吐哈盆地十红滩铀矿床北带西山窑组第二岩性段沉积体系对铀成矿的控制作用

2021-11-27荆国强伍群王腾

铀矿地质 2021年6期

荆国强，伍群，王腾

（核工业二〇三研究所，陕西西安 710086）

十红滩铀矿床是近年来发现的大型铀矿床，位于吐哈盆地艾丁湖斜坡带南部［1］，地形表现为南高北低，地层倾向北东，倾角为3°～10°［2-3］。根据铀矿化的产出层位及空间关系，十红滩铀矿床可划分为南、中、北3 个铀矿带。当前对十红滩矿床的研究主要集中在第一、第三岩性段成矿构造、层间氧化带及其后期水动力方面［1，4-5］，对北矿带第二岩性段铀矿化发育的沉积微相或相变、砂体变异特征与铀矿化发育规律研究较少［6］。因此，本文以吐哈盆地十红滩铀矿床北矿带西山窑组第二岩性段为主要研究层位，通过岩性特征、沉积构造、沉积序列分析及露头描述和剖面对比，研究第二岩性段沉积相特征及其对砂体展布和物性变化的控制，进而阐述西山窑组第二岩性段铀矿化发育的特征和控矿机理。

1 地质背景

十红滩铀矿床位于十红滩背斜两翼、鹰嘴崖断裂北部（图1），目前已控制矿带东西长约14 km，南北宽约2 km。十红滩铀矿床各矿带空间展布形态、含矿层位及控矿构造各不相同，3 个矿带相比，南、北矿带规模较大，中矿带规模较小。

图1 十红滩地区铀矿地质简图Fig.1 Uranium geological map of Shihongtan area

吐哈盆地基底为中下石炭统海相浅变质碎屑岩，盆地盖层为中下侏罗统，古近系在部分地段出露［7-10］，大部分地段被第四系砂砾石覆盖。找矿目的层西山窑组为一套辫状河-辫状河三角洲相的沉积建造，岩性以具有原生地球化学特征的灰色碎屑岩为主；古近系鄯善群为干旱气候条件下的湖相-冲积扇相泥岩、砾岩组合，颜色为砖红色，底部见底砾岩，与目的层不整合接触；第四系为冲洪积物。区内构造活动较少，与成矿有关的断裂构造主要有鹰嘴崖断裂，该断裂是控制北矿带的重要断裂，断裂南倾，倾角为70°左右。鹰嘴崖断裂挠曲带北侧所形成的北西西向槽状洼地控制十红滩铀矿床北带的主要地下水变异环境；另有褶皱构造位于十红滩铀矿床南带，以宽缓的背斜、向斜构造为主，代表性的有十红滩鼻状隆起，轴向为北北东，倾角为15°～25°，是控制十红滩铀矿床南带的主要构造。

2 沉积相分析

2.1 沉积微相类型与特征

吐哈盆地早-中侏罗世岩石地层组合为一套由冲积扇-辫状河-辫状河三角洲组成的潮湿煤系地层。中侏罗统西山窑期，在十红滩铀矿床北带地区，物源主要来自南部觉罗塔格山，进入艾丁湖斜坡带，随着坡度减缓泥砂迅速沉积，在北带地区第二岩性段形成以含砾砂岩、粗砂岩和中砂岩为主的辫状河三角洲沉积体系，以圆状、次圆状为主，出现了背锥瘤孢（Anapiculatisporites）、松粉和苏铁粉等孢粉组合，反映了以三角洲平原、三角洲前缘河道砂体运移为特征的沉积体系［11-16］。

通过连井剖面、岩心观察和测井曲线特征等多种方法，结合区域沉积环境、沉积序列及其相互关系，研究区内可划分为4 类沉积微相——水下分流河道、分流间湾，局部地段为河口砂坝，偶见席状砂。

水下分流河道：具有正粒序特征，偶见反粒序［6］，以中粗砂岩为主，疏松，次棱角-次圆状，分选中等，向上逐渐变细过渡为中细砂岩，含砂率为40%～60%。上部细砂岩中见平行层理（图2，图3a）。底部具冲刷面，见FeS2结核，夹大量碳质透镜体，局部钙质胶结，见交错层理。视电阻率曲线呈钟形，常见多期河道冲刷叠加［17］。该沉积类型砂体是十红滩北带地区第二岩性段砂岩型铀矿找矿的重要目的层砂体。

图2 单孔辫状三角洲前缘沉积微相（据聂逢君等修改，2013［11］）Fig.2 Sedimentary microfacies of the front of delta by braided river for single well（modified from Nie et al.，2013［11］）

分流间湾：岩性主要为泥岩、粉砂岩，局部夹有薄层细砂岩、薄煤线，分布于分流间湾与河道边缘，与分流河道交替出现，泥岩见有水平层理，局部见波状层理（图3b），以块状为主，含砂率＜30%。

图3 西山窑组第二岩性段岩心沉积特征Fig.3 Sedimentary characteristics of core of second lithologic member of Xishanyao Formation

河口砂坝：也称为分流河口砂坝，位于水下分流河道的河口处，沉积速率最高，在沉积和簸选作用下泥质沉积易被带走，砂质沉积物保存下来，主要由分选好、质纯净的细砂岩组成［18］，具有中厚层特征。该微相主要发育层位为J2x2-1、J2x2-2和J2x2-3段中，岩性以中细砂岩为主，以反粒序沉积韵律为特征，上下多为泥岩层，局部叠置分流河道砂体［17］，单层砂体厚度在10～15 m 左右，含砂率在40% 以上（图2）。

前缘席状砂：通常与湖相沉积泥岩呈互层产出，在垂向上见多层薄层状细砂与泥岩互层。该沉积微相在研究区内时有出现，主要发育地段为中矿带八仙口地区。

2.2 沉积微相空间展布特征

十红滩铀矿床北带西山窑组第二岩性段以水下分流河道沉积为主，分流间湾和河口砂坝偶有发育，席状砂较少。

2.2.1单井相分析

研究区西山窑组第二岩性段以辫状河三角洲前缘沉积为主，该组分为5 个亚段，以发育水下分流河道、分流间湾为主，偶见河口砂坝，席状砂少有，砂体粒度和稳定性好。垂向上，西山窑组第二岩性段J2x2-1、J2x2-2和J2x2-3亚段呈反粒序的进积序列，J2x2-4和J2x2-5亚段在西部以正粒序的退积序列为主，东部部分地段表现为反粒序，为水下分流河道、河口砂坝沉积（图4）。

图4 十红滩北带119-15 孔第二岩性段沉积微相Fig.4 Sedimentary microfacies of the second lithologic member in Well 119-115

2.2.2剖面对比

整体上，J2x2以三角洲前缘沉积为主，自南向北西山窑组第二岩性段砂体厚度逐渐变小，粒度变细，粒度稳定；越过鹰嘴崖断裂向北，主要以中细砂岩为主，砂体变薄，泥岩增多。8 线以西砂体稳定性较差，砂体粒度、厚度在横向上稳定性差（图5、6）。

图6 十红滩铀矿床北带第二岩性段南东向剖面沉积断面图Fig.6 SE ward sedimentary section of the second lithology member in the northern belt of Shihongtan uranium deposit

J2x2-1为水下分流河道沉积，含砾粗砂岩向上变细；J2x2-2为中粗砂岩沉积的水下分流河道，向上逐渐变细，向北为废弃水下分流河道沉积，表现为底部砾岩、含砾粗砂岩，上部为煤层，与下部呈垂向沉积接触［17］；J2x2-3为水下分流河道沉积；J2x2-4表现为多期叠加的水下分流河道沉积；J2x2-5主要以含薄煤层和中粗砂岩薄层的水下分流河道沉积为主。整体来看，砂体向北逐渐变薄并分叉，下部地层由南部的水下分流河道沉积演变为河口砂坝沉积。

2.2.3沉积微相平面特征

根据单井、连井剖面对比，分别绘制了西山窑组第二岩性段含矿层段五亚段、四亚段沉积微相平面分布图，其沉积微相分布特征如下：五亚段、四亚段沉积时期，具有相似的物源特征及沉积微相分布，物源自南西、南东分别向北东、北西供应，沉积微相以辫状河三角洲前缘水下分流河道为主，局部见有间湾，在23、47、95 勘探线出现河口砂坝沉积，砂体厚度稳定，在12～20 m 左右，含砂率多为50%～60%，并在研究区内形成一条北西西向延伸的条带（图7、8）。二亚段沉积时期，物源来自南西，受钻孔资料限制，只划分至亚相，即三角洲平原、三角洲前缘和前三角洲。

图7 十红滩铀矿床北带第二岩性段五亚段沉积相平面图Fig.7 Sedimentary facie of the fifth sub-member of the second member in the northern belt of Shihongtan uranium deposit

受到鹰嘴崖断裂影响，沉积相以断裂为界，断裂构造对含矿地下水具有控制作用，是区内主要的导矿构造，层间氧化带前锋线与鹰嘴崖断裂带近平行分布。断裂带附近钻孔中地层错位、缺失，地层的断距大；瞬变电磁剖面表现为视电阻率值突变带。据地表地质调查发现该构造带为一逆冲变形带，变形带两侧的地层倾向相反，北盘比南盘地层产状陡，该断裂带地层变形形态与相同走向上盆缘基底逆冲构造地层变形形态一致，据此推测鹰嘴崖断裂性质为压扭性，但后期因应力松弛张裂发育。其对成矿的控制作用表现在：

1）挤压作用阶段，造成含矿目的层及已成层间氧化带的局部褶皱变形，随后断褶带顶部含矿目的层被风化剥蚀，形成地下水的补给区（构造窗）；

图8 十红滩铀矿床北带第二岩性段四亚段沉积相平面图Fig.8 Sedimentary facie of the forth sub-member of the second member in the northern belt of Shihongtan uranium deposit

2）张性松弛阶段，沿断裂带形成的次级裂隙带，构成了地下水向下渗入补给的通道，铀矿化叠加富集，形成厚富矿体。

因此，鹰嘴崖断裂在十红滩铀矿床形成过程中发挥了双重作用，形成了与鹰嘴崖断裂近于平行的层间氧化带及铀矿带。沿断裂带找矿应引起高度重视。

3 沉积相与铀矿化关系探讨

典型层间氧化带砂岩型铀矿床的形成要具备一定的地质条件，其中一定厚度规模的、可渗透的、富含有机质的赋矿载体（砂体）是必备条件之一，同时要求渗透性良好的砂体上下必须存在隔水层。十红滩铀矿床中下侏罗统西山窑组具有较大规模的砂体，且砂体层数多，主要为陆相辫状河、辫状河三角洲环境，含矿层位为J2x1、J2x2、J2x3三个岩性段，各含矿砂体间隔水层发育，以泥岩为主，受沉积环境的影响，从西至东分布具有不均匀性，因此砂体和沉积相对层间氧化带砂岩型铀矿具有不同的控制作用［4］。

3.1 沉积微相对层间氧化带的控制

不同层位的沉积微相形成厚度、形态、结构各不相同的砂体，层间氧化带的发育程度也有一定的差异。经过多年的勘查研究发现，典型层间氧化带砂岩型铀矿床的形成要有空间连通性好、厚度适中（10～40 m）的砂体，砂体具有较好的透水性，同时富含有机质，利于含铀含氧水的渗入改造。不同的沉积微相，可容空间增长的速率不同，形成的砂体结构与侧向连通性不一，经典的层序地层理论认为，低增长可容空间期的砂体连通性好，相反高可容空间期形成砂体呈孤立状。艾丁湖斜坡带上有利成矿的砂体层位为J2x1、J2x2、J2x3河流相辫状河道砂体、辫状三角洲前缘水下分流河道和河口坝砂体。艾丁湖斜坡带十红滩铀矿床的主要产矿层位即为上述层位，该层位砂体发育，间氧化带普遍发育。

沉积微相对层间氧化带的控制表现在不同沉积微相分布区控制了层间氧化带的发育区，辫状河三角洲中层间氧化带X2-1、X2-2、X2-3、X2-4、X2-5主要发育在16～127 线，因为这些地区辫状前缘水下分流河道砂体发育，且由于砂体形态多变，层间氧化带前锋线复杂。

沉积微相对层间氧化带的另一控制主要体现在在主要的水下分流河道区，层间氧化带沿河道氧化距离较远。因为主水下分流河道相比于次级河道，具有沉积物粒度粗，渗透性好，利于地下水循环的特点。

3.2 水下分流河道砂体对铀矿体的控制

吐哈盆地十红滩铀矿床北带成矿砂体主要为辫状河三角洲砂体，通过对该地段主成矿砂体沉积单元研究可知，铀矿体绝大多数分布在水下分流河道砂体之中（图9、10），矿体处于水下分流河道与间湾的砂体和沉积微相变异部位。由于河道底部、微相变化部位岩性变化复杂、有机质丰富、地下水流速易发生变化，从而导致铀矿化集中在这些部位。美国怀俄明盆地群中某些砂岩铀矿富集也具有类似的特征。区域上，沉积单元对铀矿体的控制作用表现在矿化往往位于主河道边缘区，且与构造关系密切。

3.3 砂体中的泥质及不同岩性界面对铀矿化的影响

通过对十红滩铀矿床北带第二岩性段地层、岩性组合研究，发现大部分铀矿化位于某两种岩性界面附近（图9、10），特别是厚度较大的砂体中，砂岩顶底板、钙质夹层、泥质条带或岩性发生变化的界面易富集铀矿化。主要原因是泥质条带之中富含炭屑、黄铁矿等有机质，对铀具有强烈的吸附、还原作用。

图9 十红滩铀矿床北带第二岩性段四亚段沉积相、氧化流体和铀矿体空间分布关系Fig.9 Spatial relationship of the sedimentary facies and oxidation fluid to uranium ore body in the fourth sub-member of the second lithology member in the northern belt of Shihongtan uranium deposit

3.4 砂体的物性变化对矿体厚度、宽度与富集程度的影响

十红滩铀矿床北带第二岩性段各亚段砂体连通性较好，由于分流河道变异迁移，砂体在垂向上表现出泥质夹层较多，砂体在平面上表现为河道及间湾之间粒度的变化，从而影响矿体的富集程度及储矿空间。从地下含铀含氧水的运移方向及层间氧化带的平面分布来看，分流河道与间湾的变化部位是矿带的集中地段，由于砂体粒度、厚度以及泥质夹层的变化，影响了氧化流体的运移速度和方向，矿体分布位置发生变化。

目前在鹰嘴崖断裂北侧第二岩性段已发现较具规模的铀矿带，矿带长2.5 km 以上，矿体连续性较好。首先，鹰嘴崖断裂对铀矿化的控制作用主要表现为一方面是局部排泄源，另一方面使深部层位中的含氧含铀水通过断裂加速进入含矿目的层，在断裂附近有机质增多的地方使矿化富集沉淀，这种持续不断的补给和推进，使矿体最终被定位于断裂北侧一定距离范围内；其次，该地段主要处于辫状河三角洲平原至三角洲前缘过渡部位，砂体厚度较大，粒度相对较粗，以粗砂岩、含砾粗砂岩为主，砂体中含有大量炭屑、黄铁矿结核等有机质，对矿化具有富集沉淀的作用；第三，目的层铀源主要来源于觉罗塔格山，铀背景值较高，且已发生淋滤改造，是第二岩性段主要的含矿物质来源。综上所述，西山窑组第二岩性段在鹰嘴崖断裂北侧具有较好的找矿空间，据前人研究成果，沿断裂200～400 m 范围内矿化最集中，具有较好的找矿前景，是西山窑组第二岩性段下一步找矿的主要方向和地段。