松遼盆地Q區(qū)砂巖型鈾礦床典型特征與鈾成礦關(guān)系

王 勇，施澤進(jìn)，張成江，陳克勇

（1.成都理工大學(xué) 地球化學(xué)系，成都610059；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），成都610059）

砂巖型鈾礦最早發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)50年代[1]，經(jīng)過幾十年的勘探研究，在成礦控制因素[1－3]、鈾礦的地球化學(xué)特征[4－8]、成礦模型[9]、鈾礦的勘探方法[10]及資源潛力評價[11]等方面取得了豐碩的成果。尤其是20世紀(jì)60年代，美國和蘇聯(lián)等國家對其開展了大規(guī)模的勘探和開發(fā)[12]。現(xiàn)在砂巖型鈾礦床已經(jīng)成為澳大利亞及美國等產(chǎn)鈾大國的主要礦床類型[13]。

中國砂巖型鈾礦的勘探開發(fā)起步較晚，大規(guī)模的勘查和開發(fā)始于20世紀(jì)90年代。在“主攻可地浸砂巖型鈾礦與積極探索其他經(jīng)濟(jì)型鈾礦相結(jié)合”[14]的思想指導(dǎo)下，在新疆伊犁盆地[15]、鄂爾多斯盆地[8，16]、二連盆地[17]及松遼盆地[18，19]等沉積盆地中，砂巖型鈾礦找礦取得了一系列的重大突破。近些年諸多地礦學(xué)術(shù)研討會（如2009年中國核學(xué)會學(xué)術(shù)年會及2010年全國成礦理論與深部找礦新方法及勘查開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)交流研討會）均將砂巖型鈾礦作為會議的主要議題加以討論，體現(xiàn)了砂巖型鈾礦的勘探開發(fā)在中國逐漸受到重視及其在能源保障和國防事業(yè)中的戰(zhàn)略地位不斷得到加強(qiáng)。

松遼盆地中的砂巖型鈾礦是在進(jìn)行石油勘查過程中發(fā)現(xiàn)的可地浸砂巖型鈾礦。目前在松遼盆地Q區(qū)已經(jīng)建立了一個中等規(guī)模的地浸砂巖型鈾礦開采基地。其主要含礦層是侏羅系的辮狀河沉積地層，尤其是姚家組具有非常優(yōu)越的成礦條件。盡管在松遼盆地的多個地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了較明顯的鈾異常[20－22]，但近些年來一直未能取得突破。本文通過對松遼盆地Q區(qū)典型鈾礦床的解剖，分析其典型特征與成礦關(guān)系，以期能對松遼盆地其他地區(qū)的砂巖型鈾礦勘探有所裨益。

1 Q區(qū)砂巖型鈾礦床典型特征

砂巖型鈾礦是一種賦存于沉積盆地中的礦床，它一般由含氧含鈾的地下水在砂巖中運移至氧化帶邊緣，以還原作用、吸附作用等方式沉淀富集而形成的礦體，所以它是一種典型的后生礦床。通過對其典型特征的分析，可以幫助我們更好地認(rèn)識和理解松遼盆地Q區(qū)鈾礦床的形成機(jī)理。

1.1 礦床賦存巖性

通過巖心觀察、測井資料及伽馬槍測試等分析，研究區(qū)的鈾礦床有一個非常顯著的特征，即鈾礦床幾乎不在紅色或黃色砂巖中出現(xiàn)，有鈾礦富集的地方無一例外地都在灰色砂巖中（圖1）。在以大套紅色砂巖為主（紅色砂巖層厚度＞70%）的地層中，很少出現(xiàn)礦化現(xiàn)象；在以灰色砂巖為主的地層中，即使在已經(jīng)有礦的地層中，如果出現(xiàn)紅色砂巖，則鈾礦化現(xiàn)象馬上消失（圖1）。

對Q區(qū)姚家組24口生產(chǎn)井和19口非生產(chǎn)井的統(tǒng)計表明，生產(chǎn)井中紅色（氧化）砂的比例絕大多數(shù)＜40%，紅色砂＜20%的井占到了總井?dāng)?shù)的60%以上；但若是大套大面積的灰色砂巖中，也不容易出現(xiàn)礦化現(xiàn)象。

圖1 研究區(qū)典型礦化井鈾礦化與砂巖顏色關(guān)系Fig.1 The relation between the color of sandstone and the uranium mineralization in study area（Q2－02井）

事實上，Q區(qū)姚家組鈾礦為典型層間氧化帶砂巖型鈾礦床，而層間氧化帶鈾礦床是沉積巖形成的含礦層系經(jīng)過含氧（鈾）地下水的改造，鈾遷移并沉積形成的。鈾礦床一般位于氧化帶蝕變砂體中的富含有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦和烴類、硫化氫（氣、液）等的氧化還原過渡帶上。在氧化環(huán)境中，鈾通常以[UO2]2＋和[UO2（OH）]＋形式溶解于流體中，難以沉淀保留；只有在還原環(huán)境（灰色砂巖）中，鈾元素才能以[UO2]的形式沉淀保留下來。因此氧化帶砂巖型鈾礦床具有獨特的地球化學(xué)分帶性。

6價鈾的強(qiáng)遷移性和4價鈾的弱遷移性促使鈾具有在氧化環(huán)境中分散，在還原環(huán)境（灰色砂巖）中沉淀，并在氧化－還原界面附近的還原環(huán)境中富集的地球化學(xué)特點。這一特點決定了鈾礦形成的基本要求，即必須在氧化－還原過渡帶中才能富集，因此氧化－還原帶的確定對砂巖型鈾礦的勘探來說是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。

1.2 成礦地層結(jié)構(gòu)

Q區(qū)成礦層具有很好的泥－砂－泥結(jié)構(gòu)。無論是在對中國的伊犁盆地、吐哈盆地、鄂爾多斯盆地還是對烏茲別克斯坦、俄羅斯等國外的氧化帶砂巖型鈾礦的勘探研究過程中，都特別強(qiáng)調(diào)了隔水層（泥巖層）的重要性[23－25]。上下隔水層的存在，能使特定性質(zhì)的流體在一定的范圍內(nèi)穩(wěn)定地流動，不至于擴(kuò)散到其他地層中，這樣持續(xù)穩(wěn)定的流體性質(zhì)有利于鈾礦不斷富集，在適當(dāng)?shù)奈恢萌菀仔纬删哂泄I(yè)價值的鈾礦。

通過Q區(qū)井間隔水層對比（圖2）可以發(fā)現(xiàn)姚家組發(fā)育了為數(shù)眾多的泥質(zhì)隔水層，尤其是姚家組頂部、中部和底部各發(fā)育了幾套較厚且連續(xù)性很好的隔水層，形成了幾套穩(wěn)定的流體流動單元。在這幾套流體流動單元中，也存在一些由相對較薄的、連續(xù)性稍差的隔水層組成的小的流體流動單元。

53口井的統(tǒng)計表明，研究區(qū)姚家組頂部隔水層厚度在1.76～17.7m之間，平均為7.3m，是一套非常穩(wěn)定的泥巖層；中部隔水層厚0.35～10.1m，平均為5.0m，也是非常穩(wěn)定的泥巖層；底部隔水層厚0.35～7.7m，平均為3.9m，局部變薄，穩(wěn)定性比頂部和中部的隔水層稍差。由礦體與隔水層的距離散點圖可以看出，礦體距離上下隔水層的距離從零到十幾米不等，大多數(shù)在0～6m（圖3），表明隔水層對礦體的縱向位置有一定的控制作用，即礦體多分布在隔水層的附近。

1.3 薄層泥巖或碳質(zhì)的影響

圖2 隔水層井間對比（近南北向）Fig.2 Correlation of the aquifuges between wells（Nearly North－South）

圖3 礦體與隔水層位置關(guān)系圖Fig.3 The relation between orebody and aquifuge

通過巖心觀察及測井分析，隔水層對礦體在縱向上的分布有一定的控制作用，礦體在流體流動單元中的橫向位置似乎更多地取決于對鈾礦吸附性較強(qiáng)的物質(zhì)的空間位置，Q區(qū)的吸附物質(zhì)主要有泥質(zhì)（尤其是深色泥質(zhì)）和碳質(zhì)兩類，在測井上或現(xiàn)場經(jīng)常能見到以碳質(zhì)層（圖4－A）或薄層深色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥礫巖（圖4－A，B，C）等泥質(zhì)含量較高的巖石為中心的高放射性異常區(qū)，有的甚至以泥質(zhì)層直接作為含礦層（圖4－D）。鈾元素在適當(dāng)?shù)奈恢贸恋硐聛硪院?，作為吸附質(zhì)要被吸附劑所吸附，由于泥質(zhì)（碳質(zhì)）的吸附性遠(yuǎn)大于砂巖，所以在薄層富泥（或碳質(zhì)）砂巖中比在較純的砂巖中更容易富集成礦。

用這種吸附作用及相伴生的擴(kuò)散作用就可以解釋鈾礦化在縱橫向上強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。在縱向上通常表現(xiàn)為鈾礦層以某種含泥質(zhì)砂巖或泥巖為中心形成礦層，但在向上或向下一定距離后迅速消失，幾乎不出現(xiàn)過渡帶，U測井曲線表現(xiàn)為尖銳的峰狀或指狀突起（圖4）。在橫向上同樣存在在一定范圍內(nèi)富集、向周圍迅速消失的現(xiàn)象。例如Q2a井與Q2ax井的水平距離不足8m，但兩者的含礦情況卻相差很大。Q2a井在380～400 m處有很好的礦顯示（圖5－A），在采礦過程中該井發(fā)生了事故，因此在其東不足8m的地方重新布置鉆井Q2ax準(zhǔn)備開采，但Q2ax完鉆后卻幾乎沒有礦化顯示。在巖心觀察時，兩者的巖性差別不大（圖5），但在鏡下觀察的時候就會發(fā)現(xiàn)，Q2a井的巖石粒度比Q2ax井的更細(xì)一些，并且含有較多的泥質(zhì)和有機(jī)質(zhì)（圖6）。無論是縱向上還是橫向上，當(dāng)存在某一吸附性較強(qiáng)的巖體時，鈾元素會向該巖體移動并被吸附，吸附后造成孔隙溶液中鈾的濃度降低，形成一定濃度差（圖7）。擴(kuò)散作用會使得周圍巖石孔隙溶液中的鈾不斷地朝此方向擴(kuò)散并聚集在富含泥質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的巖層中。只有當(dāng)吸附性強(qiáng)的巖體吸附了足夠的鈾元素后這種擴(kuò)散才停下來，其他吸附性較弱的巖體才有機(jī)會吸附鈾元素，這就造成了鈾礦的貧富極化現(xiàn)象，即有礦的地方異常富集，沒有礦的地方異常貧乏。

1.4 成礦砂體厚度

對Q區(qū)29口含礦砂體統(tǒng)計結(jié)果表明（圖8），含礦砂體的厚度大多集中在5～20m。這可能與砂體厚度對含礦流體的流動狀態(tài)的影響有關(guān)。當(dāng)砂體較薄時，砂體中流體流動的連續(xù)性及持續(xù)性容易受到影響，不利于鈾源的持續(xù)補(bǔ)給；當(dāng)砂體太厚太純時，由于其具有較好的連通性和均質(zhì)性，流體流動較快，同時缺乏對鈾元素具有較強(qiáng)吸附能力的物質(zhì)，也不利于鈾元素的富集成礦。因此，只有當(dāng)砂體具有適當(dāng)?shù)暮穸葧r，既能保證砂體中流體的連續(xù)性及持續(xù)性又有利于鈾的富集成礦。

2 成礦控制因素分析

圖5 Q2a井與Q2ax井巖性柱狀對比圖Fig.5 Comparison between lithologic columns of Well Q2aand Well Q2ax

圖6 Q2ax井與Q2a井典型巖性顯微照片F(xiàn)ig.6 Typical lithologic micrographs of Well Q2ax and Well Q2a

圖7 鈾元素的擴(kuò)散作用示意圖Fig.7 Dispersion of uranium

圖8 單砂體厚度與鈾成礦關(guān)系圖Fig.8 The relation between the thickness of sandbody and the uranium metallogenesis

以上幾項特征是鈾礦床能在Q區(qū)形成的必然表現(xiàn)，也為我們在整個松遼盆地尋找類似的礦床指明了方向。

由于Q區(qū)砂巖型鈾礦床是典型的氧化帶型礦床，而對氧化帶型砂巖型鈾礦床來說，在這種代表了氧化環(huán)境的紅色砂巖中，鈾元素是以可溶的離子形式存在于流體中的，只有在代表了還原環(huán)境的灰色、灰黑色、灰白色砂巖中6價可溶的鈾元素才能還原為4價鈾沉淀并富集。但在還原環(huán)境中，若離氧化前鋒線距離太遠(yuǎn)，由氧化性流體帶來的鈾元素可能難以到達(dá)，就很難實現(xiàn)鈾元素的還原沉淀和富集作用。所以對松遼盆地的砂巖型鈾礦來說，氧化還原過渡帶是最有可能取得突破的地方。氧化還原帶對整個松遼盆地的砂巖型鈾礦具有絕對的控制作用。

而對于地層是否具有較好的泥－砂－泥結(jié)構(gòu)、砂層中是否有薄層富泥（或碳質(zhì)）且厚度合適的砂層，它們實際上都是受沉積微相控制的。

無論是Q區(qū)砂巖型鈾礦床的上、中、下3套比較穩(wěn)定的隔水層，還是地層中的多套連續(xù)性較差的小型隔水層，都主要由紫紅色泥巖組成。泥巖中水平層理發(fā)育，均為泛濫平原沉積物。具有薄層富泥（或碳質(zhì)）且厚度在5～20m的砂層往往出現(xiàn)在辮狀河沉積的河道充填微相中（圖9）。在砂質(zhì)辮狀河中，河床寬而淺，河道經(jīng)常遷移，所以對于辮狀河道來說，水動力條件也有一個由強(qiáng)變?nèi)醯淖兓^程。每一個辮狀河道單元均由一套正韻律砂層組成，底部為沖刷面，沖刷面之上為粒度較粗的砂礫巖、含礫砂巖，向上粒度則逐漸變細(xì)，可見粗砂、中砂、細(xì)砂交互出現(xiàn)，常見楔狀交錯層理。最上部則是主水道側(cè)向遷移后，水動力條件減弱而留下的泥質(zhì)粉砂巖、泥巖等細(xì)碎屑沉積物，這些細(xì)碎屑沉積物往往成為在還原環(huán)境中鈾元素的主要吸附體。

圖9 研究區(qū)Q18鉆孔姚家組綜合柱狀圖Fig.9 Comprehensive column of Yaojia Formation from Well Q18in study area

3 結(jié)論

a.松遼盆地Q區(qū)鈾礦床是典型的層間氧化帶型礦床。在氧化環(huán)境中，鈾元素溶解在溶液中不易沉淀富集，因此，在代表氧化環(huán)境的紅色砂巖中幾乎沒有礦化顯示，鈾元素只能在距離氧化前鋒線不遠(yuǎn)的還原環(huán)境（灰色砂巖）中富集成礦。

b.姚家組在沉積過程中形成了3套非常穩(wěn)定的泥質(zhì)隔水層，同時還存在一些小型的連續(xù)性較差的隔水層，形成了非常好的泥－砂－泥結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的存在，可使特定性質(zhì)的流體在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定流動，有利于鈾元素的持續(xù)富集。

c.研究區(qū)礦床的鈾元素富集具有非常強(qiáng)的非均質(zhì)性，礦體常常在合適的環(huán)境中富集在含泥質(zhì)或碳質(zhì)的粉砂巖中。泥質(zhì)或碳質(zhì)是Q區(qū)鈾元素的主要吸附體，這些吸附體的空間位置在很大程度上決定了礦體的空間位置。

d.氧化－還原帶及沉積微相是Q區(qū)砂巖型鈾礦床成礦的2個重要控礦因素。在氧化帶中不能成礦，礦床只能形成于具有較好隔水層的氧化－還原過渡帶中。最易成礦的部位是過渡帶中的河道充填微相砂體。

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