巴音戈壁盆地塔木素砂岩型铀矿成矿地质特征及成因讨论

孙 祥， 罗 毅， 邱林飞， 李国臣

(核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029)

自上世纪90年代，我国找铀战略从南方转向北方，主攻地浸砂岩型铀矿，找矿成果显著(黄世杰，2018)。巴音戈壁盆地砂岩型铀矿勘查工作自2000年后开始，核工业部门先后开展了多轮铀矿区域地质调查、资源评价和普查工作，落实了塔木素铀矿产地，将其归为广义的砂岩型铀矿。前人针对塔木素铀矿床成矿作用和矿化类型开展了一系列工作。潘家永等(2009)通过电子探针研究，认为新发现的硒矿物是典型的中低温热液矿物，铀矿床曾经历中低温热液阶段；刘杰等(2013)也认为本区曾经历过热液活动，并发现了一系列硒的独立矿物；张成勇等(2015)在塔木素地区的铀矿体中见有大量的热流体活动证据，提出苏宏图玄武岩活动促使铀矿化进一步富集。彭云彪等(2018)将铀矿体按岩性划分为砂岩型、泥岩型和混合型3类。在本研究中，笔者系统阐述塔木素矿床成矿地质特征，通过铀成矿与沉积相关系、铀的存在形式分析及铀成矿年龄探讨，提出铀矿化经历了同生沉积成矿作用、古层间氧化成矿作用和热叠加成矿作用等3次成矿作用，成因类型为复成因类型。

1 区域地质背景

塔木素铀矿位于巴音戈壁盆地因格井凹陷东段北缘，因格井凹陷在区域构造位置上属苏宏图坳陷的次级构造单元(吴仁贵等，2008；高俊义，2009)，是叠置在雅赖山-狼山古克拉通地块上的北东向凹陷。凹陷北缘蚀源区为宗乃山富铀花岗岩隆起，是因格井凹陷富铀沉积建造及铀成矿的直接铀源体(李晓翠等，2014；吴仁贵等，2018)。凹陷南缘为古克拉通古陆块富铀体，为凹陷提供铀源和沉积建造物源。沿凹陷北缘发育F1、F2和F3等3条近平行的北东向贯通性断裂，控制了凹陷的形成(图1)。

塔木素地区的铀矿化主要发育于因格井凹陷北缘，靠近宗乃山隆起一侧。靠近盆缘大面积发育冲积扇，向凹陷内部逐渐过渡为扇前辫状河相、滨湖三角洲相和湖相沉积。后期宗乃山隆起进一步隆升，造成巴音戈壁组产状变陡(大于10°)，为铀成矿提供了有利条件(何中波等，2010；王凤岗等，2015)。

2 矿床地质特征

2.1 矿床地质

矿床基底主要为太古界，其次为元古界、古生界。太古界渣尔泰山群为一套中深变质岩系，由斜长角闪片麻岩、混合岩、混合花岗岩等组成。元古界以石英片岩、绢云母片岩等中浅变质岩为主。古生界以石炭系、二叠系陆相沉积岩、火山岩、火山碎屑岩为主。

盖层主要由中下侏罗统、白垩系和第四系组成。中下侏罗统为一套以含煤碎屑岩为主的火山-沉积地层，零星分布于矿区的北缘。白垩系可分为下白垩统巴音戈壁组和上白垩统乌兰苏海组。下白垩统巴音戈壁组为矿区的主要地层，可分为上下2个岩性段。上段主要为灰色砂砾岩、砂岩、含炭粉砂质泥岩、含炭砂质泥岩、含黄铁矿泥岩夹泥灰岩、白云质灰岩和石膏薄层，为湿热-干旱古气候环境沉积的产物，是本区铀矿的主要含矿目的层(张万良等，2002)。

矿区构造主要发育NE向断裂构造，分别为F1、F2、F3。F1断裂相当于区域上的乌兰铁布斜断裂，倾向NW，倾角70°～85°，表现为逆冲断裂特点；F2倾向NW，倾角70°～87°，表现为正断层特点；F3断层倾向SE，倾角57°～73°，表现为正断层特征，F3为主要控矿断裂。

区内岩浆岩主要发育晚海西期花岗闪长岩、斑状黑云母花岗岩、二长花岗岩、正长花岗岩。其中花岗闪长岩、斑状黑云母花岗岩为富铀花岗岩，为因格井凹陷富铀建造提供了铀源和物源。

2.2 铀矿化与沉积相的关系

扇三角洲前缘分流河道-涧湾沼化洼地沉积组合类型是塔木素地区有利的铀矿化发育环境(李西得，2010)。

在扇三角洲前缘，分流河道特别发育且改道频繁，分流河道沉积体本身是一种较大的冲刷充填构造，底部通常为含砾粗砂岩，向上逐渐过渡为粗砂岩、中砂岩、细砂岩，由于当时潮湿气候，在泥石流活动的间歇期，发育涧湾沼化洼地沉积的含炭屑泥质砂岩、细砂岩及含炭屑粉砂质泥岩。这种沉积组合在垂向上形成了多层正韵律叠加形式，在正韵律的顶部多为泥质粉砂岩及含炭屑泥岩，塔木素地区的铀矿化多发育于这种沉积韵律的中部细砂岩、顶部泥质粉砂岩及含炭屑泥岩中(何中波等，2010；邓继燕，2010)。

HZK6-2孔为塔木素矿区典型工业孔，位于目前钻孔揭露矿体的中央位置。孔深405～408 m处铀矿化发育于分流河道砂坝沉积中，其余铀矿化发育于涧湾沼化洼地沉积薄层泥质粉砂岩及含炭砂质泥岩中(图2)。发育于涧湾沼化洼地沉积的铀矿化多与沉积物中有机植物炭屑含量有关(周文博等，2019)，有机质含量越高，铀的品位越高，但铀矿化厚度较薄，这一现象在塔木素地区具有一定的代表性。

2.3 铀矿化特征

2.3.1 铀矿空间分布特征

塔木素铀矿床铀矿化主要分布于受NE向F3断裂控制的下白垩统巴音戈壁组上段冲积扇、扇三角洲及滨浅湖相泥灰岩破碎带中，已控制铀矿化分布长大于5 km，宽大于2 km。铀矿体呈似层状、透镜状。结合目前钻孔揭露情况及岩相古地理图，塔木素地区铀矿化点多分布于扇三角洲沉积相中。矿化受特定沉积相带与NE向F3断裂联合控制，在F3断裂带上盘分布(图3)。

2.3.2 含矿主岩特征

塔木素铀矿床含矿主岩具有多样性，有灰黑色含炭屑泥岩、泥质粉砂岩，灰色砂岩，泥灰岩、生物碎屑、砂屑灰岩及赤铁矿化含砾粗砂岩、粉砂质泥岩等多种含矿主岩。各类含矿主要特征分述如下：

(1)黑色含炭泥岩、泥质粉砂岩含矿主岩特征。该类含矿主岩为扇三角洲平原辫状河道涧湾沼化洼地或扇端沼化洼地相的产物，岩石中普遍含炭屑和大量分散颗粒状黄铁矿，炭屑通常被碳酸盐、黄铁矿交代。

(2)灰色砂岩含矿主岩特征。灰色砂岩主要包括含砾粗砂岩、中粗砂岩和细砂岩，在剖面上表现为正序沉积韵律，为辫状河相沉积。镜下鉴定主要为岩屑长石砂岩，花岗岩岩屑约占10%，长石约45%，石英约30%，方解石约5%，炭屑、黄铁矿、菱铁矿及泥质物约占10%。岩屑长石矿岩多为不等粒结构，接触式胶结，胶结物为泥晶方解石及泥质物。碎屑颗粒多呈次棱角状、次圆状，其成分和结构成熟度均较低，反映本区砂岩含矿主岩物源主要来源为富铀花岗岩，具近源特点。

(3)泥灰岩、生物碎屑、砂屑灰岩含矿主岩特征。该类含矿主岩主要见于HZK88-24工业铀矿孔，为滨湖相沉积。泥灰岩含矿主岩成分主要由泥晶方解石和陆源碎屑物组成，微层理多表现为亮晶方解石围绕碎屑颗粒常形成包裹层理、波纹层理，炭屑多呈碎片状。生物碎屑砂屑灰岩成分主要为碳酸盐化的贝壳碎片、泥晶方解石、亮晶方解石、长石、石英碎屑、粒状赤铁矿组成。在岩屑边缘出现梳状亮晶方解石，为成岩期后重结晶方解石，粒状赤铁矿为后生低温热液蚀变产物。

(4)赤铁矿化(红色)含砾粗砂岩、粉砂质泥岩含矿主岩特征。赤铁矿化含砾粗砂岩含矿主岩见于HZK16-0工业铀矿化孔，赤铁矿化钙质粉砂岩见于HZK72-16工业铀矿化孔。赤铁矿化粗砂岩碎屑成分花岗岩屑含含量约10%、长石含量约45%、石英含量约15%。赤铁矿化充填于碎屑颗粒间隙及裂隙中，为胶结物或呈脉状赤铁矿产出。赤铁矿化粉砂质泥岩成分主要为细粒长石、石英碎屑，泥质物和粒状赤铁矿组成。

以上塔木素矿床含矿主岩，反映了特定沉积环境和热叠加作用对铀成矿的控制作用。

2.3.3 铀矿体特征及矿石类型

铀矿体呈似层状、透镜状(图4)，其产状与地层产状、层间破碎带产状基本一致。

塔木素铀矿床铀矿石类型从岩性上可分为灰色泥岩、粉砂质泥岩及灰色岩屑长石细砂岩、赤铁矿化粉砂质泥岩、粗砂岩和碎裂蚀变泥灰岩等5种铀矿石类型。灰色泥岩、粉砂质泥岩铀矿石类型属同生沉积型，铀矿品位一般为0.01%～0.03%，部分矿石品位达到0.05%～0.20%，后生改造矿石品位为0.35%～2.00%。

2.3.4 矿床蚀变特征

根据宏观观察及镜下光、薄片鉴定，塔木素铀矿床蚀变作用主要表现为还原蚀变、古层间氧化蚀变和热流体蚀变3大类。

还原蚀变在塔木素铀矿床中主要表现有油气还原和黄铁矿化还原蚀变，都属成矿期蚀变。在矿床含矿主岩中通常出现大量的草莓状黄铁矿、胶状黄铁矿、星散状黄铁矿，在空间分布上与炭屑关系密切，常分布在炭屑中或炭屑条带的边缘，沥青铀矿与这些黄铁矿紧密共生，表明黄铁矿还原了成矿流体中的铀从而导致铀的沉淀(邢拥国等，2017)。

古层间氧化蚀变作用，发育在下白垩统巴音戈壁组上段下部冲积扇-扇三角洲沉积体系中，埋深300～450 m不等。蚀变颜色多为土黄色、褐黄色、灰白色花岗质砂砾岩、含砾粗砂岩，蚀变矿物主要为褐铁矿、高岭石。铀矿化通常产于褐黄色花岗质砂砾岩中，多集中于氧化砂体顶底板隔水层砂泥界面附近，或砂体内部的泥岩夹层界面附近，垂向上表现为多层矿化的特点，氧化带铀镭系数多大于1，并表现明显偏镭，反映了古层间氧化作用特点。

HZK16-0，HZK88-24，HZK72-16，HZK48-0，HZK80-16等钻孔中采集的矿化样品显示，热蚀变广泛发育，主要表现为碳酸盐化、紫色萤石化、硅化和赤铁矿化等蚀变作用(图5)。碳酸盐化多表现为细脉、网脉方解石。紫色萤石通常分布于方解石脉中或脉的边部，构成方解石-紫色萤石脉。硅化主要表现为玉髓。赤铁矿化分布范围广，表现为脉状和面状两种，面状赤铁矿化通常叠置于碳酸盐化之上，但均为热液叠加铀成矿期蚀变。

2.3.5 铀的存在形式

笔者对采自塔木素铀矿HZK16-0，HZK88-24，HZK72-16，HZK48-0钻孔中的矿化样品开展了镜下鉴定和电子探针分析，电子探针分析仪型号为JXA-8100(日本JEOL公司)。根据铀矿石光片镜下鉴定及电子探针成分分析结果，塔木素铀矿床矿石中铀的存在形式主要为铀矿物形式、吸附态形式和含铀矿物形式分布。

铀矿物形式主要为沥青铀矿和铀石。铀石见于灰色粗砂岩矿石方解石的边部和灰色泥质粉砂岩矿石中的草莓状黄铁矿，构成方解石-铀石共生组合及草莓状黄铁矿-铀石共生组合。电子探针成分分析结果见表1。沥青铀矿见于灰色粉砂岩、灰色泥岩铀矿石的胶黄铁矿、草莓状黄铁矿中或边部，呈微细粒状，构成胶黄铁矿-沥青铀矿共生组合(图6)。

吸附态铀是塔木素铀矿床铀的主要存在形式之一，主要是炭屑黏土矿物吸附铀。含铀矿物主要为含铀钛铁矿，见于灰色粗砂岩铀矿石中，铀赋存于钛铁矿，UO2含量为17.10%，TiO2含量为59.44%，FeO含量为3.90%，SO2含量为9.3%(表1)，可能是陆源碎屑矿物。

表1 塔木素矿床电子探针成分分析结果

2.3.6 铀矿石的铀镭平衡系数特点

根据8件铀矿石的铀、镭含量测试及铀镭平衡系数计算结果(表2)来看，本区灰色、黑色泥岩、粉砂岩矿石和赤铁矿化细砾岩矿石的铀镭平衡系数为0.91～1.27，表现为明显偏铀的特点，灰白色粗砂岩、红色粉砂质泥岩矿石的铀镭平衡系数为0.45～0.55，铀镭基本平衡。

表2 巴音戈壁盆地塔木素矿床铀矿石铀镭平衡系数表

3 铀成矿年代学及成矿作用特征

3.1 塔木素铀矿床铀成矿年代学讨论

为了查明铀成矿年龄，分别采集了塔木素矿床HZK16-0，HZK88-24，HZK72-16，HZK48-0钻孔中的矿化样品开展了U-Pb全岩定年分析(表3)，同位素比值测量采用美国NexION 300D电感耦合质谱仪，实验由核工业北京地质研究院分析测试中心完成，并进行了U-Pb等时线年龄计算。5件样品均采自塔木素矿床下白垩统巴音戈壁组上段灰色含矿层，样品类型为钻孔岩心，铀含量为0.01%以上。灰色泥质细砂岩铀矿石和灰色泥岩铀矿石的U-Pb等时线年龄为(111.6±8.1) Ma(图7)，与含矿层下白垩统巴音戈壁组上段沉积年龄相当，属同生沉积年龄。本区热叠加铀成矿作用通常是叠加先形成的同生沉积铀矿层之上，表现为脉状赤铁矿、粒状赤铁矿、脉状方解石、紫色萤石、玉髓脉穿切于同生沉积矿层中，铀品位由0.02%增高到0.19%。据王凤岗等(2018)所测的3个单颗粒沥青铀矿年龄分别为100 Ma、50 Ma和20 Ma。其中100 Ma为热叠加铀成矿年龄，对应区域苏宏图期大规模玄武岩活动(张成勇等，2015)。50 Ma为古近纪抬升剥蚀作用下的后生改造年龄，属古近纪早期。20 Ma为后期改造年龄。U-Pb等时线年龄和单颗粒沥青铀矿年龄证明了塔木素同生沉积、热叠加改造、后生改造多期铀成矿作用的存在。

表3 塔木素铀矿石U-Pb同位素测试结果表

3.2 铀成矿作用特征

综合分析认为，塔木素铀矿床经历了3次铀成矿作用。

3.2.1 同生沉积铀成矿作用

该成矿作用发生在下白垩统巴音戈壁组上段沉积成岩期，受干旱-湿热古气候的影响，沉积体层间水和孔隙水遭受强烈蒸发浓缩作用。铀以碳酸铀酰络合物形式迁移，被H2S、CH4等还原性流体还原沉淀。局部沼泽洼地沉积古地理环境，铀沉淀达到工业品位0.05%～0.20%(表4)。

表4 塔木素铀矿床铀矿石类型及品位特征表

3.2.2 古层间氧化改造成矿作用

早白垩世古层间氧化蚀变作用期，主要见于因格井凹陷塔木素地段下白垩统巴音戈壁组下段与上段之间，埋深大于400 m。矿化蚀变主要表现褐铁矿化和高岭石化蚀变。综合前人的研究成果(彭云彪等，2018；姚益轩等，2015)，塔木素铀矿床巴音戈壁组上段的氧化蚀变多为层间氧化作用导致。层间氧化带的发育受含水岩石的厚度、胶结程度、渗透性等多种因素影响，在矿区的砂体内均可见层间氧化作用。氧化方向自北而南，形成的氧化带规模受砂体控制，其顶、底界为泥岩和粉砂岩。

古近纪抬升剥蚀作用过程为本区另一个重要的后生改造铀成矿期。后生改造作用不仅可以影响岩石的孔隙度，同时还影响原生沉积的铀活化再迁移和再沉积。如受后期古层间氧化渗透的影响，岩石中白云石等胶结物发生改造，产生较大的孔隙空间，形成次生沉积环境。塔木素铀矿床次生沉积环境主要为溶洞，铀呈球粒状、薄膜状沉积于其中(王凤岗等，2018)。

3.2.3 热叠加成矿作用

该成矿作用发生在早白垩世苏红图期，中基性火山岩浆活动强烈，受贯通性拉张断裂控制的成矿流体叠加在富铀层之上，形成富矿层，出现大量的脉状铀矿化，比如张性含铀碳酸盐脉、方解石-沥青铀矿组合、微脉状沥青铀矿、胶黄铁矿-沥青铀矿组合、颗粒状赤铁矿-碳酸盐脉-沥青铀矿组合等，这些都是热叠加成矿的表现。

4 矿床成因讨论

早白垩世巴音戈壁期，塔木素地区以NEE-NE向伸展断陷湖盆发育为特点，广泛发育冲积扇-扇三角洲-滨浅湖相碎屑岩，碎屑岩的物源主要为富铀花岗岩，古气候为干热-湿热交替，在扇三角洲前缘分流河道-涧湾沼化洼地中发生铀的同生沉积作用，发育同生沉积铀成矿作用。早白垩世晚期，存在短期的构造翻转，发育古层间氧化成矿作用。

早白垩世苏红图期，区域表现为强烈的伸展裂陷构造特征，发育中基性火山岩浆活动，该时期的岩浆活动可能控制了盆地热叠造铀成矿作用(张成勇等，2012；吴仁贵等，2010)。

古近纪期，盆地处于整体挤压隆升剥蚀构造背景。强烈的区域性抬升剥蚀作用及坳陷边缘的逆冲断层掀斜作用和褶皱隆升剥蚀作用，控制了本区后生改造铀成矿作用。

矿床经历了同生沉积、古层间氧化、热叠加3个阶段，成因类型为复成因类型。同生沉积阶段预富集铀含量20×10-6～100×10-6，形成富铀层。同生沉积成矿是干旱-湿热古气候环境下，沉积体层间水和孔隙水遭受强烈蒸发浓缩，铀发生沉淀成矿，铀品位达0.01%～0.20%，大部分铀含量为0.01%～0.03%，少部分达到工业品位0.05%～0.20%。同生沉积阶段铀矿化受沼泽洼地古地理环境控制。后生改造型铀矿化是受古层间氧化作用控制，沥青铀矿呈球粒状、薄膜状沉淀在微裂隙和微孔隙内，铀矿物是经历再迁移、再沉淀形成的。热叠加造成矿阶段是受贯通性拉张断裂控制的成矿流体叠加在同生沉积的富铀层上，形成富矿层。

总之，矿床成因为同生沉积、古层间氧化后生改造、热叠加的复成因矿床类型。矿床受扇三角洲前缘沉积相特定沉积环境与NE向贯通性断裂联合控制，找矿方向应沿NE向F3断裂带上盘开展。

5 结论

(1)塔木素地区的铀矿化主要发育于因格井凹陷北缘，靠近宗乃山隆起一侧。靠近盆缘大面积发育冲积扇，向凹陷内部逐渐过渡为扇前辫状河相、滨湖三角洲相和湖相沉积。后期宗乃山隆起进一步隆升，造成巴音戈壁组产状变陡，为铀成矿提供了有利构造条件。

(2)扇三角洲前缘分流河道-涧湾沼化洼地沉积组合类型是塔木素地区有利的铀矿化发育环境。塔木素地区的铀矿化多发育于这种沉积韵律的中部细砂岩、顶部泥质粉砂岩及含炭屑泥岩中，发育于涧湾沼化洼地沉积的铀矿化多与沉积物中有机植物炭屑含量有关。

(3)塔木素铀矿床蚀变作用主要表现为还原蚀变、古层间氧化蚀变和热流体蚀变3大类，热蚀变在该矿床中较为广泛发育。铀存在形式以铀矿物(沥青铀矿、铀石)形式和吸附形式为主。

(4)塔木素铀矿床经历了同生沉积、古层间氧化、热叠加3个阶段，成因类型为复成因类型。该矿床受扇三角洲前缘沉积相特定沉积环境与NE向贯通性断裂联合控制。