甘肅北山南部總口子盆地砂巖型鈾礦成礦條件及找礦潛力分析

戴鵬飛，魯寶龍，王 剛，牛 霆，賀 鋒

(1.核工業(yè)二〇三研究所，陜西 西安 710100；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029)

甘肅北山地區(qū)分布大面積侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)山前盆地，形成了總口子、扎格高腦、公婆泉、黑鷹山、石板井和駱駝泉等一系列小型盆地群。許多學(xué)者對(duì)本區(qū)區(qū)域構(gòu)造、巖漿活動(dòng)、成礦規(guī)律、盆地演化、沉積地層及成油潛力等方面進(jìn)行了較為深入的研究(彭楠等，2013；韓小鋒等，2019；靳擁護(hù)等，2020；牛海青等，2021; Yang et al.,2001)。2000年以來(lái)，中國(guó)核工業(yè)地質(zhì)局在本區(qū)開(kāi)展了鈾礦調(diào)查評(píng)價(jià)工作，主要以層間氧化-還原砂巖型鈾成礦理論為核心(聶逢君等，2021)，提交了大量地質(zhì)及物化探成果，顯示本區(qū)有大量放射性異常(聶鳳軍等，2006；王文青等，2019)。通過(guò)對(duì)本區(qū)地質(zhì)勘查資料的總結(jié)分析，篩選鈾異常點(diǎn)(帶)，認(rèn)為總口子盆地要以層間氧化帶型鈾礦找礦為突破口。2019—2021年經(jīng)鉆探查證，在總口子盆地首次發(fā)現(xiàn)了鈾礦工業(yè)礦孔，顯示了本區(qū)具有良好的鈾找礦前景。為進(jìn)一步擴(kuò)大找礦成果，筆者對(duì)總口子盆地構(gòu)造特征進(jìn)行了分析，劃分找礦目的層，研究沉積類(lèi)型及演化過(guò)程，選取成礦條件優(yōu)越地段，開(kāi)展砂巖型鈾成礦條件評(píng)價(jià)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 北山地區(qū)總口子盆地大地構(gòu)造位置圖(1)陳祖伊,郭慶銀,2004.北山-走廊地區(qū)鈾資源勘查部署規(guī)劃研究報(bào)告[R].北京:核工業(yè)地質(zhì)局.Fig.1 Geotectonic location map of the Zongkouzi basin in Beishan area1.沉積盆地；2.加里東期縫合線(xiàn)；3.華力西期縫合線(xiàn)；4.印支期縫合線(xiàn)；5.逆沖斷層；6.走滑斷層；7.蛇綠巖；8.研究區(qū)范圍

總口子盆地位于中國(guó)的西北部，嘉峪關(guān)市以北130 km，屬北山盆地群之一，大地構(gòu)造位置位于構(gòu)造演化復(fù)雜、巖漿活動(dòng)繁多的北山造山帶(圖1)。北山造山帶位于塔里木-哈薩克斯坦-西伯利亞三大板塊銜接處(劉帥等，2012；祝民強(qiáng)等，2013；王紅杰等，2021；白榮龍等，2022；姜洪穎等，2022; Qian et al.,2001; Smith et al.,2006; Song et al.,2015)?？偪谧优璧厥苡≈?、燕山和喜山運(yùn)動(dòng)影響，發(fā)育眾多中新生代陸相沉積，地層從老至新為三疊系、侏羅系、白堊系、新近系、第四系。三疊系僅局部出露，發(fā)育湖相和河流相碎屑沉積巖。侏羅系為湖泊-沼澤-河流相碎屑巖沉積，常含煤系。白堊系為扇三角洲-湖相沉積，不整合于侏羅系之上，巖性為長(zhǎng)石砂巖、雜砂巖、泥頁(yè)巖夾煤層。新近系主要為上新統(tǒng)苦泉組，由后期抬升剝蝕殘留地層，大多地區(qū)剝蝕殘留面積較小，總口子盆地出露于盆地內(nèi)西北部。巖性以橘紅色粉砂質(zhì)泥巖夾薄層細(xì)砂巖，深灰色、黃色泥巖夾薄層細(xì)砂巖，雜色砂巖、礫巖。厚度為10～278 m，區(qū)內(nèi)巖性穩(wěn)定，產(chǎn)狀平緩。第四系在盆地內(nèi)分布廣泛，發(fā)育較全，從早更新世至全新世均有各種成因的沉積物發(fā)育，下部為土黃色泥巖及黏土、砂巖、粉砂巖等，上部為沖積-洪積砂礫層。

圖2 北山地區(qū)總口子盆地鈾礦地質(zhì)圖Fig.2 Uranium geological map of the Zongkouzi basin in Beishan area1.第四系；2.新近系苦泉組；3.白堊系新民堡群；4中侏羅統(tǒng)；5.下-中三疊統(tǒng)；6.中二疊統(tǒng)；7.下二疊統(tǒng)；8.上石炭統(tǒng)；9.中石炭統(tǒng)；10.下石炭統(tǒng)；11.寒武系；12.燕山早期花崗巖；13.燕山期花崗閃長(zhǎng)巖；14.燕山晚期花崗巖；15.燕山期二長(zhǎng)花崗巖；16.燕山期石英閃長(zhǎng)巖；17.華力西晚期花崗巖；18.華力西中期花崗閃長(zhǎng)巖；19.華力西中期閃長(zhǎng)巖；20.華力西期石英閃長(zhǎng)巖；21.實(shí)測(cè)與推測(cè)斷層及產(chǎn)狀；22.實(shí)測(cè)及推測(cè)地層界線(xiàn)；23.實(shí)測(cè)及推測(cè)地層不整合界線(xiàn)；24.花崗巖型鈾礦/礦化點(diǎn)

北山地區(qū)主要經(jīng)歷了3次構(gòu)造巖漿事件：早中古生代(460～370 Ma)、晚古生代(330～251 Ma)、早中生代(251～200 Ma)。在經(jīng)歷了興凱運(yùn)動(dòng)、加里東運(yùn)動(dòng)和華力西運(yùn)動(dòng)之后，本區(qū)海相沉積演化階段結(jié)束，海水全部退出，形成了中-新生代盆地的基底。盆地基底及周緣蝕源區(qū)主要由太古界-元古界中深變質(zhì)巖、寒武系-石炭系火山碎屑巖及加里東-燕山期花崗巖組成。盆地基底構(gòu)造樣式以斷裂構(gòu)造為主，總體構(gòu)造比較穩(wěn)定(圖2)。

2 構(gòu)造特征

北山地區(qū)的大地構(gòu)造位置決定了盆地基底的差別，進(jìn)而決定了總口子盆地在燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng)中構(gòu)造變形的差異。多期次構(gòu)造作用造成盆地基底反復(fù)的抬升和沉降，把盆地分割為大盆套小盆的構(gòu)造格局(李明杰等，2004；杜玉良等，2009；云龍等，2021)。

圖3 總口子盆地主要斷裂與地層關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of relationship between main faults and strata in the Zongkouzi basin1.第四系；2.新近系；3.白堊系；4中侏羅統(tǒng)；5.早侏羅統(tǒng)；6.基底；7.主要斷裂構(gòu)造

現(xiàn)今盆地基底形態(tài)總體特征是兩凹夾一隆(圖3)，兩凹指東部的紅柳大泉-黑帳房凹陷和西部老樹(shù)窩-南泉凹陷，一隆是指煤窯西山-沙婆泉隆起帶。紅柳大泉-黑帳房凹陷可分為8個(gè)次級(jí)凹陷與凸起，凸起內(nèi)無(wú)侏羅系，基底埋深較淺，最大埋深為700 m，凹陷內(nèi)普遍存在侏羅系，最大埋深為2 200 m。老樹(shù)窩-南泉斷陷可分為4個(gè)次級(jí)凹陷與凸起，凹陷一般埋深800～1 000 m，最大深度可達(dá)1 700 m，以白堊系為主要沉積蓋層，局部地段可能有侏羅系。侏羅系總體上呈北西西向展布，主要分布于相對(duì)隆起區(qū)內(nèi)，斷裂構(gòu)造發(fā)育，以北西西向和北東向斷裂構(gòu)造為主，其中北西西向斷裂是早中侏羅世的控盆構(gòu)造，褶皺構(gòu)造表現(xiàn)為緊閉線(xiàn)性褶皺，地層傾角陡，而東部地層的產(chǎn)狀相對(duì)較緩(5°～30°)，常被北東向斷陷所切割。下白堊統(tǒng)主要出露于金廟溝凹陷、老樹(shù)窩凹陷、俞井子凹陷及紅柳大泉凹陷的中部。斷裂構(gòu)造發(fā)育程度較早中侏羅系弱，主要為北東、北西西向的隱狀斷裂構(gòu)造，這些斷裂構(gòu)造往往是徑流區(qū)的排泄源。褶皺構(gòu)造以平緩開(kāi)闊的復(fù)式向斜為主，地層產(chǎn)狀平緩。新構(gòu)造活動(dòng)在該盆地內(nèi)主要表現(xiàn)為斷裂構(gòu)造復(fù)活，斷塊的差異升降，在其東南部有掀斜作用。

3 下白堊統(tǒng)新民堡群劃分、沉積相及砂體特征

3.1 下白堊統(tǒng)新民堡群劃分

下白堊統(tǒng)新民堡群下溝組為本區(qū)找礦目的層，厚度為100～1 600 m，巖層走向一般呈北東向、近東西向，局部為北北東向，傾角為5°～30°，連續(xù)性較好，多形成寬緩的短軸狀向斜、背斜構(gòu)造。該套沉積物粒度從盆地邊緣至中心大多由粗變細(xì)，厚度也由薄增厚，自下而上表現(xiàn)為由粗到細(xì)，再由細(xì)到粗的沉積特點(diǎn)。從盆地早白堊世中期沉積演化史可以看出，盆地在早白堊世沉積過(guò)程中，均存在沉積巖相的分異性，不同時(shí)期的相帶互相疊置形成了良好的泥-砂-泥結(jié)構(gòu)。通過(guò)層序分析，將下白堊統(tǒng)新民堡群由下至上劃分為赤金堡組、下溝組、中溝組。

(1)赤金堡組主要分布在紅柳大泉西側(cè)、黑帳房南部、總口子西，不整合于下侏羅統(tǒng)之上。以紫紅色砂質(zhì)礫巖、砂巖、含礫泥巖和泥巖為主，礫石分選差，以棱角、次棱角為主。該層位為早白堊世初期，在地形地貌變化不穩(wěn)定的山間凹陷快速沉積了一套雜色沖洪積扇-辮狀河相粗粒碎屑巖，其中沖洪積扇發(fā)育泥石流沉積，礫石分選差，成熟度低，反映早期沉積有原地搬運(yùn)，填平補(bǔ)齊的特點(diǎn)。該層的主要?jiǎng)澐謽?biāo)志為一套含礫泥巖，總體泥質(zhì)碎屑含量大、透水性差，不利于砂巖型鈾礦形成。

(2)下溝組主要分布在總口子盆地南泉和紅柳大泉-黑帳房一帶，為紫紅、褐黃、灰、灰綠色碎屑巖夾泥灰?guī)r，厚度可達(dá)1 200 m(圖4)。頂部界線(xiàn)為灰綠、淺灰色泥質(zhì)細(xì)砂巖、泥巖與中溝組底部厚層紫紅色礫巖，兩者整合接觸；底部為紫紅色、褐色、黃色礫巖或砂巖與赤金堡組頂部黑色頁(yè)巖為界，兩者整合接觸或不整合于侏羅系之上。

(3) 中溝組主要分布于總口子盆地南泉北和煤窯西山一帶，為一套棕紅色、褐黃色砂礫巖、含礫砂巖及砂巖等粗碎屑巖夾泥巖、粉砂巖，含礫泥巖夾薄層灰色砂巖。由于抬升剝蝕，在北山地區(qū)該層位殘留較少，殘留厚度為10～110 m。

3.2 沉積相特征

中侏羅世末期，受區(qū)域近東西向的擠壓，地表不均衡上升，盆地最低處的南泉-沙坡泉沉陷帶沿北北東向強(qiáng)烈隆起，并有花崗巖的侵入，使隆起帶上侏羅統(tǒng)有輕微變質(zhì)，同時(shí)該地區(qū)地表抬升遭受剝蝕(黨犇等，1998)。這種不均衡的上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈破壞了盆地格局，將完整的盆地分為3個(gè)獨(dú)立的凹陷(總口子西、南泉、紅柳大泉)，如圖5所示。

總口子盆地受燕山運(yùn)動(dòng)影響，于早白堊世早期發(fā)生沉降，這次沉降活動(dòng)基本繼承了晚侏羅世的格局。早白堊世早期屬于干旱氣候，沉積磚紅、灰色碎屑巖。煤窯西山-紅柳大泉隆起帶以東，地勢(shì)開(kāi)闊，地形平坦，河流相發(fā)育。隆起帶以西，地形狹窄，以沖積扇相粗碎屑沉積為主。

早白堊世中期氣候由干旱轉(zhuǎn)為濕熱，北山總體進(jìn)入泛湖階段，總口子盆地沉積物以湖相為主，為一套灰、灰黑色泥巖、砂巖、含煤建造。在南泉凹陷上部為薄層泥砂互層出現(xiàn)的沖積扇前緣亞相，下部為一套湖相含炭泥巖，后期沉積中心隨時(shí)間向北東遷移，由于抬升剝蝕，該期沉積體系不完善。

早白堊世末期，由于燕山運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈上升活動(dòng)，至新近紀(jì)中新世末盆地內(nèi)沒(méi)有接受沉積，以剝蝕作用為主，氣候以干旱為主，氧化作用強(qiáng)烈，可能為鈾主成礦期。上新世，盆地北部局部下降接受了苦泉組陸相紅色碎屑巖沉積。第四紀(jì)初，地殼僅有微弱振蕩運(yùn)動(dòng)，盆地接受了極薄的第四系沉積物。盆地現(xiàn)今構(gòu)造特征基本繼承了早白堊世的構(gòu)造格局。

圖4 總口子盆地下溝組巖石序列組合特征Fig.4 Characteristics of rock sequences of the Xiagou Formation in the Zongkouzi basin1.含礫粗砂巖；2.粗砂巖；3.中粒砂巖；4.細(xì)砂巖；5.粉砂巖；6.泥巖；a,b.砂巖地表露頭照片；c.灰白色細(xì)砂巖富含有機(jī)質(zhì)；d.氧化砂體發(fā)育赤鐵礦化；e.淺黃綠色砂體

總口子盆地下溝組主要分布于南泉斷陷、紅柳大泉-黑帳房一帶。在南泉斷陷下溝組上部以洪積扇沉積為主，南北兩側(cè)近蝕源區(qū)以厚大的砂礫巖、細(xì)砂巖、礫巖為主，近斷陷中心以粉砂質(zhì)、泥質(zhì)巖等湖相沉積為主，夾少量中厚層狀細(xì)砂巖層。紅柳大泉-黑帳房一帶下溝組主要為扇三角洲平原亞相，發(fā)育含礫砂巖、中粗砂巖和細(xì)砂巖，偶見(jiàn)粉砂巖、頁(yè)巖，具中、小型交錯(cuò)層理，與蝕源區(qū)接合部位發(fā)育小面積淺湖相沉積和以泥石流、篩積物為標(biāo)志的扇中亞相沉積。

圖5 總口子盆地下溝組沉積相圖Fig.5 Sedimentary facies diagram of Xiagou Formation in Zongkouzi Basin1.蝕源區(qū);2.扇端亞相;3.沖積扇根亞相;4.扇中亞相;5.扇三角洲平原亞相;6.扇三角洲前緣亞相;7.淺湖相;8.深湖相;9.蝕源區(qū)邊界;10.花崗巖型鈾礦化點(diǎn)

3.3 新民堡群下溝組主要砂體發(fā)育特征

總口子盆地下溝組以河流相韻律層極其發(fā)育為特點(diǎn)，砂泥呈4～20 cm不等厚互層。老樹(shù)窩向斜底部?jī)H有約60 m的褐黃色砂巖與礫巖層，向上急劇相變?yōu)楹嗄鄮r、粉砂巖及泥灰?guī)r。通過(guò)地質(zhì)調(diào)查及鉆探查證，南泉斷陷下溝組厚度為20～280 m，單層砂體厚度為2～7 m，具泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，砂體分選相對(duì)較好，富含有機(jī)質(zhì)，潛水、層間氧化發(fā)育，發(fā)現(xiàn)多處砂巖型的鈾礦化點(diǎn)，深部存在較好砂巖型鈾礦化。紅柳大泉-黑帳房一帶下溝組總體砂體發(fā)育，單層砂體厚度為5～58 m，具泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，砂體分選相對(duì)較好，其次潛水、層間氧化發(fā)育，且地層中富含炭屑等有機(jī)質(zhì)(圖6)。

圖6 總口子盆地砂巖巖芯照片F(xiàn)ig.6 Sandstone core photos of the Zongkouzi basina.ZK2-2孔深76 m處淺黃棕色細(xì)砂巖；b.ZK2-2孔深19 m處黃棕色細(xì)砂巖；c.ZK2-2孔深386 m處灰色油浸細(xì)砂巖；d.ZK2-2孔深147 m處砂體中炭屑

4 成礦條件及找礦潛力分析

4.1 成礦條件分析

下白堊統(tǒng)新民堡群下溝組為總口子盆地主要找礦目的層，在紅柳大泉地段出露面積較大，埋藏淺。其構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，多表現(xiàn)為寬緩褶皺構(gòu)造，地層傾角一般小于15°，發(fā)育扇三角洲沉積體系-扇三角洲平原亞相，泥-砂-泥結(jié)構(gòu)發(fā)育，可見(jiàn)5～15層以上穩(wěn)定的砂體，單層砂體厚度可達(dá)5～58 m，泥砂比(3.5～1∶1)，砂巖中孔隙率為5%～30%。另外，盆地基底和蝕源區(qū)鈾源豐富，區(qū)內(nèi)寒武系的炭質(zhì)板巖、硅質(zhì)巖是區(qū)域上的含鈾層，有大量的放射性異常點(diǎn)、帶出現(xiàn)。廣泛出露的志留系酸性、中酸性火山巖及火山碎屑巖，鈾含量平均值為4.6×10-6，鈾浸出率約13.6%，是一套相對(duì)富鈾的巖石。區(qū)內(nèi)華力西期的酸性、中酸性侵入巖，廣泛分布，規(guī)模大，總面積達(dá)8 000 km2。巖體內(nèi)發(fā)現(xiàn)有大量異常點(diǎn)、帶，已發(fā)現(xiàn)的鈾礦點(diǎn)10個(gè)，鈾礦化點(diǎn)4個(gè)。該套巖體不僅是盆地沉積時(shí)期的主要物源，還能為成礦提供重要的鈾源(王剛等，2018)。對(duì)蝕源區(qū)的新鮮巖石、風(fēng)化殼分別進(jìn)行地面γ能譜測(cè)量，結(jié)果顯示風(fēng)化殼中的鈾含量比新鮮巖石的鈾含量低，說(shuō)明巖石中的鈾經(jīng)過(guò)淋濾、遷移，最后匯集到盆地內(nèi)。

早白堊世早期，該地段氣候干熱，產(chǎn)生了一些紅色沉積層夾石膏層的氧化環(huán)境下的沉積，形成了下白堊統(tǒng)下部的紫紅色礫巖，砂礫巖夾石膏及鈣質(zhì)粉砂巖透鏡體。早白堊世中期，盆地沉降相對(duì)減緩，氣候由干熱變?yōu)闈駸?，?dòng)、植物處于相對(duì)繁榮時(shí)期，沉積環(huán)境由早期的氧化→半氧化變?yōu)榘脒€原→還原環(huán)境，湖濱地帶及淺湖出現(xiàn)了沼澤或半沼澤化現(xiàn)象，在一些盆地里形成了含煤及油頁(yè)巖巖系。早白堊世晚期，盆地抬升縮小，氣候由潮濕轉(zhuǎn)變?yōu)楦珊担练e了厚度較大的紅色碎屑巖。

總口子盆地中已知的地表鈾異常點(diǎn)較多，下白堊統(tǒng)新民堡群鈾背景值較高，平均值為23.7×10-6，其中黑色、灰色泥巖中鈾含量最高(28.8×10-6)；淺灰、灰黑色砂巖稍低(21.1×10-6)。在下白堊統(tǒng)中已發(fā)現(xiàn)鈾異常(礦化)點(diǎn)9處。在總口子盆地索索井2 059個(gè)礦點(diǎn)中，個(gè)別細(xì)砂巖樣品鈾品位達(dá)到0.078%。以上鈾異常、礦化與中侏羅世和早白堊世沉積關(guān)系密切，既存在于河流相中心的異常，又有產(chǎn)于洪積扇相和湖相的異常，賦存巖性不僅有砂巖、礫巖，也有泥巖、泥灰?guī)r?？臻g上，鈾礦化不僅產(chǎn)于近蝕源區(qū)的盆緣，也產(chǎn)于盆地中心。

4.2 成礦潛力及找礦方向分析

通過(guò)鉆探查證，在總口子盆地南泉和紅柳大泉地段均發(fā)現(xiàn)砂巖型鈾礦化孔。通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件分析，在紅柳大泉、索索井以南地段為氧化帶范圍，紅柳大泉、索索井以北到白沙窩以南為氧化還原過(guò)渡帶，白沙窩以北2～5 km范圍內(nèi)為還原帶。該層間氧化帶呈近東西向展布。砂巖型鈾礦化體賦存于下溝組下部與赤金堡組接觸面之上，埋深為74.00～93.20 m，厚度為0.20～4.60 m，品位為0.010 8%～0.017 0%，平米鈾量為0.05～1.67 kg/m2，賦礦巖性為紫紅色中砂巖和灰色細(xì)礫巖(圖7)。

圖7 ZK7-1孔含礦段巖芯照片F(xiàn)ig.7 Photo of ore-bearing section of ZK7-1 holea.紫紅色中砂巖；b.灰色細(xì)礫巖

綜合分析認(rèn)為，總口子盆地紅柳大泉凹陷具備相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境、豐富的鈾源條件以及扇三角洲平原亞相等有利條件。下白堊統(tǒng)找礦目的層在早白堊世經(jīng)歷了由干旱到溫暖潮濕再到干旱的演化過(guò)程，古氣候的多次頻繁轉(zhuǎn)化，發(fā)育了一套灰、綠灰、暗灰色砂巖、粉砂巖、泥巖夾砂礫巖，夾煤層、煤線(xiàn)、油頁(yè)巖等，動(dòng)植物化石豐富，具備還原條件。另外，在紅柳大泉首次發(fā)現(xiàn)砂巖型鈾礦工業(yè)孔，證實(shí)了紅柳大泉凹陷為該盆地砂巖型鈾礦找礦潛力較大區(qū)域。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)層序研究，將下白堊統(tǒng)新民堡群由下至上劃分為赤金堡組、下溝組、中溝組。該套沉積物粒度從盆地邊緣至中心由粗變細(xì)，厚度也由薄增厚，發(fā)育扇三角洲平原亞相，為鈾成礦有利的沉積相帶。

(2)通過(guò)對(duì)總口子盆地地質(zhì)特征分析，認(rèn)為在紅柳大泉、索索井以南地段為氧化帶范圍，紅柳大泉、索索井以北到白沙窩以南為氧化還原過(guò)渡帶，推測(cè)白沙窩以北2～5 km范圍內(nèi)為還原帶，該層間氧化帶呈近東西方向展布。

(3)總口子盆地紅柳大泉凹陷構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定、鈾源豐富、發(fā)育扇三角洲沉積體系有利相帶、有機(jī)質(zhì)等還原劑充足，且在紅柳大泉首次發(fā)現(xiàn)砂巖型鈾礦工業(yè)孔，指示該區(qū)砂巖型鈾成礦條件良好。