松辽盆地南部砂岩型铀矿床铀成矿作用特征及成矿模式

王海涛， 夏 菲， 李继木， 宁 君， 张亮亮，严兆彬， 贺航航， 马树松

(1.核工业二四三大队，内蒙古 赤峰 024000；2.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013)

松辽盆地南部砂岩型铀矿床的主要目的层为上白垩统姚家组。近年来，在开鲁坳陷及其与西南隆起区过渡部位，发现了宝龙山及钱家店等一批中-大型砂岩型铀矿床。本区铀矿床呈带状展布于天窗两翼，被认为与反转构造形成的剥蚀天窗关系密切。前人对松辽盆地南部砂岩型铀矿床的铀成矿作用、成矿年龄以及铀成矿模式等开展了广泛的研究(陈晓林等，2008；于文斌等，2006；夏毓亮等，2010；罗毅等，2012；蔡建芳等，2013，2018；陈程等，2018；宁君等，2018)。对于本地区的铀成矿模式总体有两种观点：一是参与铀成矿作用的含铀含氧流体，主要由构造天窗提供补给，姚家组的辫状河相砂体提供径流通道，并最终在断裂构造处排泄。据此提出了钱家店铀矿床的“三源复成因砂岩型铀矿成矿模式”、松辽盆地南部铀矿床的局部氧化带成矿模式和钱家店铀矿床的“预富集-构造-油气-层间氧化”成矿模式(于文斌，2009；夏毓亮等，2010；罗毅等，2012)。二是区内的含铀含氧流体，主要由盆地边缘掀斜部位进行补给，在姚家组的辫状河相砂体中形成大规模层间氧化带，而构造天窗和断裂构造带都是主要的排泄通道，并建立了“富铀基底建造-烃源岩系-含矿主岩预富集-层间氧化-热流体改造”五位一体的区域铀成矿模式和“渗入-渗出双混合叠加改造型”铀成矿模式(蔡建芳等，2018；李建国等，2020；宋柏荣等，2020)。虽然这些代表性的铀成矿模式在松辽盆地南部砂岩型铀矿找矿工作中取得了较好的应用效果，但仍存在争议。本研究在进一步深化矿体定位及构造、沉积相带、层间氧化、灰色砂体等主要控矿因素的认识基础上，重新梳理和建立松辽盆地南部的铀成矿模式。

1 地质背景

松辽盆地南部位于华北板块北缘、西伯利亚板块东侧、西太平洋新构造域三者拼接部位(Deng et al.,2013；宋柏荣等, 2020)，呈现出两凸、四凹的构造格局。其内部可划分为西南隆起区及开鲁坳陷2个二级构造单元(图1)，可进一步划分为哲中凹陷、钱家店凹陷、架玛吐凸起等15个三级构造单元。基底由古生代变质岩以及加里东期、海西期、印支期和燕山期花岗岩组成(Christophe et al.,2017)。盖层从下向上依次由下白垩统义县组、九佛堂组、沙海组、阜新组的断陷湖盆沉积，上白垩统泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组的坳陷期冲积扇-河流-湖泊相沉积，以及古近系泰康组和第四系构成。姚家组可进一步分为姚家组上段和下段，其中姚家组下段是本区找铀矿的主要目标层位。铀矿床多定位于区内F1与F2断裂及F2与F3断裂夹持部位(图2)，与宝龙山构造剥蚀天窗关系较为密切。

图1 松辽盆地南部构造分区图(高瑞祺等，1997)

图2 松辽盆地南部前第四纪地质图

通过对松辽盆地南部的大量钻孔岩芯观察与统计，姚家组下段沿开鲁坳陷区及西南隆起区长轴方向发育大规模的辫状河相砂体，长约150 km、宽15～35 km，单层砂体厚度为15～50 m，砂体累计厚度一般为80～140 m，含砂率一般大于60%，局部大于85%，泥岩呈透镜状不均匀发育在砂体之中。砂体主要由中粗粒-细粒长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩组成，以泥质胶结为主，局部发育钙质胶结，分选由开鲁坳陷到西南隆起区逐渐变好，固结程度中等至差，渗透性好。

2 铀矿化特征

松辽盆地南部姚家组下段的铀矿化在平面上主要受NE向发育的层间氧化带控制，定位于氧化带两翼的前锋线附近，垂向上主要赋存于氧化砂体之间的灰色砂体中。铀矿体多呈似层状、板状、透镜状分布，埋深受地层控制，在剥蚀天窗附近(钱家店铀矿床、宝龙山矿床)埋深较浅，SW向埋深逐渐增大。依据氧化砂体和还原砂体及矿体的空间组合关系，将研究区内的铀矿床划分为3种类型，分别为“上、下氧化，中间成矿”类型、“透镜状氧化、多层成矿”类型和“多层氧化，多层成矿”类型。这3种类型铀矿床矿石均为赋矿的砂岩、砂质砾岩及粉砂岩，无脉石矿物，蚀变分带可划分为氧化带、过渡带、还原带，成矿流体主要为表生含铀含氧流体，蚀变矿物多为长石高岭土化，且高岭土蚀变带与铀成矿密切相关。

2.1 “上、下氧化，中间成矿”类型

该类型铀矿床在研究区内以宝龙山铀矿床最为典型。其平面上主要发育于区域层间氧化带的最前端，垂向上产于上、下氧化带界面附近，一般只发育一层矿体。含矿目的层直接覆盖于基底地层之上，顶部为区域紫红色泥岩隔水层，成矿砂体厚度一般为60～100 m，上、下氧化带之间的灰色砂体呈透镜状、楔状“悬浮”于氧化砂体中间(图3)，氧化砂体以褐黄色夹砖红色中-细砂岩为主。

图3 宝龙山地区A1号勘探线剖面图

2.2 “透镜状氧化、多层成矿”类型

该类型铀矿床在区内以钱家店铀矿床最为典型。其平面上主要发育于层间氧化带左翼，成矿砂体厚度较大，以灰色砂体为主，层间氧化带呈透镜状、楔状“悬浮”于砂体中间(图4)，氧化带不连续发育，有多层工业铀矿体。目的层覆盖于早白垩世断陷层序之上，夹持于F1、F2断裂之间，可能受后期油气及构造热液等流体改造使部分氧化带砂体被还原，从而导致层间氧化带呈不连续状，起到了保矿的作用。

图4 钱家店铀矿床B1号勘探线剖面图

2.3 “多层氧化，多层成矿”类型

该类型铀矿床以外围新发现的大林、双宝铀矿床较为典型。其平面上主要发育于层间氧化带右翼，含矿目的层直接覆盖于基底地层之上，成矿砂体厚度一般较厚，上、下氧化带呈层状，中间氧化带呈舌状，灰色砂体呈透镜状、锯齿状“悬浮”于氧化带之间，有多层铀矿体，矿体产出位置与上、下氧化带及舌状氧化关系密切(图5)。

图5 大林铀矿床C1号勘探线地质剖面图

3 主要控矿因素分析

通过对松辽盆地南部不同类型矿体定位机制的对比研究，认为铀源、构造、岩性-岩相、氧化及还原流体改造作用是本区铀矿化的主要控制因素。

3.1 铀源

松辽盆地南部铀源主要包括外部铀源和内部铀源。外部铀源主要为蚀源区发育的中、新生代火山岩和海西期、燕山期花岗岩(徐增连等，2019)。根据伽马能谱测量成果，松辽盆地南部周边蚀源区各期次花岗岩的铀丰度由早期到晚期逐渐升高，海西期及燕山早期花岗岩的含铀丰度相对较高，燕山期花岗岩体风化岩石的铀含量为(1～3)×10-6，w(Th)/w(U)>3；新鲜岩石的铀含量为(5～9)×10-6，w(Th)/w(U)<3；海西期花岗岩体风化岩石铀含量一般为3.5×10-6，w(Th)/w(U)为3.5～4.5，加里东期花岗岩体风化岩石的铀含量为2.36×10-6，w(Th)/w(U)为8.26，远大于3(于文斌，2009)，说明蚀源区各时期花岗岩体中的铀元素在地质演化过程中发生了丢失、浸出和迁移，铀源充足(于文斌等，2006)。内部铀源主要为姚家组碎屑岩本身，氧化砂岩(包括砖红色、浅褐黄色砂岩)中铀含量普遍偏低，一般为(0.88～2.88)×10-6，平均为1.82×10-6，w(Th)/w(U)平均为5.45(表1)，其值大于3说明氧化砂岩中发生了铀的浸出、迁移，为姚家组下段铀成矿作用提供了内部铀源。还原性砂岩(包括灰色、浅灰色砂岩)中铀含量普遍较高，一般为(3.04～13.31)×10-6，平均为6.01×10-6(表1)，是氧化砂岩的3.3倍，说明灰色砂岩中U的背景值较高，w(Th)/w(U)平均值为1.69，远小于氧化砂岩的平均值，铀预富集作用明显。因此盆地周边的蚀源区、盆内发育的古隆起以及地层本身都具备较好的供铀能力。

表1 松辽盆地南部姚家组下段砂岩微量铀、钍分析结果表

3.2 构造

晚白垩世嫩江组沉积结束后，由于太平洋板块向西俯冲，研究区内形成挤压构造背景，区域构造性质由原来拉张性正断层转化为挤压性逆断层。在大型反转断裂的上盘，由于挤压、牵引作用，形成了规模较大的背斜隆起(Feng et al., 2010；封志兵等，2014，2021；徐增连等，2019)。同时，由于隆升过程中的张应力和风化作用，造成地层剥蚀，以含矿层姚家组为代表的下部层位被长期剥露于地表，形成了构造天窗。构造天窗的出现改变了局部地下水的动力状态，尤其是姚家组被剥露地表，形成了局部地下水减压带，构成地下水的局部集中排泄区，促进了研究区层间氧化带的发育，控制了大规模铀矿化的形成。因此，局部隆起及构造天窗是松辽盆地南部铀成矿的重要控制因素。此外，研究区内发育有大量的反转期形成的NE、NW及EW向断裂构造，这些断裂构造切穿了中、新生代沉积盖层并贯通盆地基底，沟通了深部的还原性流体与中、新生代地层的联系，为后生的砂岩型铀成矿提供还原剂。

3.3 岩性-岩相

研究区内的主要含矿层姚家组下段，在通辽-宝龙山一线主要发育大型辫状河相沉积。该相带具有展布宽、砂体规模大的特点，在主河道及低洼汇水河道内发育稳定的灰色砂体，表现出良好的连通性、稳定性和渗透性。姚家组的上覆地层为上白垩统嫩江组湖相泥岩，下伏地层为上白垩统青山口组泥岩，局部地区为下白垩统义县组的火山碎屑岩或石炭-二叠系浅变质岩，泥-砂-泥结构稳定，为后期层间氧化带的发育及铀矿赋存提供了良好的砂体条件。

3.4 氧化作用

通过对研究区内氧化带空间展布及发育特点的研究，认为在发育较大规模的层间氧化带之前，还发育了潜水氧化作用和压实流体氧化作用。潜水氧化作用主要发育于姚家组沉积早期，古气候环境干旱-温湿交替，温湿环境下形成的灰色砂体在干旱环境下被氧化为褐黄色、黄色，氧化厚度一般十几米至几十米，可使铀元素在灰色砂体中形成初始富集。压实流体的氧化作用，主要体现在姚家组下段顶部的洪泛泥岩内的孔隙流体在成岩期垂向上或水平方向上的运移作用。因为洪泛泥岩以强氧化的紫红色泥岩为主，所以在成岩作用过程中形成的压实流体以氧化流体为主。因此，进入姚家组下段辫状河砂体中的流体具有较强的氧化作用，可使砂体中的铀元素发生局部富集。沉积期的潜水氧化作用以及沉积期的压实流体氧化作用是姚家组下段普遍发育大规模上氧化带的主要原因。层间氧化作用是本区形成大规模铀矿化的直接控制因素，构造反转运动使本区形成了完善的补-径-排体系后开始发育，包括区域层间氧化和局部层间氧化作用。目前发现的铀矿体主要受层间氧化带前锋线控制，且距离氧化带前锋线近的铀矿体品位高、厚度大、平米铀量大，距离氧化带前锋线较远的工业矿体品位降低，厚度变小、平米铀量小。

3.5 流体改造

钱家店断陷存在有机流体渗出，对其上的姚家组下段氧化砂体进行了后期还原改造，特别是断裂通道发育部位、下部断陷层序中有充足还原流体的地区尤其明显(林锦荣等，2009；司庆红等，2020；李建国等，2020；宋柏荣等，2020)。还原性流体的渗出可导致砂体发育褪色蚀变，使砂岩中的还原容量增高，有利于铀成矿。此外，基性岩浆的侵入，沿构造形成一系列辉绿岩脉，沿地层薄弱面形成规模较大的辉绿岩床，一方面使本区地层的热异常和地温梯度增高，促进了地层中的有机质进入成熟演化阶段(林锦荣等，2009)；另一方面地层升温作用促使铀元素形成络合物，再次活化、迁移、富集成矿(李建国等，2020)。

4 成矿模式

本研究建立了松辽盆地南部“四位一体”继承性叠加改造的区域铀成矿模式，3种类型铀矿床具有相同的铀成矿期次。该成矿模式主要经历了以下4个阶段：晚白垩世姚家组下段沉积期铀预富集阶段、成岩期红色泥岩压实流体氧化叠加富集阶段、古近纪始新世层间渗入氧化与断陷层还原流体渗出主成矿阶段、古近纪热液活动铀叠加及层间氧化与断陷层渗出还原流体持续改造成矿阶段(图6)。

4.1 铀预富集阶段

晚白垩世姚家组沉积早期，松辽盆地南部由强烈的伸展环境转变为弱伸展热沉降的构造环境(封志兵等，2014；Christophe et al.,2017；徐增连等，2019)，并沉积形成了姚家组下段有利的成矿砂体，该套砂体的展布主要由辫状河河道控制。姚家组下段沉积早期，沉积了一套以厚层灰色砂体夹薄层洪泛泥岩为主，局部发育砖红色砂体的成矿有利砂体。在灰色辫状河砂岩中发生了铀的初始预富集，预富集作用主要体现在两方面(图6A)：一是沉积期灰色砂体中铀元素的局部富集作用；二是沉积期干旱-温湿交替的古气候交替变化形成的多期次局部潜水氧化作用。灰色砂体中铀含量普遍增高(表2)，预富集作用明显，局部地段能达到铀异常或矿化。这一阶段铀矿化U-Pb等时线年龄为(89±11)Ma(夏毓亮，2015)，与上白垩统姚家组沉积年龄85 Ma相近(陈晓林等，2008)。

图6 松辽盆地南部铀成矿模式图

4.2 铀叠加富集阶段

姚家组下段顶部以洪泛平原相紫红色泥岩为主，厚度为5～150 m。在成岩作用过程中，由于受上部地层压实作用的影响，形成了大量的压实流体，由于紫红色泥岩本身具有较强的氧化属性，从而导致形成的压实流体以氧化流体为主。这些氧化流体在空间上向其周围渗透性较好的砂体中逸散(图6B)。大量的压实氧化流体渗入到姚家组下段较为发育的辫状河砂体，使铀在灰色砂体中进一步富集，局部达到铀矿化异常，但铀品位及厚度规模有限。这一阶段的铀矿化U-Pb等时线年龄值为74 Ma(陈晓林等，2008)，与上白垩统嫩江组的沉积年龄相当。

4.3 铀主成矿阶段

晚白垩世末期，松辽盆地南部发生了大规模的构造反转运动，在盆地南缘或东南缘形成掀斜地层，在盆地内部形成姚家组剥蚀天窗。盆地内部断裂反转构造具有继承性和长期活动的特点。断陷期这些断裂继承了基底断裂或深大断裂，控制着断陷盆地形成、发展。坳陷期后古近纪的构造活动导致这些断裂切穿了断陷及坳陷期地层，成为深部营城组、沙河子组等产生的CO2、CH4、H2等还原性流体向上运移的通道(图6C)。还原性流体沿断裂向上运移、扩散，进入姚家组下段砂岩形成了广泛的还原性蚀变。原生灰色砂岩还原容量进一步增加，高岭石化明显增强，部分氧化砂岩被还原为灰白色、灰色砂岩，铀矿化带主要发育在高岭石变化的梯度带上(李建国等，2020)。同时，盆地边缘地层掀斜及剥蚀天窗的形成改变了本区水动力条件，形成了完整的地下水补-径-排体系，促进了含铀含氧水沿盆地边缘及古隆起部位发生渗入，并于剥蚀天窗附近或贯通断裂附近排泄，导致氧化带不断向盆内推进。在氧化带前锋线与灰色砂体接触的物理化学界面处富集、沉淀形成铀矿体。因此在含铀含氧流体的补给区，主要为氧化砂体；径流区为多层氧化砂体和多层还原砂岩，在该区形成“多层氧化，多层成矿”型铀矿床，如双宝、大林铀矿床。随着含铀含氧流体进一步向排泄区运移，氧化作用响应减弱，同时还原性流体由深部向上运移至姚家组砂体中，使部分氧化砂体经历还原-氧化-再还原的过程，导致未被还原的氧化砂体呈透镜状悬浮于还原砂体中，形成“透镜状氧化、多层成矿”类型铀矿床，如钱家店铀矿床。在排泄区及宝龙山隆起区，受隆起作用的控制，氧化作用加强，而排泄通道受排泄口影响，形成单一排泄通道，导致上下两层氧化砂体，中间排泄通道为还原砂体，故形成“上、下氧化，中间成矿”类型铀矿床，如宝龙山铀矿床。该期铀成矿作用为松辽盆地南部第一次主成矿期，铀矿化的U-Pb等时线年龄值为(53±3)Ma(夏毓亮，2015)，这期铀成矿作用可能一直持续至今。

4.4 铀成矿改造阶段

松辽盆地南部在古近纪不断隆升，导致研究区缺失古近系，同时使盆地掀斜部位及构造天窗的规模进一步扩大。层间氧化流体在姚家组下段砂体中持续向盆地内部推进，早期形成的铀矿体不断被溶解迁移，并在有利地带重新沉淀富集(图6D)。含铀含氧水在与深部还原流体相互作用达到平衡的部位停止向前推进(钱家店铀矿床)，在没有深部还原流体的部位持续向排泄区推进，并最终在氧化带前锋线部位(宝龙山铀矿床)及侧面(双宝、大林铀矿床)形成了品位更高、规模更大、工业意义更好的铀矿体。同时，差异性升降运动伴随有新的断裂构造活动，基性岩浆沿断裂侵入姚家组，使姚家组下段砂岩的后期改造作用更趋强烈，并在个别矿体中形成具低温热液特点的沥青铀矿与黄铁矿共生的“沥青铀矿脉”。热液叠加改造的铀矿体在断裂发育区具有增厚、变大的趋势。这一阶段铀矿化的U-Pb等时线年龄值为(40±3)Ma(陈晓林等，2008)，与本区大量出露的辉绿岩脉年龄((38±2)Ma；Yang et al.，2020)基本一致，亦是松辽盆地南部的第二次主要成矿期。

5 结论

(1)氧化砂岩的铀含量普遍较低，一般为(0.88～2.88)×10-6，平均为1.82×10-6，还原性砂岩的铀含量普遍较高，一般为(3.04～13.31)×10-6，平均为6.01×10-6。氧化砂岩的w(Th)/w(U)平均值(5.45)大于还原砂岩w(Th)/w(U)平均值(1.69)，说明松辽盆地南缘铀矿床物源除蚀源区花岗岩外，氧化砂岩也发生了铀的浸出、迁移。

(2)本区铀矿床划分为“上、下氧化，中间成矿”型，“多层透镜状氧化、多层成矿”型和“多层氧化，多层成矿”型等3种类型，这3种类型铀矿床与含铀含氧水的“补-径-排”位置密切相关。

(3)本研究建立了松辽盆地南部“四位一体”继承性叠加改造区域铀成矿模式，认为松辽盆地铀成矿经历了4个成矿阶段，依次为晚白垩世姚家组下段沉积期预富集阶段、晚白垩世姚家组下段成岩期红色泥岩压实流体氧化叠加富集阶段、古近纪始新世层间渗入氧化与断陷层还原流体渗出主成矿阶段和古近纪热液活动铀叠加及层间氧化与断陷层渗出还原流体持续改造成矿阶段。