新疆日达里克地区后生蚀变发育方向及其对铀矿化的控制

李书海，鲁克改，王强强，王元元，孙飞，党龙，善曹特

（核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011）

塔里木盆地北缘产出多种矿产资源，前人对该区进行了较多工作和研究［1-3］。近几年来，随着铀矿勘查工作的持续推进和成矿作用的深入研究，发现日达里克地区上新统库车组下段具备稳定的“泥-砂-泥”地层结构，属于辫状河三角洲平原亚相沉积体系，砂体岩石固结疏松，透水性好，富含有机质、黄铁矿等还原剂，且地下水补给充分，是砂岩型铀成矿的有利地段，并在日达里克地区发现受层间氧化控制的砂岩型铀矿［4-8］，落实了矿产地，且在该地区周边秋里塔格一带新发现一系列铀矿化点，说明塔里木盆地北缘具有进一步寻找砂岩型铀矿的潜力。但是，由于塔里木盆地北缘构造复杂、多期断裂发育，后期改造严重，造成对该区氧化带发育方向判断存在争议。本文拟通过岩石学、地球化学及构造特征等研究，总结含矿层氧化蚀变分带展布规律，以期解答氧化带发育方向问题，进而，探讨复杂构造条件下铀矿体空间赋存位置，为塔里木盆地北缘砂岩型铀矿勘查提供理论支撑。

1 研究区地质概况

日达里克地区位于塔里木盆地北缘秋里塔格复背斜北翼，处在构造相对稳定的向北倾向的单斜构造区（图1）。秋里塔格复背斜在早更新世之后由于逆冲推覆作用使地层局部发生反向掀斜，使研究区原本向南倾斜的地层，反向向北倾斜［4］。

图1 库车坳陷构造单元分布（据参考文献［8］修改）Fig.1 Distribution map of structural units in Kuqa depression（modified after reference［8］）

区内主要分布新生界上新统库车组（N2k）地层。库车组可分为上、下两个岩性段，下段（N2ka）为一套潮湿-半干旱-干旱气候条件下形成的辫状河三角洲平原亚相沉积，厚度1 000～1 280 m，可划分出9 个稳定的沉积旋回，自下而上依次为第Ⅰ—第Ⅸ旋回，每个旋回下部由疏松砂岩、砂砾岩、砾岩组成，夹薄层的泥岩、粉砂岩，总体呈灰色，夹浅黄色、浅褐黄色、浅褐红色、褐红色，上部为滨浅湖相厚层状泥岩、粉砂岩夹薄层细砂岩，呈灰色-浅褐黄色（图2）。各旋回整体具正韵律，发育一层及以上砂体，单层砂体厚5～85 m，每个旋回顶部泥岩隔水层厚5～160 m，砂泥比值为0.3～2.4，多在1.0～1.5 之间，具备稳定的“泥-砂-泥”结构，是发育层间氧化铀成矿的有利地段。

图2 日达里克地区库车组下段地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of the lower member of Kuqa formation in Ridarik area

目前在研究区划分的各旋回中共有13 层砂体揭露到工业铀矿或铀矿化，其中Ⅶ旋回的4 层砂体（Ⅶ1、Ⅶ2、Ⅶ3、Ⅶ4）均揭露到工业铀矿，Ⅷ旋回揭露1 层工业铀矿，2 层砂体揭露到铀矿化（图2），且Ⅶ、Ⅷ旋回砂体发育较好且稳定，为目前主要产铀层位。本次将以Ⅶ3砂体为重点研究对象，总结砂体后生蚀变分带规律，探讨层间氧化带发育方向，从而分析矿体赋存位置。

2 砂体发育特征

层间氧化带的发育受砂体展布、砂体厚度控制较明显，在探讨层间氧化带发育情况时，首先应考虑砂体的渗透性、连通性、成层性［9］，只有在区域内广泛分布，且砂体内部连通性好，才具备稳定畅通的含氧层间水径流系统。

日达里克Ⅶ3砂体总体发育稳定，净厚度为21.57～62.72 m，平均38.25 m，变化系数21.93 %，现揭露砂体埋深在1.70～665.05 m。砂体岩性多为含砾粗砂岩、粗砂岩及薄层中、细砂岩，局部夹灰色泥岩、粉砂岩，整体粒度较粗，成分和结构成熟度较低，发育大、中型板状、槽状交错层理。砂体底部与泥岩接触部位发育冲刷-充填构造，可见大量泥砾等滞留河道沉积，泥砾大小一般为1～3 cm，局部可达20 cm 以上，多呈滚圆状、椭球状和不规则状。平面上，砂体整体北西方向厚，粒度粗，南东方向砂体薄，粒度变细（图3）。砂体内部结构较复杂，呈正韵律，砂体电阻率、自然电位曲线均表现为齿化的钟形-箱形曲线组合特征，反映砂体沉积过程物源供应丰富、水动力条件较强的快速堆积，为辫状河三角洲平原亚相沉积。剖面上，自北西向南东，砂体内部泥质、粉砂质隔挡层增多，砂体粒度变细。

图3 日达里克地区Ⅶ3砂体厚度等值线图Fig.3 Thickness contour map of sand body Ⅶ3 in Ridarik area

砂体顶、底板为浅褐黄色泥岩。泥岩发育块状层理及水平层理，层理面可见动物潜穴、爬痕及螺类化石，局部可见钙质结核和星点状炭屑，炭屑周围常被还原呈浅灰绿色。单层泥岩厚度在3.05～55.95 m 之间，平均厚度为18.50 m，为干旱环境下滨浅湖沉积，发育较稳定。

研究区在上述辫状河三角洲平原亚相及滨浅湖相沉积交替过程中，形成稳定的“泥-砂-泥”结构，有利于层间氧化带的发育（图4）。

图4 日达里克地区A-A' 对比剖面图Fig.4 A-A'profile of ore-bearing host rocks in Ridarik area

由镜下鉴定及数据统计，区内砂岩中碎屑颗粒含量在90%以上，以次棱角状、棱角状为主。填隙物含量一般小于5%，由粒度＜0.03 mm 的细粉砂、泥质杂基和方解石胶结物组成，属颗粒支撑类型，孔隙-接触式胶结（图5），岩石胶结程度疏松。由表1 可见，砂岩中显微状孔隙发育，孔隙度为14.80%～28.03%，平均为20.62%，连通性较好；渗透系数为0.05～0.76 m/d，平均为0.33 m/d。

表1 日达里克地区库车组下段含矿主岩孔隙度、渗透系数Table 1 Porosity and permeability coefficient of ore host rocks in the lower member of Kuqa formation in Ridarik area

图5 日达里克地区砂岩镜下特征照片（正交偏光）Fig.5 Thin section（+）features of sandstones in Ridarik area

综上所述，日达里克地区库车组下段砂体发育较稳定，具备稳定的“泥-砂-泥”结构，目的层岩石固结疏松，孔隙度发育，砂体的渗透性、连通性、成层性均较好，为层间氧化提供了良好条件。区内层间氧化作用沿辫状主河道砂体由北西向南东发育，前锋线往往位于砂体由厚变薄、含砂率由高变低的区带，主要位于主河道边缘部位或主河道向前推进逐渐歼灭部位，形成由北西向南东凸出的“舌状体”及呈不规则“S”形沿河道边缘延伸（图3）。

3 蚀变分带与地球化学特征

3.1 后生蚀变的岩石学特征

后生蚀变是指沉积成岩后，由表生地下水及深部油、气在一定条件下，将一些组分带入和带出岩石，使其发生重大变化。后生蚀变是砂岩型铀矿的主要找矿标志和条件，往往可以依据其岩石的颜色和结构，新生矿物组合关系来确定［9］。

研究区含矿主岩后生蚀变以层间氧化为主。层间氧化作用为含氧地下水沿渗透性较好的浅色砂岩渗透运移，砂体中黄铁矿、有机质等还原剂被氧化，且随着层间含氧水的运移，在深处氧被完全消耗，形成氧化还原过渡带［10-11］。

区内识别出氧化带（强氧化带、弱氧化带）、过渡带、原生带（表2）。自氧化带向还原带，岩石颜色由氧化的浅黄色、浅褐黄色、灰黄色、浅褐红色、灰白色向原生的灰色渐变；特征铁矿物组合中赤铁矿、褐铁矿逐渐减少，黄铁矿只见于过渡带和还原带中；炭屑碎屑含量逐渐增多。

表2 含矿主岩岩石学特征统计Table 2 Statistics of petrologic characteristics of ore host rocks

氧化带主要分布于区内北西方向（图6），岩石颜色以浅黄色、浅褐黄色为主，浅褐红色、灰黄色、灰白色次之（图7a、b、c、d），氧化程度不均匀，自北西向南东氧化程度逐渐降低，氧化强的地段岩石颜色呈浅褐红色、褐黄色，氧化弱的地段岩石颜色逐渐变浅，呈灰黄色或者灰白色带浅黄色、浅褐红色斑点，相对应的褐铁矿化、粘土化蚀变也是由强变弱。铁矿物主要以褐铁矿形式存在，局部可见赤铁矿（图7e）。

图6 日达里克地区Ⅶ3砂体层间氧化带展布特征Fig.6 Distribution of interlayer oxidation zone of sand layer Ⅶ3 in Ridarik area

图7 日达里克地区蚀变分带砂岩岩石学特征照片Fig.7 Lithographic characteristics of sandstone in different alteration zone in Ridarik area

过渡带岩石以深灰色、灰色、浅灰色为主（图7f），局部带浅黄色、浅褐红色斑点。铀矿（化）主要发育于该带中，在铀异常、铀矿化、铀工业矿体的岩石中，可见大量黑色炭屑。炭屑形状不一，呈碎片状、块状，不均匀分布于砂体中。

原生带岩石呈灰色、浅灰色（图7g），该带多见保存完好的炭化植物茎秆及叶片（图7h）。炭化植物碎屑网格状胞腔中充填方解石（图7i），局部充填浸染状、细粒状黄铁矿，未见氧化迹象。可见原生带砂体富含有机质及黄铁矿等还原介质，有利于铀沉淀富集。

3.2 后生蚀变地球化学特征

根据上述后生蚀变分带规律，统计砂岩中C有、铀、钍、硫、Fe3+、Fe2+等主要地球化学指标含量。这些组分中有活性元素及惰性元素，能较好地进行蚀变分带地球化学环境判别［9］。

统计结果显示，研究区强氧化带砂岩中铀含量均值为1.82×10-6，弱氧化带砂岩中铀含量均值为2.79×10-6，正常灰色砂岩中铀含量均值为5.81×10-6，而过渡带砂岩中铀含量明显偏高，均值为215.18×10-6，可以看出氧化色砂岩中铀含量不到正常灰色砂岩的50 %，丢失了3.02×10-6以上的铀，而在氧化色与正常灰色砂岩之间过渡位置（杂色砂岩）发生明显富集作用（表3）。由此可见，日达里克地区库车组下段铀含量具有明显分带现象，即铀含量最低带为强氧化带，原生正常岩石铀含量居中，铀含量急剧增加的杂色（灰色为主）砂岩为过渡带（图8）。这是因为铀是活性元素，在氧化条件下，铀易被氧化成U6+发生迁移，过渡带在丰富的还原性物质（有机质、硫化物）作用下，U6+还原为U4+从而发生沉淀富集，而这一个过程是反复向前推移的［12-13］。这就造成氧化带砂岩中铀不断活化，含量持续减少，而在层间氧化过渡带不断富集，最终形成铀矿。

表3 地球化学分带砂岩中铀、有机炭、硫及铁等元素含量Table 3 Content statistics of uranium,organic carbon,sulfur,iron and other elements in rocks from different geochemical zones

图8 日达里克地区Ⅶ3砂体铀含量Fig.8 Uranium content contour map of sandbody Ⅶ3 in Ridarik area

钍属于惰性元素［14-16］，在层间含氧流体渗流经过时不易发生活化作用，即在厘定的各分带中钍含量相当，强氧化带、弱氧化带、原生带、过渡带依次为8.47×10-6、5.99×10-6、5.95×10-6、6.14×10-6，据此可以利用Th/U 值变化判断铀在砂岩中运移富集情况，从而进行蚀变分带划分。由表3 可见，研究区分带较明显，Th/U 值在氧化带＞2，原生带钍铀含量相近，比值接近于1，而过渡带由于铀含量的急剧增加，导致比值明显偏小，小于0.5。

C有作为含矿主岩中重要还原剂，在不同地球化学环境中存在一定变化，一般情况氧化带砂岩以低有机质含量为特征，而过渡带以高有机质为特征，还原带该组分的含量位于氧化带和过渡带之间。研究区氧化带浅褐红色、灰白色、浅黄色砂岩中C有平均含量为0.11 %，在原生灰色砂岩中平均含量为0.17 %，在过渡带砂岩中含量最高达0.27 %。以Ⅶ3砂体为例，在平面上，自北西向南东沿含氧含铀水运移方向，有机炭含量具明显分带性，在层间氧化带最低，在氧化-还原过渡带含量最高呈“岛状-带状”展布，同时与铀含量平面上的叠置性好，表明铀矿体在成因上与有机炭具有一定相关性（图9）。研究区氧化砂岩中有机炭被氧化破坏，形成可溶性腐殖酸，在地下水作用下，一起向前迁移，在过渡带腐殖酸富集，从而形成大量的有机质，促使地下水中U6+被大量还原成U4+而沉淀富集成矿［14］。

图9 日达里克地区Ⅶ3砂体有机炭含量Fig.9 Contour map of organic carbon content in sandbody Ⅶ3 in Ridarik area

Fe 作为自然界重要染色元素，在进行层间氧化辨识过程中至关重要，Fe3+、Fe2+含量及Fe2+/Fe3+值为氧化还原环境重要化学指标［17-18］。由表3 可见，研究区含矿主岩氧化带Fe3+明显高于原生带，Fe2+含量明显低于原生带，Fe2+/Fe3+值在原生带最高，为1.91；在强氧化带最低，为0.92，可见研究区Fe3+、Fe2+含量及其比值同样具有分带性。在富含氧的流体作用下，原生带中二价铁氧化为三价铁，表现为黄铁矿被氧化为褐铁矿及赤铁矿，从而岩石呈浅褐红色、浅黄色等氧化色。Fe3+、Fe2+在过渡带含量都最高，在一定程度上说明过渡带的地球化学障对铁元素同样具有富集作用。

区内硫在氧化带含量最低，平均为0.01 %；原生带含量次之，平均为0.06 %；过渡带含量最高，平均为0.35 %。硫的含量与黄铁矿关系较密切，区内含矿主岩中黄铁矿多呈细粒状与有机炭伴生。在层间氧化作用下，黄铁矿被氧化，导致S 同样被活化运移。在平面上，硫含量在北西方向最少，中部过渡带含量最高，与有机炭、铀含量的展布位置及形态相近。

综上所述，日达里克地区层间氧化带砂岩蚀变分带较清晰，其中氧化带位于研究区北西方向，具有低硫、低C有、低铀、高Fe3+含量的特征，且Th/U 值多大于2；过渡带位于研究区中部，该带硫、C有、铀及铁元素含量最高，Th/U 值较多小于0.5；原生带位于研究区中东部，其Th/U 值接近于1，C有、硫含量介于氧化带与过渡带之间。

4 讨论

根据上述分析，可以判断日达里克地区层间氧化带发育方向总体为北西—南东方向。其含氧含铀水经露头或者松散第四系之下地层“窗口”，自南天山沿木扎尔特河流域向南东方向发育，在库车组（N2k）目的层渗流距离长达60 km，到达秋里塔格地区形成规模巨大的正向层间氧化带。在早更新世之后，由于逆冲推覆秋里塔格发生隆起，局部反向掀斜［4］，从而使目的层的过渡带、原生带所处位置高于氧化带（图10）。易导致错误地认为层间氧化自南向北发育，从而出现找矿南辕北辙的现象，增加了铀矿勘查的难度。

通过对日达里克地区氧化带发育方向的探讨，结合地表出露岩石所处的地球化学环境，可大致推断矿体的赋存位置。根据地层剥蚀线所处的地化环境，矿体赋存位置存在下述5 种情况。

第1 种情况：地表出露的岩石为正常灰色砂岩，处于原生带位置（图11a），即秋里塔格复背斜北翼露头为原生带，且未见铀高场和异常，表明地表距过渡带及其层间氧化带较远，这种情况下不能判断隐伏层间氧化带的具体位置，仅可大致确定层间氧化带及铀矿体处在北西方向，如图10 中ZKR0003 及ZKR1003 孔揭露的工业铀矿体位置。

图11 日达里克地区铀成矿部位预测模型Fig.11 Prediction model of uranium metallogenic site in Ridarik area

第2 种情况：地层剥蚀线处于过渡带前方铀异常、偏高场区（图11b），地表岩石为灰色。可以判定露头是过渡带的一部分，铀矿体距离地表较近。经对目前揭露的矿体宽度统计，库车组下段（N2ka）过渡带铀矿体宽不超过200 m，可以判断矿体赋存该地层斜距200 m 之内。

第3 种情况：地层剥蚀线处于过渡带，地表出露铀矿体、矿化体（图11c），岩石以灰色为主，夹有氧化斑点和团块。说明地表岩石处于过渡带靠近原生带一侧，铀矿体大部分还位于地表以下，但离地表较近，铀矿体、矿化体容易受到地表水淋滤作用，形成具有鸡窝状、团块状的小规模铀矿化体。

第4 种情况：地层剥蚀线处于过渡带靠氧化带一侧，出露岩石以浅黄色为主，局部为灰色，同时出现了氧化带和过渡带，大部分过渡带及铀矿体被剥蚀（图11d）。

第5 种情况：地层剥蚀线处于氧化带，地表岩石氧化为浅褐红色、黄色，未见铀偏高和异常，表明层间氧化带已越过秋里塔格复背斜北翼，可以在南翼查找同一层砂体的层间氧化带发育情况，根据氧化带所处位置不同，铀矿体赋存位置又存在两种可能。

1）秋里塔格复背斜南翼地表出露岩石为浅褐红色、黄色，说明氧化带已越过秋里塔格复背斜核部，向南发育，矿体赋存于秋里塔格复背斜南翼（图11e、f）。

2）在秋里塔格复背斜南翼地表出露岩石为灰色，未见铀异常、铀矿化，说明地表岩石处于原生带，层间氧化带未完全越过秋里塔格复背斜核部，矿体已经被剥蚀破坏（图11g）。

5 结论

1）日达里克地区库车组下段发育稳定的“泥-砂-泥”结构，砂岩具有较好的成层性、连通性和渗透性，是发育层间氧化铀成矿的有利地层。层间氧化作用沿辫状主河道砂体由北西向南东发育，前锋线形成由北西向南东凸出的“舌状体”且呈不规则“S”形沿河道边缘延伸。

2）研究区氧化带位于区内北西方向，蚀变分带明显，自北西向南东见浅褐红色、褐黄色的强氧化带和浅黄色、灰白色的弱氧化带；原生带位于南东方向，砂体呈浅灰色、灰色，可见细粒状黄铁矿和块状炭屑；二者之间过渡带砂体呈灰色、深灰色含浅褐红色、浅黄色斑点，发育铀矿化或工业铀矿体。

3）日达里克地区在逆冲推覆构造作用下，层间氧化带及铀矿体被掀斜、抬升，且部分被剥蚀破坏，导致铀矿体赋存位置发生较大变动。根据层间氧化带方向发育，结合构造和地表剥蚀线岩石所处的地球化学环境，可大致推断铀矿体赋存的5 种可能的位置。

4）秋里塔格复背斜北翼找矿总体思路为：以过渡带、原生带露头为线索，往蚀源区、补给区方向（北西方向）寻找氧化带和过渡带铀矿体。