喀什凹陷巴什布拉克地区下白垩统克孜勒苏群一段沉积特征与铀成矿关系探讨

2022-11-21李炳谦张明正王守玉鲁克改杨小强唐运涛

铀矿地质 2022年6期

李炳谦，张明正，王守玉，鲁克改，杨小强，唐运涛

（核工业二一六大队，新疆乌鲁木齐 830011）

喀什凹陷位于新疆塔里木盆地西北缘，是我国西部重要的含铀区［1-3］。20 世纪50 年代以来，核工业系统在区内落实1 个铀矿床及一系列铀异常点。随着勘查工作不断提高，除在西部落实了巴什布拉克铀矿床外，在东部也发现了一批有价值的铀矿找矿线索。

长期以来，众多学者通过地表露头观察、钻井编录等方法，对克孜勒苏群的沉积特征做了大量研究，取得了较多认识。喀什凹陷西部的克孜勒苏群在南天山山前一带为冲积扇-扇三角洲-辫状河三角洲沉积［4-5］；而对于巴什布拉克地区，众多学者的研究精力主要放在了矿床的成因［6-8］、矿床物质成分［3，9］等方面，针对该地区赋矿层克孜勒苏群一段（简称“克一段”）的沉积相类型、空间分布特征及控矿要素鲜有研究。笔者在区内百余口钻井及10 条野外实测剖面研究的基础上，通过钻孔-剖面-沉积特征相结合，综合沉积相类型及其分布特征，研究克一段沉积特征与铀成矿的关系，可丰富研究区铀成矿机理，为今后工作提供借鉴。

1 地质概况

1.1 构造特征

从现今的构造特征来看，巴什布拉克地区位于塔里木盆地西北部的喀什凹陷北部及南天山部分地区，受塔里木地块、南天山和西昆仑造山带的影响与制约。经历了早二叠世-晚三叠世的抬升、晚三叠世-中侏罗世沉降形成凹陷、晚侏罗世的南北对冲、白垩纪-古近纪的沉降与海侵、新近纪南北挤压上隆5 个阶段，区域上构造活动强烈，构造样式复杂，东西向褶皱与断裂发育［1，6］。

1.2 地层特征

喀什凹陷巴什布拉克地区的基底为长城系阿克苏岩群（ChA），主要由结晶片岩、大理岩及石英岩组成（图1）；盖层由中生界和新生界组成，研究区整体为南倾的单斜带，主要为陆相粗碎屑岩建造夹海相碳酸盐岩和膏泥岩。区内赋铀层位主要为白垩系及侏罗系，但目前以巴什布拉克地区下白垩统克孜勒苏群内发现的铀矿化品位最高、规模最大。

图1 塔里木盆地喀什凹陷巴什布拉克地区地质图Fig.1 Geological map of Bashbulak area，Kashgar sag，Tarim Basin

克孜勒苏群分布在南天山山前一带，与长城系角度不整合接触，底部为一套红色与灰色相间的地层。根据岩石特征，自下而上可分为5 个岩性段，克一段为褐红色、灰色泥岩，灰色、褐红色中粗砂岩、砾岩夹泥岩粉砂岩，底部可见石油及沥青；克二段为褐红色中粗砂岩夹薄层泥岩；克三段为灰色中砂岩夹薄层泥岩；克四段底部为灰色中粗砂岩、砂砾岩，顶部为褐红色泥岩；克五段底部为灰白色石英砾岩，顶部为褐红色泥岩。目前克一段是区内的含矿层位，也是此次研究的目的层，根据岩石学特征可将克一段分为4 个亚段（图2）。

图2 巴什布拉克地区下白垩统克孜勒苏群综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Lower Cretaceous Kizilsu Group in Bashbulak area

白垩系顶部的英吉莎群（K2yn）为浅海、泻湖相沉积，岩性主要为碳酸盐岩及膏泥岩，古近系、新近系沿南天山山前呈带状展布，总厚度大于10 000 m；底部古近系为一套浅海、泻湖相沉积，主要为紫红色泥岩、灰色灰岩和灰白色膏泥岩；新近系为一套陆相碎屑岩建造，属冲积扇-辫状河相沉积。

1.3 目的层特征

克孜勒苏群厚度可达1 000 m，倾向南西，新生代以来的构造运动使目的层发生掀斜，倾角一般为37°，为一套炎热气候条件下红色灰色相间的杂色粗碎屑岩建造。自下至上粒度变细，砂岩比例减少，泥岩厚度增多，反映了喀什凹陷晚白垩世海侵的过程。

克一段沉积时期南天山山前一带构造活动频繁，有利于含氧水的渗入和铀元素的活化迁移［10］。目的层内砾石主要为硅质岩、片岩等，砾径为1～4 cm，磨圆呈次圆状-次棱角状，说明物源主要来自于北部基底变质岩，而变质岩Th/U 值为6.54，铀浸出率达30.12%［11］，表明铀元素有明显的活化迁移现象。因此北部基底变质岩不但为目的层提供物源，还在后期风化剥蚀和水动力作用过程中为目的层提供铀源。此外，目的层平均铀含量为4.16×10-6，远高于地壳平均值（2.70×10-6［12］）。因此，蚀源区中的活性铀，与目的层本身较高的铀含量，均可为铀成矿提供丰富的铀源。

根据薄片鉴定结果，克一段早期沉积（第一、第二及部分第三亚段）砂岩为A、B 两种类型（图3），晚期沉积（部分第三亚段及其之后的沉积）为中酸性岩浆岩提供碎屑形成的A 型砂岩。

图3 巴什布拉克地区下白垩统克孜勒苏群三角图解（底图据文献［13］修改）Fig.3 Triangular diagram of Lower Cretaceous Kezilesu Group in Bashbulak area（base map modified after reference［13］）

A 型砂岩为长石砂岩或岩屑长石砂岩，岩石内石英最多（53%～58%），主要为单晶石英，颗粒磨圆呈次圆状-次棱角状，长石含量次之（为钾长石、斜长石），岩屑少量（10%～17%），主要成分为凝灰岩、霏细岩、玄武岩、泥岩、泥质板岩、黑云母等，表明A型砂岩母岩为岩性丰富的中酸性岩浆岩。

B 型砂岩为岩屑砂岩，颗粒磨圆呈次圆状-次棱角状，石英占25%～45%，为单晶石英及多晶石英，结构成熟度较低，几乎不含长石，岩屑成分有千枚岩、变质石英粉砂岩、变质石英细砂岩、粉砂岩、泥质板岩、泥岩等，表明B 型砂岩搬运距离较短，母岩为沉积岩、变质岩。

早期沉积时，目的层由两种类型的母岩提供碎屑物源，晚期沉积仅由中酸性岩浆岩提供碎屑，在相同的外界铀源供给条件下，中酸性岩浆岩的提供铀源能力要优于变质岩或沉积岩［14-15］，因此晚期母岩为中酸性岩浆岩形成的碎屑岩提供铀能力更强。

从地球化学的角度分析两个源区发现（表1），虽然两类岩石的灰色岩石铀元素均有富集，但A 型砂岩的灰色Th/U 值更低，氧化岩石的Th/U 值更高，表明A 型砂岩灰色碎屑岩富铀能力更强、氧化岩石的铀迁移能力更强，因此A型砂岩更有利于铀的富集。

表1 巴什布拉克地区克一段两类砂岩地球化学环境对比表Table 1 Geochemical parameters of the two types of sandstones in the first part of Kizilsu Group,Bashibulake area

2 克一段沉积特征

根据研究区岩性露头组合、测井曲线及砂体厚度等沉积相划分标志，认为区内克一段为辫状河三角洲沉积，具典型下细上粗的特征［16-17］，识别出3 类亚相7 类微相。

2.1 辫状河三角洲平原

辫状河道（DC），发育在第四亚段，岩性较粗（图4a），主要为浅黄色、浅红色的砾岩、砂砾岩、粗砂岩等，由底至顶依次发育块状砾岩-板状交错层理砂岩-块状砂岩岩相组合，厚约5～8 m，底部可见冲刷构造（图5a），砾石具有定向排列的特点，由底至顶砾石逐渐变小变少，反映水体能量逐渐减小，砂岩发育板状交错层理，视电阻率曲线呈振荡组合型-块状组合型，在连井剖面图中，仅在ZK03 见有少量铀矿化（图6）。

冲积平原（FP），主要岩性为褐红色泥岩及薄层细砂岩，发育平行层理砂岩-水平层理泥岩岩相组合，厚1 m 左右，在区内呈透镜体分布，细砂岩内发育平行层理，视电阻率曲线多呈互层组合型。顶部褐红色泥岩内可见泥裂及灰白色碳酸盐薄层（图5b），指示数次炎热条件下的沉积间断，局部未见泥岩沉积，表现为含褐红色泥砾的砂岩（图5c），泥砾多为次圆状-次棱角状，为冲积平原上河流冲毁堤岸的泥质垮塌原地堆积或短距离搬运所致。

2.2 辫状河三角洲前缘

水下分流河道（SDC），主要分布在第三亚段，属辫状河道入水后的水下延伸部分，其沉积特征类似于辫状河道砂体，沉积物粒度较粗，岩性变化较大，主要为砾岩、砂砾岩以及中-粗砂岩，垂向上呈向上变细的正粒序层，多发育板状（图5d）、槽状交错层理（图5e），横向上较为连续，固结程度不高，有利于含铀含氧流体的运移。由底至顶依次发育块状砾岩-板状交错层理砂砾岩-槽状交错层理砂岩-板状交错层理砂岩-块状砂岩岩相组合，自下而上水动力逐渐减弱，视电阻率曲线呈互层组合型-振荡组合型-块状组合型（图4b），是铀矿化的主要赋存场所，由于岩性岩相横向的不均一，使矿体横向上连续性较差（图6）。

图4 巴什布拉克地区克一段典型沉积相柱状图Fig.4 Typical sedimentary facies of the first part of Kizilsu Group in Bashbulak area

图5 巴什布拉克地区克一段辫状河三角洲露头沉积特征Fig.5 Characteristics of outcrop braided river delta of the first part of Kizilsu Group in Bashibulak area

图6 巴什布拉克地区克一段横向沉积相连井剖面图Fig.6 The horizontal well-profile of sedimentary facies of the first part of Kizilsu Group in Bashbulak area

分流间湾（IDB），分布在第三亚段，是水下分流河道之间的较细粒的沉积物质，沉积于水动力条件较弱的环境中。该类沉积物颜色较深，还原性较强，岩性较细小，多为泥岩，在横剖面的ZK02孔中见铀矿体，多发育水平层理（图5f），以水平层理泥岩相为主，局部见少量细砂岩，视电阻率多呈块状组合型。

河口沙坝（MB），分布在第二、第三亚段，位于水下分流河道的末端，岩性为中-细砂岩，几乎不含泥质沉积，多具反粒序的沉积特征，发育波状层理（图5g）及平行层理。砂岩内发育褐铁矿化（图5h），但仍可见黄铁矿立方体晶形，因此判断砂体原生沉积时不乏还原性及吸附性，有利于铀元素的富集。砂体单层厚约4 m，碎屑分选性好，磨圆呈次圆状，视电阻率曲线多呈振荡组合型。

远砂坝（DSB），为辫状河三角洲前缘的末端沉积，主要由细砂岩及粉砂岩构成，横向上分布范围较广，但在垂向上沉积厚度较薄，形成于水动力条件较弱的沉积环境，多与前三角洲的泥质沉积互层（图6），岩相组合多为平行层理砂岩（图5i）。

2.3 前三角洲

前三角洲（PRD），分布在克一段底部第一亚段。主要由泥岩、粉砂岩构成，主要发育块状泥岩岩相（图4c），常与远砂坝交织在一起（图6）。

3 沉积相与铀成矿关系

3.1 砂体特征

在宏观上借鉴单因素分析多因素制图的思路［18-19］，笔者整理了研究区内百余口钻井资料，结合野外露头、沉积特征等信息，绘制了克一段单因素等值线图（图7a、b、c）。

克一段砾岩厚度整体北厚南薄，东厚西薄，与含砾率、含砂率分布规律相似，砾岩层厚度一般为15～50 m，含砾率为0.2～0.4，含砂率为0.92～0.96。在平面上砾岩层的厚度具厚薄相间的特点，与辫状河三角洲沉积中的河道频繁分叉、改道相吻合。砾岩较厚或含砂率较高的部位，往往为河道的中心，结合野外古水流测量显示古水流的优势方向为170°～200°，最终得出克一段沉积相图（图7d）。铀矿体的空间展布受控于河道沉积的制约，铀矿体主要分布在砾岩厚20～30 m、含砾率为0.2～0.3、含砂率为0.94～0.96 的部位。该类砂体既有适合铀成矿的孔隙度，又有一定的还原物质，尤其是沿倾向砂体特征发生变化时，含铀含氧水的流速发生改变，水岩作用时间增强，更有利于铀的沉淀富集。这就表现在，辫状河道砂体多呈氧化色调，且多处于氧化带，虽在ZK03 中发育铀矿化，但总的来说含矿性较差，而水下分流河道砂体为岩性组合有利的灰色砂体，与分流间湾中的泥岩共同构成还原剂并吸附铀元素，更有利于铀富集成矿。

图7 塔里木盆地喀什凹陷巴什布拉克地区克一段单因素等值线图及沉积相图Fig.7 Single factor contour and sedimrntary facies map of the first part of Kizilsu Group in Bashbulak area

3.2 铀矿化特征

巴什布拉克地区的铀矿化属复成因类型，矿体呈板状、透镜状，有时呈不规则状，矿体平均厚度为1.2 m，平均品位为0.12%。单矿体形态为层状、板状，平面及剖面上由十几个至几十个矿（化）体组成矿化带，矿床中段矿化带沿倾向最大延伸长度超过1 000 m。目前在研究区发现的矿体位于克一段第三、第四亚段含沥青的灰色砾岩内（图8），少量为中粗砂岩，定位于灰色粗碎屑岩遭受后期氧化作用形成的氧化还原过渡带中。含矿岩石内沥青含量与铀含量呈正相关。含矿砂岩主要为长石砂岩、岩屑长石砂岩，见星点状、团块状黄铁矿。砾石主要为石英片岩、云母片岩及少量硅质岩，见晚期黑色沥青。铀矿物分布在黄铁矿内部及其周边。分析结果显示［20］，铀成矿年龄为144～137 Ma、76 Ma、38 Ma、17～8.38 Ma、2.5 Ma，表明该地区铀成矿具多阶段性。

图8 巴什布拉克地区统克一段沥青与铀矿化分布关系示意图Fig.8 Map showing the relationship between asphalt and uranium mineralization of the first part of Kizilsu Group in Bashbulak area

此外，克一段内砂体整体虽较连通，但由于多期次河道的摆动，导致横向上砾岩、砂岩变化较大，河道内部仍出现以水下分流河道砂体沉积为主的细粒沉积，这就导致不同层位的砂体内含矿流体运移的速度不同，导致含铀含氧水的分布不均一，导致后生改造（氧化、吸附）能力的不均一，加上还原剂及吸附剂的多寡，最终导致矿体的多层性。

3.3 铀成矿模式

目前关于克一段的铀矿化成因尚无统一认识，笔者结合克孜勒苏群中的铀矿化期次及油气充注时间，认为克一段的铀矿化形成主要经历3 个阶段。

预富集阶段：晚侏罗世—早白垩世，热带湿润炎热，植物繁茂，南天山褶皱带北部蚀源区岩石风化作用强烈。随着南天山一带的抬升，喀什凹陷北侧古老变质岩群暴露地表接受剥蚀，这些岩石经物理和化学变化后，水样作用将含有大量富铀的变质碎屑搬运出来，于南天山山前一带沉积了较厚的以砾岩、粗砂岩为主的粗碎屑岩，其中含有大量还原物质使铀元素预富集（图9a）。

潜水氧化阶段：早白垩世早期，气候异常炎热，冲积平原内泥岩内可见泥裂，裂隙中可见碳酸盐充填（图5b），代表地表暴露事件，并伴有沉积间断，强烈的氧化作用使得流经长城系的流体铀含量激增，水的淋滤作用增强，在强烈的蒸发作用下，大量铀元素进入地下水，优先进入孔隙度大的河道沉积。目的层粗碎屑岩中的黄铁矿以及分流间湾中的细粒沉积物共同构成有的还原剂及吸附剂，随着流体中的氧逐渐消耗，地球化学性质的改变，目的层岩石颜色由强氧化带的褐红色变为弱氧化带的褐黄色，直至深部岩石不再氧化，仍保留为灰色（图9b），从而在垂向上构成一个潜水氧化带（图10），铀元素于过渡带逐渐富集并形成铀矿体。其中第四亚段为氧化带-弱氧化带，岩石呈褐红色、浅红色、少量浅黄色，其底部见少量铀矿化；第三亚段顶部为氧化还原过渡带，岩石呈灰色，是铀矿化的主要赋存空间；第三亚段底部及其以深属原生带。在水岩作用的过程中，粒度粗、孔隙度大、渗透性好的河道沉积部位易形成铀矿化。根据U-Pb 同位素测年显示［20］，这一阶段由144 Ma 开始，于137 Ma 结束，且为主成矿期，晚白垩世区内海侵，铀源缺失，铀成矿作用也近乎停止。

图9 巴什布拉克地区克一段铀成矿模式图Fig.9 Metallogenic modec map of uranium mineralization in the first part of Kizilsu Group of Bashbulake area

图10 巴什布拉克地区克一段PM05 综合柱状图Fig.10 Comprehensive columnar diagram of PM05 of the first part of Kizilsu Group in Bashbulak area

再分配阶段：始新世以来［21-22］，目的层在南北挤压的作用下掀斜，来自南天山的含铀含氧水继续向目的层深部迁移，与此同时，油气沿着不整合面上侵至目的层中孔隙度大、渗透性好的河道沉积中，残留大量沥青，大大增强了目的层砂体的还原性及吸附性。同时，目的层上部海相地层与底部基底变质岩构成稳定隔水层，在目的层内形成一个隔水层-透水层-隔水层体系。早期形成的铀矿化便二次分配继续向深部运移，沥青含量少的或不含沥青的矿体中的铀随着含氧水继续向深部还原性好、吸附性强、含沥青的粗碎屑岩处富集成矿（图9c），从而表现出高品位铀矿体主要分布在沥青内，低品位铀矿体与沥青无关（图8）。因此，砂体内沥青的非均质性，是铀矿体富集的关键。

4 铀成矿有利区探讨

4.1 河道沉积是今后找矿的主力空间

根据研究区沉积环境认为研究区南部仍存在河道，目前控制的矿体主要分布在巴什布拉克矿床中部，但区内南部钻井较为稀疏，虽有铀矿体，但矿体并不连续，因此矿床南部及东西两侧，仍有较大的找矿空间。同时地表样品严重偏镭［23］，地表延伸至30 m 范围内，放射性平衡系数＞1.2，罕有工业矿体，随着深度的增大，放射性平衡逐渐偏于平衡，深部存在铀矿体变大变富的可能。