中国北方砂岩型铀矿深部找矿探索

刘武生， 张文东， 史清平， 张梓楠， 刘持恒

(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)

中国北方产铀盆地主要指发育于昆仑山—秦岭—大别山一线以北地区的中新生代沉积盆地，包括塔里木、准噶尔、柴达木、伊犁、吐哈、巴丹吉林、巴音戈壁、鄂尔多斯、二连和松辽等盆地。这些盆地内赋存的砂岩型铀资源量占有全国砂岩型铀资源量的90%(刘武生等，2012)。

砂岩型铀矿是我国“四大类型”铀矿之一。在1980年代末，砂岩型铀矿以勘查和研究沉积成岩型、沉积改造型和热水(液)改造型为主。到了1990年代初，中亚地区砂岩型铀矿勘查的成果和经验开拓了国内铀矿找矿思路。1990年代末，找矿方向调整为以寻找北方中新生代沉积盆地地浸砂岩型铀矿为主攻方向。从此，我国北方中新生代沉积盆地地浸砂岩型铀矿勘查工作全面展开，我国砂岩型铀矿地质理论技术研究也进入了一个新的阶段，相继在鄂尔多斯盆地、伊犁盆地南缘、吐哈盆地西南缘、巴音戈壁盆地、二连盆地、准噶尔盆地、松辽盆地南部等地区实现找矿重大突破(张金带，2012；李子颖等，2019)。

我国砂岩型铀矿勘查方针在2005年之前主要抓住“富、近、浅、易”四个方面，勘查深度一般集中于盆地边缘300 m以浅地段；2005年之后，勘查方针陆续调整为 “深、富、变、多、远”等多个方面(张金带，2012)，其中 “深”指深度达到1 500 m以浅，“变”指深部变形构造，“多”指多层位，“远”指远离盆地边缘；重点是找大矿、探深、找富和突破新层位。目前，伊犁盆地南缘找矿深度达900 m，鄂尔多斯盆地北部找矿深度达800 m，二连盆地中部找矿深度达800 m，松辽盆地找矿深度达700 m。

我国砂岩型铀矿理论研究整体经历了“学习借鉴国外砂岩型铀成矿理论-中外结合的成矿理论-中国特色的砂岩型铀成矿理论”3个阶段历程(李子颖等，2015；张金带，2016)。目前，基于铀成矿背景分析和成矿规律研究，总结了中国北方产铀盆地类型多样性、赋矿层位多样性、成矿时代差异性及成矿作用复杂性等特征，提出了“构造活动带”砂岩铀成矿作用(张金带等，2010；秦明宽等，2017)、“叠合复成因铀成矿理论”(李子颖等，2009)、“微生物砂岩铀成矿作用机理”(乔海明等，2015)、“古河道型”铀成矿理论(聂逢君等，2010；刘武生等，2013)等具中国特色砂岩型铀成矿理论体系。上述研究成果创新了砂岩铀矿成矿理论，大大拓展了砂岩铀矿的找矿空间和前景：①突破了砂岩铀矿的新类型，在我国构造活动带取得砂岩铀矿的新突破，在二连盆地古河道型铀矿取得重大突破；②突破了新的找矿层位，在伊犁盆地八道湾组的Ⅰ、Ⅱ旋回、头屯河组Ⅷ旋回砂体中发现了工业铀矿，在鄂尔多斯盆地直罗组下亚段和上亚段均发现了大规模工业铀矿；③突破了找矿深度，从2005年的400 m左右推进到现在的800～900 m，在平面上和深度上均大大拓展了我国砂岩铀矿找矿的前景。

目前，新的铀成矿理论主要围绕盆山耦合-流体演化与铀成矿关系、砂岩型铀成矿极限深度、油-煤-铀相互作用、特大型铀矿床成矿环境和富集机理等前沿重大课题展开研究(张金带，2012)，特别是在沉积盆地砂岩型铀矿找矿深度不断加大的今天，重视深部找矿显得尤为重要。

1 深部成矿理论和找矿深度

砂岩型铀矿床主要产于中新生代沉积盆地中，含矿主岩为含炭或含黄铁矿的河流相(较少为海相)长石质砂岩。该类铀矿床类型主要包括层间氧化带型、潜水氧化带型、沉积成岩型和复成因型。其中层间氧化带型是一种典型的外生后成铀矿床，其成矿作用主要是通过含氧地下水对盆地基底与盖层岩石中的铀进行浸出、迁移，并在氧化-还原过渡带沉淀富集成矿(王正邦，2002)。

国外砂岩型铀成矿理论主要为水成铀矿理论，包括美国建立的“卷状”铀矿成矿理论和苏联构建的“层间渗入型”铀成矿理论，建立了“层间氧化后生分带模式”(1)别列里曼A И，1995.水成铀矿床[R].熊福清，孙西田，译.西安:核工业西北地质局.(2)马克西莫娃М Φ，什玛廖维奇普E M，1996.层间渗入成矿作用[R].夏同庆，潘乃礼，译.西安:核工业西北地质局.(3)阿乌巴基洛夫χ Б，2011.水成铀矿床成因新解[R].刘平，张铁岭，译.北京：核工业北京地质研究院.。该理论认为，氧化带砂岩中的铀及其微量元素由于含氧水的作用被淋滤浸出，与来自蚀源区的含铀含氧水一起以UO2(CO3)22-和UO2(CO3)34-等形式运移。氧化还原过渡带中铀是“滚动”的，早期沉淀的铀发生溶解，并随地下水向前运移，在氧化还原过渡带内沉淀(过渡带是一个地球化学障，是一个pH值、Eh值等都发生急剧变化的带)。在还原带中，含有Cl-、HCO3-和SO42-的还原性地下水，对岩石中的铀没有淋滤能力，携带的铀元素也早在地球化学障内卸载，因此不发生后生氧化蚀变，也没有铀的带入与带出。

由于水成铀矿理论强调为一个开放、半开放成矿体系，理论上成矿深度不大。目前，世界上砂岩型铀矿找矿深部基本小于500 m(表1)。

表1 世界典型砂岩铀矿成矿深度表(陈祖伊等，2011)

2 中国砂岩型铀成矿理论与找矿深度

中国铀矿地质学者在消化吸收国外砂岩型铀成矿理论的基础上，结合中国实际，提出具中国特色的砂岩型铀成矿理论，强调了成矿的多期性及构造与油气的改造性，形成了不同构造样式下铀的深部成矿样式，指出中国北方深部具有巨大的砂岩型铀矿找矿前景。主要有以下5种深部成矿样式：

2.1 “L”型

(1)成矿地质特征。“L”型是指主成矿作用发育在弱构造变形期的缓倾斜坡带上，后经强烈构造变形将斜坡带呈屉型下陷，古矿体被深埋的就位样式(刘武生等，2005)，以伊犁盆地蒙其古尔矿床为典型。铀矿带分布于氧化带前锋线附近，倾向方向呈叠瓦状产出，最大埋深达1 800 m。单个矿体呈典型的卷状，卷头铀品位较高，两翼呈板状拉伸，品位一般低于卷头部位(图1A，张金带等，2010)。

(2)成矿作用。伊犁盆地南缘始终保持缓倾斜坡带构造格局，自含矿建造(J1-2)形成之后，发育脉动式层间氧化带型铀成矿作用(代表主成矿年龄有34～27 Ma、20～15.5 Ma、12～8.8 Ma、6.3～2 Ma)，形成品位富且厚的矿体(图2A)。矿床形成受最后一次强造山运动(上新世以来)影响，伊犁盆地南缘东段发育强烈构造变形，将早期形成的铀矿体部分抬升，使其遭受剥蚀(如达拉地上部铀矿化)，大部分形成屉形向斜，铀矿化深埋形成蒙其古尔铀矿化(图2A)。

图2 典型砂岩型铀矿成矿样式图

(3)成矿样式。铀矿化主要为古矿体，受控于成矿期构造斜坡带和氧化带前锋线，不受现代构造变形影响。最后一次强烈构造变形将早期形成的矿体深埋，大部分形成屉形向斜，铀矿化位于“L”型构造拐弯部位，具“构造活动带”(秦明宽等，2017)砂岩铀成矿作用特征。目前，在伊犁盆地切金沟L8014孔见矿深度达975 m，郎卡L056孔矿体埋深为815 m。

2.2 “U”型或“W”型

(1)成矿地质特征。“U”型或“W”型是指早期成矿构造为缓倾斜坡带，发育层间氧化带型铀矿化；后期受反转构造影响，形成“U”型构造或“W”型构造，并在盆地内部形成构造天窗，形成减压带，完善补-径-排体系，有利于层间氧化的深入发育，铀矿化发育了“U”型或“W”型的底部或缓坡地带，底部铀矿化深度达1 500 m。以松辽盆地通辽铀矿床、吐哈盆地十红滩铀矿床、鄂尔多斯盆地西缘磁窑堡铀矿床、二连盆地哈达图铀矿床为典型(罗毅等，2007；刘武生等，2018)，矿体呈多层分布，为顺层板状、透镜状，缓倾(图1B)。

(2)成矿作用。典型铀矿床通辽铀矿床属渗入渗出双混合式铀矿床，具多期多阶段成矿特征：即晚白垩世含矿层姚家组沉积之后、反转构造发育之前的时期，代表铀沉积成矿预富集阶段，在灰色砂体中的铀丰度可达10×10-6～30×10-6，灰色泥岩透镜体中则更高，甚至可直接形成板状工业铀矿化，对应(87±12) Ma和(81.2±2.6) Ma的成矿年龄；嫩江期末发生嫩江构造运动，深部地下水和层间水被排出，沿深断裂发育深部含油气还原流体渗出作用，增加了目的层砂体中的还原容量，并在局部发育油气褪色蚀变，形成一定规模的工业铀矿化，对应(74.5±4.8) Ma和(67±5) Ma的成矿年龄；古新统-始新统盆地处于隆升剥蚀背景，钱家店-宝龙山矿区处于总体隆升剥蚀状态，构造天窗进一步发育、扩大，形成地下水开放排泄区，沟通盆地南缘蚀源区的水力联系，完善了补-径-排体系，促进了近南北向区域层间氧化带向北推进，围绕白兴吐构造天窗的倾没区形成较稳定的氧化前锋线，发育大规模铀矿化(图2B)。同时，在本区发育较强烈的基性岩浆活动，形成辉绿岩脉的多点侵入，改变局部的物理化学条件，促进铀沉淀富集，发育局部的高品位铀矿化(张金带等，2010；蔡建芳等，2018；陈程等，2018)；主矿体形成之后矿区长期隆升剥蚀状态，氧化带前锋线已推进至天窗核部附近，深部油气的大量渗出、逸散起到了保矿作用，避免铀矿体被进一步氧化破坏。

(3)成矿样式。“U”型或“W”型铀矿化多发育于成矿流体变异部位，即“U”型或“W”型的底部或缓坡部位，发育于底部的铀矿化深度较大，可达800～1 000 m，而发育于缓坡部位的铀矿化主要围绕构造天窗周边发育，埋深较浅，以500 m以浅为主。

2.3 渗入渗出叠合型

(1)成矿地质特征。渗入渗出叠合型主要指成矿铀源、流体和作用均具有多元叠合特征，铀源的叠合是指成矿铀源来自蚀源区、中生代地层和油气流体可能提供的铀源；成矿流体的叠合指成矿有关流体涉及大气降水、油气流体和热液流体等复杂的多种流体作用；而成矿作用的叠合是指铀成矿经历了原生铀的预富集、潜水氧化与层间氧化成矿作用及油气-热液流体的复合改造等地质成矿作用，铀矿化位于绿色砂岩和灰色砂岩过渡部位，最大埋深达1 200 m以上(中日合参1井中发育铀矿化)，以鄂尔多斯北部东胜矿田为典型(Li et al., 2009；刘武生等，2017；丁波等，2020)。矿体在平面上呈不规则状，连续性好，剖面形态以板状为主，少数为卷状(图 1C)，近水平状。

(2)成矿作用。东胜铀矿成矿具多期多阶段特征(李子颖等，2009)：①预富集阶段。铀元素随风化剥蚀碎屑进入灰色砂体，还原介质的参与形成富铀地层，形成186～177 Ma铀矿化；②古潜水氧化作用阶段。中晚侏罗世盆地抬升、掀斜，古气候变为干旱气候，主岩层出露地表接受潜水氧化作用，形成128～79 Ma铀矿化；③古层间氧化作用阶段。晚侏罗世-早白垩世早期，盆地抬升和掀斜运动，主岩层暴露地表遭受长期的风化剥蚀，开始发生层间氧化作用，形成61.7～38.1 Ma铀矿化；④油气还原作用。由于构造活动和抬升减压作用伴随多期次的油气还原，导致古氧化带砂岩变为灰绿色砂岩，对古矿具有保矿作用；⑤热改造作用。后期盆地发生了较强烈的热改造作用，形成铀石、硒化物等中低温矿物，使铀矿床具有热改造的特征，铀成矿年龄为20～8 Ma(图2C)。

(3)成矿样式。区内古层间氧化带主要表现为灰绿色(李子颖等，2007)。因此，铀矿化位于灰绿色砂体与灰色砂体的过渡部位，该过渡带具由北向南、由东往西逐渐加深的特征。目前，在杭锦旗以西、大营以南，铀矿化埋深达800 m。

2.4 铀成矿系统型

(1)成矿地质特征。铀成矿系统型主要指由于铀源丰富，在盆地内部各个层位均具成矿可能，成矿类型多样，形成铀成矿系统，成矿深度不一，浅部发育于浅地表，深部可达800 m以上，以二连盆地为代表(聂逢君等，2010；刘武生等，2015)。二连盆地发育多层位多类型铀成矿作用。其中，发育于上白垩统二连组的努和廷铀矿床，为典型沉积成岩型铀矿化，受二连期湖相泥岩控制，矿体呈薄饼状，发育于浅地表；发育于下白垩统赛汉组上段的“巴-赛-齐”铀矿带，为典型的建造间古河道型铀矿化，受赛汉晚期古河道、潜水-层间氧化作用联合控制，矿体主要呈长板状，深度为100～800 m；发育于下白垩统赛汉组下段或腾格尔组上段的道尔苏铀矿化，属沉积成岩叠加后生改造型铀矿化，受三角洲沉积体系和后生改造蚀变控制，矿体呈透镜状，深度可达1 000 m(图1D)。

(2)成矿作用。赛汉早期，二连盆地为以断坳为主的广阔湖盆浅水体沉积阶段，沉积范围达到最大，呈现多凸多凹、多水系和多沉积中心的岩相古地理景观，铀矿化主要产出于扇三角洲平原亚相河道间湾或废弃河道沼泽微相中。赛汉晚期，二连盆地进入坳陷阶段，地形平坦，各凹陷基本已形成一体，古河道主要沿凹陷的长轴方向发育。古河道型铀矿以赛汉晚期古河道为成矿场所，通过侧向(谷坡)或顺向(河道走向)或垂向(“天窗”)的含氧含铀水的补给，与容矿砂岩发生水-岩作用，造成成矿类型、方式、强弱和规模等各不相同的控矿氧化带。这种复杂多变的氧化带决定了古河道中出现各种各样铀矿(化)体的可能，以“天窗”为补给区形成赛汉高毕式潜水氧化带型铀矿化，以侧向(谷坡)为补给区形成巴彦乌拉式潜水-层间氧化带型铀矿化，以顺向(河道走向)为补给区形成齐哈日格图式层间氧化带型铀矿化(刘武生等，2015)。铀成矿年龄主要集中在66～37 Ma，主要为古矿化；晚白垩世，二连盆地整体抬升调整，上白垩统沉积范围局限，属盆地萎缩后期沉积，主要沉积体系类型为河流-湖泊沉积体系，在干旱炎热的古气候影响下，形成沉积成岩型铀矿化(图2D)。

(3)成矿样式。沉积成岩型铀矿化主要受控于二连期最大湖泛面，其位于二连组泥岩中，成矿深度小于120 m。古河道型铀矿化位于赛汉晚期古河道的交汇、分叉、变宽等砂体变异部位，受潜水或层间氧化带前锋线控制，成矿深度100～800 m。沉积成岩叠加后生改造型铀矿化位于赛汉组下段或腾格尔组上段三角洲平原亚相河道间湾微相或废弃河道沼泽中，受潜水-层间氧化带控制，成矿深度为150～1 000 m。

2.5 深部流体渗出还原成矿型

深部流体渗出还原型主要指深部还原性流体(主要为含烃类、CO、H2S等气体)沿断裂、不整合面或下切的河道砂体运移至已完全氧化的砂体中，发育氧化还原反应，形成铀矿化③。它与典型的渗入水成铀成矿理论完全相反，是由下而上的成矿方向，成矿深度取决于原生氧化环境的砂体，理论上成矿深度达2 000 m以上。铀矿化平面上主要沿渗出区呈环状或放射状，剖面上呈板状或透镜状。目前，该成矿类型未见典型砂岩型铀矿床，但在碳硅泥岩型铀矿中的海底喷流矿床式与该类型相类似。

以上5种砂岩铀矿的成矿构造、成矿作用、成矿部位、矿体形态、深部找矿方向及极限深度推测等深部成矿样式见表2。

表2 中国北方砂岩铀矿深部成矿样式的主要特征

3 结论

因铀矿体就位样式的不同，中国北方砂岩型铀矿深部找矿方向和深度呈现较大变化，总结归纳我国砂岩型铀矿不同样式及深部找矿方向：

(1)“L”型就位样式区。根据构造演化与铀成矿的前后关系，该类型发育于中国西北部盆地部分区段，主要有伊犁盆地南缘东段和北部、塔里木盆地南缘和北缘东段、准噶尔盆地南部和柴达木盆地北部等，找矿方向为地层倾角突变部位，即“L”型构造拐湾处，找矿深度达1 800 m，离盆地边缘较近。

(2)“U”型或“W”型就位样式区。根据反转构造发育的时代和强度，该类型发育于中国北部大部分盆地，主要有吐哈盆地南部、库米什盆地南部、鄂尔多斯盆地西部、巴音戈壁盆地、二连盆地中东部、海拉尔盆地、构辽盆地南部等，找矿方向为反转构造形成的构造天窗周边以及上游凹陷中央，找矿深度达1 500 m，自盆地边缘向盆地中央均可成矿。

(3)渗入渗出叠合区。根据流体演化史，该类型主要发育于鄂尔多斯盆地北部和南部、塔里木盆地北缘西段、柴达木盆地西北部、松辽盆地南部等盆地地段，找矿方向为含氧含铀水渗入和油气渗出叠合区，找矿深度达1 600 m，主要发育于盆地边部。

(4)铀成矿系统区。根据成矿层位和成矿类型的多样性，该区深部成矿具两层意义，一是深部层位成矿，二是同一目的层不同深度成矿。一般上部层位深部成矿主要发育于盆地内部，成矿深度不大于1 500 m；下部层位成矿主要发育于盆地边缘，成矿深度不大于1 000 m。如二连盆地中西部、海拉尔盆地、潮水盆地等。

(5)深部流体渗出还原区。目前未见典型铀矿化，推测该类铀矿化位于断裂构造周边，找矿深度将达2 000 m。