基于聚类分析的氧化带空间发育控制参数——以伊犁盆地洪海沟砂岩型铀矿为例

邓 薇，叶腾飞，张成勇

(1.东华理工大学江西省放射性地学大数据技术工程实验室，南昌 330013；2.东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室，南昌 330013)

砂岩型铀矿的形成是携带U(铀)的氧化流体在砂体中运移与砂岩相互作用的产物，已发现的砂岩型铀矿床中均表现为氧化-还原过渡带控制着铀矿体的空间分布[1-3]，因此，寻找规模性的层间氧化带是砂岩型铀矿勘查的关键。砂体的非均质性的表征和描述是沉积能源研究中的一个非常重要的环节，在油气藏描述中，对非均质性的研究常用的方法有储层野外露头分析、沉积体系分析、层次界面分析、结构单元和流动单元分析、高分辨率层序学研究、统计学方法等[4-7]。在砂岩型铀矿中砂体的非均质性是控制氧化带发育和尖灭的主要原因[8-9]。前人对砂岩型铀矿产出的沉积环境和砂体规模开展了很多的研究，认为氧化流体主要分布在三角洲、辫状河和厚大砂体中，氧化前锋线和铀矿化一般围绕厚大砂体分布，主要分布于主干河道边缘和主干河道附近的分支河道内[10-11]。在鄂尔多斯盆地北部、二连盆地和吐哈盆地等地区的研究认为，铀矿化多集中在砂体粒度由粗变细的变异的细粒砂岩中，并且随着隔层厚度的增加，铀成矿概率降低[12-13]；将影响氧化作用的关键制约因素是归纳为铀储层的规模、非均质性以及铀储层内部和周边还原介质的丰度[14]；并对鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿田开展了铀储层定量非均质性建模，建立了由多参数综合评判的铀储层非均质性分级定量评价指标体系[9]。这些工作有力地推动了砂岩型铀矿中氧化流体空间发育和铀矿体定位规律的总结，但目前的勘查和研究显示，在砂岩型铀矿氧化带和矿体空间中，定性的研究仍占主导，定量的评价开展较少，制约了砂岩型铀矿的精细化勘查的开展。库捷尔泰-洪海沟地区是伊犁盆地南缘重要的砂岩型铀矿矿集区，已在中下侏罗统八道湾组、西山窑组下段、西山窑组上段和头屯河组下段等层位落实了多个大型砂岩型铀矿床，并在三叠系小泉沟群中也发现了工业铀矿化。随着勘查的推进，矿体形态和氧化带规模不断扩大，氧化前锋线向北方向不断扩展，找矿不断在扩大。前人对该地区的沉积、构造和水动力条件开展了研究[15-18]，但整体以地质条件的定性分析为主，对该地区氧化带空间发育规律的研究缺乏统计学和定量化分析，制约了氧化带和铀矿体空间精细化定位规律的总结。

为此，以洪海沟铀矿西山窑组上段为例，以不同类型含矿层砂体宏观非均质性参数(砂体厚度、砂体夹层、夹层厚度、夹层数量、沙地比、砾岩厚度等)的统计分析为基础，通过R型聚类分析、相关性分析和参数空间变化分析等手段，深入挖掘非均质性参数对氧化带和铀矿化空间发育的约束程度，定量评价砂体参数在氧化流体和成矿过程中的作用，提炼有利指标参数，聚焦影响氧化流体发育和成矿的关键制约因素，为该地区砂岩型铀矿的精细化勘查提供依据和支持。

1 区域地质背景

伊犁盆地是中国目前地浸砂岩型铀矿勘查和开采规模最大的铀矿基地，在大地构造单元划分上归属于天山造山带中的伊犁-中天山微地块，该微地块南侧以南天山为边界与塔里木板块相接，是在塔里木板块和哈萨克斯坦板块的南北对冲挤压应力作用下形成的大型内陆山间拗陷盆地。盆地整体上呈西宽东窄的楔形，向西延伸入哈萨克斯坦境内，“广义的伊犁盆地”(包括尼勒克和昭苏盆地)在中国境内的面积为2.85×104km2。伊犁南缘斜坡带是伊宁凹陷内构造相对稳定区，中新生代地层在每个断阶上总体呈向北缓倾的单斜构造，中新代盖层由下而上依次为上三叠统、侏罗系中、下统、白垩系、第三系和第四系[19]。伊犁盆地南缘自西向东依次分布有洪海沟、库捷尔泰、乌库尔其、扎吉斯坦、蒙其古尔等砂岩型铀矿床[图1(a)]。洪海沟铀矿床位于盆地南缘西端，紧邻哈萨克斯坦，构造上属于洪海沟西部洼陷，地层呈南高北低北偏西的单斜产出，倾角一般9°～14°。斜坡带地形为地表氧化流体的流体提供良好的基础，形成持续稳定的氧化补给流体，在中侏罗统西山窑组下段、上段和头屯河组中均发现有工业铀矿体，其中西山窑组上段矿化规模最大[15-17]。

图1 研究区地质简图Fig.1 Geological map of the study area

西山窑组上段为温暖潮湿气候背景下沉积的一套含煤粗碎屑岩沉积建造。以河流相为主，砂岩以粗砂岩、砂砾岩和中砂岩为主，砂体疏松，分选中等或较差，成分成熟度和结构成熟度较差，砂岩中见大量炭化植物碎屑。后生氧化蚀变明显，以赤铁矿化、褐铁矿矿化和高岭石化为主要类型[12]。铀矿带与层间氧化带前锋线的展布基本一致，矿带呈港湾状展布，并呈舌状突出向北西方向延伸。矿体多为板状矿体，局部揭露到卷状矿体，平面上层卷状，翼部短，卷头部位拖长是其主要的特征，呈蛙状向NW方向凸出，延伸距离较远[图1(b)]。

2 数据采集与分析方法

本次系统收集洪海沟地区施工的钻孔共计1 118孔。部分钻孔开展了系统和详细的沉积微相和沉积构造的观察和描述。对收集到的所有钻孔进行统计，统计的参数有：砂体厚度、地层厚度、砂地比(砂岩厚度/地层厚度)、砾岩厚度、泥岩夹层厚度、夹层个数、氧化砂体厚度、氧化规模(氧化砂体/砂体总厚度)等。其中，砂体厚度的统计为大于1 m的非孤立砂体，砾岩厚度数据为统计的钻孔编录中含砾粗砂岩及砾岩的厚度，用氧化砂体厚度和氧化砂体/砂体总厚度比两个参数来表征氧化带的规模和氧化强度。所有的统计工作均为纸质钻孔的手工统计，并采用不同的人员进行三次核对，保证统计原始数据的准确性，统计数据如表1所示。

表1 洪海沟铀矿床西山窑组上段砂体参数统计Table 1 Statistics of sand body parameters of upper Xishanyao Formation in Honghaigou uranium deposit

将统计的结果按钻孔分为强氧化砂岩(氧化砂体/砂体总厚度比>0.5)、弱氧化不含矿砂岩(氧化砂体/砂体总厚度比<0.5)、铀矿化砂岩和原生灰色无矿砂岩等类型，使用Spass25软件进行R型聚类分析，采用相关系数为刻度绘制分类谱系图，提取与氧化砂岩厚度关系密切的影响因子，并采用相关性分析和分类变化柱状描述等，研究氧化带发育规模和铀矿化分布的影响因素(图2)。

图2 不同类型砂岩表征参数聚类分析图谱Fig.2 Cluster analysis of characterization parameters of different types of sandstone

3 结果

原生灰色砂岩类是该地区未成矿的砂岩钻孔，这类钻孔中无氧化带的发育。该类砂体厚度、砂地比和砾岩厚度等参数的变化范围均较大，砂地比值范围在0.3～1，平均值为0.69，砂体厚度平均值为18.68 m。从分析的砂体参数聚类结果显示，可以分为三类：一类是砂体厚度、砂地比和地层厚度，指示砂体渗透性；一类是泥岩厚度和夹层数，指示砂体的非均质性；一类是砾岩厚度，单独出现，并与砂体渗透性类参数相对接近，指示局部具更优良的渗透性。

强氧化砂岩类：氧化强度与砂体厚度和砂地比密切相关，而砂体厚度较大，在14～32.60 m，平均24.4 m，氧化砂岩/砂岩总厚度平均值为0.81，氧化带发育规模与夹层数和夹层厚度相关性较小，多在夹层厚度平均为1.91 m。

弱氧化不含矿砂岩类：氧化规模与泥岩夹层数和夹层厚度密切相关，而与氧化砂体的厚度关系分类距离较远。该类砂岩的厚度在6.6～34.40 m，平均24.16 m，夹层厚度在2～8.4 m，夹层数为1～3个，平均值为1.55个。

铀矿化砂岩类：氧化厚度与砾岩厚度密切相关并分为一类，也与砂体厚度存在明显的相关性，而与砂岩厚度和泥岩夹层厚度之间的距离都较远。该类钻孔位于氧化带尖灭部位，铀矿化砂岩总厚度在8.6～45.6 m，平均厚度为29.18 m，夹层厚度在0～9.50，夹层个数为1～4，平均为2.52个，砾岩厚度较大，变化范围在0～23.80 m，平均值为6.57 m。

氧化砂体规模与砂体厚度和夹隔层泥岩厚度的相关性分布图显示，铀矿化砂岩类位于强氧化砂岩类和弱氧化砂岩的接触部位，具有高砂体厚度、高砂地比和高砾岩厚度[图3(a)]，同时具有相对较大泥岩夹层厚度和泥岩夹层个数[图3(b)]。

图3 氧化砂体厚度与砂厚度和夹层厚度相关性分布Fig.3 Correlation distribution of oxidized sand body thickness with sand thickness and interlayer thickness

4 讨论

4.1 稳定厚大的砂体是控制氧化带发育的关键

制约砂岩型铀矿床形成的地质因素繁多而复杂，但大型骨架砂体是砂岩型铀矿赖以形成的先决性条件，它不仅能为铀成矿流体提供输导通道，同时也能为铀矿的聚集提供储存空间[8]。利于氧化流体的砂体的评价主要研究其中的3个因素，成层性、渗透性和连通性[20]。渗透性与岩性和粒度有关，西山窑组上段主要为粗砂岩或含砾粗砂岩，砂体疏松，说明粗粒沉积为流体的运移提供有效的渗透性。统计的数据显示，洪海沟矿床西山窑组上段发育有氧化砂体的厚度集中在14～36 m，且砂地比多大于0.6，指示砂体厚度适中且有效砂体厚度较大的，对氧化流体的渗入和运移有利。同时，也出现一些砂体厚度较大但砂体比较小的钻孔，这些钻孔中有效砂体厚度不足，不利于氧化流体的发育。同时，通过对砂体厚度标准差(图4)分析可以看出，发育氧化带的砂岩砂体厚度标准差值为5.91，明显要小于未发育氧化带的原生灰色砂岩层，标准差代表了数据的集中程度，指示氧化带的发育明显与稳定发育的较厚的砂体有直接的关系，暗示这些稳定厚度的砂体之间连通性较好，对氧化流体的空间运移提供了良好的通道。强氧化砂岩类氧化砂体的标准值较大(7.21)，同时也存在有泥岩夹层，但并不影响该类砂岩中整体较高的氧化强度和规模，说明，稳定厚大砂体在该类岩石的渗透性和连通性方面其主导优势，为氧化流体发育提供非常充分的环境，使内部存在泥岩夹层的失去阻/隔水效果。

图4 不同类型钻孔砂体参数标准差直方图Fig.4 Histogram of standard deviation of sand body parameters in different types of boreholes

根据统计数据用Sufer8.0软件绘制的砂体厚度和氧化带厚度等值线平面图(图5)可以看出，厚层砂体的分布呈NW向带状展布，厚度稳定且比较集中[图5(a)]。氧化砂体从SE方向进入，并沿砂体厚度高值带向NW方向运移[图5(b)]。结合岩性观察和沉积相分析可以看出，洪海沟矿床西山窑组上段以河流相沉积为主，形成了以河流为主的主河道，河道砂体的高度集中，河道内心滩、边滩和滞留沉积微相的大量发育，是砂体规模化发育的基础，为砂体的联通提供充分的沉积条件。

图5 砂体厚度和氧化砂体厚度等值线图Fig.5 Contour map of sand body thickness and oxidized sand body thickness

4.2 砂岩中隔层泥岩对氧化流体和铀矿化空间发育的制约

隔挡层是指砂体中的低渗透层—细粒沉积物隔挡层、钙质或铁质(成因)隔挡层、泥砾隔挡层和植物碎屑隔挡层，它们可以使一个砂体变为多个流体流动单元。通过洪海沟钻孔沉积剖面分析，可以看出，在每个垂向序列单元中，基于河流相沉积的上部泥岩下部砂岩的二元结构，上部往往形成隔挡层，而下部由于砂岩粒度较粗和多起河道的叠加，往往是氧化流体的流动通道和铀矿化的沉淀空间。

从统计的数据(图6)可以看出，洪海沟矿床西山窑组上段不同类型钻孔间的砂体厚度和沙地比变化并不大，但夹层厚度和夹层数开始出现，这是造成氧化流体逐渐开始分层并尖灭的主要原因。铀矿化钻孔均位于不完全氧化钻孔中，其泥岩夹层厚度较大，平均值为4.3 m，远大于氧化砂岩和还原砂岩中的泥岩夹层厚度(分别为2.01 m和3.29 m)。在不完全氧化钻孔中，铀矿化钻孔类和无矿钻孔类的区别在于：铀矿化类钻孔中砂岩厚度和砂地比要略高于无矿化钻孔，而其中泥岩夹层的个数(平均值为2.52)则明显高于无矿化钻孔(平均1.55个)，指示发育铀矿化的钻孔既具良好砂体连通性，又具较多泥岩夹层厚度。随着泥岩夹隔层的出现，砂体开始频繁分岔、隔挡层增多以及沉积物粒度变细时，含矿流体运移阻力增加，流体状态发生变化—分流和减速[20]，同时，泥岩夹层相比砂岩，具有更强的还原性，导致还原性物质的增加有关，造成铀的沉淀富集。

图6 不同类型钻孔砂体参数平均值对比Fig.6 Comparison of average values of sand body parameters in different types of boreholes

4.3 铀矿化定位的关键控制因素

洪海沟矿床西山窑组上段含矿层以河流相沉积为主，河道化程度较高，造成了砂体平面聚集程度很好，同时，砂体粒度较粗且疏松，含砂率较高，使得砂体平面非均质性较低，而具更好的侧向连通性，形成了规模化砂体。主河道控制着氧化带的展布，为氧化流体的空间运移提供给了通道，是砂岩型铀矿发育的重要基础。

伊犁盆地表生氧化流体的运移以重力流驱动为主，其中构造是氧化流体发育的主要驱动力[21]。新构造运动的出现造成盆地南缘隆升，地层掀斜，受库捷尔泰隆起的影响，含矿砂体在南部剥蚀并开启氧化流体的补给，层间氧化带开始发育。其后新构造运动在伊犁南缘西段表现为小幅度、持续抬升的特征，使得氧化流体的补给和运移保持稳定型和持续性[22]。从铀矿化的空间分布来看，矿体的空间定位受沉积和构造双重条件制约，构造控制着氧化流体的运移方向和运移速度，沉积砂体的非均质性则直接决定着铀矿体的空间定位。从构造陡坡带向缓坡带过渡，氧化流体运移速率较低，成矿流体运移速度变慢，造成了成矿物质的卸载，铀在此开始富集沉淀[23]。西山窑组上段含矿层河道化程度较高，形成了规模化砂体，主河道控制着氧化带的展布，为氧化流体的空间运移提供给了通道。同时，围绕厚层稳定砂体边缘的钻孔，出现砂体厚度变薄，泥岩夹层数和夹层厚度增加，使得氧化流体减速、分叉直至尖灭，在地层还原物质的作用下造成矿体定位(图7[23])。沉积砂体的均质性和非均质性则直接决定着氧化带的空间规模和范围。均质性较高的厚大砂体控制着氧化带的大规模发育，围绕其边缘的非均质向砂体则直接控制氧化带的消失和定位铀矿体的产出，平面上主河道向前凸而河道边缘长拖尾的矿体形态正是河道不同部位非均质差异的表现。

图7 洪海沟矿床西山窑组上段构造-沉积-流体-矿体空间分布(据陈奋雄等[23]修改)Fig.7 Characteristics of tectonic，sedimentary facies and distribution of orebody (modified by Chen Fenxiong et al[23])

5 结论

(1)洪海沟矿床西山窑组上段以河流相沉积为主，河道集中，厚度在14～36 m，且砂地比多大于0.6的砂体对氧化流体发育最有利，砂体厚度和连通性较好，主河道砂体具有良好的平面均质性，砂体厚度和砂地比两个参数是控制氧化带大规模分布的最重要的两个参数。

(2)砂体的非均质性造成氧化流体尖灭与铀矿化的分布，铀矿化钻孔含矿层砂体具有高含砂率、高夹隔层个数和夹层厚度的特点，隔挡层的增多造成含矿流体运移阻力增加，同时导致还原性物质的增加，造成铀的沉淀富集。

(3)砂体的均质性和非均质性则直接决定着铀矿体的空间定位。均质性较高的厚大砂体控制着氧化带的发育，围绕其边缘的非均质性砂体则直接定位着铀矿体的产出。因此，在砂岩铀矿勘查找矿中，需以寻找规模化砂体为主要目标，以其边缘为重点，开展精细研究，查明砂体非均质性的空间变化规律，提高预测铀矿体定位的准确性。