塔木素鈾礦床巴音戈壁組沉積環(huán)境和層序地層與鈾成礦作用的關(guān)系

郝朋，郭煦劼，童勤龍，葉發(fā)旺，劉波

（1.核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

砂巖型鈾礦床由于其經(jīng)濟(jì)可采、可地浸［1］、綠色環(huán)保，成為世界鈾礦床開采的主要類型。近年，在中國北方盆地發(fā)現(xiàn)了一系列砂巖型鈾礦床，鈾礦床開采從以往的地下硬巖型鈾礦床（南方地區(qū)）轉(zhuǎn)為地浸開采（北方盆地）的砂巖型鈾礦床［2］。砂巖型鈾礦床賦存的沉積環(huán)境主要為河流相（如二連盆地巴賽齊鈾礦田）［3-5］，辮狀河三角洲相（如鄂爾多斯盆地、松遼盆地和伊犁盆地［6-7］）和扇三角洲相（如巴音戈壁盆地塔木素鈾礦床［8-10］）。盆地內(nèi)砂巖型鈾礦床的形成主要受氧化還原過渡帶控制，氧化流體攜帶鈾從蝕源區(qū)運(yùn)移，在盆地內(nèi)還原介質(zhì)的作用下沉淀［11］。

層序地層學(xué)和沉積學(xué)早期主要應(yīng)用在美國和歐洲等國家對(duì)盆地內(nèi)砂巖型、不整合面型鈾、鉛鋅礦等成礦規(guī)律研究和找礦預(yù)測［12-13］，并建立了相關(guān)的成礦模型。近些年，層序地層學(xué)、沉積學(xué)等方法在中國北方盆地砂巖型鈾礦典型礦床研究、勘查評(píng)價(jià)中起到研究鈾成礦規(guī)律及找礦預(yù)測方面的重要作用。

巴音戈壁盆地為中國北方重要的產(chǎn)油頁巖、油氣和鈾盆地之一。盆地內(nèi)依次發(fā)現(xiàn)了測老廟鈾礦床和塔木素鈾礦床。塔木素鈾礦床為扇三角洲沉積背景下的層間氧化帶型鈾礦床［14］，主要目的層為下白堊統(tǒng)巴音戈壁組上段。不同學(xué)者對(duì)塔木素鈾礦床在氧化帶特征、成礦流體、沉積相和元素地球化學(xué)等方面開展了研究［14］，但對(duì)其層序地層研究較少。本文通過對(duì)塔木素地區(qū)含礦層體系域的劃分、層序界面的識(shí)別、沉積體系域的重建，分析扇三角洲-湖相沉積與鈾成礦的時(shí)空關(guān)系，建立層序與沉積成礦模型，探討鈾成礦規(guī)律，為后續(xù)勘查與找礦預(yù)測提供支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)和礦床地質(zhì)

巴音戈壁盆地位于內(nèi)蒙古西部，盆地北部為蒙根隆起，南東部為狼山隆起，南部為北大山-諾日公隆起，西部為北山隆起［15］。盆地發(fā)育于古亞洲造山帶古生代基底基礎(chǔ)上［16］，對(duì)基底構(gòu)造具有一定的繼承性［17-18］，南部與阿拉善地塊相鄰［19］。宗乃山-沙拉扎山隆起沿北東東走向?qū)⑴璧貏澐譃槟喜扣晗輲Ш捅辈扣晗輲В舅剽櫟V床位于蘇亥圖坳陷因格井凹陷內(nèi)，北部為宗乃山-沙拉扎山隆起。凹陷為雙斷型，基底埋深0～1 000 m，一般300～800 m。凹陷基底地層為下元古界北山群中深變質(zhì)巖，上石炭統(tǒng)阿木山組中酸性火山巖、碎屑巖和侏羅系等（圖1）。巖漿巖主要分布于因格井凹陷的北部宗乃山-沙拉扎山隆起，主要出露志留紀(jì)花崗巖、石炭紀(jì)閃長巖、二疊紀(jì)花崗巖、花崗閃長巖和三疊紀(jì)花崗巖、輝長巖等，鈾含量（6.5～50.2）×10-6，Th/U 值為3.3～5.4，鈾浸出率30%～77.78%，一般為30.00%～49.20%，為盆地砂巖型鈾礦的富集提供豐富的鈾源。

圖1 巴音戈壁盆地及鄰區(qū)大地構(gòu)造位置（a）和塔木素地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組上段底界埋深等值線圖（b）［14］Fig.1 Buried depth contour map of upper member bottom of Lower Cretaceous Bayingebi formation in Tamusu area［14］

巴音戈壁盆地基底為石炭—二疊紀(jì)海相盆地（恩格爾烏蘇洋與查干楚魯洋），主要地層以綠片巖相變質(zhì)巖，變質(zhì)砂礫巖和碳酸鹽巖等組成，該層位在哈日凹陷、查干凹陷發(fā)現(xiàn)油氣儲(chǔ)層，油氣勘探成果顯著。蓋層主要為下白堊統(tǒng)巴音戈壁組、蘇紅圖組和上白堊統(tǒng)烏蘭蘇海組。巴音戈壁組上段為主要的找礦目的層，主要發(fā)育扇三角洲-湖相沉積，鈾礦化主要產(chǎn)于古氣候由溫暖濕潤-半濕潤半干旱的轉(zhuǎn)換期（圖2）。

圖2 塔木素鈾礦床巴音戈壁組上段層序地層及鈾礦化分布圖Fig.2 Sequence stratigraphy and distribution of uranium mineralization in the upper member of Bayingebi formation of Tamusu uranium deposit

2 沉積相特征

大量鉆孔編錄、沉積構(gòu)造、巖性組合、測井曲線等特征研究表明，受盆緣斷陷作用的控制，巴音戈壁組上段在凹陷邊緣主要發(fā)育扇三角洲相沉積，凹陷中心主要發(fā)育湖相沉積。

2.1 扇三角洲相

2.1.1扇三角洲平原亞相

塔木素鈾礦床扇三角洲平原主要由分流河道、天然堤、分流間灣和決口扇等組成，垂向上多為正粒序。分流河道的發(fā)育受盆地的沉降、河流的供給、遷移等控制，由盆地邊緣到盆地內(nèi)河道規(guī)模逐漸變小，沉積物粒度變細(xì)，下部側(cè)向加積，上部呈垂向加積。分流河道底部見沖刷面及疊瓦狀礫石呈定向排列（圖3a），平原分流河道呈多期垂向堆疊的特征，以砂礫巖和中-粗砂巖為主，見平行層理（圖3b）、板狀交錯(cuò)層理（圖3c）、槽狀交錯(cuò)層理及粒序?qū)永恚▓D3d，圖3e）。天然堤主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖及局部含礫砂巖，局部發(fā)育天然堤沉積。分流間灣位于分流河道間，主要為暗色沼澤化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥炭，局部見煤線等（圖3f）。暗色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖中發(fā)育大量碳化植物碎屑，局部泥巖中見薄層細(xì)分散狀黃鐵礦。決口扇主要發(fā)育于河道邊緣，呈倒粒序，主要由薄層的紅棕色含礫泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和細(xì)砂巖組成（圖4）。

圖3 塔木素鈾礦床扇三角洲平原典型沉積構(gòu)造Fig.3 Typical sedimentary structures of fan delta plain in the Tamusu uranium deposit

圖4 扇三角洲平原沉積亞相劃分、測井曲線及鈾礦化特征Fig.4 Sedimentary subfacies，logging curve and uranium mineralization characteristics of fan delta plain

2.1.2扇三角洲前緣亞相

扇三角洲前緣主要由水下分流河道、水下分流間灣和局部發(fā)育的河口壩等組成，垂向上為倒粒序。水下分流河道為水上部分的延伸，與分流河道比較，粒度偏細(xì)（圖5）。從上游搬運(yùn)來的沉積物以河口為點(diǎn)向盆地一側(cè)擴(kuò)散形成河口壩。水下分流河道垂向呈多河道疊置，側(cè)向遷移。水下分流河道以灰色、褐黃色和褐紅色砂巖為主，分選磨圓均較好，河道底部見滯留沉積。河口壩砂體與三角洲前緣泥互層，可分為近端河口壩和遠(yuǎn)端河口壩。近端河口壩砂體成透鏡狀，底部沖刷現(xiàn)象明顯。近端河口壩砂體比遠(yuǎn)端厚，呈不連續(xù)的席狀分布。受水動(dòng)力強(qiáng)弱影響，近端河口壩砂體的粒度比遠(yuǎn)端粗。水下分流間灣發(fā)育暗色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，暗色泥巖發(fā)育水平層理，在暗色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖中見炭屑，局部發(fā)育動(dòng)物潛穴。在河口壩、水下分流河道中見板狀交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理、水下滑塌構(gòu)造和液化變形構(gòu)造等。

2.1.3前三角洲亞相

前三角洲發(fā)育于三角洲前緣的更遠(yuǎn)端。以細(xì)粒的泥巖和粉砂巖沉積為主，局部見重力流沉積。沉積物以較細(xì)的砂泥互層為主，主要見薄層的粉砂巖、粉細(xì)砂巖與暗色泥巖的互層，發(fā)育水平層理，局部粉砂巖與泥巖的互層中見泄水構(gòu)造（圖5）。

圖5 扇三角洲前緣、濱淺湖沉積亞相劃分、測井曲線及鈾礦化特征Fig.5 Sedimentary subfacies，logging curve and uranium mineralization characteristics of fan delta front and shore shallow lake

2.2 湖相

以濱淺湖亞相為主。發(fā)育于凹陷的中心，主要由深灰色、淺灰色泥巖、粉砂巖和薄層的細(xì)粒砂巖組成，發(fā)育水平層理。在湖相泥巖中可見粒度均勻的濁流砂體，磨圓度和分選性較好，為重力流沉積。在湖相泥巖、泥質(zhì)粉砂巖中發(fā)育碳化植物化石，同時(shí)在暗色的泥巖中可見順層發(fā)育的薄層草莓狀黃鐵礦。

3 層序地層特征

層序按照不同尺度和分辨率可劃分地層疊置樣式、體系域及層序界面等。筆者通過204 個(gè)孔的巖心觀察和測井資料解釋對(duì)塔木素鈾礦床巴音戈壁組上段層序地層進(jìn)行了劃分。

3.1 地層疊置樣式

地層疊置樣式為層序的基本單元。地層疊置樣式的變化是由湖盆基準(zhǔn)面旋回（水深變化）引起的，通過可容納空間（A）/沉積物供給（S）的變化，造成的地層垂向序列的變化。地層疊置樣式在時(shí)空上具有尺度性，在不同尺度的地層中可以觀察到相同的疊置樣式，按照成因可劃分為強(qiáng)制水退（進(jìn)積＋侵蝕）、正常水退（進(jìn)積＋加積）和湖侵（退積＋加積）序列。本次研究以組為3 級(jí)層序（102～103m），體系域?yàn)? 級(jí)層序（10～102m）、地層疊置樣式為5 級(jí)層序（10-2～102m）來劃分地層單元。本次研究地層疊置樣式按照成因進(jìn)行劃分，通過巖心觀察和測井曲線解釋，不同地層疊置樣式表現(xiàn)了三角洲不同部位的沉積環(huán)境。

巴音戈壁組上段扇三角洲地層疊置樣式為正常水退基準(zhǔn)面升高形成的分流河道、水下分流河道等堆積樣式。地層疊置樣式底部邊界標(biāo)志為河道底部沖刷面、底部滯留砂礫巖、粗砂巖等沉積。扇三角洲平原地層疊置樣式由多個(gè)向上變細(xì)的旋回組成，主要為底部的分流河道和頂部的河道邊緣組成，視電阻率曲線為指狀漸變鐘形（圖5）。扇三角洲前緣地層疊置樣式由多個(gè)向上變粗的旋回組成，底部為扇三角洲前緣泥，頂部為水下分流河道、河口壩沉積，視電阻率曲線為漸變漏斗形。濱淺湖主要為灰色泥巖，視電阻率曲線為指狀平直形（圖5）。

3.2 體系域

體系域由同時(shí)期相互聯(lián)系的沉積體系組成，受其界面控制，相當(dāng)于4 級(jí)層序地層單元［20］。體系域是由地層疊置樣式組成，不同的體系域所處的沉積環(huán)境不同，界面劃分標(biāo)志不同。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)層序地層的4 分法，將塔木素鈾礦床內(nèi)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組上段3 級(jí)層序劃分為4 個(gè)體系域，分別為低位體系域（LST），湖侵體系域（TST）、高位體系域（HST）和下降期體系域（FSST）（圖6）。

低位體系域（LST）主要由進(jìn)積型＋加積型（正常水退）的扇三角洲地層疊置樣式組成，底部由盆地邊緣的不整合和盆地內(nèi)相對(duì)的整合與下降期體系域（FSST）接觸，同時(shí)在扇三角洲分流河道底部見沖刷面。頂部界面為最小湖泛面（最大水退面），局部被湖侵侵蝕，表現(xiàn)為扇三角洲分流河道頂部泥巖局部缺失。視電阻率曲線呈漸變齒狀鐘形和齒狀漏斗形（圖5）。低位體系域由早期的前三角洲、扇三角洲前緣進(jìn)積為扇三角洲平原。

湖侵體系域（TST）主要由扇三角洲、湖泊下降期地層疊置樣式組成（圖6），底部為最小湖泛面，頂部為最大湖泛面，該時(shí)期盆地的沉積物供給較少，主要為湖相泥巖沉積，同時(shí)由于基準(zhǔn)面的升高，在盆地邊緣伴隨著河流相的加積作用，發(fā)育小型的扇三角洲沉積。視電阻率曲線呈齒狀鐘形，局部漏斗形，晚期轉(zhuǎn)為齒狀平直形。由于湖侵體系域的底部表現(xiàn)為上超面，局部對(duì)下覆低位體系域頂部侵蝕，同時(shí)在湖岸線邊緣形成湖泊的侵蝕面。湖侵體系域的頂部為最大湖泛面，同時(shí)也為高位體系域的下超面。研究區(qū)巴音戈壁組上段局部湖侵體系域和高位體系域被剝蝕（局部缺失）。

圖6 巴音戈壁組上段96 號(hào)線層序典型剖面圖Fig.6 Typical sequence profile of Line 96 in upper member of Bayingebi formation

高位體系域（HST）主要由進(jìn)積型（正常水退）地層疊置樣式組成，底部為最大湖泛面，伴隨著分流河道的侵蝕，頂部為強(qiáng)制水退形成的不整合界面（巴音戈壁組上段頂部被剝蝕與烏蘭蘇海組呈不整合接觸）。視電阻率曲線呈齒狀漏斗形，視電阻率幅值高于湖侵體系域，低于低位體系域。

下降期體系域（FSST）主要由進(jìn)積型（強(qiáng)制水退）地層疊置樣式組成，底部對(duì)高位體系域頂部進(jìn)行侵蝕作用，頂部受正常水退影響，在盆地邊緣形成侵蝕面，在盆地內(nèi)為相對(duì)的整合。視電阻率曲線呈突變的漏斗形。

研究區(qū)內(nèi)扇三角洲沉積主要位于低位體系域，位于層序的底部。在低位體系域時(shí)期（早白堊世早期），湖盆基準(zhǔn)面快速下降，在大量沉積物供給情況下，下切下降期體系域形成可容納空間，發(fā)育了大面積的扇三角洲沉積，形成大規(guī)模的扇三角洲平原分流河道、扇三角洲前緣水下分流河道和河口壩沉積。隨著基準(zhǔn)面的升高，扇三角洲前緣水下分流河道主要以側(cè)向加積為主，呈倒粒序，隨著正常水退（進(jìn)積作用），垂向上疊加了扇三角洲平原分流河道沉積，呈正粒序。在湖侵體系域局部發(fā)育扇三角洲前緣水下分流河道沉積。高位體系域主要為早期發(fā)育的扇三角洲前緣沉積，呈倒粒序。下降期體系域主要發(fā)育于層序的底部和頂部，底部主要為突變的巖性接觸（泥巖-砂巖），電阻率曲線為突變漏斗形，在層序頂部表現(xiàn)為巴音戈壁組上段頂部的缺失。

4 討論

4.1 沉積與鈾礦化的關(guān)系

4.1.1沉積體系

礦床內(nèi)發(fā)現(xiàn)的工業(yè)鈾礦體多位于扇三角洲平原、扇三角洲前緣，局部分布于湖相泥巖中。低位體系域（LST）主要發(fā)育大規(guī)模的扇三角洲平原分流河道和扇三角洲前緣水下分流河道，分流河道呈南北向、北北西—南南東向分布（圖7）。扇三角洲平原和前緣分流河道形成垂向和側(cè)向的大規(guī)模砂體，砂體側(cè)向連通性好，為氧化流體的大規(guī)模發(fā)育提供了通道，控制著氧化帶的規(guī)模和范圍，是成礦的基礎(chǔ)。鈾礦體多分布于分流河道和分流間灣的結(jié)合部位（泥巖厚度為50～175 m，在100～150 m 之間礦體最多）及分流河道與前三角洲泥巖的疊置部位（泥巖厚度為175～375 m，在150～175 m 厚度處礦體最多），指示隨著分流間灣和湖沼沉積的暗色泥巖層的增厚，砂體非均質(zhì)性增強(qiáng)，氧化流體運(yùn)移速度降低，分流間灣中富含的有機(jī)質(zhì)為含鈾含氧流體中鈾的卸載提供了還原介質(zhì)。

圖7 巴音戈壁組上段低位體系域沉積體系圖Fig.7 Sedimentary system map of lowstand system tract of the upper member of Bayingebi formation

4.1.2砂體的還原介質(zhì)特征

鈾礦物主要發(fā)育于砂巖中碎屑顆粒的邊緣、膠結(jié)物及植物碎屑中。鈾礦物的沉淀主要與砂體中的有機(jī)質(zhì)（炭屑、植物碎屑等）、黃鐵礦和黏土礦物等有關(guān)。扇三角洲沉積過程中帶來的陸源植物碎屑為成礦提供了還原劑。同時(shí)砂巖中長石等礦物的黏土化和孔洞，使得鈾吸附于長石等礦物的表面或孔洞中，為黃鐵礦的發(fā)育、鈾礦物的沉淀提供了空間（圖8）。

圖8 巴音戈壁組上段砂體中還原介質(zhì)及其與鈾礦化的關(guān)系Fig.8 Reductive matters and uranium in the sandstone of the upper member of Bayingebi formation

塔木素鈾礦床中出現(xiàn)大量的黃鐵礦，是鈾礦化富集重要的還原劑。在分流河道砂體中可見細(xì)晶狀和團(tuán)塊狀的黃鐵礦，也見到黃鐵礦分布在長石的溶蝕孔洞、表面及微裂隙、植物碎屑裂紋和植物胞腔內(nèi)（黃鐵礦交代植物胞腔）。瀝青鈾礦、鈾石和含鈦鈾礦物與黃鐵礦和有機(jī)質(zhì)關(guān)系密切。通過對(duì)分流河道內(nèi)黃色氧化砂巖、灰色含礦砂巖和暗色泥巖進(jìn)行取樣，灰色含礦砂體、暗色泥巖中有機(jī)炭、S、CO2、ΔEh 和Fe2+平均含量均高于黃色氧化砂巖，表明暗色泥巖和灰色含礦砂巖具有更高的還原容量，有機(jī)質(zhì)和S 為鈾成礦提供了直接還原介質(zhì)（表1）。

表1 塔木素礦床氧化還原環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of redox environmental parameters of the Tamusu deposit

4.2 層序地層與鈾礦化的關(guān)系

下白堊統(tǒng)巴音戈壁組與下覆基底石炭—二疊系呈角度不整合。下白堊統(tǒng)巴音戈壁組共可劃分為2 個(gè)三級(jí)層序（Sq1，Sq2）。層序Sq1 頂部主要發(fā)育下降期體系域（FSST），強(qiáng)制水退使盆地邊緣遭受侵蝕，蝕源區(qū)物質(zhì)向盆地內(nèi)大量搬運(yùn)，形成湖沼沉積，發(fā)育暗色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等，泥巖有機(jī)質(zhì)含量高。層序Sq2 由低位體系域（LST）、湖侵體系域（TST）、高位體系域（HST）和下降期體系域（FSST）組成。底部低位體系域（LST）主要為進(jìn)積型扇三角洲沉積，發(fā)育扇三角洲平原分流河道、扇三角洲前緣水下分流河道和濱淺湖泥巖。扇三角洲分流河道構(gòu)成扇三角洲沉積的主體，相互連通的分流河道砂體構(gòu)成良好的鈾儲(chǔ)層，為氧化流體的規(guī)模發(fā)育提供基礎(chǔ)。工業(yè)鈾礦體主要分布于低位體系域扇三角洲平原分流河道中，部分分布于扇三角洲前緣水下分流河道中，少量位于高位體系域中（表2）。

表2 工業(yè)鈾礦化分布Table 2 Distribution of economical uranium mineralization

在低位體系域之上發(fā)育湖侵體系域（TST）。隨著基準(zhǔn)面的抬升，發(fā)育了濱淺湖相粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等細(xì)粒沉積物，構(gòu)成了頂部有利的隔水層。湖侵體系域在一定程度上可形成透鏡狀的砂體，細(xì)粒沉積物限制了含鈾含氧水的運(yùn)移，使其順局部扇三角洲分流河道進(jìn)行運(yùn)移，進(jìn)行卸載，在一定的含鈾含氧水和有機(jī)質(zhì)的還原作用下，形成鈾礦化。在湖侵體系域發(fā)育期，由于盆地北部宗乃山-沙拉扎山隆起鈾源條件好，在盆地內(nèi)暗色泥巖中發(fā)育沉積期鈾礦化。

高位體系域主要由泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等細(xì)粒沉積物組成，局部發(fā)育高位正常水退的砂體，但砂體規(guī)模小，連通性較差，故氧化帶不發(fā)育，難以形成規(guī)?；纳皫r型鈾礦化。

5 結(jié)論

1）下白堊統(tǒng)巴音戈壁組上段主要發(fā)育扇三角洲-湖相（以濱淺湖亞相為主）沉積，扇三角洲相可劃分為3 個(gè)亞相和一系列微相。鈾礦體主要位于扇三角洲平原分流河道、扇三角洲前緣水下分流河道中，分流河道砂體構(gòu)成有利的鈾儲(chǔ)層。

2）下白堊統(tǒng)巴音戈壁組可劃分為2 個(gè)三級(jí)層序（Sq1 和Sq2）。層序Sq1 未揭穿，層序Sq2由低位體系域（LST）、湖侵體系域（TST）、高位體系域（HST）和下降期體系域（FSST）組成。低位體系域（LST）構(gòu)成較好的鈾儲(chǔ)層，湖侵體系域（TST）形成隔擋層，有利于鈾成礦。

3）有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦對(duì)鈾成礦起重要作用。扇三角洲平原分流河道和扇三角洲前緣水下分流河道帶來的有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦，為鈾成礦提供了重要的還原介質(zhì)。黃鐵礦主要與分流河道砂體和分流間灣中暗色泥巖有關(guān)。礦石中鈾石、瀝青鈾礦與黃鐵礦關(guān)系密切。