痕迹，是在成岩后伴随沥青脉气态氢化物交代形成的（图11c、d）。粒状富含铁铝等杂质的磷钙铀矿与微球状黄铁矿混合物（Puc＋Py）周边表层有一薄层硬沥青，表明是围岩成岩后深部含有磷、铀、钙、铁、硫、硅等氢化物的石油经氧化分解烃类挥发、凝固形成（图12）。

图12 包裹于硬沥青内部富含铁铝等杂质的磷钙铀矿背散射图像Fig.12 The BSE photograph of phosphurancalcilite in impurities such as iron and aluminum encased in asphaltos

4 渗出铀成矿作用与模式探讨

4.1 铀成矿作用探讨

1）沉积成岩期预富集作用

矿区紧邻富铀花岗岩体，目的层赛汉组上段发育曲流河沉积体系，发育松散中粗砂岩，砂体黏土胶结，有利于沉积成岩期铀的预富集。同时，见在蚀源区已形成的黄铁矿与磷钙铀矿或磷铀矿的混合共生体，被剥蚀破碎成为含铀碎屑，被搬运沉积在本地区，含铀碎屑都是棱角皆存，磨损甚微，表明搬运距离很近（图9）。说明沉积成岩期铀的预富集作用存在，促使原生的岩石铀含量达6.0×10-6以上，且与砂体中磷含量呈正比。

2）渗出还原铀成矿作用

80～45 Ma，产于深部阿尔善组和腾格尔组的主力烃源岩仅达到高峰，渗出压力远大于渗入压力，具强迁移能力和还原能力的甲烷等天然气沿贯通断裂或高角度不整合和下切河道运移至目的层砂体。产于储积岩（层）和途经围岩中含有磷、铀、钙、铁、硫等元素，在深部还原介质的环境下，易于与之化合形成多种氢化物，如PH3、H2S、CaH2、FeH2、UH3以及多种阳离子的合金氢化物，如CaUP2H12、UTi2H7、（U，Th）SiH8、CuFeH4等，这些氢化物混合在石油中向上运移，受氧化作用氢化物分解形成黄铁矿和富含铁铝等杂质的磷钙铀矿，石油经过长时间挥发，成为硬沥青，宽度和粒径大于100 μm 的硬沥青将已先结晶的黄铁矿和富含铁铝等杂质的磷钙铀矿包裹其中，成为含铀硬沥青显微短脉和团粒（图11）；小于100 μm 的硬沥青显微短脉和团粒容纳不下黄铁矿和铀矿物混合体，后者就沉积在硬沥青显微短脉和团粒的外侧和附近的砂、砾上，钛铁矿、金红石碎屑上或填隙物黏土中（图9、12）。

3）局部潜水氧化成矿作用

45 Ma 以来，由于区内持续抬升，上部地层剥蚀厚度大，深部地层生烃作用基本停止，渗入压力大于渗出压力；同时，抬升活动具不均衡性，造成局部地段形成构造天窗，部分赛汉组上段砂体出露地表，发育潜水氧化作用，形成潜水氧化叠加改造型铀矿化，但这不是主要的，仅在局部地段存在，少量样品中的Th/U 大于3、V/（V+Ni）小于0.56，即说明发育过渗入氧化作用。

4.2 赛汉高毕铀成矿模式

准宝力格凹陷深部为阿尔善组和腾格尔组暗色富有机质富铀建造，于80～45 Ma 达到生烃高峰期，富含有机质和四价铀的油气沿贯通断裂或高角度不整合和下切河道运移至上部赛汉组上段氧化砂体中，将氧化砂体还原成灰色和灰绿色。受氧化作用程度影响，灰色砂体中包裹深部元素的油气分解形成黄铁矿、富含铁铝等杂质的磷钙铀矿、硬沥青，少量粒径大的硬沥青将已先结晶的黄铁矿和富含铁铝等杂质的磷钙铀矿包裹其中，成为含铀硬沥青显微短脉和团粒，大部分铀矿物就位于较小的硬沥青的外侧和附近（图13）。

5 结论

1）赛汉高毕铀矿床受准宝力格深切断陷、贯通性断裂、赛汉晚期深切河道联合控制，铀成矿作用与区域油气逸散活动、挤压构造运动密切相关。

2）矿床矿石主量元素分析表明，赛汉高毕红杂色砂体主要为原生成因，与渗入氧化作用无关，灰色含矿砂体为油气渗出还原成因。

3）赛汉高毕铀矿床中的铀是以多种铀矿物形式存在，其中大部分铀主要是富含铁铝等杂质的磷钙铀矿，共生矿物有黄铁矿和硬沥青，此类铀矿物及共伴生组合进一步说明铀成矿与油气渗出有关。

4）赛汉高毕铀矿床主要为渗出成矿作用，赋存于深部的富含有机质和四价铀的流体沿贯通断裂或高角度不整合和下切河道运移至上部赛汉组上段氧化砂体中，流体被分解形成黄铁矿、富含铁铝等杂质的磷钙铀矿、硬沥青，粒径大的硬沥青将已先结晶的黄铁矿和富含铁铝等杂质的磷钙铀矿包裹其中，大部分铀矿物就位于较小的硬沥青的外侧和附近。