準噶爾盆地西緣車排子地區(qū)砂巖型鈾礦成礦潛力及找礦方向

趙 磊,胡兆國,華 北,梅貞華,秦 峰,吳春文,王富偉,張之武,孫 峰,李 寧,王小玉

(1.中國冶金地質總局山東正元地質勘查院，山東濟南 250014；2.中國冶金地質總局礦產資源研究院，北京 101300；3.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257200；4.中國石油化工股份有限公司新疆新春石油開發(fā)有限責任公司，山東東營 257000；5.中國冶金地質總局，北京 100025)

0 引言

新疆準噶爾盆地是我國重要的砂巖型鈾礦成礦省(圖1a，張金帶，2016；朱鵬飛等，2018)，自中新生代以來該地長期處于相對穩(wěn)定的沉積狀態(tài)，盆地邊緣形成了巨大的沉積物斜坡帶，加之新近紀以來，其長期處于干旱-半干旱的氣候條件，為砂巖型鈾礦提供了良好的構造條件和氣候條件。前人對準噶爾盆地鈾礦開展了大量工作(劉健等，2003；高山林等，2006；郭召杰等，2006；張虎軍等，2012；何中波等，2016；陳奮雄等，2016；秦明寬等，2017；郭強等，2018；萬漢平等，2020)，并且在盆地周緣陸續(xù)找到多處砂巖型鈾礦(點)(張衛(wèi)民，2002；王果等，2016；何中波等，2018；王浩鋒等，2019)，但是前人工作主要集中于盆地東緣和北緣地區(qū)，以侏羅系、白堊系和古近系為主要找礦目標層，盆地西緣研究工作相對薄弱，尤其對新近系成礦潛力未予足夠的重視。

近年來，在位于準噶爾盆地西緣、扎伊爾山以南的車排子凸起帶，油氣勘探工作在新近系中發(fā)現了放射性異常(余琪祥，2008；黨龍和唐湘飛，2015)，然而，車排子地區(qū)鈾礦化和油氣之間否存在成因聯系？砂巖型鈾礦成礦潛力和找礦方向如何？這些都是亟待解決的科學問題。鑒于此，本文通過對車排子地區(qū)地質、地球化學特征的研究，結合準噶爾盆地西緣區(qū)域地質、構造以及水文地質條件，對車排子地區(qū)砂巖型鈾礦成礦條件和成礦方式進行詳細研究，以探討區(qū)域內砂巖型鈾礦成礦潛力和找礦遠景。

1 成礦地質背景

車排子凸起位于準噶爾盆地西緣，平面上呈近似三角形狀，其東為昌吉凹陷和中拐凸起，紅山嘴-車排子斷裂帶為二者界線；其南為四棵樹凹陷，以一系列近東西向斷層為界；其西和西北為扎伊爾山(圖1b)。車排子凸起隆升不均衡，總體上西北部扎伊爾山前隆起最高，向東、南隆起幅度逐漸降低，消失于奎屯-安集海一帶。

圖1 準噶爾盆地大地構造位置圖(a，據Pirajno et al.,2011)、準噶爾盆西緣地質構造簡圖(b，據翟光明，1993修改)

1.1 構造

車排子地區(qū)經歷多期構造疊加改造，發(fā)育復雜的斷裂體系(梁宇生，2019)。受主斷裂紅山嘴-車排子斷裂影響，區(qū)內次級斷裂多呈近NS向和近EW向，少量為NW-SE向(董大偉等，2015；胡秋媛等，2016)。斷裂以正斷層為主，傾向南東，傾角60°～70°(圖2)。

圖2 車排子凸起構造圖(據董大偉等，2015修改)

1.2 地層

在車排子凸起基底之上依次沉積石炭系、侏羅系、白堊系、新近系和第四系(圖3)。石炭系為太勒古拉組(C2t)和包古圖組(C1b)，巖性為一套大洋島弧背景的火山巖-火山碎屑巖。侏羅系八道灣組(J1b)巖性主要為厚層的灰色、雜色礫巖和角礫巖，與下伏石炭系是角度不整合接觸。白堊系吐谷魯群(K1tg)巖性主要為淺紅色泥巖、淺灰綠色粉砂質泥巖和灰綠色砂巖，與下伏侏羅系呈角度不整合接觸。新近系沙灣組(N1s)巖性以灰色、藍灰色泥巖、粉砂巖、灰白色細砂巖、含礫細砂巖為主；塔西河組(N1t)，巖性組合上部為棕紅色、灰褐色泥巖和棕紅色粉砂質泥巖夾少量灰色、棕紅色泥質粉砂巖、粉砂巖，下部為褐灰色砂礫巖和棕紅色細砂巖，與下伏新近系沙灣組為整合接觸。第四系(Q)主要為風積物和殘積物。其中沙灣組和塔西河組是區(qū)內主要潛在含礦層位，巖石組合多具“泥-砂-泥”結構。

圖3 車排子地區(qū)地層剖面圖(剖面位置見左下角)

2 鈾礦化特征

通過對車排子地區(qū)內油田測井和編錄資料進行篩選和研究，擇優(yōu)選擇成礦潛力較好的鉆孔進行驗證，了解鈾礦化及對應砂體特征，為研究區(qū)內成礦潛力提供依據。

2.1 放射性異常特征

本次研究通過對新疆車排子地區(qū)油田資料二次開發(fā)利用，篩選GR異常值大于300 API石油探井50多孔，GR(自然伽馬)異常70多層，其中GR異常>600 API的有47層，GR異常>1000 API的有23層；GR異常厚度1.3～17.5 m，平均厚度5.30 m(圖4)。異常主要位于新近系沙灣組，白堊系吐谷魯群(K1tg)和塔西河組(N1t)中亦有少量分布，對應巖性主要為泥質粉砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖(圖5)。

圖4 車排子地區(qū)異常鉆孔分布圖

圖5 新疆車排子地區(qū)連井剖面

2.2 驗證情況

本次研究工作在車排子地區(qū)共施工3個鉆孔，由北向南依次為1#，2#，3#(圖4)，其中一個為工業(yè)孔(3#)，另外兩個為鈾礦化孔(1#和2#)。鉆孔共揭露2套砂體，砂體厚度為4～15 m，屬較穩(wěn)定砂體，連通性較強，巖性以粗砂巖和含礫粗砂巖為主，屬強透水層。砂體呈淺灰白色，局部含有油跡或油斑，表現出還原性砂體特征，是非常有利的鈾礦化后生改造條件。砂體兩側圍巖為藍灰色泥巖、粉砂質泥巖，巖石中多發(fā)育草莓狀或星散狀黃鐵礦，砂體及圍巖均處于還原環(huán)境中(圖6)。砂體中發(fā)現4段鈾礦(化)層，單層最厚為4.6 m，最高品位為0.0206%，平米鈾量最高為2.05 kg/m2；主要位于新近系沙灣組中，根據巖心顏色和巖心中含有大量黃鐵礦等特征表明鈾礦化主要位于過渡帶或偏還原環(huán)境內。

圖6 3#鉆孔柱狀圖及γ測井曲線圖

3 成礦潛力分析

通過對車排子地區(qū)砂巖型鈾礦成礦潛力和找礦方向的分析，為下一步勘查工作指明方向。

3.1 鈾源條件

車排子凸起西北蝕源區(qū)的扎伊爾山中石炭系巖漿巖非常發(fā)育，主要為中酸性巖漿巖，這些地質體中鈾含量為0.64×10-6～3.28×10-6，平均值為1.7×10-6；釷的含量為3.65×10-6～12.40×10-6，平均值為8.25×10-6，Th/U值為2.24～10，平均值為5.15(蘇玉平等，2006；王中剛等，2006；趙振華等，2006；宋繼葉，2014；魏少妮和朱永峰，2015)，活性鈾浸出率為1.64%～3.59%，平均值2.62%，浸出率為準噶爾盆地周緣最高(宋繼葉，2014)。因此，這些相對富集U、Th且活性鈾浸出率高的巖體，是車排子地區(qū)鈾礦富集的主要源區(qū)，在風化淋濾的作用下，形成富含鈾元素的流體(張宇龍等，2006)，為車排子地區(qū)源源不斷的提供鈾源。

相對于釷元素，鈾是變價元素，地球化學性質較為活潑，且U6+易溶于水。在地表風化淋濾作用下，鈾元素易于活化遷出，而釷元素基本仍保留在原地。巖石中，由于離子半徑相近，鈾釷元素往往相互伴生，其含量比值相對固定，因此Th/U比值一定程度上反映鈾源區(qū)鈾元素的活化遷移。

鈾源區(qū)中鋯石鈾釷含量能夠反應原始巖漿的鈾含量(李耀菘等，1995)。蝕源區(qū)中酸性巖體中鋯石U含量為(6～188)×10-6，平均值為66×10-6；Th含量為(4～184)×10-6，平均值為46×10-6，Th/U比值0.37～1.52，平均值為0.71(宋繼葉，2014；魏少妮和朱永峰，2015)；全巖中Th/U值為2.24～10，平均為5.15。蝕源區(qū)巖體全巖中的Th/U值明顯高于鋯石中Th/U值，表明這些巖體成巖后，可能已經向車排子凸起內砂巖提供物質來源。

3.2 構造條件

新近紀以來(N-Q)，車排子凸起處于相對穩(wěn)定的沉積環(huán)境(楊勇等，2011；董大偉等，2015；胡秋媛等，2016)，來自北西、西部的物源在車排子凸起沉積了沙灣組、塔西河組等地層(蘇朝光和仲維蘋，2010)。地層由老到新，均超覆沉積，新地層將老地層封閉，地層沿傾向延續(xù)性較好，沿走向穩(wěn)定性較好，總體上由NE向SW地層厚度逐漸增厚。

這些地層均為區(qū)域性單斜地層，傾角在3°～10°之間。緩傾角地層控制了研究區(qū)水動力系統(tǒng)格局，形成了完善而復雜的補-排-徑體系水動力體系，控制著含礦流體的運移方向，強化了水巖反應與物質交換，有利于層間氧化帶發(fā)育(張金帶等，2005；金若時等，2014)。此外，研究區(qū)地層中斷層構造多切穿不同的地層，為含礦流體在不同層位物質交換提供條件，同時，為還原性油氣運移提供通道，有利于地球化學障的形成和含鈾流體的還原富集(劉文進等，2019)。因此，本文認為車排子凸起構造體系具有較好的砂巖型鈾礦成礦構造條件。

3.3 巖性、巖相條件

車排子地區(qū)主要含礦層位為新近系沙灣組，多具“泥-砂-泥”巖性組合結構，經統(tǒng)計泥砂比約為1∶2(楊愷等，2012)。沙灣組內砂體規(guī)模較大，厚度大(4～25 m)，砂體連續(xù)(圖7)，為砂巖型鈾礦成礦提供巨大的成礦空間。沙灣組平面沉積相呈NW-SE向展布，以沖積扇相和河流沉積相為主(楊少春等，2011；葉茂松等，2015)，沉積物源來自北西方向的扎伊爾山，源區(qū)的花崗巖類和火山巖類具有較高鈾豐度值。

圖7 車排子地區(qū)南北向沙灣組砂體分布圖

研究區(qū)內砂體主要由灰白色含礫粗砂巖、粗砂巖和少量砂礫巖組成，巖石為中-粗粒，主要造巖礦物為石英、鉀長石、斜長石及少量粘土礦物，巖石膠結物類型以鈣質為主(圖8、9)。據春風油田巖石物性分析資料統(tǒng)計，巖石孔隙度為22.9%～39.7%，平均值為33.6%；滲透率為(54.1～9490)×10-3μm2，平均值為3436.8×10-3μm2。砂體中巖石孔隙度高、滲透性好，為含鈾流體的運移提供了良好通道。

圖8 灰白色粗砂巖

3.4 水文地質條件

3.4.1 補-徑-排條件

車排子地區(qū)補給區(qū)主要為北部的扎伊爾山，補給區(qū)基巖主要由石炭系火山巖和花崗巖等組成。受區(qū)域性達爾布特斷裂影響，源區(qū)巖石遭受強烈破壞作用，構造裂隙水十分發(fā)育，是車排子地區(qū)主要補給源，其補給主要為大氣降水和冰雪融水。扎伊爾山山前有新近系出露或被第四系淺覆蓋，有利于新近系含水層地下水的補給。車排子凸起的地層傾向南東，地下水徑流方向與地層傾向一致，經扎伊爾山源區(qū)不斷的補給，在新近系地層中，形成沿斜坡帶自流或承壓自流，新近系斜坡帶為徑流區(qū)。排泄方式主要為沿斷層破碎帶排泄，研究區(qū)主要排泄區(qū)為車排子凸起東部紅車斷裂一帶。區(qū)內地下水由補給區(qū)至排泄區(qū)形成了一個完整的水循環(huán)系統(tǒng)，有利于含氧地下水攜帶活性鈾沿新近系地層運移。

圖9 灰色砂礫巖

3.4.2 地下水化學特征

潛水水化學特征：扎伊爾山一帶，由于巖石強烈破碎，裂隙水較為發(fā)育，礦化度約為0.2 g/L，以HCO3-Ca型為主；在山前地帶礦化度升高，約為0.5 g/L，水化學類型主要為SO4·HCO3-Na·Ca型。

承壓水水化學成分，自北東至南西，由補給源區(qū)向盆地延伸，水化學類型由開啟型HCO3-Ca水型逐漸演變?yōu)榉忾]型SO4·Cl-Na·Ca水型，水礦化度也逐漸升高，表明由NE至SW方向，地下水動力逐漸變弱，砂體由氧化環(huán)境漸變?yōu)檫€原環(huán)境，砂體封閉性逐漸變強(余琪祥等，2010；占慶等，2015)。地層水化學特征分析表明研究區(qū)具備良好的地層水化學環(huán)境，為鈾礦床保存提供了保障。

3.5 氧化-還原條件

通過地球化學指標樣統(tǒng)計分析，樣品基本反映目的層氧化還原特征，巖石顏色對氧化還原特征反映最明顯(劉健等，2003；李盛富和張?zhí)N，2004)。根據含礦層位砂體Fe3+、Fe2+、C有、S全等地球化學指標(表1)，目標砂體Fe3+/Fe2+比值介于0.65～2.45之間，目的層有機質含量一般在0.02%～0.21%之間，在油氣活動層位有機質含量明顯增高，達到4.13%，同時S全含量增高，說明油氣活動為目的層補充了還原劑。

沙灣組砂體中Fe3+和Fe2+整體含量不高，由北向南鉆孔依次為1#、2#、3#(圖4)，鉆孔中沙灣組砂體Fe3+/Fe2+比值由北向南逐漸降低(1#為2.45～2.68、2#為1.33～1.48、3#為0.45～1.35)，其對應的自然伽馬峰值強度依次升高(1#為795 API、2#為1668 API、3#為2912 API)。由研究區(qū)鉆孔Fe3+/Fe2+比值和自然伽馬峰值強度變化規(guī)律可知，北部砂體具有較好的氧化條件，保證了鈾元素隨含氧流體搬運；向南砂體逐漸演變?yōu)檫€原環(huán)境，能夠形成有效的地球化學障。鈾礦儲層中具有低的有機質含量，說明有機質在參與鈾成礦過程中被大量消耗。同時，具有較強的還原性油氣為儲層補充還原劑，為鈾的快速還原沉淀提供保障。因此，沙灣組砂體中有利的氧化還原條件，為砂巖型鈾礦的形成提供了有利條件。鈾礦化主要位于過渡帶或偏還原環(huán)境內，也證明了這點。

3.6 氣候條件和地貌特征

新近系以來，準噶爾盆地西北部緩慢抬升，新近紀初期氣候潮濕，上新世變?yōu)榘敫珊担率篮腿率捞幱诟珊灯?，氣候呈現干濕交替變遷特點，但整體趨于干旱(潘春孚等，2011)，含礦層位(新近系沙灣組)大面積出露地表。在干旱氣候條件下，植被不發(fā)育，有機物及腐殖質等還原介質較少，大氣氧能夠毫無阻擋地深入地下，進入層間。同時，地殼抬升使地下水位下降，地下水的循環(huán)加劇，氧化帶沿可滲透性巖層向縱深發(fā)展，有利于鈾元素的活化、遷移，并提高鈾元素在水中的濃度，有利于在盆地中滲入成礦。

4 成礦潛力和找礦方向

基于對車排子地區(qū)鈾礦成礦條件的分析，結合研究區(qū)內放射性異常和已開展的驗證情況，對車排子地區(qū)成礦潛力及找礦方向進行初步論斷：(1)車排子地區(qū)具備形成砂巖型鈾礦需要豐富的鈾源、較大規(guī)模的斜坡帶、有利的地下水補-徑-排系統(tǒng)及氧化還原環(huán)境等因素；(2)由于粘土礦物的吸附性，泥巖的吸附性往往高于砂巖。但是在車排子地區(qū)砂巖具有高GR異常值特征，我們認為這是砂巖富集鈾礦物所致，也證明車排子地區(qū)具有較好的找礦潛力；(3)沙灣組砂巖性組合具有泥-砂-泥組合特征。巖石粒度較粗、泥質含量低、孔隙度較高并且砂體的滲透性較好，有利于成礦流體的運移；富含還原物質有利于鈾礦的沉淀富集；(4)鈾礦化類型為油氣還原型。車排子地區(qū)鈾礦化與油氣均分布于盆地邊緣的斜坡帶中。從層位來看，油氣主要位于侏羅系和白堊系吐谷魯群，新近系沙灣組次之；鈾礦化主要賦存于新近系沙灣組和塔西河組，白堊系吐谷魯群次之。從空間來看，橫向上二者呈北東-南西向展布，縱向上呈上下疊置關系，鈾礦化位于油氣段上部(余琪祥等，2010)。鉆孔中含鈾礦化砂體中均含油跡或油斑。

由上述可知，沙灣組砂體自身還原物質有限，還原能力不足，后期油氣的運移擴散增加了還原性，含鈾含氧流體沿砂體向中心運移過程中，在補給水壓力與油氣滲出壓力相近的區(qū)域，發(fā)生氧化還原反應，使得鈾沉淀富集。

車排子地區(qū)主要找礦方向：(1)區(qū)內油田鉆井中GR高異常，是最直接的指示標志。GR異常厚度大、峰值高，異常面積大區(qū)域是尋找鈾礦層重要部位。(2)儲層為新近系沙灣組砂體，研究區(qū)東南部砂體厚度大，埋深小于700 m，油氣顯示較差的砂體是重要的找礦目標層。(3)已見工業(yè)鈾礦體鉆孔，對其進行追索，為尋找到較好的工業(yè)鈾礦體提供指導。

5 結論

(1)通過對車排子地區(qū)鈾源、構造、巖性巖相、水文地質、氧化還原環(huán)境及氣候及地貌特征等控礦因素分析研究，結合油田資料二次研究和放射性異常驗證成果，認為車排子地區(qū)具備良好的砂巖型鈾礦成礦條件。

(2)沙灣組地層中原始還原容量不足，后期油氣擴散增加地層的還原容量，當含鈾流體進入砂體后，在油氣作用下造成鈾元素的富集。研究表明車排子地區(qū)鈾礦類型主要為油氣還原型。

(3)車排子地區(qū)主要目標層為新近系沙灣組，砂體規(guī)模較大，沿走向和傾向連續(xù)分布；砂體孔隙度高、滲透性好等特征，有利于成礦流體的運移，所處的還原環(huán)境有利于鈾礦的沉淀富集。

致謝：感謝郭鵬遠博士和代俊峰博士在論文編寫過程中給予的熱心幫助；衷心感謝兩位匿名審稿專家提出的寶貴修改意見。