内蒙古二连盆地哈达图地区层间氧化带产出特征与控矿作用研究

苗鹏翼， 李满根， 张 锋， 吴金钟

(1.东华理工大学，江西 南昌 330013； 2.中核辽宁核电有限公司，辽宁 兴城 125100； 3.核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010)

近二十年来，内蒙古二连盆地乌兰察布、马尼特坳陷发现了一批规模可观、经济可采的砂岩型铀矿床，其中哈达图铀矿床是二连盆地中规模大、品位富的地浸砂岩型铀矿床。该矿床产于二连盆地古河谷内，古河谷长度约350 km，宽度3～15 km。前人对古河谷砂体及氧化带的产出特征均进行过研究，认为砂体沿凹陷长轴方向纵向展布，氧化带由河谷两侧蚀源区侧向氧化为主(康世虎等，2017)，提出了该地区的成矿模式(童波林等，2017)，其成矿作用以潜水层间氧化作用为主。哈达图矿床已完成普查工作，资源量规模接近特大型，而矿床控矿因素、氧化带产出具有其独特性，矿床及外围勘查物源体系、氧化带发育方向与物源体系的空间配置及找矿方向还不清楚。通过对哈达图地区构造演化、目标层层序、岩性-岩相、含矿砂体及氧化带等地质特征的研究，可为区内同类次级凹陷找矿工作提供借鉴，缓解后期找矿空间不足，对古河谷全面找矿工作具有十分重要意义。

1 地质概况

哈达图地区位于乌兰察布坳陷东部(图1)，被巴音宝力格隆起和塔木钦隐伏凸起、东方红凸起和苏尼特隆起夹持，基底呈凹凸相间的特征，内部凹陷多具有双断特征 (焦贵浩等，2003；肖安成等，2001)，受NE向断裂构造的控制，包含脑木根、齐哈日格图、格日勒敖都等三级构造单元(图2)，其中齐哈日格图凹陷规模较大，呈近南北向展布，具有发育大型河道的构造条件，凹陷北部最深。

图1 二连盆地基底隆坳分布图Fig.1 Distribution map of basement depressions and uplifts in Erlian basin 1.凹陷；2.凸起；3.铀矿床；4.国界线；5.铁路；6.研究区范围

图2 哈达图地区基底埋深等值线图(张锋，2018)Fig.2 Conisogram of basement buried depth in Hadatu area1.基底断层；2.盖层断层；3.基底埋深等值线(m)；4.铁路；5.公路；6.钻孔；7.地名

晚古生代以来，乌兰察布坳陷及周边经历了华力西、印支、燕山及喜马拉雅等多期次构造运动，每次构造活动均伴有岩浆侵入和火山喷发活动。坳陷内规模较大的岩浆活动主要为华力西期和燕山早期，在坳陷周边蚀源区分布有大面积的华力西晚期、燕山早期花岗岩。

根据地震勘探资料，受盆缘构造控制，哈达图地区阿尔善组、腾格尔组、赛汉组下段沉积建造主要发育于湖盆断陷期(李思田等，1987；赵志刚等，2005；任建业等，1998；费宝生，2002)，仅分布于各凹陷中心，且自成体系，各组间均存在顶超、底超、削截等现象，均为角度不整合接触。

目的层赛汉组上段沉积建造是经填平补齐后在坳陷环境下沉积(康世虎等，2017)，沉积范围大，与下伏层位呈角度不整合接触。区内构造抬升及后期构造反转使赛汉组遭受剥蚀，造成在区内埋深差异大。塞汉组上段发育3～5个沉积旋回，沉积厚度大，分布范围广，从下往上可划分出三个亚段(图3，康世虎等，2017)。

图3 哈达图地区钻孔地层结构图Fig.3 Stratigraphic structure diagram of typical boreholes in Hadatu area

2 目的层赛汉组上段砂体及沉积相展布特征

2.1 砂体特征

2.1.1 砂体厚度

赛汉组上段砂体主要分布在齐哈日格图凹陷，砂体厚度由河道中央向两侧边缘逐渐变薄，总体呈近南北向，带状展布。在哈达图地区赛汉组上段分成三个亚段，各亚段砂体受底板形态影响，在底板相对低凹的部位，砂体厚度相对较大。

第一亚段(K1s2-1)：砂体呈北东到近南北向条带状展布(图4A)，呈现中心厚，两侧相对较薄的沉积特征，河道充填砂带宽为10～20 km，厚度为1.80～160.00 m，平均厚度为62.13 m，砂体厚度自南向北有逐渐变小的趋势。在南部河道砂体分叉，向北汇合，在河道砂体汇合部位以及底板低洼部位砂体厚度最大。

第二亚段(K1s2-2)：砂体主要呈北北西到北北东向展布(图4B)，河道砂体沉积对早期河道具有继承性，但河道砂体空间位置具有明显向东迁移的趋势，厚大砂体分布范围明显变窄，河道砂体沉积单一物源更为明显，厚度大于30 m的砂体宽为5～20 km，平均厚度为69.71 m。河道砂体东侧厚度大，西侧厚度小，南部厚，北部略变薄。

图4 哈达图地区赛汉组上段砂体厚度等值线图(张峰，2018)Fig.4 Sand thickness contour map of the upper member of Saihan formation in Hadatu area A.第一期河道沉积；B.第二期河道沉积；1.蚀源区；2.剥蚀区；3.剥蚀边界；4.推测性质不明断层；5.砂体厚度等值线(m)；6.矿孔；7.剖面位置及编号；8.铁路；9.公路；10.地名

第三亚段(K1s2-3)：砂体分布范围较前两期河道砂体规模小，稳定性差，以曲流河与洪泛沉积为主，赋矿性差。

2.1.2 含砂率特征

哈达图地区含砂率分布特征与砂体的空间展布特征相似，第一亚段含砂率相对较高，含砂率高值区分布范围较大，呈北东到近南北向稳定展布(图5A)，其中河道中心含砂率较高，最大值可达95.68%，含砂率等值线在河道两侧变得更为密集，且数值逐渐降低。第二亚段含砂率高值区与砂体厚度较大区域一致，高值区空间展布呈南北向，带状展布，含砂率等值线在河道两侧变化快，呈密集分布(图5B)。第三亚段含砂率相对较低，其等值线呈近北西-北东向展布。

图5 哈达图地段赛汉组上段含砂率等值线图(张锋，2018)Fig.5 Contour map of sand content in the upper member of Saihan formation in Hadatu sectionA.第一期河道沉积；B.第二期河道沉积；1.蚀源区；2.剥蚀区；3.剥蚀边界；4.推测性质不明断层；5.含砂率等值线(m)；6.矿孔；7.剖面位置及编号；8.铁路；9.公路；10.地名

2.2 赛汉组上段沉积相及其空间展布特征

哈达图地区赛汉组上段沉积时以坳陷为主，表现为盆地性质。由于赛汉组下段时期的湖泊萎缩与消失，逐渐向河流体系转变，主要发育冲积扇、河流及洪泛沉积。沿隆起或凸起的边缘分布有冲积扇沉积(图6)，由隆起边缘呈朵状向凹陷中心发育(图7)，并由冲积扇过渡为河道相沉积，为复合型河道沉积(陈程等，2018)，表现为南部、西南部多物源、多期次河道叠加。从岩相古地理特征判断(周文博等，2019；李彦芳等，1998)，赛汉组上段沉积物源来自苏尼特隆起区的乌尔塔岩体，在上游苏尼特隆起西侧和东方红凸起的东侧分布大面积的冲积扇-河道充填亚相红色、黄色卵砾岩；在其前端沿河道中央发育大面积的河道充填亚相黄色、灰色砂质砾岩，向河道两侧过渡为河道边缘亚相的细砂岩及堤岸、决口扇等组合；在河道的两侧发育大面积的泛滥平原组合，岩性以红色的泥岩、粉砂岩夹薄层砂岩组合为特征。

图6 哈达图地区I号线沉积剖面图Fig.6 Sedimentary profile of line I in Hadatu area1.古近系；2.二连组；3.赛汉组上段第一亚段；4.赛汉组上段第二亚段；5.赛汉组上段第三亚段；6.赛汉组下段；7.二叠系；8.冲积扇；9.河道充填组合(砂质砾岩)；10.河道充填组合(中-粗砂岩)；11.河道边缘组合；12.泛滥平原组合；13.地层不整合界线；14.变质岩；15.钻孔及编号

第一亚段为第一期河道沉积，主要沿齐哈日格图凹陷西缘构造脆弱带呈北北东向发育，受盆缘构造控制，在哈达图地区南部发育冲积扇相沉积，分布于苏尼特隆起和东方红凸起附近，向北过渡为砾质辫状河与河流相沉积，沉积碎屑以粗粒为主，滞留沉积的卵砾岩分布于河床底部，以砂质砾岩充填沉积为主体，砂体厚度大，连续性好。在河道两侧及河道之间发育洪泛与河道间沉积(图7A)。

第二亚段位于赛汉组上段中部，为第二期河道沉积，与第一亚段沉积相带空间展布较为相似，物源来自南部的苏尼特隆起区，冲积扇相沉积分布于哈达图地区南部，但分布范围缩小，主河道砂体明显东移，规模扩大，呈近南北向展布，从南向北粒度逐渐变细，分选性逐渐变好，河道宽度变窄，河道两侧边缘相沉积组合发育(图7B)，河道砂体为砂质辫状河沉积，以侧向砂坝沉积为主，展布方向与主河道方向斜交，铀矿化主要赋存于砂坝边缘或两个砂坝之间的过渡部位。

图7 哈达图地区赛汉组上段沉积相图(张锋，2018)Fig.7 Sedimentary facies diagram of the upper member of Saihan formation in Hadatu area A.第一期河道沉积；B.第二期河道沉积；1.蚀源区；2.剥蚀区；3.冲积扇亚相；4.砾质辫状河沉积；5.砂质辫状河沉积； 6.河道边缘沉积；7.湖泊沉积相；8.泛滥平原沉积组合；9.断层；10.剥蚀边界；11.沉积相边界；12.河道水流线；13.矿孔；14.剖面位置及编号；15.铁路；16.公路

第三亚段为第三期河道沉积，为赛汉组上段沉积演化后期形成，河道沉积超覆了东方红凸起，但河道砂体规模明显小于前面两期，沉积过程中存在多次改道，并发育牛轭湖，以曲流河沉积为特征，以中粗粒、细粒砂岩为主，砂体呈透镜体分布，规模最小，砂体连通性较差。

3 氧化带特征

哈达图地区位于乌兰察布自流水坳陷的径流区，赛汉组上段含水层稳定且连续性好，与上覆伊尔丁曼哈组、二连组含水层及下伏赛汉组下段有稳定泥岩隔水层，具有发育层间氧化作用的地质条件。结合该地区岩性古地理特征及水文地质资料，区内虽然遭受后期构造反转(李心宁等，1997；于文斌等，2008；李树青等，2007)，但地下水仍主要接受南部蚀源区以及同层地下水的补给，沿河道砂体由南向北径流，最终沿古河谷径流于北部剥蚀区排泄。

氧化作用沿河道中央纵向发育，氧化作用强烈、持续时间长，规模大。在水平方向和垂向上具明显分带性；河道两侧边部存在灰色砂岩(还原带)，河道中心区域发育氧化带(图8)，二者之间发育大面积的氧化-还原过渡带，其灰色砂体内富含有机质、黄铁矿等还原介质；河道砂体由多期次河道沉积作用叠加而成，受沉积韵律变化以及砂体结构、物质成分和氧化作用时间影响，赛汉组上段各亚段氧化带规模、形态存在差异。

3.1 各亚带岩石地球化学类型

赛汉组上段目的层砂体分为岩石原生地球化学类型和岩石后生地球化学类型两种(张峰，2018)。区内层间氧化带的发育程度受物源体系、地下水流方向对古流向的继承性以及岩性-岩相空间展布的一致性控制。

(1)氧化亚带。赛汉组上段各亚段氧化亚带岩石地球化学类型基本相同，均为黄色、亮黄色、红色砂质砾岩、卵砾岩、粗粒砂岩等。仅第三亚段属原生氧化环境，为干旱、半干旱古气候条件下沉积的红色泥岩、砂岩建造，砂岩中不含有机质和黄铁矿，见大量褐铁矿化与赤铁矿化(图8，9)。

图8 哈达图地区II号线地质剖面图Fig.8 Geological profile of line II in Hadatu area1.古近系；2.二连组；3.赛汉组上段第一亚段；4.赛汉组上段第二亚段；5.赛汉组上段第三亚段；6.赛汉组下段；7.二叠系；8.氧化砂岩；9.还原砂岩；10.地层角度不整合界线；11.氧化前锋线；12.工业铀矿体；13.铀矿化体；14.钻孔及编号；15.变质岩

(2)氧化-还原亚带。各亚段氧化-还原亚带为灰色与黄色砂岩互层或在灰色砂岩背景下见黄色斑点，部分因长石水解为灰白色，受沉积微相变化砂岩粒度相对完全氧化亚带较细，泥质成分含量相对增多，岩性以粗粒和中粒砂岩为主，含大量黄铁矿与炭化植物碎屑，同时可见有分布不均的褐铁矿化、赤铁矿化。

(3)还原亚带。还原亚带在赛汉组上段第一、二亚段均存在，为灰色、深灰色、黑色砂岩，为原生还原环境(图9)，岩性粗粒、中粒、细粒砂岩均有，但以细粒砂岩为主，内含大量炭化植物碎屑和黄铁矿。

图9 原生(红色、浅灰色、灰色、深灰色)岩石和后生(黄色、亮黄色、灰白色)岩石(FZK16-8,深度201.5～272.2 m)照片 Fig.9 The photos of primary (red, light gray, gray, dark gray) rocks and epigenetic (yellow, bright yellow, gray) rocks (FZK16-8, Depth 201.5～272.2 m)

3.2 各亚带空间展布与岩石地球化学环境

(1)各亚带空间展布特征。哈达图地区氧化带在平面上具有从河道中央向两侧发育完全氧化亚带、氧化-还原过渡亚带和原生还原带的分带特征。赛汉组上段由三个亚段及三期河道沉积构成，每一期河道砂体所处的空间位置、粒度变化特征以及地下水动力机制各有所不同，氧化发育特征有所区别(图10)，但总体特征基本相同。

各亚段氧化亚带均由南向北沿河道砂体中心发育，氧化-还原过渡亚带分布于河道砂体两侧，还原亚带基本呈残留体小范围分布于河道砂体边缘。不同亚段完全氧化亚带存在差异：第一亚段沿河道中心发育砾质辫状河沉积，砂体粒度粗、规模大，地下水流向与物源体系方向保持一致，氧化作用强烈，氧化亚带规模大(图10A)，卵砾岩、砂质砾岩经氧化呈黄色、亮黄色；第二亚段沿河道中央发育砂质辫状河沉积，沉积相带受到局限，砂体均质性好且厚度较大，河道砂体上游及中央发育完全氧化亚带(图10B)，但延伸距离长，而规模相对变小。

氧化-还原过渡亚带第一亚段在河道砂体东西两侧均有发育，东侧分布规模较小，连续性较差，西侧主要沿分支河谷砂体控制，受地下水流向及岩相空间展布影响分布范围较大(图10A)。哈达图地区北部因构造抬升，赛汉组上段遭受剥蚀，形成构造天窗，具有稳定的补径排系统，并与物源方向保持一致，第二亚段砂体中氧化作用持续发生，在河道砂体东侧形成连续大规模的氧化-还原过渡带(图10B)。

图10 哈达图地段赛汉组上段岩石地球化学图Fig.10 Petrogeochemical map of the upper member of Saihan formation in Hadatu sectionA.第一期河道沉积；B.第二期河道沉积；1.蚀源区；2.剥蚀区；3.冲积扇亚相；4.砾质辫状河沉积；5.砂质辫状河沉积；6.河道边缘沉积；7.湖泊沉积相；8.泛滥平原沉积组合；9.完全氧化亚带；10.氧化-还原过渡带；11.还原带；12.剥蚀区界线与岩相界线；13.灰色砂岩尖灭线与氧化带前锋线；14.断层；15.河道水流线；16.钻孔

还原带在赛汉组上段第一、二亚段中均以残留体的形式存在，第一亚段分布于河道砂体的东侧，第二亚段分布于河道砂体的西侧。

(2)氧化带各亚带岩石地球化学环境特征。哈达图地区赛汉组上段砂体在经受了地下含氧水长时期的作用以及后期受断裂构造导通深部还原气体的还原作用影响，在氧化亚带、氧化-还原过渡亚带(矿石带)、还原亚带中，其岩石地球化学环境具有明显的分带性，呈明显的规律性变化(表1)。△Eh、S全、S2-在过渡亚带内最高，一方面表明其还原能力最强，另一方面也说明深部有还原介质加入；有机炭、CO2、Fe2+含量从还原亚带→过渡亚带→完全氧化亚带呈降低的趋势，而S全、TFe2O3含量在过渡亚带含量明显增加，表明在氧化带形成过程中，过渡亚带中的黄铁矿受到氧化消耗和后期深部油气的双重作用(费宝生，2002；焦贵浩等，2003)。过渡亚带CO2含量明显增高则反映了目的层砂体中的炭化植物碎屑被氧化形成CO32-随地下水运移，在过渡亚带内因环境变化形成CaCO3。

表1 氧化带分带不同亚段中岩石地球化学环境指标统计表

4 氧化带对铀矿体的控制作用

4.1 控制铀矿(化)体的产出形态

铀矿(化)体受控于层间氧化带前锋线，平面上分布于氧化-还原过渡亚带中，矿体剖面形态呈似层状，分布于灰色砂岩与黄色砂岩的过渡部位(图11)，而灰色砂体呈“饼状或楔状”分布于黄色砂岩中间(图8，11)，灰色砂岩的边界处于不同期次河道砂体的接触部位，即各亚层的分界处。铀矿体受氧化带垂向前锋线控制明显，随着各亚层之间泥岩层厚度增大，灰色砂岩连续性变好且厚度增大，铀矿化体厚度与连续性却反而变差。

图11 哈达图铀矿床Ⅲ号线地质剖面图Fig.11 Geological profile of line Ⅲ in Hadatu area1.古近系；2.二连组；3.赛汉组上段第一亚段；4.赛汉组上段第二亚段；5.赛汉组上段第三亚段；6.赛汉组下段；7.二叠系；8.氧化砂岩；9.还原砂岩；10.地层角度不整合界线；11.氧化前锋线；12.工业铀矿体；13.铀矿化体；14.钻孔及编号

4.2 氧化带酸碱度的变化控制了富矿石的产出

对典型钻孔采样分析pH与△Eh值，氧化岩石呈弱碱性环境，铀矿石呈弱酸性环境，且pH值越低，铀含量越高(表2)。区内黏土蚀变为碱性蚀变，说明酸化与深部油气渗出作用有关，使得铀成矿作用多次叠加，岩石比电位值从氧化到还原环境呈规律性变化，并随矿石品位增高而增大。

表2 哈达图地区典型钻孔岩石和地下水pH和△Eh值统计表

4.3 氧化带持续发育使铀成矿具长期性和多期次性

哈达图地区矿石矿物以沥青铀矿和磷钙铀矿为主，存在少量铀石。其有两期铀成矿作用，第一期成矿年龄为(66～30) Ma，为晚白垩世-始新世主成矿期，成矿具长期性，形成板状磷钙铀矿或含P、Ca等杂质的沥青铀矿(李伟涛等，2020)；第二期铀矿化成矿年龄为(16～8) Ma，形成鲕粒状且纯净的沥青铀矿(图12A，B)附着在早期板状或层状铀矿物表面。铀矿物多分布于黄铁矿周边(图12C)，磷钙铀矿主要呈吸附态附着在黏土矿物表面(图12D)，与沥青铀矿、铀石共生，铀矿物形成具有多期次性。

图12 铀矿物与其他矿物共生关系的电子探针背散射图像Fig.12 Electron probe backscattered electron image of symbiotic relationship between uranium minerals and other mineralsA.FZK16-0两期铀矿化；B.FZK16-0质谱分析(普89)；C.黄铁矿表面的沥青铀矿；D.黏土矿物吸附两期铀矿物

5 结论

(1)哈达图地区塞汉组上段河道砂体由三期河道沉积作用形成，砂体连通性好，沉积期与沉积期后地下水运移方向保持一致，是层间氧化带稳定发育的关键因素。

(2)层间氧化带垂向分带特征明显，氧化带垂向前锋线受砂体非均质性控制，多分布于不同期次河道砂体的接触过渡部位。

(3)氧化带主要沿河道中心向两侧发育，氧化带发育强度与砂体粒度、有机质含量及水力梯度有关；氧化还原过渡带主要发育于赛汉组第一、二岩层砂体中，呈“饼状”，且随着各亚层之间泥岩和灰色砂岩厚度增大、连续性变好，铀矿体的厚度与连续性却反而变差。

(4)受氧化带垂向分带性影响，矿体以板状为主，氧化带的持续发育、后期构造作用及深部还原气体的渗入，使铀矿化具有长期性和多期次性，而砂体中酸碱度的变化是形成富铀矿体的关键因素。