二連盆地中部構(gòu)造-氧化帶發(fā)育樣式與砂巖型鈾成礦關(guān)系研究

秦彥偉，方石，劉波，呂永華，喬鵬，王偉，董續(xù)舒

（1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130000；2.核工業(yè)二〇八大隊，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

二連盆地是我國北方重要的中新生代油-煤-鈾疊合沉積盆地［1-2］。近年來，盆地內(nèi)砂巖型鈾礦勘查捷報頻傳，在盆地中部的馬尼特坳陷和烏蘭察布坳陷內(nèi)先后發(fā)現(xiàn)了巴彥烏拉大型、賽漢高畢小型、哈達(dá)圖大型鈾礦床［3-4］。二連盆地中部砂巖型鈾礦床具有“帶狀展布”、“同河谷多礦床、同河谷多類型”［5］、“同盆地多類型”［6］的特點，以往研究多側(cè)重于單個礦床或單一層位（多為賽漢組上段），而對礦床（礦點）間、不同層位（賽漢組上段和下段）間對比研究較薄弱。本文通過賽漢組構(gòu)造-氧化帶發(fā)育樣式研究，總結(jié)了烏蘭察布-馬尼特坳陷內(nèi)各次級凹陷的構(gòu)造樣式及其組合特征，并建立了構(gòu)造-氧化帶發(fā)育樣式與鈾成礦間的關(guān)系，為二連盆地“多類型”砂巖型鈾礦的研究提供基礎(chǔ)，并為國內(nèi)外具有相似構(gòu)造背景地區(qū)尋找該類型礦床提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

1.1 盆地基底及構(gòu)造單元

二連盆地的大地構(gòu)造位置處于亞洲板塊與西伯利亞板塊縫合線部位，是中生代后期在華力西褶皺基底和侏羅系殘留盆地基礎(chǔ)上，經(jīng)正向斷層強烈拉伸、裂陷而形成的一群中、小盆地群的組合［7］。盆地基底構(gòu)造復(fù)雜，具有多凹多凸、凹凸相間的構(gòu)造形態(tài)，可劃分為“五坳一隆”6 個二級構(gòu)造單元，分別為西部的川井坳陷、北部的烏蘭察布坳陷、馬尼特坳陷和南部的騰格爾坳陷、烏尼特坳陷，中間為北東向展布的蘇尼特隆起（圖1）。

圖1 二連盆地構(gòu)造分區(qū)略圖Fig.1 Sketch map of structural division of Erlian Basin

1.2 盆地蓋層及目的層

盆地內(nèi)沉積蓋層包括侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系。侏羅系由下部含煤碎屑巖建造及上部火山巖組成。白堊系為沉積蓋層主體組成部分，由下至上依次為下白堊統(tǒng)阿爾善組、騰格爾組、賽漢組和上白堊統(tǒng)二連組（圖2），其中二連組是同沉積泥巖型鈾礦的主要找礦層位，騰格爾組作為砂巖型鈾礦的次要找礦層位目前僅發(fā)現(xiàn)零星的礦化線索。賽漢組為砂巖型鈾礦的主要找礦層位，是盆地在斷坳轉(zhuǎn)換階段的沉積產(chǎn)物，可進(jìn)一步分為賽漢組上段和賽漢組下段。賽漢組上段是古河谷型鈾礦賦礦層位，為一套辮狀河-辮狀河三角洲-湖沼沉積，已在盆地中部圈出長約350 km的帶狀古河谷砂體；賽漢組下段為辮狀河三角洲-扇三角洲-湖泊沉積，砂體發(fā)育，是潛水-層間氧化型鈾礦的主要找礦層位。

圖2 二連盆地中部地層柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of central Erlian Basin

2 構(gòu)造形成與演化

二連盆地內(nèi)的蓋層構(gòu)造是在基底構(gòu)造基礎(chǔ)上，通過拉張斷陷和差異升降兩大不同應(yīng)力場環(huán)境，逐漸繼承發(fā)展和改造變化而來，盆地中部主要有北東-北北東向及北西向兩組構(gòu)造。通過對盆地下白堊統(tǒng)構(gòu)造研究，將其構(gòu)造樣式分為五大類型，分別為伸展構(gòu)造、反轉(zhuǎn)構(gòu)造、擠壓構(gòu)造、重力構(gòu)造、扭動構(gòu)造。不同的構(gòu)造樣式形成不同性質(zhì)的斷裂及褶皺構(gòu)造，并控制了次級凹陷及凸起的展布方向和蓋層的分布及形態(tài)（圖3）。這些構(gòu)造類型又以前3 種最為常見，其中伸展構(gòu)造多集中在下部層位（以T3反射層為界），即富油層阿爾善組（K1a）和騰格爾組（K1t），控制了坳陷內(nèi)凹凸相間的構(gòu)造格局。對找礦目的層賽漢組而言，其是在基底差異升降運動的背景下沉積形成，以坳陷為沉積單元，除沉積邊界受斷裂構(gòu)造控制外，在坳陷內(nèi)主要受反轉(zhuǎn)構(gòu)造、擠壓構(gòu)造影響，并發(fā)育后期褶皺和斷裂構(gòu)造。

圖3 二連盆地中部典型地震剖面圖（地震剖面位置見圖1，地震剖面來源自核工業(yè)北京地質(zhì)研究院）Fig.3 Typical seismic profile of central Erlian Basin（Section 1 of seismic profile）

2.1 構(gòu)造樣式及成因

二連盆地中部地區(qū)包括烏蘭察布坳陷和馬尼特坳陷兩個二級構(gòu)造單元，坳陷的構(gòu)造樣式和類型具有典型的拉張?zhí)卣鳎鋬?nèi)部凹陷主要為雙斷式凹陷（地塹）和單斷式箕狀凹陷（半地塹）（圖4）。前者如塔北凹陷—準(zhǔn)寶力格凹陷—齊哈日格圖凹陷—腦木根凹陷一線的雙斷型斷陷帶（圖4 a、b、c、d），而后者有艾勒格廟凹陷（圖4e）、額仁淖爾凹陷（圖4f），斷陷窄而長［8-9］，呈北東向近平行斜列展布，與盆地主構(gòu)造線方向一致。

圖4 烏蘭察布-馬尼特坳陷次級凹陷典型構(gòu)造樣式地震剖面圖（地震剖面位置見圖1）Fig.4 Seismic profile of typical structural styles in the secondary sag of Wulanchabu-Manite Depression（Section 1 of seismic profile）

Fesson（2010）對這兩類構(gòu)造樣式的成因進(jìn)行研究［10］，認(rèn)為伸展作用發(fā)生時：1）兩條主要正斷層朝相背方向傾，中間形成的斷塊向上凸起，此時形成地壘構(gòu)造（圖5a）；2）如果兩條主要正斷層朝相向方向傾，中間塊體就向下凹陷，形成地塹構(gòu)造（雙斷凹陷）（圖5b）；3）若只有一條主要正斷層，那么斷塊會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，即在上盤塊體沿斷層向下滑動時，同時發(fā)生旋轉(zhuǎn)，形成的“地塹”一邊深，一邊淺，也稱為“半地塹”或單斷箕狀凹陷（圖5c）。

圖5 構(gòu)造樣式成因及其組合模型（a、b、c 據(jù)Fesson，2010 修改［10］）Fig.5 The mechanism of structural style and its combination model

二連盆地在早白堊世期間強烈的伸展作用背景下，發(fā)育了一系列北東向展布的正斷層，進(jìn)而形成了次級凹陷以單斷箕狀凹陷（圖5d）和雙斷式凹陷（圖5e）為主的構(gòu)造樣式。而從坳陷范圍內(nèi)看其具有復(fù)式斷陷特征，在垂直坳陷長軸方向次級凹陷呈并聯(lián)式組合，形成了多個（一般為3 個）單斷和雙斷式凹陷的組合，一般靠近隆起的凹陷為單斷式，內(nèi)部的凹陷則為雙斷式。二連盆地中部的烏蘭察布坳陷和馬尼特坳陷均為此類組合形式，又可細(xì)分為兩種構(gòu)造組合模型，模型一如圖5f 所示，兩側(cè)為向隆起上超覆的單斷凹陷、中間為雙斷凹陷，馬尼特坳陷西部（圖3 A-A′、B-B′）和烏蘭察布坳陷中西部均屬此類；模型二如圖5g 所示，靠近兩側(cè)隆起為單斷凹陷的斷陷端，另一端向坳陷內(nèi)超覆于隱伏凸起之上、中間為雙斷凹陷，烏蘭察布坳陷東部（圖3 C-C′）屬此類組合模型。沿坳陷中心長軸方向雙斷凹陷以串聯(lián)式組合為主，多個斷陷之間組合形成狹長的斷陷帶，其典型代表就是烏蘭察布-馬尼特坳陷中部沿腦木根—齊哈日格圖—準(zhǔn)寶力格—塔北凹陷形成的北東向斷陷帶，在此基礎(chǔ)上發(fā)育了賽漢組上段古河谷。

2.2 構(gòu)造演化

關(guān)于二連盆地早白堊世構(gòu)造演化階段劃分，前人進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究［6，11］，本次是在前人研究基礎(chǔ)上，根據(jù)地震剖面及沉積充填序列，結(jié)合已發(fā)現(xiàn)含鈾層位分布特征，將與找礦目的層賽漢組構(gòu)造演化關(guān)系密切的坳陷期細(xì)分為4 個階段：賽漢組上段坳陷發(fā)育階段、二連組坳陷發(fā)育階段、構(gòu)造反轉(zhuǎn)發(fā)育階段和新生代坳陷盆地發(fā)育階段（表1）。

表1 二連盆地中部早白堊世構(gòu)造演化階段劃分表Table 1 Division of the Early Cretaceous structural stages in central Erlian Basin

早白堊世早中期（阿爾善期、騰格爾期），在北西-南東向張應(yīng)力作用下，形成了眾多北東向凹陷和小型斷槽。凹陷內(nèi)主要發(fā)育沖（洪）積扇-扇三角洲-湖泊沉積體系，為區(qū)域上重要的含油、含煤層位，該期形成了古河谷建造沉積的帶狀谷地。

賽漢早期（賽漢組下段），斷坳轉(zhuǎn)換期盆地回返、萎縮，斷裂活動和構(gòu)造沉降強度減弱，地層受凹陷邊界斷裂控制不明顯。區(qū)內(nèi)以烏蘭察布及馬尼特坳陷為單元分別接受沉積，并繼承了騰格爾期斷陷湖盆沉積特征，坳陷向內(nèi)發(fā)育沖積扇、扇三角洲、辮狀河三角洲、淺湖-湖沼相沉積；其中斷陷斜坡帶發(fā)育的辮狀河三角洲、扇三角洲相存在有利成礦的砂體，是形成潛水-層間氧化帶型鈾礦的重要部位。

賽漢晚期，拉張斷陷活動基本停止，早期的湖盆收縮消亡，區(qū)內(nèi)以緩慢抬升為主，但抬升很不均勻，其中沿坳陷中央長軸部位等早期低洼地帶繼續(xù)沉降，接受河流相沉積，形成帶狀展布的賽漢組上段古河谷砂體，砂體規(guī)模大、連通性好，為后期氧化帶的發(fā)育及鈾成礦提供良好的空間。

晚白堊世末—古近紀(jì)早-中期，受后期濱西太平洋構(gòu)造的影響，區(qū)域應(yīng)力場呈現(xiàn)右旋張扭性質(zhì)，形成一系列張扭性構(gòu)造。同時，構(gòu)造反轉(zhuǎn)強烈，研究區(qū)整體抬升，下白堊統(tǒng)賽漢組遭受剝蝕，局部小角度掀斜有利于含氧含鈾水滲入并在砂體中運移，形成大面積潛水和潛水-層間氧化帶，是賽漢組發(fā)育氧化作用及鈾成礦的主要時期。

古近紀(jì)晚期—新近紀(jì)以來，二連盆地受喜山運動的影響加強，以差異性升降作用為主，盆地沉積中心由西向東遷移，在始新世伊爾丁曼哈期及中新世通古爾期，沉積以厚層紅色泥巖為主，構(gòu)成賽漢組區(qū)域隔水頂板，潛水、潛水-層間氧化作用大部分停止，局部仍存在層間氧化作用。

3 氧化帶發(fā)育樣式

沉積盆地在構(gòu)造抬升過程中因構(gòu)造變形不同可發(fā)育多種類型的氧化帶，不同地質(zhì)背景條件下形成的氧化帶往往存在較大差異。按成因，可將沉積盆地內(nèi)發(fā)育的氧化帶分為3 種類型，即潛水氧化帶、層間氧化帶和潛水-層間氧化帶。按氧化作用方向可將氧化帶發(fā)育樣式分為垂向式、側(cè)向式和順向式。

3.1 垂向式

以古河谷中部的賽漢高畢礦床為典型代表。賽漢組上段河道砂體沿北東向展布，局部抬升形成“構(gòu)造天窗”，發(fā)育垂向的潛水氧化作用（表2），氧化帶呈“面狀”向下、向前延伸，受泥巖隔層影響不大，氧化帶底界面較平緩。鈾礦化受潛水氧化帶控制，礦體剖面形態(tài)以板狀為主，透鏡狀次之。垂向上綠色類氧化巖石與灰色類還原巖石界面上易成礦，礦體多位于含礦砂體下部，礦體形態(tài)與潛水氧化帶底界面形態(tài)基本一致。

3.2 側(cè)向式

3.2.1發(fā)育于賽漢組上段古河谷中的側(cè)向氧化

以古河谷東部的巴彥烏拉礦床為典型代表。該礦床礦體賦存在賽漢組上段的辮狀河道砂體中，頂板為賽漢組上部的灰綠色或紅色的泥巖層，底板為賽漢組下段頂部的灰色泥巖、碳質(zhì)泥巖或煤層。平面上氧化帶沿側(cè)向從凹陷邊部向中心發(fā)育，在河谷北側(cè)氧化帶多為單層，舌狀向凹陷內(nèi)延伸發(fā)育潛水-層間氧化作用，隨著氧化層數(shù)逐漸增多，氧化作用強度明顯減弱（表2）。鈾礦化受砂體展布和潛水-層間氧化帶的聯(lián)合控制，礦體層數(shù)、產(chǎn)狀變化較大，平面上呈彎曲的帶狀，剖面上以板狀為主，局部見“卷形”礦體。

3.2.2發(fā)育于賽漢組下段辮狀河三角洲中的側(cè)向氧化

以烏蘭察布坳陷西南部的伊和烏蘇地段鈾礦化為典型代表，馬尼特坳陷古乃素木地段和烏蘭察布坳陷艾勒格廟、道爾蘇等地段鈾礦化均屬此類。伊和烏蘇地段鈾礦化賦存在賽漢組下段辮狀河三角洲平原亞相砂體中，主要發(fā)育側(cè)向的潛水-層間氧化作用，平面上，氧化帶基本上平行于凹陷長軸方向發(fā)育，氧化作用方向由南西向北東，氧化帶分帶明顯，由凹陷邊部向內(nèi)依次為氧化帶、氧化-還原過渡帶和原生帶。氧化砂巖主要為黃色、黃綠色，局部為灰白色；氧化-還原過渡帶巖石為灰色砂巖中發(fā)育黃色斑點，褐鐵礦化明顯；原生帶砂體以灰色、深灰色砂巖為主，發(fā)育炭屑。鈾礦化受氧化舌控制明顯，工業(yè)鈾礦化在氧化帶的上、下翼均有產(chǎn)出（表2）。

3.3 順向式

以古河谷中西部的哈達(dá)圖礦床為典型代表，礦床西側(cè)喬爾古礦產(chǎn)地亦屬此類。哈達(dá)圖礦床礦體賦存在賽漢組上段第一、第二亞段辮狀河砂體中，頂板為二連組（K2e）紅色泥巖層，底板為賽漢組下段頂部的泥巖、碳質(zhì)泥巖。哈達(dá)圖地區(qū)為多條分汊河道的交匯處，中央主河道近南北向展布，以順向的層間氧化作用為主，平面上氧化主要沿中央主河道由南向北發(fā)育，在河道內(nèi)部則由河道中心向兩側(cè)邦氧化（表2）。河道中央砂體幾乎全部氧化，在兩側(cè)邦大面積發(fā)育氧化-還原過渡帶。鈾礦化嚴(yán)格受層間氧化帶前鋒線控制，礦體剖面上形態(tài)以板狀、層狀為主，透鏡狀次之；垂向上在黃色類巖石與灰色類巖石界面上靠近灰色巖石一側(cè)成礦，礦體在砂體的中部、下部均有出現(xiàn)，礦體形態(tài)與層間氧化帶界面形態(tài)基本一致。

4 構(gòu)造與氧化作用

4.1 構(gòu)造樣式與氧化作用

賽漢組上段古河谷是在多個雙斷凹陷串聯(lián)組合的基礎(chǔ)上發(fā)育而來的，“泛連通”的古河谷不同地段所處的構(gòu)造位置、沉積微相、砂體條件存在差異，因此不同鈾礦床氧化帶類型、氧化方向、方式、強弱等特征不同；同一鈾礦床在不同地段氧化帶發(fā)育特征也存在差異。同時，氧化作用具有多期多階段的特征，這就造成了古河谷內(nèi)氧化作用具有復(fù)雜多變性，發(fā)育有垂向、側(cè)向、順向氧化作用。賽漢組下段沉積期，坳陷內(nèi)構(gòu)造分割作用較強，以次級凹陷為主要沉積單元，三角洲沉積相帶沿單斷箕狀凹陷的陡坡或緩坡側(cè)向凹陷內(nèi)發(fā)育，砂體平行凹陷邊部呈“裙帶”狀朵體，后期構(gòu)造隆升不論凹陷哪一側(cè)抬升，來自蝕源區(qū)的含氧含鈾水都會側(cè)向運移進(jìn)入砂體中，發(fā)育潛水-層間或?qū)娱g氧化作用。氧化帶以舌狀、指狀從凹陷邊緣向中央發(fā)育，平面上平行于凹陷邊部呈“裙帶狀”展布，不同之處在于沿單斷箕狀凹陷斷陷端氧化帶規(guī)模較小，延伸長度一般幾百米至幾千米，而沿緩坡端可達(dá)幾千米至幾十千米。

根據(jù)目前發(fā)現(xiàn)的氧化作用在盆地內(nèi)的分布特征來看，沿坳陷中部長軸方向發(fā)育的雙斷凹陷最有利于氧化作用發(fā)育，氧化帶發(fā)育樣式也更為復(fù)雜，其次為緩坡側(cè)超覆于隆起（或隱伏凸起）之上的單斷箕狀凹陷；從構(gòu)造組合來看，串聯(lián)式和并聯(lián)式（模型一）更有利于氧化作用和鈾礦化形成。

4.2 構(gòu)造演化與氧化作用

本次將研究區(qū)的埋藏-抬升史［12］同典型礦床鈾礦化年齡［13-15］做對比得到氧化帶發(fā)育期次、持續(xù)時間及其與成礦作用的對應(yīng)關(guān)系（圖6）。在構(gòu)造反轉(zhuǎn)期，即K2e/E2y沉積間斷期，研究區(qū)發(fā)育一次大規(guī)模氧化成礦作用，持續(xù)時間大于30 Ma，表現(xiàn)在成礦作用上典型礦床成礦年齡在66～30 Ma 基本上是連續(xù)分布的，不存在明顯間斷，鈾礦物鏡下亦未見多期發(fā)育特征。這與區(qū)域構(gòu)造演化是相吻合的，該時期研究區(qū)處于緩慢抬升－較快速抬升期，期間構(gòu)造應(yīng)力場不存在大的改變或間斷，此外同處東北亞地區(qū)的松遼盆地錢家店鈾礦床成礦年齡［16］（（67±5）Ma、（53±3）Ma、（44±4）Ma）也可與此對比，尤其是最老的成礦年齡，多個礦床高度一致，表明該次氧化成礦作用是大規(guī)模發(fā)育的，受區(qū)域構(gòu)造演化控制的。中新世早期后，研究區(qū)處于緩慢抬升期（準(zhǔn)平原化），哈達(dá)圖礦床存在第二期氧化成礦作用，巖心觀察中也可見早期形成的暗黃色、褐黃色氧化部分被后期亮黃色、灰綠色、灰白色取代或穿插，形成疊加氧化，但這期氧化作用不論從規(guī)模、持續(xù)時間以及成礦能力上均明顯弱于第一期。新近紀(jì)以來隨著印度板塊和歐亞板塊相互作用的逐漸加強二連盆地表現(xiàn)為弱擠壓的差異抬升。在蘇尼特左旗和蘇尼特右旗一帶（通古爾盆地）沉積了大面積的通古爾組［17］，沉積、沉降中心在塔木欽—賽漢塔拉一帶，其沉積范圍與古河谷發(fā)育區(qū)大面積重疊，推測第二期氧化作用終止時間為中新世末期（通古爾組沉積前）。

圖6 二連盆地及鄰區(qū)構(gòu)造演化與氧化作用關(guān)系示意圖Fig.6 Schematic diagram of the relationship between structural evolution and oxidation in Erlian Basin and adjacent areas

5 氧化帶發(fā)育樣式與鈾成礦

二連盆地中部砂巖型鈾礦以賽漢組上段古河谷砂體和賽漢組下段三角洲砂體為主要成礦場所，通過垂向、側(cè)向或順向的含氧水補給，形成類型、規(guī)模、樣式等各不相同的氧化蝕變，不同類型的后生氧化作用就決定了古河谷中有出現(xiàn)各種類型鈾礦（化）體的可能，以垂向補給作用為主發(fā)育的賽漢高畢式潛水氧化帶型鈾礦化，以側(cè)向為補給區(qū)發(fā)育的巴彥烏拉式潛水-層間氧化帶型鈾礦化，以順向（順河道走向）為補給區(qū)發(fā)育的哈達(dá)圖式層間氧化帶型鈾礦化。賽漢組下段三角洲砂體中以側(cè)向氧化為主的伊和烏蘇式潛水-層間氧化帶型鈾礦化（圖7）。

圖7 二連盆地中部構(gòu)造-氧化帶發(fā)育樣式與鈾礦化關(guān)系示意圖Fig.7 Schematic diagram of the relationship between development pattern of tectonic oxidation zone and uranium mineralization in the middle of Erlian Basin

6 結(jié)論

1）二連盆地在早白堊世期間強烈的伸展作用背景下，發(fā)育一系列北東向展布的正斷層，形成了次級凹陷以單斷箕狀凹陷和雙斷式凹陷為主的構(gòu)造樣式，在坳陷范圍內(nèi)其具有復(fù)式斷陷特征，次級凹陷以并聯(lián)式和串聯(lián)式方式組合。

2）構(gòu)造與氧化作用關(guān)系密切，階段性的區(qū)域構(gòu)造演化控制了氧化帶發(fā)育期次，構(gòu)造反轉(zhuǎn)控制了氧化作用的發(fā)育方向和氧化帶類型，沿坳陷中部長軸方向發(fā)育的雙斷式凹陷最有利于氧化帶發(fā)育，其次為緩坡側(cè)超覆于隆起（或凸起）之上的單斷箕狀凹陷；從構(gòu)造組合來看，串聯(lián)式和并聯(lián)式（模型一）更有利于氧化作用和鈾礦化形成。

3）二連盆地砂巖型鈾礦床的形成主要經(jīng)歷了兩期氧化作用，第一期為二連期后至漸新世早-中期，該期氧化作用形成了巴彥烏拉、賽漢高畢、哈達(dá)圖3 個礦床的主體鈾礦化，第二期自中新世早期開始，結(jié)束于中新世末期（通古爾組沉積前）。

4）二連盆地中部砂巖型鈾礦以賽漢組上段古河谷砂體和賽漢組下段三角洲砂體為主要成礦場所，以垂向式發(fā)育的氧化帶形成賽漢高畢式垂向潛水氧化帶型鈾礦化，以側(cè)向式發(fā)育的氧化帶形成巴彥烏拉式或伊和烏蘇式側(cè)向潛水-層間氧化帶型鈾礦化，以順向式發(fā)育的氧化帶形成哈達(dá)圖式順向（順河道走向）層間氧化帶型鈾礦化。