柴達木盆地北緣馬海地區砂巖型鈾成礦條件及找礦方向

趙興齊, 崔守凱, 蔡 亞, 盧 沖, 楊鮮鮮,張 勇, 王 偉, 史清平

1)核工業北京地質研究院, 中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室, 北京 100029;2)中國石油青海油田公司, 甘肅敦煌 736202

柴達木盆地是在前侏羅紀柴達木陸塊上發育起來的中新生代陸內沉積盆地, 盆地中蘊藏著豐富的石油、天然氣、煤、鉀鹽及鈾礦等其它多能源礦產(黨玉琪等, 2003; 劉林等, 2008, 2013; 權志高等,2014; 張金帶等, 2015; 付鎖堂等, 2016; 劉文進等,2019; 廉康等, 2020)。前人對盆地中煤、石油和天然氣的研究程度較高, 而對砂巖型鈾成礦條件及成礦潛力的研究程度仍比較低。目前盆地內鈾礦找礦工作主要集中在柴北緣中、下侏羅統400 m以淺部位, 僅在地表及淺層發現了一系列鈾礦點和礦化點(黃國龍和陳賢春, 2001; 劉林等, 2008, 2013; 權志高等, 2014; 劉文進等, 2019; 廉康等, 2020), 而對于盆地深部及古近系—新近系新層位砂巖型鈾成礦環境及成礦潛力不明。近年來, 中國核工業集團有限公司、中國石油青海油田公司等相關單位加大了對柴達木盆地古近系—新近系砂巖型鈾礦找礦工作的投入力度, 相繼在盆地北緣及西北緣始新統下干柴溝組(E3g)、漸新統上干柴溝組(N1g)、中新統油砂山組(N2y)等層位中發現了多個鈾工業孔、礦化孔及異常孔, 表明盆地古—新近系具有良好的砂巖型鈾成礦條件及成礦潛力。根據鉆測井資料及野外地質調查, 發現柴北緣馬海地區地表具有明顯的航放異常和自然伽馬異常, 在馬海背斜核部及兩翼的 8個石油鉆孔油田水中檢測到明顯的放射性異常和土壤氡氣異常, 同時在該區13個石油鉆井及2個鈾礦鉆孔中見鈾礦化。鈾礦化主要產于漸新統上干柴溝組和中新統下油砂山組, 其次是始新統下干柴溝組,反映馬海地區古近系—新近系地層具有較好的砂巖型鈾成礦潛力。鑒于此, 本文主要以柴北緣馬海地區始新統下干柴溝組(E3g)、漸新統上干柴溝組(N1g)和中新統下油砂山(N21y)為重點研究層位, 系統分析了該區鈾成礦環境及成礦條件, 大致查明了研究區鈾源、構造、沉積建造、后生蝕變、水文地質及鈾礦化等成礦地質特征, 初步指明了該區砂巖型鈾成礦類型及找礦方向, 以期能為馬海乃至整個柴達木盆地新層位砂巖型鈾礦找礦突破及勘探部署提供科學依據和指導。

1 研究區地質概況

柴達木盆地北緣(簡稱柴北緣)位于柴達木盆地的東北部, 為柴達木盆地的一級構造單元, 屬于祁連造山帶類前陸逆沖推覆構造帶, 其北以祁連山前深大斷裂為界, 南以冷湖—陵間斷裂—埃姆尼克山南緣深斷裂為界, 主要包括鄂博梁構造帶、冷湖構造帶、南八仙構造帶及馬海構造帶; 東西長約440 km,南北寬約65 km, 面積約3×104km2(黨玉琪等, 2003;付鎖堂等, 2016)。馬海地區位于柴北緣西段, 是柴北緣的一個次級構造單元, 其周緣被馬仙斷裂、綠南斷裂、陵間斷裂和無極斷裂所包圍, 是賽什騰凹陷、伊北凹陷、魚卡凹陷、尕丘和陵南次凹中侏羅系烴源巖生成油氣的優勢指向區, 主要以產氣為主, 產油為輔(汪立群等, 2005; 劉元等, 2005)。馬海背斜構造走向整體呈NW—近SN向, 是發育于中生界古凸起之上受斷裂控制同沉積披覆構造, 構造頂部斷層較發育, 在剖面上表現為受斷層控制的寬緩背斜。馬海地區自中生代以來一直處于隆升狀態, 整體缺失中生界地層; 古—始新世(E1–E3), 柴北緣地區整體處于走滑-拉分裂陷期, 發育填平補償性沉積, 但受早期構造隆升影響, 研究區中馬北構造帶高部位始新統路樂河組沉積基本缺失; 古—中新統早期(E3–N21),馬海地區主要處于擠壓凹陷演化階段, 沉積了始新統下干柴溝組(E3g)、漸新統上干柴溝組(N1g)和中新統下油砂山組(N21y)地層; 中新統晚期以來(N22–Q)的中—晚喜山運動使研究區地層發生整體抬升(黨玉琪等, 2003; 汪立群等, 2005), 導致上油砂山組(N22y)及上新統獅子溝組(N23s)地層遭受了不同程度的剝蝕, 研究區構造高部位第四系直接覆蓋在漸新統上干柴溝組之上(圖1)。

圖1 柴達木盆地北緣馬海地區地質及地下水伽馬異常分布圖Fig.1 Geological map showing groundwater gamma-ray anomaly in Mahai area, northern margin of Qaidam Basin

始新統下干柴溝組—中新統下油砂山組沉積期, 馬海地區構造整體較為平緩, 發育遠源緩坡型沖積扇—辮狀河—辮狀河三角洲—湖泊相沉積體系(蘇妮娜等, 2015), 骨架砂體呈扇狀分布, 砂體厚度30～70 m, 巖性主要為灰色、淺灰色及灰白色粗砂巖、中砂巖、細砂巖和棕紅色、黃褐色泥巖,泥-砂-泥結構穩定, 補-徑-排體系完善且地表植被稀少, 有利于蝕源區含氧含鈾水的滲入改造, 促使潛水氧化帶型和層間氧化帶型鈾礦化的發育。

2 砂巖型鈾成礦條件分析

2.1 鈾源條件

馬海地區鈾源主要來自北部賽什騰山和東北部綠梁山的富鈾花崗巖體和元古界、中生界中酸性侵入巖。通過對賽什騰山印支—海西期花崗巖分析, 區內花崗巖中Th含量比較穩定, 約20.0×10–6, 而U含量變化較大, 地表已風化的花崗巖(如灰白色花崗巖)鈾含量較低, 僅4.3×10–6, Th/U為4.7; 而發育紅化、鉀長石化的花崗巖鈾含量較高, 達 39.0×10–6, Th/U僅為 0.5。以上特征表明, 賽什騰山印支—海西期花崗巖中鈾含量豐富, 且丟失的鈾含量達(2～6)×10–6,表明賽什騰山地區鈾源豐富, 能為盆地鈾成礦提供豐富的鈾源條件(黃世杰, 1994, 2018; 黃凈白和李勝祥, 2007; 劉武生等, 2012)。綠梁山地區花崗巖體鈾含量較高, 一般達(12～20)×10–6, 在易風化侵蝕的火山凝灰質砂巖中鈾含量僅為 8×10–6, Th含量達30×10–6, Th/U可達3.8, 具有明顯鈾丟失現象, 能為該區砂巖型鈾成礦提供豐富的鈾源。馬海地區具有滲入型承壓自流水盆地特征, 地下水補給區主要為西北緣賽什騰山、東北緣綠梁山季節性洪流及基巖裂隙水的側向補給, 排泄區主要為馬海背斜核部深大斷裂發育部位及以南湖盆區, 徑流區為馬海背斜構造兩翼及以北寬緩斜坡構造發育區, 蝕源區大量活性鈾源, 通過滲入地下水動力作用, 沿層間氧化砂體滲入徑流。目前已在賽什騰山南緣地區中侏羅統大煤溝組和石門溝組、古近系—新近系地層中發現了多個砂巖型鈾礦點和眾多鈾礦化點和異常點(劉林等, 2008, 2013; 權志高等, 2014; 劉文進等, 2019),同時在綠梁山南緣東側發現多個鈾礦化孔及異常孔(廉康等, 2020), 這表明賽什騰山和綠梁山蝕源區鈾源條件豐富, 這些含鈾和富鈾層(體)能為盆地內砂巖型鈾成礦提供豐富的鈾源。

2.2 構造條件

柴達木盆地是典型的多期構造作用疊加改造的疊合盆地。馬海地區中新生代主要經歷了兩期的拉張-擠壓的構造演化: 早侏羅世—早白堊世(J1–K1)斷坳復合階段、晚白堊世(K2)擠壓坳陷階段, 古近紀—中新世早期(E–N21)斷坳復合階段和中新世晚期(N22)以來的擠壓反轉階段(戴俊生和曹代勇, 2000; 劉志宏等, 2005; 陳宣華等, 2010)。馬海凸起的邊緣地區發育的中生界和古—始新統路樂河組向凸起高部位普遍存在地層超覆和削蝕的現象, 上覆始新統—中新統地層在凸起高部位明顯變薄(汪立群等, 2005)。在地震剖面上, 馬北 1井以西地區發育路樂河組(E1-2l), 而以東地區始新統下干柴溝組(E3g)地層直接覆蓋在下伏基巖之上, 呈明顯的角度不整合接觸(圖2), 表明馬海地區在古近紀時期仍為古隆起區, 路樂河組(E1-2l)時期還處于填平補齊階段, 主要沉積區位于馬西地區及馬北一號構造的部分區域, 往東地區為剝蝕區; 而到了下干柴溝組(E3g)時期, 馬海地區才整體處于沉積區, 物源方向應來源于北偏西的賽什騰山; 上干柴溝組—上油砂山組(N1g–N21y)沉積期,馬海地區主要處于擠壓凹陷沉積期; 上油砂山組(N22–Q)沉積以來, 中—晚喜山運動導致馬海地區構造高部位普遍缺失中新統上油砂山組(N22y)和上新統獅子溝組(N23s)地層, 有利于地表含氧含鈾水的垂直和沿沉積地層順層滲入, 形成潛水氧化帶型及層間氧化帶型鈾礦化。

圖2 柴北緣馬海地區北東—南西向地震構造剖面圖(剖面位置見圖1和圖8)Fig.2 NE–SW trending seismic tectonic profile of Mahai area, northern margin of Qaidam Basin(position of the profile shown in Fig.1 and Fig.8)

馬海地區整體為一呈NW—近 SN走向的背斜構造帶, 受構造斷裂控制明顯, 剖面上常呈寬緩的背斜形態。該區斷裂構造較為發育, 整體受馬仙走滑斷裂及派生的次一級斷裂構造控制明顯(汪立群等, 2005; 王亮等, 2010), 目前在該區發現的放射性異常孔和地層水中檢測到的高放射性異常和土壤氡氣異常主要分布在馬仙斷裂及派生的溝通基底及上覆巖層的斷裂構造附近。盆地圍巖及基底發育鈾含量較高的中酸性火山巖及各種花崗巖類, 這些溝通基底的深大斷裂能為富鈾地下水的運移提供有效的運移通道, 同時也能為深部還原性油氣流體向上運移擴散提供條件。深部油氣流體的滲入, 增加了上覆漸新統上干柴溝組(N1g)和中新統下油砂山組(N21y)砂體的還原容量, 擴大了有利容礦空間, 有利于砂巖型鈾成礦。當地表含氧含鈾地下水沿氧化砂體向下滲入過程中遇到向上逸散的還原性油氣流體時, 易在接觸部位形成氧化-還原地球化學障, 有利于鈾的沉淀富集, 形成鈾礦化(趙興齊等, 2016,2019)。

2.3 沉積建造條件

馬海地區古近系—新近系主要發育古—始新統路樂河組、始新統下干柴溝組、漸新統上干柴溝組和中新統下油砂山組。下油砂山組沉積后, 受中、晚喜山期構造作用影響, 馬北地區普遍缺失中新統上油砂山組和獅子溝組地層, 僅在背斜兩翼局部地段有少許殘留(汪立群等, 2005)。研究區路樂河組(E1-2l)主要分布在馬西地區, 主要發育沖積扇相沉積(圖3),巖性主要以棕褐色礫狀砂巖、礫巖及砂質泥巖互層為主, 但砂體中缺乏有機質, 且埋深整體超過1000 m, 因此認為該組不利于砂巖型鈾成礦。始新統下干柴溝組(E3g)在馬海地區分布較為廣泛, 主要為一套河流相沉積, 僅在馬西北部有少量沖積扇相出現, 巖性主要以棕紅色、灰色泥巖、泥質粉砂巖及砂質泥巖為主, 夾粉砂巖、細砂巖、礫巖及礫狀砂巖,在剖面上形成多個“泥-砂-泥”結構, 總體呈較明顯的下粗上細的正韻律旋回沉積, 砂體厚度大, 單層砂體厚3～12 m, 砂體連續、穩定、較疏松、孔隙度及滲透率較高, 但埋深一般在700 m以深, 因此認為該組是馬海地區鈾礦找礦潛在的目標層位。

圖3 柴北緣馬北—馬海—南八仙地區沉積相聯井剖面圖(剖面位置見圖1和圖8)Fig.3 Sedimentary facies profile of joint wells in Mabei–Mahai–Nanbaxian area, northern margin of Qaidam Basin(position of the profile shown in Fig.1 and Fig.8)

漸新統上柴溝組(N1g)沉積期, 馬北—馬西地區主要發育一套辮狀河沉積(圖 3), 其下部主要發育辮狀河三角洲前緣亞相沉積, 上部主要發育辮狀河三角洲平原亞相沉積。巖性主要由棕紅色泥巖、棕色泥質粉砂巖、灰色中-粗砂巖、細砂巖及含礫砂巖組成, 主要為巖屑長石砂巖, 巖屑成分主要為變質巖和火成巖。整體上, 該組泥-砂-泥結構穩定, 砂體厚度大, 單層砂體厚5～44 m, 砂體疏松-較疏松, 局部可見黃鐵礦化和炭化植物碎屑, 單層氧化砂體厚5～9.5 m, 常見油浸砂巖。在該區12個石油鉆孔上干柴溝中發現放射性異常, 異常厚度 3～9 m, 埋深17～934 m; 1個鈾礦查證孔中見鈾異常, 異常厚度0.4 m, 品位0.0067%。中新統下油砂山組(N21y)沉積期, 馬海西緣南八仙地區沉積水體較深, 主要發育濱淺湖相沉積體系(圖 3), 而馬海地區主要發育辮狀河三角相沉積, 巖性主要為棕黃色泥巖、砂質泥巖夾灰黃、黃棕色粉砂巖、泥質粉砂巖, 砂體厚度大,單層砂體厚度 1.1～14.2 m, 泥-砂-泥結構穩定,在2個石油鉆孔及1個鈾礦查證孔下油砂山組中見放射性異常。

綜上所述, 馬海地區古—新近系砂巖型鈾礦找礦目標層主要為漸新統上干柴溝組(N1g)和中新統下油砂山組(N21y), 其次為始新統下干柴溝組(E3g), 主要找礦類型應以層間氧化帶型為主, 其次為潛水氧化帶型。

2.4 水文地質條件

馬海地區整體具有北高南低的特征, 平面上主要為一向東南敞開的緩傾單斜構造, 具備完整的“補-徑-排”水動力體系。地下水補給區主要為西北緣賽什騰山及東北緣綠梁山季節性洪流及基巖裂隙水的側向補給, 排泄區主要為馬海背斜核部深大斷裂發育部位及以南湖盆區, 徑流區主要為馬海背斜兩翼及以北斜坡區。

馬海地區地表見航放異常及水化異常(圖 4),同時在馬海背斜核部及兩翼的8個石油鉆孔油田水中檢測到明顯的伽馬放射性異常, 根據石油鉆孔資料、野外地質調查及地表放射性異常特征, 可將馬海地區劃分為3個放射性異常帶(圖1)。A1異常帶主要位于馬北地區, 異常呈東西向展布, 長約10 km, 寬約4.5 km, 異常段API值200～520, 埋深234.3～934.6 m, 異常厚 1～9 m, 異常賦存層位為上、下干柴溝組和下油砂山組。A2異常帶主要位于馬海背斜的北東翼, 由馬深7、新馬中2、馬中2、馬中1、馬中心3共5個石油鉆井中承壓水引起的放射性異常控制, 異常呈北西向展布, 與馬海背斜軸向近平行, 長約10 km, 寬約3 km, 地面伽馬能譜測量鈾含量(28.40～288.77)×10–6, 異常賦存層位為上、下干柴溝組。A3異常帶主要位于馬海背斜的西南翼, 由新深5、馬深4、馬深2共3個石油鉆井中承壓水引起的放射性異常控制, 異常呈北西向展布, 與馬海背斜軸向近平行, 長約 7 km, 寬約2.8 km, 地面伽馬能譜測量鈾含量(22.51～800)×10–6,異常賦存層位為上、下干柴溝組和下油砂山組。經室內實驗分析, 馬海背斜地區石油鉆井承壓水中鈾含量僅為(2.0～12.4)×10–9, 而鐳含量高達(1.0～10.6) Bq/g, 鈾鐳平衡系數Kp達40～680, 明顯偏鐳,表明排泄區含礦目的層中鈾礦化遭到嚴重破壞, 鈾丟失嚴重(趙鳳民, 2002)。因此, 認為馬海地區地表的航放異常 HFU-1和HFU-2與石油鉆孔自涌水密切相關, 是地下水沖刷鈾礦體后經斷裂等輸導體系滲出地表, 在地表地勢地洼處經蒸發濃縮作用而形成的鈾異常, 這說明該區地下水上游方向(徑流區)應存在規模較大鈾礦體。

圖4 柴達木盆地北部水中鈾異常分布圖Fig.4 Distribution of uranium anomalies in northern Qaidam Basin

2.5 后生蝕變特征

根據馬海地區構造演化史、沉積相特征、古氣候特征、水文地質條件及油氣埋藏史特征綜合分析認為, 該區主要發育地表含氧含鈾水的滲入氧化和深部還原性油氣流體的滲出還原蝕變作用。馬海地區經歷了中生代隆起、古近紀整體沉降和新近紀抬升剝蝕三個階段(陳宣華等, 2010)。根據構造演化特征, 下干柴溝組沉積期南八仙構造已初具雛形, 而且出現了馬仙斷裂, 補-徑-排體系完善, 有利于滲入氧化作用發育。鉆孔巖心揭露, 馬北地區下油砂組(N21y)含礦目的層中發育 3～4層弱氧化砂體, 巖性主要為淺黃色粗砂巖、黃色細砂巖及含礫粗砂巖, 砂體疏松, 未見明顯的褐鐵礦化氧化蝕變, 單層氧化砂體厚 5～12 m, 常見油浸砂巖(圖 5)。其背斜區上干柴溝(N1g)含礦目的層中發育3～5層弱氧化、氧化砂體, 單層砂體厚 5～44 m, 泥質膠結為主, 砂體疏松-較疏松, 單層氧化砂體厚 5～10 m, 局部可見黃鐵礦化和炭化植物碎屑, 油浸砂巖較發育。研究區這種滲入氧化-滲出還原蝕變為砂巖型鈾成礦提供了有利條件。

圖5 柴北緣馬北地區鉆孔巖心中氧化及油氣還原蝕變砂體Fig.5 Oxidized and oil-gas reduced altered sand bodies in borehole cores in Mabei area, northern margin of Qaidam Basin

馬海地區周緣被多個侏羅系生烴凹陷包圍, 北有賽什騰和魚卡中侏羅統生油凹陷, 南有伊北下侏羅統生油凹陷, 自身有尕丘、陵南中侏羅次凹(汪立群等, 2005; 劉元等, 2005)。根據該區烴源巖發育特征及生排烴史可知, 研究區油氣主要來自中、下侏羅統煤系烴源巖在成熟-高成熟階段形成的煤成油氣, 其次為上干柴溝組成熟度較低的生物成因油氣(張洪等, 2004; 汪立群等, 2005)。研究區不同生烴凹陷中、下侏羅統烴源巖在 E3–N2晚期開始大量生排烴, 一直持續到第四紀(Q)沉積前(王永卓和徐景禎, 2003; 張洪等, 2004; 汪立群等, 2005), 形成的油氣通過斷裂、不整合面及滲透性好的砂體向中淺部地層及地表運移、逸散, 有利于砂巖型鈾成礦。目前, 馬海地區已發現的放射性異常石油井大都位于隱伏斷裂周緣, 推測該區深大斷裂有效地溝通了深部烴源巖與上部有利儲集砂體。這些滲出或向上逸散的油氣流體在進入上部儲集砂體過程中遇到向下滲入的含氧含鈾地下水時, 在接觸部位形成氧化-還原地球化學障, 從而有利于層間氧化帶型鈾礦化的發育(張金帶, 2016; 黃世杰, 2018)。深部滲出的還原性油氣流體, 一方面增加了砂體的還原容量,有利于砂巖型鈾成礦; 另一方面, 持續充注的油氣流體使含礦目的層中早期形成的鈾礦體整體處于還原環境中, 避免再次受到活化遷移, 對鈾礦體具有明顯保護作用(Tuo et al., 2007; 李子穎等, 2007; 趙興齊等, 2016)。

3 鈾異常特征及成礦預測模型

3.1 鈾異常特征及找礦標志

(1)鈾異常特征

目前在馬海地區 13個石油鉆井中發現鈾異常,異常埋深17～934 m, 厚0.2～9.0 m, 異常強度一般為300～800 API, 最大值為馬北121井的1213 API,平均687 API; 其中異常強度大于500 API的鉆孔有3個。鈾異常主要分布在漸新統上干柴溝組(N1g)和中新統下油砂山組(N21y)目的層中, 含礦主巖以淺灰色中砂巖、細砂巖和粉砂巖為主, 次為暗色泥巖; 含礦層段中常見油浸砂, 局部可見植物炭屑及褐鐵礦化發育。在該區 ZKMB0-1鉆孔下油砂山組中發現1層鈾異常, 品位 0.0056%, 異常厚度較薄, 僅為0.20 m, 埋深122.90～123.10 m, 含礦主巖為淺灰色泥質粉砂巖。含礦目的層下油砂山組中發育 8層厚度不一的砂體, 單層砂體厚1.20～8.52 m, 氧化砂體欠發育, 僅見2層淺黃色弱氧化砂體。根據研究區鈾異常發育特征及鈾成礦條件綜合分析認為, 馬海地區主要發育潛水氧化帶型、潛水-層間氧化帶型及層間氧化帶型三種鈾礦化(張金帶等, 2010; 權志高等,2014; Akhtar et al., 2016; 黃世杰, 2018)。

(2)鈾成礦找礦標志

綜合分析認為, 水中放射性異常和土壤氡氣異常是馬海地區砂巖型鈾礦找礦的重要標志。由上文可知, 馬海地區地表存在A1、A2、A3三個水中放射性異常帶(圖 1), 目前研究區發現的鈾異常孔幾乎都集中分布在這 3個放射性異常帶中, 因此認為水中放射性異常可作為馬海地區砂巖型鈾礦找礦的重要標志。馬海地區這 3個水中放射性異常帶主要處于地下水的排泄區, 因此找礦應注重馬海背斜兩翼斜坡構造帶及以北緩傾斜坡帶的地下水徑流區。

馬海地區土壤氡氣剖面形態上顯示為一高異常和“兩高夾一低”異常(李必紅等, 2007; 劉武生等, 2015), 在馬北地區土壤氡氣面積測量結果顯示,馬北地區石油鉆井中的鈾礦化孔及鈾異常孔主要位于土壤氡氣高異常 15 500～33 000 Bq/m3附近或“兩高夾一低”的低值部位。在單峰異常中, 鈾礦化主要處于土壤氡氣高異常向正常暈過渡的緩坡部位; 而在土壤氡氣剖面形態“兩高夾一低”異常中,石油鉆孔中的鈾礦化孔及異常孔常定位于兩高相夾的低值部位, 土壤氡值處于正常暈范圍7600～9500 Bq/m3。根據馬北地區砂巖型鈾成礦條件及該區石油鉆井資料綜合分析, 在干柴溝組地層中初步推測出層間氧化帶前鋒線位置。該前鋒線總體呈近NE向展布, 長約15 km, 寬約1.5 km, 在平面上氧化帶前鋒線呈港灣狀或蛇曲形態(圖 6), 受扇狀辮狀河三角洲砂體控制。結合研究區地質特征、沉積體系及砂體發育特征綜合分析認為, 馬海地區砂巖型鈾成礦條件好, 鈾成礦潛力較大。

圖6 柴北緣馬北地區土壤氡氣等值線圖Fig.6 Contour map of soil radon in Mabei area, northern margin of Qaidam Basin

3.2 鈾成礦預測模型

馬海地區砂巖型鈾成礦受富鈾基底、緩傾斜坡帶、區域性層間氧化帶控制明顯, 鈾成礦過程大致可分為三個階段, 即早期沉積成巖預富集階段、中新世下油砂山組晚期—上新世獅子溝組沉積早期古潛水氧化和古層間氧化成礦階段、上新世晚期以來的改造保礦階段(黃凈白和李勝祥, 2007; 張金帶等,2010, 2015)。

(1)早期沉積成巖期鈾預富集階段

燕山運動晚期以來, 柴達木盆地北緣經歷了多期擠壓抬升, 元古宙結晶巖系、古生代變質巖系及海西期花崗巖體被抬升、風化、剝蝕。至漸新統干柴溝組和中新統油砂山組沉積期, 馬海地區含礦目的層上干柴溝組(N1g)和下油砂山組(N21y)為一套沖積扇-辮狀河-三角洲沉積體系, 在半干旱、半潮濕氣候條件下, 隆起區的富鈾巖石碎屑和溶于水的活化鈾等成礦元素, 被搬運至盆地內, 在富含有機質的淺灰-深灰色細砂巖、中粗砂巖中發生鈾的吸附作用, 達到鈾的預富集。

(2)潛水、層間氧化作用成礦階段

古近紀以來, 柴達木盆地北緣地區持續受喜馬拉雅造山運動影響, 導致馬海地區早期油氣藏被破壞, 油氣沿斷裂、不整合面及連通砂體向上和橫向運移、逸散滲出至上覆干柴溝組和油砂山組含礦目的層中, 由于砂體上部泥巖、泥質粉砂巖隔水頂板的遮擋作用, 導致油氣主要富集在砂體上部, 并主要沿砂體向氧化帶方向運移擴散形成局部的氧化-還原地球化學障。中新世晚期(N22)以來持續的擠壓抬升, 導致馬海地區形成淺埋緩傾斜坡帶, 含礦目的層廣泛出露地表, 含氧含鈾水滲入至含礦建造層的承壓層間水中, 發育大規模的層間氧化作用, 當盆地深部逸散的烴類流體與層間含氧含鈾地下水相遇時, 在氧化還原地球化學障附近能直接將活化的U6+還原成穩定的 U4+鈾礦物, 形成滲入-滲出復合型鈾礦體(圖7)。油氣為該區鈾成礦提供了豐富的還原劑, 增大了砂體還原容量, 擴大了有利容礦空間,有利于砂巖型鈾成礦(Wu et al., 2009; Cumberland et al., 2016; 趙興齊等, 2019)。

圖7 柴北緣馬海地區砂巖型鈾成礦預測模型(據張洪等, 2004修改)Fig.7 Prediction model of sandstone-type uranium mineralization in Mahai area, northern margin of Qaidam Basin(modified after ZHANG et al., 2004)

(3)改造保礦階段

獅子溝組(N23s)沉積后發生的晚喜山運動導致馬海地區整體發生抬升, 構造高部位遭受強烈的剝蝕, 第四系地層直接覆蓋在漸新統上干柴溝組地層之上。地表含氧含鈾水的持續注入, 將對早期形成的鈾礦體進行淋蝕、貧化改造, 鈾等礦化元素沿氧化砂體向下部及深部遷移, 在潛水氧化帶下部的潛水面附近重新富集改造成礦。目前, 馬海凸起周邊及下部中下侏羅統烴源巖仍處于生排烴階段(汪立群等, 2005; 馬新民等, 2014), 這些持續生成的油氣通過深大斷裂、不整合面及連通性較好的砂體進入早期形成的鈾礦體后, 對早期形成的鈾礦體進行疊加改造; 同時這些還原性油氣流體的注入會使氧化還原障向滲入水氧化相反的方向遷移, 將早期形成的鈾礦體置于還原環境中, 避免了再次活化遷移遭受破壞的可能, 對早期形成的鈾礦體具有明顯的保礦作用。

4 找礦方向探討

馬海地區漸新統上干柴溝組(N1g)—中新統下油砂山組(N21y)沉積期為半干旱、半溫濕古氣候環境下沉積的紅夾灰的碎屑巖建造(賈艷艷等, 2015),主要發育辮狀河-三角洲相沉積體系, 扇狀砂體發育, 單層砂體厚度大, 泥-砂-泥結構穩定; 中新世晚期(N22–Q)以來的擠壓反轉作用, 導致研究區大部缺失中新統上油砂山組(N22y)和上新統獅子溝組(N23s)地層, 有利含礦目的層下油砂山組及上干柴溝組出露地表, 遭受了不同程度的剝蝕, 有利于潛水氧化和層間氧化作用的發育。同時, 沿不整合面、斷裂構造等輸導體系向上運移、逸散的油氣流體進入到研究區上干柴溝組及下油砂山組地層中, 增加了地層中砂體還原容量, 有利于砂巖型鈾成礦。

綜上所述, 馬海地區新層位漸新統上干柴溝組、中新統下油砂山組具有以下有利鈾成礦條件: 穩定的構造斜坡及背斜構造、豐富的鈾源條件和有利的河流三角洲沉積砂體、補-徑-排體系發育、富含有機質及油氣等還原性流體、氧化-還原過渡帶發育、具有水中放射性異常和土壤氡氣異常找礦標志、發育溝通基底及上部砂體的深大斷裂、見多個鈾礦化孔和異常孔, 因此認為馬海地區具有較好的砂巖型鈾成礦條件及找礦潛力。該區砂巖型鈾礦找礦主攻層位為漸新統上干柴溝組和中新統下油砂山組, 其次為始新統下干柴溝組(E3g)和中新統上油砂山組(N22y); 找礦類型主要以層間氧化帶型、潛水-層間氧化帶型為主, 其次為潛水氧化帶型; 找礦有利地段為馬海背斜兩翼斜坡構造帶及以北緩傾斜坡帶的地下水徑流區, 即馬仙斷裂附近的辮狀河河道亞相及三角洲平原分流河道亞相發育部位應是馬海地區砂巖型鈾礦找礦的重點方向(圖8)。

圖8 柴北緣馬海地區上干柴溝組砂巖型鈾礦成礦遠景預測圖Fig.8 Metallogenic prospective area of Upper Ganchaigou Formation sandstone-type uranium deposits in Mahai area,northern margin of Qaidam Basin

5 結論與認識

(1)馬海地區找礦目的層為漸新統上干柴溝組和中新統下油砂山組, 該區整體為兩翼產狀較為平緩的背斜構造; 漸新世—中新世早期, 主要處于半干旱-半溫濕-干旱的古氣候環境, 辮狀河-辮狀河三角洲沉積體系發育, 泥-砂-泥結構穩定, “補-徑-排”水動力體系發育完善, 鈾源條件豐富, 發育潛水氧化和層間氧化鈾成礦作用, 砂巖型鈾成礦與深部還原性油氣流體關系密切。

(2)馬海地區鈾成礦過程大致可分為三個階段,即漸新世—中新世早期沉積成巖預富集階段、中新世晚期—上新世早期古潛水氧化和古層間氧化成礦階段和上新世晚期以來的改造、保礦階段。

(3)馬海地區砂巖型鈾礦找礦應以層間氧化帶型和潛水-層間氧化帶型為主、次為潛水氧化帶型, 主要找礦目標層位為漸新統上干柴溝組和中新統下油砂山組, 具水化異常、土壤氡氣高異常和“兩高夾一低”的鈾礦找礦標志, 馬海背斜兩翼斜坡構造帶、馬仙斷裂附近的辮狀河河道亞相及三角洲平原分流河道亞相發育部位應是馬海地區砂巖型鈾礦找礦的重點方向。

致謝:核工業北京地質研究院劉武生研究員、劉紅旭研究員、李西得研究員、張字龍研究員及其他同事在工作中給予悉心指導和幫助, 核工業二〇三研究所柴達木項目組陳擎高級工程師、廉康高級工程師、王繼斌工程師、張淼工程師等全體項目組成員在野外工作過程中提供了大量的幫助和支持; 評審專家對本文進行了認真審閱, 并提出了具體、寶貴的修改意見, 在此一并表示衷心的感謝！

Acknowledgements:

This study was supported by China National Uranium CO., LTD.(Nos.201829-2 and 202118-3), and National Program on Key Basic Research Project (973 Program) (No.2015CB453004).