新构造运动对蒙其古尔铀矿床地下水演化的影响

李 锐，王福东，陈 程，魏显珍

(1.核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中华全国供销合作总社天津再生资源研究所，天津 300191)

蒙其古尔铀矿床是在伊犁盆地侏罗系地层中发现的特大型可地浸砂岩型铀矿床[1]。F3断裂切穿了蒙其古尔铀矿床的侏罗系地层，其阻水的逆断层性质使矿床与西部的扎吉斯坦矿床处于不同的水文地质单元[2]。在相对独立和稳定的构造成矿系统中，F3断裂使主要来自于扎吉斯坦河上游的含氧含铀水，在蒙其古尔铀矿床相对封闭的补-径-排体系中由西南向北东渗流[3]。由于扎吉斯坦河对侏罗系层间水的持续补给，使层间氧化带不断沿地层向前推进，进而形成铀的叠加富集[4]。

前人对蒙其古尔铀矿床的研究集中于现代地下水径流系统，对铀成矿期的地下水补-径-排体系研究较少，特别是缺乏新构造运动对矿床补-径-排体系影响的研究。随着对郎卡地段大量的钻探查证和深入研究，理清了区域构造运动对矿床小范围内格局改变的影响。

在找矿过程中发现，矿体形态与现代地下水径流体系存在较大偏差。笔者结合地下水体系的演化与新构造运动，根据构造期次、新构造运动，及铀成矿测年等条件，深度推演蒙其古尔矿床的地下水演化规律，以期为地质找矿中遇到的同一地区不同位置或不同层位产出的矿床规模、矿体形态差异的原因提供新的思路。

1 研究区水文地质条件

蒙其古尔铀矿床夹持于F1和F3断裂之间(图1)，东西长约16 km。侏罗系地层以3种不同形式出露于南部与二叠系火山岩接触部位，总体上蒙其古尔沟以西地层以3～8°倾角向西南展布至出露部位。流经此处的扎吉斯坦河直接与侏罗系地层接触，地表水顺地层补给地下水。

蒙其古尔沟所在的矿床中段为构造破碎窗部位，断层下切侏罗系地层，冰雪融水所形成的季节性河流可以通过此处补充地下水。蒙其古尔沟东部受F1断裂的逆冲推覆作用，侏罗系地层呈直立倒转形式出露，阻断了地下水的顺层补给途径。地下水径流方向为平行F3断裂，沿地层倾向流向北东方向。侏罗系地下水在矿床附近未见排泄渠道，推测矿床东部的切金沟断裂为区域排泄源。

1—第四系；2—新近系；3—头屯河组；4—西山窑组上段；5—西山窑组下段；6—三工河组上段；7—三工河组下段；8—八道湾组；9—煤；10—断层；11—推测断层；12—河流；13—钻孔及编号；14—透水层；15—隔水层；16—地下水补给位置及流向。图1 蒙其古尔铀矿区水文地质图Fig.1 Hydrogeologic map of Mengqiguer uranium deposit

2 构造运动与铀成矿期次

蒙其古尔铀矿床由于含氧含铀水持续渗入侏罗系含煤地层，使得灰色还原砂体不断被氧化为黄色-浅红色，形成层间氧化带。随着氧化带的发育，形成了不断前移层间氧化带前锋线和还原地球化学障，铀矿化经历了多期次的叠加富集。

鉴于地下水运动对铀成矿的控制，采用铀沉积和层间氧化带的展布作为古地下水径流条件的宏观表现形式。研究中已发现蒙其古尔铀矿床的主成矿年龄集中在12～2 Ma[5]，同时铀成矿与新构造运动、地下水径流条件改变有着密不可分的关系。

2.1 构造运动期次

蒙其古尔铀矿床的地质构造特征是在区域构造运动影响下，经历长期演化而形成的[6]。海西晚期陆相成盆初期，经过了反复的相对静止和活化的构造演化发展过程，由于构造活动的强弱或运动期次的不一致，形成了F1控盆断裂与水文地质边界的F3等断裂。侏罗纪地层沉积以后，盆地南缘构造活动大致划分为4期。

2.1.1 晚侏罗世至晚白垩世

在南北向区域挤压应力作用下，盆地南缘二叠纪火山凝灰岩对侏罗系地层逆冲推覆作用持续加强，形成一系列的牵引褶皱和断裂带的破碎岩石叠瓦状堆积。晚白垩世受燕山末幕运动的影响，盆地南北挤压应力作用进一步加强，使盆地基底整体抬升，侏罗系地层开始持续接受南部山区含氧含铀水的顺层渗入，形成铀矿的预富集。

2.1.2 渐新世至中新世

构造运动起因于天山揭顶作用的驱动。新构造运动始于渐新世，根据矿床南部的察布查尔山磷灰石裂变径迹测试模拟结果、Hendrix等磷灰石测试结果和方解石脉的ESR测试年代推断，中新世天山处于印亚板块碰撞的远程效应之中，包括察布查尔山在内的整个天山山脉开始大规模的抬升、剥露，横跨整个盆地，南缓北陡，侏罗系—白垩系的褶皱形成，南北向挤压作用使地层脆性变形并生成F3断裂。

扎吉斯坦向斜褶皱地层中的方解石脉侵入时间为12.88 Ma[7]，这代表了F3断裂的形成时间，F1断层泥中石英碎砾微观溶蚀形貌结构为珊瑚状和锅穴状，如图2(a)所示。

2.1.3 上新世末至早更新世

该期次构造活动时段大致为1.35～2.0 Ma，伊犁盆地快速沉降和南部山脉隆升幅度均达到了最大的反差，南北向的剧烈挤压使褶皱构造变形加剧，形成了盆山地貌格局。

F1断裂再次逆冲推覆，发生强烈的隆升与沉降作用。F1断裂在蒙其古尔铀矿床中部形成的平移走滑断层组，切碎了火山凝灰岩继续下切侏罗系地层，从而在这一区域形成了构造破碎窗口，成为蒙其古尔铀矿床的地下水重要补给窗口之一。F1断层泥中石英碎砾的微观溶蚀形貌为苔藓状和鳞片状，断层泥样品的这种形态反映了这一时期构造活动在矿床区域内较为强烈，如图2(b)所示。

2.1.4 中更新世至全新世

该期次构造活动时间大致为0.13～0.35 Ma，运动的主要体现为天山在第四纪持续隆起。在这一运动影响下，蒙其古尔铀矿床主要表现为不同的升降运动。中更新世早期，第四系覆盖在新近系地层之上的沉积表现为平行不整合接触。中更新世晚期，区内构造活动转向强烈，主要表现为盆地南缘火山凝灰岩岩向盆地内的侏罗系地层的逆冲推覆作用强烈。在断层泥中，次贝壳状的石英碎砾微观溶蚀形貌占有一定比例，更多表现了晚更新世构造活动印迹，如图2(c)所示。

全新世在盆地南缘整体上表现出构造持续运动的特点，更多表现为脉动式的差异升降作用。该期断层泥中，石英碎砾受溶蚀和改造作用最小，所形成的贝壳状结构微观溶蚀形貌保留的最为清晰，如图2(d)所示。大部分的石英碎砾发生脆性变形而不破裂，这显示了在高挤压应力作用下的缓慢破裂过程。切断各种擦痕的撞击坑表明了全新世发生过诸如地震等强应力短暂作用，高应力作用下的快速撞击在石英碎砾表面形成了楔形撞击坑。

(a)珊瑚状石英碎砾微观溶蚀形貌；(b)苔藓状石英碎砾微观溶蚀形貌；(c)次贝壳状石英碎砾微观溶蚀形貌；(d)贝壳状石英碎砾微观溶蚀形貌。图2 碎砾微观溶蚀形貌Fig.2 Microphotographs of the crushed gravel

2.2 新构造运动与铀成矿期次的对应

从铀的沉积富集可探究古地下水演化的痕迹。对取自蒙其古尔铀矿床不同赋矿层位、矿体不同部位(以卷头和接近卷头部位为主)的高品位矿石样品的分析表明，铀成矿年龄分布于0.25～158 Ma，其中70%样品年龄集中分布于2～12 Ma[8]。这说明该期次为蒙其古尔铀矿床的主成矿期。

将F1断裂断层泥样品关于断裂活动状态的分析测试结果与蒙其古尔矿床铀成矿年龄对比，可以发现每期构造活动后，静止期均伴随铀成矿作用发生。这反映了构造运动与铀成矿在时间分布上具有规律性，主要的构造运动都强烈改变了地下水的径流条件，且这些构造运动都打开了含铀含氧水进入侏罗系地层的通道，宏观表现为铀沉积的间断与累加富集(图3)。

图3 控盆F1断裂构造活动与铀成矿期次的对应关系Fig.3 Relation between F1 fault tectonic activit and uranium metallogenic period

3 铀成矿期次反推地下水径流条件的演化

地下水补-径-排体系的确立受构造和岩相-岩性的控制，地下水补给源的分布位置和径流方向是决定层间氧化带发育和铀迁移方向的重要因素，进而影响铀矿化总体的空间展布。稳定的地下水径流时间区段能为水岩作用提供充足的时间，是铀元素自火山岩中淋滤出来并在砂岩中富集的必要条件。通常在地层形成一段时期的稳定补-径-排体系以后，含氧水才会从火山岩中带出铀元素并进入侏罗系地层。由此判断蒙其古尔铀矿床地下水演化大致经历了4个阶段。

3.1 第1阶段

晚侏罗世至晚白垩世，蒙其古尔铀矿床侏罗系地层主要为单斜构造。控盆断裂F1在应力反复加强的作用下在盆缘形成补水的断裂带。侏罗系地层主要接受南部山区水的顺层补给，排泄集中于盆地中间部位，径流距离长，水交替缓慢。在这一时期整个侏罗系地层开启程度相差不大，除个别地层外，从东到西大范围内均形成了南北向的层间氧化带；并在部分地段因有含氧含铀水进入地层，在氧化带的前锋线形成了铀富集。层间氧化带砂岩型铀矿成矿模式如图4所示。

3.2 第2阶段

渐新世至中新世，该期次蒙其古尔铀矿床最主要的变化为侏罗系白垩系地层形成扎吉斯坦向斜，地层整体向北东向倾斜。F3断裂形成于该期次，断裂经地下水作用形成了继承性河流扎吉斯坦河。该河流经侏罗系与火山岩接触区的出露部位，大量河水进入侏罗系地层补充地下水[9]。由此蒙其古尔铀矿床确立了2个地下水补给途径，分别为南部山区的基岩裂隙水的顺层补给和扎吉斯坦河的河流补给。径流方向与F3断裂方向平行，为北东向，在摆脱断裂控制后转变为南北向，流向盆地并在盆地中部排泄。

3.3 第3阶段

上新世末至早更新世，该期的构造运动形成了现今的盆山地貌。盆地南缘的主要构造改变是F1断裂的复活将石炭系火山岩逆冲推覆于侏罗系地层之上，并形成了侏罗系地层的倒转褶皱。L9号勘探线剖面情况如图5所示。倒转褶皱阻断了大部分由南部山区向蒙其古尔铀矿床侏罗系地层补水的路径，仅在矿床中部形成的构造破碎窗加大了南部山区顺层补给的水量。F1断裂的逆冲推覆大幅度改变了地下水的补给条件。

这个阶段由断层逆冲推覆之前的扎吉斯坦河上游和南部山区双向补给，改变为只接受扎吉斯坦河水和构造破碎窗补给。从L9号剖面可以看出，表现地下水运动宏观形势的层间氧化带一直延伸到地层出露的盆缘，并在F1断层的推覆下随地层扭曲倒转，失去接受顺层补水能力。

1—二叠纪华力西期晚期花岗岩；2—石炭纪-二叠纪火山岩；3—第四系+新近系地层；4—砾岩；5—砂岩；6—泥岩；7—煤层；8—断层；9—层间氧化带前锋线；10—层间氧化带；11—铀矿体。图4 层间氧化带砂岩型铀矿成矿模式Fig.4 Metallogenic model of sandstone-type uranium deposit in interlayer oxidation zone

3.4 第4阶段

中更新世—全新世，该期次构造运动主要表现为逆冲推覆作用的持续加强，大部分侏罗系地层在与盆缘接触部位实现逆转；仅在构造破碎窗以西侏罗系地层被抬升至地表，强化了扎吉斯坦河对侏罗系地层的补给作用。侏罗系地层地下水流向与构造关系如图6所示，这一时期河流补水与构造破碎窗补水在矿床西部实现了交汇，地下水作用形成的层间氧化带及铀矿体在交汇部位实现了叠加富集，因此形成了厚大铀矿体。

矿床东部因推覆作用阻断了南部山区的地下水补给，地下水来源为流经矿床西部的扎吉斯坦河顺层来水。矿床东部地下水径流所形成的氧化带及铀矿体主要成矿阶段为第3阶段之前，即晚侏罗世至中新世。所以东部矿体较西部形态更为简单，沥青铀矿206Pb/238U表观铀成矿年龄分布于3.6～15.5 Ma，207Pb/235U表观年龄集中分布于5.9～17.6 Ma，从西到东成矿年龄逐渐古老(表1)。

1—第四系地层；2—新近系地层；3—侏罗系头屯河组；4—侏罗系西山窑组上段；5—侏罗系西山窑组中段；6—侏罗系西山窑组下段；7—三工河组上段；8—三工河组下段；9—八道湾组；10—二叠系乌郎组；11—凝灰岩；12—第四系洪积、坡积物；13—砂砾岩；14—砂岩；15—泥岩；16—煤；17—地层界线；18—断层；19—氧化砂体；20—铀矿体；21—钻孔及深度。图5 L9号勘探线剖面Fig.5 Cross-sectional view of L9 exploration line

1—河流；2—断层；3—层间氧化带；4—铀矿化范围；5—铀工业矿体范围；6—地下水径流方向。图6 侏罗系地层地下水流向与构造关系Fig.6 Relation between groundwater flow direction and geological structure in Jurassic stratum

表1 沥青铀矿U-Pb同位素年龄分析结果Table 1 Analysis results of U-Pb isotopic age of pitchblende

4 结论

蒙其古尔铀矿床地下水径流受新构造运动影响经历了4次演化。

1)晚侏罗世至晚白垩世，铀矿床主要接受南部山区的地下水补给。该期次的地下水径流具有区域性。普遍在侏罗系地层中形成了层间氧化带，且氧化带的向前推进距离大致相等。含氧含铀水在部分地段进入地层，并在氧化带的前锋线位置形成沉积。

2)渐新世至中新世，扎吉斯坦向斜导致地层向北东方向倾斜，同时形成F3断裂。蒙其古尔地下水流向除了南部山区的正向补给之外，逐渐增加了矿床西部的扎吉斯坦河水的侧向补给，且侧向补给的水量逐渐占据主导地位。

3)上更新世至早更新世，为蒙其古尔矿床形成的主要时期。F1断裂的活化将石炭系火山岩推覆于侏罗系地层之上，改变了由南部山区和扎吉斯坦河双向补给的格局，导致矿床西部接受扎基斯坦河和构造破碎窗的双重补给，而矿床东部从南部山区直接接受补给的通道被关闭。这促成了矿床东西部铀矿体空间展布及成矿规模的差异。

4)中更新世至全新世，蒙其古尔铀矿床的区域构造仅对前期构造进行强化，未出现对地下水流向根本性改变的事件。随着地层的抬升，矿床西部的构造破碎窗对地层的补水作用逐渐减弱。蒙其古尔铀矿床的地下水补给变为以扎吉斯坦河为主，构造破碎窗为辅。这一地下水补-径-排体系延续至今。