(成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院,成都 610059)
砂巖型鈾礦是目前世界上最重要的鈾產(chǎn)品來(lái)源之一,已被證實(shí)的資源約占世界鈾資源量的四分之一,對(duì)世界鈾資源起著決定性的作用[1]。這些砂巖型鈾礦大多在礦化過(guò)程中形成時(shí)代相對(duì)較新,主要發(fā)育在中生代盆地蓋層中。美國(guó)的懷俄明州保德河盆地、中亞的錫爾河盆地[2]、伊犁盆地、西西伯利亞地區(qū)Kansk-Achinsk 盆地[3]以及中國(guó)的吐哈盆地、鄂爾多斯盆地均發(fā)現(xiàn)了可地浸砂巖鈾礦。我國(guó)從90年代中期到現(xiàn)今都以尋找可地浸砂巖型鈾礦為主,并取得了較好的結(jié)果,在遼西—冀北建昌盆地、內(nèi)蒙二連盆地、鄂爾多斯盆地、吐哈盆地、伊犁盆地等盆地均已獲得具一定儲(chǔ)量的鈾礦床[4]。伊犁盆地是我國(guó)目前最重要的砂巖型鈾礦勘探開發(fā)基地,已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)和探明的礦床有庫(kù)捷爾太、扎基斯坦、蒙其古爾、烏庫(kù)爾其等[5],研究顯示:伊犁盆地南緣砂巖型鈾礦床的賦礦層位為侏羅系砂巖,其鈾源主要來(lái)自盆地南緣含鈾較高的巖漿巖,穩(wěn)定展布的厚層砂體是鈾礦形成的重要條件[6],侏羅系的沉積相特征直接影響砂體的發(fā)育,從而影響砂巖型鈾礦床的形成和展布[7]。目前雖然在伊犁盆地南緣礦床地質(zhì)、基礎(chǔ)地質(zhì)、成礦機(jī)制等方面取得了很多重要的成果,對(duì)于伊犁盆地北緣砂巖型鈾礦勘探卻少有進(jìn)展,一系列勘探井位的失敗,預(yù)示著應(yīng)用新的成礦理論指導(dǎo)鈾礦勘探打井已成為趨勢(shì)。近年來(lái)煤層自燃與砂巖鈾礦的成因聯(lián)系被提出[8],侏羅系煤層自燃的產(chǎn)物—燒變巖被認(rèn)為是伊犁盆地南緣鈾礦找礦標(biāo)志之一,用(與煤層自燃有關(guān)的)表生熱液鈾成礦理論指導(dǎo)伊犁盆地北緣,可驗(yàn)證該理論的可靠性。本文提出了用該理論指導(dǎo)鈾礦勘探的實(shí)例,預(yù)測(cè)了伊犁盆地遠(yuǎn)景勘探區(qū)和勘探井位。
伊犁盆地位于天山造山帶上,屬于斷陷-撓曲凹陷復(fù)合盆地,其復(fù)雜特殊的地形特征與中生代以來(lái)的造山帶斷裂活動(dòng)有關(guān)[9]。盆地基底為中上元古界及古生界褶皺巖系,蓋層由中生界陸相含煤碎屑沉積和中-新生界紅色碎屑沉積組成[10]。伊犁盆地是在天山海西地槽褶皺回返基礎(chǔ)上發(fā)展而成的次造山帶山間盆地,其構(gòu)造背景相對(duì)穩(wěn)定,該盆地具有形成層間氧化帶砂巖型鈾礦的良好地質(zhì)背景,在盆地南緣陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一系列鈾礦床和礦化點(diǎn),鈾礦化主要賦存于中、下侏羅統(tǒng)水西溝群含煤地層中[10]。伊犁盆地發(fā)育的中新生代地層有:三疊系中上統(tǒng)小泉溝群(T2-3xq)、侏羅系中下統(tǒng)水西溝群(J1-2sh)、中侏羅統(tǒng)頭屯河組(J2t)、白堊系(K)、新近系(N)和第四系(Q)。該盆地的含礦建造主要在中下侏羅統(tǒng)水西溝群中,為一套陸相暗色含煤碎屑巖系,劃分為4個(gè)組,由下而上依次是:八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)、西山窯組(J2x)、齊古組(J3q),其沉積環(huán)境顯示了從底部八道灣期沖積扇-扇三角洲到西山窯期曲流河轉(zhuǎn)變的特征,而齊古組巖性以含礫砂巖為主,夾泥巖,為濱湖-河流湖泊三角洲相[11]。其中八道灣組、三工河組和西山窯組均發(fā)育層間氧化帶型砂巖鈾礦床[12-14]。
伊犁盆地北緣含煤系厚約900m左右,其巖性特征與南緣大致相似,顯示出砂巖泥巖互層或砂泥夾煤層(煤線)的沉積特征,但也有一些特殊的現(xiàn)象。如砂巖中含有較多菱鐵礦;含泥灰?guī)r或含鈣泥巖;西山窯組處于相對(duì)穩(wěn)定的、水動(dòng)力不強(qiáng)的沉積環(huán)境,砂巖大部分為鈣質(zhì)膠結(jié)物,具有類似于石灰?guī)r地區(qū)的地貌特征;還發(fā)育水平層理、微斜層理[15]。八道灣組巖性為灰白色砂礫巖,含褐紅色、暗紅色泥質(zhì)斑塊,為扇三角洲、湖泊、泥炭沼澤相沉積;三工河組以灰色、深灰色、黃褐色粉砂巖、泥巖為主,砂巖與煤層互層,下部以中砂巖為主,也有含礫中砂巖,為典型的淺水湖泊-湖泊三角洲相沉積;西山窯組地層底部為灰白色—淺褐黃色礫巖,中部為灰色中、細(xì)砂巖和粉砂巖,上部由粉砂巖、泥巖、煤層夾碳質(zhì)泥巖組成,為河流-沼澤沉積環(huán)境[16-17]。盆地北緣地質(zhì)圖見(jiàn)圖1。
圖1 伊犁盆地北緣地質(zhì)簡(jiǎn)圖
根據(jù)最新研究成果,我們認(rèn)為伊犁盆地南緣的侏羅系砂巖型鈾礦多為與煤層自燃有關(guān)的表生熱液成因[8],通過(guò)對(duì)伊犁等盆地侏羅系砂巖型鈾礦的研究,認(rèn)為砂巖型鈾礦“層間氧化帶”中常見(jiàn)的紅、褐色“氧化帶”砂巖及“褪色帶”白色砂巖與煤層自燃過(guò)程對(duì)陸源碎屑巖的改造有關(guān),是一種特殊類型的燒變巖(如圖2所示)。干旱氣候條件下煤層大規(guī)模自燃,在氣候變化后的濕潤(rùn)氣候條件下,自燃煤層及其影響的砂、泥巖層(燒烤巖等)受大氣降雨影響,造成高溫流體沿著滲透性砂巖層流動(dòng),形成表生熱流體。在流動(dòng)過(guò)程隨著溫度降低,攜帶難以遷移的鈾等金屬元素沉淀、析出的過(guò)程[8]。表生熱液流動(dòng)的距離受煤自燃程度、大氣降水、滲透率及砂體發(fā)育規(guī)模等因素控制,其對(duì)砂巖的改造分為兩個(gè)方面[8]:相對(duì)高溫的熱流體(約600℃左右)對(duì)滲透性砂巖,特別是對(duì)砂巖中填隙物的熱改造,使其三價(jià)鐵礦物(如褐鐵礦、赤鐵礦、鈦鐵礦等)豐富而呈紅色,形成所謂的“層間氧化帶”,相對(duì)低溫的熱流體(約200℃左右)對(duì)砂巖改造比較弱,造成粘土礦物的轉(zhuǎn)化及巖石的“褪色”而呈白色,形成白色的“褪色帶”[8]。此成礦模式可以合理解釋砂巖型鈾礦主要分布在中國(guó)北方干旱地區(qū)的原因,預(yù)示著燒變巖是陸相含煤盆地表生熱液砂巖型鈾礦主要的找礦標(biāo)志[8]。
圖2 與煤層自燃有關(guān)的表生熱液砂巖型鈾礦成礦模式圖
時(shí)志強(qiáng)等[8]將燒變巖分為低溫烘烤巖(層狀烘烤巖)、燒烤巖(層狀燒烤巖和板狀燒烤巖)、燒熔巖三類四種,并認(rèn)為伊犁盆地和鄂爾多斯盆地砂巖鈾礦常與燒變巖空間距離近,在成因上有密切聯(lián)系。伊犁盆地南緣燒變巖分布廣泛,主要分布于盆地邊緣露頭區(qū),在其下延至盆地地腹埋深數(shù)百米的地層內(nèi)可發(fā)生陰燃,在燒變巖分布區(qū)之南數(shù)公里范圍內(nèi)分布有蒙其古爾、達(dá)拉地、扎基斯坦、庫(kù)捷爾太、烏庫(kù)爾其、洪海溝等多個(gè)砂巖型鈾礦床,其分布層位為西山窯組、三工河組及八道灣組。在伊犁盆地北緣侏羅系露頭區(qū),燒變巖也極為發(fā)育,在多個(gè)剖面多個(gè)層位均有發(fā)育,分布較廣,主要出現(xiàn)在中侏羅統(tǒng)西山窯組中,燒熔巖、烘烤巖和層狀低溫烘烤巖均可在露頭剖面中見(jiàn)到(圖3)。伊犁盆地北緣燒變巖的形成過(guò)程(即煤層自燃過(guò)程)可伴隨四價(jià)鈾向六價(jià)鈾的轉(zhuǎn)變,由此變得更易遷移,預(yù)測(cè)可以形成與盆地南緣成因類似的砂巖型鈾礦。
圖3 伊犁盆地北緣蘇拉宮剖面出露的侏羅系燒變巖宏觀特征
在伊犁盆地南緣陸續(xù)探明和發(fā)現(xiàn)了多個(gè)鈾礦床和一大批鈾異常、礦化點(diǎn)[5]。通過(guò)對(duì)盆地北緣蘇拉宮附近的燒變巖取樣測(cè)試發(fā)現(xiàn),經(jīng)高溫改造的煤層鈾元素含量異常為460ppm,顯示盆地北緣沉積巖中亦有較為豐富的鈾源,是表生熱液型砂巖鈾礦形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。時(shí)志強(qiáng)等[8]認(rèn)為侏羅系煤層的大規(guī)模自燃導(dǎo)致燃燒煤層本身以及上覆巖層物質(zhì)重組,在高溫條件下,鈾元素從賦鈾巖石(煤層、砂巖層或以前形成的鈾礦)中析出是砂巖鈾礦形成的主要過(guò)程之一。
伊犁盆地的形成與南北兩側(cè)相鄰的不同性質(zhì)造山帶密切相關(guān),南側(cè)塔里木板塊和北側(cè)哈薩克斯坦板塊在剪切擠壓應(yīng)力作用下造成巨大山間坳陷[18]。盆地在侏羅紀(jì)后期經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期而緩慢的抬升作用過(guò)程,導(dǎo)致侏羅系與白堊系之間有明顯的不整合接觸關(guān)系,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的背斜向斜使得地表氧化水得以持續(xù)、穩(wěn)定的補(bǔ)給,利于鈾礦化的形成[19-20]。伊犁盆地北緣褶皺發(fā)育,單斜的構(gòu)造背景和背、向斜造成了侏羅系地層的傾斜,在向斜核部出露的地層或被第四系覆蓋,伴隨著構(gòu)造活動(dòng),表生熱液可因此進(jìn)入滲透性強(qiáng)的砂巖層體,在流動(dòng)受阻的條件下,鈾元素從表生熱液流體中析出、富集而成礦。預(yù)測(cè)其成礦模式如圖4所示。
圖4 伊犁盆地北緣砂巖型鈾礦成礦模式圖
伊犁盆地中—下侏羅統(tǒng)暗色含煤碎屑巖建造沉積環(huán)境主要為沖積扇—三角洲沉積,有機(jī)質(zhì)含量高,具有多層泥-砂-泥(煤)巖性結(jié)構(gòu),是伊犁盆地南緣砂巖型鈾礦最主要的含礦層[21]。在伊犁盆地北緣,下侏羅統(tǒng)八道灣組沉積時(shí)期,盆地整體為泛濫平原環(huán)境,大面積的沖積扇和扇三角洲裸露,扇三角洲砂體發(fā)育穩(wěn)定,厚度大,延伸遠(yuǎn),有利于含鈾表生熱液的滲入;中侏羅統(tǒng)西山窯組沉積時(shí)期辮狀河、曲流河及沼澤發(fā)育,形成厚而穩(wěn)定的煤層和砂巖體,主要巖性為礫砂巖,巖石膠結(jié)疏松,孔隙發(fā)育,也有利于鈾礦的沉淀、富集。
根據(jù)上述有利因素,我們推斷伊犁盆地北緣也可能存在砂巖型鈾礦,具有較為良好的勘探前景,預(yù)測(cè)的依據(jù)有以下幾個(gè)方面:
1)燒變巖分布范圍
伊犁盆地南緣發(fā)育侏羅系煤層自燃后形成的燒變巖,盆地南部的扎斯坦及蒙其古爾鈾礦床位于扎基斯坦河兩側(cè),綿延河流上游數(shù)公里[8]。而在伊犁盆地北緣西山窯組中,燒熔巖、低溫烘烤巖和燒烤巖均有大規(guī)模分布(圖3),形成了與盆地南緣類似的表生熱液成礦條件。
2)砂巖層分布
在伊犁盆地南緣中侏羅統(tǒng)地層的八道灣組、三工河組、西山窯組、齊古組是盆地內(nèi)鈾、煤礦產(chǎn)的賦存層位,其(煤)泥-砂-泥的地層結(jié)構(gòu),為成礦提供巖相條件和巖性組合[22]。而這些地層也分布于伊犁盆地北緣露頭區(qū)的南端,并且砂巖的粒度由粗逐漸變細(xì),砂泥比值由大變?。▓D5),大套的砂巖可為含礦流體的滲透和流動(dòng)運(yùn)移提供通道。
3)構(gòu)造控制的地層產(chǎn)狀
在伊犁盆地南緣,中等強(qiáng)度的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)環(huán)境為鈾成礦提供動(dòng)力條件[24],后期形成的層間氧化帶及對(duì)鈾礦化的改造作用使得層間氧化帶及鈾礦化復(fù)雜多變,影響和控制著礦床的形成和發(fā)育[19]。伊犁盆地北緣有單斜(圖4-A)和向斜(圖4-B)的構(gòu)造組合,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱,地層產(chǎn)狀相對(duì)平緩,背、向斜局部發(fā)育,為表生熱液滲流提供了空間和通道。
4)水系走向
伊犁盆地隆起地區(qū)屬滲入型自流盆地,為地下水補(bǔ)給區(qū),新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使盆地內(nèi)斷裂活化,形成了良好的補(bǔ)給-徑流-排泄循環(huán)體系,為地下水的排泄提供了通道[25-26]。伊犁盆地北緣現(xiàn)代水系走向?yàn)槟媳毕?,盆地中部的伊犁河為地下水的排泄區(qū),新生代盆地北緣水系分布與現(xiàn)代類似,上游河流攜帶來(lái)自燃煤層及附近高溫?zé)編r層中釋放的鈾元素,在新生代滲透性較好的砂巖層中遷移、富集(圖4)。
圖5 伊犁盆地北緣水西溝群巖性對(duì)比圖(據(jù)李盛富,2017)[23]
基于盆地的成礦模式和對(duì)盆地內(nèi)表生熱液成因的砂巖型鈾礦的認(rèn)識(shí),本文對(duì)伊犁盆地北緣的砂巖型鈾礦進(jìn)行了有利區(qū)勘探預(yù)測(cè),共分為三級(jí)有利區(qū)域,并大致圈定了九個(gè)勘探井位以供下階段勘探證實(shí),具體位圖見(jiàn)圖6。根據(jù)表生熱液成礦理論,新近系覆蓋的地區(qū)侏羅系煤層難以自燃,因而難以提供高溫鈾源來(lái)形成砂巖鈾礦床,有利的遠(yuǎn)景區(qū)主要位于燒變巖分布區(qū),即侏羅系煤層出露區(qū)及其附近地區(qū)。
1)Ⅰ型區(qū)域:為最有利勘探區(qū),位于盆地北緣的中段,在Ⅰ型區(qū)域中有較少的斷層,具備向斜構(gòu)造,有充足的來(lái)源于上游流至伊犁河的水系,且水系上游可見(jiàn)廣泛發(fā)育的燒變巖,與之有關(guān)的鈾元素通過(guò)表生熱液運(yùn)移、聚集,從而富集成礦。
2)Ⅱ型區(qū)域:為次有利勘探區(qū),位于盆地北緣的東段,燒變巖廣泛可見(jiàn)。此地區(qū)侏羅系濱湖三角洲相發(fā)育砂體有一定厚度且穩(wěn)定,值得進(jìn)行下一步的研究勘探。
3)Ⅲ型區(qū)域:該地區(qū)地層產(chǎn)狀較緩,有向斜發(fā)育或預(yù)測(cè)有第四系覆蓋的地腹向斜構(gòu)造,有侏羅系燒變巖發(fā)育和滲透性砂巖層分布;可能受到新生代水系的影響。可作為遠(yuǎn)期勘探區(qū)。
圖6 伊犁盆地北緣砂巖型鈾礦有利區(qū)域勘探預(yù)測(cè)圖
1)伊犁盆地北緣侏羅系煤層自燃形成的燒變巖是尋找砂巖型鈾礦的標(biāo)志,滲透性砂巖層和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的褶皺為鈾礦的運(yùn)移、富集提供有利條件。根據(jù)燒變巖分布、煤層鈾異常、構(gòu)造因素以及沉積背景認(rèn)為伊犁盆地北緣存在砂巖型鈾礦賦存的基本地質(zhì)條件,具備一定的勘探前景。
2)根據(jù)伊犁盆地南緣的表生熱液成礦理論模式,預(yù)測(cè)了伊犁盆地北緣砂巖鈾礦遠(yuǎn)景區(qū),認(rèn)為有利勘探區(qū)分為三類,Ⅰ型為最有利勘探區(qū),斷層可見(jiàn),還有向斜構(gòu)造和充足的水源,可著重進(jìn)行勘探;Ⅱ型為次有利勘探區(qū),燒變巖廣泛分布,有大套的砂巖存在,具有勘探的價(jià)值;Ⅲ型區(qū)域受水系和構(gòu)造的因素影響為相對(duì)有利勘探區(qū),若有條件也可對(duì)此區(qū)域適當(dāng)展開工作。