鄂爾多斯盆地北東部區(qū)域大規(guī)模疊合氧化形成條件與鈾成礦作用

劉 璐 ， 彭云彪， 戴明建，2

（1.核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.中國地質(zhì)大學(xué)，武漢 430074）

20世紀(jì)90年代，大規(guī)模鈾礦勘查與找礦工作從早期熱液型鈾礦轉(zhuǎn)向砂巖型鈾礦，砂巖型鈾礦成為主要的礦床類型［1］。中核地質(zhì)系統(tǒng)經(jīng)過不懈努力，相繼在中國北方伊犁盆地、吐哈盆地、鄂爾多斯盆地、二連盆地和松遼盆地發(fā)現(xiàn)和探明了一批大型、特大型砂巖型鈾礦［2-9］。通過對這些地區(qū)典型砂巖型鈾礦床的研究，前人總結(jié)了砂巖型鈾礦成礦規(guī)律和成礦作用，初步建立了我國陸相盆地層間氧化帶型砂巖鈾礦的成礦模式和找礦標(biāo)志等［6，10-13］。

鄂爾多斯盆地北東部主要發(fā)現(xiàn)了皂火壕、納嶺溝和大營特大型鈾礦床，并發(fā)展為杭東—皂火壕巨型層間氧化帶砂巖型鈾成礦帶。該成礦帶是中國北方最重要的砂巖型鈾礦聚集區(qū)之一，為內(nèi)蒙古鈾業(yè)大基地的建設(shè)提供了資源保障。區(qū)內(nèi)礦床具以下特點(diǎn)：其一，在形成后經(jīng)歷了多期次還原改造作用；其二，后生還原改造介質(zhì)可以來自深部的油氣流體，也可以來自下伏的煤成烴；其三，成礦時(shí)的層間氧化帶完全被還原改造，完全體現(xiàn)不出成礦時(shí)巖石地球化學(xué)的特點(diǎn)，礦床完全隱伏于還原巖石地球化學(xué)環(huán)境中；其四，該類型礦床形成時(shí)間往往較早［14-15］。研究該巨型鈾成礦帶的層間氧化帶形成條件與疊合氧化作用，總結(jié)其鈾成礦作用，對鄂爾多斯盆地下步鈾礦找礦工作具有一定的指示意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地北東部，構(gòu)造上處于陜北斜坡的伊盟隆起，其南部為杭錦旗凹陷，北部為河套斷陷（圖1）。加里東和早海西運(yùn)動使伊盟隆起成為隆起區(qū)，并使該區(qū)具備相對穩(wěn)定的基底構(gòu)造條件。印支運(yùn)動早期主要表現(xiàn)為隆起背景上的北高南低［3］，并造就了盆地由西向東、由北向南傾斜的大型低緩斜坡帶（絕大多數(shù)地區(qū)地層傾角小于2度）［16］；燕山運(yùn)動造成盆地多次抬升，北部河套古隆起為該區(qū)提供了長期穩(wěn)定的含氧含鈾水的補(bǔ)給，為盆地北部鈾成礦提供保障；新構(gòu)造運(yùn)動在盆地邊緣形成斷陷，但并未改變盆地的總體結(jié)構(gòu)，同時(shí)有利于新的氧化作用及鈾成礦。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造分區(qū)略圖Fig.1 Schematic map of structure division in northern part of Ordos basin

研究區(qū)地層發(fā)育較全。太古宇-下元古界為地臺的結(jié)晶基底；中元古-古生界為地臺蓋層；中、新生界為盆地蓋層。中生界是盆地的沉積主體，主要為山麓相、河流相、湖相碎屑巖建造。研究區(qū)鈾礦鉆孔揭見層位主要包括第四系（Q）、 新近系（N）、 下白堊統(tǒng)（K1）、中侏羅統(tǒng)直羅組（J2z）、延安組（J2y）。找礦目的層為直羅組下段（J2z1），為河流-三角洲-沼澤相沉積建造［17］。并可進(jìn)一步劃分為下亞段（J2z1-1）和上亞段（J2z1-2）， 其中下亞段主要為容礦的灰色砂巖；上亞段主要為灰綠色砂巖、泥巖。直羅組上段為雜色的中細(xì)砂巖、泥巖［18-19］。礦體的空間分布明顯受氧化帶控制。賦礦層位呈 “上綠下灰”的特征，即上部為古氧化綠色砂體，下部為未蝕變的原生灰色砂體。礦體產(chǎn)在兩者之間，板狀為主，卷狀為輔。

2 層間氧化帶形成條件

層間氧化帶的最主要特征是呈層狀和對含水層的專屬性，其中灰色砂巖被氧化，低價(jià)鐵被氧化成高價(jià)鐵，有機(jī)質(zhì)被部分氧化甚至完全消失。攜鈾含氧承壓地下水沿夾持于不透水巖層（如泥巖）之間的透水砂巖向下方運(yùn)移，在氧化帶前鋒處鈾被還原而沉淀富集形成鈾礦床［20］。

鄂爾多斯盆地北東部層間氧化帶規(guī)模巨大，寬可達(dá)60 km，延伸長度近300 km。之所以能形成如此巨大的層間氧化帶，筆者認(rèn)為，是因?yàn)閰^(qū)內(nèi)具有穩(wěn)定的構(gòu)造斜坡帶、豐富的雙重鈾源、巨型泛連通砂帶、發(fā)育受區(qū)域隔水層控制的充足含氧水補(bǔ)給以及發(fā)育保礦作用的后生還原地球化學(xué)障。

2.1 區(qū)域穩(wěn)定的斜坡構(gòu)造環(huán)境

鄂爾多斯盆地為一大型克拉通盆地，具有相對穩(wěn)定的基底構(gòu)造特點(diǎn)。中生代以來，鄂爾多斯盆地演化進(jìn)入了強(qiáng)烈的陸內(nèi)變形和改造階段，受到不同板緣動力作用產(chǎn)生的遠(yuǎn)程效應(yīng)和盆地深部構(gòu)造-熱體制轉(zhuǎn)換的影響，盆地經(jīng)歷了多期次、不同應(yīng)力方向的改造作用。中生代早期，受特提斯構(gòu)造域的控制及受印支運(yùn)動影響，盆地四周褶皺成山，盆地輪廓基本確定，形成了基本上以由北西向南東傾斜為主的印支古構(gòu)造運(yùn)動面格局［21-22］。印支運(yùn)動造就了盆地由西向東、由北向南傾斜的伊陜單斜（圖1），為延安組和直羅組沉積巖相由北西向南東穩(wěn)定連續(xù)發(fā)育創(chuàng)造了極為有利的基底構(gòu)造條件。在相對穩(wěn)定抬升的構(gòu)造背景下，形成了直羅組下段深切谷的泛連通的層狀砂，并保持了由北西向南東穩(wěn)定發(fā)育的趨勢，并為后期鈾成礦提供了良好的賦礦空間。伊陜單斜區(qū)地層傾角在0°～50°，構(gòu)造活化適度，為最有利于層間氧化帶形成的正向構(gòu)造運(yùn)動的地區(qū)［23-24］。主要含礦層直羅組在盆地邊緣直接或間接暴露在地表，使含氧含鈾水以滲入水動力方式沿目的層砂體向盆內(nèi)運(yùn)移。

2.2 豐富的雙重鈾源

巖石的古鈾豐度是形成地浸砂巖型鈾礦的物質(zhì)基礎(chǔ)，區(qū)內(nèi)除具備來自蝕源區(qū)豐富的鈾源，來自目的層本身的鈾亦很豐富。

2.2.1 來自蝕源區(qū)的鈾

盆地周邊蝕源區(qū)主要由前中生代的地層和巖體組成。研究區(qū)中生代沉積的物源主要來自盆地的北部。盆地北西部大面積分布的太古宙、古元古代結(jié)晶巖系和不同時(shí)代的花崗巖類巖體鈾含量較高，一般為2.32～3.35 nC/（kg·h）， 不僅為盆地蓋層沉積提供了物源和鈾初始富集的鈾源，同時(shí)也為后生鈾成礦提供了豐富的鈾源。

2.2.2 來自目的層本身的鈾

延安組與直羅組沉積時(shí)進(jìn)行了鈾的預(yù)富集，地層本身具有較高的鈾含量。由于當(dāng)時(shí)氣候溫暖潮濕，沉積物中富含大量的腐殖質(zhì)、炭質(zhì)或煤屑，可吸附鈾，如延安組和直羅組砂巖的鈾含量分別高達(dá)4.90×10-6和15.80×10-6，屬富鈾地層，可作為后期鈾成礦的重要鈾源。

2.3 巨型泛連通砂帶

研究區(qū)直羅組下段為沉積早期在潮濕氣候環(huán)境下的河流-三角洲沉積體系。在垂向上由多個(gè)自粗砂巖到細(xì)砂巖 （或粉砂巖、泥巖）的（半）正韻律層疊置而成，河道砂體發(fā)育規(guī)模大，構(gòu)成地下水良好的運(yùn)移通道，在靠河道中心部位砂體厚度巨大（40～140 m），地層結(jié)構(gòu)不太理想，對形成層間氧化帶型砂巖鈾礦不太有利；但在河道邊部或河道分叉部位，砂體厚度適中（30～70 m），泥-砂-泥結(jié)構(gòu)有利，也有利于層間氧化帶的發(fā)育及后生成礦；平面上，主河道從呼斯梁向南偏東發(fā)育至成吉思汗陵一帶，長約120 km，寬30～60 km不等（圖2），其前端以及兩側(cè)發(fā)育多條分支河道，特別是在皂火壕—神山溝一帶，由北西向南東方向發(fā)育多條分支河道，且相互交錯(cuò)成網(wǎng)狀，形成泛連通的辮狀河道砂體，砂體厚度相對較薄，多為30～50 m?？傊?，巨大的泛連通砂帶為巨型鈾成礦帶的形成提供了足夠的儲集空間。

2.4 受區(qū)域隔水層控制的充足含氧水供給

圖2 鄂爾多斯盆地北東部直羅組下段下亞段砂體等厚度圖Fig.2 Sandstone grade thickness of lower sub-member of lower member of Zhiluo Formation in northeastern Ordos basin

研究區(qū)侏羅系主要包括延安組與直羅組。延安組為灰色含煤建造，是溫暖潮濕氣候條件下的沉積；直羅組以雜色為主，氣候已由潮濕向半干旱過渡。在主要找礦目的層直羅組沉積后，其它長時(shí)期均以干旱氣候?yàn)橹?，使盆地及周邊蝕源區(qū)處于長時(shí)期的風(fēng)化剝蝕狀態(tài)，準(zhǔn)平原化發(fā)育，有利于蝕源區(qū)含氧含鈾水向盆中運(yùn)移，并發(fā)生氧化作用。且在河套斷陷及形成以后，由于切斷了盆地與北部隆起區(qū)的水力聯(lián)系，該區(qū)地下水補(bǔ)、徑、排條件總體表現(xiàn)為補(bǔ)給不足、徑流緩慢、排泄不暢。但是在盆地地層出露處，由于大氣降水的補(bǔ)給，形成了一定規(guī)模的層間氧化帶。

同時(shí)，主要找礦目的層直羅組下段存在相對穩(wěn)定的隔水-含水-隔水的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，平面展布規(guī)模大，穩(wěn)定性好。在晚侏羅世滲入期及白堊紀(jì)水文地質(zhì)期，古氣候轉(zhuǎn)為半干旱、干旱，氧化作用發(fā)育，來自北部及東部古隆起上的含氧含鈾水直接滲入補(bǔ)給，古地下水流向與當(dāng)時(shí)的沉積物遷移和地層相帶展布方向基本保持一致，這對鈾的穩(wěn)定遷移、層間氧化帶的穩(wěn)定發(fā)育及鈾在氧化帶前鋒線一帶穩(wěn)定沉淀并成礦是非常有利的，這種古地下水流向、物源方向和相帶發(fā)育的一致性，一直保持到始新世末，時(shí)間長達(dá)115 Ma，是區(qū)內(nèi)層間氧化帶的發(fā)育期和可能的鈾成礦期，而主要的鈾成礦期應(yīng)為晚白堊世-始新世，持續(xù)時(shí)間約 60 Ma［25］。

2.5 巨型氧化-還原化學(xué)障

鈾沉淀的地化障有氧化-還原障、酸-堿（中和）障、吸附障、蒸發(fā)障及熱動力障等。但其中最重要的是還原障［26］。

研究區(qū)南西部蘇里格氣田、烏審旗氣田和榆林氣田的主要產(chǎn)氣層二疊紀(jì)下石盒子組盒8段和山西組山1段有機(jī)質(zhì)豐富、骨架砂體分布穩(wěn)定、演化程度高，形成的天然氣儲量巨大［27］。根據(jù)馮喬等對鄂爾多斯盆地北部（東勝鈾礦、榆林氣田、鎮(zhèn)川堡氣田）山西組流體包裹體類型、均一溫度及捕獲壓力變化的研究［28］，反映了古流體（極富含CH4的煤型天然氣和液態(tài)烴）由南西向北東的構(gòu)造高部位運(yùn)移溢散，并最終匯聚到鄂爾多斯盆地北東部。目前，已在研究區(qū)內(nèi)鉆遇石盒子組天然氣。在早白堊世末的燕山運(yùn)動中，由于構(gòu)造調(diào)整和地層掀斜，液態(tài)烴繼續(xù)向北運(yùn)移，并直至地表散失，如在北部有大量油砂巖的形成［29］， 在下白堊統(tǒng)中可見多處油苗顯示［30］，且在鉆孔巖心中亦發(fā)現(xiàn)有油斑顯示。

工作區(qū)主要找礦目的層直羅組下段主要發(fā)育古層間氧化帶，即以 “灰綠色巖石”作為氧化帶的判別標(biāo)志，其形成與直羅組沉積之后的晚侏羅世及晚白堊世-古近紀(jì)長時(shí)期沉積間斷有關(guān)［11］；并在北東靠近直羅組砂體出露區(qū)疊加有現(xiàn)代氧化作用所形成的黃色巖石。古層間氧化帶總體由北向南、由北西向南東方向展布，發(fā)育規(guī)模較大，寬度在5～50 km之間，氧化深度達(dá)700多米。氧化帶前鋒線位于杭東—南梁—大成梁—合同廟—代杜梅—皂火壕一帶，氧化帶前鋒線多分布于河道的側(cè)部，形態(tài)受砂體厚度、河道形態(tài)所控制，呈蛇曲狀沿近北西向-南北向-近東西向展布，長約210 km（圖3）。

區(qū)域古層間氧化帶前鋒線南及南西部砂體呈灰色，富含有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦等還原介質(zhì)；氧化帶前鋒線北部、北東部砂體呈綠色與灰色互層，向北及北東部綠色砂體厚度增加而灰色砂體厚度變薄至尖滅。說明含氧水主要來自北部及北東部，氧化方向由北向南、由北東向南西為主。

圖3 鄂爾多斯盆地北東部直羅組下段巖石氧化還原過渡帶分布Fig.3 Redox zone distribution of Lower member of Zhiluo Formation in northeastern Ordos basin

3 大規(guī)模疊合氧化與鈾成礦作用

通過研究區(qū)構(gòu)造演化、應(yīng)力場特征和鈾礦石年齡等的分析，區(qū)內(nèi)鈾礦床的形成經(jīng)歷了一個(gè)漫長過程，是受4期氧化成礦作用疊加的結(jié)果［31-33］（圖 4）。

3.1 第1期

該期氧化作用主要是受燕山運(yùn)動Ⅰ幕影響。此時(shí)，太平洋板塊向日本海溝俯沖，并產(chǎn)生左旋剪切作用，派生了鄂爾多斯盆地主壓應(yīng)力軸跡為 NW-SE向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場［34］。盆地抬升，在潮濕環(huán)境下沉積了直羅組砂體。古流向由北西向南東。來自北部陰山山系的含氧含鈾水沿賦礦的直羅組砂體向南東方向遷移。由于該時(shí)期氣候溫暖潮濕，沉積地層有機(jī)質(zhì)豐富，故該期氧化作用相對較弱。但是直羅組本身富含鈾，所以在氧化方向前端、河道砂體變薄與分叉頻繁和還原介質(zhì)更豐富的皂火壕地區(qū)進(jìn)行了鈾礦富集，并測得有193～161 Ma的成礦年齡。

3.2 第2期

該期氧化作用為主氧化作用，且時(shí)間亦跨度最長，由晚侏羅世末一直延續(xù)至漸新世。在這一時(shí)期，歷經(jīng)燕山運(yùn)動以NW-SE向主構(gòu)造應(yīng)力場向喜山運(yùn)動NE-SW向主構(gòu)造應(yīng)力場轉(zhuǎn)變［22］。盆地抬升與掀斜運(yùn)動，使盆地北部富鈾的陰山山系蝕源區(qū)及直羅組長期暴露地表并遭受風(fēng)化剝蝕，古氣候主要為干旱、半干旱，含氧含鈾水沿地層中砂體向下滲透，在砂巖層運(yùn)移過程中將其中的鈾不斷淋出，鈾隨著含氧水不斷向南、南東和北西方向運(yùn)移和富集，形成了杭東—皂火壕巨型鈾成礦帶，并測得有133～33 Ma多個(gè)成礦年齡。

3.3 第3期

圖4 地層、構(gòu)造與氧化期次綜合圖Fig.4 Integrated diagram of stratum，struture and oxidizing stages in Ordos basin

該期氧化作用主要發(fā)生于喜馬拉雅運(yùn)動早期。此時(shí)，鄂爾多斯地塊構(gòu)造應(yīng)力場發(fā)生了根本的改變，即擠壓方向由燕山期的NW向?yàn)橹鬓D(zhuǎn)變?yōu)镹E向，這種改變是太平洋板塊向NW俯沖以及特提斯構(gòu)造域的NE向擠壓，迫使中國東部巖石圈塊體遭受NW-SE向拉伸的必然結(jié)果，其擠壓應(yīng)力來源于特提斯構(gòu)造域［33］。該期層間氧化帶地下水流動方向?yàn)镹W向，鈾源區(qū)為相對貧鈾的呂梁山山脈，氧化作用相對較弱，但它與古層間氧化帶鈾礦體相互疊加改造時(shí)，在靠近鈾源區(qū)的皂火壕地區(qū)形成了22～7 Ma的鈾礦化。

3.4 第4期

該期氧化作用發(fā)生在黃河誕生（約1.6 Ma）之后，受黃河支流溯源侵蝕的影響，研究區(qū)東部早期形成的鈾礦化有可能在黃河誕生之后被剝蝕殆盡。由于盆地東部仍在強(qiáng)烈抬升，早期形成的礦體受現(xiàn)代E-W向氧化作用影響仍有不同程度再次活化和遷移，在含煤等還原介質(zhì)豐富的區(qū)域富集。這也是研究區(qū)東部神山溝地段礦體露頭鈾鐳平衡偏鈾、地表礦化砂體為黃色的主要原因。

4 鈾成礦模式

鄂爾多斯盆地各鈾礦床嚴(yán)格受層間氧化帶控制。在平面上，富礦體主要集中在古層間氧化帶前鋒線附近；在垂向上，富礦體主要產(chǎn)于與綠色砂巖相鄰的灰色砂巖中。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，鈾礦體全部產(chǎn)于氧化-還原過渡帶中，完全氧化帶中沒有工業(yè)鈾礦體產(chǎn)出。但是，當(dāng)前期過渡帶中的鈾礦化受后期氧化改造不徹底時(shí)，會在完全氧化帶中出現(xiàn)殘留的鈾礦化。

研究區(qū)北部河套古隆起上的陰山山脈作為物源體系為區(qū)內(nèi)提供了穩(wěn)定的物源供給，并沉積了巨型呈泛連通的河流-三角洲體系朵狀砂體。不同的沉積旋回頂部沉積了相對穩(wěn)定分布的泥巖層，將砂體分隔成多個(gè) “泥-砂-泥”結(jié)構(gòu)，從而形成多套 “隔水層-含礦含水層-隔水層”的水動力系統(tǒng)。同時(shí)，陰山山脈基巖中富含鈾，持續(xù)為研究區(qū)提供鈾源。受后期燕山和喜山構(gòu)造運(yùn)動的影響，形成以北東-南西向?yàn)橹鳎蚰?、向西和向南東方向?yàn)檩o的多期疊合氧化。在含氧水供給與還原介質(zhì)相互作用下，形成氧化物質(zhì)與還原性物質(zhì)平衡的氧化-還原界面，即層間氧化帶前鋒線，鈾在氧化-還原界面附近富集成礦（圖5）。

圖5 鄂爾多斯盆地北東部鈾成礦模式Fig.5 Metallogenic model of uranium mineralization in northeastern Ordos basin

5 結(jié)論

通過對鄂爾多斯盆地北東部區(qū)域?qū)娱g氧化帶的形成條件分析，認(rèn)為其主要控制因素為具有區(qū)域穩(wěn)定的斜坡構(gòu)造環(huán)境、豐富的雙重鈾源、巨型泛連通砂帶、發(fā)育受區(qū)域隔水層控制的充足含氧水補(bǔ)給以及存在巨型氧化-還原性化學(xué)障的保護(hù)作用。

結(jié)合構(gòu)造演化、構(gòu)造應(yīng)力和礦石年齡等分析，在鄂爾多斯盆地北東部共劃分出NWSE、N-S、NE-SW和E-W向共4期疊合氧化成礦作用。其中第1期主要是受燕山運(yùn)動Ⅰ幕影響，氧化作用相對較弱，形成了193～161 Ma的鈾礦體；第2期為主氧化作用，且時(shí)間跨度最長，由晚侏羅世末一直延續(xù)漸新世，形成了杭東—皂火壕巨型鈾成礦帶，并形成了133～33 Ma的鈾礦體；第3期發(fā)生于喜馬拉雅運(yùn)動早期，氧化作用相對較弱，形成了22～7 Ma的鈾礦化；第4期發(fā)生在黃河誕生之后，為現(xiàn)代氧化作用，鈾礦化主要發(fā)生于研究區(qū)東部神山溝地段。

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