伊犁盆地南缘侏罗系沉积相对铀成矿的控制作用

邱余波， 罗星刚， 张磊， 苗辰若， 李刚

(核工业二一六大队， 乌鲁木齐 830011)

伊犁盆地自20世纪90年代开展砂岩型铀矿勘查以来，相继发现了库捷尔太、蒙其古尔、洪海沟等大型、特大型铀矿床，取得了巨大的找矿成果，伊犁盆地已成为中国重要的可地浸砂岩型铀矿产基地。前人对伊犁盆地砂岩型铀矿的地质特征、富集规律、成矿模式、地化特征等方面进行了大量的研究，取得了丰富的研究成果[1-4]。在砂岩型铀矿诸多控矿因素中，沉积相是砂岩型铀矿的重要控矿因素，对含矿流体的富集和成矿至关重要[5-8]。侏罗系是盆地内主要的铀矿含矿层位，许多学者对其岩性岩相、沉积特征与铀成矿的关系已进行过相关研究。李胜祥等[9]从研究伊犁盆地不同地段含煤地层岩性变化特征入手，提出冲积扇快速入湖的扇三角洲沉积相模式，指出滨湖三角洲相砂体是寻找层间氧化带砂岩型铀矿的主要部位。李彦龙[10]认为水西沟群自下而上，可化为8个旋回，Ⅰ～Ⅳ旋回属于冲积扇沉积；Ⅴ～Ⅷ旋回属于扇三角洲沉积。刘家铎等[11]认为可地浸砂岩型铀矿主要赋存于冲积扇扇中辫状河道微相和三角洲平原分流河道及泥炭沼泽微相。刘陶勇等[12]提出砂体发育最好的河流相及扇三角洲平原相至前缘相，是形成后生层间氧化带的有利层位；同时砂体粒度变细，渗透率降低的部位，利于层间水中迁移的离子沉淀下来。李胜祥等[13]进一步指出辫状河三角洲沉积体系是砂岩型铀矿成矿最有利的沉积体系，三角洲前缘河口坝、三角洲平原辫状河流、扇中-扇端及三角洲平原分流河道是砂岩型铀矿主要的控矿沉积相。刘武生等[14]提出伊犁盆地砂岩型铀矿化主要赋存在三角洲沉积体系中(78%)中，其次为冲积扇沉积体系(21%)。铀矿化主要赋存于砂地比高(>0.45、砂体厚度适中17～32 m)的层位中。王勋[15]通过研究砂岩型铀矿与沉积微相的空间展布关系，认为西山窑组下段的主要控矿微相为分流河道，西山窑组上段的主要控矿微相为决口扇。吴斌等[16]提出沼泽微相的煤或含煤沉积的泥岩与分流河道(平原或前缘)微相的富铀砂体在空间上呈共存共生关系，这种共生关系是沉积微相分异的结果。

随着伊犁盆地砂岩型铀矿勘查工作的深入推进，勘查范围进一步扩大，往西已达到中哈国境线，往东也超过了切金沟，勘查工作也取得了新的成果和认识。前人对沉积相与铀成矿关系的研究，主要集中在20世纪90年代到21世纪10年代，许多观点和认识已不能满足目前的勘查工作，而且研究重点主要集中在砂岩型铀矿赋存的有利沉积相带，对不同沉积相的成矿潜力、不同微相对矿体的控制和制约并没有进行系统、精细的研究。鉴于此，以伊犁盆地不同铀矿勘查阶段尤其是最近的勘查工作所收集的钻孔资料为依据，结合最新勘查成果与认识，对伊犁盆地南缘侏罗系沉积演化特征进行了深入研究，在此基础上系统地分析和研究沉积相的类型和沉积微相的变化对铀成矿的控制作用，以期为伊犁盆地下一步铀矿勘查工作提供科学、合理的理论指导。

1 区域地质背景

伊犁盆地夹持于塔里木板块与哈萨克斯坦板块之间，为一南北挤压应力下形成的北陡南缓的箕状不对称大型山间坳陷盆地[17-19]。盆地由北往南可分为北部褶皱带、中央凹陷带和南部斜坡带3个东西向带状展布的构造单元[20-21]。研究区位于南部斜坡带中西部，是伊犁盆地铀矿床集中分布的地区(图1)，沉积盖层自下而上为下侏罗统八道湾组、三工河组，中侏罗统西山窑组、头屯河组，新近系和第四系，铀矿化主要赋存在中下侏罗统各地层中[22]。除铀矿以外，伊犁盆地南缘煤层也很发育，从八道湾组下段到西山窑组上段在盆地南缘共发育12套厚度、规模不等的煤层，从下往上依次编号为M1～M12，其中M5、M8、M10在区域上稳定发育，是研究区侏罗系地层划分与对比重要的标志层。

2 沉积演化特征

伊犁盆地南缘侏罗系八道湾组是在小泉沟群晚期湖水退出盆地南缘的基础上而形成的冲积扇沉积。在八道湾组沉积初期，沉积物供应量较大，冲积扇的冲积能量也较大，八道湾组下段的扇体往北延伸较远，且在研究区发育有较大规模的砾岩、砂砾岩沉积的扇根亚相，由于南部蚀源区沉积物供应量逐渐减少，八道湾组上段的冲积扇体往南收缩，规模明显减小，扇根沉积在研究区内很少出现，且扇中沉积的规模也明显变小。八道湾组的垂向粒序特征也表现为往上逐渐变细的正旋回，说明沉积环境的水动力条件也在逐渐变小。总的来说，八道湾组是一个退积的冲积扇沉积。

三工河组沉积早期，湖水又一次进入盆地南缘，沉积环境逐渐由八道湾组的冲积扇过渡为扇三角洲。到西山窑下段沉积期，沉积物供应量逐渐增大，加上三工河组时期就已经进入盆地南缘的湖水，在研究区形成了规模大、连续性好的扇三角洲沉积体。该沉积时期发育的大规模的三角洲平原和前缘分流河道砂体是研究区最主要的赋铀矿空间。西山窑组下段发育的规模和厚度都很巨大的M8煤表明湖水在该时期已经退出盆地，整个研究区为长时期的沼泽沉积。

西山窑组中段沉积期，湖水又一次进入盆地南缘，但是该时期沉积物供应量较少，在伊犁盆地南缘主要发育滨浅湖的泥岩沉积，局部地段发育有滩坝砂体，但是在平面上不稳定，且连续性较差。此外，由于湖水的升、降波动，在湖水暂时退出盆地南缘时，还发育有一定规模的漫滩沼泽。在西山窑组沉积后期，沉积物供应量又一次增大，沉积环境由湖泊沉积再次转变为扇三角洲沉积。到头屯河组沉积时期，气候已逐渐变得干旱炎热，扇三角洲沉积逐渐转变为河流沉积(图2)。

图2 伊犁盆地ZK6877孔侏罗系综合地层柱状图Fig.2 Synthetic column map of Jurassic of ZK6877 in YiliBasin

总的来说，伊犁盆地西南缘沉积环境、沉积相的演化主要受沉积物供应量的变化，湖水的周期性退、进，以及物源方向等因素的控制。在这三方面因素的综合影响和驱动下，研究区侏罗系的沉积环境从冲积扇、扇三角洲、滨浅湖逐渐演变为河流相，经历了陆相沉积的不同沉积环境[23]。

3 沉积相的类型对铀成矿的控制

3.1 冲积扇

冲积扇砂体是由间歇性水流形成的一种极不稳定的砂体，且沉积碎屑物的分选很差，碎屑颗粒也很粗大，砂体的这种结构特征亦不利于有机质的吸附，因此总体来说冲积扇不是找铀的有利相位。研究区冲积扇沉积主要发育在八道湾组地层，尤其是八道湾组下段，扇体规模较大，且是由多个冲积扇组成的冲积扇裙。研究区内八道湾组下段冲积扇沉积只在墩买里的库捷尔太矿床发育有一定规模的铀矿体，其次是在洪海沟铀矿床南部发育有零星的矿体。这主要是因为该地区发育的冲积扇砂体粒度相对较细，厚度适中(东部的扇体厚度普遍较大，不利于含矿物质的沉淀、聚集)且氧化带前锋线已推进至扇中亚相，铀矿体也主要赋存在扇根与扇中的相关部位,也就是砂体的厚度和粒度发生较大变化的部位(图3)。

图3 研究区下八道湾组下段沉积相与铀成矿示意图Fig.3 Sketch map of sedimentary facies and Uranium deposit of LowerBadaowan Formation in study area

3.2 扇三角洲

扇三角洲沉积主要有三个特点，一是发育有沼泽沉积的煤层，煤层可以提高地层的整体还原能力，同时煤层是很好的隔水层与分流河道砂体、分流间湾、前三角洲泥能构成极好的泥-砂-泥结构；二是水上分流河道与水下分流河道连通，而水下分流河道通常往北延伸较远，大多能到达局部的排泄源，从而使得地下水的补径排体系较为通畅；三是分流河道砂体的厚度适中，研究区三工河组和西山窑组下段砂体厚度大多在10～30 m，十分有利于含铀物质的富集、沉淀。因此，扇三角洲沉积砂岩型铀矿的潜力和规模都比较大。比如研究区西山窑组下段的扇三角洲沉积，是伊犁盆地南缘铀矿体最为发育的含矿层段(图4)。

图4 研究区西山窑组下段沉积相与铀成矿示意图Fig.4 Sketch map of sedimentary facies and Uranium deposit of Lower Xishanyao Formation in study area

3.3 河流相

河流沉积最大的特点是发育有一条方向性十分明显的主河道(河床沉积)，河道两边则是细粒沉积的河漫沉积(通常为河漫滩、河漫沼泽)，再往外则是洪泛平原沉积的粉砂质泥岩、泥岩。通常情况下，河道展布方向与构造所造成的地层倾向一致或者相差较小，铀成矿的潜力相对较大。但是如果沉积期后的地层抬升，致使河漫滩被部分剥蚀，南部的河道砂体直接与上覆的松散第四系接触，含氧含铀流体通过第四系松散堆积物往下渗流进入河道砂体中，比如洪海沟铀矿床的头屯河组仍有可能形成一定规模的铀矿体[24]。

3.4 湖泊相

湖泊沉积主要发育在西山窑组中段和三工河组的局部地段，主要为浅湖-半深湖的泥岩沉积。西山窑组中段，主要为滨浅湖的泥岩沉积，局部地段发育有沼泽，而砂体发育不稳定，且在平面上连续性差，因而不具备形成层间氧化带的条件，没有铀矿化显示。比如三工河组发育的扇三角洲在研究区西部，分流河道砂体不发育，主要为前三角洲和浅湖沉积的泥岩、粉砂岩，几乎没有铀成矿能力，也不发育铀矿体甚至是铀矿化。

总的来说，在伊犁盆地南缘扇三角洲沉积最有利于铀成矿的发育，其次是河流相沉积，冲积扇相的铀成矿潜力相对较差，但是在局部地段仍有一定的成矿能力，而湖泊相由于砂体发育差，不具备形成层间氧化带的条件，在研究区内几乎没有成矿潜力。

4 沉积微相对铀矿的控制

事实上，在大比例尺的矿床范围内，铀矿体的形态、空间展布以及矿石品位与沉积微相的关系更为密切。大的沉积相类型及其分布特征可以控制和影响铀矿床内铀矿体的总体发育特征，但是具体到每条勘探线、每个钻孔，由沉积微相的变化所引起的砂体厚度、粒度的变化、泥岩夹层的出现和缺失以及砂体形态的突然变化，是影响铀矿体形态和品位的主要原因。

4.1 河心泥滩的出现与缺失对铀成矿的影响

在厚大的河道砂体中，有时发育有厚度不等的泥质夹层，河道砂体中出现泥质夹层说明在该沉积时期，携带砂质碎屑的河水暂时绕过此处，从而形成砂体发育较差的河心泥滩。沿河道展布方向出现的河心泥滩使氧化带突然变窄，在氧化带前方的泥质夹层与砂体之间或氧化砂体与还原砂体的过渡带发育铀矿体，如洪海沟铀矿床西山窑组上段沿K01线出现的河心泥滩改变了含氧含铀流体的渗流方向，铀矿体主要发育在河心泥滩前方。稳定出现的泥质夹层在局部地段的缺失对铀成矿影响同样很大。比如在蒙其古尔铀矿床三工河组下段和上段含矿砂体之间有一套稳定出现的泥质隔水层，在局部地段这套隔水层却完全消失，使下段和上段的砂体合并在一起。下部三工河组下段含氧含铀水透过天窗越流补给上部的三工河组上段，在三工河组上段含水层中形成向四周辐射的“磨菇”状层间氧化带尖灭闭合线(图5)。

图5 蒙其古尔铀矿床三工河组层间水越流补给Fig.5 Overflowing of interlayer water of Sangonghe Formation in Mengqiguer Uranium deposit

4.2 水下与水上沉积对铀成矿的影响

在伊犁盆地南缘，三角洲平原分流河道发育的铀矿体比三角洲前缘水下分流河道发育的铀矿体不管是矿体规模还是品位都要大很多。以阔斯加尔-扎吉斯坦地区西山窑组下段为例，从图6可以看出，南部的扎吉斯坦矿床位于扇三角洲平原沉积，矿体形态较复杂，从物探测井解释可知该矿床铀矿石厚度大、品位高，估算的铀矿资源量也比较大；北部的阔斯加尔地区主要为水下分流河道，铀矿体的形态相对较简单，整体上垂直于分流河道展布方向呈条带状分布，从物探测井解释可知该地区许多工业铀矿孔的平米铀量仅达到工业指标，铀矿石品位较低，估算的资源量仅为南部蒙其古尔矿床的1/10(图6)。

图6 阔斯加尔-扎吉斯坦地区西山窑组下段沉积与铀成矿示意图Fig.6 Sketch map sedimentation and uranium occurrences in Lower Xishanyao Formation in Kuosijiaer-Zhajisitan area

三角洲平原发育的铀矿体较三角洲前缘品位高，规模大，主要有三方面的原因：首先是水下分流河道含矿砂体中炭屑、炭化植物碎屑含量比水上分流河道低，因此地球化学反差度也相对较低，由于水下分流河道往北延伸较远，层间氧化带纵深发育均在5 km以上，地球化学障的形成更多依赖于远距离迁移含铀含氧水中氧的消耗，所以形成的矿体规模相对有限；其次是在伊犁盆地南缘，水下分流河道砂体的规模较水上分流河道小，且分流河道间较大面积的分流间湾使分流河道之间的连续性变差，再加上水下分流河道的砂体的粒级相对较细，这些因素都使矿体的规模受到较大限制；此外，水下分流河道与水上分流河道相比，离物源区和铀源区相对较远，含铀物质经过较长距离搬运，在河道砂体中的消耗和损耗比较大，因此铀矿体的品位比三角洲平原水上分流河道低。

4.3 沉积砂体发育特征对铀成矿的影响

在伊犁盆地南缘，适合于铀成矿的砂体厚度在10～40 m，厚度太小赋矿的空间就越小，厚度太大不利于含铀流体的富集与沉淀。比如阔斯加尔地区西山窑组下段超过80%的铀矿化砂体厚度集中在15～25 m，洪海沟铀矿床西山窑组上段，将近90%的铀矿化砂体厚度集中在25～40 m(图7)。铀矿体主要赋存在既有利于还原物质吸附，且渗透性相对较好、粒级适中的粗砂岩中。比如阔斯加尔地区西山窑组下段，超过80%的铀矿化都赋存在粗砂岩和含砾粗砂岩中，洪海沟铀矿床西山窑组上段，也是将近80%的铀矿化主要赋存在粗砂岩中(图8)。

图7 砂体厚度与铀矿化分布图Fig.7 Chart of thickness of sand body and distribution of uranium mineralization

图8 砂体粒级与铀矿化分布图Fig.8 Chart of grain size of sand body and distribution of uranium mineralization

5 结论

(1)伊犁盆地南缘侏罗系经历了八道湾期的冲积扇沉积，三工河—西山窑早期的扇三角洲沉积，西山窑中期的湖泊沉积，西山窑晚期的扇三角洲沉积，以及头屯河期的河流沉积。

(2)沉积相的类型决定铀成矿的潜力和规模。扇三角洲沉积最有利于铀成矿的发育，其次是河流相沉积，冲积扇沉积的铀成矿潜力相对较差，但是在局部地段仍有一定的成矿能力，而湖泊相由于砂体发育差，在研究区内几乎没有成矿潜力。

(3)沉积微相控制着铀矿体的形态和空间展布。稳定的河道砂体中出现的泥质夹层以及稳定出现的泥质夹层在局部地段的缺失对铀成矿的影响均很大；扇三角洲平原分流河道发育的铀矿体较扇三角洲前缘水下分流河道发育的铀矿体品位高、规模大；由沉积微相的变化所引起的砂体厚度、粒度的变化，是影响铀矿体形态和品位的主要原因。