砂岩型铀矿找矿目标层识别技术研究

林中湘

(中煤地质集团有限公司，北京 100040)

砂岩型铀矿因其经济环保[1-5]，资源量大，易于开采，使之成为我国甚至于全世界铀矿主攻类型之一[6]，也是铀矿床重点研究的类型之一。砂岩型铀矿沉淀富集明显受“地球化学障”控制，其基本原理是铀在氧化态(U6+)下能以络合物的形式溶于水，处于活动状态，在还原态(U4+)条件下，铀元素便从活动流体(载体)中沉淀出来，并在合适的区段富集成矿。目前业界普遍认为的“地球化学障”为氧化还原过渡带，经典模式有“层间氧化带型”和“潜水氧化带型”。前者强调含氧含铀水顺层流动，关注点是横向地球化学分带，我国的伊犁盆地、吐哈盆地内的铀矿床是其典型代表[7-10]，该模式被广泛应用在鄂尔多斯盆地、北山盆地群、松辽盆地等北方产铀盆地远景评价当中[11-13]，这一观点是目前以核工业部门为代表的主流认识，目前我国已发现的砂岩型铀矿多以该模式进行成因解释；后者强调含氧含铀水垂直地层流动，关注点是垂向地球化学分带，二连盆地内的巴彦乌拉铀矿床潜水转层间氧化带型[14-15]。

随着中国地质调查局“我国北方砂岩型铀矿调查工程”的实施，对砂岩型铀矿成因模式提出了一些新的认识，认为我国北方砂岩型铀矿与晚中生代陆相盆地中红层、黑色层关系密切，指出黑色岩系为铀矿物质沉淀提供了“障”，而红色岩系为表生流体溶解铀矿提供了“场”，强调垂向分带是铀沉淀富集的重要控制因素[16-17]。司马献章等(未发表资料)将这种垂直分带中的“障”解释为油水界面，认为铀矿体为近水平，铀矿体就定位在这一油水界面附近，并在多个铀矿床或铀矿点中找到油气还原的证据。

从上文论述中我们可以看出，砂岩型铀矿基本为盲矿体，同时铀成矿受多种因素联合控制，是构造、铀源、含矿目标层、有利砂体、后生蚀变流体、地球化学分带、有机质、油气等耦合作用的结果。通过直接的、简便的、单一的方法很难有效探测到铀矿体空间定位，许多学者从构造、成矿模式、放射性信息、测井、遥感等方面进行了对铀矿体的识别定位研究[18-23]，取得了明显的成果认识。本文拟从找矿目标层识别入手，提出找矿目标层确定的主要因素，建立相应的技术识别流程，供铀矿找矿的战略选区和层位预测提供部分借鉴。

1 确定找矿目标层的识别因素

有利成矿目标层是指含有工业品位的铀矿体地层单元，包括已发现工业矿体的层位和具有潜在成矿能力但目前还未发现铀矿体的层位。对沉积盆地可地浸砂岩铀矿而言，找矿目标层的确定通常考虑如下因素。

①构造变形强度。以横向地球化学分带为依据的层间氧化带砂岩型铀矿强调主要铀源来自于找矿目标层外部，含氧含铀水顺层径流到找矿目标层，并在氧化还原过度带富集成矿。研究发现，适度的构造变形强度有利于成矿，地层倾角在5°～30°，且地层为单斜最为有利，如伊犁盆地南缘、鄂尔多斯盆地东北缘中侏罗世直罗组地层等；大范围、强烈构造变形的地层应视为砂岩型铀矿的不利目标层，如准噶尔盆地南缘、塔里木盆地北缘侏罗纪地层等。

②岩相及砂体发育条件。砂岩型铀矿沉淀富集是逐渐累积的过程，这就要求找矿目标层中存在砂体厚度较大，尤其是其连续分布范围广，渗透性强，才有利于含氧含铀水在地下大范围、畅通径流，形成大矿体。符合这一条件的沉积相主要有辫状河相、三角洲相、冲积扇相等(图1)。从图1可见，冲积扇相、辫状河相和三角洲分流河道亚相等砂体发育，横向连通性好，在其砂岩内易形成大矿；而曲流河相砂体分布范围小，横向连通性较差，即使形成矿体，规模也相对有限。

A—冲积扇；B—辫状河；C—曲流河；D—三角洲图1 主要沉积类型的相模式

③地层结构。找矿目标层的地层结构要根据预测的不同砂岩型铀矿类型而有不同的侧重点。层间氧化带型砂岩铀矿形成于承压含水层中，这就要求地层结构具有明显的泥岩-砂岩-泥岩结构，即上下泥岩层形成顶底板的隔水层，中间厚大的砂岩层为其径流区，如伊犁盆地中下侏罗统的水溪沟群，鄂尔多斯盆地中侏罗统直罗组均具有这样的地层结构，其间发育铀矿体。潜水氧化带型或古河谷型铀矿则需要稳定的底板之上存在河道砂体或其他成因的厚层砂体，强调底板稳定，砂体上部与地表连通，才能保证地表水垂直渗流，下部不至于渗漏并富集成矿，如二连盆地马尼特坳陷巴彦乌拉铀矿床区的下白垩统赛汉组。古河谷型铀矿还需要良好的封盖条件，即含矿砂体与顶底板构成良好的隔(水层)-砂-隔(水层)结构。

④原岩的岩石-地球化学类型。砂岩型铀矿找矿目标层要求该地层具备一定的还原容量和还原能力，这种才能保障含氧含铀水在其间流动时消耗氧，使活动态的U+6还原成U+4沉淀富集成矿。原岩的还原能力分内生和外生两个方面，前者是指前文提到的“黑色层”，即在潮湿或半潮湿形成灰色、黑色为主的地层，其富含有机质，具有原生沉积的特点；后者则指地层成岩以后，后期油、气等还原流体渗入增加的还原能力，称之为次生还原。大型向斜盆地和台型盆地因其下伏地层富含油气层，杂色层和灰色层均有原生或次生的还原能力，其可作为有利的找矿目标层；对中小型山间盆地、陆相断坳复合型盆地而言，次生油气发育局限，黑色层和灰色层则为主要有利找矿目标层，而杂色层在存在次生还原作用的前提下，才可视为目标层之一；而诸如鄂尔多斯盆地白垩系红层，则必须存在次生还原作用才可能成为目标层，在找矿方面则需“红中找灰(黑)”。

⑤后生蚀变与铀矿化显示。这是找矿目标层存在铀矿化的直接证据，该层位理所当然的可作为找矿目标层。但该条件往往受研究和勘查程度限制，这就要求相关从业者综合收集各工业部门业已形成的资料，尤其是煤田和油田钻孔资料，近年来中国地质调查局天津地质调查中心主导的铀煤、铀油兼探取得了铀矿找矿突破就是一个成功典型范例。

2 找矿目标层识别技术流程

依据找矿目标层确定的主要因素，提出了找矿目标层识别的技术流程，其必要参数有构造、沉积相、地层结构、铀源、氧化还原和地下水补-径-排6个条件，充分参数有地层成岩度和地层埋深2个条件，动态地制定了如图2所示的技术识别流程。

图2 有利目标层识别流程图

在实际识别过程，上述参数应用具有一定的先后次序，应用的范围也在逐级聚焦，综合判断以后，最终确定有利找矿目标层和矿体发育的有利空间位置，具体识别过程如下。

第一步，依据构造变形强度判据，首先选择构造变形适中的地区作为首选地段，将该地段内倾角在5°～30°范围内的地层作为备选找矿目标层，在此基础上，研究本区目标层沉积以来的构造发展演化，提取地层扬起端在某一地质历史时期曾被长期(保留至少在百万年以上)剥蚀出露地表的地层作为初选的有利找矿目标层。在这一过程中要重视地质构造发展演化的动态性，即某一地层可能曾被多次抬升出露地表，这些地层都是非常有利成矿的地层。

第二步，深入研究初选的有利找矿目标层的沉积特征，在层序地层学研究的基础上，恢复其岩相古地理，识别其沉积相带等特征，将发育冲积扇、辫状河、三角洲分流河道等富含砂体的地层作为精选的有利找矿目标层，并将上述富含砂体沉积相带发育区定为本目标层的重点找矿区域。此处要强调的是针对不同精选有利找矿目标层，其圈出的重点找矿区域不一定重合，要针对不同层位分别加以研究。

第三步，在圈出的多个重点找矿区域内，分别判断精选有利找矿目标层内是否发育“泥岩-砂岩-泥岩”地层结构，铀源供给是否充足，氧化还原的地球化学分带(包括垂向和横向)是否发育，地下水“补-径-排”条件是否具备，并将满足上述有利条件的地层最终确定为有利找矿目标层，将该层圈出的重点找矿区域确定为找矿重点远景区，如果在该区已发现有铀异常显示就更加理想。此步重点关注点有二，其一为地层发育氧化还原分带不一定成矿，但如果没有就很难形成大型砂岩型铀矿；其二是诚如上文提到的砂岩型铀矿是逐渐富集成矿的，这就要求地层必需要有完整的地下水“补-径-排”系统，才能保证铀矿的形成，即含氧含铀水的补给是处于活动状态。如图3所示，伊犁盆地南缘地下水“补-径-排”系统完整，南侧河流和蚀源区为补给区，径流区由中下侏罗统水溪沟群组成，排泄区主导断层为加格斯泰断层，该系统保障了含氧含铀水持续不断的形成铀元素的带入、沉淀和富集，从而形成了伊犁盆地南缘大型砂岩型铀矿床。

图3 伊犁盆地西部水文地质单元地下水补-径-排条件示意图

第四步，对确定的有利找矿目标层进行经济技术评价。矿石是指在现有的经济技术条件下能够被开发利用的有用矿物，因此有必要通过地层成岩度和埋深2个充分参数对找矿目标层进一步评价，最终确定重点工作层位，即该层要求成岩度低、渗透性高(有利于地浸开采)，埋深浅(目前多考虑埋深700m以浅的铀矿体)。

3 应用实例

依据上述确定找矿目标层因素和识别流程，对二连盆地马尼特坳陷进行了实例操作。本区埋深适中的被选地层有下白垩统腾格尔组(K1bt)、下白垩统赛汉组(K1bs)、上白垩统二连组(K2e)、古近系伊尔丁曼哈组(E2y)和新近系(N)，目标层优劣顺序为赛汉组→二连组→伊尔丁曼哈组→腾格尔组上段。主要依据如下。

①赛汉组。赛汉组为该区分布范围最广的地层之一，也是一套富含有机质、黄铁矿等还原物质的含煤碎屑岩系，区域上河流相、三角洲相等有利相带发育(图4)，其内一般发育2～3层厚度较大的砂体，在单断式凹陷的缓坡一侧往往存在较大范围的有利沉积相带；其次，该层位还发育纵向河道，河道内的砂体规模大，稳定性较好，砂体上下有较稳定的泥岩隔水层，具备“泥岩-砂岩-泥岩”结构，因而存在较好的聚铀环境和容矿空间，是较理想的找矿目标层。事实上，我公司在承担实施的“我国北方砂岩型铀矿调查工程”经费支持下，在天津地质调查中心和我单位相关科研究人员联合攻关下，在该目标层内已发现了2处大型铀矿产地，证实了该组成矿前景，佐证了该技术流程的有效性。

②二连组和古近系伊尔丁曼哈组。二连组和古近系伊尔丁曼哈组均为半干旱-干旱气候条件下的沉积产物，局部地区砂体较发育，除河道砂体具一定还原能力外，其他相位的砂体缺乏有机质、黄铁矿等还原物质，后生聚铀的基础条件差，只有当深部还原性流体进入其内产生二次还原时，砂体的还原能力和聚铀能力才会得到改善，因此从理论讲，此二层位在砂体与油气次生还原复合发育区仍有成矿的可能性。从对马尼特坳陷中新生代古构造古水动力系统演化的分析，该区发生过油气次生还原作用，并对二连组产生了明显的改造还原作用。因此，其还原能力可能得到了提高。其在坳陷中分布有限，因此在该层位寻找可地浸砂岩铀矿的可能性较赛汉组要小得多，只宜将其作为次要目标层。

图4 马尼特坳陷赛汉组沉积相图

③新近系。新近系总体上为干旱气候条件下形成的以红色泥岩为主的沉积建造，其作为区域性目标层的可能性很小。但不排除河道砂体发育且富含还原物质的地段有潜水氧化成矿的可能性； 此外盆地中东部大面积玄武岩覆盖区下部的新近系是否存在热改造-还原成矿需引起重视。

④腾格尔组上段目标层。腾格尔组上段(相当于都红木组)属灰色地球化学类型，因属断拗转化期沉积产物，在盆缘缓坡带发育一定规模的三角洲相、冲积扇相等沉积，存在有利砂体，部分盆段具”泥岩-砂岩-泥岩”结构，基本上具备形成层间氧化带的建造条件。但该套地层普遍埋深较大，地下水渗入条件差，区域上砂体的稳定性较差，规模不大，因此可作为马尼特坳陷寻找层间氧化带型铀矿的探索层位。

4 结论

①对沉积盆地可地浸砂岩铀矿而言，找矿目标层的确定通常考虑如下因素有构造变形强度、岩相及砂体发育条件、岩相及砂体发育条件、地层结构、原岩的岩石-地球化学类型、后生蚀变与铀矿化显示，指出找矿目标层地层倾角在5°～30°为宜，富含砂体的沉积相带发育，具备“泥岩-砂岩-泥岩”结构，原岩还原容量大，岩石地球化学分带发育，后生蚀变明显，如有铀异常显示则更佳。

②提出了找矿目标层识别的技术流程，其必要参数有构造、沉积相、地层结构、铀源、氧化还原和地下水“补-径-排”6个条件，充分参数有地层成岩度和地层埋深2个条件。主要识别流程可划分为4步，第一步以依据构造变形强度判据，确定初选的有利找矿目标层；第二步以沉积特征精选有利找矿目标层，并圈出其各自的重点找矿区域；第三步以地层结构、铀源、氧化还原的地球化学分带和地下水“补-径-排”体系为条件，确定重点找矿区域内有利找矿目标层和找矿远景区；第四步以地层成岩度和埋深对确定的有利找矿目标层进行经济技术评价，最终确定重点工作层位。

③依据找矿目标层识别因素和技术流程，对二连盆地马尼特坳陷进行了实例操作，提出该区目标层优劣顺序为赛汉组→二连组→伊尔丁曼哈组→腾格尔组上段。