二连盆地哈达图铀矿床关键控矿要素与成矿模式研究

吕永华，康世虎，刘武生，苗爱生，杜鹏飞

（1.核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010；2.核工业北京地质研究院，北京 100029）

进入21 世纪初，为了在二连盆地寻找可地浸砂岩型铀矿，前人创新性提出古河谷找矿思路［1］。通过钻探查证，在乌兰察布-马尼特坳陷初步划分出长约350 km 的“巴-赛-齐”古河谷成矿带，其可进一步划分为巴彦乌拉、赛汉高毕和齐哈日格图3 段［2］。古河谷内矿床表现为“同河谷多矿床、同河谷多类型”的特点［3］。哈达图铀矿床位于齐哈日格图段内，且发现了高品位工业铀矿体，落实为大型规模，矿体赋存于赛汉组上段残留的灰色还原砂体内，上下围岩均被氧化，呈黄色或亮黄色，与同河谷内的巴彦乌拉和赛汉高毕铀矿床具有明显的区别，研究其关键控矿要素和成矿模式，具有重要的理论和找矿意义。

1 地质背景

二连盆地是岩石圈地壳拉张裂陷环境下形成的大型中、新生代陆相断陷-坳陷型叠合沉积盆地［4］。进入中生代后，由于太平洋板块向欧亚板块强烈俯冲，地壳发生强烈的北东向断裂活动，二连盆地进入陆相盆地发展阶段［5］；三叠纪中朝板块与西伯利亚板块再次相向强烈挤压，古生代地层进一步强烈褶皱、冲断，并发生区域隆升，造成本区普遍缺失三叠系沉积，而以风化、剥蚀作用为主，形成一定厚度的风化壳［6］，为后期盆地盖层沉积提供丰富的物源；在侏罗纪—早白垩世之间经历了两期裂谷作用［7］，早—中侏罗世以伸展作用为主，晚侏罗世晚期由于反转构造，导致部分早侏罗世地层缺失和晚中侏罗世出现大量逆冲断裂［8］，形成系列构造活动边缘；进入早白垩世，早期受断陷活动的影响比较明显，形成了阿尔善组、腾格尔组巨厚的含油碎屑岩建造，晚期断陷活动逐渐减弱，形成赛汉组含煤层系，为铀成矿提供了有利的还原介质，赛汉组可进步划分为下段和上段，赛汉组上段沉积时基本处于坳陷期，形成大规模建造间古河谷成矿砂体（图1）。

图1 哈达图铀矿床及周边基底埋深等值线略图Fig.1 Basement depth contour map of Hadatu uranium deposit and surrounding areas

2 铀矿床特征

2.1 地质特征

哈达图铀矿床位于齐哈日格图-格日勒敖都次级凹陷内，夹持于苏尼特隆起、东方红凸起、赛乌苏凸起与塔木钦凸起岩体之间，铀源条件好，基底由古生界变质岩系及华力西-燕山期的基性-中酸性侵入岩构成，埋深500～2 200 m；沉积盖层主要由白垩系、古近系、新近系和第四系组成，找矿目标层赛汉组上段发育辫状河相，按照中长期沉积旋回划分，自下而上可进一步划分为一亚层、二亚层和三亚层。受晚白垩世以来构造反转与抬升作用，目标层在南部和北部形成构造斜坡带，有利于发育多方位氧化作用。铀矿体主要赋存于二亚层内，其次为一亚层，三亚层基本被完全氧化，目前未发现铀矿化。

2.2 矿体空间分布

依据矿体在灰色还原残留体内的空间分布特征，将哈达图铀矿床划分为Ⅰ号富矿带、Ⅱ号、Ⅲ号和Ⅳ号矿带（图2），Ⅰ号富矿带位于①号还原残留体内，矿体呈板状（图3），略向南倾斜，倾角小于2°，矿带长约4 km，宽0.2～1 km，平面分布近环状，空间分布连续性好，矿体平均厚度为3.26 m，平均品位为0.100 8%，平均米铀量为7.41 kg/m2。Ⅱ号、Ⅲ号和Ⅳ号矿带目前控制程度较低，推测Ⅱ号矿带呈近环状，Ⅲ号和Ⅳ号矿带呈带状分布。赋矿岩性主要为灰色含砾中细、中粗砂岩，在含氧层间孔隙承压水与水岩作用下，上下围岩均被氧化成黄色，其控矿作用比较明显。

图2 哈达图铀矿床矿带分布示意图Fig.2 Schematic map of mineralization zonation of Hadadu uranium deposit

2.3 矿石矿物

通过扫描电镜和电子探针分析显示，铀矿物主要包括板状磷钙铀矿和鲕粒状沥青铀矿（图4a）两种不同形态，存在少量铀石。铀的存在形式主要表现为吸附态（图4b、c、d）和充填于裂隙、孔隙两种（图4e、f）。其中，磷钙铀矿主要呈吸附态附着在黏土矿物表面，呈板状或细小鳞片状，被沥青油矿包围；沥青铀矿多呈鲕粒状，主要充填于碎屑颗粒裂隙、孔隙内或分布于黄铁矿晶体周边，部分附着于黏土矿物或磷钙铀矿表面，从而推测板状磷钙铀矿早于鲕粒状沥青油矿；少量铀石主要随稳定矿物被黑云母等吸附。矿石矿物组分中UO2的含量高达81.855%，CaO 的含量为3.76%～4.39%，SiO2的含量为1.05%～1.57%，其他氧化物的成分含量总体较小，不影响矿物的化学成分。

图4 铀矿物的赋存状态Fig.4 Occurring state of uranous minerals

2.4 成矿年龄

通过U-Pb 同位素测定，哈达图铀矿床主要存在两期铀成矿［9］。第一期：晚白垩世—始新世主成矿期，成矿年龄为66～30 Ma；第二期：渐新世—中新世，成矿年龄为16～8 Ma。结合铀矿化特征分析，推测板状磷钙铀矿主要形成于第一期，鲕粒状沥青铀矿主要形成于第二期，铀石主要是母岩中的铀随稳定矿物搬运到沉积盆地被吸附而形成。

3 关键控矿要素分析

通过对哈达图铀矿床特征研究，笔者认为哈达图铀矿床的形成主要受构造、铀源、岩性-岩相、氧化带和灰色还原残留体的控制，具体分析如下。

3.1 构造对沉积、成矿的控制

由于早白垩世晚期西太平洋板块向欧亚大陆俯冲作用有所加强，受北北西-南东方向的挤压作用影响，下白垩统及侏罗系出现逆冲和隆升剥蚀，盆地收缩封闭，基本结束了早期阿尔善组-腾格尔组断陷冲积扇-三角洲-湖泊相沉积［10-11］，转向坳陷河流相沉积，发育沿坳陷长轴方向由南向北的赛汉组上段古河谷砂体，为铀成矿提供了理想的存储空间。晚白垩世由于挤压力的作用加强［12-13］，在哈达图北部出现构造反转［14］，目标层产状发生改变，向南倾斜，同时遭受不同程度剥蚀，有利于发育由北向南的氧化带作用，形成铀矿化。古新世以来，太平洋板块运动方向由北北西向转变为北西西向，与此同时，印度板块与欧亚板块陆壳碰撞［12］，在这种双重应力作用下，该区整体抬升，据磷灰石裂变径迹显示，南部抬升幅度最大，目标层产状再次发生改变，形成有利于铀成矿的构造斜坡带。

3.2 铀源对铀矿化的控制

铀源可进一步分为外源和内源。其中，外源主要指蚀源区铀源。哈达图铀矿床周边岩体铀含量为（8.1～13）×10-6［15］，钻孔揭遇较厚的花岗岩风化壳，钍铀比为3.2～7.2，现地下水中铀含量高达7.92×10-5g/L，铀迁出明显，为哈达图铀成矿提供了较为丰富的铀源。内源是指含矿层本身提供的铀源。通过对矿床内143个典型钻孔赛汉组上段一亚层与二亚层之间红色泥岩统计与研究，泥岩中铀含量为（6～16）×10-6，平均含量为11.6×10-6，远高于背景含量（据J.J.W.罗杰斯和J.A.S.亚当斯，1969，沉积岩中泥岩背景值为4×10-6），代表在沉积过程中蚀源区大量的铀随稳定矿物搬运到地层当中，形成铀的预富集，从而认为砂岩原始铀含量也与其相当。结合钻孔参数统计与化学分析测试结果，后生蚀变黄色砂体平均厚度为87 m，铀含量为（6～11）×10-6，平均含量为8×10-6，计算得出哈达图铀矿床蚀变砂体中铀丢失量约13.7 万t（表1），充分说明在后期氧化作用下，砂岩地层中大量的铀丢失，进行了再活化、迁移和富集。

表1 哈达图铀矿床地层蚀变砂体铀丢失量估算结果表Table 1 Estimation results of uranium loss amount of alteration sand body in Hadatu uranium deposit

3.3 岩性-岩相对铀矿化的控制

哈达图铀矿床所在的古河谷宽深比值为78.5，弯曲度指数为1.14，河道沙坝（心滩）较为发育，河道分岔参数约等于2，是典型的辫状河道。河道宽而浅，弯曲度小，具有多旋回、多物源的碎屑岩建造特征［16-17］。其由于河道变迁，形成多个纵向沙坝，呈不规则椭球体南北向展布，砂体平均厚度约80 m，泛连通性较好，为铀成矿提供了有利的存储空间，铀矿化主要位于沙坝与沙坝之间或沙坝边侧部位。由于沉积时水动力条件在时空上的差异性，从而产生了赛汉组上段砂体中局部泥岩隔水层（各亚层间泥岩隔水层较为稳定）。泥岩隔水层在一定程度上可以减弱地层中氧化流体的势能，甚至改变流体的方向，从而使流体中U6+与有机质、黄铁矿等还原介质充分反应，不断生成U4+，形成铀矿体。

通过岩石学研究，哈达图铀矿床围岩粒度普遍偏粗，分选性中等偏差，孔隙度相对偏大（18.1%～24.5%），而矿石以中细粒砂岩为主，相对偏细，填隙物中黏土含量大于围岩近5 倍，分选性大多数较差，孔隙度相对较小（表2）。氧化流体进入地层当中，对于孔隙度偏大、分选性较好、黏土含量偏低的岩石极易先被氧化，这是哈达图形成上下黄色氧化中间为灰色残留体的重要原因之一。同时，在氧化过程中，孔隙度偏小、黏土含量较高、分选性差的岩石，在一定程度上可以减缓流体渗入，从而使流体中U6+与还原介质充分反应［18］，不断富集，形成铀矿体。

表2 哈达图铀矿床岩石参数统计表Table 2 Statistical table of rock parameters of Hadatu uranium deposit

3.4 氧化带对铀矿化的控制

哈达图铀矿床目标层赛汉组上段受构造活动和沉积建造的影响，发育多方向潜水-层间、层间氧化作用［19］，主要包括南西-北东向层间氧化、北-南和南-北向潜水-层间氧化（图5）。氧化岩石主要表现为黄色（图6）。经过多向氧化作用，矿床内氧化砂体的体积约占古河谷砂体体积的72.08%，单孔砂体氧化率为10%～100%，保存了4 片面积较大的还原残留体，铀矿化主要分布于氧化率10%～60%区间内。强烈的氧化作用一方面携带蚀源区中的铀渗入地层，另一方面使早期预富集的铀渗出，再活化、迁移和富集。

图5 哈达图铀矿床砂体氧化率等值线图Fig.5 Oxidation rate contour map of sand body in Hadatu uranium deposit

图6 哈达图铀矿床A-B 地质剖面图Fig.6 Geological section A-B of Hadatu uranium deposit

3.5 还原残留体对铀矿化的控制

地下含氧流体在径流过程中必然会与地层中的还原介质发生氧化还原反应，地层能否被氧化，一方面取决于碎屑岩的孔隙度，另一方面则更取决于氧化流体与还原介质的对比强度。据化学分析测试，哈达图铀矿床还原残留体中有机质（含量约0.7%）、黄铁矿（含量约2%）的含量高于围岩5～20 倍，反映局部地层还原强度远远大于氧化强度；在含铀含氧流体运移过程中，遇到还原强度高的灰色残留体，大量的铀被还原卸载，形成铀矿体。

4 成矿模式

哈达图铀矿床为一典型建造间古河谷砂岩型铀矿床，铀矿体赋存于赛汉组上段辫状河砂体中，底板主要为赛汉组下段湖相泥岩，顶板为赛汉组上段顶部泛滥平原相红色泥岩；其成矿模式与构成要素主要包括：丰富的铀源（内源、外源）、有利的岩性-岩相组合、构造反转与抬升、强烈的氧化作用和富含有机质的还原残留砂体。其形成过程是沉积时蚀源区大量的铀随稳定矿物进入盆地（图7），形成富铀的泥-砂-泥地层结构（铀的预富集），在晚白垩世构造反转和古新世以来差异性抬升作用下，地层被掀斜改造，便于发育多方向氧化作用，氧化流体中的铀遇到强还原介质被卸载，形成铀矿体。富集条件为氧化强度大，蚀源区的铀渗入与目标层中的铀渗出叠加富集，成矿砂体（还原残留体）孔隙度偏低、还原剂含量高，成矿作用反应充分。

图7 哈达图铀矿床成矿模式图Fig.7 Metallogenic model of Hadadu uranium deposit

5 结论

1）哈达图铀矿床与已发现的巴彦乌拉、赛汉高毕古河谷砂岩型铀矿床相比较，具有独特的特征，铀矿化赋存于赛汉组上段灰色还原残留体内，上下围岩均被氧化，矿体厚度相对薄、品位高、平米铀量大，富矿带在平面上呈环状分布。

2）控制该矿床形成的关键要素主要包括铀源（内源、外源）、岩性-岩相条件、构造反转与抬升、强烈的氧化作用和灰色还原残留砂体。

3）在构造活动对成矿建造的改造下，形成多方向强烈的潜水、潜水-层间氧化作用，氧化流体携带了蚀源区和地层中被活化的铀，在富含还原介质的灰色残留体内富集，所以该矿床具有渗入与渗出叠加形成的特征，后期找矿应特别注重还原残留体的空间分布规律。同时，从成矿年龄看出，成矿期范围较大，铀矿化具有“预富集—富集—迁移—再富集”的滚动富集特征。