含煤盆地表生热液铀成矿理论及证据：以伊犁盆地南缘及鄂尔多斯盆地东北部侏罗系为例

时志强, 杨小康, 王艳艳, 杜怡星, 肖 凯, 段 雄

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.成都理工大学 材料与化学化工学院，成都 610059)



含煤盆地表生热液铀成矿理论及证据：以伊犁盆地南缘及鄂尔多斯盆地东北部侏罗系为例

时志强1, 杨小康1, 王艳艳2, 杜怡星1, 肖 凯1, 段 雄1

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.成都理工大学 材料与化学化工学院，成都 610059)

基于伊犁盆地南缘及鄂尔多斯盆地东北部侏罗系砂岩铀矿露头剖面与岩心观察、扫描电镜及显微薄片测试与分析、有机质成熟度测试以及前人研究成果，认为砂岩铀矿中常见的红、褐色“氧化带”砂岩及“过渡带”白色砂岩属于烧变岩，提出表生热液的概念，由此将煤层自燃与砂岩铀矿的形成联系起来，提出中国北方含煤盆地煤层自燃促进铀的富集成矿的设想。即煤层在新生代干旱气候条件下自燃，在相对湿润气候条件下大气降雨影响煤的自燃，形成表生热液，携带从自燃煤层及附近高温烧烤岩层中释放的U6+沿渗透性岩层流动，在流动遇阻及温度降低条件下铀元素从(已经降温的)表生热流体中析出，并富集成矿。该成矿模式对中国北方陆相盆地“层间氧化带”、“潜水氧化带”砂岩型铀矿提出新的成因解释。其证据主要体现在：(1)烧变岩与铀矿在空间上的相关性；(2)“氧化-还原带”砂岩微观特征；(3)铀石激光原位同位素年龄测定数据；(4)伊犁盆地煤等有机质成熟度；(5)伊犁盆地及鄂尔多斯盆地方解石胶结物流体包裹体测试数据；(6)鄂尔多斯盆地北部同位素测试数据等。该模式合理解释了砂岩型铀矿主要分布于中国北方的原因，预示着煤层自燃形成的烧变岩及(近地表)表生热液疏导体系是陆相含煤盆地表生热液砂岩型铀矿主要的找矿标志。

砂岩型铀矿；表生热流体；煤层自燃；烧变岩；找矿标志

砂岩型铀矿储量大，开采成本较低，在世界范围内的铀矿勘探与开发中占据重要地位。这些砂岩型铀矿绝大多数成矿时代较新，主要集中在新生代，赋存于中生代盆地的盖层中，矿集区多位于新老地台内、外边缘[1]。砂岩型铀矿是中国铀资源勘查与开发的重要类型之一，在鄂尔多斯、准噶尔、吐哈、伊犁、二连等中国北方陆相盆地内，侏罗系-白垩系中砂岩型铀矿广泛分布，赋铀砂岩层常与煤层共生，埋深一般<1 km。关于这些砂岩型铀矿的成因，一般认为与氧化-还原条件有关，并进一步划分为层间氧化带、潜水氧化带等砂岩型铀矿类型。本次研究基于伊犁盆地南缘及鄂尔多斯盆地东北缘侏罗系地质实际，发现砂岩型铀矿与煤层自燃形成的烧变岩在空间距离上有相关性，且烧变岩与“氧化带”褐、红色调砂岩在成分及颜色上有相近之处。Gavshin 和Miroshnichenko曾报道在西西伯利亚地区Kansk-Achinsk 盆地有正在燃烧的下侏罗统煤层，烧变岩之下的褐色蚀变煤层中出现铀异常，并认为燃烧有机质提供的铀源为大气水运载，在蚀变煤层中沉淀[2]。基于鄂尔多斯盆地北部侏罗系延安组、直罗组的研究，肖新建等[3]、杨晓勇等[4]、张龙等[5]，吴柏林等[6]认为砂岩型铀矿与低温热液作用关系密切或在浅变质作用过程中受到过来自深部流体的交代渗滤作用[3-6]。本文进一步提出煤层自燃促进铀成矿的科学设想，首次引入表生热液的新概念，试图用新的铀成矿理论解释中国北方陆相含煤盆地部分“层间氧化带”、“潜水氧化带”砂岩型铀矿的成因，厘清找矿标志，用以指导中国北方砂岩型铀矿勘探。

1 基本概念

1.1 煤层自燃

煤层自燃及其相伴而生的烧变岩是世界范围内普遍存在的地质现象[7]。在世界范围内的内陆干燥气候条件下可见到正在燃烧的煤层，如在中国西北地区很多埋藏较浅的煤层正在发生自燃；新生代煤层自燃产物——烧变岩也较为常见。一般在有自燃煤存在的地方均可见烧变岩，包括地史时期的与现今时期的均有，其存在是世界范围内的普遍地质现象[7]。埋藏条件下的煤层自燃主要取决于与空气接触的条件及煤的湿度，赵俊峰等认为煤的自燃主要受3个条件的控制：煤本身的自燃倾向、不断供给适量的氧气和热量得以聚集的环境[8]。黄雷认为构造运动、地形切割程度以及气候条件决定着煤层与氧气的沟通程度，煤层的厚度、产状等是决定热量能否聚集的主要因素，煤层的埋藏深度、地温、煤的粒度以及人为因素等也都影响着煤的自燃[7]。

1.2 烧变岩

烧变岩是由煤层自燃烘烤围岩而导致围岩变质形成的一类特殊岩石[7]。在煤层自燃过程中，其上覆岩层经受高温烘烤作用致使其外观、岩石学特征发生改变形成烧变岩。王玉山将烧变岩归为一种特殊而少见的变质岩[9]。刘志坚认为烧变岩兼具三大类岩的特点，可将其作为三大类岩间的一种新型岩类[10]。前人研究中一般将烧变岩划分为烧熔岩及烧烤岩两大类(表1)。其中烧熔岩是直接位于自燃煤层上方的岩石在高温条件下(>1500℃)强烈热变质作用的产物，一般呈炉渣状、蜂窝状、角砾状，熔融结构明显(图1-A、B)。高温烧烤岩呈板片状，分布于烧熔岩附近，原岩遭受较高温度的烘烤改造(600～1400℃)，但基本保持原有的结构构造(图1-C、D、G、H、I)。烧熔岩和高温烧烤岩常是疏松多孔的。中低温烧烤岩完全保持原岩结构构造，因受到中-较低温度(推测为300～800℃)的改造而脱水、氧化、色变而主要呈红、褐色(图1-E)。发育在烧熔岩及高温烧烤岩附近，或者沿渗透性砂岩层发育成砂岩型铀矿的“层间氧化带”及“潜水氧化带”红色砂岩。

本次研究首次将煤层自燃与砂岩铀矿的“氧化带”砂岩联系起来，认为“层间氧化带”及“潜水氧化带”红色砂岩为一种特殊类型的烧变岩，即加热的表生流体改造的产物，其与前人文献中提及的中低温烧烤岩[7,11-13]形成条件类似，二者在矿物组成上有相似性，且形成温度、改造程度也类似，但可能孔隙水参与程度上有较大差异。此外，本文认为“层间氧化带”及“潜水氧化带”附近的“褪色带”白色、灰白色砂砾岩亦为一种特殊类型的烧变岩——低温烘烤岩，为表生热液低温(100～350℃)改造条件下黏土矿物转化、填隙物轻微色变、长石高岭石化的产物(表1)。在伊犁盆地南缘烧变岩剖面中可见该类(白色)低温烧变岩位于红色相对高温烧变岩附近，且沿渗透性砂岩层分布较广(图2-C)。在鄂尔多斯盆地东北部延安组顶部存在大规模的白色砂岩，其高岭石氢氧同位素揭示白色化砂岩形成的高岭土矿床成因以低温热液作用为主，与东胜铀矿形成的低温热液作用为同一性质及事件[6]。该类型低温烧变岩为本次研究提出的新的烧变岩类型，肖新建等测得的低温热液影响的砂岩中方解石胶结物中的流体包裹体均一温度总体为58～176℃[3]，张龙等认为亮晶方解石捕获的原生流体包裹体均一温度峰值为140～160℃[5]，这可能大致反映了低温热液的温度范围。考虑到方解石主要为低温热液温度有所降低阶段沉淀，热褪色(白色)砂岩所遭受的热改造的最高温度可能应略高于方解石胶结物流体包裹体温度。

1.3 表生热液

或称为表生热流体，为本次研究首次提出的概念。干旱气候条件下自燃煤层，在气候变化后的湿润气候条件下被大气降雨影响，致使高温流体沿渗透性砂岩层流动，形成表生热流体。其流动过程也是温度降低、所携带的不易迁移的铀等金属元素析出的过程。推测表生热流体的温度为100～800℃，应是饱含水蒸气的流体；其流动受限于渗透性砂岩层顶底板，主要的流动路径为渗透性极好的烧熔岩和孔渗性较好的高温烧烤岩、未完全固结的疏松砂岩等；其流动距离受烧变岩规模、大气降水、砂体发育规模和渗透性控制，推测在连通性好的海相砂岩中可最远达数十千米。因温度不同，表生热流体对砂岩的改造可分为2个方面：相对高温的热流体(约340～800℃)对渗透性砂岩、特别是砂岩填隙物的热改造，使其3价铁矿物(如褐铁矿、钛铁矿、赤铁矿等)丰富而呈红色，形成所谓的“层间氧化带”或“潜水氧化带”褐、红色砂岩；相对低温的热流体(约100～400℃)对砂岩改造较弱，可造成黏土矿物的转化及岩石的“褪色”而呈白色。

表1 烧变岩分类及特征

Table 1 Classification and features of burnt rock

类型名称烧变程度(推测温度)地质作用岩性特征结构与构造颜色文献出处烧熔岩炉渣角砾岩、蜂窝状烧熔岩高(1500～2000°C)熔融、冷凝等热变质作用熔融结构、炉渣状、角砾状、蜂窝状杂乱颜色：棕、紫、钢灰等色烧烤岩高温烧烤岩板片状烧烤岩较高(600～1400°C)脱水、瓷化、色变陶瓷结构、板片状构造，有所保持原岩结构构造紫红、红褐、淡紫等鲜艳的红色中低温烧烤岩层状烧烤岩中-较低(300～800°C)脱水、氧化、色变保持原岩结构构造土红、浅红、淡褐色[7，11-13]低温烘烤岩层状烘烤岩低(100～350°C)表生热液改造、黏土矿物转化、轻微-强烈色变保持原岩结构构造白色、灰白色(砂岩)，灰黑色(原为炭质层或煤)本文

图1 伊犁盆地南缘及鄂尔多斯盆地东北缘侏罗系烧变岩宏观特征Fig.1 Photographs showing characteristics of Jurassic burnt rock in southern margin of Yili Basin and northeastern margin of Ordos Basin(A)伊犁盆地南缘加格斯台河沿岸炉渣状、角砾状烧熔岩； (B)犁盆地南缘加格斯台河沿岸蜂窝状、炉渣状烧熔岩； (C，D)伊犁盆地南缘加格斯台河沿岸高温烧烤岩； (E)伊犁盆地南缘加格斯台河沿岸中低温烧烤岩； (F)伊犁盆地南缘加格斯台河剖面烧变岩底部中低温炭质烘烤岩，见褐黄色黄铁矿富集层，其有机质Ro有所升高; (G)鄂尔多斯盆地东北缘罕台川剖面直罗组下部砂岩受高温变质； (H)鄂尔多斯盆地东北缘神山沟剖面直罗组烧变岩， 局部垮塌，为下伏延安组煤层自燃所致； (I)鄂尔多斯盆地东北缘神山沟剖面直罗组烧变岩

图2 伊犁盆地南缘蒙其古尔煤矿烧变岩剖面特征Fig.2 Outcrop section showing burnt rock in Mengqiguer coal mine, southern margin of Yili BasinⅠ.最早一期烧变岩； Ⅱ.第二期烧变岩，底界明显，显示为新生代大气降水已经浇灭了该次煤层自燃过程； ⅡA.第二期烧变岩的高温烧烤岩； ⅡB.第二期烧变岩的中低温烧烤岩； ⅡC.第二期烧变岩的低温烘烤岩，主要为热褪色白色砂泥岩，其沿渗透性砂砾岩层延伸较远； Ⅲ.最新一期的煤层自燃过程，正在小规模燃烧； ⅢC.由于煤层自燃规模小，最新一期煤层自燃仅在自燃层上方形成少量低温烘烤岩

Gavshin和Miroshnichenko认为西西伯利亚地区Kansk-Achinsk 盆地燃烧的煤层可提供铀源，为大气降水运载，在蚀变煤层中沉淀[2]。Pearson曾发现美国怀俄明州保德河盆地烧变岩附近的煤灰中含拉长的方解石以及重晶石、钙长石、菱镁矿等，推测其为地表水经上覆烧变岩渗透后沉淀而来的[14]。本文进一步提出与煤层自燃有关高温(近)地表渗滤水沿渗透性砂岩层流动形成表生热液，其在疏松多孔的烧熔岩中为高温热液(>600℃？)，流动速度快，因此从高温烧变岩渗滤时可携带铀、铼、镓、锗、钡等常温下不易迁移的元素，在砂岩层中渗滤一段距离后，在流动受阻、温度降低时此类金属元素卸载而成矿。推测其富集成矿主要发生于相对低温热流体(100～300℃)改造的砂岩中，位于相对高温热流体(约300～600℃)改造后的渗透性褐、红色砂岩上下以及流动低势区。

正如图2所显示的，不同期次的烧变岩将形成多时期的表生热流体，这将致使与煤层自燃有关的砂岩型铀成矿有多期次的特点，且新的一次烧变岩发育过程会改造前一期次的中低温烧变砂岩。

2 地质背景

2.1 伊犁盆地南缘

伊犁盆地处于塔里木板块与哈萨克斯坦板块所夹持的伊犁微板块中，为西宽东窄的中新生代山间断陷盆地[15-17]，表现为北深南浅、北陡南缓的不对称箕状向斜盆地[15-16]。盆地南缘扎基斯坦河以西为向北缓倾的单斜构造，属于构造运动相对稳定区；蒙其古尔以东为构造活动强烈区，表现为地层陡立、拗陷幅度大、地震活动强烈。而盆地北缘褶皱发育、地层产状变化大，后期改造作用强烈。说明构造活动强度南弱北强、西弱东强；已发现的层间氧化带砂岩型铀矿床[16-19]均在南缘构造活动相对稳定的斜坡带上。盆地基底主要由中上元古界和古生界构成，沉积盖层为三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系组成，侏罗系下中统水西沟群陆相暗色含煤碎屑岩为研究区主要的含铀矿层位，由八道湾组(J1b)、三工河组(J1s)、西山窑组(J2x)组成，之上覆盖有白垩系、古近系、新近系、第四系红色类磨拉石建造[17,20-21]。水西沟群含矿砂体普遍含砾石，从下到上砾石含量和砾径均有变小的趋势，砾石的磨圆度和分选性均较差，表明结构成熟度较低[20]。与铀元素富集有关的层间氧化带尖灭带一般位于岩相过渡部位，即反映出砂体粒度变细、渗透率降低的部位，并且往往出现高还原容量的有机质、碳质[20]。伊犁盆地北缘及南缘均发育侏罗系煤层自燃后的烧变岩，位于盆地南部的蒙其古尔及扎基斯坦铀矿位于扎基斯坦河两侧，在河流上游约6 km处发育规模宏大的烧变岩(图2)。

2.2 鄂尔多斯盆地东北部

图3 鄂尔多斯盆地东北部地区地质图及烧变岩分布范围Fig.3 The geological map showing the distribution of burnt rock in northeastern Ordos Basin(据参考文献[7, 28, 35])

鄂尔多斯盆地是大型含煤沉积盆地之一，面积约为25×105km2，是在古生代海相及海陆过渡相前陆沉积盆地之上叠加了中生代—新生代陆相拗陷沉积的叠合克拉通台向斜盆地[22]，煤、石油、天然气和铀等多种能源在鄂尔多斯盆地共生[23-25]。一直以来，对鄂尔多斯盆地构造热演化史与油气关系的研究较为深入，而在盆地热演化史与煤、铀矿关系方面研究较弱[26]。盆地内古生界沉积盖层发育寒武系、奥陶系、上石炭统海相碳酸盐、黏土岩和二叠系三角洲前缘相砂质泥岩、粉砂岩及石英砂岩；中新生界沉积盖层主要有三叠系、中侏罗统、下白垩统、上新统和第四系。陆相地层主要的含煤层位为三叠系延长组和侏罗系延安组。东胜、大营、杭锦旗等铀矿产地位于鄂尔多斯盆地最北部次级构造单元——伊盟隆起内，广泛发育砂岩型铀矿，含矿层主要为中侏罗统直罗组下段辫状河-辫状河平原相灰色、灰白色、灰绿色中粗砂岩[27-29]。其中灰绿色砂岩是古氧化作用再还原的产物[30]，其分选中等，钙质胶结，较疏松，含有丰富的黄铁矿集合体、油气包裹体[28-29]。铀矿化类型主要为层间氧化带砂岩型铀矿，主要矿体位于层间氧化带前锋线(灰色砂体与灰绿色砂体过渡部位)附近，矿体呈不规则的板状或卷状[28]。鄂尔多斯盆地东胜铀矿砂岩中检测出丰富的C15～C18脂肪酸，预示着硫酸盐还原菌和硫氧化菌类脂作用于直罗组成矿砂体[29]。东胜、大营等地的砂岩型铀矿在空间上距离延安组煤层烧变岩较近(图3)；在罕台庙铀矿北部罕台川剖面及皂火壕铀矿东部神山沟剖面，均可见延安组顶部及直罗组底部砂砾岩层发育烧变岩(图1-G、H、I，图3)。

3 煤层自燃促进铀富集的表生热液成矿模式

按现今砂岩铀成矿理论，铀被地下水或地表水携带至砂岩层中有利的部位聚集成矿，其形成时代晚于主岩，成矿以渗入作用为主[1]。当含氧地下水沿渗水性较好的砂岩层(其上下均为泥岩隔水层)运移时，沿途发生氧化作用。这种氧化作用发育的深度较一般地表氧化大很多，其顺层形成层间氧化带，在氧化-还原过渡带铀沉淀富集成矿，此种类型称为层间氧化带型[1]。由潜水氧化作用，或层间-潜水氧化作用形成潜水氧化带型砂岩型铀矿床，其发育深度较小，一般在近地表附近，氧化作用的过程也随上覆盖层的形成而告终止[1]。本次研究认为在含煤盆地中前人述及的“氧化-还原带”砂岩铀矿成因应归结为不同种类、不同温度烧变岩的反应，即“氧化带”红色、褐色砂岩为中低温烧变岩，“还原带”白色砂岩为低温烧变岩，铀的成矿富集实际为流经自燃煤层的表生热液在渗透性砂岩层中温度降低过程的化学反应，与深部热液上涌相关的热液型铀矿有成因上的相似性，但是热液的来源和性质有差别。

3.1 表生热液铀成矿过程

第一步：蚀源区提供的铀元素分散(或曾集中)分布于侏罗系含煤岩系中。

在伊犁盆地，石炭系—二叠系火山碎屑岩+花岗岩建造主要为一套中酸性火山岩建造和侵入岩建造[31]，中酸性火山岩和花岗岩铀含量高，能够为伊犁盆地铀矿化的形成提供良好的物质基础[32]。从物源区被淋滤、搬运后在沉积岩中存在的铀元素一般分散分布于侏罗系水西沟群砂、泥岩中，或被煤层吸附，丰度一般较低，难以形成可工业开采的铀矿床。

鄂尔多斯盆地周缘造山带发育，盆地北西部、北部大面积分布的太古代、早元古代结晶岩系和不同时代的花岗岩类岩体铀含量一般较高；东北部蚀源区岩石总体具有较高的铀含量，可为研究区砂岩型铀矿的形成提供较丰富的铀源[33]。此外，鄂尔多斯盆地东北部侏罗系、三叠系铀丰度值高，可作为成矿目标层位及直接基底，为铀成矿提供丰富的铀源[33]。相比伊犁盆地，鄂尔多斯盆地铀的成矿富集可能更为复杂，可能有多期成矿的特点，刘汉彬等认为赋矿砂岩具有铀的预富集特征，可为铀矿的形成提供部分铀源[34]。

第二步：煤层自燃。

大规模的侏罗系煤层自燃使得燃烧的煤层本身以及上覆岩层物质重组，煤层自燃的规模和持续时间取决于煤层厚度、品质、燃烧条件及(古)气候条件。在高温条件下铀元素从赋铀岩石(煤层、砂岩层或以前形成的铀矿)析出，主要以U6+离子状态存在并可被表生热液携带、搬运。现有的文献资料对煤层自燃的时代研究较少，推测煤层自燃与干旱的古气候条件有关，主要发生于白垩纪及新生代，上新世以来的煤层自燃对铀成矿有着最为显著的影响。伊犁盆地南缘的砂岩型铀成矿年龄主要集中于新生代，在12 Ma、5～6.7 Ma、1～2 Ma[36]，可能预示着煤层自燃的年代。

第三步：表生热液携带铀元素运移。

如前所述，自燃煤层在相对湿润气候条件下被大气降雨影响，致使高温流体沿多孔烧变岩及渗透性砂岩层流动。对烧变岩的研究显示，烧熔岩及高温烧烤岩多是疏松多孔的[7]，其在鄂尔多斯盆地北部常作为煤矿的蓄水层看待[37-39]。表生高温热液首先在高温烧变岩(烧熔岩及高温烧烤岩)中流动，因此渗滤时可携带铀、铼、镓、锗、钡等常温下不易迁移的元素，并继续流经中低温烧烤岩(“氧化带”砂岩)。该过程中将有大量水蒸气形成，近地表或沿活动断层向上流动的表生热液将引起大规模的水汽逸散(图4)。

图4 与煤层自燃有关的表生热液砂岩型铀矿成矿模式图Fig.4 Metallogenic model for the sandstone uranium mines of supergene hydrothermal fluid triggered by coal self-ignition

第四步：铀矿富集。

表生热液的流动过程也是温度降低、所携带的不易迁移的铀等金属元素析出的过程。从高温烧变岩、中低温烧烤岩运移来的富含铀元素的高温-中低温热液，在渗滤一段距离后流动受阻，温度也逐渐降低，演变为低温热流体，所影响的砂岩即为“褪色带”(亦称“过渡带”)白色砂岩。此时铀等金属元素因热液温度降低而卸载，成矿于“氧化带”(中低温热液影响的红、褐色砂岩)前缘的“还原带”(低温热液影响的砂岩)。这一过程与热液型铀矿相似。

第五步：再次表生热液作用及铀元素的再迁移。

从伊犁盆地南缘水西沟群及鄂尔多斯盆地东北部延安组自燃煤层露头剖面观察，煤层自燃及其形成的烧变岩均为多期次的，不同期次的烧变岩将形成多期的表生热流体，这将致使与煤层自燃有关的砂岩型铀矿具多期次成矿的特点。且新的一次烧变岩发育过程会改造前一期次的中低温烧变砂岩，并使得铀矿富集部位有所变化，推测最强烈的一次表生热液发育过程决定着砂岩铀矿的富集地点。这也是东胜等地区铀矿多期成矿的因素之一。

3.2 表生热液铀成矿模式及实例

图4显示了煤层自燃引发的表生热液铀成矿模式。表生热液的形成取决于2个基本条件：煤层自燃以及大气降水，其煤层自燃区域形成后一般沿渗透性砂岩层流动，流动距离的长短取决于砂岩渗透性、砂体延伸性以及非渗透地层的阻碍等。温度的降低以及非渗透地层的阻碍(二者可以是统一的)是铀元素从热液中析出并富集成矿的主要因素。表生热液可沿活动断层穿层流动，并在主要渗透性砂岩层之上形成规模较小的砂岩铀矿体或矿化点。除渗透性砂岩层和断层外，不整合面及其下的渗透性岩层也可能是表生热液流动的主要途径，在今后的工作中应以注意。

伊犁盆地南部“层间氧化带”砂岩铀矿的分布特征(图5)直观反映了与煤层自燃有关的表生热液砂岩型铀矿成矿模式。其红、褐色“氧化带”砂砾岩体(实为中低温烧变岩)与盆地边缘侏罗系烧变岩方位一致，越靠近盆地边缘，其中低温烧变岩厚度更大，向盆地方向则厚度变小，并有分叉(图5)，显示热流体流动势能减弱， 流动路径分化，伴随着温度的降低则在“过渡带”(实际为中低温烧变岩及低温烧变岩界线处，该温度为表生热液携带的铀元素析出温度，推测为150℃左右)。在伊犁盆地蒙其古尔地区，存在于三工河组及西山窑组中的砂岩“氧化带”均发端于盆地南缘露头区[40]的烧变岩分布区，并向盆地内延展数千米后尖灭，反映煤层自燃对“氧化-还原带”的重要影响。

图5 伊犁盆地南缘库捷尔太水西沟群Ⅴ旋回38线南北向剖面Fig.5 S-N profile of Line 38 of Ⅴ Cycle for the Shuixigou Group in Kujieertai, southern Yili BasinDahlkamp(2009)根据2002年北京IAEA会议资料[41]

4 相关证据

4.1 烧变岩与铀矿在空间上的相关性

4.1.1 平面上的相关性

中国北方中生代陆相盆地通常是含煤的，已知的砂岩型铀矿床基本都和煤存在共生关系；甚至哈萨克斯坦下伊犁煤铀矿床、戈立贾特后生-渗入型砂岩铀矿床也是如此。但由于对烧变岩关注度不够，二者之间的相关性未引起足够重视。在伊犁盆地南缘、鄂尔多斯盆地东北部和吐哈盆地西南缘，侏罗系砂岩型铀矿和烧变岩在空间上距离较近(图3)，砂岩型铀矿与烧变岩露头区平面上相距一般<10 km，显示二者有成因上的联系。表生热液的铀成矿理论也将合理解释中国南方缺乏砂岩型铀矿(深部热液型砂岩铀矿除外)，新生代中国南方湿润的气候不利于煤层的自燃，当然就难以形成表生热液砂岩铀矿。

4.1.2 纵向上的相关性

除“氧化带”红、褐色砂岩之外，在伊犁盆地南缘和鄂尔多斯盆地东北部侏罗系赋矿砂体之上常见低温烧变岩，显示为杂色、紫色泥岩，另见渣状烧变岩和气孔状杂色泥岩。刘志坚认为气孔状构造是烧变岩构造之一，气孔是由烧变岩中的水分及易挥发的物质逸出后形成的[10]。在伊犁盆地南缘钻井岩心和野外剖面均可发现，具气孔的杂色泥岩或烧熔岩之下常发育褐色砂岩，显示烧变岩和“氧化带”砂岩铀成因上的关系。此类烧变岩在鄂尔多斯盆地东北部亦见，推测为烧变产物。此外，在个别井的岩心中可见沿裂缝分布的红色矿物(图6-A)，为表生热液带来的3价铁质矿物沉淀所致。这一系列的证据显示烧变岩与铀矿在纵向上有密切的关系，或者说铀矿与中低温表生热液关系密切。

4.2 “氧化-还原带”砂岩微观特征

4.2.1 “氧化带”红、褐色砂、泥岩

伊犁盆地下-中侏罗统赋矿砂岩层附近的“层间氧化带”褐色砂岩中普遍见褐色铁质矿物(褐铁矿、铬铁矿、钛铁矿等)不规则分布(图6-C、D、E)，相比“过渡带”白色砂岩，其伊蒙混层黏土含量较低，蠕虫状高岭石常见，且显示有伊利石化。在泥岩及粉砂岩中亦见红色或棕色氧化物质，可呈结核状，或沿微裂缝发育(图6-A)，亦显示氧化-还原条件与原生沉积环境无关，而是(中温？)表生热液影响的结果。此类砂岩中广泛分布的铬铁矿、钛铁矿等铁质矿物常在烧变岩露头区红色烧变岩中发育，显示“氧化带”红、褐色砂岩与露头区红色烧变岩有成因上的联系。在岩石显微薄片中所见铁质矿物对碎屑颗粒的交代(图6-C)可解释为表生热液的中高温烧灼痕迹。

4.2.2 “过渡带”白色砂岩微观结构

在伊犁盆地，侏罗系“过渡带”白色砂岩(图7-A、B)中亦见褐色铁质矿物浸染状分布(图7-C)，或沿微裂缝分布(图7-D)，显示为(低温)热液的影响。在白色砂岩的填隙物中，高岭石及伊利石、伊蒙混层黏土常见(图7-F)，另有黄铁矿(图7-E)、黄铜矿、磷铈矿(图7-F)等自生金属矿物充填粒间，亦见具环带的鞍形白云石胶结矿物。磷铈矿等金属矿物和鞍形白云石常出现于热液影响的砂岩中[42]。尽管目前的研究还未排除深部热液的影响，但白色砂岩与来源于烧变岩露头区的红、褐色“氧化带”砂岩(实际为中低温烧变岩)共生，且在烧变岩露头区亦见在红色烧变岩侧向位置产出该类砂岩，这都让我们有理由相信其为表生热液所致。在鄂尔多斯盆地东北部，延安组顶部存在大规模的白色砂岩及相关的高岭土矿床已被证实为低温热液所致[6]，该漂白砂岩形成于酸性还原环境[43]。考虑到盆地地层倾角小(仅为2°～6°)，且单斜地层中断层并不发育，我们认为该类低温热液和几千米外自燃煤层形成的烧变岩有成因上的联系。

图7 伊犁盆地南缘侏罗系砂岩铀矿中的热褪色白色砂岩宏观与微观特征Fig.7 Features of white sandstone in Jurassic uranium deposits of southern Yili Basin(A、B)岩心中白色砂砾岩宏观特征； (C)砂质泥岩中见褐色矿物浸染，ZK2516井，深度443.3 m，单偏光； (D)砂岩中碎屑的磨圆度差，杂基含量高，沿微裂缝有浸染状铁质矿物分布，与有机质共生，ZK2516，深度439.0 m，单偏光； (E)莓球状黄铁矿(黄色三角所指)及伊利石，ZK2516,深度455.85 m； (F)磷酸铈(黄色三角所指)存在于伊蒙混层黏土中，ZK2516，深度443.3 m

4.3 铀矿物激光原位测龄数据

聂逢君在2015年12月的国家973项目“中国北方巨型砂岩铀成矿带陆相盆地沉积环境与大规模成矿作用”年度工作会议上报道，对鄂尔多斯盆地东北部砂岩型铀矿中铀石矿物的激光原位测试显示其放射性年龄<1 Ma，这与前人研究成果有较大不同，反映了主要赋铀矿物的形成年龄较新，应与第四纪煤层自燃引发的表生热液有关，即时代更近的煤层自燃促进了铀矿物富集，形成了可工业性开采的砂岩型铀矿。

4.4 伊犁盆地有机质成熟度

伊犁盆地侏罗系正常沉积的煤等有机质成熟度相对较低，镜质体反射率(Ro)为0.4%～0.5%(表2)，有机质普遍为半成熟。但个别煤层的Ro值达到0.85%，与露头区烧变岩之下仅10 cm的煤的有机质成熟度相近(表2)，显示出高温(流体)的影响。Gavshin 和Miroshnichenko曾报道在西西伯利亚地区下侏罗统烧变岩之下的褐色蚀变煤层中出现铀异常，并认为燃烧有机质提供的铀源为大气水运载，在蚀变煤层中沉淀[2]。伊犁盆地蒙其古尔煤矿及附近的烧变岩之下1 m厚度内的碳质泥岩层中见丰富的黄铁矿，野外测试显示其有放射性异常，且有机质成熟度有向下远离烧变岩而变低的趋势(表2)，这显示了与大气降水和煤层自燃有关的表生热液的影响。该碳质泥岩层为烧变岩露头区表生热液流动的底板，从疏松的高温烧变岩流出后，表生热液将进一步沿着渗透性砂岩层或断层流动，影响附近的煤层或碳质层，致使其有机质成熟度升高，而未被表生热液影响或影响程度较小的有机质其成熟度保持了原岩的特点。此外，对盆地南缘库捷尔太、乌库尔其矿床水西沟群含矿砂岩矿石及围岩中的油气包裹体饱和烃气相色谱分析显示，CPI、OEP值分别为1.16～1.45、0.67～1.02，不具有奇数碳优势的特征，反映有机质成熟度较高[44]，也显示着表生热液的影响。

4.5 流体包裹体测试数据

在伊犁盆地南缘库捷尔太矿床和乌库尔其矿床中，方解石自生矿物的流体包裹体均一温度为102.5～117℃(本次研究数据)。李胜祥等认为水西沟群油气包裹体饱和烃气相色谱分析显示有机质(油气成分)成熟度较高，其主峰碳为C16～C18，且均为单峰型，这些特征表明伊犁盆地含矿层的油气来源于深部较成熟的烃源岩[44]。当认识到表生热液的作用后，本文认为这些成熟度高的流体包裹体也可解释为煤层遭受高温热液改造后排烃的结果。相似的流体包裹体特征也可对鄂尔多斯盆地北部东胜地区及杭锦旗地区直罗组砂岩中的方解石胶结物流体包体进行合理解释。肖新建等测试的东胜地区流体包裹体均一温度为58～176℃, 平均为114.9℃[3]；张龙等对杭锦旗地区矿化砂岩亮晶方解石胶结物捕获的原生流体包裹体测得的均一温度峰值为140～160℃[5]：均解释为热液活动的产物。但在单斜地层背景下，研究区大规模裂缝系统以及大规模岩浆侵入活动并不强烈，沿区域性断裂并无热液铀矿产出；因其距离烧变岩露头区很近，受表生热液影响更为显著，用表生热液解释其成因似更为合理。

表2 伊犁盆地南缘煤等有机质镜质体反射率测试数据

Table 2 Testing data of vitrinite reflectance of Jurassic organic matter in coal, etc. from southern Yili Basin

序号井号及剖面井深或位置岩性Ro/%测点数标准离差149783588．17m煤0．42300．012P4924448．87m碳质层0．45300．013ZK2516421．80m煤0．46300．054P5323613．40m碳质泥岩0．47300．025P5323528．00mM8煤层0．85350．066蒙其古尔煤矿烧变岩底界之下10cm(图1⁃F)煤0．86300．037蒙其古尔煤矿烧变岩底界之下80cm(图1⁃F)煤0．53300．02

4.6 鄂尔多斯盆地北部同位素测试数据

对东胜地区、杭锦旗地区侏罗系白色砂岩、铀矿或矿化点砂岩中亮晶方解石胶结物及钙化木中方解石进行的碳、氧同位素分析都显示，其C、O同位素值都较轻，有机质参与了方解石的结晶，且这些方解石形成于低温热液环境，热液活动是富矿流体形成的关键事件[5,43,45-47]。吴柏林等通过直罗组底部及延安组顶部白色砂岩碳酸盐胶结物包裹体氢、氧同位素的测试发现，数据大部分都在雨水线和中国西北地区雨水线附近，成矿溶液或低温热液地下水来源于表生浅层的大气降水；其D值增高是包裹体水中的氢、氧等混染了天然气中的CO、H2S、H2及CH4等有机烃类气体中的相应组分[6,45-47]。东胜矿床的形成为由“大气降水-逸散油气-煤质有机酸-低温热液”混合流体作用的结果[46]。如前所述，这一系列的同位素证据也可用表生热液模式解释：表生热液的大气水来源及对砂岩层的作用，其混入的CO、H2S、H2及CH4等气体为煤层燃烧过程中所产生，后被表生热液携带、运移。

5 讨 论

5.1 含煤盆地表生热液砂岩型铀矿的找矿标志

5.1.1 烧变岩

砂岩型铀矿在世界上分布广泛，“层间氧化带”、“潜水氧化带”型砂岩铀矿常与烧变岩空间距离近，在成因上有密切联系，因此烧变岩是表生热液砂岩型铀矿的找矿标志之一，其可首先从含煤盆地露头区的烧变岩识别。露头区烧变岩通常为高温烧变岩，可从颜色、结构、构造等方面极易识别。“层间氧化带”、“潜水氧化带”型砂岩铀矿的红、褐色“氧化带”砂岩层为中低温烧变岩，而热褪色白色砂岩(或称为漂白砂岩)为低温热液改造的烧变岩，应属广义的烧变岩，也是找矿标志之一。规模宏大的烧变岩(如在鄂尔多斯盆地东北部)可形成多期次、大流量的表生热液，铀成矿作用则更为显著。

5.1.2 渗透性岩层

从伊犁盆地南缘和鄂尔多斯盆地东北部砂岩型铀矿的勘探实例看，渗透性砂岩层或不整合面(特别是与高温烧变岩连通的渗透性岩层)是表生热液流动的通道，也是铀元素富集的主要场所，因此渗透性岩层，如三角洲前缘或河流沉积中的河道砂岩是又一重要的找矿标志。赋铀矿物如沥青铀矿和铀石，通常沉淀于流动通畅的砂岩层中，为表生热液流动较长距离后温度降低条件下析出所致。但在表生热液流动受阻的情况下，如在非均质性较强的砂岩中，赋铀矿物也较易沉淀于渗透性稍差的砂岩中。

5.1.3 煤层自燃后的古水系

根据野外调查，引发铀成矿的煤层自燃通常发生于第四纪黄土沉积前，煤层大规模自燃后的湿润气候条件使大规模的煤层自燃熄灭，同时造成表生热液的生成与流动。煤层自燃停止后的古水系有利于表生热液的形成(之后在渗透性岩层中流动并运移6价铀离子)，是砂岩铀矿形成的前提条件之一。

5.2 表生热液砂岩型铀矿的分布

目前对表生热液铀成矿作用的研究还处于起步阶段，其全球性分布特征还无从谈起，但其在伊犁盆地南缘和鄂尔多斯盆地东北部是较为可信的。李巨初等认为，从世界宏观角度看，砂岩型铀矿空间上主要分布在南北半球中纬度(20°～50°)的近代、现代副热带高气压带及其两侧的信风带和西风带范围，或大陆的内部和偏西部的干旱炎热戈壁荒漠草原区的中生代—新生代盆地内，且砂岩铀矿成矿年龄较新[1]。本文认为干旱气候是煤层得以自燃的先决条件，而赤道地区及湿润气候条件下大气降水频繁，煤层自燃的条件很难达到，因此不利于表生热液成矿作用；内陆干旱地区适合煤层自燃，更趋向于形成表生热液砂岩铀矿。东亚地区的干旱气候是从约5 Ma B.P.开始震荡变化的，总体显现逐步干旱的趋势[48]。青藏高原的隆升是造成中国气候分区巨大分异的主要原因，而最强的隆升发生于3.6 Ma B.P.[49]，因此中国北方煤层自燃和表生热液的形成应集中于3.6～0 Ma B.P.这一时期。前人研究中对含矿砂岩进行全岩同位素测龄，可能测试数据不能代表真正的铀成矿年龄。此外，表生热液的形成离不开充沛的大气降水，受米兰科维奇旋回、太阳黑子周期等天文因素影响，新生代气候是潮湿—干旱相间变化的，干旱(或湿润)气候周期性出现，为煤层自燃、表生热液的形成提供了可能条件。

砂岩型铀矿矿集区多出现在地台内、外边缘，或处于被晚期造山运动中度构造活化改造的沉积盆地内的浅埋缓倾斜坡带上[1]。在这样的位置，煤层自燃的条件容易达到，也更易形成表生热液矿床。因此可以推断：在含煤盆地的边缘地带，表生热液砂岩铀矿是较为常见的，应在今后的工作中加以重视。尽管中国北方新生代含煤盆地多以陆相盆地为主，从表生热液铀成矿的机理来说，海相—过渡相含煤盆地同样适用，因此这种成因的砂岩铀矿应是全球分布的。

5.3 表生热液与深部热液的异同点

表生热液与深部热液成因不同，故而性质也不同，二者可能在成矿机理方面有相似性，即随着温度降低和压力减小，一些组分发生沉淀，铀在含铀热液中都主要以铀酰络离子形式迁移，在相对低温的条件下[UO2]2+中6价铀被还原为4价铀析出，形成铀矿物。李巨初等总结认为中低温热液矿床产于多种地质环境[1]，但它的铀矿物成分却很简单，主要有沥青铀矿和铀石，这可能也适合于表生热液。

在(深部)热液作用过程中铀主要形成独立矿物，如沥青铀矿、铀石等。伴随沥青铀矿和铀石等矿物的形成，硫化物、碳酸盐、高价铁氧化物(赤铁矿)等这些在岩浆作用和伟晶作用中很少形成的矿物却大量出现[1]。在(深部)热液铀矿床中，同铀矿物共生的矿石矿物组合类型较多，如沥青铀矿-微量石英(或玉髓)组合、沥青铀矿-方解石组合、沥青铀矿-萤石组合、沥青铀矿-硫化物组合、沥青铀矿-辉铜矿组合等，但每种组合类型中的矿物成分比较简单[1]。从伊犁盆地南缘和鄂尔多斯盆地东北部来看，表生热液矿石矿物组合类型更为简单，多为沥青铀矿-黄铁矿-高岭石组合、铀石-碳酸盐矿物-绿泥石组合等。

从鄂尔多斯盆地北部侏罗系砂岩铀矿或矿化点亮晶方解石胶结物碳、氧同位素测试数据来看，其C、O同位素值都较轻，碳同位素极为负偏[5-6,43,45-46]，本文解释为煤层燃烧过程中排烃并被表生热液携带所致。但这一特征并不是表生热液所独有，深部热液亦可促使深部烃源岩排烃而在上涌过程中运移，深部热液砂岩铀矿在多大程度上具备如此特征还有待研究。此外，氢同位素测试显示表生热液有大气水特征，这也可以在由地表水向下循环而形成的深部热液中有所显示，因此二者的差异性应在具体的地质条件中加以识别。进一步的深入研究也很有必要。

5.4 高温-低温烧变岩的氧化-还原条件

前人根据砂岩颜色、铁质矿物种类等判断“氧化带”或“还原带”，并认为铀矿主要赋存于氧化-还原过渡带，这一直观的认识对铀矿勘探有显著的积极意义。本文认为其有内在的成因，即氧化带(红、褐色砂岩)相对还原带(热褪色漂白砂岩、灰绿色砂岩等)有更高的表生热液温度，因此岩层中水的蒸发作用更为强烈，空气中氧气的作用更甚；而还原带砂岩受低温表生热液影响，为相对饱含水的，氧化作用相对微弱。二者在烧变岩露头区也较易发现(图2)，烧变构造与结构显著的中高温烧变岩一般呈鲜艳的红色(图2中ⅡA、ⅡB)，其中图2中ⅡB的中温烧变岩与井下岩心中所见“氧化带”砂岩颜色与成分(特别是填隙物成分)类似，而受大气水影响更为明显的低温烧变岩(ⅡC)与井下岩心的热褪色白色砂岩、地表漂白砂岩类似。鄂尔多斯盆地东北部延安组烧变岩分布面积广泛，约为1×104km2，且有煤层多期燃烧的特点，因此形成的表生热液规模更大，对附近延安组、直罗组沉积岩的改造强度更大。在氧化-还原过渡带砂岩中沉淀的铀矿一方面受控于氧化-还原条件的改变，另一方面也是热液流速减慢、温度降低的反映，或者是表生热液温度的变化控制了氧化-还原反应的发生？相关科学问题值得深入探讨。

6 结 论

a.鄂尔多斯盆地东北部及伊犁盆地南缘侏罗系砂岩型铀矿受表生热液影响，侏罗系煤层在新生代干旱气候条件下自燃，在相对湿润气候条件下大气降雨减弱煤的自燃，形成表生热液，携带从自燃煤层及附近高温烧烤岩层中释放的U6+元素沿渗透性砂岩层流动，在流动遇阻及温度降低条件下铀等金属元素从(已经降温的)表生热流体中析出，并富集成矿。

b.将新生代煤层自燃现象与砂岩铀矿的形成联系起来，提出中国北方陆相含煤盆地煤层自燃促进铀的富集成矿的理论。该模式对中国北方含煤盆地“层间氧化带”、“潜水氧化带”砂岩型铀矿提出新的成因解释。

c.表生热液铀成矿模式的证据主要体现在：①烧变岩与铀矿在空间上的相关性；②“氧化-还原带”砂岩微观特征；③铀石激光原位年龄测定数据；④伊犁盆地煤等有机质成熟度；⑤伊犁盆地及鄂尔多斯盆地流体包裹体测试数据；⑥鄂尔多斯盆地北部同位素测试数据等。

d.表生热液铀成矿模式合理解释了砂岩型铀矿主要分布于中国北方的原因，即上新世以来的中国北方的干旱气候促进了侏罗系煤层的自燃；也预示着煤层自燃形成的烧变岩及近地表表生热液疏导体系(渗透性砂岩层、不整合面等)是陆相含煤盆地表生热液砂岩型铀矿主要的找矿标志。

参加野外工作的还有成都理工大学宋昊、江文剑；核工业216大队对伊犁盆地岩心采样工作提供了大力帮助；扫描电镜及能谱分析在成都理工大学“油气藏地质及开发工程国家重点实验室”完成，冯明石博士大力协助；镜质体反射率测试在中原油田勘探开发研究院中心实验室完成。在此一并表示感谢！

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Theory of uranium mineralization caused by supergene hydrothermal fluid in coal-bearing basins: Evidences from Jurassic sandstone in southern Yili Basin and northeastern Ordos Basin, China

SHI Zhi-qiang1, YANG Xiao-kang1, WANG Yan-yan2, DU Yi-xing1, XIAO Kai1, DUAN Xiong1

1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China; 2.CollegeofMaterialsandChemistry&ChemicalEngineering,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

The data of field outcrop investigation, drilling core observation and the analysis of thin sections and measurements of SEM, organic matter maturity, in southern Yili Basin and northeastern Ordos Basin reveal that the Jurassic red sandstone of oxidized zone and white sandstone of transitional zone in the uranium ore deposits are the special types of burnt rock. The supergene hydrothermal fluid is considered to be the cause of sandstone uranium ores in coal-bearing basins, i. e., the coal beds were self-burning in the dry climatic conditions and then the supergene hydrothermal fluid formed during the relatively humid climatic period due to the atmospheric rainfall. U6+was released from the burning coal beds and high-temperature burnt rocks and in turn was carried by the supergene hydrothermal fluid flowing in the permeable beds, such as sandstone layers and unconformity. Then the uranium element was separated out from the supergene hydrothermal fluid and deposited as ores in the sandstone when the flowing fluid blocked and the temperature declined. This model provides a new interpretation for the sandstone type uranium of interlayer oxidation zone and phreatic oxidation zone in the continental coal-bearing basins in northern China. The above interpretation is evidenced by (ⅰ) the relationship between the burnt rock and uranium mine, (ⅱ) the microscopic features of sandstone in oxidized zones and reduced zones, (ⅲ) laser isotopic dating of uranium ores, (ⅳ) measurement of organic matter maturity for Jurassic coal in Yili Basin, (ⅴ) analysis of fluid enclosures of Jurassic calcite cement in Yili Basin and Ordos Basin and (ⅵ) C, O and H isotopes of calcite cement in northern Ordos Basin. The uranium mineralized model of supergene hydrothermal fluid interpreted why sandstone uranium deposits mainly distribute in northern China. Burnt rock and permeable rocks suitable for migration of supergene hydrothermal fluid are indicators for uranium ores in the area.

sandstone uranium deposit; supergene hydrothermal fluid; coal self-ignition; burnt rock; indicators for uranium ores

10.3969/j.issn.1671-9727.2016.06.09

1671-9727(2016)06-0703-16

2016-02-23。 [基金项目] 国家973项目(2015CB453001)。 [第一作者] 时志强(1972-)，男，博士，教授，博士生导师，沉积学专业, E-mail: szqcdut@163.com。

P619.14

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