新構造運動對蒙其古爾鈾礦床地下水演化的影響

李 銳，王福東，陳 程，魏顯珍

(1.核工業(yè)二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011；2.中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津 300191)

蒙其古爾鈾礦床是在伊犁盆地侏羅系地層中發(fā)現(xiàn)的特大型可地浸砂巖型鈾礦床[1]。F3斷裂切穿了蒙其古爾鈾礦床的侏羅系地層，其阻水的逆斷層性質使礦床與西部的扎吉斯坦礦床處于不同的水文地質單元[2]。在相對獨立和穩(wěn)定的構造成礦系統(tǒng)中，F(xiàn)3斷裂使主要來自于扎吉斯坦河上游的含氧含鈾水，在蒙其古爾鈾礦床相對封閉的補-徑-排體系中由西南向北東滲流[3]。由于扎吉斯坦河對侏羅系層間水的持續(xù)補給，使層間氧化帶不斷沿地層向前推進，進而形成鈾的疊加富集[4]。

前人對蒙其古爾鈾礦床的研究集中于現(xiàn)代地下水徑流系統(tǒng)，對鈾成礦期的地下水補-徑-排體系研究較少，特別是缺乏新構造運動對礦床補-徑-排體系影響的研究。隨著對郎卡地段大量的鉆探查證和深入研究，理清了區(qū)域構造運動對礦床小范圍內格局改變的影響。

在找礦過程中發(fā)現(xiàn)，礦體形態(tài)與現(xiàn)代地下水徑流體系存在較大偏差。筆者結合地下水體系的演化與新構造運動，根據(jù)構造期次、新構造運動，及鈾成礦測年等條件，深度推演蒙其古爾礦床的地下水演化規(guī)律，以期為地質找礦中遇到的同一地區(qū)不同位置或不同層位產(chǎn)出的礦床規(guī)模、礦體形態(tài)差異的原因提供新的思路。

1 研究區(qū)水文地質條件

蒙其古爾鈾礦床夾持于F1和F3斷裂之間(圖1)，東西長約16 km。侏羅系地層以3種不同形式出露于南部與二疊系火山巖接觸部位，總體上蒙其古爾溝以西地層以3～8°傾角向西南展布至出露部位。流經(jīng)此處的扎吉斯坦河直接與侏羅系地層接觸，地表水順地層補給地下水。

蒙其古爾溝所在的礦床中段為構造破碎窗部位，斷層下切侏羅系地層，冰雪融水所形成的季節(jié)性河流可以通過此處補充地下水。蒙其古爾溝東部受F1斷裂的逆沖推覆作用，侏羅系地層呈直立倒轉形式出露，阻斷了地下水的順層補給途徑。地下水徑流方向為平行F3斷裂，沿地層傾向流向北東方向。侏羅系地下水在礦床附近未見排泄渠道，推測礦床東部的切金溝斷裂為區(qū)域排泄源。

1—第四系；2—新近系；3—頭屯河組；4—西山窯組上段；5—西山窯組下段；6—三工河組上段；7—三工河組下段；8—八道灣組；9—煤；10—斷層；11—推測斷層；12—河流；13—鉆孔及編號；14—透水層；15—隔水層；16—地下水補給位置及流向。圖1 蒙其古爾鈾礦區(qū)水文地質圖Fig.1 Hydrogeologic map of Mengqiguer uranium deposit

2 構造運動與鈾成礦期次

蒙其古爾鈾礦床由于含氧含鈾水持續(xù)滲入侏羅系含煤地層，使得灰色還原砂體不斷被氧化為黃色-淺紅色，形成層間氧化帶。隨著氧化帶的發(fā)育，形成了不斷前移層間氧化帶前鋒線和還原地球化學障，鈾礦化經(jīng)歷了多期次的疊加富集。

鑒于地下水運動對鈾成礦的控制，采用鈾沉積和層間氧化帶的展布作為古地下水徑流條件的宏觀表現(xiàn)形式。研究中已發(fā)現(xiàn)蒙其古爾鈾礦床的主成礦年齡集中在12～2 Ma[5]，同時鈾成礦與新構造運動、地下水徑流條件改變有著密不可分的關系。

2.1 構造運動期次

蒙其古爾鈾礦床的地質構造特征是在區(qū)域構造運動影響下，經(jīng)歷長期演化而形成的[6]。海西晚期陸相成盆初期，經(jīng)過了反復的相對靜止和活化的構造演化發(fā)展過程，由于構造活動的強弱或運動期次的不一致，形成了F1控盆斷裂與水文地質邊界的F3等斷裂。侏羅紀地層沉積以后，盆地南緣構造活動大致劃分為4期。

2.1.1 晚侏羅世至晚白堊世

在南北向區(qū)域擠壓應力作用下，盆地南緣二疊紀火山凝灰?guī)r對侏羅系地層逆沖推覆作用持續(xù)加強，形成一系列的牽引褶皺和斷裂帶的破碎巖石疊瓦狀堆積。晚白堊世受燕山末幕運動的影響，盆地南北擠壓應力作用進一步加強，使盆地基底整體抬升，侏羅系地層開始持續(xù)接受南部山區(qū)含氧含鈾水的順層滲入，形成鈾礦的預富集。

2.1.2 漸新世至中新世

構造運動起因于天山揭頂作用的驅動。新構造運動始于漸新世，根據(jù)礦床南部的察布查爾山磷灰石裂變徑跡測試模擬結果、Hendrix等磷灰石測試結果和方解石脈的ESR測試年代推斷，中新世天山處于印亞板塊碰撞的遠程效應之中，包括察布查爾山在內的整個天山山脈開始大規(guī)模的抬升、剝露，橫跨整個盆地，南緩北陡，侏羅系—白堊系的褶皺形成，南北向擠壓作用使地層脆性變形并生成F3斷裂。

扎吉斯坦向斜褶皺地層中的方解石脈侵入時間為12.88 Ma[7]，這代表了F3斷裂的形成時間，F(xiàn)1斷層泥中石英碎礫微觀溶蝕形貌結構為珊瑚狀和鍋穴狀，如圖2(a)所示。

2.1.3 上新世末至早更新世

該期次構造活動時段大致為1.35～2.0 Ma，伊犁盆地快速沉降和南部山脈隆升幅度均達到了最大的反差，南北向的劇烈擠壓使褶皺構造變形加劇，形成了盆山地貌格局。

F1斷裂再次逆沖推覆，發(fā)生強烈的隆升與沉降作用。F1斷裂在蒙其古爾鈾礦床中部形成的平移走滑斷層組，切碎了火山凝灰?guī)r繼續(xù)下切侏羅系地層，從而在這一區(qū)域形成了構造破碎窗口，成為蒙其古爾鈾礦床的地下水重要補給窗口之一。F1斷層泥中石英碎礫的微觀溶蝕形貌為苔蘚狀和鱗片狀，斷層泥樣品的這種形態(tài)反映了這一時期構造活動在礦床區(qū)域內較為強烈，如圖2(b)所示。

2.1.4 中更新世至全新世

該期次構造活動時間大致為0.13～0.35 Ma，運動的主要體現(xiàn)為天山在第四紀持續(xù)隆起。在這一運動影響下，蒙其古爾鈾礦床主要表現(xiàn)為不同的升降運動。中更新世早期，第四系覆蓋在新近系地層之上的沉積表現(xiàn)為平行不整合接觸。中更新世晚期，區(qū)內構造活動轉向強烈，主要表現(xiàn)為盆地南緣火山凝灰?guī)r巖向盆地內的侏羅系地層的逆沖推覆作用強烈。在斷層泥中，次貝殼狀的石英碎礫微觀溶蝕形貌占有一定比例，更多表現(xiàn)了晚更新世構造活動印跡，如圖2(c)所示。

全新世在盆地南緣整體上表現(xiàn)出構造持續(xù)運動的特點，更多表現(xiàn)為脈動式的差異升降作用。該期斷層泥中，石英碎礫受溶蝕和改造作用最小，所形成的貝殼狀結構微觀溶蝕形貌保留的最為清晰，如圖2(d)所示。大部分的石英碎礫發(fā)生脆性變形而不破裂，這顯示了在高擠壓應力作用下的緩慢破裂過程。切斷各種擦痕的撞擊坑表明了全新世發(fā)生過諸如地震等強應力短暫作用，高應力作用下的快速撞擊在石英碎礫表面形成了楔形撞擊坑。

(a)珊瑚狀石英碎礫微觀溶蝕形貌；(b)苔蘚狀石英碎礫微觀溶蝕形貌；(c)次貝殼狀石英碎礫微觀溶蝕形貌；(d)貝殼狀石英碎礫微觀溶蝕形貌。圖2 碎礫微觀溶蝕形貌Fig.2 Microphotographs of the crushed gravel

2.2 新構造運動與鈾成礦期次的對應

從鈾的沉積富集可探究古地下水演化的痕跡。對取自蒙其古爾鈾礦床不同賦礦層位、礦體不同部位(以卷頭和接近卷頭部位為主)的高品位礦石樣品的分析表明，鈾成礦年齡分布于0.25～158 Ma，其中70%樣品年齡集中分布于2～12 Ma[8]。這說明該期次為蒙其古爾鈾礦床的主成礦期。

將F1斷裂斷層泥樣品關于斷裂活動狀態(tài)的分析測試結果與蒙其古爾礦床鈾成礦年齡對比，可以發(fā)現(xiàn)每期構造活動后，靜止期均伴隨鈾成礦作用發(fā)生。這反映了構造運動與鈾成礦在時間分布上具有規(guī)律性，主要的構造運動都強烈改變了地下水的徑流條件，且這些構造運動都打開了含鈾含氧水進入侏羅系地層的通道，宏觀表現(xiàn)為鈾沉積的間斷與累加富集(圖3)。

圖3 控盆F1斷裂構造活動與鈾成礦期次的對應關系Fig.3 Relation between F1 fault tectonic activit and uranium metallogenic period

3 鈾成礦期次反推地下水徑流條件的演化

地下水補-徑-排體系的確立受構造和巖相-巖性的控制，地下水補給源的分布位置和徑流方向是決定層間氧化帶發(fā)育和鈾遷移方向的重要因素，進而影響鈾礦化總體的空間展布。穩(wěn)定的地下水徑流時間區(qū)段能為水巖作用提供充足的時間，是鈾元素自火山巖中淋濾出來并在砂巖中富集的必要條件。通常在地層形成一段時期的穩(wěn)定補-徑-排體系以后，含氧水才會從火山巖中帶出鈾元素并進入侏羅系地層。由此判斷蒙其古爾鈾礦床地下水演化大致經(jīng)歷了4個階段。

3.1 第1階段

晚侏羅世至晚白堊世，蒙其古爾鈾礦床侏羅系地層主要為單斜構造。控盆斷裂F1在應力反復加強的作用下在盆緣形成補水的斷裂帶。侏羅系地層主要接受南部山區(qū)水的順層補給，排泄集中于盆地中間部位，徑流距離長，水交替緩慢。在這一時期整個侏羅系地層開啟程度相差不大，除個別地層外，從東到西大范圍內均形成了南北向的層間氧化帶；并在部分地段因有含氧含鈾水進入地層，在氧化帶的前鋒線形成了鈾富集。層間氧化帶砂巖型鈾礦成礦模式如圖4所示。

3.2 第2階段

漸新世至中新世，該期次蒙其古爾鈾礦床最主要的變化為侏羅系白堊系地層形成扎吉斯坦向斜，地層整體向北東向傾斜。F3斷裂形成于該期次，斷裂經(jīng)地下水作用形成了繼承性河流扎吉斯坦河。該河流經(jīng)侏羅系與火山巖接觸區(qū)的出露部位，大量河水進入侏羅系地層補充地下水[9]。由此蒙其古爾鈾礦床確立了2個地下水補給途徑，分別為南部山區(qū)的基巖裂隙水的順層補給和扎吉斯坦河的河流補給。徑流方向與F3斷裂方向平行，為北東向，在擺脫斷裂控制后轉變?yōu)槟媳毕?，流向盆地并在盆地中部排泄?/p>

3.3 第3階段

上新世末至早更新世，該期的構造運動形成了現(xiàn)今的盆山地貌。盆地南緣的主要構造改變是F1斷裂的復活將石炭系火山巖逆沖推覆于侏羅系地層之上，并形成了侏羅系地層的倒轉褶皺。L9號勘探線剖面情況如圖5所示。倒轉褶皺阻斷了大部分由南部山區(qū)向蒙其古爾鈾礦床侏羅系地層補水的路徑，僅在礦床中部形成的構造破碎窗加大了南部山區(qū)順層補給的水量。F1斷裂的逆沖推覆大幅度改變了地下水的補給條件。

這個階段由斷層逆沖推覆之前的扎吉斯坦河上游和南部山區(qū)雙向補給，改變?yōu)橹唤邮茉固购铀蜆嬙炱扑榇把a給。從L9號剖面可以看出，表現(xiàn)地下水運動宏觀形勢的層間氧化帶一直延伸到地層出露的盆緣，并在F1斷層的推覆下隨地層扭曲倒轉，失去接受順層補水能力。

1—二疊紀華力西期晚期花崗巖；2—石炭紀-二疊紀火山巖；3—第四系+新近系地層；4—礫巖；5—砂巖；6—泥巖；7—煤層；8—斷層；9—層間氧化帶前鋒線；10—層間氧化帶；11—鈾礦體。圖4 層間氧化帶砂巖型鈾礦成礦模式Fig.4 Metallogenic model of sandstone-type uranium deposit in interlayer oxidation zone

3.4 第4階段

中更新世—全新世，該期次構造運動主要表現(xiàn)為逆沖推覆作用的持續(xù)加強，大部分侏羅系地層在與盆緣接觸部位實現(xiàn)逆轉；僅在構造破碎窗以西侏羅系地層被抬升至地表，強化了扎吉斯坦河對侏羅系地層的補給作用。侏羅系地層地下水流向與構造關系如圖6所示，這一時期河流補水與構造破碎窗補水在礦床西部實現(xiàn)了交匯，地下水作用形成的層間氧化帶及鈾礦體在交匯部位實現(xiàn)了疊加富集，因此形成了厚大鈾礦體。

礦床東部因推覆作用阻斷了南部山區(qū)的地下水補給，地下水來源為流經(jīng)礦床西部的扎吉斯坦河順層來水。礦床東部地下水徑流所形成的氧化帶及鈾礦體主要成礦階段為第3階段之前，即晚侏羅世至中新世。所以東部礦體較西部形態(tài)更為簡單，瀝青鈾礦206Pb/238U表觀鈾成礦年齡分布于3.6～15.5 Ma，207Pb/235U表觀年齡集中分布于5.9～17.6 Ma，從西到東成礦年齡逐漸古老(表1)。

1—第四系地層；2—新近系地層；3—侏羅系頭屯河組；4—侏羅系西山窯組上段；5—侏羅系西山窯組中段；6—侏羅系西山窯組下段；7—三工河組上段；8—三工河組下段；9—八道灣組；10—二疊系烏郎組；11—凝灰?guī)r；12—第四系洪積、坡積物；13—砂礫巖；14—砂巖；15—泥巖；16—煤；17—地層界線；18—斷層；19—氧化砂體；20—鈾礦體；21—鉆孔及深度。圖5 L9號勘探線剖面Fig.5 Cross-sectional view of L9 exploration line

1—河流；2—斷層；3—層間氧化帶；4—鈾礦化范圍；5—鈾工業(yè)礦體范圍；6—地下水徑流方向。圖6 侏羅系地層地下水流向與構造關系Fig.6 Relation between groundwater flow direction and geological structure in Jurassic stratum

表1 瀝青鈾礦U-Pb同位素年齡分析結果Table 1 Analysis results of U-Pb isotopic age of pitchblende

4 結論

蒙其古爾鈾礦床地下水徑流受新構造運動影響經(jīng)歷了4次演化。

1)晚侏羅世至晚白堊世，鈾礦床主要接受南部山區(qū)的地下水補給。該期次的地下水徑流具有區(qū)域性。普遍在侏羅系地層中形成了層間氧化帶，且氧化帶的向前推進距離大致相等。含氧含鈾水在部分地段進入地層，并在氧化帶的前鋒線位置形成沉積。

2)漸新世至中新世，扎吉斯坦向斜導致地層向北東方向傾斜，同時形成F3斷裂。蒙其古爾地下水流向除了南部山區(qū)的正向補給之外，逐漸增加了礦床西部的扎吉斯坦河水的側向補給，且側向補給的水量逐漸占據(jù)主導地位。

3)上更新世至早更新世，為蒙其古爾礦床形成的主要時期。F1斷裂的活化將石炭系火山巖推覆于侏羅系地層之上，改變了由南部山區(qū)和扎吉斯坦河雙向補給的格局，導致礦床西部接受扎基斯坦河和構造破碎窗的雙重補給，而礦床東部從南部山區(qū)直接接受補給的通道被關閉。這促成了礦床東西部鈾礦體空間展布及成礦規(guī)模的差異。

4)中更新世至全新世，蒙其古爾鈾礦床的區(qū)域構造僅對前期構造進行強化，未出現(xiàn)對地下水流向根本性改變的事件。隨著地層的抬升，礦床西部的構造破碎窗對地層的補水作用逐漸減弱。蒙其古爾鈾礦床的地下水補給變?yōu)橐栽固购訛橹鳎瑯嬙炱扑榇盀檩o。這一地下水補-徑-排體系延續(xù)至今。