準噶爾盆地南緣下白堊統鈣質礫巖鈾礦化成因及找礦方向

唐湘飛，賈為衛，魯克改，張強

(核工業二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011)

20世紀50年代以來，新疆準噶爾盆地南緣先后發現了一批鈾礦點、礦化點，賦礦層位有侏羅系、白堊系和古近系，礦化類型有潛水氧化帶型、層間氧化帶型和次生還原型，含礦巖性有礫巖、砂巖及泥巖?? 魯克改,逄瑋,朱成剛,等.準噶爾盆地鈾礦資源綜合評價,2005.。侏羅系、白堊系是鈾礦化發育的主要層位，其中，下白堊統清水河組、呼圖壁河組的鈾礦化規模最大，品位最高。典型礦點有東窩子礦點、石梯子礦點，礦化與鈣質礫巖關系密切?? 唐湘飛,魯克改,王謀,等.準噶爾盆地南緣1∶25萬鈾礦資源區域評價,2008.?? 賈為衛,張忠平,馮世榮,等.新疆準噶爾盆地南緣喀拉扎地區鈾礦調查評價報告,2015.。陳正樂等認為準盆南緣鈾礦化屬潛水-層間氧化帶型[1]；黃少華等認為現存的地表鈾礦化是在油氣還原帶上再次被潛水氧化帶疊加形成[2]；鄧功讀認為準南鈾礦化的形成方式是古層間氧化帶疊加后期層間氧化或潛水氧化[3]。通過研究地質背景、巖石地球化學特征及鈾礦化與鈣質礫巖、氧化帶空間定位關系，認為鈣質礫巖鈾礦化的成因類型為層間氧化帶礫巖型，受層間氧化帶控制，局部地段油氣參與次生還原作用，分析了鈾成礦控制因素，指出下一步找礦方向。

1 研究區地質特征

1.1 構造特征

準噶爾盆地南緣位于天山造山帶北部邊緣，屬于山前褶皺沖斷帶(圖1)，自南向北可分為沖斷推舉帶和沖斷滑脫帶兩部分。沖斷推舉帶內斷裂以高角度沖斷層為主，緊鄰天山山前表現為簡單單斜構造，中深部表現為塹壘構造。逆沖斷裂上盤或表現為小型向斜或表現為整體抬升的造山地貌，EW向的正向構造有3條：南部山前推舉帶、中部坳中背斜帶和北部坳邊背斜帶，簡稱為“三排構造”[4-5]。區內已知鈾礦點、礦化點全部位于天山山前的第一排構造上，典型鈾礦點、礦化點有喀拉扎礦點、阿德崗礦點、東窩子礦點、南方莊子礦化點、達坂礦化點、四棵樹礦化點等，鈾礦化主要賦存于下白堊統清水河組，礦點數量以北翼為主，次為南翼。構造帶內發育一系列不對稱褶皺構造，在近核部位置時有斷層發育，褶皺南翼緩(30°～40°)，北翼陡(50°～70°)，反映主動力來自南面的特點。

1.2 目的層沉積特征

準噶爾盆地南緣下白堊統清水河組(K1q)分布范圍較廣，從四棵樹至阜康一帶均有分布，呈NW向的條帶狀，與下伏上侏羅統喀拉扎組、齊古組呈角度不整合接觸，與上覆下白堊統呼圖壁河組呈整合接觸。該地層厚184～300 m，傾向5°～30°，傾角20°～25°。自下而上依次發育沖積扇相—扇三角洲相—湖相，在半深湖相中發育少量濁積相，反映了早白堊世盆地快速沉降運動[6-7]。該組以發育一套厚度較穩定的底礫巖為特征，底礫巖屬沖積扇相，厚80～110 m，成層性好，分選性和磨圓度較差，平均礫徑5 cm，最大礫徑可達20 cm，自下而上單個韻律的礫巖厚度及礫徑變小，反映沖積扇向源區退積的沉積特征。其中鈣質礫巖層為區內主要鈾礦化賦存層位，厚2～25 m，礫石含量約占40%～60%，呈次圓狀，成分為花崗巖、安山巖和凝灰巖等巖屑；砂質成分約占27%～34%，以粗砂為主，少量細砂，次棱角狀、次圓狀，成分由單晶石英、鉀長石及花崗巖、凝灰巖和泥巖巖屑等構成；填隙物約占11%～15%，多為方解石膠結物。鈣質礫巖固結致密，地表呈突出屋檐狀，自東向西厚度逐漸變薄，粒度逐漸變細(圖2)。

圖1 準噶爾盆地南緣構造綱要簡圖Fig.1 The Schematic diagram of Tectonic framework in southern margin of Junggar Basin

鈣質礫巖以上發育扇三角洲相沉積，砂巖厚約15 m，其上為厚約200 m的灰色泥巖、泥質粉砂巖層。總體上清水河組下部為多期水道疊置，向上巖性逐漸變細，多為灰綠色、灰黑色泥巖，且泥巖中夾中-薄層濁積巖，單層砂體厚度較薄。

圖2 東窩子礦點西部清水河組下部礫巖露頭（鏡頭向西）Fig.2 Conglomerate outcrop of lower Qingshuihe formation in western of Dongwozi mineralized spot

下伏齊古組、喀拉扎組為一套形成于氧化環境下的紅色沖積體系。齊古組巖性為紫紅色、磚紅色泥巖，砂質泥巖夾薄層砂巖；喀拉扎組巖性為棕紅色塊狀礫巖，底部有少量泥巖、砂巖、礫巖互層，局部為灰綠色具交錯層理的塊狀粗-細粒長石砂巖，夾細礫巖及泥礫團塊。

1.3 鈾礦化特征

準噶爾盆地南緣清水河組含礦鈣質礫巖在區域上可從東部的頭屯河延伸到西部的四棵樹河地區，全長約240 km。平面上，含礦鈣質礫巖沿走向及傾向分布范圍較穩定，地表出露的鈣質礫巖普遍存在放射性高異常，礫巖層整體氧化程度東強西弱。由于固結致密堅硬，不易風化，露頭呈屋檐狀突出或帽沿形的獨特外觀特征。鈣質礫巖之下褐紅色、灰色礫巖層由于固結疏松，抗風化能力較差，易垮塌，多形成直立懸崖。這種屋檐狀鈣質礫巖與疏松直立懸崖是地表找礦的直接標志，該標志在石梯子向斜和將軍溝向斜南翼尤其明顯。

在剖面上，鈣質礫巖層中鈾礦體呈板狀、透鏡狀展布，厚度較穩定，其下為褐紅色疏松礫巖層，上為褐色、褐黃色疏松砂巖層(圖3)。在東窩子礦點，鈾礦體埋深0～338.24 m，單孔累計厚度為0.10～8.43 m，品位0.010%～0.112%，地表礦體長1 300～1 900 m，寬300～600 m。石梯子礦點，鈾礦體地表出露長100 m，平均厚0.65 m，平均品位0.107%。

賦礦鈣質礫巖是底部礫巖層頂部的氧化-還原過渡帶和后生改造相對緩慢的部分，具以下特征：①含礦鈣質礫巖原生地球化學環境為還原環境，成礦期處于氧化還原過渡帶。鈾礦體主要賦存于氧化-還原過渡帶且靠近還原帶一側，少量賦存于氧化帶，上、下礫巖、砂巖層氧化程度越高，鈾的富集程度就越低。灰色鈣質礫巖、礫巖、砂巖中的鈾、有機碳、碳酸鹽含量多高于氧化巖石(表1)。賦礦礫巖膠結物以方解石為主，含量1%～9%，膠結類型為晶粒鑲嵌和連晶膠結；②樣品分析及伽馬測井結果顯示，鈾礦化與鈣質礫巖中碳酸鈣含量高低有一定正相關性(表1，圖4)。鈾富集過程中，碳酸鹽也同時富集，這在鄂爾多斯盆地已發現的層間氧化帶砂巖型鈾礦床中也有明顯表現[8]。研究區清水河組成巖過程中可能經歷了早期酸性氧化及后期堿性還原過程，在鈾成礦的氧化還原過程中，大多數情況下均有微生物參與[9]。清水河組灰色鈣質礫巖中含較多有機質，與鈾成礦關系最密切的應是早期成巖過程中產生的腐殖酸。該物質能強烈吸附地下水中的UO22＋，將其轉化為鈾酰腐殖酸絡合物進行遷移，至氧化-還原過渡帶，在硫酸鹽還原菌參與下，地層中SO42-被深部上升油氣中的CH4還原為H2S及CO32-，在H2S作用下，地下水中的Fe3+被還原生成黃鐵礦，UO2(CO3)34-被還原成 UO2、CO32-，CO32-與水中的Ca2＋形成CaCO3，形成的鈾礦物、方解石及黃鐵礦在氧化-還原過渡帶均有富集的現象；③樣品分析顯示鈾在鈣質礫巖中主要以分散吸附狀態存在于填隙物中。鈾礦物為顯微狀瀝青鈾礦和含鈾瀝青石，多與碳酸鹽伴生或包裹于巖屑之間的填隙物中，為后期含鈾流體在還原環境中沉淀富集而成，黃鐵礦則多在碳酸鹽的外緣分布(圖5)。富鈾的鈣質礫巖通常含較多的黃鐵礦、碳屑和粘土質，較純凈的鈣質礫巖通常未發現鈾礦化賦存。

圖3 東窩子礦點近東西向剖面示意圖Fig.3 The Sketch Map of Near East-West cross-section of Dongwozi mineralized spot

2 鈾成礦控制因素分析

2.1 鈾源

研究區鈾成礦所需的各容礦層在地表出露較廣，白堊系清水河組下部礦化鈣質礫巖層中含大量淺紅色、褐紅色花崗質及中酸性火山巖礫石(圖6)，其來源于南部蝕源區已剝蝕的富鈾花崗巖或火山巖，這些酸性巖體為清水河組提供了富鈾的原生沉積建造。在后期氧化剝蝕過程中，鈾不斷從富鈾巖體遷出向盆內運移和疊加，在氧化-還原過渡帶富集成礦。區內涌水孔水樣分析結果也顯示富鈾特征，清水河組礫巖層水中鈾含量為18.4×10-6～48.9×10-6g/L，水質類型為Cl·SO4-Na型。長時間連續取樣分析顯示，水中鈾含量分布穩定，表明區內外生、內生鈾源條件好。

表1 清水河組灰色、褐紅色砂巖、礫巖地球化學參數統計表Table 1 Geochemical parameters comparison of gray and red conglomerate in Qingshuihe formation

圖4 東窩子礦點鈣質礫巖視電阻率與伽馬照射量率對應略圖Fig.4 The Correspondence between apparent resistivity and gamma ray dose rate of Calcareous conglomerate in Dongwozi mineralized spot

圖5 清水河組鈣質礫巖中的鈾礦物與碳酸鹽Fig.5 Uranium minerals and carbonates in the calcareous conglomerate of Qingshuihe formation

2.2 構造演化與鈾成礦

晚侏羅世末，準噶爾盆地南緣受燕山期構造擠壓作用的影響，經歷了較強烈的改造，形成了一系列寬緩的向斜與背斜，并遭受強烈剝蝕，形成侏羅系與白堊系之間區域性角度不整合面，下白堊統清水河組普遍超覆沉積于上侏羅統喀拉扎組、齊古組及中侏羅統頭屯河組之上，后期構造運動的進一步強化，造成塔西河組缺失沉積或被強烈剝蝕。褶皺強烈的地段(背斜南翼)，早侏羅世發育的潛水、層間氧化帶及其鈾礦體被破壞而再次遷移進入下白堊統，下白堊統層間氧化作用得到進一步加強，鈾的富集得到進一步強化。喜山運動期間，受自南向北擠壓作用的影響，喀拉扎背斜繼續向北滑動，褶皺進一步加劇，地層后期剝蝕強烈，現今出露于地表的鈾礦點、礦化點均為早期層間氧化帶的直接產物，新近世晚期，獨山子組(N2d)近水平覆蓋于向斜之上，未剝蝕地區層間氧化作用有一定的弱化。

圖6 礦化鈣質礫巖巖心縱切面中的礫石成分及其分布特征Fig.6 Gravel composition and its distribution characteristics in the vertical section of mineralized calcareous conglomerate

2.3 巖性-巖相對鈾礦化的控制

區內清水河組發育沖積扇-扇三角洲沉積體系，以沖積扇快速入湖沉積為主要特點，砂體極發育。呼圖壁河組為濱淺湖灘壩沉積，砂體不發育，但這兩個層位還原容量較好，多有鈾礦化發現。清水河組下部為一層厚度穩定的礫巖、砂礫巖、砂巖，中上部為粉砂巖、泥巖夾薄層細砂巖；下部礫巖、砂巖滲透性好，是氧源、水源、鈾源的提供者。雖然近天山山前清水河組覆于上侏羅統喀拉扎組之上，喀拉扎組頂部為疏松的砂礫巖、砂巖，難以構成清水河組砂體的底板，但向盆地腹部，喀拉扎組頂部發育湖相沉積，其泥巖、泥質粉砂巖可構成清水河組礫巖底板，具備發育層間氧化帶所需的“泥-砂(礫)-泥”地層結構條件，有利于鈾礦化的形成。

2.4 層間氧化帶與鈾成礦

鈾礦體分布與層間氧化帶關系密切，層間氧化帶在形成過程中，含氧含鈾的層間水在運移中使巖石中具還原性的組分被氧化，在氧化-還原過渡帶，水中的U6＋還原為U4＋發生沉淀，同時有機物及其伴生元素(硒、鉬、釩、錸等)也發生富集沉淀。取樣分析顯示，鈾礦化與有機質、黃鐵礦密切相關。含礦鈣質礫巖往往夾持于上、下氧化砂巖、礫巖之間。賦礦礫巖中鈾含量與鈣質含量有一定的正相關性，通常鈣質含量低于1%的礫巖中鈾含量相對較低，但也不是所有鈣質含量最高的礫巖中鈾含量最高。部分疏松氧化礫巖、砂巖中也有較高鈾含量，表明有顯著的鈾遷入作用發生，疏松礫巖、砂巖層受到后期層間含鈾含氧水的改造，從伽馬照射量率曲線形態分析，底部疏松礫巖層是提供鈾的主要通道，次為上部疏松砂巖層。鈣質礫巖中的鈾礦化屬于層間氧化帶翼部礦化，受層間氧化帶控制，而非同生沉積成因。清水河組底部含水砂礫巖層中鈾含量達n×10-5g/l，也說明后生氧化作用是鈾成礦的主控因素。

2.5 古氣候對鈾成礦的影響

準噶爾盆地在中新生代古氣候演化過程中，先后經歷了4次大的氣候轉變，主要表現為溫暖潮濕氣候與干旱炎熱氣候的相互交替[10]，其中，中侏羅世晚期、晚侏羅世晚期與早白堊世晚期的3次氣候演化對區內清水河組鈾成礦有重大影響，三疊紀晚期古氣候演化對區內鈾成礦無影響。中侏羅世晚期古氣候由溫暖潮濕向干旱炎熱轉變，沉積了一套原生氧化紅層，造成清河組底礫巖層底板有機質的缺乏；晚侏羅世晚期至早白堊世早期古氣候轉變為溫暖潮濕氣候，沉積了下白堊統清水河組原生灰色建造，為層間氧化提供了良好的容礦載體；早白堊世晚期古氣候由溫暖潮濕向干旱炎熱轉變，有利于地表含鈾含氧水的持續滲入與層間氧化帶的發育。古近紀以后，燕山運動、喜山運動并未從根本上改變盆地構造格局及古氣候環境[11]，沉積建造總體為紅色和雜色巖層，反映長期干旱炎熱的氣候環境，強烈的蒸發、溶蝕作用使地下水中鈾的濃度逐漸升高，大量活性鈾持續向深部運移，有利于層間氧化帶持續向深部發育，為規模化鈾礦化的形成創造了有利的氣候演化條件。

2.6 油氣還原與鈾成礦

準噶爾盆地南緣是我國中西部典型的疊加型前陸盆地，區內油氣資源豐富，先后發現了獨山子、齊古、呼圖壁、吐谷魯等一批油氣田及諸多含油氣構造[12]。下白堊統清水河組底礫巖與其上部砂巖在斷層、不整合面及古構造的組合下，可形成良好的油氣聚集，多處已獲得工業油氣流，晚侏羅世—早白堊世早期形成的砂礫巖與不整合面、古構造隆起相配合，是目前侏羅系烴源巖的主要油氣儲層之一[13-14]。伴隨喜山運動期深部油氣藏的破壞，油氣可通過斷裂、不整合面以及砂礫巖輸導層侵位至各容礦層[15-16]，油氣侵位不僅對早期已形成的古礦具還原隱蔽作用，也可提高上覆地層砂體的還原容量。盆地腹部下白堊統清水河組半深湖-深湖相深灰色含砂質泥巖段有機質豐富，是準南地區不可忽視的一套重要烴源巖[17]。沉積盆地中的鈾礦化常與地瀝青化、綠色蝕變帶、漂白蝕變、碳酸鹽化及黃鐵礦化等(伴)共生，暗示形成于統一構造背景下的鈾礦和油氣藏存在密切的時空分布及成因關系，某些地區石油含鈾可達5×10-5～2×10-5[18-22]。油氣對鈾具還原作用是日趨認可的事實，已成為含油氣盆地鈾礦床定位預測中的一個關鍵因素[23]。油氣還原能直接或間接參與鈾礦的形成[24-28]。鈾礦勘探過程中在東窩子礦點底礫巖上部砂巖中見到油苗，說明清水河組、喀拉扎組深部砂體存在油氣提供還原劑的可能，這對層間氧化帶的發育和鈾成礦有利。

3 鈾礦化類型與找礦方向

準噶爾盆地南緣清水河組鈾礦化類型主要為層間氧化帶礫巖、砂巖型，少數為同生沉積泥巖型。目前在地表清水河組發現了累計長約10 km的礫巖型、砂巖型和泥巖型鈾礦化、異常帶，主要代表地段有東窩子、石梯子、將軍溝等。其中，東窩子礦點已在東西長為3.60 km的范圍內揭露到受層間氧化帶控制的清水河組底礫巖型板狀鈾礦體，鈾礦體往東、西、北未圈閉，是重點找礦地段。石梯子、將軍溝地段清水河下部礫巖層、砂巖層露頭后生氧化強烈，北部露頭區處于還原環境，深部油氣資源豐富，具備與東窩子礦化點相類似的鈾成礦地質環境。向斜南翼從深部導入還原劑和吸附劑的條件較好，形成富礦的可能性較大，預測可能的鈾成礦部位距砂體露頭800～2 000 m，埋深400～700 m。

4 結論

準噶爾盆地南緣下白堊統清水河組發育層間氧化帶及其鈾礦化，含礦主巖為清水河組中下部的灰色鈣質礫巖，屬沖積扇-扇三角洲相。礫巖中的鈣質與鈾伴生，為鈾富集沉積時的同生產物，并非原生沉積。已發現的清水河組鈣質礫巖鈾礦化屬層間氧化帶翼部礦化，早期發育的層間氧化帶及其鈾礦化在北部受到油氣次生還原，前鋒線發生后退，造成鈾礦體“懸浮”于還原巖石之中離氧化帶前鋒線較遠的現象，今后準噶爾盆地南緣清水河組層間氧化帶礫巖型鈾礦化應繼續向北進行追索，在前鋒線附近尋找更有利的鈾礦化。