巴丹吉林盆地路井凹陷铀成矿条件分析及找矿方向探讨

罗森森，牛霆，孟龙，王刚，刘武生，纪宏伟，孟秋熠

（1.核工业二〇三研究所，陕西 西安 710086；2.核工业北京地质研究院，北京 100029；3.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037）

巴丹吉林盆地近年作为核工业系统北方中大型盆地砂岩型铀矿找矿的重点区之一［1-3］，前人将铀矿资源研究的重点主要集中在巴丹吉林盆地南缘，发现了沙枣泉中型铀矿床，圈定了苇坑泉、卡休他他成矿远景区，盆地外围发现了塔木素特大型铀矿床，具有良好的铀资源前景。而巴丹吉林盆地西北缘（特别是居延海坳陷）等地，20 世纪以来，相继开展了石油、煤田的基础地质调查工作，随着对铀矿资源需求增加及近年来中国核工业地质局提出的“三新”（新地区、新层位、新类型）找矿方针，该地区与铀成矿相关的地质特征尚未开展过系统研究，制约了评价该地区铀成矿潜力。近两年，经过核工业二〇三研究所与核工业北京地质研究院持续找矿勘查工作，地表发现较好的铀矿化线索，钻孔中揭露到较厚的层间氧化带，铀矿化、铀异常范围大，明确了该区主攻找矿层位及找矿类型，圈定了找矿有利远景区，找矿前景好。本文紧密结合近两年的钻探查证情况，通过分析巴丹吉林盆地路井凹陷铀源、构造演化、古气候条件、水文地质、后生蚀变及铀矿化特征等，系统总结了该凹陷的铀成矿条件，明确下一步找矿方向，为巴丹吉林盆地找矿部署提供参考。

1 地质概况

巴丹吉林盆地位于华北板块与西伯利亚板块所夹持的中亚造山带东段（兴蒙造山带），处于古亚洲构造域与滨太平洋构造域的交汇部位，与塔里木板块、哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块和华北板块相毗邻［4-6］。中生代时期，由于印度板块的向北挤压，使阿拉善地块发生挤压作用，形成大规模的走滑拉分断裂带，同时沿走滑断裂带出现大规模的玄武岩浆活动，形成大型走滑拉分盆地［7-8］（图1）。

图1 巴丹吉林盆地北部居延海坳陷构造分区简图Fig.1 Structural zoning diagram of Juyan Lake Depression in the north of Badan Jaran Basin

巴丹吉林盆地可进一步划分出3 个隆起、4 个坳陷，其中居延海坳陷位于盆地北部，面积约19 370 km2，凹凸相间呈北东-南西向展布。居延海坳陷进一步划分为6 个凸起和6 个凹陷带［3-4］（图1）。居延海坳陷基底为晚太古界-中生界，发育大量华力西中晚期花岗质侵入岩，总体表现为南高北低，坳陷边缘高、中心低等趋势，埋深为200～4 500 m。在坳陷西北边缘基底呈斜坡带，埋深小于800 m，有利于层间氧化成矿作用发育。在内部凸起区，基底埋深小于1 000 m，亦较有利于渗入氧化成矿作用发育。居延海坳陷内发育有三叠系、中-下侏罗统、白垩系及新生界［9］。

路井凹陷是居延海陷中规模较大的凹陷之一，呈北东向展布，凹陷长约80 km，宽11～35 km，面积约1 180 km2。凹陷平面形态在南部走向为北东东向，向北逐渐过渡为北东走向的长条形，剖面上总体呈南东断、北西超双断不对称箕状凹陷。凹陷南部为断距很大的同生基底控凹断裂，与基岩呈断层接触，北部为平缓斜坡，与周围基岩逐层超覆接触，整个凹陷呈明显的不对称状，沉降中心在靠近南部同生大断裂一侧［8，10-11］（图2）。沉积盖层自下而上有三叠系、侏罗系、白垩系、新近系和第四系，其中下白垩统是区内主要盖层，下白垩统苏红图组和巴音戈壁组发育灰色、黄色砂岩层，砂体疏松透水，是区内主要找矿目的层。

图2 路井凹陷断裂系统及构造单元划分图Fig.2 Fracture system and structural unit division of Lujing Sag

2 铀矿化发育特征

路井凹陷铀矿化受层间氧化带控制明显，在该区钻探查证已发现铀异常孔（ZK33、ZK53、ZKL10 和ZKL20）和铀矿化孔（ZK82），且相邻的ZKL30、ZK18、ZK43、ZK13、ZK110 均在氧化砂岩与灰色层界面有伽马测井增高迹象（图3），显示后生铀成矿富集作用明显。赋矿岩性为灰色、深灰色泥质细砂岩、细砂岩，砂岩中见褐黄色斑团，属于氧化带边部与泥岩接触部位或氧化带翼部铀矿化、铀异常，顶底板为灰色、灰黑色及棕红色泥岩，具有完整的泥-砂-泥结构。进一步对比路井凹陷南段施工的钻孔，初步在该地段圈定了长度约15 km，宽度约5 km 的铀异常带，圈定了长度约40 km，宽度约7 km 的铀增高带（图4），充分表明该地段找矿潜力大。

图4 路井凹陷南段地球化学及铀异常带图Fig.4 Map of geochemical and uranium anomaly zones in the southern section of Lujing Sag

3 铀成矿条件分析

3.1 铀源条件

路井凹陷蚀源区主要分布在北西侧，由华力西期花岗岩、花岗闪长岩和上二叠统火山岩组成，占蚀源区面积95%以上，铀含量在（3.15～15）×10-6之间，Th/U普遍大于4，构造裂隙较发育，有利于铀的溶滤迁出。

下白垩统苏红图组原生带铀含量明显高于氧化带中的铀含量，大部分Th/U 值低于氧化带（表1），表明蚀源区岩石中的铀元素被基岩裂隙水溶解带入含矿含水层，并随氧化流体向凹陷盖层补给［12］。进入地层中的氧化流体，使地层中部分铀被活化融入氧化流体，并随之向前运移，在富含还原介质附近发生还原沉淀。

表1 路井凹陷下白垩统苏红图组地球化学特征统计表Table 1 Geochemical characteristics of Lower Cretaceous Suhongtu Formation in Lujing Sag

3.2 构造演化特征

巴丹吉林盆地在印支运动时期，区域整体处于南北强烈挤压的构造背景，燕山运动晚期（早白垩世早期），受西伯利亚板块向南推挤，南部阿尔金断裂的左行走滑，使巴丹吉林地区产生了一系列北东东-北东向的走滑拉张断陷，即凹陷形成时期。通过地震和钻孔资料对比研究，路井凹陷共经历了3 个主要阶段，分别为早白垩世断陷发生、发展阶段，晚白垩世-中新世挤压抬升阶段和上新世坳陷阶段（图5）。

图5 路井凹陷构造演化示意图Fig.5 Structural evolution of Lujing Sag

1）早白垩世断陷发生、发展阶段

①早期断陷的发生时期

早白垩世早期，为初始裂谷期。伴随区域拉张松弛环境，南北两侧北东向断裂出现张裂，路井凹陷初见雏形，呈不对称南断北超双断箕状结构。沉积盆地受断裂控制，叠置在早中侏罗世盆地之上或超覆在基底之上，此时，侏罗系受构造影响呈断块化。这一时期凹陷以多侧向近源快速堆积为主，在以干旱为主的古气候环境下，沉积了一套杂色-暗紫红色为主的粗碎屑岩建造。由于东西两侧陡坡带和缓坡带的地形存在较大差异，沉积中心位于凹陷南东一侧（图5a）。

②中期断陷全面扩张时期

随着断裂活动的加剧，早白垩世中期凹陷进一步沉降，深度变大，从凹陷演化初期的初级阶段进入到较为稳定沉积阶段，古气候环境由干旱逐渐转换为半潮湿环境，湖盆经历多次扩张，水体加深，沉积中心向北西一侧迁移。受所处凹陷不同构造位置影响，沉积差异较大，凹陷陡坡一侧多以近岸水下冲积扇为主，坡距相对较大的缓坡一侧则以冲积扇-扇三角洲沉积为主。这一时期沉积了以灰色为主的碎屑岩建造（图5b）。

③晚期断陷收缩阶段

早白垩世晚期，凹陷边界断层活动减弱，路井凹陷逐步由断陷向断坳演化，水体变浅，湖盆范围缩小，古气候由半干旱转换为干旱环境，沉积了一套以红色层为主的碎屑岩建造。随着断陷作用的消亡和凹陷的填平补齐，晚期沉积作用转变为以整个凹陷大范围沉积作用为主（图5c）。

2）晚白垩世-中新世挤压抬升阶段

进入晚白垩世，随着印度板块与欧亚大陆的碰撞俯冲，区域上巴丹吉林及北山地区全面隆升，下白垩统隆升地表遭受剥蚀，缺失上白垩统沉积。研究区构造反转，凹陷上部地层同样遭受一定程度的剥蚀，在古新世—中新世时期，继承了晚白垩世的构造特点，研究区仍处于构造抬升剥蚀区，未接受沉积，且下白垩统长期以来处于剥蚀状态（图5d）。

3）上新世坳陷阶段

上新世，区域上整体继续处于挤压应力环境，此时区域近东西向构造再次活跃，在南东、北西向挤压应力作用下，形成近东西向、北西西向坳陷，小范围沉积了一套红色河湖相粗碎屑岩。从上新统分布情况来看，上新世巴丹吉林与北山之间应当为同一平台。受挤压作用影响，下白垩统遭受变形，上新统与下白垩统形成区域性角度不整合接触。

第四纪（喜山运动晚期），青藏地块向北推挤并快速隆起，北山地区继续持续上升，而巴丹吉林盆地相对下降，不仅使得下白垩统及上新统得以保存，且接受了第四系沉积（图5e）。

3.3 古气候特征

路井凹陷从早侏罗世到早白垩世为暖温带潮湿气候-亚热带干湿交替过渡性气候，该期沉积了一套富含黄铁矿及炭屑等还原性指示矿物的大套杂色碎屑岩，有利于铀成矿期还原障的形成［2］。

晚白垩世，气候转化为亚热带-热带半干旱-干旱气候，此时研究区整体转化为氧化环境，有利地表水及大气降水等氧化流体对蚀源区及地层中预富集的铀元素淋滤出，并携带至地下含水层，在还原障附近沉积富集。古气候由温暖潮湿向半干旱-干旱的转变，有利于还原障的形成和砂岩型铀矿后生改造作用的形成［13］。

3.4 水文地质特征

路井凹陷地下水主要来自基岩裂隙水和大气降水等补给。基岩裂隙水主要来自北部洪果尔山地区和西部北山地区的基岩裂隙水，少量来自凹陷内隆起区和凸起地段的裂隙水。地下水径流方向总体由南西向北东，局部为侧向补给，除局部以断裂带上分布的泉水、湖泊等溢出带为排泄区外，大部分最终排泄至北部的居延海。水中铀含量局部为1×10-7～2.32×10-2g/L，一般为1.1×10-6～2.8×10-4g/L［14］，呈完整的补-径-排体系，且水中铀含量较高，具备砂岩型铀成矿的水文地质条件。

3.5 目的层岩性-岩相特征

路井凹陷目的层为下白垩统苏红图组和下白垩统巴音戈壁组。

下白垩统苏红图组上部为滨-浅湖相沉积，且发育厚层浅黄色泥岩，含大量石膏，具有长期暴露地表的特征，中部为河漫滩沼泽相沉积，且发育含大量杂质的灰黑色泥岩，在其上下两侧砂岩均呈灰色，并富含碳质粉末，有利于活化铀的卸载和富集；下部为河流相沉积，岩性以灰色细砂岩、中砂岩为主，夹棕红色细砂岩、泥岩薄层。单层砂体厚度为10～30 m，局部可达到50 m，该层砂体在路井凹陷连续性较好，发育一定规模层间氧化带（图6）。因此，在下白垩统苏红图组中部与下部的岩性转化界面处有利于铀富集成矿。

图6 路井凹陷苏红图组岩性岩相特征Fig.6 Lithology and lithofacies characteristics of Suhongtu Formation of Lujing Sag

下白垩统巴音戈壁组上段顶界面以褐色泥岩为界（图7a），底界面以灰色、褐色泥岩与厚层砾岩为界（图7b、c、d）。该岩性段受凹陷控制，在凹陷边部主要发育扇三角洲平原、前缘等有利相带，凹陷中心则以湖相为主，二者之间过渡部位通常发育褐色层（图7e、f）。该岩性段由上至下，岩石成岩度有逐渐增高的趋势。巴音戈壁组下段顶界面为褐色泥岩、砾岩，底部超覆在基底之上，或不整合于侏罗系之上。该岩性段受早期的断陷作用控制，沉积范围更局限，且埋藏厚度相对较大，目前已施工的钻孔中多未揭露至该层位。根据区域石油、煤田钻孔等资料显示，整体以厚层杂色砾岩为主［8］。

图7 路井凹陷巴音戈壁组岩性特征Fig.7 Lithological characteristics of Bayingebi Formation of Lujing Sag

3.6 层间氧化带发育特征

路井凹陷苏红图组氧化作用强烈，持续时间长，规模大，在平面上存在明显分带（图8），从凹陷边部到凹陷中心，氧化率呈逐渐减弱的趋势，对该层位，推测地下水主要来自南西侧（即长轴方向），凹陷两侧同样有一定的补给渗入作用，边部发育灰色砂体。在剖面上也存在明显分带（图9、10），顶部主要为浅部的泥岩及细砂岩发生潜水氧化，向下转为层间氧化（表2）。岩石中见少量完全氧化的黄色砂岩，疏松，分选性好，发育褐铁矿化，呈星点状，多处为未完全氧化的浅灰色砂岩，发育大量浅黄色氧化团块。镜下鉴定蚀变特征以黄铁矿化、毒砂化及碳酸盐化为主（图11a、b、c、d），同时见大量后生褐铁矿化及炭化植物碎屑胞腔（图11e、f）。从连井剖面图中可见（图9、10），在氧化砂岩与深灰色泥岩界面处见伽马曲线增高迹象，反映强还原带附近铀元素富集作用。据表1 统计数据可知，原生带岩石中的全硫、有机碳、Fe2+的含量远高于氧化带岩石中的含量，二者构成较大的地球化学反差度，有利于形成有效的地球化学障，有利于铀元素在氧化-还原过渡带富集。

表2 路井凹陷南段下白垩统苏红图组氧化特征统计表Table 2 Statistics of oxidation characteristics of Lower Cretaceous Suhongtu Formation in the south section of Lujing Sag

图8 路井凹陷南段苏红图组氧化率等值线图Fig.8 Contour map of oxidation rate of Suhongtu Formation in the southern section of Lujing Sag

图11 路井凹陷后生蚀变显微镜下照片Fig.11 Microscopic photos of epigenetic alteration of Lujing Sag

通过对路井凹陷钻孔样品分析（表1），氧化带中的铀含量为3.54×10-6～5.54×10-6，原生带中的铀含量为7.90×10-6～34.06×10-6，表明在氧化作用过程中发生了铀元素析出和迁移作用，具有“铀在氧化带中迁移及在还原带富集”这一层间氧化带砂岩型铀的典型特征［15］。

路井凹陷巴音戈壁组，沉积期受断陷控制，地层埋深大，氧化作用弱，在凹陷中心部分钻孔中揭露到该层后生氧化，主要以褐铁矿化为主，见少量赤铁矿化。针对该层位，推测地下水主要来自南西侧（即长轴方向）。

4 找矿方向探讨

根据钻探揭露情况，表明在路井凹陷下白垩统苏红图组大面积沉积，结合区域构造演化特征，反映了在巴音戈壁组沉积后，存在构造事件，使苏红图组为转坳过程中的沉积产物。该层组发育厚层的灰色砂体，泥-砂-泥结构发育，炭屑等还原物质较发育，具备砂岩型铀成矿的先决条件。同时在该层已经发现规模较大的层间氧化带，铀在氧化带中迁移并在氧化带上下翼的还原带附近明显富集。根据目前在路井凹陷苏红图组发现的铀矿化线索，初步在该地段圈定了长度约15 km，宽度约5 km 的铀异常带，圈定了长度约40 km，宽度约7 km 的铀增高带（图4），充分表明该地段找矿潜力大。该层组整体为一套干旱环境下沉积的红色碎屑岩建造，其岩性组合特征垂向表现为上、下棕红色砂岩、含砾砂岩、泥岩，中部灰黑色、灰色泥岩、细砂岩；平面上，由凹陷边部向中部，岩石颜色由棕红色向灰色、灰黑色过渡（图12）。根据国内白垩系“红中找灰、灰中找矿”的找矿经验，下一步应主攻在路井凹陷圈定的灰色体外围探索，找矿部位以河道翼部为主，以寻找潜水-层间氧化带型铀矿为主。

图12 路井凹陷南段苏红图组灰砂率等值线图Fig.12 Contour map of grey sand percent of Suhongtu Formation in the southern section of Lujing Sag

下白垩统巴音戈壁组中揭露到少量铀矿化孔或异常孔，且该组地层中，既存在层间氧化带型铀矿，也存在同生沉积型铀矿，但由于该组地层受凹陷控制显著，砂体连通性较差，相对苏红图组，巴音戈壁组砂体规模较小，透水性较差，巴音戈壁组找矿部位应以寻找扇三角洲前缘主砂体为主。

5 结论

1）路井凹陷发育稳定斜坡带，下白垩统沉积了一套富含还原介质的河流相砂体，垂向上发育泥-砂-泥结构，地层中补-径-排体系完整，蚀源区及地层中的铀含量较高，经氧化流体活化运移到还原介质附近富集成矿，具备砂岩型铀成矿条件。

2）下白垩统苏红图组为断坳转换期的泛盆沉积物，发育厚大砂体，胶结疏松，透水性好，且层间氧化发育，下一步可作为主攻找矿层位，同时兼顾巴音戈壁组层间氧化带型和同生沉积型铀矿。苏红图组重点在灰色体外围探索，找矿部位以河道翼部为主，寻找潜水-层间氧化带型铀矿；巴音戈壁组找矿部位以扇三角洲前缘主砂体为主，寻找潜水氧化-同沉积型铀矿。