伊犁盆地阔斯加尔地区西山窑组上段砂体特征与铀成矿的关系

张 磊

(核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011)

砂岩型铀矿的控制因素较多且彼此相互制约，其中稳定的砂体是矿体形成的基础条件(廉康等，2019)，其在为成矿流体提供运移通道的同时为铀的富集提供空间(吕永华等，2021；宁君等，2018)。砂体的空间展布、内部结构变异及岩性变化等控制着成矿流体的运移方向和运动速率(张磊等，2016；韩效忠等，2020；黄少华等，2021)。随着砂体物性变差，氧化流体出现分散尖灭现象，并随之在尖灭部位出现铀矿体(胡立飞等，2020；王守玉等，2021)，因此，砂体发育规律的研究对砂岩型铀矿的勘查具有重要意义(Jin et al.，2020；Akhtar et al.,2017)。伊犁盆地是我国重要的产铀基地，阔斯加尔地区位于盆地南部，目前已发现较好的砂岩型工业铀矿体，具有较大的成矿潜力。以往研究工作主要以砂体空间展布与矿体关系为重点，缺少对砂体内部结构的差异变化与铀成矿关系的深入研究。笔者以钻孔编录和钻孔砂体数据为基础，通过统计砂体相关参数指标来研究砂体空间展布及砂体内部差异特征，并探讨其与铀成矿的关系，为该地区找矿工作提供理论依据。

1 成矿地质背景

图1 研究区大地构造位置(A)及地质略图(B)Fig.1 Geotectonic location (A) and geological sketch map (B) of the study area1.第四系；2.中下侏罗统水西沟群；3.石炭系-二叠系；4.断层及编号；5.地层界线；6.盆地剥蚀边界；7.地名；8.研究区；9.勘探线及编号

伊犁盆地是在哈萨克斯坦板块和塔里木板块的南北对冲挤压应力作用下形成的大型内陆山间盆地(张国伟等，1999；金若时等，2019)，大地构造单元上处于天山造山带伊犁-中天山微地块。盆地南部由于构造运动形式和强度的差异，在次级断层活动作用下形成多个具有凸起和凹陷相间的次级构造单元。阔斯加尔地区位于盆地南部中段乌库尔其微凸起的东翼，大体呈北东向缓倾的单斜构造(图1)，倾角为3°～7°，区内发育少量断层(邱余波等，2019)。赋矿地层中下侏罗统水西沟群为一套陆相含煤碎屑岩建造，超覆不整合于石炭系基底之上，为一套在潮湿气候条件下形成的、总体表现为退积特征的冲积扇-扇三角洲-辫状河三角洲沉积体系。根据岩石沉积特征，可将该地层自下而上分为下侏罗统八道湾组第一至第四段，下侏罗统三工河组下、上段，中侏罗统西山窑组下、中、上段。水西沟群自下而上发育十二层煤，其中第八、十号煤层最为稳定，是划分西山窑组的标志。工业铀矿体主要赋存于西山窑组上段砂体中，呈不规则条带状东西向展布于研究区北部。矿体规模较大、连续性较好，表明该区具有较好的成矿潜力。

2 砂体特征

研究区西山窑组上段主要发育两套砂体，中间为稳定的泥质类隔水层，局部夹薄煤层，构成较好的砂泥互层结构。其中上亚段砂体空间展布较为连续稳定，并发育较好的工业铀矿体；下亚段砂体连续性较差，多呈断续发育。本次选取上亚段含矿砂体为研究对象，砂体主要为粗砂岩、砂砾岩、中砂岩及细砂岩，砂岩粒度变化明显。岩石原生沉积为灰、浅灰色，后生氧化后呈红色、黄色或浅黄色。铀矿体一般赋存于富含有机质的灰色、深灰色砂岩中(图2)，砂体固结程度以疏松为主，局部为较疏松。砂体中发育有薄层透镜状泥质隔水层。钻孔岩芯显示出水动力作用形成的水平层理、交错层理和斜层理。通过对研究区西山窑组上段砂岩样品进行显微镜观察，并按照碎屑颗粒含量进行投点，显示岩性主要为长石岩屑砂岩。砂体骨架颗粒主要由石英、岩屑和长石组成(图3)，属于颗粒支撑类型，孔隙式胶结，分选性为中等偏差，碎屑呈次棱角状-次圆状，含量通常大于90%，填隙物以泥质杂基为主，部分已重结晶为显微鳞片状绢云母和高岭石等黏土矿物，局部地段部分样品表现为碳酸盐胶结或方解石充填。

图2 西山窑组上段岩石照片Fig.2 Rock photos of the upper segment of Xishanyao FormationA.强氧化砂岩；B.弱氧化砂岩；C.赋矿砂岩；D.原生砂岩

图3 西山窑组上段岩石镜下照片Fig.3 Microscopic photos of rocks in the upper segment of Xishanyao FormationQ.石英；Bi.黑云母；Ms.白云母；Kf.钾长石；Pl.斜长石；Cc.碳酸盐

西山窑组上段砂体中发育层间氧化作用，形成规模较大的层间氧化带。根据砂体的颜色、铁矿物特征以及地球化学指标，层间氧化带大致沿发育方向划分为氧化带、过渡带和原生岩石带，其中过渡带可进一步划分为铀矿石带和铀异常带。本次选取西山窑组上段岩石样品进行氧化还原环境敏感参数分析，统计结果表明(表1)，铀矿石带铀含量急剧升高，多数高于100×10-6，原生岩石带略高于氧化带。钍在过渡带有一定富集，原生岩石带略高于氧化带，但整体变化不大。Th/U值在氧化带高于原生岩石带，过渡带由于铀的富集，急剧降低。整体反映了铀、钍被氧化流体淋滤出来，在过渡带还原介质的作用下沉淀。有机碳和全硫在氧化带中含量最低，在过渡带中含量最高，表现出明显的迁移再富集特征，与铀含量变化趋势一致。Fe3+与Fe2+呈此消彼长的态势，其中Fe2+含量由氧化带到过渡带呈增大趋势，Fe3+从氧化带到过渡带逐渐降低，Fe3+/Fe2+值在氧化带最高，在铀矿石带最低，反映了铀矿石带具有较高的还原容量，有利于铀成矿。

西山窑组上段属辫状河三角洲沉积，分流河道较发育。砂体呈层状、似层状产出，整体上呈北东向展布。含矿目的层呈南东走向，倾向为北东，倾角为3°～10°，平均为7°，砂体埋深由南西向北东逐渐加深。砂体相关指标显示，西山窑组上段砂体发育稳定，规模适中，连通性好，砂体埋深为92～630 m，砂体净厚度为2～50 m，平均厚度为16 m。研究区南部砂体厚度小，以10～20 m为主，局部地段小于10 m，中-北部砂体厚度大，普遍超过20 m(图4)。剖面上，砂体连续发育，局部地段存在分层现象。单孔分析显示，砂体多数具下粗上细的正韵律沉积特征，下部以砂砾岩、含砾粗砂岩为主，向上逐渐变细，以中砂岩、细砂岩为主，局部地段发育细-粗-细的全韵律沉积。砂体顶、底板均发育稳定的泥质类隔水层，地层具备完整的泥-砂-泥结构。

表1 西山窑组上段各地球化学分带中氧化还原环境敏感参数含量Table 1 Contents of redox environment sensitive parameters in each geochemical zoning of the upper segment of Xishanyao Formation

图4 西山窑组上段砂体等厚度与铀矿体叠合图Fig.4 Superposition diagram of equal thickness sand body and uranium ore body in the upper segment of Xishanyao Formation 1.勘探线及编号；2.层间氧化带前锋线；3.砂体等厚度值；4.铀矿体

3 铀矿体特征

层间氧化带发育在西山窑组上段上亚段砂体中，氧化带规模大，整体呈南西向北东方向发育。氧化砂体厚度为2～40 m，规模受控于砂体结构。研究区中部及北部多为单层厚大砂体，氧化砂体发育厚度较大，一般为15～20 m，最大厚度超过30 m；而东、西两侧地段，砂体中发育泥质夹层，砂体出现2～3个分层，使得层间氧化作用受阻，氧化砂体厚度变薄。平面上，该层间氧化带的宽度一般为2 800～6 400 m，前锋线埋深为342～628 m，西接乌库尔其铀矿床，北东向舌状凸出后急剧收敛于F3断层。

研究区铀矿体产于西山窑组上段层间砂体中，受层间氧化带前锋线控制。铀矿体平面上近东西向不规则条带状展布于层间氧化带前锋线两侧，沿走向长度为200～1 500 m，沿倾向宽度为100～450 m。在研究区北部和东部揭露到较富卷头矿体。剖面上，矿体产于氧化带舌状体前缘及氧化带上、下翼与灰色砂岩的接触部位，赋矿岩性以灰色粗砂岩为主，次为中砂岩和砂砾岩。矿体产状与砂体的产状基本一致，倾角为5°～7°。矿体埋深为413～613 m，整体由南西向北东逐渐加深。

4 铀成矿分析

研究区铀矿体的形成与层间氧化作用密切相关。氧化流体携带蚀源区的铀进入砂体，在运移过程中形成层间氧化带，促使原生灰色砂体中的铀不断氧化析出进入成矿流体。随着成矿流体的不断前移，氧化带逐渐尖灭，在还原性物质的作用下流体中U6+还原为U4+，并沉淀富集成矿。

西山窑组上段砂体在研究区内展布稳定，厚度适中。岩性以粗砂岩、砂砾岩为主，砂体以泥质胶结为主，固结疏松，具备较高的孔隙度和渗透性，整体连通性好。砂体顶、底板泥质隔水层发育稳定，具备完整的泥-砂-泥结构，利于成矿流体的汇聚和运移，为砂岩型铀成矿提供了有利的运移通道和富集场所。

研究发现，铀矿体的产出明显受到砂体内部结构差异变化的控制。砂体作为铀矿体的赋存载体，除了提供存储空间，其变化也会引起成矿流体运移动力的变化，进而影响层间氧化带形态的改变，导致铀矿体发育和空间形态的改变。研究区内砂体特征对铀成矿的控制作用可分为平面和垂向的变异控制。平面上主要表现为矿体产于沉积相变化所导致的砂体厚度、粒度及形态的变化部位；垂向上主要表现为矿体常产于受沉积微相的改变而导致砂体内部结构发生变化的部位；砂体内部炭屑和黄铁矿等还原性物质的含量以及砂体自身含铀量的多少也是影响铀成矿的因素之一。

4.1 砂体平面展布特征与铀成矿的关系

从图4可以看出，研究区西山窑组上段发育辫状河三角洲相沉积，分流河道较发育，砂体呈北东向条带状展布，自西向东发育大致三条分流河道，其间为分流河道间泥岩夹薄层砂体。层间氧化带和铀矿体发育受砂体厚度变化影响，研究区西部K501线附近由于分流河道间砂体急剧变薄，成矿流体运移受阻，流体向两侧厚大砂体分流，前锋线急剧向西南收敛，在K501线两侧砂体发育厚度较大，层间氧化作用强，前锋线向北及北东方向凸出，在549—569线附近，受砂体变薄影响，层间氧化作用受阻，前锋线向西南收敛，两侧砂体发育厚度大，前锋线向北东方向凸出。

砂体是氧化流体运移的通道，其稳定分布有利于地下水补-径-排体系的建立和通畅。一般情况下，砂体的厚度越大，层间氧化带发育规模越大，铀成矿条件就越好。统计结果显示，西山窑组上段矿体在平面上围绕厚层砂体展布，主要分布在砂体由厚变薄的靠近厚层砂体部位，同时也是含砂率急速降低的部位，即辫状分流河道骨架砂体向分流河道间泥岩过渡的边缘靠近河道一侧。砂体厚度与铀矿体产出存在一定的关系，砂体厚度为10～20 m最利于成矿，其次为20～30 m，厚度小于10 m或大于30 m时矿体发育较差或不发育(图5)。同时，矿石碎屑物粒度的统计表明铀富集与砂岩粒度存在一定的关系，成矿作用易在粗粒岩中富集。铀矿化主要赋存于粗砂岩、中砂岩和含砾粗砂岩，其中以粗砂岩成矿最好，占比为62%。通过观察钻孔岩芯发现，赋矿砂岩普遍疏松易碎，遇水易发生裂解，矿石具备较高的孔隙度和渗透性，为成矿流体的运移提供有利条件，并为铀的富集成矿提供有利场所。

辫状三角洲分流河道砂体分汊部位砂体发育变薄、粒度变细，地层含砂率急速降低，砂体中的泥质含量增高，砂体的孔隙度和渗透性降低，导致成矿流体运移受阻，而河道分汊部位通常有机质及黏土物质含量高，对铀的还原和吸附作用强，利于铀从流体中析出沉淀富集，因此河道分汊部位也是成矿有利地段。

图5 西山窑组上段砂体厚度、粒度与铀矿体分布百分比图Fig.5 Thickness and grain size of sand body and distribution percentage of uranium ore body in the upper segment of Xishanyao FormationA.铀矿体在不同厚度砂体中分布比例；B.铀矿体在不同砂体粒度中分布比例

砂体空间形态对铀成矿的控制在研究区内主要表现为受地层沉积及构造发育影响，砂体产状发生变化，进而控制成矿流体的运移方向和速度。在研究区砂体产状整体呈北东向缓倾，但是在中部地段北部受构造挤压应力作用，砂体空间形态为中部下凹，两侧抬起的微凹陷。受砂体产状影响，成矿流体向中部下凹部位汇聚后向北东向运移，并在发育较好的层间氧化带顶底板及前部富含有机质的灰色砂体中发育铀矿体。

图6 K533线西山窑组上段矿段剖面示意图Fig.6 Schematic diagram of K533 line ore body in the upper segment of Xishanyao Formation1.中侏罗统西山窑组上段；2.砾岩；3.砂砾岩；4.含砾粗砂岩；5.粗砂岩；6.中砂岩；7.细砂岩；8.粉砂岩；9.泥岩；10.钻孔；11.岩性界线；12.层间氧化带；13.矿体

4.2 砂体垂向发育特征与铀成矿的关系

研究区砂体在垂向上的发育特征对铀成矿的控制作用明显。剖面上，铀矿体多赋存于层间氧化带顶、底板和前方的灰色砂体中，赋矿岩性以粗砂岩为主。研究区南部砂体厚度大，层间氧化作用发育强烈，由南向北砂体产状由陡变缓，成矿流体的运移动力减弱。沿流体运移方向，砂体中出现泥质夹层，南部的一层砂体分隔成三层，同时碎屑物颗粒逐渐变细，由南部的砂砾岩、含砾粗砂岩为主，逐渐过渡为中部的粗砂岩为主，至北部变为以细砂岩、中砂岩为主。这些变化导致砂体的连通性变差，孔隙度和渗透性降低，成矿流体在该地段出现分流，流体运移动力减弱、速度变慢，水岩作用时间延长，导致水中氧含量降低，最终被消耗殆尽。流体中的铀在富含炭屑等有机质的还原作用及黏土物质的吸附作用下，从流体中析出沉淀富集。即矿体多赋存于砂体厚度由厚变薄、产状由陡变缓、出现隔水层或隔水层数量增加以及砂岩碎屑物由粗向细发生突变等部位(图6)，与平面上辫状河分流河道向河道间过渡边缘部位相吻合。

研究区内西山窑组上段砂体中发育1～5层泥质夹层，多数钻孔中为1～2层，夹层累计厚度为0.2～7.6 m，多数钻孔中累计厚度小于2 m。通过统计发现，西山窑组上段砂体中铀矿体的发育概率与泥质夹层数量及夹层累计厚度均呈负相关，即随着砂体内泥质夹层数量和夹层累计厚度的增加，铀成矿概率降低，并且在夹层数量超过3层、累计厚度大于8 m的砂体中不发育铀矿体(图7)。

4.3 砂体内部铀及还原物质含量与铀成矿关系

研究区西山窑组上段砂体是在蚀源区山体的持续隆升阶段沉积形成的，剥蚀区作为主要物源的石炭、二叠系中酸性火山岩和花岗岩碎屑物等大量进入盆地，形成暗色的含煤碎屑岩建造。前人研究表明，石炭、二叠系火山岩和花岗岩普遍含有较高的铀，在搬运过程中，铀以碎屑或络合物形式进入含矿砂体，形成铀元素的初始富集，其铀含量为4.2×10-6，高于砂岩的克拉克值2.9×10-6，致使砂体本身富铀(李胜祥等，2007；Bonnetti，2017)。通过对层间氧化带不同分带采集样品进行分析，结果显示原生灰色砂岩中的铀含量明显高于氧化砂岩中的铀含量，说明随着层间氧化作用的进行，砂体中的铀被活化后随成矿流体迁移，使砂体本身也成为后生成矿的铀源之一。

图7 西山窑组上段砂体中泥质夹层数量、厚度与铀成矿关系Fig.7 The relationship between the number and thickness of argillaceous interlayer in the sand body of the upper member of Xishanyao Formation and uranium mineralizationA.泥质夹层数量与成矿的关系；B.泥质夹层累计厚度与成矿的关系

原生砂岩中还原物质含量的多少是决定铀成矿的重要因素。炭屑和黄铁矿是西山窑组上段含矿砂体中常见的还原性物质，其含量在过渡带中最高，在原生岩石带中次之，在氧化带中最低。二者均随着成矿流体的运移发生了迁移和再富集，其中有机碳在氧化带前锋线附近呈孤岛状富集展布(陈虹等，2020)，全硫沿前锋线呈条带状富集展布，二者的富集形态与矿体空间展布形态高度吻合。过渡带和原生岩石带的有机碳含量分别是氧化带的2.5倍和2.0倍，全硫含量分别是氧化带的10倍和5倍，说明全硫的迁移能力明显强于有机碳。二者在氧化带和过渡带的强反差度，导致氧化带前锋线附近砂体的地化环境发生急剧变化，在氧化带前缘形成有利于铀沉淀的物理化学和生物化学环境，即过渡带地球化学障。此处有机质富集，微生物的繁衍及生命活动，各种生物化学作用产生的还原气体及黏土的吸附作用，导致了铀从成矿流体中析出沉淀和聚集成矿。通过观察发现，矿石品位与砂岩中炭屑及黄铁矿等还原性物质的关系密切，一般情况下矿石品位与有机质含量呈正相关。

5 结论

(1)西山窑组上段属辫状河三角洲沉积，分流河道较发育，砂体分布稳定连续且厚度适中，砂岩固结疏松，孔隙度和渗透性均较好，砂体顶、底板均发育稳定的泥岩隔水层，具备完整的泥-砂-泥结构，利于成矿流体的汇聚和运移，并为矿体的富集提供有利空间。

(2)西山窑组上段铀成矿最佳砂体厚度为10～20 m，其次为20～30 m。砂体厚度小于10 m或大于30 m不利于成矿；铀矿体主要赋存于粗砂岩、中砂岩和含砾粗砂岩中，其中以粗砂岩成矿最好。

(3)西山窑组上段铀矿体发育与砂体的空间展布及内部差异性特征相关。矿体多发育在受沉积相变控制的砂体形态及其内部结构发生变化部位，如砂体产状由陡变缓、厚度由厚变薄、泥岩夹层由无到有或由少增多、砂岩碎屑物由粗突然变细等；砂体的这些变化造成层间氧化作用受阻，层间氧化带尖灭，并在地球化学障处的还原物质作用下，铀从流体中析出并富集成矿。

(4)西山窑组上段砂体本身铀含量高，同时砂体中强烈的地球化学反差度有利于铀成矿，并且矿石品位与砂岩中有机质含量呈正相关。