松辽盆地宝龙山铀矿床控矿因素与成矿模式研究

贾立城，蔡建芳，黄笑，李真真

（1.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；2.核工业二四三大队，内蒙古 赤峰 024000）

［关建词］松辽盆地；宝龙山铀矿床；砂岩型铀矿；控矿要素；成矿年龄；成矿模式

松辽盆地为我国东北地区最大的中-新生代陆相沉积盆地，具有丰富的油、气资源。21世纪以来，砂岩型铀矿勘查工作持续取得突破，已在盆地西南部陆续发现了多个可地浸砂岩型铀矿床，奠定了松辽盆地成为我国北方铀矿勘查、开发基地的基础。宝龙山铀矿床为该区代表性矿床之一，是继钱家店铀矿床之后利用“天窗模式”找矿的成功范例。前人对该矿床的成矿条件研究较多，并初步总结了矿床控矿要素［1-3］，对矿床成因与成矿机理也有较深入的探讨，特别是在热液成矿作用方面取得了许多新认识［4-7］，可以说是丰富了我国砂岩型铀矿成矿理论。本文在前人工作的基础上，以指导区域找矿为目的，通过成矿地质背景与矿化特征深入研究，从构造、建造、改造三方面系统总结了矿床控矿要素，在获得成矿年龄数据的基础上深化了成矿机理研究，将矿床成矿过程划为4 个阶段，并分阶段建立了成矿模式，不仅对松辽盆地区域上铀矿找矿工作具借鉴作用，而且有利于盆地铀矿勘查持续突破。

1 矿区地质背景

1.1 基底和盖层

宝龙山铀矿床位于松辽盆地西南部钱家凹陷东北部，白兴吐构造剥蚀天窗的东侧。白兴吐天窗是区域重要的控矿构造，环天窗周边发育了一系的大中型的可地浸砂岩型铀矿床。经钻探揭露，矿区基底主要为石炭系-二叠系浅变质的（碳质）板岩、结晶灰岩，向东、东南逐渐过渡为花岗岩和侏罗系的（蚀变）火山碎屑岩，埋深一般在500 m以浅。盖层主要发育上白垩统姚家组（K2y）、嫩江组（K2n）及第四系（Q）（图1）。含矿层姚家组为一套干旱-半干旱古气候条件下形成的辫状河相杂色碎屑岩建造，总体表现为红色层夹灰色层的结构，厚一般为200～300 m，其中灰色层的厚度在区域上变化较大，铀矿体的产出与灰砂的分布密切相关。姚家组可细划为上、下两段，其中姚家组下段砂体单层厚度大，分布稳定，连续性好，所夹泥岩多为透镜体，为主要含矿层，工业铀矿化主要发育于姚家组下段中下部的灰色砂体中；姚家组上段由于泥岩夹层相对较多，分隔砂体，而使姚家组上段单层砂体厚度较小，仅局部见铀矿化。

图1 宝龙山矿床前第四纪地质图（据文献［8］修改）Fig.1 Geological map of Pre-Quaternary of Baolongshan deposit（modified after reference［8］）

1.2 沉积相和砂体特征

矿区含矿层姚家组下段为典型的辫状河相沉积，可分为辫状河道亚相和泛滥平原亚相（图2a），在矿区外围的架马吐基底隆起周边发育小规模的冲积扇相。平面上多条分支河道在矿区一带交汇形成北北东-南南西走向的辫状主河道。据区域沉积体系空间展布特征判断，控矿主河道内水流由南南西向北北东流经矿区，该河道规模大，宽一般为30～60 km，最宽可达90 km 以上，在河道内部常见规模较大的横向和侧向砂坝（心滩）。铀矿化受辫状河道控制，工业铀矿体多产于心滩边部或河道分叉、交汇的部位，因为在心滩及河口部位水流变化大，砂体规模、粒度、成分等多变，非均质性强，有利于铀的沉淀富集。

矿区姚家组下段砂体主要受大规模辫状河道控制。在平面上由于辫状河横向频繁摆动沿河道沉积形成北北东-南南西向宽阔的砂带；在剖面上多旋回辫状河在垂向上加积形成厚大砂体，砂体厚一般为60～120 m，在心滩处最厚可达180 m（图2b）。矿区姚家组下段底板埋深浅，一般小于450 m，多在240～400 m 之间。受天窗控制，在天窗周边姚家组下段底板埋深小，向南西迅速增大，勘查难度明显增大（图2c）。

图2 宝龙山矿区姚下段岩性-岩相特征图Fig.2 Characteristics of lithe-lithofacies of Lower Yaojia Formation in Baolongshan deposit

1.3 构造体系

1.3.1 褶皱构造

晚白垩世嫩江运动使区域上的构造背景由伸展变为压性、压扭性，矿区西侧F1断裂作为钱家店断陷控盆断裂在强烈的挤压应力作用下再次活动，性质由正转逆，开始反转逆冲，最终发育为上（坳陷层）逆下（断陷层）正的典型反转断层。在错断过程中，断层上盘地层由于构造牵引作用发育反转背斜构造。矿区反转构造实质为区域上龙虎泡-通辽大型反转构造带的南部倾没端，构造线走向总体呈北东-南西向。背斜转折端在沉积间断期长期暴露，遭受剥蚀，形成白兴吐构造天窗（图1）。姚家组下段天窗长约17 km，宽约10 km，面积约170 km2［3］。隆升剥蚀阶段，天窗处姚家组与地表沟通，成为构造减压带，具备地下水集中渗出的条件。

1.3.2 断裂

矿区内主要发育F1、F2和F3三条北东向断裂［2，8］。其中F1断裂切穿基底，呈上陡下缓的犁状，是本区的主干断裂，形成于早白垩世，为钱家店断陷的控盆断裂，晚白垩世早期坳陷阶段活动减弱，晚期构造反转阶段重新活动并由正转逆，控制了反转背斜和剥蚀天窗的发育；F2、F3断裂为挤压反转期派生的调整断层，其对成矿期流体的迁移改造成矿具一定控制作用。可以说F1断裂多期活动控制了矿区构造体系的形成和演化，也控制了控矿构造的发育。

2 矿床地质特征

矿床铀矿化主要产于姚家组下段中下部的辫状河灰色砂体中，共圈出5个铀矿体，主要分布于F2与F3断裂的夹持部位［8］。矿体平面呈舌状、纺锤状、不规则状，分布于层间氧化带前锋线附近靠近还原带一侧，展布形态受前锋线控制；剖面上矿体受上、下氧化带控制，呈板状、似层状，产状平缓，与地层产状基本一致，产于上、下氧化带之间的残留灰色砂体中。

矿石以灰色中粗砂岩、细砂岩型为主，见少量砂质砾岩和泥岩型矿石。砂岩型矿石主要为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩型。矿石中的铀主要以3 种形式存在：最主要的是吸附铀，其次是独立铀矿物，第三种为源区搬运而来直接沉积下来的含铀矿物、岩屑中的铀（图3a）。吸附铀主要存在于炭屑、铁质和黏土矿物中，矿石品位越低，吸附铀所占比重越大（图3b）。在较低品位矿石中铀极少以独立矿物的形式出现，但可见铀与钛的氧化物共生，形成交代成因含铀或富铀金红石；在中高品位矿石中独立铀矿物比较常见，且以沥青铀矿为主，其产出与有机质、黄铁矿、钛铁矿等还原介质关系密切（图3b、c、d、e，表1）。此外，还见小颗粒的钛铀矿和铀石（图3f）。

表1 矿石中铀矿物电子探针分析结果列表w（B）/%Table 1 Electron microprobe analysis（%）of uranium minerals in ores

图3 宝龙山铀矿床铀矿石中铀矿物发育特征Fig.3 Characteristics of uranium mineral in the ores of Baolongshan uranium deposit

3 矿化成因与控矿要素

宝龙山铀矿床形成主要受含氧含铀水的渗入氧化作用控制，并存在深部油气流体的渗入还原叠加改造作用以及热液流体的辅助成矿作用，矿床类型应为复合成因型铀矿床。

从主要矿化特征分析，宝龙山铀矿床的形成主要受辫状河灰色砂体、构造剥蚀天窗和后生改造三要素控制。

3.1 灰色砂体与沉积成岩预富集作用控矿

辫状河道亚相沉积形成的灰色砂体是铀矿化发育的先决条件。这种灰色砂体富含有机质和黄铁矿等还原介质，是铀矿化发育的良好还原剂和吸附剂。钱家店-宝龙山地区姚家组下段发育大规模灰色砂体，是铀矿化在此集中发育的主要原因之一，灰色砂体也是区域上重要的找矿标志。同时，姚家组下段的灰色砂体沉积成岩预富集作用显著，一般铀含量可达（13～14）×10-6，灰色砂体中的深灰色泥岩透镜体铀预富集作用更强，一般铀含量为（17～18）×10-6，最高可达（50～60）×10-6，甚至可直接形成板状工业铀矿化［9］。钻孔统计表明，工业铀矿化主要产于灰色砂体中等厚度（30～80 m之间）部位，且定位于灰色砂体厚度变化的梯度带（图2d）。

3.2 构造剥蚀天窗控矿

通过对宝龙山铀矿床后生蚀变带发育形态及铀矿体空间定位分析，构造剥蚀天窗作为铀成矿的必要要素控矿作用有二：其一是作为区域地下水排泄带完善了补-径-排体系。与盆地南缘蚀源区及矿区东侧的架马吐古隆起相比，白兴吐构造天窗海拔较低，因而构成水位差，使白兴吐地区成为区域地下水低位排泄区，现今钱家店矿区仍有部分钻孔发生涌水现象，足以证明这一点。因此，白兴吐构造天窗作为局部排泄区沟通了盆地南缘蚀源区或盆地内部架玛吐古隆起等补给区的水动力联系，促进了层间氧化带的发育。其二是造成区域地层抬升剥蚀，降低含矿层埋深，减弱区域成岩作用，改善了岩石物性条件，使砂体变为疏松、浅埋而易于改造，促进了层间氧化带的发育。

矿区姚家组下段底板埋深以构造剥蚀天窗为中心，围绕天窗向外围明显增厚，在F1反转断层西北侧埋深出现突变。铀矿化主要发育于姚组家下段底板深280～400 m 之间的区域。工业铀矿化主要定位于底板埋深变化部位，可能是底面起伏对含氧含铀水的迁移速度、流量和方向有一定影响，在以上要素变化的部位容易发育较大规模的铀矿化。

3.3 后生改造控矿

层间氧化改造：工业铀矿化在平面上主要产于北东向层间氧化带的前锋部位，呈向北东方向凸出的舌状断续产出。层间氧化带在剖面上也不规则，造成后生蚀变分带独具特色，主要表现为在姚家组下段的上部和底部保留厚度不等的黄色、褐黄色砂体，为完全氧化带，其间夹50～100 m 厚的灰色-灰白色过渡带-还原带，总体表现出垂向对称分带的特征，构成上氧化带＋还原带（矿化带）＋下氧化带的分带结构，且上、下氧化带均具有控矿性，铀矿体呈板状、透镜状产于中间灰色带中。工业铀矿体产于褐黄色氧化带与灰（白）色带的接触带上，呈板状、透镜状产出。

油气渗出还原改造：区内深部油气渗出还原作用比较强烈，形成灰白色褪色蚀变作用，烃类被氧化发育碳酸盐化蚀变，以半自形白云石交代作用为主［4-5，10］。工业铀矿化多产于灰白色褪色带与灰色带之间。油气褪色蚀变的控矿作用还缺少直接的证据，推测其可能作用有三：其一为深部油气渗出使红色或黄色氧化砂岩发育褪色，提高还原容量，使其重新变为良好的捕矿层，为后续氧化改造成矿提供还原障，这种作用主要发生在四方台期-明水期渗出改造为主的阶段；其二是油气流体渗出与氧化流体相遇直接反应，发育改造作用和铀矿化，主要发生在古新统-始新统氧化作用为主、还原作用为辅的阶段；其三是油气流体持续渗出延缓层间氧化带的推进，起到保矿作用，主要发生在渐新统以来主矿体形成之后的阶段，此时层间氧化带已推进至天窗附近，剥蚀天窗既是地下水的排泄区，又是油气渗出逸散的通道。

3.4 岩浆热液流体辅助成矿作用

典型蚀变矿物组合、微量元素相关性和同位素分馏特征等证据表明还原、热（液）流体的蚀变作用确实存在，如多期次白云石交代作用，特别是最晚一期高铁白云石的形成极有可能为热液成因［4-5，10］。此外，含矿砂岩中碳酸盐胶结物和石英加大边中的流体包裹体均一温度平均值为118.7 ℃［7］，可作为低温热液流体活动的直接证据。热液流体应为基性岩浆活动加热深部油气流体后渗出，形成低温热油气流体，可作为特殊的流体还原障，再加上灰色砂岩本身富有的还原剂，构成复合还原障，控制成矿作用，因而存在一期与基性岩脉侵入基本同期的后生改造成矿年龄［9］。

4 成矿作用与成矿模式

4.1 成矿年龄

通过矿床铀矿石U-Pb同位素分析和等时线拟合，共获得了（81.2±2.6）Ma、（74.5±4.8）Ma、（52.27±0.11）Ma、（46.6±1.8）Ma等年龄数据（表2、图4）。

表2 宝龙山铀矿床矿石U-Pb 同位素分析结果Table 2 U-Pb isotopic analysis and dating of uranium ore of Baolongshan uranium deposit

图4 宝龙山铀矿床铀矿石U-Pb 等时线图解Fig.4 U-Pb isochron diagram of uranium ore in Baolongshan uranium deposit

结合矿区构造演化和成矿作用分析，以上成矿年龄可划分为3 个阶段，其中81 Ma 大致为嫩江期末，为嫩江组超覆沉积使含矿层姚家组发育埋深成岩作用，代表成岩预富集年龄；74 Ma 为四方台期-明水期，代表反转构造发育期油气渗出改造成矿年龄；52 Ma、46 Ma 正处于古近纪始新统，本区全面抬升、地层剥蚀，为以氧化为主、还原为辅的流体混合叠加改造主成矿阶段，同时该阶段还存在一期区域基性岩浆强烈活动，在矿区及其外围地区发育辉绿岩脉多点侵入，时间和空间上的耦合表明大规模铀成矿作用还可能与岩浆热（液）活动有一定关。

4.2 成矿模式

对比分析发现，宝龙山铀矿床年龄数据与钱家店铀矿床的成矿年龄基本一致，表明成矿作用和成矿阶段可对比（表3）。

表3 钱家店、宝龙山铀矿床铀成矿年龄与成矿阶段划分简表Table 3 Uranium metallogenic age and stage division of Qianjiadian and Baolongshan uranium deposit

结合松辽盆地成盆构造演化特征综合分析，钱家店和宝龙山铀矿床为一次区域大规模铀成矿作用形成，成矿过程具有多阶段、多流体和多成因的特征，为地表含氧含铀水与深部油气（热）流体多期次改造耦合作用形成，不同成矿阶段不同性质的流体作用有混合、有叠加。其中，油气（热）流体对含矿层的渗出改造作用长期发育，但强弱变化呈脉动式；氧化流体自南缘渗入推进至本区稍晚，呈突发式强烈作用，并逐渐减弱。钱家店-宝龙山铀矿床成矿作用可大致划分为4 个主要成矿阶段（图5）。

沉积成岩铀预富集成矿阶段（K2y-K2n晚期）：姚家期，矿区发育大规模辫状河沉积，在河道内部形成高含砂率的赋矿建造。大规模控矿灰砂的形成得益于隆凹相间的古地貌格局，即矿区表现为舍伯吐凸起和架马吐古隆起夹持的带状凹陷区，分支河道进入凹陷区受地貌所限交汇形成大规模辫状河汇水河道，河道汇聚造成水流状态的变化，使携带的泥、砂载荷大量卸载发育大规模富含还原介质的控矿灰色砂体。嫩江末期，在上覆嫩江组及地表水体的压力作用下，含矿层姚家组发生埋深成岩作用，同时铀及其他矿质元素迁移再分配，在富含还原介质的灰色层（砂体）中形成铀预集（体），表征成矿年龄为89 Ma［9］、87 Ma［14］和81.2 Ma 等（图5a）。

区域层间氧化、矿区油气渗出改造为主成矿阶段（K2n晚期-K2m末）：该阶段为松辽盆地全面构造反转期，在统一的大构造背景下，矿区西侧的F1断裂性质发生转换，开始逆冲，并在断裂上盘发育反转背斜。矿区所在的背斜部位为构造高点，属于有利于油气储集的构造圈闭，钱家店凹（断）陷油气资源相对丰富，加之油气运移高峰的到来，深部油气沿贯通断裂和区域不整合面渗出进入含矿层，并沿砂层迁移、聚集、改造。油气作用使原生红色氧化砂体发育灰绿色-灰白色油气褪色蚀变，从而转变为有利的捕铀砂体［15］，并伴生铀成矿作用，而对于原生灰色砂体油气流体浸染可增加它生还原介质［16］，携带的铀及其他矿质元素在成岩预富集的基础上提高了矿化品位，扩大了矿化规模，表征成矿年龄为74.5 Ma、67 Ma［14］等。此阶段在盆地西南部区域层间氧化带已发育具一定规模。嫩江晚期盆地西南缘开始隆升，盆缘地层掀斜剥露，盆山相接，含氧含铀水沿盆缘砂层渗入，顺层向北-北东迁移氧化，发育区域层间氧化带并伴生铀矿化（图5b）。

氧化为主、渗出为辅的耦合成矿阶段（E1-E2）：古近纪早中期松辽盆地全盆隆升缺失超30 Ma 的沉积，矿区所在的西南隆起区隆升强烈，特别是反转背斜轴部隆升幅度大、张力破坏强，地层剥蚀形成白兴吐天窗构造，使姚家组长期暴露地表，砂层（体）与地表连通形成构造减压带，成为区域地下水的集中排泄区。天窗排泄造成的地下水拉力使区域层间氧化带不断向北东推进，最终形成环天窗东、南、西三面的层间氧化带前锋线及受其控制的大规模铀矿化。持续的油气渗出耦合作用减缓了层间氧化带前锋线向天窗的推进速度，使前锋线在一定时期、一定范围前后摆动或蛇状迁移，形成相对较宽的铀矿化带，在前锋线舌状凸出或凹进的部位一般铀矿化的规模更大，表征成矿年龄为53 Ma［14］、52.2 Ma、46.6 Ma、41 Ma［14］、40 Ma［13］等；同期矿区及其外围地区发育基性岩浆强烈活动诱发基性脉岩多点侵入，岩、矿石中虽未见典型的热液蚀变矿物组合，但流体包裹体测温显示出中低温的特征［6，8］，表明岩浆活动对区域地下水有明显的加热作用，促进地下水的对流、循环，加快成矿反映速度，扩大铀成矿规模（图5c）。

油气渗出为主保矿、叠加改造成矿阶段（E3-Q）：古近纪晚期以来，松辽盆地古气候转为潮湿，地下水中的含氧量和含铀量降低，不利于大规模层间氧化带的继续发育，加之油气持续渗出作用，前锋线基本保持稳定，仅局部存在叠加改造成矿作用，使铀矿体得以保存至今，表征成矿年龄为7 Ma［12］（图5b）。

5 结论

1）宝龙山铀矿床矿石中铀主要呈吸附铀、铀矿物和原生铀3 种形式存在，并且以吸附铀为主，在高品位矿石中常见独立铀矿物，主要为沥青铀矿，偶见铀石和钛铀矿。

2）宝龙山铀矿床属于后生渗入氧化为主、油气（热液）流体渗出改造为辅的复合成因型铀矿床，其控矿要素主要包括辫状河道亚相灰色砂体、反转背斜剥蚀天窗和流体渗入-渗出改造作用。

3）矿床成矿作用可划分为4 个阶段，即沉积成岩铀预富集成矿阶段（K2y-K2n晚期）、区域层间氧化、矿区油气渗出改造为主成矿阶段（K2n晚期-K2m末）、氧化为主、渗出为辅的耦合成矿阶段（E1-E2）、油气渗出为主保矿阶段（E3-Q），其中古近纪古新统－始新统区域不整合时期的流体混合叠加改造成矿阶段是矿床主矿体形成期。