伊犁盆地南緣侏羅系沉積相對鈾成礦的控制作用

邱余波， 羅星剛， 張磊， 苗辰若， 李剛

(核工業(yè)二一六大隊， 烏魯木齊 830011)

伊犁盆地自20世紀90年代開展砂巖型鈾礦勘查以來，相繼發(fā)現(xiàn)了庫捷爾太、蒙其古爾、洪海溝等大型、特大型鈾礦床，取得了巨大的找礦成果，伊犁盆地已成為中國重要的可地浸砂巖型鈾礦產基地。前人對伊犁盆地砂巖型鈾礦的地質特征、富集規(guī)律、成礦模式、地化特征等方面進行了大量的研究，取得了豐富的研究成果[1-4]。在砂巖型鈾礦諸多控礦因素中，沉積相是砂巖型鈾礦的重要控礦因素，對含礦流體的富集和成礦至關重要[5-8]。侏羅系是盆地內主要的鈾礦含礦層位，許多學者對其巖性巖相、沉積特征與鈾成礦的關系已進行過相關研究。李勝祥等[9]從研究伊犁盆地不同地段含煤地層巖性變化特征入手，提出沖積扇快速入湖的扇三角洲沉積相模式，指出濱湖三角洲相砂體是尋找層間氧化帶砂巖型鈾礦的主要部位。李彥龍[10]認為水西溝群自下而上，可化為8個旋回，Ⅰ～Ⅳ旋回屬于沖積扇沉積；Ⅴ～Ⅷ旋回屬于扇三角洲沉積。劉家鐸等[11]認為可地浸砂巖型鈾礦主要賦存于沖積扇扇中辮狀河道微相和三角洲平原分流河道及泥炭沼澤微相。劉陶勇等[12]提出砂體發(fā)育最好的河流相及扇三角洲平原相至前緣相，是形成后生層間氧化帶的有利層位；同時砂體粒度變細，滲透率降低的部位，利于層間水中遷移的離子沉淀下來。李勝祥等[13]進一步指出辮狀河三角洲沉積體系是砂巖型鈾礦成礦最有利的沉積體系，三角洲前緣河口壩、三角洲平原辮狀河流、扇中-扇端及三角洲平原分流河道是砂巖型鈾礦主要的控礦沉積相。劉武生等[14]提出伊犁盆地砂巖型鈾礦化主要賦存在三角洲沉積體系中(78%)中，其次為沖積扇沉積體系(21%)。鈾礦化主要賦存于砂地比高(>0.45、砂體厚度適中17～32 m)的層位中。王勛[15]通過研究砂巖型鈾礦與沉積微相的空間展布關系，認為西山窯組下段的主要控礦微相為分流河道，西山窯組上段的主要控礦微相為決口扇。吳斌等[16]提出沼澤微相的煤或含煤沉積的泥巖與分流河道(平原或前緣)微相的富鈾砂體在空間上呈共存共生關系，這種共生關系是沉積微相分異的結果。

隨著伊犁盆地砂巖型鈾礦勘查工作的深入推進，勘查范圍進一步擴大，往西已達到中哈國境線，往東也超過了切金溝，勘查工作也取得了新的成果和認識。前人對沉積相與鈾成礦關系的研究，主要集中在20世紀90年代到21世紀10年代，許多觀點和認識已不能滿足目前的勘查工作，而且研究重點主要集中在砂巖型鈾礦賦存的有利沉積相帶，對不同沉積相的成礦潛力、不同微相對礦體的控制和制約并沒有進行系統(tǒng)、精細的研究。鑒于此，以伊犁盆地不同鈾礦勘查階段尤其是最近的勘查工作所收集的鉆孔資料為依據，結合最新勘查成果與認識，對伊犁盆地南緣侏羅系沉積演化特征進行了深入研究，在此基礎上系統(tǒng)地分析和研究沉積相的類型和沉積微相的變化對鈾成礦的控制作用，以期為伊犁盆地下一步鈾礦勘查工作提供科學、合理的理論指導。

1 區(qū)域地質背景

伊犁盆地夾持于塔里木板塊與哈薩克斯坦板塊之間，為一南北擠壓應力下形成的北陡南緩的箕狀不對稱大型山間坳陷盆地[17-19]。盆地由北往南可分為北部褶皺帶、中央凹陷帶和南部斜坡帶3個東西向帶狀展布的構造單元[20-21]。研究區(qū)位于南部斜坡帶中西部，是伊犁盆地鈾礦床集中分布的地區(qū)(圖1)，沉積蓋層自下而上為下侏羅統(tǒng)八道灣組、三工河組，中侏羅統(tǒng)西山窯組、頭屯河組，新近系和第四系，鈾礦化主要賦存在中下侏羅統(tǒng)各地層中[22]。除鈾礦以外，伊犁盆地南緣煤層也很發(fā)育，從八道灣組下段到西山窯組上段在盆地南緣共發(fā)育12套厚度、規(guī)模不等的煤層，從下往上依次編號為M1～M12，其中M5、M8、M10在區(qū)域上穩(wěn)定發(fā)育，是研究區(qū)侏羅系地層劃分與對比重要的標志層。

2 沉積演化特征

伊犁盆地南緣侏羅系八道灣組是在小泉溝群晚期湖水退出盆地南緣的基礎上而形成的沖積扇沉積。在八道灣組沉積初期，沉積物供應量較大，沖積扇的沖積能量也較大，八道灣組下段的扇體往北延伸較遠，且在研究區(qū)發(fā)育有較大規(guī)模的礫巖、砂礫巖沉積的扇根亞相，由于南部蝕源區(qū)沉積物供應量逐漸減少，八道灣組上段的沖積扇體往南收縮，規(guī)模明顯減小，扇根沉積在研究區(qū)內很少出現(xiàn)，且扇中沉積的規(guī)模也明顯變小。八道灣組的垂向粒序特征也表現(xiàn)為往上逐漸變細的正旋回，說明沉積環(huán)境的水動力條件也在逐漸變小。總的來說，八道灣組是一個退積的沖積扇沉積。

三工河組沉積早期，湖水又一次進入盆地南緣，沉積環(huán)境逐漸由八道灣組的沖積扇過渡為扇三角洲。到西山窯下段沉積期，沉積物供應量逐漸增大，加上三工河組時期就已經進入盆地南緣的湖水，在研究區(qū)形成了規(guī)模大、連續(xù)性好的扇三角洲沉積體。該沉積時期發(fā)育的大規(guī)模的三角洲平原和前緣分流河道砂體是研究區(qū)最主要的賦鈾礦空間。西山窯組下段發(fā)育的規(guī)模和厚度都很巨大的M8煤表明湖水在該時期已經退出盆地，整個研究區(qū)為長時期的沼澤沉積。

西山窯組中段沉積期，湖水又一次進入盆地南緣，但是該時期沉積物供應量較少，在伊犁盆地南緣主要發(fā)育濱淺湖的泥巖沉積，局部地段發(fā)育有灘壩砂體，但是在平面上不穩(wěn)定，且連續(xù)性較差。此外，由于湖水的升、降波動，在湖水暫時退出盆地南緣時，還發(fā)育有一定規(guī)模的漫灘沼澤。在西山窯組沉積后期，沉積物供應量又一次增大，沉積環(huán)境由湖泊沉積再次轉變?yōu)樯热侵蕹练e。到頭屯河組沉積時期，氣候已逐漸變得干旱炎熱，扇三角洲沉積逐漸轉變?yōu)楹恿鞒练e(圖2)。

圖2 伊犁盆地ZK6877孔侏羅系綜合地層柱狀圖Fig.2 Synthetic column map of Jurassic of ZK6877 in YiliBasin

總的來說，伊犁盆地西南緣沉積環(huán)境、沉積相的演化主要受沉積物供應量的變化，湖水的周期性退、進，以及物源方向等因素的控制。在這三方面因素的綜合影響和驅動下，研究區(qū)侏羅系的沉積環(huán)境從沖積扇、扇三角洲、濱淺湖逐漸演變?yōu)楹恿飨啵洑v了陸相沉積的不同沉積環(huán)境[23]。

3 沉積相的類型對鈾成礦的控制

3.1 沖積扇

沖積扇砂體是由間歇性水流形成的一種極不穩(wěn)定的砂體，且沉積碎屑物的分選很差，碎屑顆粒也很粗大，砂體的這種結構特征亦不利于有機質的吸附，因此總體來說沖積扇不是找鈾的有利相位。研究區(qū)沖積扇沉積主要發(fā)育在八道灣組地層，尤其是八道灣組下段，扇體規(guī)模較大，且是由多個沖積扇組成的沖積扇裙。研究區(qū)內八道灣組下段沖積扇沉積只在墩買里的庫捷爾太礦床發(fā)育有一定規(guī)模的鈾礦體，其次是在洪海溝鈾礦床南部發(fā)育有零星的礦體。這主要是因為該地區(qū)發(fā)育的沖積扇砂體粒度相對較細，厚度適中(東部的扇體厚度普遍較大，不利于含礦物質的沉淀、聚集)且氧化帶前鋒線已推進至扇中亞相，鈾礦體也主要賦存在扇根與扇中的相關部位,也就是砂體的厚度和粒度發(fā)生較大變化的部位(圖3)。

圖3 研究區(qū)下八道灣組下段沉積相與鈾成礦示意圖Fig.3 Sketch map of sedimentary facies and Uranium deposit of LowerBadaowan Formation in study area

3.2 扇三角洲

扇三角洲沉積主要有三個特點，一是發(fā)育有沼澤沉積的煤層，煤層可以提高地層的整體還原能力，同時煤層是很好的隔水層與分流河道砂體、分流間灣、前三角洲泥能構成極好的泥-砂-泥結構；二是水上分流河道與水下分流河道連通，而水下分流河道通常往北延伸較遠，大多能到達局部的排泄源，從而使得地下水的補徑排體系較為通暢；三是分流河道砂體的厚度適中，研究區(qū)三工河組和西山窯組下段砂體厚度大多在10～30 m，十分有利于含鈾物質的富集、沉淀。因此，扇三角洲沉積砂巖型鈾礦的潛力和規(guī)模都比較大。比如研究區(qū)西山窯組下段的扇三角洲沉積，是伊犁盆地南緣鈾礦體最為發(fā)育的含礦層段(圖4)。

圖4 研究區(qū)西山窯組下段沉積相與鈾成礦示意圖Fig.4 Sketch map of sedimentary facies and Uranium deposit of Lower Xishanyao Formation in study area

3.3 河流相

河流沉積最大的特點是發(fā)育有一條方向性十分明顯的主河道(河床沉積)，河道兩邊則是細粒沉積的河漫沉積(通常為河漫灘、河漫沼澤)，再往外則是洪泛平原沉積的粉砂質泥巖、泥巖。通常情況下，河道展布方向與構造所造成的地層傾向一致或者相差較小，鈾成礦的潛力相對較大。但是如果沉積期后的地層抬升，致使河漫灘被部分剝蝕，南部的河道砂體直接與上覆的松散第四系接觸，含氧含鈾流體通過第四系松散堆積物往下滲流進入河道砂體中，比如洪海溝鈾礦床的頭屯河組仍有可能形成一定規(guī)模的鈾礦體[24]。

3.4 湖泊相

湖泊沉積主要發(fā)育在西山窯組中段和三工河組的局部地段，主要為淺湖-半深湖的泥巖沉積。西山窯組中段，主要為濱淺湖的泥巖沉積，局部地段發(fā)育有沼澤，而砂體發(fā)育不穩(wěn)定，且在平面上連續(xù)性差，因而不具備形成層間氧化帶的條件，沒有鈾礦化顯示。比如三工河組發(fā)育的扇三角洲在研究區(qū)西部，分流河道砂體不發(fā)育，主要為前三角洲和淺湖沉積的泥巖、粉砂巖，幾乎沒有鈾成礦能力，也不發(fā)育鈾礦體甚至是鈾礦化。

總的來說，在伊犁盆地南緣扇三角洲沉積最有利于鈾成礦的發(fā)育，其次是河流相沉積，沖積扇相的鈾成礦潛力相對較差，但是在局部地段仍有一定的成礦能力，而湖泊相由于砂體發(fā)育差，不具備形成層間氧化帶的條件，在研究區(qū)內幾乎沒有成礦潛力。

4 沉積微相對鈾礦的控制

事實上，在大比例尺的礦床范圍內，鈾礦體的形態(tài)、空間展布以及礦石品位與沉積微相的關系更為密切。大的沉積相類型及其分布特征可以控制和影響鈾礦床內鈾礦體的總體發(fā)育特征，但是具體到每條勘探線、每個鉆孔，由沉積微相的變化所引起的砂體厚度、粒度的變化、泥巖夾層的出現(xiàn)和缺失以及砂體形態(tài)的突然變化，是影響鈾礦體形態(tài)和品位的主要原因。

4.1 河心泥灘的出現(xiàn)與缺失對鈾成礦的影響

在厚大的河道砂體中，有時發(fā)育有厚度不等的泥質夾層，河道砂體中出現(xiàn)泥質夾層說明在該沉積時期，攜帶砂質碎屑的河水暫時繞過此處，從而形成砂體發(fā)育較差的河心泥灘。沿河道展布方向出現(xiàn)的河心泥灘使氧化帶突然變窄，在氧化帶前方的泥質夾層與砂體之間或氧化砂體與還原砂體的過渡帶發(fā)育鈾礦體，如洪海溝鈾礦床西山窯組上段沿K01線出現(xiàn)的河心泥灘改變了含氧含鈾流體的滲流方向，鈾礦體主要發(fā)育在河心泥灘前方。穩(wěn)定出現(xiàn)的泥質夾層在局部地段的缺失對鈾成礦影響同樣很大。比如在蒙其古爾鈾礦床三工河組下段和上段含礦砂體之間有一套穩(wěn)定出現(xiàn)的泥質隔水層，在局部地段這套隔水層卻完全消失，使下段和上段的砂體合并在一起。下部三工河組下段含氧含鈾水透過天窗越流補給上部的三工河組上段，在三工河組上段含水層中形成向四周輻射的“磨菇”狀層間氧化帶尖滅閉合線(圖5)。

圖5 蒙其古爾鈾礦床三工河組層間水越流補給Fig.5 Overflowing of interlayer water of Sangonghe Formation in Mengqiguer Uranium deposit

4.2 水下與水上沉積對鈾成礦的影響

在伊犁盆地南緣，三角洲平原分流河道發(fā)育的鈾礦體比三角洲前緣水下分流河道發(fā)育的鈾礦體不管是礦體規(guī)模還是品位都要大很多。以闊斯加爾-扎吉斯坦地區(qū)西山窯組下段為例，從圖6可以看出，南部的扎吉斯坦礦床位于扇三角洲平原沉積，礦體形態(tài)較復雜，從物探測井解釋可知該礦床鈾礦石厚度大、品位高，估算的鈾礦資源量也比較大；北部的闊斯加爾地區(qū)主要為水下分流河道，鈾礦體的形態(tài)相對較簡單，整體上垂直于分流河道展布方向呈條帶狀分布，從物探測井解釋可知該地區(qū)許多工業(yè)鈾礦孔的平米鈾量僅達到工業(yè)指標，鈾礦石品位較低，估算的資源量僅為南部蒙其古爾礦床的1/10(圖6)。

圖6 闊斯加爾-扎吉斯坦地區(qū)西山窯組下段沉積與鈾成礦示意圖Fig.6 Sketch map sedimentation and uranium occurrences in Lower Xishanyao Formation in Kuosijiaer-Zhajisitan area

三角洲平原發(fā)育的鈾礦體較三角洲前緣品位高，規(guī)模大，主要有三方面的原因：首先是水下分流河道含礦砂體中炭屑、炭化植物碎屑含量比水上分流河道低，因此地球化學反差度也相對較低，由于水下分流河道往北延伸較遠，層間氧化帶縱深發(fā)育均在5 km以上，地球化學障的形成更多依賴于遠距離遷移含鈾含氧水中氧的消耗，所以形成的礦體規(guī)模相對有限；其次是在伊犁盆地南緣，水下分流河道砂體的規(guī)模較水上分流河道小，且分流河道間較大面積的分流間灣使分流河道之間的連續(xù)性變差，再加上水下分流河道的砂體的粒級相對較細，這些因素都使礦體的規(guī)模受到較大限制；此外，水下分流河道與水上分流河道相比，離物源區(qū)和鈾源區(qū)相對較遠，含鈾物質經過較長距離搬運，在河道砂體中的消耗和損耗比較大，因此鈾礦體的品位比三角洲平原水上分流河道低。

4.3 沉積砂體發(fā)育特征對鈾成礦的影響

在伊犁盆地南緣，適合于鈾成礦的砂體厚度在10～40 m，厚度太小賦礦的空間就越小，厚度太大不利于含鈾流體的富集與沉淀。比如闊斯加爾地區(qū)西山窯組下段超過80%的鈾礦化砂體厚度集中在15～25 m，洪海溝鈾礦床西山窯組上段，將近90%的鈾礦化砂體厚度集中在25～40 m(圖7)。鈾礦體主要賦存在既有利于還原物質吸附，且滲透性相對較好、粒級適中的粗砂巖中。比如闊斯加爾地區(qū)西山窯組下段，超過80%的鈾礦化都賦存在粗砂巖和含礫粗砂巖中，洪海溝鈾礦床西山窯組上段，也是將近80%的鈾礦化主要賦存在粗砂巖中(圖8)。

圖7 砂體厚度與鈾礦化分布圖Fig.7 Chart of thickness of sand body and distribution of uranium mineralization

圖8 砂體粒級與鈾礦化分布圖Fig.8 Chart of grain size of sand body and distribution of uranium mineralization

5 結論

(1)伊犁盆地南緣侏羅系經歷了八道灣期的沖積扇沉積，三工河—西山窯早期的扇三角洲沉積，西山窯中期的湖泊沉積，西山窯晚期的扇三角洲沉積，以及頭屯河期的河流沉積。

(2)沉積相的類型決定鈾成礦的潛力和規(guī)模。扇三角洲沉積最有利于鈾成礦的發(fā)育，其次是河流相沉積，沖積扇沉積的鈾成礦潛力相對較差，但是在局部地段仍有一定的成礦能力，而湖泊相由于砂體發(fā)育差，在研究區(qū)內幾乎沒有成礦潛力。

(3)沉積微相控制著鈾礦體的形態(tài)和空間展布。穩(wěn)定的河道砂體中出現(xiàn)的泥質夾層以及穩(wěn)定出現(xiàn)的泥質夾層在局部地段的缺失對鈾成礦的影響均很大；扇三角洲平原分流河道發(fā)育的鈾礦體較扇三角洲前緣水下分流河道發(fā)育的鈾礦體品位高、規(guī)模大；由沉積微相的變化所引起的砂體厚度、粒度的變化，是影響鈾礦體形態(tài)和品位的主要原因。