吐哈盆地十红滩铀矿床物质组分及地球化学特征

刘治国，杨冰彬，赵旭，王腾

（核工业二〇三研究所，陕西 咸阳 71200）

针对十红滩铀矿床成因，傅成铭、权建平、权志高等从构造，逢玮、陈振等从水文地质，权建平等从含铀目的层沉积体系，尚高峰、乔海明等从有机质与微生物作用与铀矿化关系等方面进行了研究。矿床物质组分及元素地球化学特征对成矿作用具良好指示作用，为重要勘查标志。本文以十红滩铀矿床不同矿带侏罗系含铀矿层为研究对象，对砂体整体分选性、结构成熟度和成分成熟度及元素地球化学进行研究，试图揭示研究区砂岩型层间氧化型铀矿成矿机理，认识砂岩型铀矿勘查地球化学标志。

1 地质概况

吐哈盆地为天山褶皱带内不规则的中新生代内陆山间盆地，基底为中石炭统迪坎儿组，盖层主要为中下侏罗统水西沟群，北部多见古近系鄯善群。区内及外围构造活动相对较弱，断裂构造主要有鹰咀崖断裂，褶皱构造为宽缓背斜和向斜[1]。十红滩铀矿床位于盆地西南缘艾丁湖斜坡带上（图1），铀矿床分为南、北、中3个矿带，含矿层位为中侏罗统西山窑组。南矿带产矿层位为西山窑组第一岩性段，北矿带产矿层为西山窑组第三岩性段，中矿带产矿层为西山窑组第二岩性段。

2 产矿岩石特征

图1 新疆吐哈盆地十红滩铀矿区构造纲要略图Fig.1 Structural outline map of Shihongtan uranium deposit in Turpan Hami basin

研究区南、北矿带砂体岩性多为灰色含砾中细-中粗砂岩，疏松-较疏松为主，呈次棱角状，以含砾不等粒状为主，呈点-线接触，颗粒支撑，胶结物少或无，次生孔隙发育，总面积率达7.8%～16.50%，以次生溶孔和破裂组合的孔隙占绝对优势，少量粒内溶孔，形成联通性好的网状（表1）。

产矿岩石主要矿物包括造岩矿物（石英、长石、黑云母、白云母）、重矿物、黄铁矿、碳化植物碎屑、粘土矿物、方解石和岩屑。其中，造岩矿物中石英含量40%～50%；长石含量15%～35%，主要为斜长石和微斜长石、条纹长石；云母含量0.5%～5%，主要为黑云母，次为白云母；重矿物主要为绿帘石、电气石、磷灰石、石榴子石；黄铁矿、碳化植物碎屑含量0.1%～1.5%，碳化植物碎屑多呈条带状、棱角状不均匀分布在岩石中；岩屑含量25%～50%，以中-基性火山岩岩屑、中酸性火山岩岩屑（安山岩、安山玢岩）、凝灰岩岩屑和浅变质岩岩屑、花岗质岩屑为主；粘土矿物在铀矿石中含量为15%～25%。

砂岩碎屑组分研究表明（表2），南、北矿带砂体组分整体相似又略有不同，南、中、北矿带均为岩屑砂岩，岩屑含量由南向北依次降低，砾岩、砾质成分明显减少，结构成熟度逐渐增高，反映矿物成熟度由南到北依次降低。

西山窑组砂体受外力作用影响，砂体和碎屑产生大量破裂缝，次生孔隙在破裂缝基础上进一步扩大溶蚀，胶结物中碳酸盐不同程度裂开及溶蚀，方解石再次填充缝隙。

目的层水解作用发育，长石、云母、岩屑等在地下水长期溶蚀作用下发生水解作用，形成以高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石等为主的次生粘土矿物，砂岩渗透性降低，假杂基化严重。

3 铀、钍变化及地球化学参数特征

南、北矿带地球化学特征主要为铀、钍变化及地球化学参数（包括有机碳、总硫、二氧化碳）变化特征（表3）。

从表3可看出，灰色透水砂体铀背景值，南矿带相对北矿带高，中矿带相对南北矿带较低。由南至北铀背景值均较高，即由J2x1→J2x2→J2x3，为4.52×10-6→3.65×10-6→6.35×10-6，均大于铀的地壳克拉克值3.0×10-6的1～2倍，据此认为本区目的层西山窑组为富铀层位。有机碳（C有机）和全硫（∑S）分布不均，南矿带较高，北矿带和中矿带次之，均为灰色岩类岩石。

本区大量铀异常-矿化晕-矿石的存在均反映了铀的迁移富集成矿特点，钍在砂岩后生蚀变过程中变化微弱，Th/U变化大说明铀的迁移富集特点。铀矿化主要赋存在以黑、深灰色富含有机质及黄铁矿的疏松-较疏松砂岩中，呈吸附状以铀、铀矿物及含铀矿物形式存在，铀与有机碳、全硫关系密切。

表1 目的层西山窑组孔隙特征Table 1 Porosity characteristics of Xishanyao formation

表2 目的层西山窑组砂岩组分及定名Table 2 Sandstone component and denomination of Xishanyao formation 单位：×10-2

表3 西山窑组透水砂体铀背景值及相应地化特征Table 3 Background values and corresponding geochemical characteristics of uranium in permeable sand bodies of Xishanyao formation

4 层间氧化带及分带特征

氧化带在本区广泛发育，包括潜水氧化带和层间氧化带。研究表明，南、北矿带后生蚀变分带特点除矿石带外基本相似。

本区找矿目的层水西沟群发育层间氧化带11层，主要位于西山窑组第一、第二、第三3个岩性段。层间氧化带沿走向达数十公里，宽2～10 km。剖面上层间氧化带多呈叠瓦状、层状排列。氧化尖灭线平面上向北突出，呈不规则蛇曲状。层间氧化带的分带性，氧化明显受岩石渗透性控制。渗透性好的砂体遭氧化呈黄、褐黄色，渗透性差的泥岩、粉砂岩、钙质砂岩呈玫瑰红色，煤层很少被氧化。氧化带颜色具对称性，该特点与潜水氧化带明显不同，说明含氧地下水为侧向运移的承压水。将野外地质工作与地球化学参数分析相结合，可将后生蚀变分为4个带（表4）。

4.1 完全氧化带

砂体呈褐黄、黄褐色，偶见玫瑰红色，近顶、底板发生褪色，呈灰、灰白色。该带在本区广泛发育，主要为褐铁矿大量渲染岩石中碎屑物和胶结物，沿孔隙、裂隙发育，属高铁再沉积型。低价铁硫化物如黄铁矿、白铁矿，低价含铁碳酸盐如菱铁矿几乎全部氧化。碳屑物消失，见少量褐铁矿化结核。

4.2 不完全氧化带

砂体呈亮黄、杂红色砂岩，主要分布在矿体附近。亮黄色砂岩为水针铁矿染色。杂红色砂岩呈微粒状血红色赤铁矿或水赤铁矿染色，为黄铁矿或菱铁矿不完全氧化的结果，且保留假象，这种氧化属高价铁交代型。岩石中见少量黑云母，边部呈浅褐黄色，同时可见极少不完全氧化的碳屑物。

4.3 矿石带

又叫氧化-还原过渡带，多为疏松-较疏松灰色、深灰色砂岩，其中粘土矿物发育，主要为高岭石、伊利石、蒙脱石、粒状黄铁矿、白铁矿，见少量玉髓状石英，粉末状碳屑物。矿石中见广泛溶蚀交代现象，粘土矿物溶蚀交代岩屑、长石甚至石英碎屑，矿石中存在大量的吸附状铀、沥青铀矿、铀石，浸出率大于51%，矿段中见有含黄色斑点、色晕状或呈土黄色矿石。

4.4 原生灰色岩石带

为灰、浅灰色砂岩，含砾砂岩，砂质砾岩等，其中黄铁矿、菱铁矿、碳屑物、黑云母等基本保留完好，未发生明显变化，仅见岩屑长石、黑云母和单矿物中少量长石、黑云母不同程度水解，其中碳屑物镜下为浅棕黄色，表明有机质成熟度降低。

5 后生蚀变中常量组分变化特点

5.1 铝硅酸盐变化

表5，6分别列出南北矿带透水砂（砾）岩的铝硅酸盐全分析结果。从表5，6中看出，该区砂岩属少硫化物、少碳酸盐的富铝硅酸盐碎屑岩型。矿石与含矿主岩及氧化砂岩主要组分基本一致，仍有较小差别，指示沉积、成岩环境及后生蚀变的不同。

表4 西山窑组后生蚀变分带一览表Table 4 A list of epigenetic alteration zone of Xishanyao formation

表5 南矿带J2x1砂岩硅酸盐全分析结果Table 5 Total analysis results of silicate in J2x1sandstone of South ore belt

表6 北矿带J2x3砂岩硅酸盐全分析结果Table 6 Total analysis results of silicate in J2x1 sandstone of North ore belt

5.1.1 SiO2的地球化学行为及特征

SiO2及硅酸盐矿物风化作用的地球化学行为分为3种类型：①易于溶解的硅酸盐；②不易分解而易转变为粘土矿物的硅酸盐（如长石、云母）；③轻度溶解，基本为稳定的矿物（如石英）。表生作用中，H2O、O2、CO32-都是硅酸盐矿物和石英分解的主要因素，中偏碱性pH=7.5时，蛋白质非晶质SiO2溶解度大大增加，pH=8.5时，可达220 mg/L，所形成的H4SiO4是以分子形式迁移的硅酸，在层间渗入作用中为一种“通过”组分，在酸性层间水中可发生部分沉积，即在酸性地球化学障上-层间氧化带的前部和矿化带后部发生沉积。本区在地球化学剖面上也发现SiO2和铀的氧化物，同时析出铀石，常出现碎屑石英的次生加大及玉髓的形成。据铀矿水文地球化学，pH=7.5时，为完全氧化带；pH=8.5时，为不完全氧化带。

从表5，6中看出，由氧化带→异常带→工业矿石→灰色砂岩，SiO2明显具波动性，南北矿带工业矿石带处酸度增加，这一特征与水文地球化学铀成矿机理一致。

5.1.2 Al2O3的地球化学行为及特征

Al2O3赋存在铝硅酸盐矿物中，如长石、辉石、角闪石、云母等，分布广泛。它们在风化作用下，均可转化为粘土矿物，未被水溶液带走。Al2O3在表生作用中通常为弱迁移组分，在酸性介质中，其性质类似稀土元素，即由层间氧化带前部岩石中浸出，并在铀矿石中再沉积，形成少量后生粘土矿物。

十红滩铀矿床南、北矿带铀矿石中Al2O3含量相对稳定，为11.17×10-2～11.27×10-2。两个矿带较库捷尔太铀矿石略高，反映十红滩铀矿床砂岩水解作用较强。这与该区砂岩富含火山碎屑、花岗质岩屑，后生蚀变过程中在相对较高的矿化水作用下发生较强水解作用有关。Al2O3与Th、MgO、TiO2、P2O5等变化趋势大体一致。

6 后生蚀变带中伴生元素特征

后生蚀变带中伴生元素含量变化见表7。从表7中看出，氧化带中伴生元素含量很低(K≤1)，不完全氧化带中Se有富集现象（K=9.33）。矿石带中Se，Mo，Re具明显地球化学富集现象（K＞1），Re达工业指标。

经R型相关分析，伴生元素与铀相关不明显，相关系数较低(K＜0.5)，采用协方差因子旋转，获得良好矩阵，表明Re与U有关，Ga，V与Th有关，矿石中这种相关类型组合充分显示了铀成矿与复合地球化学障的存在密切相关。

表7 层间氧化带后生分带中U，Th、伴生元素含量变化表Table 7 Contents variation of U,Th and associated elements in the epigenetic zone of interlayer oxidation zone

7 结论

（1）十红滩铀矿床铀矿物组分基本相似，含矿主岩主要岩性为长石岩屑砂岩和岩屑砂岩，为灰色岩类地化类型。碎屑组分中北矿带含矿砂岩的分选性、结构成熟度和成分成熟度均比南矿带、中矿带好，且南、北、中矿带孔隙结构略有差别。

（2）南、北矿带产矿层位铀背景值较高，均为富铀层位，后生蚀变及成矿过程中铀发生明显迁移和富集，同时与伴生元素V，Mo，Se，Re，Ga，Ge，Sc有不同程度迁移与富集，与U关系密切的为Se、Re；Re主要富集在铀矿石带中；而Se与U共同富集在矿石带中，且具综合利用价值。Th表现稳定，后生分带中Th/U变化很大。

（3）十红滩铀矿床不同矿带中数量分布特征与矿带C有机、Fe3+/Fe2+、∑S等因素存在相关性。矿带铀分布与C有机、∑S等存在正相关性，与Fe3+/Fe2+比值呈负相关性。认为各矿带目的层物质组分，碳、硫和铁等元素含量及碳酸盐分布特征与铀成矿形成密切相关。

[1]吴柏林,孙斌,程相虎,等.铀矿沉积学研究与发展[J].沉积学报,2017,35(5):1044-1053.

[2]乔海明,宋哲,刘治国.吐哈盆地十红滩层间氧化带砂岩型铀矿床的控矿构造及控矿机理探讨[J].东华理工大学学报(自然科学版),2016,39(3):217-222.

[3]尚高峰,乔海明,刘治国,等.吐鲁番八仙口地区沉积体系及其与铀成矿的关系[J].铀矿地质,2016,32(4):200-205.

[4]焦养泉,吴立群,彭云彪,等.中国北方古亚洲构造域中沉积型铀矿形成发育的沉积-构造背景综合分析[J].地学前缘,2015,22(1):189-205.

[5]刘汉彬,金贵善,李军杰,等.铀矿地质样品的稳定同位素组成测试方法[J].世界核地质科学,2013,30(3):174-179.

[6]董连慧,冯京,刘德权,等.新疆成矿单元划分方案研究[J].新疆地质,2010,28(1):1-15.

[7]权建平,徐高中,李卫红,等.构造对吐哈盆地西南部十红滩砂岩型铀矿成矿控制作用的研究[J].世界核地质科学,2006,(1):5-11.

[8]乔海明,张天太,张复新,等.吐哈盆地十红滩铀矿床水文地球化学特征[J].铀矿地质,2005,(6):27-34.

[9]权志高,李占双.新疆十红滩砂岩型铀矿床基本特征及成因分析[J].地质论评,2002,(4):430-436.

[10]史维浚,周文斌,金立敏.地球化学模式程序的应用实例[J].铀矿地质,1995,(1):32-36.

[11]贾恒，赵翠平，魏观辉.十红滩铀矿床地质地球化学特征及成矿与找矿[J].西北铀矿地质，2001（1）.

[12]刘英俊,曹励明.元素地球化学[M].北京：科学出版社，1984.

[13]江晓波，谭光国.岩石化学数据应用手册[M].天津：科学出版社，1993.