準(zhǔn)噶爾盆地南緣硫磺溝地區(qū)頭屯河組沉積特征及其鈾成礦遠(yuǎn)景分析

李 琪,吳柏林,周 玉,楊佐懷,王 苗,張效瑞,林周洋

(1.西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069;2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 烏魯木齊自然資源綜合調(diào)查中心,新疆 烏魯木齊 830057)

從20世紀(jì)五十年代始,中國(guó)進(jìn)入砂巖型鈾礦勘查熱潮,首要目標(biāo)瞄準(zhǔn)了位于中亞造山帶延伸段的中國(guó)西部多個(gè)中新生代盆地,并陸續(xù)在伊犁盆地南部和吐哈盆地南部發(fā)現(xiàn)了大型砂巖型鈾礦床[1-2]。而準(zhǔn)噶爾盆地作為中亞砂巖型鈾礦成礦帶的向東延伸段,蘊(yùn)藏豐富的能源礦產(chǎn)(油氣、煤、鈾等),且與吐哈盆地、伊犁盆地?fù)碛邢嗨频幕滋卣骱椭行律鷺?gòu)造演化史[3-5],目前僅發(fā)現(xiàn)了一批鈾礦點(diǎn)及異常點(diǎn),仍未發(fā)現(xiàn)具較大規(guī)模的鈾礦床。

準(zhǔn)噶爾盆地砂巖型鈾礦的研究早期主要集中在盆地的北部、東部和西北部,針對(duì)地層結(jié)構(gòu)[6]、沉積環(huán)境與體系[7-8]、構(gòu)造演化[9-10]、古氣候條件[11]、區(qū)域水文地質(zhì)條件[6-12]、鈾源條件[6]、氧化帶特征[7]等方面做了不少工作。近些年,在對(duì)全盆地砂巖型鈾礦的研究中,認(rèn)為準(zhǔn)噶爾盆地的前寒武紀(jì)結(jié)晶基底,是有利于砂巖型鈾礦成礦的條件[3];盆地潮濕和半潮濕古氣候環(huán)境有利于砂巖型鈾礦含礦建造的發(fā)育[13];初步劃分了準(zhǔn)噶爾盆地已知的鈾礦化的類(lèi)型,其中將砂巖型鈾礦化分為層間氧化帶型、“油氣掩蓋”型和油氣還原型[14]。隨著盆地多種能源共存、“油-鈾兼探”、“煤-鈾兼探”等新的成礦和找礦理論與思路的出現(xiàn)[15],更加豐富和發(fā)展了已有認(rèn)識(shí)。因此,研究認(rèn)為,準(zhǔn)噶爾盆地具備較好的砂巖型鈾礦找礦潛力。

目前,盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)56個(gè)鈾礦點(diǎn)、礦化點(diǎn),其中多數(shù)分布在盆地的南緣,賦礦層位中侏羅系最為發(fā)育,其中砂巖型鈾礦占39%[14-16]。但是,對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣砂巖型鈾礦的探討,近幾年才逐步升溫。陳正樂(lè)等認(rèn)為,準(zhǔn)南西部斷褶帶的第一排構(gòu)造具有較好的成礦前景,并提出準(zhǔn)南砂巖型鈾礦成礦“構(gòu)造優(yōu)先權(quán)”的構(gòu)造控礦模式[17];黃少華等認(rèn)為,準(zhǔn)南硫磺溝地區(qū)頭屯河組鈾礦由早期形成并局部保存的小型層間氧化帶型鈾礦和晚期形成的一定規(guī)模的地表潛水氧化帶型鈾礦組成[18];劉章月等通過(guò)恢復(fù)準(zhǔn)南構(gòu)造抬升剝蝕量,認(rèn)為硫磺溝地區(qū)發(fā)育沖隆掀斜型盆山耦合方式,對(duì)鈾成礦的保存較為有利,且認(rèn)為該區(qū)存在層間氧化帶及其鈾礦體的可能, 是尋找剝蝕殘留“古礦”的優(yōu)選地段[19];周天琪等認(rèn)為,北天山是準(zhǔn)南頭屯河組沉積物的源區(qū)[20];張弛等認(rèn)為,構(gòu)造與古氣候共同控制著準(zhǔn)南的沉積演化[21];王國(guó)榮等認(rèn)為,中侏羅統(tǒng)頭屯河組辮狀河相的厚大砂體是準(zhǔn)南最有利的砂巖型鈾成礦載體,并控制了鈾礦化的空間分布[22];閆晶晶等通過(guò)對(duì)準(zhǔn)南中新生代構(gòu)造演化的分析,認(rèn)為盆地南部硫磺溝地區(qū)在早中侏羅世接受北天山碎屑物質(zhì)沉積時(shí)期,形成了鈾的早期預(yù)富集,在晚侏羅世—早白堊世受構(gòu)造抬升剝蝕和古氣候的變化,形成層間氧化帶型鈾礦體,晚白堊世古近紀(jì)相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境有利于鈾成礦作用的持續(xù)進(jìn)行,在新近紀(jì)以來(lái),強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)早期鈾礦以剝蝕改造及破壞作用為主[23]。

但是,受勘探程度的限制,目前準(zhǔn)南找礦仍未取得根本性突破,對(duì)局部有利地區(qū)和含礦層位進(jìn)行詳細(xì)解剖的工作有待深入。據(jù)此,本研究主要明確準(zhǔn)南硫磺溝地區(qū)中侏羅統(tǒng)頭屯河組沉積環(huán)境、地層層序及砂體分布特征,查明該區(qū)中侏羅統(tǒng)鈾異常分布特征,分析該區(qū)中侏羅統(tǒng)沉積環(huán)境與鈾成礦的關(guān)系,指明成礦和找礦有利的地層層段,為該區(qū)下步鈾礦勘查提供理論依據(jù)和參考。

1 地質(zhì)背景

準(zhǔn)噶爾盆地處新疆北部,是一個(gè)三面被古生代縫合線所包圍的、晚石炭至第四紀(jì)發(fā)展起來(lái)的大型疊合沉積盆地,盆地主體屬于哈薩克斯坦—準(zhǔn)噶爾古板塊[24]。盆地以晚古生代—中新生代陸相沉積為主,形態(tài)大致呈三角形。盆地地層發(fā)育齊全,盆地基底目前普遍認(rèn)為是前寒武紀(jì)結(jié)晶基底與其上的海西期褶皺基底構(gòu)成的陸殼雙層基底[25-32]?；谆顒?dòng)帶經(jīng)歷了多期褶皺、巖漿和交代作用,各種花崗巖和中酸性火山巖發(fā)育;其中上石炭統(tǒng)及二疊系為具大陸噴發(fā)相的沉積。目前研究認(rèn)為,基底的古陸塊屬性對(duì)盆地鈾礦的形成是有利的[4,14,33]。

準(zhǔn)噶爾盆地南緣(簡(jiǎn)稱(chēng)“準(zhǔn)南”)西起四棵樹(shù),東到奇臺(tái)南部,屬于北天山山前沖斷帶,橫跨天山山系和準(zhǔn)噶爾盆地兩大構(gòu)造區(qū),以自南向北的東西向“三排構(gòu)造”和沖斷推覆構(gòu)造為其特征[22]。其中,北天山山前沖斷帶組成部分包括5個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元,即四棵樹(shù)凹陷、齊古斷褶帶、霍瑪吐背斜帶、柴窩堡凹陷和阜康斷裂帶[20,34](見(jiàn)圖1)。本研究區(qū)所在的硫磺溝地區(qū)位于北天山山前沖斷帶的齊古斷褶帶的第一排背斜構(gòu)造帶中,處于阿克德向斜和硫磺溝背斜之間[23]。該區(qū)頭屯河組砂巖型鈾礦化主要發(fā)育在三排構(gòu)造寬緩的背斜兩翼中。

1.第四系;2.新近系;3.古近系;4.白堊系;5.上侏羅系;6.中下侏羅系;7.三疊系;8.二疊系;9.石炭系;10.泥盆系;11.花崗質(zhì)侵入巖;12.華力西中期輝長(zhǎng)巖;13.斷裂;14.河流;15.鈾礦(華)點(diǎn);16.居民點(diǎn)

硫磺溝地區(qū)中—新生代地層出露較全且厚度大。其中侏羅系(J)為大套河湖相碎屑巖,與下伏三疊系呈角度不整合接觸,層位發(fā)育齊全,是該區(qū)最主要的賦礦層系,自下而上為八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)、西山窯組(J2x)、頭屯河組(J2t)、齊古組(J3q)和喀拉扎組(J3k)。八道組灣(J1b)主要是河流-湖沼相沉積,含煤層或煤線;三工河組(J1s)為一套河湖相的灰色、灰綠色砂巖、粉砂巖和泥巖沉積,邊緣地帶是河流三角洲沉積;西山窯組(J2x)主體是湖泊三角洲體系沉積,通常含兩層煤,最厚可達(dá) 90 m,一般5～30 m;頭屯河組(J2t)在本區(qū)出露較為完整,是本次研究找礦的目標(biāo)層位,是本區(qū)的主要賦鈾礦層位。頭屯河組是一套含炭質(zhì)的河湖相雜色、灰色、灰綠色夾紫紅色泥巖、砂巖、砂礫巖夾煤線沉積,與下伏地層呈不整合接觸。齊古組(J3q)由暗紅色-紫紅色泥巖、砂巖夾凝灰質(zhì)砂巖和凝灰?guī)r組成;喀拉扎組(J3k)發(fā)育棕紅色山麓相、扇三角洲相巨厚層泥砂質(zhì)礫巖[13,23,35-36]。

2 含鈾巖系地層結(jié)構(gòu)劃分

地層劃分與對(duì)比是研究地層結(jié)構(gòu)與沉積環(huán)境的重要步驟之一,更是研究沉積地層的基礎(chǔ)。它不僅能夠建立研究區(qū)及目的層內(nèi)的等時(shí)關(guān)系,還能研究各層的空間展布等地質(zhì)問(wèn)題。通常,先按照尋找區(qū)域標(biāo)志層、尋找輔助標(biāo)志層,先對(duì)大段,再對(duì)小段和旋回控制等原則進(jìn)行地層劃分[37];然后結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景與地層特征,再對(duì)比不同層段測(cè)井曲線的特征,突出沉積旋回及巖性變化規(guī)律,進(jìn)而明確地層劃分與對(duì)比標(biāo)志。本研究主要以研究區(qū)巖心、測(cè)井和錄井等資料為基礎(chǔ),結(jié)合野外觀察和前人的研究成果,運(yùn)用了標(biāo)志層、地層厚度、鄰井追蹤等方法,最終將準(zhǔn)噶爾盆地南部研究區(qū)中侏羅統(tǒng)頭屯河組地層從下到上依次劃分為下段和上段,并進(jìn)一步細(xì)分成4個(gè)亞段,分別為下段的下亞段(J2t1-1)和上亞段(J2t1-2),上段的下亞段(J2t2-1)和上亞段(J2t2-2)。

2.1 頭屯河組底部厚大砂體與西山窯組的界線

在研究區(qū)內(nèi),頭屯河組(J2t)與下伏西山窯組(J2x)為整合接觸,兩者界線處的巖性及沉積差異明顯。其界線識(shí)別標(biāo)志為頭屯河組下部的灰色或灰綠色厚層含礫粗砂巖與西山窯組頂部的粉細(xì)砂巖與泥巖薄層互層,夾煤線〔見(jiàn)圖2(a)〕。二者為沖刷接觸,局部為正粒序特征。

注:(a)頭屯河組與西山窯組地層界線;(b)頭屯河組底部的辮狀河道大型砂體,含礫粗砂巖,發(fā)育大型槽狀交錯(cuò)層理;(c)頭屯河組底部厚大的辮狀河道,含礫粗砂巖砂體

頭屯河組(J2t)底部這套具有極大的寬/厚比的含礫粗砂巖砂體既是二者的界線,也是該組沉積的開(kāi)端。該砂體發(fā)育大型的槽狀交錯(cuò)層理〔見(jiàn)圖2(b)〕,研究認(rèn)為其為典型的大型辮狀河道沉積特征,在沉積早期水動(dòng)力條件較強(qiáng),水流沖刷切割所形成。

在測(cè)井曲線方面,兩者界線處也有比較明顯的趨勢(shì)變化。如界線處的視電阻率(RL3)曲線普遍出現(xiàn)明顯峰值(見(jiàn)圖3),以及部分伽瑪曲線(GA)值〔見(jiàn)圖3(a)〕和密度(DEN)曲線值〔見(jiàn)圖3(a)、(c)〕發(fā)生異常。

圖3 頭屯河組下段下亞段(J2t1-1)頂?shù)追纸缇€處測(cè)井曲線

2.2 頭屯河組上、下段界線

頭屯河組(J2t)的中部存在一套較厚的砂體,厚度通常為1～3 m,很少超過(guò)4 m,其底部是一層連續(xù)的薄層礫巖(見(jiàn)圖4)。該套砂體存在較明顯的曲流河二元結(jié)構(gòu),下部河道具有底凸頂平的特點(diǎn)。該河道底部為滯留礫石,向上漸變?yōu)橹屑?xì)砂巖,發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理,野外可見(jiàn)側(cè)向加積的特征;而河道頂部為粉細(xì)砂巖,可見(jiàn)爬升砂紋層理,再往上漸變?yōu)楹旨t色泥巖、粉砂巖,進(jìn)而演變?yōu)榍骱臃簽E平原沉積的特點(diǎn)。

因此,中部的曲流河道底部沉積的滯留沉積礫巖可作為頭屯河組上段(曲流河沉積)與下段(辮狀河沉積)的界線(見(jiàn)圖5)。在測(cè)井曲線方面,該曲流河道沉積砂體的視電阻率曲線在上下界線處出現(xiàn)明顯的異常特征(見(jiàn)圖6)。

圖6 頭屯河組上下段地層分界線處測(cè)井曲線

2.3 頭屯河組頂部地層界線

頭屯河組(J2t)與上覆齊古組(J3q)為整合接觸關(guān)系(見(jiàn)圖7)。其中頭屯河組頂部砂巖厚度明顯變薄,粒度變細(xì),地層以泥巖為主,顏色為淺棕色與灰綠色泥巖互層的一套雜色層;而齊古組則整體偏紅色,與頭屯河組交界處以紫紅色泥巖為主。因此,二者界線處地層顏色差異明顯,界線清晰,野外識(shí)別標(biāo)志即為一套淺棕色與灰綠色互層的雜色地層和大套紫紅色、紅色地層。

圖7 齊古組與頭屯河組地層分界線

2.4 頭屯河組上段之上下亞段界線

頭屯河組上段(J2t2),包含中部曲流河道沉積砂體與頂部以偏紅色泥巖為主的地層,進(jìn)一步細(xì)分為上、下亞段。

頭屯河組頂部這套以泥巖為主的地層,因?yàn)閱螌由皫r厚度極度偏小,且整體以棕紅色為主,與其下部的灰綠色或局部淺棕色存在明顯差異,所以可單獨(dú)劃分為一亞段,即頭屯河組上段上亞段(J2t2-2)是以泥巖地層為主的、總體呈棕紅色的地層,屬于曲流河泛濫平原沉積,形成“紅層”〔見(jiàn)圖8(a)〕;而上段下亞段(J2t2-1)總體以偏灰色和灰綠色為主,屬于曲流河道沉積,形成灰綠色、灰白色及灰色層〔見(jiàn)圖8(b)〕,統(tǒng)稱(chēng)“灰色層”。

圖8 頭屯河組上段上下亞段地層

圖9 頭屯河組下段上下亞段地層分界線處測(cè)井曲線

2.5 頭屯河組下段的上、下亞段界線及古生物標(biāo)志

頭屯河組下段(J2t1)也可進(jìn)一步根據(jù)沉積特征細(xì)分為上、下亞段。在中部曲流河道沉積砂體之下與底部厚大辮狀河砂體之上,出現(xiàn)了一套以灰色調(diào)為主,局部為棕色、淺褐色的地層,總體厚度不大,表現(xiàn)出砂體明顯變薄而泥巖明顯增厚的特點(diǎn)。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料可知,該段地層含較豐富的水生動(dòng)植物化石,說(shuō)明其沉積環(huán)境較獨(dú)特,因此單獨(dú)劃分為下段上亞段(J2t1-2)。該段具倒粒序特征,屬于辮狀河三角洲沉積。

在測(cè)井曲線方面,J2t1-1和J2t1-2界線處也有明顯的異常值出現(xiàn)。界線處的視電阻率曲線(RL3)發(fā)生明顯的變化(見(jiàn)圖3,9),還有部分伽瑪曲線(GA)值出現(xiàn)異?！惨?jiàn)圖3(a)、9(b)〕,以及個(gè)別密度曲線(DEN)值〔見(jiàn)圖3(a)、(c),9(b)〕發(fā)生較大改變。

3 頭屯河組地層與砂體特征及鈾礦化展布

在地層結(jié)構(gòu)及層序劃分的基礎(chǔ)上,在研究區(qū)內(nèi)利用鉆井資料,選擇不同方向連井剖面進(jìn)行地層的對(duì)比,以此展示地層及砂體的空間展布和鈾礦化分布特征(見(jiàn)圖10、11)。

圖10 研究區(qū)北東向某地層剖面及結(jié)構(gòu)劃分與鈾礦化分布圖

圖11 研究區(qū)北西西向某地層剖面及結(jié)構(gòu)劃分與鈾礦化分布圖

3.1 地層厚度分布特征

因研究區(qū)頭屯河組地層遭受到一定程度的剝蝕,所以,本研究?jī)H對(duì)頭屯河組下段的下亞段(J2t1-1)、上亞段(J2t1-2)和上段的下亞段(J2t2-1)3個(gè)亞段進(jìn)行了層段厚度的統(tǒng)計(jì),并分析其與鈾礦化關(guān)系。

研究結(jié)果表明,研究區(qū)頭屯河組(J2t)整體地層厚度可達(dá)七百多米,東南方向變薄,往西北方向增厚,說(shuō)明東南方抬升剝蝕嚴(yán)重,地層整體往北西方向傾斜。其上段的下亞段(J2t2-1)為中間薄、東北方向及西南方向較厚,東北方向最厚,可達(dá)300 m左右。該層為找礦的潛在層位。

下段的上亞段(J2t1-2)總體較薄,一般僅為50～90 m,最厚達(dá)200 m,西北方相對(duì)較厚,而南部較薄。由于地層較薄,分布也不太穩(wěn)定,不是工業(yè)鈾礦化的找礦層位。

下段的下亞段(J2t1-1)總體較厚,一般100～300 m,最厚在西部,可達(dá)300 m以上。這說(shuō)明該層總體東南和東部抬升剝蝕最強(qiáng)烈。

綜上所述,頭屯河組在縱向上以下段下亞段和上段下亞段為主體地層;在平面上,地層在西北、東北和西部厚度更大。但是,上段上亞段有時(shí)遭受到不同程度的剝蝕。

3.2 地層底面埋深特征

根據(jù)鉆井揭示的頂?shù)装迓裆羁芍?頭屯河組各地埋深差別較大。研究區(qū)地勢(shì)南部高,北部低。地層總體向北部、北西部?jī)A斜,越往北部,埋深越大,最大埋深可達(dá)600～700 m。

頭屯河組下段的下亞段(J2t1-1)的底板埋深一般300～600 m,最深在東北,可達(dá)七百五十多米,其次是西北,可達(dá)680 m;下段的上亞段(J2t1-2)的埋深特征與前者類(lèi)似,一般在200～450 m,東北和西北埋深最大,可達(dá)650 m左右。

頭屯河組上段(J2t2)整體的埋深特征也較為相似。上段下亞段(J2t2-1)埋深一般為150～400 m,最深處在東北達(dá)540 m;上段上亞段(J2t2-2)的埋深為120～300 m,最大處在東北達(dá)440 m。

總之,頭屯河組東北和西北部埋深最大,東南和南部埋深最淺,說(shuō)明地層從東南和南部方向抬升,且該方向剝蝕也最嚴(yán)重。

3.3 地層結(jié)構(gòu)與鈾礦化特征

通過(guò)對(duì)各連井剖面圖的地層劃分與對(duì)比,再結(jié)合鉆井揭露的砂巖型鈾礦顯示及其對(duì)應(yīng)層位(見(jiàn)圖10、11),可明確頭屯河組下段的下亞段(J2t1-1)是該區(qū)域的主要工業(yè)鈾礦化層位,該段礦化存在兩層礦體;同時(shí),在頭屯河組的下段上亞段(J2t1-2)和上段下亞段(J2t2-1)有時(shí)也可見(jiàn)礦化異常,是次要的鈾礦化層位,但J2t1-2砂體厚度及分布不理想;頭屯河組的上段上亞段(J2t2-2)則未見(jiàn)鈾礦化。

因此,準(zhǔn)南硫磺溝地區(qū)的找礦工作應(yīng)主要圍繞頭屯河組的下段下亞段(J2t1-1)及上段下亞段(J2t2-1)展開(kāi),但主要目標(biāo)層位應(yīng)是下段下亞段。

3.4 砂體厚度及鈾礦化展布

砂體厚度及分布特征對(duì)砂巖型鈾礦的找礦工作具有重要的指示意義。但是,由于研究區(qū)頭屯河組及其上段上亞段遭受剝蝕的概率很大,因此只討論對(duì)比其他3個(gè)亞段砂體分布特征。

從砂體厚度看,J2t1-1砂厚一般為60～200 m,相較其他亞段厚度最大,說(shuō)明研究區(qū)砂體主要賦存于頭屯河組的下段下亞段。從砂體分布看,砂體最厚處均在西北及西部,另外往東北方向也有加厚分布的趨勢(shì)(見(jiàn)圖12)。結(jié)合現(xiàn)有鉆井鈾礦化資料分析得出:在縱向?qū)游簧?鈾礦化主要分布于J2t1-1中,表現(xiàn)為兩個(gè)小層;在平面分布上,鈾礦化沿NWW向展布。而從頭屯河組砂厚圖及砂地比圖可分析得出,兩者均是西南方向大,東北方向小,說(shuō)明西南蝕源區(qū)為研究區(qū)提供了主要的物源。

圖12 頭屯河組下段下亞段(J2t1-1)砂體厚度等值線圖

綜上所述,研究區(qū)頭屯河組下段下亞段(J2t1-1)是最重要的找礦層位,砂體主要沿NWW向展布,且往NE逐漸變薄,鈾礦化也沿NWW向展布,說(shuō)明鈾礦化與砂體的主要展布方向一致,也說(shuō)明了物源主要來(lái)源于研究區(qū)的西南方向。

4 沉積環(huán)境與鈾礦化

4.1 沉積相發(fā)育特征

從不同巖石的顏色、沉積構(gòu)造、類(lèi)型及發(fā)育程度、沉積旋回的發(fā)育、測(cè)井曲線的反映等特征,再結(jié)合頭屯河組各層段的地層分布及沉積特征,綜合判斷研究區(qū)頭屯河組各層段的沉積相發(fā)育特征(見(jiàn)圖13)。

圖13 研究區(qū)北東向某鉆井連井沉積相剖面圖

頭屯河組總體為一套河流相沉積體系,可劃分為上下兩段,下段是以灰色和灰綠色為主的辮狀河沉積體系,上段是以雜色和紅色為主的曲流河沉積體系。其還可進(jìn)一步劃分成下段的下亞段(J2t1-1)為辮狀河河道沉積,上亞段(J2t1-2)為辮狀三角洲沉積;上段的下亞段(J2t2-1)為曲流河河道沉積;上段的上亞段(J2t2-2)為曲流河泛濫平原沉積。各層段主要特點(diǎn)分析如下。

1)頭屯河組下段下亞段(J2t1-1):底部發(fā)育厚大砂體,巖性為灰色、灰白色含礫的粗砂巖。這套砂體具有極大的寬/厚比,泥巖或泛濫平原相沉積極為有限;局部為正粒序特征;發(fā)育大型的槽狀交錯(cuò)層理,可見(jiàn)多個(gè)沖刷面,反映出河道可能多期遷移;具有較明顯的辮狀河河道沉積特征。在測(cè)井曲線方面,下段下亞段(J2t1-1)的上下界線處也有比較明顯的變化,如視電阻率(RL3)、伽瑪曲線(GA)、密度(DEN)曲線值等均發(fā)生較大的異常。

該層段砂體極為發(fā)育,具極大的砂地比值,一般在0.6～0.9,總體呈北西向展布,基本位于辮狀河河道中,砂體連通性好,是本區(qū)鈾礦化的最主要層位。

2)頭屯河組下段上亞段(J2t1-2):發(fā)育灰綠色、灰色厚層泥巖,發(fā)育水平層理或塊狀層理,砂體較不發(fā)育,或單層砂體較薄。砂體見(jiàn)較明顯的倒粒序和進(jìn)積的特征,含較豐富的水生動(dòng)植物化石,反映出該沉積時(shí)期古氣候溫暖濕潤(rùn)、植被較發(fā)育,且水動(dòng)力較強(qiáng),為辮狀三角洲沉積相特征。

該層段砂體較不發(fā)育,具較小的砂地比值,一般在0.2～0.5,局部見(jiàn)水下分流河道砂體并局部連通形成三角洲平原。該段地層見(jiàn)少量的礦化異常。由于砂體規(guī)模的限制,該層位難于形成規(guī)模性礦化。

3)頭屯河組上段下亞段(J2t2-1):發(fā)育較厚的砂巖層,總體以灰色和灰綠色為主色調(diào),底部具有穩(wěn)定分布的一層薄層底積礫巖,為底部滯留沉積,向上粒度漸變?yōu)橹屑?xì)砂巖,可見(jiàn)較明顯的二元結(jié)構(gòu)。砂體具有側(cè)積的特征,還可見(jiàn)槽狀交錯(cuò)層理等沉積構(gòu)造,為明顯的曲流河河道相沉積。在測(cè)井曲線方面,視電阻率曲線在該套砂巖的頂部和底部界線出現(xiàn)較為明顯的變異特征。

該層段廣泛發(fā)育曲流河河道砂體,具有較大的砂地比,一般在0.4～0.7。如果其他條件配合的情況下,該層段具備產(chǎn)生工業(yè)礦化的潛力;在部分鉆井中見(jiàn)到鈾礦化,是僅次于下段下亞段(J2t1-1)的找礦層位。

4)頭屯河組上段上亞段(J2t2-2):頭屯河組上部砂巖厚度明顯減薄,向上粒度變細(xì)至淺棕紅色粉砂巖、泥巖,即構(gòu)成上部的“紅層”,與下部的“灰色層”形成鮮明的對(duì)比。層內(nèi)可見(jiàn)爬升砂紋層理。

該層段地層砂體極不發(fā)育,泥巖廣布,砂地比極小,一般在0.1～0.4,具典型的曲流河泛濫平原相沉積特征。由于難于形成連通的規(guī)模性砂體,且“紅層”處于干旱氣候條件下形成,地層的還原容量有限,難于形成鈾礦化。

4.2 沉積特征與鈾礦化

4.2.1 沉積體系類(lèi)型

沉積砂體是鈾富集的必要場(chǎng)所,而砂體類(lèi)型以及分布的范圍、發(fā)育的程度又有諸多因素控制,主要是沉積體系的制約。因此,如果具有完備的沉積體系,就會(huì)形成較大規(guī)模的砂體,如其中發(fā)育較好的辮狀河河道砂體以及曲流河道砂體等,形成較大規(guī)模砂巖型鈾礦床就將具備有利的因素。

前人在準(zhǔn)噶爾盆地的研究已經(jīng)認(rèn)識(shí)到侏羅紀(jì)發(fā)育4大沉積體系,認(rèn)為盆地南緣具有沖積扇-河流-三角洲-湖泊沉積體系[38],并認(rèn)為伊林黑比爾根山可能是南緣最主要的物源供應(yīng)區(qū),其中北天山石炭系二疊世的火成巖為盆地南緣鈾礦的形成提供了充足的礦源。至晚海西期,由于準(zhǔn)噶爾板塊與塔里木板塊的碰撞,在該階段形成大范圍分布的花崗巖、堿性花崗巖及中酸性火山巖。石炭系,基性、中性、酸性火山巖均有發(fā)育,早二疊世火山巖以亞堿、基性火山巖為主。北天山海西期,中酸性侵入巖和花崗巖于華力西運(yùn)動(dòng)時(shí)期侵入至地表。上述各時(shí)期基底豐富的火山巖為蓋層鈾礦的形成提供了有利的鈾源[4,39]。本研究的結(jié)果和認(rèn)識(shí)與上述認(rèn)識(shí)較為相近。

本研究確認(rèn)了研究區(qū)頭屯河組為辮狀河-曲流河沉積體系,認(rèn)為下段為辮狀河沉積體系,上段為曲流河沉積體系,且自下而上從水動(dòng)力較強(qiáng)的辮狀河河道相沉積(J2t1-1)和辮狀三角洲沉積及泛濫平原沉積(濱淺湖相)(J2t1-2),向水動(dòng)力逐漸減弱的曲流河河道沉積(J2t2-1)和曲流河泛濫平原沉積相(J2t2-2)演變。從砂厚、砂地比等特征來(lái)看,其物源主要來(lái)自于研究區(qū)的西南方向,即伊林黑比爾根山北天山造山帶。該沉積體系較為發(fā)育的辮狀河和曲流河砂體,對(duì)砂巖型鈾礦成礦比較有利。

4.2.2 沉積環(huán)境特征與鈾礦化

根據(jù)研究區(qū)和準(zhǔn)南的地層厚度、砂巖厚度、單井相、連井相和沉積相平面特征,綜合建立了研究區(qū)頭屯河組的沉積模式圖(見(jiàn)圖14)。雖然由于研究區(qū)范圍太有限,沖積扇相在本區(qū)不明顯或不發(fā)育,但頭屯河組底部的大型辮狀河砂體含較多礫石,且頭屯河組整體礫巖層及含礫砂巖非常發(fā)育,以此推斷出該區(qū)距山前沖積扇不遠(yuǎn)。

圖14 研究區(qū)頭屯河組沉積模式圖

從圖14中可以看出,該區(qū)沉積是從沖積扇-辮狀河-三角洲-曲流河-湖泊相的連續(xù)沉積,具有很好的持續(xù)性,南部物源供給充足,為研究區(qū)成礦的長(zhǎng)軸物源。山前發(fā)育小范圍沖積扇相;早期,辮狀河河道沉積發(fā)育大規(guī)模的河道砂體,連通性好,為大規(guī)模砂巖鈾礦的形成奠定了基礎(chǔ);中期,為辮狀三角洲沉積及泛濫平原沉積(濱淺湖相),砂體具有前積的特點(diǎn),具備成礦的一般條件,但是受限于砂體規(guī)模,故難形成大礦;中后期,曲流河河道沉積也為鈾礦提供了良好的砂體條件,該層位也是未來(lái)找礦的潛在層位;末期,高水位的曲流河泛濫平原沉積,只發(fā)育一些小型決口扇,沒(méi)有成規(guī)模的砂體,因此難以形成鈾礦床。

根據(jù)以上野外觀察、鉆井測(cè)井及巖心揭露、地層巖性巖相、鈾礦化顯示等所述特征,將研究區(qū)頭屯河組地層結(jié)構(gòu)和層序劃分、沉積環(huán)境與鈾礦化層位分布等綜合進(jìn)行了歸納,結(jié)果如圖15所示。

圖15 硫磺溝地區(qū)頭屯河組地層綜合結(jié)構(gòu)劃分及形成環(huán)境

5 成礦遠(yuǎn)景分析

5.1 基本控礦因素

本研究分析認(rèn)為,研究區(qū)已擁有較好的河道砂體條件,具備形成砂巖型鈾礦的基本條件。但要形成具一定規(guī)模性的礦床,僅擁有砂體條件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,還需要一些關(guān)鍵控礦因素的配合。

1) 研究區(qū)目標(biāo)層具備合理的泥-砂-泥地層結(jié)構(gòu)和良好的砂體厚度。頭屯河組(J2t)其下段砂巖單層厚度多數(shù)為10～40 m,少數(shù)在50 m,多為次疏松、次致密,具備較好的滲透性,有利于含鈾流體的運(yùn)移與鈾的沉淀富集。

2)宏觀上存在有利的古氣候條件。頭屯河組(J2t)的下段形成一套灰色、灰綠色辮狀河-辮狀三角洲沉積,還原容量較大,富含水生動(dòng)植物化石。這一沉積階段為溫暖—半溫暖潮濕的古氣候,對(duì)形成砂巖鈾礦的沉積建造是有利的因素。而頭屯河組(J2t)上段形成為曲流河-濱淺湖沉積的泛濫平原相環(huán)境,整體為一套紅層,也發(fā)現(xiàn)有蜂窩狀砂巖、石膏晶體、黃鐵礦等特殊現(xiàn)象(見(jiàn)圖16)。很明顯,古氣候此時(shí)已轉(zhuǎn)變?yōu)檠谉岣珊档奶卣?是古層間氧化帶的初始形成階段。因此,頭屯河組實(shí)際上也是整個(gè)侏羅系氣候環(huán)境和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這一氣候轉(zhuǎn)折對(duì)砂巖鈾礦的形成非常有利。

3)有利的砂體沉積和成礦地球化學(xué)環(huán)境。研究區(qū)砂體普遍含有還原性物質(zhì),如煤屑有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦等。本研究采集了目的層砂體的部分樣品,進(jìn)行了有關(guān)還原性參數(shù)等的測(cè)試(見(jiàn)表1),結(jié)果表明,該套砂體具有較高的還原容量和較良好的滲透性,本身具備砂巖鈾礦形成的地球化學(xué)環(huán)境條件。

表1 硫磺溝地區(qū)ZK535U井頭屯河組下段砂體部分地球化學(xué)參數(shù)分析結(jié)果

找礦實(shí)踐表明,鈾的沉淀、富集往往與巖石中還原性物質(zhì)(如有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦等)的含量有關(guān);有機(jī)炭、全硫、二氧化碳、Fe3+/Fe2+比值等也是地球化學(xué)環(huán)境的重要指標(biāo),對(duì)它們的研究,是了解鈾礦化蝕變地球化學(xué)環(huán)境的一個(gè)重要方面。本次測(cè)試orgC值為0.3%～1.6%,平均超過(guò)0.5%;按地浸標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明地層還原容量高,屬較強(qiáng)還原性質(zhì)?？係反映黃鐵礦含量指標(biāo)的高低,本次測(cè)試結(jié)果顯示:研究區(qū)地層中總S含量不少數(shù)據(jù)大于0.5%,說(shuō)明砂巖中較多巖石含黃鐵礦還原劑;Fe2+/Fe3+比值平均為0.84,超過(guò)0.5,說(shuō)明是一個(gè)偏還原性環(huán)境。這些指標(biāo)均對(duì)形成砂巖鈾礦是有利的。

另外,本研究還對(duì)所采大塊代表性柱狀樣品進(jìn)行了滲透性分析實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,樣品巖性為泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖,滲透系數(shù)是15.41 μm2,滲透性較好。這說(shuō)明,碳酸鹽化不強(qiáng)烈的砂巖具有較好的滲透性,而良好的滲透性也是有利于鈾成礦的條件之一。

5.2 其他控礦因素

結(jié)合砂巖型鈾礦理論與本次研究,認(rèn)為新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)剝蝕改造因素和油氣耗散因素也是本區(qū)關(guān)鍵的控礦因素。

研究區(qū)的鈾礦化類(lèi)型應(yīng)屬于古層間氧化帶型。但因?yàn)槲窗l(fā)現(xiàn)氧化帶直接控礦,只發(fā)現(xiàn)了部分零散的砂巖氧化現(xiàn)象,由此認(rèn)為,古氧化還原鈾礦形成后,礦體遭受了后期構(gòu)造作用的破壞。

據(jù)有關(guān)磷灰石裂變徑跡資料可知[17],受燕山運(yùn)動(dòng)影響,在晚侏羅—早白堊世、晚白堊世,盆地南緣有兩次較弱的構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng),是研究區(qū)古層間氧化帶鈾礦的形成時(shí)期。而始新世—漸新世、中新世—上新世,受印度板塊與古亞洲板塊碰撞的影響,本區(qū)出現(xiàn)兩次較大規(guī)模的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng),地層遭受較大程度的抬升剝蝕,地層傾角較大,對(duì)已形成鈾礦的保存起到一定的破壞作用。在此期間,準(zhǔn)南各地區(qū)都經(jīng)過(guò)不同程度的抬升剝蝕[40]。雖然本區(qū)后期的改造強(qiáng)度總體偏強(qiáng),對(duì)成礦規(guī)模性富集是一個(gè)不利因素,但相較與其他地區(qū),硫磺溝地區(qū)又是準(zhǔn)南剝蝕程度較小的,基本抬升剝蝕厚度都在1 000 m以下[40],對(duì)鈾礦化有利。

另一方面,這兩次新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也造成了研究區(qū)油氣的耗散作用。在本區(qū)的北部存在呼圖壁氣田,據(jù)陳磊等研究認(rèn)為,其形成應(yīng)是南部或深部八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)、西山窯組(J2x)烴源巖受到始新世—漸新世、中新世—上新世新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,油氣向淺部和北部淺表地層逸散所致[5,41-43]。而本區(qū)整體處于準(zhǔn)南沖斷帶中的齊古斷褶帶中,位于三排背斜帶的第一排背斜靠近核部的翼部地層中[5,42],位置有利于聚集油氣等還原性物質(zhì)。在野外調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn),頭屯河組(J2t)下部地層雖然總體呈灰綠色和灰色,但其中出現(xiàn)了大量的白色、灰白色砂巖(見(jiàn)圖17)。這種還原特征明顯的“漂白砂巖”,說(shuō)明研究區(qū)應(yīng)存在較為強(qiáng)烈的油氣耗散作用。油氣耗散作用促使構(gòu)造有利區(qū)(如背斜核部)還原容量增強(qiáng),對(duì)晚期成礦,尤其是保礦起到了重要的作用。因此,該區(qū)“古鈾礦”的保留應(yīng)得益于較強(qiáng)烈的油氣作用(充足的還原性物質(zhì))的保護(hù)?，F(xiàn)今所見(jiàn)頭屯河組下段鈾礦現(xiàn)狀即為這兩次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。

圖17 研究區(qū)頭屯河組下段的白色砂巖

綜上所述,本區(qū)具有較好的古層間氧化帶鈾礦的找礦前景。

6 結(jié)論

1)中侏羅統(tǒng)頭屯河組存在有利的地層結(jié)構(gòu)與一定的鈾礦化分布。工業(yè)鈾礦化主要賦存于頭屯河組下段下亞段(J2t1-1)中,而J2t2-1是次要的礦化層位。

2)研究區(qū)的沉積環(huán)境與沉積體系對(duì)成礦有利。頭屯河組下段(J2t1)屬辮狀河沉積體系,頭屯河組上段(J2t2)為曲流河沉積體系。其中J2t1-1為大型辮狀河河道沉積,J2t1-2為辮狀河三角洲沉積;J2t2-1為曲流河河道沉積,J2t2-2為曲流河泛濫平原沉積。J2t1-1的大型辮狀河砂體具一定的規(guī)模,是砂巖型鈾礦形成的有利容礦場(chǎng)所。

3)準(zhǔn)南硫磺溝地區(qū)中侏羅統(tǒng)頭屯河組砂體沿NWW向展布,往NE逐漸變薄,與主體礦化趨勢(shì)方向一致;物源主要來(lái)自于研究區(qū)的西南方向。

4)本區(qū)鈾成礦和找礦的3大有利關(guān)鍵因素為大型砂體展布、油氣耗散作用、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)抬升剝蝕的程度中等。研究區(qū)頭屯河組下部容礦層中出現(xiàn)大量的白色砂巖,油氣耗散作用特征明顯,對(duì)鈾礦成礦和保礦較有利。另外,四棵樹(shù)和硫磺溝廟兒溝地區(qū)后期改造較弱,剝蝕程度較小—中等,具有較好的尋找古層間氧化帶型鈾礦的條件和潛力。