伊犁盆地北緣表生熱液成因砂巖型鈾礦勘探前景及找礦方向

（成都理工大學沉積地質研究院，成都 610059）

砂巖型鈾礦是目前世界上最重要的鈾產品來源之一，已被證實的資源約占世界鈾資源量的四分之一，對世界鈾資源起著決定性的作用[1]。這些砂巖型鈾礦大多在礦化過程中形成時代相對較新，主要發育在中生代盆地蓋層中。美國的懷俄明州保德河盆地、中亞的錫爾河盆地[2]、伊犁盆地、西西伯利亞地區Kansk-Achinsk 盆地[3]以及中國的吐哈盆地、鄂爾多斯盆地均發現了可地浸砂巖鈾礦。我國從90年代中期到現今都以尋找可地浸砂巖型鈾礦為主，并取得了較好的結果，在遼西—冀北建昌盆地、內蒙二連盆地、鄂爾多斯盆地、吐哈盆地、伊犁盆地等盆地均已獲得具一定儲量的鈾礦床[4]。伊犁盆地是我國目前最重要的砂巖型鈾礦勘探開發基地，已陸續發現和探明的礦床有庫捷爾太、扎基斯坦、蒙其古爾、烏庫爾其等[5]，研究顯示：伊犁盆地南緣砂巖型鈾礦床的賦礦層位為侏羅系砂巖，其鈾源主要來自盆地南緣含鈾較高的巖漿巖，穩定展布的厚層砂體是鈾礦形成的重要條件[6]，侏羅系的沉積相特征直接影響砂體的發育，從而影響砂巖型鈾礦床的形成和展布[7]。目前雖然在伊犁盆地南緣礦床地質、基礎地質、成礦機制等方面取得了很多重要的成果，對于伊犁盆地北緣砂巖型鈾礦勘探卻少有進展，一系列勘探井位的失敗，預示著應用新的成礦理論指導鈾礦勘探打井已成為趨勢。近年來煤層自燃與砂巖鈾礦的成因聯系被提出[8]，侏羅系煤層自燃的產物—燒變巖被認為是伊犁盆地南緣鈾礦找礦標志之一，用（與煤層自燃有關的）表生熱液鈾成礦理論指導伊犁盆地北緣，可驗證該理論的可靠性。本文提出了用該理論指導鈾礦勘探的實例，預測了伊犁盆地遠景勘探區和勘探井位。

1 地質背景

伊犁盆地位于天山造山帶上，屬于斷陷-撓曲凹陷復合盆地，其復雜特殊的地形特征與中生代以來的造山帶斷裂活動有關[9]。盆地基底為中上元古界及古生界褶皺巖系，蓋層由中生界陸相含煤碎屑沉積和中-新生界紅色碎屑沉積組成[10]。伊犁盆地是在天山海西地槽褶皺回返基礎上發展而成的次造山帶山間盆地，其構造背景相對穩定，該盆地具有形成層間氧化帶砂巖型鈾礦的良好地質背景，在盆地南緣陸續發現了一系列鈾礦床和礦化點，鈾礦化主要賦存于中、下侏羅統水西溝群含煤地層中[10]。伊犁盆地發育的中新生代地層有：三疊系中上統小泉溝群（T2-3xq）、侏羅系中下統水西溝群（J1-2sh）、中侏羅統頭屯河組（J2t）、白堊系（K）、新近系（N）和第四系（Q）。該盆地的含礦建造主要在中下侏羅統水西溝群中，為一套陸相暗色含煤碎屑巖系，劃分為4個組，由下而上依次是：八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)、西山窯組(J2x)、齊古組（J3q），其沉積環境顯示了從底部八道灣期沖積扇-扇三角洲到西山窯期曲流河轉變的特征，而齊古組巖性以含礫砂巖為主，夾泥巖，為濱湖-河流湖泊三角洲相[11]。其中八道灣組、三工河組和西山窯組均發育層間氧化帶型砂巖鈾礦床[12-14]。

伊犁盆地北緣含煤系厚約900m左右，其巖性特征與南緣大致相似，顯示出砂巖泥巖互層或砂泥夾煤層(煤線)的沉積特征，但也有一些特殊的現象。如砂巖中含有較多菱鐵礦；含泥灰巖或含鈣泥巖；西山窯組處于相對穩定的、水動力不強的沉積環境，砂巖大部分為鈣質膠結物，具有類似于石灰巖地區的地貌特征；還發育水平層理、微斜層理[15]。八道灣組巖性為灰白色砂礫巖，含褐紅色、暗紅色泥質斑塊，為扇三角洲、湖泊、泥炭沼澤相沉積；三工河組以灰色、深灰色、黃褐色粉砂巖、泥巖為主，砂巖與煤層互層，下部以中砂巖為主，也有含礫中砂巖，為典型的淺水湖泊-湖泊三角洲相沉積；西山窯組地層底部為灰白色—淺褐黃色礫巖，中部為灰色中、細砂巖和粉砂巖，上部由粉砂巖、泥巖、煤層夾碳質泥巖組成，為河流-沼澤沉積環境[16-17]。盆地北緣地質圖見圖1。

圖1 伊犁盆地北緣地質簡圖

2 關于表生熱液成因砂巖型鈾礦理論

根據最新研究成果，我們認為伊犁盆地南緣的侏羅系砂巖型鈾礦多為與煤層自燃有關的表生熱液成因[8]，通過對伊犁等盆地侏羅系砂巖型鈾礦的研究，認為砂巖型鈾礦“層間氧化帶”中常見的紅、褐色“氧化帶”砂巖及“褪色帶”白色砂巖與煤層自燃過程對陸源碎屑巖的改造有關，是一種特殊類型的燒變巖（如圖2所示）。干旱氣候條件下煤層大規模自燃，在氣候變化后的濕潤氣候條件下，自燃煤層及其影響的砂、泥巖層（燒烤巖等）受大氣降雨影響，造成高溫流體沿著滲透性砂巖層流動，形成表生熱流體。在流動過程隨著溫度降低，攜帶難以遷移的鈾等金屬元素沉淀、析出的過程[8]。表生熱液流動的距離受煤自燃程度、大氣降水、滲透率及砂體發育規模等因素控制，其對砂巖的改造分為兩個方面[8]：相對高溫的熱流體（約600℃左右）對滲透性砂巖，特別是對砂巖中填隙物的熱改造，使其三價鐵礦物（如褐鐵礦、赤鐵礦、鈦鐵礦等）豐富而呈紅色，形成所謂的“層間氧化帶”，相對低溫的熱流體（約200℃左右）對砂巖改造比較弱，造成粘土礦物的轉化及巖石的“褪色”而呈白色，形成白色的“褪色帶”[8]。此成礦模式可以合理解釋砂巖型鈾礦主要分布在中國北方干旱地區的原因，預示著燒變巖是陸相含煤盆地表生熱液砂巖型鈾礦主要的找礦標志[8]。

圖2 與煤層自燃有關的表生熱液砂巖型鈾礦成礦模式圖

3 伊犁盆地北緣賦鈾砂巖存在的基礎與證據

3.1 燒變巖

時志強等[8]將燒變巖分為低溫烘烤巖（層狀烘烤巖）、燒烤巖（層狀燒烤巖和板狀燒烤巖）、燒熔巖三類四種，并認為伊犁盆地和鄂爾多斯盆地砂巖鈾礦常與燒變巖空間距離近，在成因上有密切聯系。伊犁盆地南緣燒變巖分布廣泛，主要分布于盆地邊緣露頭區，在其下延至盆地地腹埋深數百米的地層內可發生陰燃，在燒變巖分布區之南數公里范圍內分布有蒙其古爾、達拉地、扎基斯坦、庫捷爾太、烏庫爾其、洪海溝等多個砂巖型鈾礦床，其分布層位為西山窯組、三工河組及八道灣組。在伊犁盆地北緣侏羅系露頭區，燒變巖也極為發育，在多個剖面多個層位均有發育，分布較廣，主要出現在中侏羅統西山窯組中，燒熔巖、烘烤巖和層狀低溫烘烤巖均可在露頭剖面中見到（圖3）。伊犁盆地北緣燒變巖的形成過程（即煤層自燃過程）可伴隨四價鈾向六價鈾的轉變，由此變得更易遷移，預測可以形成與盆地南緣成因類似的砂巖型鈾礦。

圖3 伊犁盆地北緣蘇拉宮剖面出露的侏羅系燒變巖宏觀特征

3.2 鈾異常

在伊犁盆地南緣陸續探明和發現了多個鈾礦床和一大批鈾異常、礦化點[5]。通過對盆地北緣蘇拉宮附近的燒變巖取樣測試發現，經高溫改造的煤層鈾元素含量異常為460ppm，顯示盆地北緣沉積巖中亦有較為豐富的鈾源，是表生熱液型砂巖鈾礦形成的物質基礎。時志強等[8]認為侏羅系煤層的大規模自燃導致燃燒煤層本身以及上覆巖層物質重組，在高溫條件下，鈾元素從賦鈾巖石（煤層、砂巖層或以前形成的鈾礦）中析出是砂巖鈾礦形成的主要過程之一。

3.3 構造因素

伊犁盆地的形成與南北兩側相鄰的不同性質造山帶密切相關，南側塔里木板塊和北側哈薩克斯坦板塊在剪切擠壓應力作用下造成巨大山間坳陷[18]。盆地在侏羅紀后期經歷了一個長期而緩慢的抬升作用過程，導致侏羅系與白堊系之間有明顯的不整合接觸關系，新構造運動造成的背斜向斜使得地表氧化水得以持續、穩定的補給，利于鈾礦化的形成[19-20]。伊犁盆地北緣褶皺發育，單斜的構造背景和背、向斜造成了侏羅系地層的傾斜，在向斜核部出露的地層或被第四系覆蓋，伴隨著構造活動，表生熱液可因此進入滲透性強的砂巖層體，在流動受阻的條件下，鈾元素從表生熱液流體中析出、富集而成礦。預測其成礦模式如圖4所示。

圖4 伊犁盆地北緣砂巖型鈾礦成礦模式圖

3.4 侏羅系砂巖沉積背景

伊犁盆地中—下侏羅統暗色含煤碎屑巖建造沉積環境主要為沖積扇—三角洲沉積，有機質含量高，具有多層泥-砂-泥（煤）巖性結構，是伊犁盆地南緣砂巖型鈾礦最主要的含礦層[21]。在伊犁盆地北緣，下侏羅統八道灣組沉積時期，盆地整體為泛濫平原環境，大面積的沖積扇和扇三角洲裸露，扇三角洲砂體發育穩定，厚度大，延伸遠，有利于含鈾表生熱液的滲入；中侏羅統西山窯組沉積時期辮狀河、曲流河及沼澤發育，形成厚而穩定的煤層和砂巖體，主要巖性為礫砂巖，巖石膠結疏松，孔隙發育，也有利于鈾礦的沉淀、富集。

4 伊犁盆地北緣砂巖型鈾礦找礦預測

4.1 預測依據

根據上述有利因素，我們推斷伊犁盆地北緣也可能存在砂巖型鈾礦，具有較為良好的勘探前景，預測的依據有以下幾個方面：

1）燒變巖分布范圍

伊犁盆地南緣發育侏羅系煤層自燃后形成的燒變巖，盆地南部的扎斯坦及蒙其古爾鈾礦床位于扎基斯坦河兩側，綿延河流上游數公里[8]。而在伊犁盆地北緣西山窯組中，燒熔巖、低溫烘烤巖和燒烤巖均有大規模分布（圖3），形成了與盆地南緣類似的表生熱液成礦條件。

2）砂巖層分布

在伊犁盆地南緣中侏羅統地層的八道灣組、三工河組、西山窯組、齊古組是盆地內鈾、煤礦產的賦存層位，其（煤）泥-砂-泥的地層結構，為成礦提供巖相條件和巖性組合[22]。而這些地層也分布于伊犁盆地北緣露頭區的南端，并且砂巖的粒度由粗逐漸變細，砂泥比值由大變小（圖5），大套的砂巖可為含礦流體的滲透和流動運移提供通道。

3）構造控制的地層產狀

在伊犁盆地南緣，中等強度的構造運動環境為鈾成礦提供動力條件[24]，后期形成的層間氧化帶及對鈾礦化的改造作用使得層間氧化帶及鈾礦化復雜多變，影響和控制著礦床的形成和發育[19]。伊犁盆地北緣有單斜（圖4-A）和向斜（圖4-B）的構造組合，構造運動相對較弱，地層產狀相對平緩，背、向斜局部發育，為表生熱液滲流提供了空間和通道。

4）水系走向

伊犁盆地隆起地區屬滲入型自流盆地，為地下水補給區，新構造運動使盆地內斷裂活化，形成了良好的補給-徑流-排泄循環體系，為地下水的排泄提供了通道[25-26]。伊犁盆地北緣現代水系走向為南北向，盆地中部的伊犁河為地下水的排泄區，新生代盆地北緣水系分布與現代類似，上游河流攜帶來自燃煤層及附近高溫燒烤巖層中釋放的鈾元素，在新生代滲透性較好的砂巖層中遷移、富集（圖4）。

圖5 伊犁盆地北緣水西溝群巖性對比圖（據李盛富，2017）[23]

4.2 遠景勘探區預測

基于盆地的成礦模式和對盆地內表生熱液成因的砂巖型鈾礦的認識，本文對伊犁盆地北緣的砂巖型鈾礦進行了有利區勘探預測，共分為三級有利區域，并大致圈定了九個勘探井位以供下階段勘探證實，具體位圖見圖6。根據表生熱液成礦理論，新近系覆蓋的地區侏羅系煤層難以自燃，因而難以提供高溫鈾源來形成砂巖鈾礦床，有利的遠景區主要位于燒變巖分布區，即侏羅系煤層出露區及其附近地區。

1）Ⅰ型區域：為最有利勘探區，位于盆地北緣的中段，在Ⅰ型區域中有較少的斷層，具備向斜構造，有充足的來源于上游流至伊犁河的水系，且水系上游可見廣泛發育的燒變巖，與之有關的鈾元素通過表生熱液運移、聚集，從而富集成礦。

2）Ⅱ型區域：為次有利勘探區，位于盆地北緣的東段，燒變巖廣泛可見。此地區侏羅系濱湖三角洲相發育砂體有一定厚度且穩定，值得進行下一步的研究勘探。

3）Ⅲ型區域：該地區地層產狀較緩，有向斜發育或預測有第四系覆蓋的地腹向斜構造，有侏羅系燒變巖發育和滲透性砂巖層分布；可能受到新生代水系的影響。可作為遠期勘探區。

圖6 伊犁盆地北緣砂巖型鈾礦有利區域勘探預測圖

5 結論

1）伊犁盆地北緣侏羅系煤層自燃形成的燒變巖是尋找砂巖型鈾礦的標志，滲透性砂巖層和構造運動產生的褶皺為鈾礦的運移、富集提供有利條件。根據燒變巖分布、煤層鈾異常、構造因素以及沉積背景認為伊犁盆地北緣存在砂巖型鈾礦賦存的基本地質條件，具備一定的勘探前景。

2）根據伊犁盆地南緣的表生熱液成礦理論模式，預測了伊犁盆地北緣砂巖鈾礦遠景區，認為有利勘探區分為三類，Ⅰ型為最有利勘探區，斷層可見，還有向斜構造和充足的水源，可著重進行勘探；Ⅱ型為次有利勘探區，燒變巖廣泛分布，有大套的砂巖存在，具有勘探的價值；Ⅲ型區域受水系和構造的因素影響為相對有利勘探區，若有條件也可對此區域適當展開工作。