准噶尔盆地北部晚白垩世至新近纪沉积介质环境演化特征及其对铀成矿的制约

何中波 冀华丽 胡宝群 孙萧 钟军 杨喆 陈虹

何中波，冀華丽，胡宝群，等.准噶尔盆地北部晚白垩世至新近纪沉积介质环境演化特征及其对铀成矿的制约.吉林大学学报（地球科学版），2024，54（3）：800810. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220238.

He Zhongbo， Ji Huali， Hu Baoqun，et al.

Environmental Evolution Characteristics of Sedimentary Media from Late Cretaceous to Neogene in the Northern Junggar Basin and Its Constraints on Uranium Mineralization. Journal of Jilin University（Earth Science Edition）， 2024，54（3）：800810. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220238.

摘要：

沉积地层原生沉积介质的环境对砂岩型铀矿成矿作用及潜力分析具有重要意义。本文以准噶尔盆地北部铀矿地质探井N3006中上白垩统至新近系16件泥岩样品中的微量元素测试结果为基础，结合露头及钻孔岩心发育特征，选用对沉积介质环境反映比较敏感的锂（Li）、锶（Sr）、镓（Ga）、钡（Ba）、铜（Cu）、铀（U）、钒（V）、镍（Ni）等微量元素指标，探讨了研究区晚白垩世至新近纪沉积介质环境演化特征及其对铀成矿作用的制约。研究结果表明：晚白垩世至新近纪古沉积环境总体表现为干旱炎热且富氧的淡水微咸水沉积；据原生沉积环境判断，研究区内上白垩统至新近系各层组砂体总体上不利于传统的层间氧化和潜水氧化砂岩型铀矿化的发育；强氧化的古环境有利于铀元素的迁移，局部特殊环境形成的原生灰色层和后期遭受还原流体改造的灰色层是该区砂岩型铀矿找矿的重要突破方向。

关键词：

晚白垩世；新近纪；泥岩；微量元素；古沉积环境演化；铀成矿；准噶尔盆地

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220238

中图分类号：P548；P597

文献标志码：A

收稿日期：20221021

作者简介：何中波（1980—），男，正高级工程师，博士研究生，主要从事盆地分析、砂岩型铀矿成矿条件、成矿机理及成矿预测研究工作，E-mail：hzb100029@163.com

基金项目：中国核工业地质局铀矿勘查项目（2020064）；中核集团集中研发项目（2021143）

Supported by the Uranium Exploration Project of China Nuclear Industry Geological Bureau （2020064） and the China National Nuclear Corporations Centralized Research and Development Project （2021143）

Environmental Evolution Characteristics of Sedimentary Media from Late Cretaceous to Neogene in the Northern Junggar Basin and Its Constraints on Uranium Mineralization

He Zhongbo1，2， Ji Huali2， Hu Baoqun1， Sun Xiao3， Zhong Jun2， Yang Zhe2， Chen Hong3

1. State Key Laboratory of Nuclear Ｒesources and Environment， East China University of Technology， Nanchang 330013，China

2.  Key Laboratory of Uranium Resources Prospection and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology   CNNC，Beijing 100029， China

3. Geologic Party No.216， CNNC， Urumqi 830011， China

Abstract：

The environment of the primary sedimentary medium in the sedimentary strata is of great significance to the mineralization and potential analysis of sandstone-type uranium deposits. In this study， trace element analyses of 16 mudstoness derived from the  Upper Cretaceous to Neogene in the uranium geological exploration well N3006 in the north of Junggar basin， were conducted. By combination with observations form outcrops and drill cores， the lithium （Li）， strontium （Sr）， gallium （Ga）， barium （Ba） Copper （Cu）， uranium （U）， vanadium （V）， nickel （Ni） and other trace element indicators are utilized to discuss the environmental evolution characteristics of the Late Cretaceous to Neogene sedimentary media in the study area and their constraints on uranium mineralization. All the results suggest that， the paleosedimentary environment from the Late Cretaceous to Neogene was generally characterized by dry， hot and oxygen rich fresh water brackish water deposits; Judging from the primary sedimentary environment， the sand bodies of each formation from Upper Cretaceous to Neogene in the study area are generally not conducive to the development of traditional interlayer oxidation and phreatic oxidation sandstone-type uranium mineralization; However， the presence of strongly oxidized paleoenvironment is conducive to the migration of uranium elements. Significantly， the primary gray layer formed in a local special environment and the gray layer transformed by reducing fluid in the later period are the important breakthrough directions for the exploration of sandstone type uranium deposits in the area.

Key words：

Late Cretaceous; Neogene; mudstone; trace elements; evolution of paleosedimentary environment; uranium mineralization; Junggar basin

0  引言

沉积地层原生沉积介质的环境研究对砂岩型铀矿找矿目标层的确定、找矿方向的探讨具有重要的意义［12］。盆地沉积介质的地球化学环境控制着元素分布的规律［39］，因此，可通过研究特定元素的质量分数及其比值来识别沉积环境［1015］，恢复物源及古沉积环境［1617］。

研究区位于准噶尔盆地北部，南以三个泉凸起为界，北至德伦山—杜热一线。前人［1819］针对研究区北部古近系挤压推覆构造与沉积耦合特征及新生代构造特征与铀成矿的关系开展了尝试性分析，并重点针对研究区东部构造演化开展了大量的研究，基本理清了研究区东部构造演化的期次及影响范围［2026］；针对沉积盖层主要开展了局部地区侏罗系沉积特征研究，明确了研究区东部侏罗系主要发育辫状河三角洲、扇三角洲及沼泽沉积环境［27］；受限于石油地质和煤田地质主要目标层位的限制，针对上白垩统至新近系沉积特征及古沉积环境仅见少量报道［2829］。在铀矿地质研究方面，针对研究区东部侏罗系砂岩型铀矿成矿条件、成矿机理、成矿远景和找矿方面开展了大量的研究［3033］；其次，在二十世纪初，前人针对区内顶山已有矿点铀矿化特征、水文地质条件及含矿层岩石地球化学特征等方面开展了较为详细的解剖研究［3438］；但受限于目标层沉积环境和浅部构造格局等方面基础研究的薄弱，该地区砂岩型铀矿的科研及找矿工作陷入停滞状态。近年来，关于顶山矿点及其周边黄花沟地区的砂岩型铀矿成矿条件的研究再次引起部分学者的关注，主要针对顶山地区铀镭平衡特征、氧化带地球化学特征及黄花沟地区成矿条件等方面开展了研究［3940］；但针对研究区上白垩统至新近系原始沉积环境和砂岩型铀矿找矿方向等问题研究较为薄弱，导致研究区内大面积发育的上白垩统红砾山组和古近系乌伦古河组找矿方向和成矿潜力不明。本文利用乌伦古坳陷典型铀矿地质钻孔N3006中泥岩样品的微量元素数据，力求恢复研究区上白垩统至新近系各层组沉积时期的古沉积环境，探讨沉积介质环境演化特征，综合分析上白垩统至新近系各层组的原生沉积环境，以期对研究区上白垩统红砾山组和古近系乌伦古河组砂岩型铀矿找矿方向、成矿潜力评价工作提供关键的支撑。

1  区域地质背景

研究区位于准噶尔盆地北部，构造区划上包含乌伦古坳陷和陆梁隆起北部的大部分地区，西起夏子街地区，东到卡姆斯特，南起三个泉北，北至杜热南，面积约2.6×104 km2（图1）。坳陷内发育厚层

中、新生代盖层，白垩纪至今主要发育下白垩统吐谷鲁群、上白垩统红砾山组、古近系乌伦古河组、新近系索索泉组及第四系，各系之间发育区域性不整合。

上白垩统红砾山组（K2h）、古近系乌伦古河组（E13w）典型露头和N3006井典型岩石照片分别如图2、3。上白垩统红砾山组岩性以黄褐色、褐黄色细砂岩和中砂岩为主夹砖红色泥岩（图2 a、b、c、d，图3 a、b、c）；古近系乌伦古河组岩性以白色、灰白色砂岩与褐色、褐黄色泥岩互层为主（图2 e、f、g、h，图3 d、e、f）；新近系索索泉组（N1s）以红色杂色的浅湖相泥质岩为主，夹细碎屑沉积物，钙质质量分数高（图3 g、h、i）。

2  样品与测试

采集了研究区钻孔N3006中40件样品，重点选取了具有代表性的16件泥岩样品进行测试和分析，自下而上分别属于上白垩统红砾山组（5件）、古近系乌伦古河组（8件）及新近系索索泉组（3件），涵盖了晚白垩世至新近纪该地区发育的所有泥质盖层，测试的元素主要有：Li、Be、Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Cs、Ba、La、Ce、Eu、Gd、Tb、Th、U。所有樣品的微量元素地球化学测试均在核工业北京地质研究院分析测试中心实验室测试完成。测试系用NexION300Dd等离子体质谱仪（ICPMS）。全岩分析采用GB/T14506.302010［41］硅酸盐岩石化学分析方法测定主量元素和微量元素质量分数，仪器精密度优于±5%，具有较高的精确度。测试结果见表1。

3  讨论

3.1  古盐度特征及其对铀成矿的制约

1）古盐度特征

Li、Sr、Ni、Ga 等微量元素的质量分数对水体盐度的变化有很好的指示作用［12］；Sr/Ba值也常用来作为区分淡水和咸水沉积的标志［8，1213］。研究表明：咸水环境中，w（Li）大于150×10-6、w（Sr）为（800～1 000）×10-6、w（Ni）大于40×10-6、w（Ga）小于8 ×10-6; 淡水环境中，w（Li）小于 90 ×10-6、w（Sr）为（100～500）×10-6、w（Ni）为（20～ 25）×10-6、w（Ga）大于17×10-6 ；一般认为，淡水沉积物中Sr/Ba值小于1（1.0～0.6为半咸水相，小于0.6为微咸水相），而盐湖（海相）沉积物中Sr/Ba值大于1。

上白垩统红砾山组5件样品，w（Li）为（17.7～38.1）×10-6，平均值为26.3×10-6，质量分数远小于90×10-6；w（Sr）为（167～206）×10-6，平均值为187×10-6，质量分数介于100×10-6 ～500×10-6之间；w（Ni）为（20.3～41.0）×10-6，平均值为30.7×10-6，大部分质量分数介于25×10-6 ～40×10-6之间；w（Ga）为（13.2～20.2）×10-6，平均值为15.6×10-6，大部分质量分数介于8×10-6 ～17×10-6之间；Sr/Ba值为0.28～0.76，平均值为0.57，小于0.6（表1，图4）；综合以上数据结果，研究区上白垩统红

a. 三个泉，上白垩统红砾山组浅黄褐黄色泥岩；b. 三个泉，上白垩统红砾山组褐黄色细砂巖，钙质胶结；c. 三个泉，上白垩统红砾山组顶部砖红色泥岩；d. 三个泉，上白垩统红砾山组顶部褐黄色粉砂岩、泥质粉砂岩；e. 顶山盐池东，古近系乌伦古河组棕红色泥岩；f. 顶山盐池东，古近系乌伦古河组灰白色钙质泥岩；g. 顶山盐池西，古近系乌伦古河组黄色泥岩与粉砂岩互层，发育板状交错层理、楔状交错层理，夹平行层理，在粉砂岩中可见叠瓦状砾石排列；h. 顶山盐池西，古近系乌伦古河组浅黄色泥岩，泥岩底部可见砾岩层组成的冲刷面。

砾山组沉积时，水体总体上为淡水，短期内表现为微咸水环境。

古近系乌伦古河组8件样品，w（Li）为（14.0～51.9）×10-6，平均值为31.4×10-6，质量分数远小于90×10-6；w（Sr）为（159～281）×10-6，平均值为219×10-6，质量分数介于100×10-6 ～500×10-6之间；w（Ni）为（21.1～49.9）×10-6，平均值为39.6×10-6，12.5%样品小于25×10-6，25%样品质量分数介于25×10-6 ～40×10-6之间，62.5%样品质量分数大于40×10-6；w（Ga）为（9.2～24.5）×10-6，平均值为17.6×10-6，50%样品质量分数介于8×10-6 ～17×10-6之间，50%样品质量分数大于17×10-6；Sr/Ba值为0.24～1.03，平均值为0.63，50%样品质量分数小于0.6×10-6，50%样品质量分数大于或等于0.6×10-6（表1，图4）；综合以上数据结果，研究区乌伦古河组沉积时，水体总体上为淡水偏咸，较晚白垩世水体含盐度明显增高。

新近系索索泉组3件样品，w（Li）为（37.0～41.7）×10-6，平均值为39.8×10-6，质量分数远小于90×10-6；w（Sr）为（159～218）×10-6，平均值为188×10-6，质量分数介于100×10-6～500×10-6之间；w（Ni）为（38.5～45.3）×10-6，平均值为41.3×10-6，大部分质量分数大于40×10-6；w（Ga）为（20.0～21.5）×10-6，平均值为20.6×10-6，质量分

数大于17×10-6；Sr/Ba值为0.29～0.65，平均值为0.49，大部分比值小于0.6（表1，图4）；综合以上数据结果，N3006井区索索泉组沉积时，水体总体上为淡水微咸水，较古近纪水体含盐度有所降低。

2）古盐度演化及其对铀成矿的制约

综上所述，N3006井区自晚白垩世至新近纪均为淡水微咸水沉积，其中，古近纪的水体盐度高于晚白垩世及新近纪。一般而言，盐度的变化会影响古生物的生长，导致地层中缺少还原物质。但总体来看，N3006井区古盐度仅略高于一般淡水，不是导致沉积物中缺少还原物质的关键因素。N3006井中自下而上地层中还原物质均较为贫乏，可能是其他原因造成的。

3.2  古气候特征及其对铀成矿的制约

1）古气候特征

一般认为，喜湿型元素主要有Cr、Ni、Mn、Cu、Fe、Ba、Br、Co、Cs、Hf、Rb、Sc、Th等，而喜干型元素主要为Sr、Pb、Au、As、Ca、Na、Ta、U、Zn、Mg、Mo、B 等。本文选取了喜干型元素Sr和喜湿型元素Cu的比值作为对古气候变化研究的参数。通常Sr/Cu值介于1～5之间指示温湿气候，而大于5 指示干热气候［11］。

上白垩统红砾山组5件样品，Sr/Cu值为5.56～10.35，平均值为7.24，大于5（表1，图4）；结果显示，N3006井区上白垩统红砾山组沉积时，古气候环境为干热古气候。

古近系乌伦古河组8件样品，Sr/Cu值为5.01～8.67，平均值为6.54，大于5（表1，图4）；结果显示，N3006井区古近系乌伦古河组沉积时，古气候环境为干热古气候，据平均数据来看，气候干热程度较晚白垩世有所缓解。

新近系索索泉组3件样品，Sr/Cu值为5.30～5.61，平均值为5.45，大于5（表1，图4）；结果显示，N3006井区新近系索索泉组沉积时，古气候环境为干热古气候，总体来看较古近纪干热程度进一步缓解。

2）古气候演化及其对铀成矿的制约

综合以上数据结果，N3006井区自晚白垩世至新近纪均表现为干热古气候环境，总体上由晚白垩世至新近纪干热程度有逐渐缓解的现象。

宏观上据地层露头及钻孔岩心显示，晚白垩世至新近纪发育大规模红色泥岩层及杂色砂岩层，也是干热古气候环境的直接证据。干热古气候环境不利于古生物的发育，导致地层中少见古生物残留，不能为后期铀元素沉淀富集提供丰富的还原物质。但从另一方面来说，干热古气候环境下较为有利于铀元素的迁移。

3.3  古氧化还原环境特征及其对铀成矿的制约

1）古氧化还原环境特征

V、Ni同属于铁族类元素，化学性质较活泼。其中：V来自磁铁矿，容易在氧化环境、酸度较高的条件下被吸附从而富集；Ni则容易在还原环境、碱度较高的条件下富集。故V/（V+Ni）值可以用来反映沉积水体的氧化还原环境［9，1415］。V/（V+Ni）值较高（>0.84）， 反映水体分层和底层水体出现H2S的厌氧环境；V/（V+Ni）值在0.60～0.84之间，反映水体分层中等的厌氧环境；V/（V+Ni）值较低（0.46～0.60），反映水体较弱的贫氧环境。

利用Cu/Zn值也可以很好地反映环境的氧化还原程度，前人曾对其进行了研究，计算出各“氧化还原过渡相”的临界值：Cu/Zn值＜0.21，对应还原环境；Cu/Zn值在0.21～0.35之间，对应弱还原环境；Cu/Zn值在0.35～0.50之间，对应还原氧化环境；Cu/Zn值>0.50，对应富氧的氧化环境。

铀元素在自然界水体中因易与还原剂作用生成铀黑或其他物质吸附而沉淀；钍的络合物在弱碱性溶液中易水解，變成氧化物或氢氧化物沉淀［42］。基于这两种元素的地球化学性质差异，常利用铀钍比值法判断沉积环境的氧化还原状态；U/Th值大于1.25时指示缺氧的还原环境，U/Th值在0.75～1.25之间指示过渡环境，U/Th小于0.75时代表富氧的氧化环境［43］。

上白垩统红砾山组5件样品，V/（V+Ni）值为0.71～0.84，平均值为0.78，介于0.60～0.84之间（表1，图4）；Cu/Zn值为0.50～0.61，平均值为0.54，绝大部分比值大于0.5（表1，图4）；U/Th值为0.30～0.57，平均值为0.37，比值小于0.75（表1，图4）；综合以上数据结果，N3006井区上白垩统红砾山组沉积时，水体总体上为富氧的强氧化环境。

古近系乌伦古河组8件样品，V/（V+Ni）值为0.66～0.85，平均值为0.76，大部分介于0.60～0.84之间（表1，图4）；Cu/Zn值0.46～0.64，平均值为0.56，大部分大于0.5（表1，图4）；U/Th值为0.16～0.56，平均值为0.33，小于0.75（表1，图4）；综合以上数据结果，N3006井区古近系乌伦古河组沉积时，水体总体上为富氧的强氧化环境。

新近系索索泉组3件样品，V/（V+Ni）值为0.69～0.85，平均值为0.76，比值大部分介于0.60～0.84之间（表1，图4）；Cu/Zn值为0.52～0.53，平均值为0.52，大于0.5（表1，图4）；U/Th值为0.32～0.49，平均值为0.42，小于0.75（表1，图4）；综合以上数据结果，N3006井区新近系索索泉组沉积时，水体总体上为富氧的强氧化环境。

2）古氧化还原环境演化及其对铀成矿的制约

综合以上特征微量元素数据分析结果，研究区晚白垩世至新近纪整体沉积环境中表现为富氧的强氧化环境，在这种环境下发育的沉积物中极度缺乏还原物质（不排除局部地区例外，如顶山地区），不利于铀元素的沉淀富集，这也是导致研究区内除顶山铀矿点外，相关盖层中目前未发现铀元素富集现象的原因。

此外，强氧化的古环境有利于铀元素的迁移，迁移过程中遭遇还原地质体极有可能还原沉淀，乃至富集成矿，研究区东南部卡姆斯特地区头屯河组中砂岩型铀矿的发育正是受益于侏罗纪之后长期的干旱炎热的古气候环境［29，31］。如何在强氧化环境形成的地层中寻找还原地质体是研究区砂岩型铀矿找矿的关键问题，笔者认为可以从两方面入手：1）在强氧化环境中寻找局部还原的古沉积环境，如研究区现今的乌伦古河流域就发育在极度干旱炎热环境中，局部还原，植被发育的地区可能会形成具有相当还原容量的沉积物；2）寻找后期遭受还原流体改造过的地质体，如油气渗出改造原生沉积建造。

4  结论

1）研究区晚白垩世至新近纪古沉积环境总体表现为干旱炎热且富氧的淡水微咸水沉积，古沉积环境具有较好的继承性。

2）在干旱炎热且强烈氧化环境中发育的上白垩统至新近系各层位砂体中缺乏还原容量的沉积物（局部特殊环境除外），从原生沉积环境判断，总体上不利于传统的层间氧化和潜水氧化砂岩型铀矿化的发育。

3）强氧化的古环境有利于铀元素的迁移，迁移过程中遭遇还原地质体极有可能还原沉淀，乃至富集成矿；因此，局部特殊环境形成的原生灰色层和后期遭受还原流体改造的灰色层是该区砂岩型铀矿找矿的重要突破方向。

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