新疆富蕴县阿勒安道地区铀矿地质特征及成矿条件分析

王春晖, 陈 涛, 郭 望, 郭广成

(中陕核工业集团二一一大队有限公司,陕西 西安 710024)

0 引言

研究区位于准噶尔盆地东北缘喀木斯特煤田中南部,行政区划隶属阿勒泰市富蕴县管辖。1956年至今有多家单位在研究区所属的区域开展了多项煤矿、铀矿勘查工作,并发现了大庆沟铀矿床及多个矿点和异常点[1]。以往发现的铀矿床(点)均位于研究区的南部及东南部,且对研究区的勘查工作集中于煤矿,缺少综合铀矿地质调查与评价,为了响应全国找矿突破战略行动,遵照“铀煤兼探”勘查思路,在研究区开展铀矿的找矿勘查与评价工作。重点是整理区内有关煤炭勘查、开发的地质资料,特别是煤田钻探测井资料,结合1∶5万放射性测量,开展选区研究,圈定铀找矿靶区,择优开展钻探工程验证[2],认为该区砂岩型铀成矿具有良好前景,是下一步铀矿勘查重点区域。

1 研究区地质背景

在大地构造位置上,研究区地处准噶尔盆地的东北缘,是准噶尔地块的中心稳定区[3],为哈萨克斯坦板块的东延部分,是一个周缘被古生代缝合线包围起来的晚石炭世到第四纪发展以来的大陆板内沉积盆地[4](图1)。

图1 准噶尔盆地大地构造位置图

研究区位于准噶尔盆地北部乌伦古坳陷(一级构造)索索泉凹陷(二级构造)中 (图2),是一个以中生界沉积为主的大型坳陷,主要由红岩断阶带和索索泉凹陷构成。区域出露的地层包括古生界的泥盆系,中生界的三叠系和侏罗系,新生界的新近系和第四系,其中中侏罗统西山窑组为含煤地层,亦为该区含矿目的层。该区内新生代地层分布区没有强烈的断裂和褶皱,一般为一个东南部隆起、西北向下倾斜的单斜构造,地层相对缓慢[5],地层走向约NE75°,倾向约NW15°,地层倾角在4°～6°,局部可达15°。研究区内中新生代地层中未见岩浆岩侵入。研究区外侵入岩分布广泛,主要分布在卡姆斯特、阿拉比巴—巴斯他乌、姜格尔库都克、达尔得嘎拉附近。岩体主要为中酸性侵入岩及基性—超基性岩体。

图2 准噶尔盆地构造单元划分图(据文献[6]修改)

准噶尔盆地东部分布的煤矿井田有卡姆斯特煤田,富蕴县阿勒安道南井田、富蕴县阿勒安道西井田和富蕴县巴斯他乌煤矿等。盆地东部侏罗系发现了大庆沟铀矿床,白砾滩铀矿点、华茨铀矿点、金子沟矿化点、红沙泉矿化点、石钱滩异常点和沙丘河异常点(图3)。

图3 铀矿床(矿点)分布位置图

在准噶尔盆地东北缘的卡姆斯特地区也发现了大量的铀矿点、矿化点,铀矿化主要与层间氧化带有关,多为砂岩型和煤岩型。由图3可见,以往发现的铀矿床(点)均位于研究区的南部及东南部。

2 研究区地质特征

2.1 地层

研究区出露地层主要为下侏罗统三工河组(J1s)、中侏罗统西山窑组(J2x)、中—上侏罗统石树沟群(J2-3s),中侏罗统西山窑组上段(J2x2)为主要含矿目的层(图4)。

图4 阿勒安道地层综合柱状图

下侏罗统三工河组(J1s):底部是一层砾岩,砾岩之上为一套细粒沉积,以泥岩为主,向上砂岩或粉砂岩逐渐增多,并常有深灰色泥灰岩簿层及偶夹煤线。泥岩呈灰黄色、粉紫色,细腻质纯,簿片状,含植物碎屑,岩性均一,沉积稳定,地层厚度17.4～412.6 m。与下伏八道湾组呈平行不整合关系。

中侏罗统西山窑组(J2x):岩性为灰色、浅灰色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹砂岩、煤层,底部为一层砂砾岩和含砾粗砂岩,主要可采煤层4层。根据钻探控制地层厚度平均为392.03 m。由B1煤层底板一套粗粒砂岩为界,分为上、下两个岩性段。自下而上划分为西山窑组下段(J2x1)和西山窑组上段(J2x2)。

中侏罗统西山窑组下段(J2x1):根据钻探控制地层厚度36.26～388.43 m,平均厚度为248.89 m。岩性以粉、细、粗砂岩为主,底部为一巨厚层砂砾岩、含砾粗砂岩。夹4～5层薄煤层,煤层层位不稳定。与下伏地层呈整合接触。

中侏罗统西山窑组上段(J2x2):该段为B1煤层底板一套湖滨相及河流相的灰褐色、灰色的砂岩、粉砂岩、泥岩互层沉积,根据以往钻探控制地层厚度136.83～146.34 m,平均厚度为143.14 m。地层中含煤1～4层,煤层总厚平均为27.29 m。顶部为灰色泥岩,黑色煤,深灰色泥质粉砂岩,灰色、土黄色细砂岩,浅褐色、褐色中砂岩。上部岩性为土黄色、浅黄色细砂岩,夹有薄层灰色粉砂岩、中砂岩,岩石中见有较多炭化植物碎屑。中部岩性主要为黑色煤、炭质泥岩,灰色泥质粉砂岩,灰白色细砂岩,中—粗粒砂岩。下部为黑色煤,灰白色粉砂岩,灰色细砂岩、中砂岩,淡黄色、灰色粗砂岩,该岩层段为主要铀矿化赋存层位。底部为黑色煤、灰色粉砂岩、厚层粗砂岩。该岩层段为主要铀矿化赋存层位。

铀矿化赋存层位含矿砂体的岩性主要为成熟度较低的细粒岩屑砂岩、中—粗粒岩屑砂岩。按粒度划分,主要为细砂岩、中砂岩、粗砂岩;岩石结构有细粒结构、中粒结构、粗粒结构,块状构造,成分由碎屑(78%)和胶结物(22%)构成,碎屑中石英(30%)、长石(12%)、岩屑(63%)、云母(<1%),其岩屑主要为泥岩、板岩、中—酸性火山岩、粉砂岩、炭质物。碎屑呈次棱角状、次园状分布,分选性中等—好。胶结物以方解石为主,为点—线状接触,孔隙式、接触式胶结。碎屑物除均匀分布外,其碎屑之间被中—粗晶状方解石充填胶结,偶见高岭石被方解石交代,黄铁矿为不规则粒状。

中—上侏罗统石树沟群(J2-3s):岩性以红色干旱河流湖相沉积为主,顶部为灰绿色及灰白色中粒砂岩,上部为红色砾岩;中部泥岩及砂泥岩呈粉紫—褐红色、灰绿色条带状;下部为黄绿色砾岩、砂岩和粉红色泥岩,包含2～3层灰白色凝灰质砂岩;底部为褐黄色厚层砾岩,富含玛瑙砾石。

含矿层中侏罗统西山窑组上段(J2x2)存在“泥(煤)—砂—泥”结构,根据沉积旋回自下而上可划分为2～4小旋回,总体上,各旋回砂体多呈下粗上细的正韵律结构。根据统计钻孔岩矿情况,研究区的含矿层韵律旋回特征简述如下:

第一韵律旋回厚度为39.4 m,岩性主要有灰色、土黄色细砂岩,浅褐黄色、浅褐色、褐色中砂岩。顶部见有灰色泥岩,黑色煤,深灰色泥质粉砂岩,局部含有中砾岩。岩石局部见有少量炭屑,星点状褐铁矿。

第二韵律旋回厚度为8.4 m,岩性主要为土黄色、浅黄色细砂岩,夹灰色粉砂岩及浅灰色中砂岩,岩石中见有较多炭化植物碎屑。

第三韵律旋回厚度为35.7 m,岩性主要有黑色煤、炭质泥岩,灰色泥质粉砂岩,灰白色细砂岩、中砂岩、(含砾)粗砂岩。

第四韵律旋回厚度为30.6 m岩性主要有黑色煤,灰白色粉砂岩,灰色细砂岩、中砂岩,淡黄色粗砂岩,灰色含砾粗砂岩,底部有灰色粉砂岩出露。根据碎屑岩颜色变化特征和地球化学特征,中侏罗统西山窑组上段(J2x2)地化环境主要为弱氧化偏还原环境(氧化—还原过渡带)[7]。

2.2 铀矿化特征

铀矿化主要产于中侏罗统西山窑组上段辫状河三角洲砂岩层中[2]。岩性为灰色中—粗砂岩,较疏松,见有少量炭屑,星点状黄铁矿不均匀分布。矿体形态比较简单,矿体产状与岩层产状一致,产状较缓。根据钻孔资料,中侏罗统西山窑组上段(J2x2)碎屑岩颜色以灰白色、浅灰色和灰色为主,顶部为浅褐黄色至褐色岩石,根据颜色变化特征,地球化学环境主要为弱氧化部分还原环境。

根据氧化带的成因划分为层间氧化带,主要分布在含矿砂体顶部韵律旋回中,氧化带厚度从7.15 m至15.5 m,发育深度从68.8 m至666.0 m,其顶底板岩性一般为泥岩、粉砂岩和煤,少量致密砂岩,岩层稳定性较好,局部地层有缺失(表1)。

表1 中侏罗统西山窑组上段层间氧化带特征

层间氧化带的地球化学特征:在钻孔中,岩层由褐色、浅褐黄色至灰色,岩层从上到下 Fe3+/Fe2+值为2.14～0.41,变化较大,平均值为1.42,随着 Fe3+/Fe2+值向下逐渐降低,而γ曲线逐步增高(图5)。

图5 钻孔矿段位置、岩性、γ曲线示意图

砂岩型铀矿化与有机碳(orgC)、∑S关系密切(表2),有机质和黄铁矿是地层中有效的铀富集剂,对砂岩型铀沉淀富集起着重要的作用。∑S含量基本代表岩石中黄铁矿的含量,砂岩中∑S含量随有机质增加而增长,样品中∑S总含量变化较大(0.024%～0.62%),∑S与铀含量具有一定的相关性,表明铀矿化与黄铁矿关系密切。岩石中orgC在粗砂岩中含量较高,最高可达0.63%。经相关性分析表明,岩石中铀的富集程度与有机质含量存在明显的相关性。

表2 ZK15-02中侏罗统西山窑组上段地球化学特征

3 矿床成因类型及成矿模式

3.1 矿床成因类型

通过煤田钻孔成果资料的收集、筛选、研究、与邻区的对比等工作,研究区阿勒安道煤田含煤地层主要为侏罗系八道湾组和西山窑组[8-9],铀矿主要赋存于侏罗系的西山窑组(J2x)和头屯河组(J2t)中[10],并以煤铀为同盆共存的特征产出,其成因类型为砂岩型铀矿。

3.2 成矿模式探讨

侏罗世早期盆地蚀源区长期暴露地表并遭受风化剥蚀,古气候由潮湿转变为干旱-半干旱[11]。该时期为含氧含铀水补给时期,地下水由大气降水和基岩裂隙水补给。在氧化环境中,U呈六价(U6+),U6+易于淋失并迁移,含氧水活化基岩以及赋矿砂岩中的铀而形成含氧含铀水,含氧含铀水沿地层中的砂体向下渗透[11],形成沿河道砂体运移的含氧含铀层间水,层间水在砂岩层中运移的过程中将铀不断淋出,向前继续迁移富集。在迁移过程中,地层中的还原性物质不断消耗含氧含铀水中的氧,直至消耗殆尽,形成氧化—还原过渡带。地下水中的铀一部分被部分氧化带(过渡带)中的炭化植物碎屑、黄铁矿等吸附形成吸附铀沉淀下来,形成砂岩型铀矿[7]。

4 铀成矿条件分析与找矿前景

4.1 铀源条件

在研究区外围有28个铀矿点分布,4个铀矿化点。外围蚀源区圈定放射性异常场2处,主要位于中东部和西南部地区。其中,西南部异常主要位于中侏罗统西山窑组(J2x)和中侏罗统头屯河组(J2t),呈NW向延伸,异常强度为3.32～3.92 nC/kg·h,最高为4.3 nC/kg·h。东南部异常场呈NE向延伸,异常强度在3.32～3.92 nC/kg·h之间,最高为4.88 nC/kg·h[12],主要位于下侏罗统八道湾组(J1b)、三工河组(J1s)和中侏罗统西山窑组(J2x)、头屯河组(J2t)。外部丰富的铀源,为铀的富集与成矿提供了充分的物质来源。

4.2 水动力及构造条件

准噶尔盆地受喜马拉雅构造运动的影响,古近系遭受缓慢抬升和挤压,盆地北部总体上表现为向南缓倾斜的巨大单斜带内发育数个近EW向凸起与洼地相间排列的构造格局,基本上构成了一个渗入型自流水盆地[1],促使含氧含铀水渗入盆地内。它具有完整的补—径—排古地理地下水系统,有利于层间氧化带的发育和铀的富集[13]。

4.3 古地理及古气候条件

含矿层西山窑组上段(J2x2)为一套湖滨相及河流相的灰褐色、灰色的砂岩、粉砂岩、泥岩互层建造,形成时期为温暖湿润的古气候,有利于富有机质砂体的形成。

4.4 地层岩性岩相条件

含矿层西山窑组上段(J2x2)为一套湖滨河流相的砂岩、粉砂岩、泥岩(煤)互层建造,根据钻孔控制含矿砂体厚度23.0～223.7 m,平均厚度70.2 m,组成了“泥(煤)—砂—泥(煤)”结构[1],依沉积旋回自下而上可划分为2～4小旋回,总体上,各旋回砂体多呈下粗上细的正韵律结构,是铀成矿的有利地层结构和层位条件[13]。

4.5 具有有利的储矿部位

研究区处于靠近斜坡带部位,地层产状向南倾斜,角度一般不大。虽然坡度不大,但地下水仍然沿透水砂岩层向盆地中心渗透流动,容易形成层间氧化带砂岩型铀矿。研究区找矿目的层为侏罗系西山窑组,该组地层为河流、湖沼交互相沉积,有利于铀的迁移富集。

4.6 找矿前景

综上所述,研究区具有丰富的铀源条件、有利的水动力条件、古地理及古气候条件和地层岩性岩相条件等,综上所述本区有较好的找矿前景[14]。

5 结论

(1)阿勒安道地区铀矿为砂岩型铀矿,铀矿(化)段均位于中侏罗统西山窑组上段(J2x2)中,所赋存的含矿砂体较厚,形态呈层状、似层状,走向、倾向延伸均较稳定。

(2)铀矿(化)主要赋存于灰色细、中—粗粒砂岩。砂岩疏松程度以较疏松为主,含矿砂体透水性较强,展布较稳定,可见有机质、黄铁矿等聚铀剂,说明铀的富集与还原介质有关。

(3)研究区内铀矿(化)体主要分布于层间氧化带附近的氧化还原过渡带内,受氧化—还原过渡带的控制。西山窑组上段地球化学环境主要为弱氧化—还原环境且具有“泥(煤)—砂—泥(煤)”韵律结构,说明铀矿化的产出特征与岩石地球化学环境的变化有关。

(4)研究区具有丰富的铀源条件、有利的水动力条件、古地理及古气候条件和地层岩性岩相条件等,综上所述本区有较好的找矿前景。