伊犁盆地阔斯加尔地区西山窑组下段岩性岩相特征及与铀成矿关系①

邱余波 伊海生 张占峰 王 果 刘俊平 蒋 宏 张虎军 李彦龙 郝以泽

(1.成都理工大学核技术与自动化工程学院 成都 610059;2.核工业二一六大队 乌鲁木齐 830011;3.成都理工大学沉积地质研究院 成都 610059)

0 引言

伊犁盆地具有良好的铀成矿地质条件和成矿潜力，是我国重要的可地浸砂岩型铀矿产基地［1-2］。阔斯加尔地区位于伊犁盆地南缘中西段，毗邻乌库尔其铀矿床，具有一定的铀矿资源潜力，是乌库尔其铀矿床重要的铀资源接替区，其主力含铀层系为中侏罗统西山窑组下段(J2x1)。对于砂岩型铀矿来说，含矿层系的岩性岩相特征，尤其是砂体的发育特征，是其最根本的控矿因素［3-4］，直接控制着铀矿体的空间展布、形态规模以及连续性等特征。关于伊犁盆地南缘西山窑组下段沉积环境、岩性岩相、砂体发育特征的研究，前人已做了不同程度的研究，目前比较统一的观点是西山窑组下段在伊犁盆地南缘主要为扇三角洲沉积［5-7］，沉积砂体多呈“指状”或“朵状”往北延伸。从上世纪90年代至今，在对乌库尔其铀矿床进行铀矿地质勘查的同时，对该地区也展开了不同程度的探索［8］。目前对该地区的铀矿地质勘查工作已进入普查阶段，由于以前的研究工作主要集中在整个盆地南缘(研究范围大，但是精度相对较低)或者勘查程度较高的乌库尔其矿床，而对该地区的基础地质特征，尤其是对岩性岩相、砂体发育特征及其与铀成矿关系的研究相对滞后，这对研究区勘查工作的整体思路以及钻孔的布置和施工有一定的制约和限制。

鉴于此，本文以不同勘查阶段所收集的钻孔资料为依据，对阔斯加尔地区西山窑组下段的岩性岩相特征尤其是砂体发育特征进行了全面的分析和研究。在此基础上，根据研究区揭露的西山窑组下段砂体层间氧化带发育特征，结合铀矿发育的其它成矿地质条件，系统地研究和分析岩性岩相特征与铀成矿的关系，总结铀矿体发育的规律，以期为该区下一步铀矿地质勘查提供客观、合理的理论依据。

1 区域地质背景

伊犁盆地是天山造山带中的山间盆地，在大地构造单元划分上归属天山造山带中的伊犁—中天山微地块，盆地夹持于塔里木板块和哈萨克斯坦板块之间［9-10］，整体上呈东窄西宽的楔形，向西延伸入哈萨克斯坦境内［11］。本文所指的伊犁盆地是不包括昭苏盆地在内的“狭义上的伊犁盆地”，在中国境内约1.8×104km2。盆地形成以后，金泉断裂、霍城—托开断裂将盆地划分为南部斜坡带、中央凹陷带和北部褶皱带三个呈东西向展布的构造单元［12］。研究区处于伊犁盆地南部斜坡带西段单斜带(图1)，构造形态为一次级微隆起区，称乌库尔其微凸起［13］。晚渐新世至早中新世(24 Ma)伊犁盆地南缘发生了一次强烈的新构造运动，在不对称挤压作用下形成了本区微隆构造格局，同时造成本区沉积盖层发生掀斜，开启了沉积盖层接受大气降水补给与排泄的构造“窗”，侏罗系地层开始接受含氧含铀流体的补给和氧化改造，对后期砂岩型铀矿的形成起了积极的作用［14-15］。

图1 伊犁盆地阔斯加尔地区大地构造位置及平面图Fig.1 Tectonic framework and location of Kuosijiaer area of Yili Basin

上古生界石炭系、二叠系发育的中酸性火山岩、火山碎屑岩及浅海、陆相碎屑岩为盆地的直接基底和主要的物源区，盆地盖层自下而上有中—下侏罗统水西沟群八道湾组、三工河组、西山窑组、艾维尔沟群头屯河组，新近系和第四系(表1)。盆地内铀矿化主要分布在中下侏罗统水西沟群暗色含煤碎屑岩建造中，而西山窑组是水西沟群最重要的赋矿层位，其中西山窑组下段(J2x1)在洪海沟、库捷尔泰、乌库尔其、阔斯加尔、扎吉斯坦、蒙其古尔，一直到郎卡地段，都赋存有工业铀矿化，是伊犁盆地南缘铀矿体最为发育的含矿层段。

伊犁盆地南缘水西沟群的最大沉积特征是发育有12套厚度和规模不等的煤层，从下往上依次编号为 M1—M12，其中 M5、M8、M10在盆地南缘稳定分布，可作为区域地层划分与对比的标志层［16］。根据煤层的发育情况，侏罗系地层划分为8个沉积旋回［17］，分别对应于Ⅰ～Ⅷ旋回，其中西山窑组下段对应Ⅴ旋回的上部，分为下亚段(Ⅴ22亚旋回)和上亚段(Ⅴ3亚旋回)。下亚段在伊犁盆地南缘为扇三角洲沉积，三角洲平原在南部的盆缘区域发育较为稳定，其中洪海沟—库捷尔太地段、乌库尔其—蒙其古尔地段分布较广，三角洲平原分流河道充填砂体发育较好;三角洲平原往北为三角洲前缘沉积，其中水下分流河道普遍发育，尤其是包括研究区在内的乌库尔其—蒙其古尔地段，水下分流河道多且往水下延伸较远［18］。上亚段为一套厚度和规模都较大的煤层，为中下侏罗统水西沟群第8煤层(M8)，表明在下亚段扇三角洲沉积晚期，整个盆地发生了一次大规模的水退沉积，沉积环境由陆—湖过渡相转变为沼泽相。

2 岩性特征

西山窑组下段(J2x1)沉积时期，由于南部山前沉积物供应量的持续增加，在伊犁盆地南缘形成了规模巨大的扇三角洲沉积。在阔斯加尔地区西山窑组下段顶底界线清楚，下伏地层为三工河组上段细粒沉积的粉砂岩、泥岩，上覆地层为西山窑组中段细粒沉积的细砂岩、粉砂岩、泥岩，位于厚层发育的第8煤层(M8)顶部。M8由于厚度大，且在平面上稳定分布，是伊犁盆地南缘地层对比最重要的标志层。岩性主要为灰色砂砾岩、含砾粗砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩和泥岩，以及煤层，垂向上的粒度组成变化总体上呈下粗上细的正韵律或正韵律组合产出(图2)。

西山窑组下段砂体发育在下亚段扇三角洲沉积环境中，以含砾粗砂岩、粗砂岩为主。受后生黏土化蚀变的影响，砂体总体上比较疏松，分选中等或较差，含矿粗砂岩粒径一般在0.5～1.5 mm，砾石一般为砾径2～6 mm的细砾(图3A)。砂体中含细小浸染状、块状、呈层状分布的炭化植物碎屑，可见层状、块状或浸染状黄铁矿细晶及黄铁矿充填炭屑现象(图3B)。镜下鉴定多为岩屑砂岩或长石岩屑砂岩(图3C)，石英含量在35%～55%之间，以单晶石英为主，长石含量在15%左右，以钾长石为主，同时含有少量的斜长石，岩屑主要为中酸性火山岩和火山碎屑岩，含量在30%～50%之间，这是因为研究区离南部的蚀源区较近，沉积碎屑没有经过远距离搬运，从而导致结构和成分成熟度都较低，碎屑的粒度也相对较粗。由于粗

粒砂岩黏土化蚀变较严重，在岩芯中很难发现原生的层理，但是在细粒砂岩或粉砂岩的岩芯中见有小型的波纹交错层理、水平层理(图3D)。

表1 研究区地层划分序列表Table 1 Division table of stratigraphic sequences in the study area

图2 阔斯加尔地区ZK52535西山窑组下段地层综合柱状图Fig.2 Synthetic column of Lower Xishanyao Formation of the dill hole ZK52535 in Kuosijiaer area

3 岩相特征

3.1 二维连井剖面特征

在岩性特征分析的基础上，本次研究在对阔斯加尔地区80余口钻孔的岩芯编录资料进行分析对比后，选取了岩性变化较大、能较为全面的反映研究区岩相结构的517线来进行岩性岩相的二维连井剖面分析。

连井剖面 51708—51711—51723—51731—51751—51767—51795整体朝北东方向延伸(图1)。51708孔位于剖面的最南边，下亚段砂体发育好，厚度较大，为分流河道沉积，到51711孔，发育有厚层的泥岩，砂体厚度突然变薄，为分流间湾沉积。从51723孔开始，沿着该剖面往北，砂体的粒级和厚度逐渐变大，泥岩、粉砂岩等细粒碎屑沉积厚度也有变薄的趋势，沉积环境逐渐相变为水下分流河道(图4)。上亚段的沼泽沉积相对稳定，部分钻孔见有泥岩和煤层间互的现象。

3.2 砂体厚度平面展布特征

砂体是可地浸砂岩型铀矿的载体，砂体的分布控制了铀矿体的分布，砂体的厚度及稳定性决定了层间氧化带发育的规模及铀矿体的空间分布［19］。在阔斯加尔地区，西山窑组下段(J2x1)砂体厚度在9.1～31.5 m之间，平均18.4 m，在平面上呈明显的“朵状”展布，厚大砂体主要分布在阔斯加尔地区的西南、西北以及东北部。具体到勘探线上，469线—501线、517线—549线北边，砂体发育较好，而在469线南边、K501线、517线南边以及549线—569线的南边，砂体发育较差。尽管西山窑组下段砂体在阔斯加尔地区发育不太稳定，且连续性相对较差，但是西南部的厚大砂体与北部469线—501线、517线—549线北边的厚大“朵状”砂体仍有连接的通道(图5)，这也是研究区能够发育层间氧化带，并进一步形成砂岩型铀矿体的重要原因。

3.3 岩性岩相平面展布特征

图4 阔斯加尔地区517线西山窑组下段连井剖面图(剖面位置见图1)Fig.4 Connecting-well profile of Lower Xishanyao Formation of 517 prospecting line in Kuosijiaer area(location of the profile shown in Fig.1)

图5 阔斯加尔地区西山窑组下段砂体等厚图Fig.5 Isopach map of sand thickness of Lower Xishanyao Formation in Kuosijiaer area

西山窑组下段下亚段发育的砂泥碎屑沉积在研究区相差较大，在西南部、西北部的477线—501线，以及东北部的525线—549线，发育厚大的粗粒砂岩，泥质夹层相对较少，为分流河道发育的部位;而469线，k501—517线南部，以及研究区南—东南部，沉积碎屑粒度较细，以粉砂岩、泥岩沉积为主，砂岩的厚度和粒度相对较小，且多与泥岩、粉砂岩互层产出，为分流河道两边的分流间湾沉积。根据研究区西山窑组下段(J2x1)岩性特征、砂体厚度特征、砂地比平面展布特征，结合整个盆地南缘的沉积地质背景，分析认为阔斯加尔地区主要赋矿层位中侏罗统西山窑组下段下亚段主要为扇三角洲前缘沉积，并发育有水下分流河道和水下分流间湾等沉积微相。三角洲平原的分流河道从西南方向入湖以后往北和北东发育有两条水下分流河道，分流河道间为砂体发育较差而泥质含量较高的水下分流间湾(图6)。厚大的水下分流河道砂体是研究区西山窑组下段地层十分重要的赋矿载体。

4 铀成矿分析

铀成矿研究主要指对铀成矿条件、矿体发育形态的控制因素进行综合分析、总结，寻找其规律性，以指导工作区下一阶段的勘查工作以及为新靶区提供重要的理论依据。砂岩型铀矿有别于其它类型的铀矿，其成矿过程主要受岩性岩相、构造、地下水动力等铀成矿条件的控制［20-21］。根据研究区目前揭露的西山窑组下段砂体层间氧化带发育特征，以及工业铀矿化的发育情况，结合铀矿发育的三大成矿条件，尤其是对铀的富集起着明显控制作用的岩性岩相条件，阔斯加尔地区西山窑组下段赋存的铀矿体主要有以下成矿规律:

(1)分流河道砂体的展布方向控制着含氧含铀流体的渗流。通常情况下，含矿流体顺着河道砂体的展布方向渗流，成矿规模和成矿潜力都比较大，这是因为沿着沉积砂体的展布方向，水成铀矿所必需的“补径排”地下水动力体系比较通畅。通过揭穿的西山窑组下段岩芯可知三角洲平原分流河道砂体已经被含氧含铀流体强氧化，分流河道入湖以后，随着水下分流河道的分叉及河道砂体展布方向的变化，含氧含铀流体朝北和北东两个方向继续向下渗流，砂体的颜色由浅红色—浅黄色—黄白色到以灰色为主夹黄色斑点，砂体的氧化程度逐渐减弱，含矿物质在氧化还原过渡带逐渐沉淀、富集下来而形成铀矿体(图7)。

(2)分流河道砂体厚度对铀成矿的影响和制约。一般来说，砂体的厚度越大，铀矿的赋存空间就越大，含氧含铀地下水径流的通道也越大，铀成矿条件就越好，阔斯加尔地区西山窑组下段的工业铀矿体主要赋存在砂体厚度大于15 m的分流河道砂体中，而厚度小于15 m的砂体中仅个别钻孔发育有工业铀矿化。但是分流河道砂体厚度也并非越大就越有利于成矿，厚度大且无阻隔层的砂体具有良好的孔隙度，使得其透水性较强，在强水动力条件下反而不利于含氧含铀流体中铀的沉淀和卸载。研究区西山窑组下段砂体厚度大于25 m工业铀矿化发育较差也说明了这一规律。从统计的结果还可以看出，最有利于铀成矿的砂体厚度在15～20 m之间，其次是在20～25 m之间(图8A)。

图7 阔斯加尔地区西山窑组下段下亚段岩性岩相与铀成矿关系示意图Fig.7 Sketch map of relationship between lithology-lithofacies and uranium deposit of lower sub-member of Lower Xishanyao Formation in Kuosijiaer area

(3)沉积作用的水动力控制了含矿物质的沉淀和赋存。沉积作用水动力的强弱，直接影响沉积砂体的粒度大小，而砂体的粒级对含矿物质的沉淀和赋存亦有较大的控制作用。如果砂体的粒级太粗，促使含氧含铀流体还原的硫化物、有机质等还原物质较难吸附其中，如果粒级太细，砂体的渗透性降低，铀成矿能力同样会变差。阔斯加尔地区西山窑组下段发育的工业铀矿体主要赋存在粗砂岩或含量粗砂岩中，其中56%的铀矿体赋存在粗砂岩中，26%的铀矿体赋存在含砾粗砂岩中，在砾石含量相对较少的砂砾岩中也发育有一定数量的铀矿体，个别钻孔的中砂岩中发育有铀矿化，但是在已发现的工业铀矿化钻孔中尚未在细砂岩、砾岩中见有铀矿化信息(图8B)。

(4)沉积微相控制着铀矿体的形态和空间展布。研究区铀矿体主要赋存在扇三角洲前缘水下分流河道砂体中，铀矿体呈弧状或条带状分布其中，矿体的形态和规模严格受水下分流河道或砂坝形态和规模的控制。此外，沉积微相的突变部位，也是成矿的潜力区。比如485线南部的残留矿体，尽管是在氧化带中，但是由于沉积微相和砂体厚度的突变，氧化带由较薄的砂体进入厚砂体，还来不及把厚砂体都氧化，在氧化砂体与还原砂体过渡部位仍有可能成矿，而氧化带进入厚砂体以后，就按照正常的层间氧化带成矿模式，铀矿体主要发育在层间氧化带前锋线附近(图9)。

(5)沉积期后的构造演化对含氧含铀流体的驱动起着至关重要的控制作用。西山窑组地层形成以后，受沉积期后构造活动的影响，在伊犁盆地南缘沿地层走向形成了一系列相对隆起和凹陷区，从西往东分别为洪海沟西部凹陷、库捷尔太微凸、苏东布拉克微凹、乌库尔其微凸、扎吉斯坦向斜。阔斯加尔地区位于乌库尔其微凸东北部，西山窑组地层整体呈北东倾，从地层产状变化特征(M8底板海拔等高线)可以看出，研究区的构造高点主要位于西南部，含氧含铀流体沿着地层倾向从高往低处渗流，在氧化还原过渡带含矿物质逐渐沉淀下来而形成铀矿体(图10)。从图7中还可以看出，地层的倾向与分流河道砂体的展布方向大致相同，即构造条件与岩性岩相条件的耦合，是研究区西山窑组下段能发育一定规模铀矿体十分重要的原因。

图9 阔斯加尔地区485线西山窑组下段铀成矿示意图(剖面位置见图1)Fig.9 Schematic diagram on uranium deposit of Lower Xishanyao Formation of 485 prospecting line in Kuosijiaer area(location of the profile shown in Fig.1)

图10 阔斯加尔地区西山窑组下段铀成矿模式图Fig.10 Uranium metallogenic model chart of Lower Xishanyao Formation in Kuosijiaer area

5 结论

(1)伊犁盆地阔斯加尔地区西山窑组下段地层分为下亚段和上亚段。上亚段为厚层发育的煤层，下亚段为赋矿砂体发育的层段，砂体岩性以粗砂岩、含砾粗砂岩为主，固结疏松，见有炭化植物碎屑及黄铁矿细晶，成分和结构成熟度较低，多为岩屑砂岩或长石岩屑砂岩。

(2)阔斯加尔地区主要赋矿层位中侏罗统西山窑组下段下亚段主要为扇三角洲前缘沉积，并发育有朝北和北东方向展布的水下分流河道，以及河道间的水下分流间湾等沉积微相。

(3)研究区西山窑组下段赋存的铀矿体主要受分流河道砂体展布方向、分流河道砂体厚度、沉积作用的水动力、沉积微相的形态或突变，以及沉积期后的构造演化等因素的控制。

致谢 在论文撰写过程中得到核工业二一六大队王保群、李细根、魏虎、文战久、任满船等专家的亲切指导，在此一并感谢。

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