鄂尔多斯盆地西南缘砂岩型铀矿“源—汇”系统研究

时间：2024-06-19

贺锋，刘鑫扬，2，刘卫红，武正乾，张字龙

（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.中国核工业地质局，北京 100013；3.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083；4.核工业二〇三研究所，陕西咸阳 712000）

地球表面的“源—汇”系统动力学过程研究已成为国际地球科学领域的研究热点之一，是重建或反演构造古地理演化的重要思路［1］。物源从剥蚀区形成，由径流系统搬运到沉积区或汇水盆地沉积下来的整个过程为地球地表的“源—汇”系统［2-3］；该系统由剥蚀地貌、沉积地貌以及联系它们一起的沉积物径流系统三部分构成［4-6］。通过对“源—汇”系统的完整体系分析，进而更全面更综合的认识地球的演化历史。

砂岩型铀矿成矿作用主要受盆地铀源［7］、沉积建造［8-11］、构造［12-15］、氧化还原带［16-17］等因素控制，控制了砂岩铀成矿过程中铀的活化、迁移、富集和沉淀成矿［18-20］。砂岩型铀矿“源—汇”系统是富铀物质从蚀源区风化剥蚀，经汇流体系运移，再到盆地有利容矿砂体还原成矿的物理、化学的过程，主要包括铀源、汇流体系和富集体系三部分。铀源包括外源和内源，外源是指在产铀盆地边缘大面积出露的基底和富铀岩石；内源是指含矿目的层本身或盆地深部的含铀建造，是在沉积成岩过程中形成的铀预富集。富铀物质从铀源区搬运到容矿砂体并在容矿砂体中运移的统一过程称为铀成矿汇流体系，沉积盆地的含铀物质主要在沉积期和成矿期通过汇流体系进入盆地内部的。铀富集体系是砂岩中还原性物质或微生物等将含铀流体还原沉淀富集成矿。本文将“源”到“汇”的研究思路应用到砂岩型铀矿成矿作用研究中来，提出将含铀物质从剥蚀到汇流、富集的整个过程看成一个完整“源—汇”系统来探讨砂岩型铀矿的富集机理，促进和推动对铀成矿规律的研究和总结，为鄂尔多斯盆地西南缘下一步铀矿地质勘查提供另一种研究思路。

1 区域地质背景

研究区位于陕西陇县—甘肃华亭一带，构造上总体处于鄂尔多斯盆地西南缘的六盘山断褶带东南方向的李家河向斜区（图1）。白垩系沉积之后研究区抬升掀斜，遭受到剥蚀改造，并围绕盆地边缘次级隆起形成向盆内缓倾的宽缓向斜构造［21］，为下白垩统砂岩型铀成矿提供了有利的构造条件。鄂尔多斯盆地西南部中新生代盖层主要由三叠系、侏罗系、下白垩统、新近系和第四系组成［22］。下白垩统六盘山群马东山组（K1m）、李洼峡组（K1g）和和尚铺组（K1hs）具有砂岩铀矿形成的构造、地层、水文地质、铀源等有利条件，并且层间氧化带及铀矿化发育，展示出一定的成矿远景及找矿前景。

图1 鄂尔多斯盆地西南缘铀矿地质简图Fig.1 Region uranium geological sketch of southwestern margin of Ordos Basin

2 铀矿地质特征

研究区下白垩统马东山组中发现了国家湾铀矿床，下白垩统李洼峡组中发现了诸多沿盆地边缘分布的铀矿点（武村铺矿点、花马坪、岭子沟、大台沟等）和工业孔。李洼峡组和马东山组是盆地西南缘最主要含矿层，均新发现砂岩型工业铀矿孔，和尚铺组为盆地西南缘潜在含铀层，预示着本区良好的成矿前景。

马东山组（K1m）：自上而下可分为3 个含矿岩组，形成稳定的泥-砂-泥地层结构，地层厚度为150～600 m。上段主要发育褐色、紫红色泥岩与黄色中粗砂岩互层；中部为黄色、浅红色厚层状粗砂岩、含砾砂岩夹紫褐色、紫红色泥岩；下段为紫褐色泥质砂岩夹中薄层黄色、灰绿色粉-细砂岩，局部为粗砂岩，底部发育标志性的灰色、灰绿色粗砂岩（图2）。国家湾矿床矿体走向多为北东或近南北向，矿体规模较小，长100～300 m，矿体埋深50～200 m；含矿层岩性以灰绿色、灰白色中砂岩、细砂岩、粗砂岩为主；矿体厚度一般小于3 m，平均厚度为0.73 m，平均品位为570×10-6。

图2 鄂尔多斯盆地西南缘下白垩统铀矿综合柱状图Fig.2 Straigraphic conlum of Lower Cretaceous and unranium information in the southwestern margin of Ordos Basin

李洼峡组（K1g）：总体以紫红色泥岩、粉砂质泥岩为主，夹棕红色、灰白色薄层砂体，砂体在西北部较发育，以河流三角洲沉积为主，厚50～400 m。李洼峡组顶部发育20 m 左右厚的灰色页岩，中上部发育棕红色、紫红色泥岩夹棕黄色、紫红色薄层砂岩；下段发育紫红色、紫褐色泥岩、泥质粉砂岩夹灰白色、棕红色中细砂岩，砂体主要呈薄层状、透镜状。矿化带长23 km，宽4 km，平均厚度为1.56 m，最大厚度为2.40 m；含矿岩性以灰绿色细砂岩为主，偶夹紫红色泥质条带；矿体埋深50～100 m，最大埋深240 m，最高品位为4 131×10-6。

和尚铺组（K1hs）：主要为厚层棕红色、灰白色、灰绿色中细砂岩夹砾岩及砂质泥岩，以河流相沉积为主，厚100～400 m，目前也发现了矿化异常，有较好的成矿前景。

3 铀成矿的“源—汇”系统特征

3.1 铀源特征

铀源是盆地铀成矿的物质基础，鄂尔多斯盆地西南缘蚀源区和含矿层的铀含量均较高，局部为富铀层（体），可为研究区铀成矿提供丰富的铀源。通过对研究区钻孔以及露头的马东山组和李洼峡组样品分析，样品主量元素含量与大陆上地壳平均值处于同一个数量级范围内，受岩性和后生蚀变影响SiO2含量在45.53%～77.95%，平均值为62.74%，Al2O3/SiO2值介于0.12～0.36，平均值为0.20，反映样品成熟度差别不大。研究区样品细粒碎屑沉积岩的化学蚀变指数CIA 值介于45.76～73.21，平均值为59.02，紫红色砂岩CIA 值较高，介于59.29～73.21，黄色砂岩平均64.72 左右，灰色、灰绿色砂岩平均55.89 左右，总体显示源岩风化程度为较弱，反映沉积物搬运距离较短。在花马坪矿化点李洼峡组矿化段的镜下薄片中也可以看到由石英及长石组成的花岗岩碎屑和具片状结构及齿状变晶结构的石英片岩碎屑；国家湾矿床马东山组砂体含矿岩石主要为灰白色、灰绿色细粒、中细粒疏松岩屑长石砂岩及少量杂砂岩，砂岩成分：石英占70%～80%，长石占5%～13%，岩屑占2%～8%，主要为花岗斑岩砾石（斑晶为钾长石）、石英片岩碎屑和沉积岩岩屑；碎屑粒级为0.05～0.5 mm；砂岩分选性中等-差，碎屑呈棱角状、次棱角状，中粗碎屑可达到次圆状，砂岩成熟度低；砂岩呈疏松-松散状，以泥质胶结为主，局部为钙质和铁质胶结。综上所述，研究区下白垩统的沉积物源主要为研究区北部、南部的沉积岩-花岗岩，混杂了少量长英质岩石和中性火成岩。

研究区样品中，稀土元素ΣREE 介于59.91～298.04，平均值为148.14；ΣLREE/ΣHREE 值介于4.73～15.26，平均值为8.71；LaN/YbN值介于4.18～21.61，平均值为9.72；稀土元素其球粒陨石标准化配分模式与大陆上地壳极为相似，Eu 为负异常显著，Ce 异常不明显，推断研究区下白垩统源岩应来自于上地壳（图3）。由于δEu 值表现出显著的负异常（δEu＜0.9），说明源岩部分来自上地壳中的花岗质岩石，稀土元素配分曲线明显“右倾”，轻稀土元素曲线较陡，重稀土元素曲线较为平坦，这与秦岭花岗岩的特征一致，由此可判断秦岭花岗岩为研究区主要物源之一。

图3 鄂尔多斯盆地西南缘下白垩统稀土元素球粒陨石标准化配分图（a）与UCC 标准化曲线图（b）（球粒陨石数据引自文献［23-24］，秦岭花岗岩数据引自文献［25］）Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns（a）and UCC normalized REE curves（b）of fine-grained elastic sediments from Lower Cretaceous in the southwestern margin of Ordos Basin（chondrite data quotes from reference［23-24］，granite of Qinling date quotes from reference［25］）

含铀物质来源也主要为秦岭造山带的沉积岩和花岗岩体。区内广泛分布元古宙、加里东期、海西期、印支期及燕山期富铀花岗岩。花岗岩体的铀含量平均可达5.70×10-6，Th/U平均值为5.60，在花岗岩体内外带还发育有大量花岗岩型、伟晶岩型和其他热液型铀矿床（点）。分布于陇县—歧山一带的下寒武统辛集组下段的含磷块岩的生物碎屑灰岩、含磷炭质片岩、炭板岩也是区域含铀层。此外，研究区三叠系黄色、灰绿色粉细砂岩与紫红色泥岩互层铀含量平均值为5.01×10-6；下白垩统和尚铺组、李洼峡组和马东山组本身均具有较高的含铀性，铀含量平均值为6.03×10-6，Th/U 平均值为3.10，为含铀建造。因此，研究区铀源主要来自盆地周缘沉积盖层、含矿目的层本身和盆地西南缘富铀蚀源区。

3.2 铀成矿汇流体系

研究表明，研究区内成矿物质主要通过以下两种途径进入盆地，一是在沉积期，蚀源区含铀物质通过地表水的搬运，从含铀或富铀蚀源区搬运到沉积盆地中，在沉积层中预富集，为后生砂岩型铀矿化提供部分物质基础；二是在成矿期，由于构造抬升，水从补给区的地表或断裂渗入含水层形成地下径流，蚀源区含铀物质通过地下水的搬运，源源不断地带入含水层砂体中并进行运移，并在有利的成矿部位富集成矿。

3.2.1 沉积期汇流体系

下白垩统沉积期，其物源主要来自于盆地南部和西北部（图4a），沉积源岩以沉积岩和花岗岩为主，含少量长英质和中性火成岩。下白垩统自下而上有三桥组、和尚铺组、李洼峡组、马东山组、乃家河组，从下至上发育冲积扇—辫状河—河流三角洲—滨浅湖相沉积。下白垩统在沉积期形成了铀的预富集，地层中的铀含量普遍偏高。以李洼峡组为例，西北部砂体相对发育，厚度为40～80 m，南部钻孔揭露砂体厚度为60～80 m，神峪河地区砂体厚度为20 m左右，东部砂体厚度更薄，以泥岩为主（图5a）。沉积物源主要来自西北部和南部，发育河流三角洲相为主，东南部发育滨浅湖相为主（图5b）。李洼峡组上段发育的灰色页岩平均铀含量可达24×10-6，也证明了沉积期铀矿的预富集作用。在成岩期铀元素发生再分配作用，富铀碎屑中的铀元素被活化带出后，被砂岩层中的有机质吸附，铀元素得到预富集。因此，沉积期西北部和南部富铀沉积岩和富铀花岗岩的岩石碎屑为进一步成矿创造条件，为铀成矿奠定了部分物质基础。

图4 鄂尔多斯盆地西南缘沉积期（a）和成矿期（b）汇流体系示意图Fig.4 Schematic diagram of convergence system of sedimentary period（a）and mineralization period（b）in the southwestern margin of Ordos Basin

图5 鄂尔多斯盆地西南缘李洼峡组砂体厚度（a）和沉积相图（b）Fig.5 Sandstone thickness contour（a）and sedimentary facies（b）of Liwaxia Formation in the southwestern margin of Ordos Basin

3.2.2 成矿期汇流体系

白垩系沉积之后（晚燕山期—喜山早期）鄂尔多斯盆地发生了整体抬升，湖盆消失［26-28］，该区发生掀斜运动，白垩系遭受到剥蚀改造，使含矿层隆起，并受到蚀源区（古秦祁造山带）地下水和大气降水的长期氧化、淋滤改造作用，为渗入型地下水交替作用发生和发育提供有利的构造动力条件，并围绕盆地边缘次级隆起形成向盆内缓倾的宽缓向斜构造，对含矿层中层间氧化带及铀矿的形成提供了有利的构造条件［29］。

研究区地下水的补给区为西部六盘山、西南部和北部地区，地下水向东、北东方向径流，排泄源位于排路湾—龙门镇一线。从六盘山向东，其地形坡降一般为2‰～6‰，六盘山及“古脊梁”和子午岭、白于山地区的地表水和渗入其内的地下水是陇东下白垩统层内承压水的补给区。这几个含水层的承压水分别排泄于陇东次级盆地中的几条近南北向、北西向及北东向的大河沟中，然后汇流于泾河等。该区具备渗入型地下水的动力条件，有利于层间氧化带型铀矿的形成。

古地貌控制了地下古水流的流向，控制着氧化带的发育和铀矿的富集［13-15］。在国家湾矿床南部可见马东山组与奥陶系灰岩不整合接触，说明下白垩统沉积期南部古隆起已经形成。利用全岩U-Pb 等时线方法测定成矿年龄，测试结果表明研究区李洼峡组的铀成矿年龄为（39.6±2）Ma，成矿期的古隆起区和下切沟壑古地貌单元是盆缘主要的两种汇流通道，盆缘含氧含铀水在重力的驱使下沿着古隆起区和下切沟壑向盆内迁移，形成了国家湾矿床以及一系列矿化点。含矿流体最终在华亭—安口以南形成了武村铺—神峪河—柳家河含矿带，包括武村铺、大台沟、岭子沟矿化点和众多工业钻孔。其中华亭县的汇流体系最终在武村铺附近富集成矿；安口镇的汇流体系在神峪河—柳家河一带富集成矿；中部的汇流体系在岭子沟—920 矿点附近富集成矿（图4b）。研究区北部安口—华亭一带主要发育3 个下切沟壑，下切沟壑以南发育大量的矿化点和钻遇铀矿化孔、铀工业孔，是北部主要的铀源汇流通道（图6）。

图6 研究区北部铀源汇流通道剖面图（剖面位置见图1）Fig.6 Profile showing uranium source convergence channel in the north of the study area（location of the section shown in Fig.1）

3.3 铀成矿富集体系

晚白垩世，燕山运动晚期，研究区抬升掀斜，蚀源区一直作为盆地的补给区，为地下水的长期不断径流、排泄创造了良好的条件。在半干旱气候条件下，在构造斜坡带内含氧富铀地下水沿着铀成矿汇流通道进入研究区。马东山组和李洼峡组孔隙度平均为20.88%，渗透率平均值为42.62 md，渗透性较好。含氧含铀水主要沿渗透性好的砂岩顺层迁移流动，形成后生氧化蚀变，在氧化带前锋线附近，受黄铁矿、有机质等还原性物质作用，不断氧化、还原、吸附成矿。以国家湾矿床为例，马东山组岩性以浅灰色、灰白中砂岩、细砂岩、粗砂岩为主，岩石中有一些黄铁矿细粒浸染状分布。矿体形态以板状为主，部分见薄层状、透镜状，也见有卷状。ZKG7-1 钻孔铀含量平均为114×10-6，铀矿类型以铀石为主，可见与黄铁矿伴生的柱状铀石集合体。

李洼峡组矿化多发育在砂质泥岩层中的透镜状砂体中，即紫红色砂质泥岩与灰白色、灰绿色砂岩界面附近，含矿岩性以灰绿色细砂岩为主，偶夹紫红色泥质条带，岩石中紫红色砂岩呈团块状分布于灰绿色砂岩中，大体沿层分布，结构疏松，矿段底部见黑色有机质纹层，富含有机质和黄铁矿，铀含量最高达4 131×10-6，铀矿类型以铀石为主，呈短柱状。花马坪铀矿化点位于鄂尔多斯盆地西南缘国家湾矿床北北西方向5 km 处，构造上处于背斜北翼，地表水通过淋滤作用，把背斜核部三叠系富铀沉积物中的含铀物质（平均铀含量为6×10-6）由背斜顶部向两翼运移，在背斜北翼李洼峡组下段砂体中发育两段矿化。矿化段岩性为灰白色含细砾中粗砂岩，含少量的黄铁矿，铀含量最高为150×10-6。新近纪至今，鄂尔多斯盆地长期处于稳定隆升状态，造成李家河向斜两翼顶部含矿目的层不断被剥蚀，对已形成的铀矿体持续叠加改造，沿着水流运移方向不断迁移。

4 铀成矿“源—汇”系统

“源—汇”系统将含铀物质从剥蚀到汇流、富集的整个物理化学过程看成一个完整过程来探讨砂岩型铀矿的富集机理，有助于砂岩型铀成矿规律的全面研究和总结。源区含铀岩石遭受风化剥蚀，在地下水和大气降水的长期氧化、淋滤改造作用下，富氧富铀水通过含矿流体的汇流体系运移，在有利成矿环境的容矿砂体中进行铀富集的整个物理化学过程构成一个完整的铀成矿“源—汇”系统（图7）。相比典型层间氧化带的补-径-排体系［30-32］，“源—汇”系统更着重的是含铀物质的运移的途径，重点在明确沉积期和成矿期铀源物质的运移路径，是砂岩型铀矿补-径-排体系的补充。将“源”到“汇”的研究思路应用到我国北方盆地砂岩型铀矿勘查中来，结合物化探方法，有利于在砂岩型铀矿勘探早期的快速且准确选区，对于铀矿勘查程度非常低的工作区的砂岩型铀矿勘查工作将起到重要的指导作用。

图7 鄂尔多斯盆地西南缘砂岩型铀成矿源汇系统Fig.7 Diagram showing the source-convergence systems of the sandstone type uranium deposit in the southwestern margin of Ordos Basin

研究区主要铀源来自于盆缘沉积岩和花岗岩体。元古宙、加里东期、海西期、印支期及燕山期富铀花岗岩主要分布于盆地的南部和西北部；下寒武统辛集组下段的含鳞块岩的灰岩主要分布于盆地的南部；三叠系的富铀沉积物在盆地南部和北部均可见到。下白垩统沉积期铀矿的预富集也为铀成矿奠定了部分物质基础，沉积物源主要来自于研究区北部的沉积岩和西南部花岗岩。古隆起区和下切沟壑是研究区成矿期两种主要的汇流通道，含氧含铀水在重力的驱使下沿着古隆起区和下切沟壑，向渗透性好的砂岩顺层迁移流动，在氧化带前锋线附近，受有机质、黄铁矿等还原性物质作用下富集成矿（图7）。