伊犁盆地闊斯加爾地區(qū)西山窯組下段巖性巖相特征及與鈾成礦關(guān)系①

邱余波 伊海生 張占峰 王 果 劉俊平 蔣 宏 張虎軍 李彥龍 郝以澤

(1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院 成都 610059;2.核工業(yè)二一六大隊 烏魯木齊 830011;3.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院 成都 610059)

0 引言

伊犁盆地具有良好的鈾成礦地質(zhì)條件和成礦潛力，是我國重要的可地浸砂巖型鈾礦產(chǎn)基地［1-2］。闊斯加爾地區(qū)位于伊犁盆地南緣中西段，毗鄰烏庫爾其鈾礦床，具有一定的鈾礦資源潛力，是烏庫爾其鈾礦床重要的鈾資源接替區(qū)，其主力含鈾層系為中侏羅統(tǒng)西山窯組下段(J2x1)。對于砂巖型鈾礦來說，含礦層系的巖性巖相特征，尤其是砂體的發(fā)育特征，是其最根本的控礦因素［3-4］，直接控制著鈾礦體的空間展布、形態(tài)規(guī)模以及連續(xù)性等特征。關(guān)于伊犁盆地南緣西山窯組下段沉積環(huán)境、巖性巖相、砂體發(fā)育特征的研究，前人已做了不同程度的研究，目前比較統(tǒng)一的觀點是西山窯組下段在伊犁盆地南緣主要為扇三角洲沉積［5-7］，沉積砂體多呈“指狀”或“朵狀”往北延伸。從上世紀(jì)90年代至今，在對烏庫爾其鈾礦床進(jìn)行鈾礦地質(zhì)勘查的同時，對該地區(qū)也展開了不同程度的探索［8］。目前對該地區(qū)的鈾礦地質(zhì)勘查工作已進(jìn)入普查階段，由于以前的研究工作主要集中在整個盆地南緣(研究范圍大，但是精度相對較低)或者勘查程度較高的烏庫爾其礦床，而對該地區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)特征，尤其是對巖性巖相、砂體發(fā)育特征及其與鈾成礦關(guān)系的研究相對滯后，這對研究區(qū)勘查工作的整體思路以及鉆孔的布置和施工有一定的制約和限制。

鑒于此，本文以不同勘查階段所收集的鉆孔資料為依據(jù)，對闊斯加爾地區(qū)西山窯組下段的巖性巖相特征尤其是砂體發(fā)育特征進(jìn)行了全面的分析和研究。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)揭露的西山窯組下段砂體層間氧化帶發(fā)育特征，結(jié)合鈾礦發(fā)育的其它成礦地質(zhì)條件，系統(tǒng)地研究和分析巖性巖相特征與鈾成礦的關(guān)系，總結(jié)鈾礦體發(fā)育的規(guī)律，以期為該區(qū)下一步鈾礦地質(zhì)勘查提供客觀、合理的理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

伊犁盆地是天山造山帶中的山間盆地，在大地構(gòu)造單元劃分上歸屬天山造山帶中的伊犁—中天山微地塊，盆地夾持于塔里木板塊和哈薩克斯坦板塊之間［9-10］，整體上呈東窄西寬的楔形，向西延伸入哈薩克斯坦境內(nèi)［11］。本文所指的伊犁盆地是不包括昭蘇盆地在內(nèi)的“狹義上的伊犁盆地”，在中國境內(nèi)約1.8×104km2。盆地形成以后，金泉斷裂、霍城—托開斷裂將盆地劃分為南部斜坡帶、中央凹陷帶和北部褶皺帶三個呈東西向展布的構(gòu)造單元［12］。研究區(qū)處于伊犁盆地南部斜坡帶西段單斜帶(圖1)，構(gòu)造形態(tài)為一次級微隆起區(qū)，稱烏庫爾其微凸起［13］。晚漸新世至早中新世(24 Ma)伊犁盆地南緣發(fā)生了一次強烈的新構(gòu)造運動，在不對稱擠壓作用下形成了本區(qū)微隆構(gòu)造格局，同時造成本區(qū)沉積蓋層發(fā)生掀斜，開啟了沉積蓋層接受大氣降水補給與排泄的構(gòu)造“窗”，侏羅系地層開始接受含氧含鈾流體的補給和氧化改造，對后期砂巖型鈾礦的形成起了積極的作用［14-15］。

圖1 伊犁盆地闊斯加爾地區(qū)大地構(gòu)造位置及平面圖Fig.1 Tectonic framework and location of Kuosijiaer area of Yili Basin

上古生界石炭系、二疊系發(fā)育的中酸性火山巖、火山碎屑巖及淺海、陸相碎屑巖為盆地的直接基底和主要的物源區(qū)，盆地蓋層自下而上有中—下侏羅統(tǒng)水西溝群八道灣組、三工河組、西山窯組、艾維爾溝群頭屯河組，新近系和第四系(表1)。盆地內(nèi)鈾礦化主要分布在中下侏羅統(tǒng)水西溝群暗色含煤碎屑巖建造中，而西山窯組是水西溝群最重要的賦礦層位，其中西山窯組下段(J2x1)在洪海溝、庫捷爾泰、烏庫爾其、闊斯加爾、扎吉斯坦、蒙其古爾，一直到郎卡地段，都賦存有工業(yè)鈾礦化，是伊犁盆地南緣鈾礦體最為發(fā)育的含礦層段。

伊犁盆地南緣水西溝群的最大沉積特征是發(fā)育有12套厚度和規(guī)模不等的煤層，從下往上依次編號為 M1—M12，其中 M5、M8、M10在盆地南緣穩(wěn)定分布，可作為區(qū)域地層劃分與對比的標(biāo)志層［16］。根據(jù)煤層的發(fā)育情況，侏羅系地層劃分為8個沉積旋回［17］，分別對應(yīng)于Ⅰ～Ⅷ旋回，其中西山窯組下段對應(yīng)Ⅴ旋回的上部，分為下亞段(Ⅴ22亞旋回)和上亞段(Ⅴ3亞旋回)。下亞段在伊犁盆地南緣為扇三角洲沉積，三角洲平原在南部的盆緣區(qū)域發(fā)育較為穩(wěn)定，其中洪海溝—庫捷爾太地段、烏庫爾其—蒙其古爾地段分布較廣，三角洲平原分流河道充填砂體發(fā)育較好;三角洲平原往北為三角洲前緣沉積，其中水下分流河道普遍發(fā)育，尤其是包括研究區(qū)在內(nèi)的烏庫爾其—蒙其古爾地段，水下分流河道多且往水下延伸較遠(yuǎn)［18］。上亞段為一套厚度和規(guī)模都較大的煤層，為中下侏羅統(tǒng)水西溝群第8煤層(M8)，表明在下亞段扇三角洲沉積晚期，整個盆地發(fā)生了一次大規(guī)模的水退沉積，沉積環(huán)境由陸—湖過渡相轉(zhuǎn)變?yōu)檎訚上唷?/p>

2 巖性特征

西山窯組下段(J2x1)沉積時期，由于南部山前沉積物供應(yīng)量的持續(xù)增加，在伊犁盆地南緣形成了規(guī)模巨大的扇三角洲沉積。在闊斯加爾地區(qū)西山窯組下段頂?shù)捉缇€清楚，下伏地層為三工河組上段細(xì)粒沉積的粉砂巖、泥巖，上覆地層為西山窯組中段細(xì)粒沉積的細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖，位于厚層發(fā)育的第8煤層(M8)頂部。M8由于厚度大，且在平面上穩(wěn)定分布，是伊犁盆地南緣地層對比最重要的標(biāo)志層。巖性主要為灰色砂礫巖、含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖，以及煤層，垂向上的粒度組成變化總體上呈下粗上細(xì)的正韻律或正韻律組合產(chǎn)出(圖2)。

西山窯組下段砂體發(fā)育在下亞段扇三角洲沉積環(huán)境中，以含礫粗砂巖、粗砂巖為主。受后生黏土化蝕變的影響，砂體總體上比較疏松，分選中等或較差，含礦粗砂巖粒徑一般在0.5～1.5 mm，礫石一般為礫徑2～6 mm的細(xì)礫(圖3A)。砂體中含細(xì)小浸染狀、塊狀、呈層狀分布的炭化植物碎屑，可見層狀、塊狀或浸染狀黃鐵礦細(xì)晶及黃鐵礦充填炭屑現(xiàn)象(圖3B)。鏡下鑒定多為巖屑砂巖或長石巖屑砂巖(圖3C)，石英含量在35%～55%之間，以單晶石英為主，長石含量在15%左右，以鉀長石為主，同時含有少量的斜長石，巖屑主要為中酸性火山巖和火山碎屑巖，含量在30%～50%之間，這是因為研究區(qū)離南部的蝕源區(qū)較近，沉積碎屑沒有經(jīng)過遠(yuǎn)距離搬運，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和成分成熟度都較低，碎屑的粒度也相對較粗。由于粗

粒砂巖黏土化蝕變較嚴(yán)重，在巖芯中很難發(fā)現(xiàn)原生的層理，但是在細(xì)粒砂巖或粉砂巖的巖芯中見有小型的波紋交錯層理、水平層理(圖3D)。

表1 研究區(qū)地層劃分序列表Table 1 Division table of stratigraphic sequences in the study area

圖2 闊斯加爾地區(qū)ZK52535西山窯組下段地層綜合柱狀圖Fig.2 Synthetic column of Lower Xishanyao Formation of the dill hole ZK52535 in Kuosijiaer area

3 巖相特征

3.1 二維連井剖面特征

在巖性特征分析的基礎(chǔ)上，本次研究在對闊斯加爾地區(qū)80余口鉆孔的巖芯編錄資料進(jìn)行分析對比后，選取了巖性變化較大、能較為全面的反映研究區(qū)巖相結(jié)構(gòu)的517線來進(jìn)行巖性巖相的二維連井剖面分析。

連井剖面 51708—51711—51723—51731—51751—51767—51795整體朝北東方向延伸(圖1)。51708孔位于剖面的最南邊，下亞段砂體發(fā)育好，厚度較大，為分流河道沉積，到51711孔，發(fā)育有厚層的泥巖，砂體厚度突然變薄，為分流間灣沉積。從51723孔開始，沿著該剖面往北，砂體的粒級和厚度逐漸變大，泥巖、粉砂巖等細(xì)粒碎屑沉積厚度也有變薄的趨勢，沉積環(huán)境逐漸相變?yōu)樗路至骱拥?圖4)。上亞段的沼澤沉積相對穩(wěn)定，部分鉆孔見有泥巖和煤層間互的現(xiàn)象。

3.2 砂體厚度平面展布特征

砂體是可地浸砂巖型鈾礦的載體，砂體的分布控制了鈾礦體的分布，砂體的厚度及穩(wěn)定性決定了層間氧化帶發(fā)育的規(guī)模及鈾礦體的空間分布［19］。在闊斯加爾地區(qū)，西山窯組下段(J2x1)砂體厚度在9.1～31.5 m之間，平均18.4 m，在平面上呈明顯的“朵狀”展布，厚大砂體主要分布在闊斯加爾地區(qū)的西南、西北以及東北部。具體到勘探線上，469線—501線、517線—549線北邊，砂體發(fā)育較好，而在469線南邊、K501線、517線南邊以及549線—569線的南邊，砂體發(fā)育較差。盡管西山窯組下段砂體在闊斯加爾地區(qū)發(fā)育不太穩(wěn)定，且連續(xù)性相對較差，但是西南部的厚大砂體與北部469線—501線、517線—549線北邊的厚大“朵狀”砂體仍有連接的通道(圖5)，這也是研究區(qū)能夠發(fā)育層間氧化帶，并進(jìn)一步形成砂巖型鈾礦體的重要原因。

3.3 巖性巖相平面展布特征

圖4 闊斯加爾地區(qū)517線西山窯組下段連井剖面圖(剖面位置見圖1)Fig.4 Connecting-well profile of Lower Xishanyao Formation of 517 prospecting line in Kuosijiaer area(location of the profile shown in Fig.1)

圖5 闊斯加爾地區(qū)西山窯組下段砂體等厚圖Fig.5 Isopach map of sand thickness of Lower Xishanyao Formation in Kuosijiaer area

西山窯組下段下亞段發(fā)育的砂泥碎屑沉積在研究區(qū)相差較大，在西南部、西北部的477線—501線，以及東北部的525線—549線，發(fā)育厚大的粗粒砂巖，泥質(zhì)夾層相對較少，為分流河道發(fā)育的部位;而469線，k501—517線南部，以及研究區(qū)南—東南部，沉積碎屑粒度較細(xì)，以粉砂巖、泥巖沉積為主，砂巖的厚度和粒度相對較小，且多與泥巖、粉砂巖互層產(chǎn)出，為分流河道兩邊的分流間灣沉積。根據(jù)研究區(qū)西山窯組下段(J2x1)巖性特征、砂體厚度特征、砂地比平面展布特征，結(jié)合整個盆地南緣的沉積地質(zhì)背景，分析認(rèn)為闊斯加爾地區(qū)主要賦礦層位中侏羅統(tǒng)西山窯組下段下亞段主要為扇三角洲前緣沉積，并發(fā)育有水下分流河道和水下分流間灣等沉積微相。三角洲平原的分流河道從西南方向入湖以后往北和北東發(fā)育有兩條水下分流河道，分流河道間為砂體發(fā)育較差而泥質(zhì)含量較高的水下分流間灣(圖6)。厚大的水下分流河道砂體是研究區(qū)西山窯組下段地層十分重要的賦礦載體。

4 鈾成礦分析

鈾成礦研究主要指對鈾成礦條件、礦體發(fā)育形態(tài)的控制因素進(jìn)行綜合分析、總結(jié)，尋找其規(guī)律性，以指導(dǎo)工作區(qū)下一階段的勘查工作以及為新靶區(qū)提供重要的理論依據(jù)。砂巖型鈾礦有別于其它類型的鈾礦，其成礦過程主要受巖性巖相、構(gòu)造、地下水動力等鈾成礦條件的控制［20-21］。根據(jù)研究區(qū)目前揭露的西山窯組下段砂體層間氧化帶發(fā)育特征，以及工業(yè)鈾礦化的發(fā)育情況，結(jié)合鈾礦發(fā)育的三大成礦條件，尤其是對鈾的富集起著明顯控制作用的巖性巖相條件，闊斯加爾地區(qū)西山窯組下段賦存的鈾礦體主要有以下成礦規(guī)律:

(1)分流河道砂體的展布方向控制著含氧含鈾流體的滲流。通常情況下，含礦流體順著河道砂體的展布方向滲流，成礦規(guī)模和成礦潛力都比較大，這是因為沿著沉積砂體的展布方向，水成鈾礦所必需的“補徑排”地下水動力體系比較通暢。通過揭穿的西山窯組下段巖芯可知三角洲平原分流河道砂體已經(jīng)被含氧含鈾流體強氧化，分流河道入湖以后，隨著水下分流河道的分叉及河道砂體展布方向的變化，含氧含鈾流體朝北和北東兩個方向繼續(xù)向下滲流，砂體的顏色由淺紅色—淺黃色—黃白色到以灰色為主夾黃色斑點，砂體的氧化程度逐漸減弱，含礦物質(zhì)在氧化還原過渡帶逐漸沉淀、富集下來而形成鈾礦體(圖7)。

(2)分流河道砂體厚度對鈾成礦的影響和制約。一般來說，砂體的厚度越大，鈾礦的賦存空間就越大，含氧含鈾地下水徑流的通道也越大，鈾成礦條件就越好，闊斯加爾地區(qū)西山窯組下段的工業(yè)鈾礦體主要賦存在砂體厚度大于15 m的分流河道砂體中，而厚度小于15 m的砂體中僅個別鉆孔發(fā)育有工業(yè)鈾礦化。但是分流河道砂體厚度也并非越大就越有利于成礦，厚度大且無阻隔層的砂體具有良好的孔隙度，使得其透水性較強，在強水動力條件下反而不利于含氧含鈾流體中鈾的沉淀和卸載。研究區(qū)西山窯組下段砂體厚度大于25 m工業(yè)鈾礦化發(fā)育較差也說明了這一規(guī)律。從統(tǒng)計的結(jié)果還可以看出，最有利于鈾成礦的砂體厚度在15～20 m之間，其次是在20～25 m之間(圖8A)。

圖7 闊斯加爾地區(qū)西山窯組下段下亞段巖性巖相與鈾成礦關(guān)系示意圖Fig.7 Sketch map of relationship between lithology-lithofacies and uranium deposit of lower sub-member of Lower Xishanyao Formation in Kuosijiaer area

(3)沉積作用的水動力控制了含礦物質(zhì)的沉淀和賦存。沉積作用水動力的強弱，直接影響沉積砂體的粒度大小，而砂體的粒級對含礦物質(zhì)的沉淀和賦存亦有較大的控制作用。如果砂體的粒級太粗，促使含氧含鈾流體還原的硫化物、有機質(zhì)等還原物質(zhì)較難吸附其中，如果粒級太細(xì)，砂體的滲透性降低，鈾成礦能力同樣會變差。闊斯加爾地區(qū)西山窯組下段發(fā)育的工業(yè)鈾礦體主要賦存在粗砂巖或含量粗砂巖中，其中56%的鈾礦體賦存在粗砂巖中，26%的鈾礦體賦存在含礫粗砂巖中，在礫石含量相對較少的砂礫巖中也發(fā)育有一定數(shù)量的鈾礦體，個別鉆孔的中砂巖中發(fā)育有鈾礦化，但是在已發(fā)現(xiàn)的工業(yè)鈾礦化鉆孔中尚未在細(xì)砂巖、礫巖中見有鈾礦化信息(圖8B)。

(4)沉積微相控制著鈾礦體的形態(tài)和空間展布。研究區(qū)鈾礦體主要賦存在扇三角洲前緣水下分流河道砂體中，鈾礦體呈弧狀或條帶狀分布其中，礦體的形態(tài)和規(guī)模嚴(yán)格受水下分流河道或砂壩形態(tài)和規(guī)模的控制。此外，沉積微相的突變部位，也是成礦的潛力區(qū)。比如485線南部的殘留礦體，盡管是在氧化帶中，但是由于沉積微相和砂體厚度的突變，氧化帶由較薄的砂體進(jìn)入厚砂體，還來不及把厚砂體都氧化，在氧化砂體與還原砂體過渡部位仍有可能成礦，而氧化帶進(jìn)入厚砂體以后，就按照正常的層間氧化帶成礦模式，鈾礦體主要發(fā)育在層間氧化帶前鋒線附近(圖9)。

(5)沉積期后的構(gòu)造演化對含氧含鈾流體的驅(qū)動起著至關(guān)重要的控制作用。西山窯組地層形成以后，受沉積期后構(gòu)造活動的影響，在伊犁盆地南緣沿地層走向形成了一系列相對隆起和凹陷區(qū)，從西往東分別為洪海溝西部凹陷、庫捷爾太微凸、蘇東布拉克微凹、烏庫爾其微凸、扎吉斯坦向斜。闊斯加爾地區(qū)位于烏庫爾其微凸東北部，西山窯組地層整體呈北東傾，從地層產(chǎn)狀變化特征(M8底板海拔等高線)可以看出，研究區(qū)的構(gòu)造高點主要位于西南部，含氧含鈾流體沿著地層傾向從高往低處滲流，在氧化還原過渡帶含礦物質(zhì)逐漸沉淀下來而形成鈾礦體(圖10)。從圖7中還可以看出，地層的傾向與分流河道砂體的展布方向大致相同，即構(gòu)造條件與巖性巖相條件的耦合，是研究區(qū)西山窯組下段能發(fā)育一定規(guī)模鈾礦體十分重要的原因。

圖9 闊斯加爾地區(qū)485線西山窯組下段鈾成礦示意圖(剖面位置見圖1)Fig.9 Schematic diagram on uranium deposit of Lower Xishanyao Formation of 485 prospecting line in Kuosijiaer area(location of the profile shown in Fig.1)

圖10 闊斯加爾地區(qū)西山窯組下段鈾成礦模式圖Fig.10 Uranium metallogenic model chart of Lower Xishanyao Formation in Kuosijiaer area

5 結(jié)論

(1)伊犁盆地闊斯加爾地區(qū)西山窯組下段地層分為下亞段和上亞段。上亞段為厚層發(fā)育的煤層，下亞段為賦礦砂體發(fā)育的層段，砂體巖性以粗砂巖、含礫粗砂巖為主，固結(jié)疏松，見有炭化植物碎屑及黃鐵礦細(xì)晶，成分和結(jié)構(gòu)成熟度較低，多為巖屑砂巖或長石巖屑砂巖。

(2)闊斯加爾地區(qū)主要賦礦層位中侏羅統(tǒng)西山窯組下段下亞段主要為扇三角洲前緣沉積，并發(fā)育有朝北和北東方向展布的水下分流河道，以及河道間的水下分流間灣等沉積微相。

(3)研究區(qū)西山窯組下段賦存的鈾礦體主要受分流河道砂體展布方向、分流河道砂體厚度、沉積作用的水動力、沉積微相的形態(tài)或突變，以及沉積期后的構(gòu)造演化等因素的控制。

致謝 在論文撰寫過程中得到核工業(yè)二一六大隊王保群、李細(xì)根、魏虎、文戰(zhàn)久、任滿船等專家的親切指導(dǎo)，在此一并感謝。

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19 邱余波，伊海生，王果，等.伊犁盆地洪海溝地區(qū)中侏羅統(tǒng)西山窯組上段沉積特征及其與鈾成礦的關(guān)系［J］.古地理學(xué)報，2014，16(4):537-547.［Qiu Yubo，Yi Haisheng，Wangguo，et al.Sedimentary characteristics of the Upper Member of Middle Jurassic Xishanyao Formation and its relationship to uranium deposits in Honghaigou area of Ili Basin ［J］.Journal of Palaeogeography，2014，16(4):537-547.］

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21 王永和，焦養(yǎng)泉，吳立群.從鈾成礦條件分析西北地區(qū)砂巖型鈾礦找礦［J］.西北地質(zhì)，2007，40(1):72-82.［Wang Yonghe，Jiao Yangquan，Wu Liqun，et al.Analysis of uranium metallogenic conditions and prospecting of sandstone-type uranium deposits in Northwest China［J］.Northwest Geology，2007，40(1):72-82.］