二連盆地哈達(dá)圖鈾礦床鈾礦化特征與成礦作用探討

杜鵬飛，康世虎，苗愛生，劉武生，張 鋒

（1.核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭，014010；2.核工業(yè)二四三大隊(duì)，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；3.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

二連盆地富含鈾、煤和油等礦產(chǎn)資源。從20世紀(jì)80年代以來，盆內(nèi)發(fā)現(xiàn)了努和廷、哈達(dá)圖、巴彥烏拉、賽罕高畢、蘇崩、查干、馬林諾夫斯基等一系列鈾礦［1-3］。哈達(dá)圖鈾礦床是盆地西北部2011年開展1：250 000區(qū)域鈾礦地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)的又一個(gè)大型砂巖型鈾礦，位于烏蘭察布坳陷齊哈日格圖次級(jí)凹陷中。目前關(guān)于哈達(dá)圖礦床研究主要集中在鈾的賦存狀態(tài)、地球化學(xué)特征、含礦目的層碎屑物特征等方面。結(jié)果表明鈾礦物主要呈粒徑極小的顯微狀、超顯微狀鈾礦物及其集合體形式吸附在黏土礦物、黃鐵礦及有機(jī)質(zhì)表面，以瀝青鈾礦為主。哈達(dá)圖礦床富礦石與強(qiáng)氧化還原能力ΔEh、中強(qiáng)酸、富Re等密切相關(guān)，與深部流體參與疊加成礦作用有關(guān)［4-9］。盡管眾多學(xué)者對(duì)此礦床的研究取得了諸多成果，該礦床成礦特征與成礦作用研究仍較少。筆者主要對(duì)哈達(dá)圖鈾礦床賦礦目的層砂體規(guī)模、鈾礦化特征以及鈾賦存狀態(tài)開展了系統(tǒng)的研究工作，探討了研究區(qū)鈾礦化特征與成礦作用。

1 區(qū)域地質(zhì)

哈達(dá)圖礦床位于齊哈日格圖凹陷北部，該凹陷受蘇尼特隆起、東方紅凸起、賽烏蘇凸起和塔木欽凸起夾持，南北向展布，其面積近700 km2，其約長60 km，寬（10～25）km（圖1）。區(qū)內(nèi)發(fā)育有三條斷裂構(gòu)造：一是盆內(nèi)基底斷裂，呈近東西向展布；二是近北東向的控盆構(gòu)造，主要發(fā)育在各次級(jí)凹陷邊緣部位，控制盆地蓋層沉積主體演化；三是盆地晚期構(gòu)造擠壓背景下形成的一系列斷裂構(gòu)造，部分區(qū)域見沉積蓋層發(fā)生較為強(qiáng)烈的剝蝕。盆內(nèi)主要出露早古生代及中新生代地層，含礦目的層主要位于中新生代沉積地層內(nèi)。

圖1 哈達(dá)圖地區(qū)構(gòu)造簡圖Fig.1 The structural sketch of Hadatu area

2 鈾礦化特征

2.1 含礦層特征

研究區(qū)主要含礦層為下白堊統(tǒng)賽漢組上段（圖2）。鉆孔編錄揭示，賽漢組上段河道北部（F48—F63線）和南部東側(cè)（F645—F171線）鈾礦化發(fā)育最好（圖3），鈾礦（化）體主要呈近南北向展布，南北長達(dá)20 km，鈾礦（化）體連續(xù)分布。賽漢組上段砂體厚度范圍80～230 m，由3～6個(gè)沉積旋回組成。其中，單層砂體厚20～135 m，橫向上連續(xù)穩(wěn)定，砂體隔水頂板為洪泛沉積泥巖，底板為旋回之間洪泛泥巖或賽漢組下段泥巖，隔層穩(wěn)定，具“泥-砂-泥”互層結(jié)構(gòu)，發(fā)育大規(guī)模氧化帶。

圖2 哈達(dá)圖地區(qū)典型鉆孔地層結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Typical stratigraphic structure of borehole in Hadatu area

圖3 哈達(dá)圖鈾礦床F645—F171線地質(zhì)剖面圖Fig.3 Geological section of Line F645—F171 of Hadatu uranium deposit

根據(jù)地層結(jié)構(gòu)、沉積旋回和測(cè)井曲線特征對(duì)目的層賽漢組上段進(jìn)行精細(xì)化研究，從下往上可以劃分出三個(gè)亞段（圖2），賽漢組上段第一亞段主要為一套礫質(zhì)辮狀河沉積，其碎屑顆粒粒度較粗，主要為細(xì)礫巖及粗砂巖，河道較寬，砂體發(fā)育較好且連續(xù)，其厚度為15～140 m；第二亞段河道為砂質(zhì)辮狀河沉積，以砂質(zhì)礫巖和粗砂巖為主，河道寬8～20 km，河道寬緩，砂體厚度30～125 m，砂體穩(wěn)定、連通性好；第三亞段河道為曲流河沉積，粒度較細(xì)，以中粗砂巖為主，寬度5～15 km，砂體厚度15～55 m，最大累計(jì)厚度約100 m，規(guī)模相對(duì)較小，砂體不連續(xù)，大部分呈透鏡體分布。

鉆孔揭示，哈達(dá)圖鈾礦成礦與賽漢組上段第一亞段（K1s2-1）、第二亞段（K1s2-2）沉積物質(zhì)密切相關(guān)。據(jù)研究區(qū)F48—F63線垂向地質(zhì)剖面圖可知，鈾礦主要產(chǎn)出于目的層中下部粗粒沉積物中，即賽漢組一、二亞段，由于沉積相和地球化學(xué)環(huán)境改變，鈾多富集于河道邊緣氧化還原過渡帶附近灰色粗砂巖、中砂巖中。第一亞段中鈾礦體埋深為294～548.69 m，平均厚度3.43 m。第二亞段中的礦體為研究區(qū)最主要含礦層位，礦體垂向上呈板柱狀、透鏡狀。

2.2 鈾礦石礦物特征

礦石主要為長石砂巖和巖屑長石砂巖，顏色為灰色和灰黑色，富含炭化植物碎屑及黃鐵礦。碎屑物含量80%～90%，成分主要為石英、長石和中酸性花崗巖、變質(zhì)巖巖屑，見少量黑云母，雜基含量小于10%，常見有伊利石和高嶺石。分選性差，以棱角-次棱角狀為主，雜基支撐，基底式膠結(jié)為主。礦石結(jié)構(gòu)主要有充填和包含兩種（圖4A），第一種充填結(jié)構(gòu)：裂隙中見星點(diǎn)狀黃鐵礦發(fā)育，鈾礦物以分散狀形式存在；第二種包含結(jié)構(gòu)（圖4B）：鉀長石與黃鐵礦表面溶蝕坑內(nèi)附著瀝青鈾礦，呈球粒狀。

圖4 掃描電鏡下礦石分布特征Fig.4 SEM image of ore distribution characteristics

哈達(dá)圖鈾礦床礦石及圍巖的巖石化學(xué)成分分析表明（表1）：a）含鈾礦物成分多為鋁硅酸鹽，鈾主要來源于中酸性花崗巖；b）燒失量、二價(jià)鐵、全鐵含量與鈾品位具正相關(guān)關(guān)系，說明氧化作用和還原介質(zhì)與鈾成礦相關(guān)；c）在U含量大于1%的礦石中MgO明顯增高，可能與綠泥石有關(guān)［10-11］，其他成分變化不大或無明顯規(guī)律。

表1 哈達(dá)圖鈾礦床礦石中硅酸鹽全分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)/%Table 1 Statistic of major element content/% of silicate in ore of Hadatu uranium deposit

通過掃描電鏡、電子探針觀察、分析鈾礦物的形態(tài)、大小、含量以及與黃鐵礦、黏土礦物等存在關(guān)系，礦石礦物類型以瀝青鈾礦為主，存在少量鈾石、磷鈣鈾礦，其存在形式主要表現(xiàn)為吸附態(tài)和充填于裂隙、孔隙兩種，與新疆伊犁及吐哈盆地鈾賦存特征相似［5-9］。鈾礦物形成于兩期，包括早期板狀磷鈣鈾礦和晚期鮞粒狀瀝青鈾礦（圖5A、B），其中瀝青鈾礦多分布于黃鐵礦周邊（圖5C），部分附著于黏土礦物表面（圖5D）或者充填于碎屑顆粒裂隙、孔隙內(nèi)；磷鈣鈾礦主要呈吸附態(tài)附著在黏土礦物表面（圖5D），包圍黃鐵礦或與瀝青鈾礦、鈾石共生，偶見細(xì)小鱗片狀，部分因后期改造出現(xiàn)裂縫；鈾石呈顆粒狀產(chǎn)于黏土礦物之中或產(chǎn)于碎屑顆粒裂隙、孔隙內(nèi)。

圖5 礦石掃描電鏡及質(zhì)譜分析圖Fig.5 SEM image and mass spectrometry analysis of ore

樣品15EL005和15EL020分析了8個(gè)鈾礦物點(diǎn)，其中UO2的含量高達(dá)81.86%，CaO的含量為3.76%～4.39%，SiO2的含量為1.05%～1.57%（表2）。礦石黑色含黃鐵礦、黃色黃鐵礦柱狀晶體，鈾礦物吸附于黃鐵礦晶體的表面，及長石、云母、石英顆粒間的空隙，以瀝青鈾礦為主。

表2 哈達(dá)圖鈾礦床鈾的單礦物類型與電子探針分析結(jié)果/%Table 2 Electronic probes analysis results/% of major elements of Single mineral in the Hadatu uranium deposit

3 鈾成礦作用討論

多種因素耦合形成了哈達(dá)圖鈾礦床，主要控礦因素有豐富的鈾源、規(guī)模較大的古河谷砂體、由南向北持續(xù)后生氧化作用、豐富的還原介質(zhì)、暢通的“補(bǔ)-徑-排”系統(tǒng)等［12-14］。哈達(dá)圖鈾礦床與巴彥烏拉、賽漢高畢鈾礦床成礦過程進(jìn)行對(duì)比，具有很大相似性［15-16］，初步將成礦作用過程分為4個(gè)階段：1）早白堊世晚期（K12）賽漢組上段鈾初始預(yù)富集階段；2）早白堊世晚期-前晚白堊世（K12-K2）賽漢組上段北部形成“天窗”形成鈾成礦預(yù)富集階段；3）晚白堊世至始新世（K2-E2）賽漢組上段砂體強(qiáng)烈改造富集成礦階段；4）漸新世至第四紀(jì)（E3-Q）保礦階段（圖6）。

圖6 哈達(dá)圖鈾礦床成礦階段示意圖Fig.6 Schematic diagram of metallogenic model for Hadatu uranium deposit

1）初始預(yù)富集階段（K12）

含礦目的層賽漢組上段初始沉積期為早白堊世晚期，該期形成了厚層且連續(xù)的砂體。此外，蝕源區(qū)含鈾含氧水沿河道腹部向兩側(cè)順層發(fā)育，形成了大規(guī)模的層間氧化帶，活化沉積砂巖本身的鈾隨氧化作用的而遷移，在還原砂體中初始預(yù)富集，進(jìn)而形成鈾礦化、鈾異常。

2）預(yù)富集階段（K12-K2）

賽漢組上段沉積之后至晚白堊世，在擠壓應(yīng)力場(chǎng)的作用下，在哈達(dá)圖北段與塔木欽之間形成背斜構(gòu)造，在背斜的軸部造成長時(shí)間的沉積間斷，使沉積層發(fā)生較為強(qiáng)烈的剝蝕，賽漢組上段目的層砂體形成大面積的“天窗”，天窗為有利的“排泄源”。此時(shí)，含鈾含氧水仍然沿著河道中央從南向北運(yùn)移，在氧化-還原界面附近預(yù)富集形成鈾礦（化）體。

3）富集成礦階段（K2-E2）

賽漢組上段目的層砂體中富含有機(jī)質(zhì)和細(xì)菌硫酸鹽，隨著沉積成巖作用的增強(qiáng)，伴隨細(xì)菌硫酸鹽的還原作用和目的層有機(jī)質(zhì)的分解，以及沿構(gòu)造導(dǎo)通上移的油氣、煤成氣進(jìn)入含礦層，大大增強(qiáng)了目的層還原容量，生成了大量的次生黃鐵礦，有利于鈾的沉淀和富集，在預(yù)富集基礎(chǔ)上沿河道兩側(cè)氧化-還原過渡帶富集成礦，推測(cè)該時(shí)期為礦床主成礦期，目前測(cè)得成礦年齡為（67.3～27.2）Ma（圖7a、b）。另外，該期氧化作用強(qiáng)烈，持續(xù)時(shí)間長，氧化作用貫通河道中央，氧化流體“越流”進(jìn)入二連組，二連組中也形成了工業(yè)鈾礦化。

圖7 哈達(dá)圖礦床瀝青鈾礦U-Pb年齡諧合圖Fig.7 Concordia plots of U-Pb ages for pitchblende from Hadatu deposit

4）保礦階段（E3-Q）

漸新世至第四紀(jì)，雖然哈達(dá)圖地區(qū)發(fā)生了一次沉降和一次抬升，但沉積物以厚層紅色泥巖為主，且形成了區(qū)域穩(wěn)定的隔水頂板，使氧化能力減弱，鈾成礦作用近乎停止，局部存在鈾成礦進(jìn)一步富集和改造。此外，受深部還原物質(zhì)作用，對(duì)已形成鈾礦起到了重要保護(hù)作用。

4 結(jié)論

1）鈾礦化主要產(chǎn)于賽漢組上段第一、二亞段，富集于河道側(cè)的氧化還原過渡帶附近的灰色砂礫巖中。礦體呈板柱狀、透鏡狀。

2）礦石礦物以瀝青鈾礦為主，存在形式主要表現(xiàn)為吸附態(tài)和充填兩種。

3）鈾成礦作用分為4個(gè)階段，分別為早白堊世晚期初始預(yù)富集階段、早白堊世晚期-前晚白堊世鈾成礦預(yù)富集階段、晚白堊世至始新世富集成礦階段、漸新世至第四紀(jì)保礦階段。