準噶爾盆地北部晚白堊世至新近紀沉積介質(zhì)環(huán)境演化特征及其對鈾成礦的制約

何中波，冀華麗，胡寶群，等.準噶爾盆地北部晚白堊世至新近紀沉積介質(zhì)環(huán)境演化特征及其對鈾成礦的制約.吉林大學學報（地球科學版），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：

沉積地層原生沉積介質(zhì)的環(huán)境對砂巖型鈾礦成礦作用及潛力分析具有重要意義。本文以準噶爾盆地北部鈾礦地質(zhì)探井N3006中上白堊統(tǒng)至新近系16件泥巖樣品中的微量元素測試結(jié)果為基礎，結(jié)合露頭及鉆孔巖心發(fā)育特征，選用對沉積介質(zhì)環(huán)境反映比較敏感的鋰（Li）、鍶（Sr）、鎵（Ga）、鋇（Ba）、銅（Cu）、鈾（U）、釩（V）、鎳（Ni）等微量元素指標，探討了研究區(qū)晚白堊世至新近紀沉積介質(zhì)環(huán)境演化特征及其對鈾成礦作用的制約。研究結(jié)果表明：晚白堊世至新近紀古沉積環(huán)境總體表現(xiàn)為干旱炎熱且富氧的淡水微咸水沉積；據(jù)原生沉積環(huán)境判斷，研究區(qū)內(nèi)上白堊統(tǒng)至新近系各層組砂體總體上不利于傳統(tǒng)的層間氧化和潛水氧化砂巖型鈾礦化的發(fā)育；強氧化的古環(huán)境有利于鈾元素的遷移，局部特殊環(huán)境形成的原生灰色層和后期遭受還原流體改造的灰色層是該區(qū)砂巖型鈾礦找礦的重要突破方向。

關鍵詞：

晚白堊世；新近紀；泥巖；微量元素；古沉積環(huán)境演化；鈾成礦；準噶爾盆地

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220238

中圖分類號：P548；P597

文獻標志碼：A

收稿日期：20221021

作者簡介：何中波（1980—），男，正高級工程師，博士研究生，主要從事盆地分析、砂巖型鈾礦成礦條件、成礦機理及成礦預測研究工作，E-mail：hzb100029@163.com

基金項目：中國核工業(yè)地質(zhì)局鈾礦勘查項目（2020064）；中核集團集中研發(fā)項目（2021143）

Supported by the Uranium Exploration Project of China Nuclear Industry Geological Bureau （2020064） and the China National Nuclear Corporation’s 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

沉積地層原生沉積介質(zhì)的環(huán)境研究對砂巖型鈾礦找礦目標層的確定、找礦方向的探討具有重要的意義［12］。盆地沉積介質(zhì)的地球化學環(huán)境控制著元素分布的規(guī)律［39］，因此，可通過研究特定元素的質(zhì)量分數(shù)及其比值來識別沉積環(huán)境［1015］，恢復物源及古沉積環(huán)境［1617］。

研究區(qū)位于準噶爾盆地北部，南以三個泉凸起為界，北至德倫山—杜熱一線。前人［1819］針對研究區(qū)北部古近系擠壓推覆構造與沉積耦合特征及新生代構造特征與鈾成礦的關系開展了嘗試性分析，并重點針對研究區(qū)東部構造演化開展了大量的研究，基本理清了研究區(qū)東部構造演化的期次及影響范圍［2026］；針對沉積蓋層主要開展了局部地區(qū)侏羅系沉積特征研究，明確了研究區(qū)東部侏羅系主要發(fā)育辮狀河三角洲、扇三角洲及沼澤沉積環(huán)境［27］；受限于石油地質(zhì)和煤田地質(zhì)主要目標層位的限制，針對上白堊統(tǒng)至新近系沉積特征及古沉積環(huán)境僅見少量報道［2829］。在鈾礦地質(zhì)研究方面，針對研究區(qū)東部侏羅系砂巖型鈾礦成礦條件、成礦機理、成礦遠景和找礦方面開展了大量的研究［3033］；其次，在二十世紀初，前人針對區(qū)內(nèi)頂山已有礦點鈾礦化特征、水文地質(zhì)條件及含礦層巖石地球化學特征等方面開展了較為詳細的解剖研究［3438］；但受限于目標層沉積環(huán)境和淺部構造格局等方面基礎研究的薄弱，該地區(qū)砂巖型鈾礦的科研及找礦工作陷入停滯狀態(tài)。近年來，關于頂山礦點及其周邊黃花溝地區(qū)的砂巖型鈾礦成礦條件的研究再次引起部分學者的關注，主要針對頂山地區(qū)鈾鐳平衡特征、氧化帶地球化學特征及黃花溝地區(qū)成礦條件等方面開展了研究［3940］；但針對研究區(qū)上白堊統(tǒng)至新近系原始沉積環(huán)境和砂巖型鈾礦找礦方向等問題研究較為薄弱，導致研究區(qū)內(nèi)大面積發(fā)育的上白堊統(tǒng)紅礫山組和古近系烏倫古河組找礦方向和成礦潛力不明。本文利用烏倫古坳陷典型鈾礦地質(zhì)鉆孔N3006中泥巖樣品的微量元素數(shù)據(jù)，力求恢復研究區(qū)上白堊統(tǒng)至新近系各層組沉積時期的古沉積環(huán)境，探討沉積介質(zhì)環(huán)境演化特征，綜合分析上白堊統(tǒng)至新近系各層組的原生沉積環(huán)境，以期對研究區(qū)上白堊統(tǒng)紅礫山組和古近系烏倫古河組砂巖型鈾礦找礦方向、成礦潛力評價工作提供關鍵的支撐。

1" 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于準噶爾盆地北部，構造區(qū)劃上包含烏倫古坳陷和陸梁隆起北部的大部分地區(qū)，西起夏子街地區(qū)，東到卡姆斯特，南起三個泉北，北至杜熱南，面積約2.6×104 km2（圖1）。坳陷內(nèi)發(fā)育厚層

中、新生代蓋層，白堊紀至今主要發(fā)育下白堊統(tǒng)吐谷魯群、上白堊統(tǒng)紅礫山組、古近系烏倫古河組、新近系索索泉組及第四系，各系之間發(fā)育區(qū)域性不整合。

上白堊統(tǒng)紅礫山組（K2h）、古近系烏倫古河組（E13w）典型露頭和N3006井典型巖石照片分別如圖2、3。上白堊統(tǒng)紅礫山組巖性以黃褐色、褐黃色細砂巖和中砂巖為主夾磚紅色泥巖（圖2 a、b、c、d，圖3 a、b、c）；古近系烏倫古河組巖性以白色、灰白色砂巖與褐色、褐黃色泥巖互層為主（圖2 e、f、g、h，圖3 d、e、f）；新近系索索泉組（N1s）以紅色雜色的淺湖相泥質(zhì)巖為主，夾細碎屑沉積物，鈣質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高（圖3 g、h、i）。

2" 樣品與測試

采集了研究區(qū)鉆孔N3006中40件樣品，重點選取了具有代表性的16件泥巖樣品進行測試和分析，自下而上分別屬于上白堊統(tǒng)紅礫山組（5件）、古近系烏倫古河組（8件）及新近系索索泉組（3件），涵蓋了晚白堊世至新近紀該地區(qū)發(fā)育的所有泥質(zhì)蓋層，測試的元素主要有：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學測試均在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心實驗室測試完成。測試系用NexION300Dd等離子體質(zhì)譜儀（ICPMS）。全巖分析采用GB/T14506.302010［41］硅酸鹽巖石化學分析方法測定主量元素和微量元素質(zhì)量分數(shù)，儀器精密度優(yōu)于±5%，具有較高的精確度。測試結(jié)果見表1。

3" 討論

3.1" 古鹽度特征及其對鈾成礦的制約

1）古鹽度特征

Li、Sr、Ni、Ga 等微量元素的質(zhì)量分數(shù)對水體鹽度的變化有很好的指示作用［12］；Sr/Ba值也常用來作為區(qū)分淡水和咸水沉積的標志［8，1213］。研究表明：咸水環(huán)境中，w（Li）大于150×10-6、w（Sr）為（800～1 000）×10-6、w（Ni）大于40×10-6、w（Ga）小于8 ×10-6; 淡水環(huán)境中，w（Li）小于 90 ×10-6、w（Sr）為（100～500）×10-6、w（Ni）為（20～ 25）×10-6、w（Ga）大于17×10-6 ；一般認為，淡水沉積物中Sr/Ba值小于1（1.0～0.6為半咸水相，小于0.6為微咸水相），而鹽湖（海相）沉積物中Sr/Ba值大于1。

上白堊統(tǒng)紅礫山組5件樣品，w（Li）為（17.7～38.1）×10-6，平均值為26.3×10-6，質(zhì)量分數(shù)遠小于90×10-6；w（Sr）為（167～206）×10-6，平均值為187×10-6，質(zhì)量分數(shù)介于100×10-6 ～500×10-6之間；w（Ni）為（20.3～41.0）×10-6，平均值為30.7×10-6，大部分質(zhì)量分數(shù)介于25×10-6 ～40×10-6之間；w（Ga）為（13.2～20.2）×10-6，平均值為15.6×10-6，大部分質(zhì)量分數(shù)介于8×10-6 ～17×10-6之間；Sr/Ba值為0.28～0.76，平均值為0.57，小于0.6（表1，圖4）；綜合以上數(shù)據(jù)結(jié)果，研究區(qū)上白堊統(tǒng)紅

a. 三個泉，上白堊統(tǒng)紅礫山組淺黃褐黃色泥巖；b. 三個泉，上白堊統(tǒng)紅礫山組褐黃色細砂巖，鈣質(zhì)膠結(jié)；c. 三個泉，上白堊統(tǒng)紅礫山組頂部磚紅色泥巖；d. 三個泉，上白堊統(tǒng)紅礫山組頂部褐黃色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖；e. 頂山鹽池東，古近系烏倫古河組棕紅色泥巖；f. 頂山鹽池東，古近系烏倫古河組灰白色鈣質(zhì)泥巖；g. 頂山鹽池西，古近系烏倫古河組黃色泥巖與粉砂巖互層，發(fā)育板狀交錯層理、楔狀交錯層理，夾平行層理，在粉砂巖中可見疊瓦狀礫石排列；h. 頂山鹽池西，古近系烏倫古河組淺黃色泥巖，泥巖底部可見礫巖層組成的沖刷面。

礫山組沉積時，水體總體上為淡水，短期內(nèi)表現(xiàn)為微咸水環(huán)境。

古近系烏倫古河組8件樣品，w（Li）為（14.0～51.9）×10-6，平均值為31.4×10-6，質(zhì)量分數(shù)遠小于90×10-6；w（Sr）為（159～281）×10-6，平均值為219×10-6，質(zhì)量分數(shù)介于100×10-6 ～500×10-6之間；w（Ni）為（21.1～49.9）×10-6，平均值為39.6×10-6，12.5%樣品小于25×10-6，25%樣品質(zhì)量分數(shù)介于25×10-6 ～40×10-6之間，62.5%樣品質(zhì)量分數(shù)大于40×10-6；w（Ga）為（9.2～24.5）×10-6，平均值為17.6×10-6，50%樣品質(zhì)量分數(shù)介于8×10-6 ～17×10-6之間，50%樣品質(zhì)量分數(shù)大于17×10-6；Sr/Ba值為0.24～1.03，平均值為0.63，50%樣品質(zhì)量分數(shù)小于0.6×10-6，50%樣品質(zhì)量分數(shù)大于或等于0.6×10-6（表1，圖4）；綜合以上數(shù)據(jù)結(jié)果，研究區(qū)烏倫古河組沉積時，水體總體上為淡水偏咸，較晚白堊世水體含鹽度明顯增高。

新近系索索泉組3件樣品，w（Li）為（37.0～41.7）×10-6，平均值為39.8×10-6，質(zhì)量分數(shù)遠小于90×10-6；w（Sr）為（159～218）×10-6，平均值為188×10-6，質(zhì)量分數(shù)介于100×10-6～500×10-6之間；w（Ni）為（38.5～45.3）×10-6，平均值為41.3×10-6，大部分質(zhì)量分數(shù)大于40×10-6；w（Ga）為（20.0～21.5）×10-6，平均值為20.6×10-6，質(zhì)量分

數(shù)大于17×10-6；Sr/Ba值為0.29～0.65，平均值為0.49，大部分比值小于0.6（表1，圖4）；綜合以上數(shù)據(jù)結(jié)果，N3006井區(qū)索索泉組沉積時，水體總體上為淡水微咸水，較古近紀水體含鹽度有所降低。

2）古鹽度演化及其對鈾成礦的制約

綜上所述，N3006井區(qū)自晚白堊世至新近紀均為淡水微咸水沉積，其中，古近紀的水體鹽度高于晚白堊世及新近紀。一般而言，鹽度的變化會影響古生物的生長，導致地層中缺少還原物質(zhì)。但總體來看，N3006井區(qū)古鹽度僅略高于一般淡水，不是導致沉積物中缺少還原物質(zhì)的關鍵因素。N3006井中自下而上地層中還原物質(zhì)均較為貧乏，可能是其他原因造成的。

3.2" 古氣候特征及其對鈾成礦的制約

1）古氣候特征

一般認為，喜濕型元素主要有Cr、Ni、Mn、Cu、Fe、Ba、Br、Co、Cs、Hf、Rb、Sc、Th等，而喜干型元素主要為Sr、Pb、Au、As、Ca、Na、Ta、U、Zn、Mg、Mo、B 等。本文選取了喜干型元素Sr和喜濕型元素Cu的比值作為對古氣候變化研究的參數(shù)。通常Sr/Cu值介于1～5之間指示溫濕氣候，而大于5 指示干熱氣候［11］。

上白堊統(tǒng)紅礫山組5件樣品，Sr/Cu值為5.56～10.35，平均值為7.24，大于5（表1，圖4）；結(jié)果顯示，N3006井區(qū)上白堊統(tǒng)紅礫山組沉積時，古氣候環(huán)境為干熱古氣候。

古近系烏倫古河組8件樣品，Sr/Cu值為5.01～8.67，平均值為6.54，大于5（表1，圖4）；結(jié)果顯示，N3006井區(qū)古近系烏倫古河組沉積時，古氣候環(huán)境為干熱古氣候，據(jù)平均數(shù)據(jù)來看，氣候干熱程度較晚白堊世有所緩解。

新近系索索泉組3件樣品，Sr/Cu值為5.30～5.61，平均值為5.45，大于5（表1，圖4）；結(jié)果顯示，N3006井區(qū)新近系索索泉組沉積時，古氣候環(huán)境為干熱古氣候，總體來看較古近紀干熱程度進一步緩解。

2）古氣候演化及其對鈾成礦的制約

綜合以上數(shù)據(jù)結(jié)果，N3006井區(qū)自晚白堊世至新近紀均表現(xiàn)為干熱古氣候環(huán)境，總體上由晚白堊世至新近紀干熱程度有逐漸緩解的現(xiàn)象。

宏觀上據(jù)地層露頭及鉆孔巖心顯示，晚白堊世至新近紀發(fā)育大規(guī)模紅色泥巖層及雜色砂巖層，也是干熱古氣候環(huán)境的直接證據(jù)。干熱古氣候環(huán)境不利于古生物的發(fā)育，導致地層中少見古生物殘留，不能為后期鈾元素沉淀富集提供豐富的還原物質(zhì)。但從另一方面來說，干熱古氣候環(huán)境下較為有利于鈾元素的遷移。

3.3" 古氧化還原環(huán)境特征及其對鈾成礦的制約

1）古氧化還原環(huán)境特征

V、Ni同屬于鐵族類元素，化學性質(zhì)較活潑。其中：V來自磁鐵礦，容易在氧化環(huán)境、酸度較高的條件下被吸附從而富集；Ni則容易在還原環(huán)境、堿度較高的條件下富集。故V/（V+Ni）值可以用來反映沉積水體的氧化還原環(huán)境［9，1415］。V/（V+Ni）值較高（gt;0.84）， 反映水體分層和底層水體出現(xiàn)H2S的厭氧環(huán)境；V/（V+Ni）值在0.60～0.84之間，反映水體分層中等的厭氧環(huán)境；V/（V+Ni）值較低（0.46～0.60），反映水體較弱的貧氧環(huán)境。

利用Cu/Zn值也可以很好地反映環(huán)境的氧化還原程度，前人曾對其進行了研究，計算出各“氧化還原過渡相”的臨界值：Cu/Zn值＜0.21，對應還原環(huán)境；Cu/Zn值在0.21～0.35之間，對應弱還原環(huán)境；Cu/Zn值在0.35～0.50之間，對應還原氧化環(huán)境；Cu/Zn值gt;0.50，對應富氧的氧化環(huán)境。

鈾元素在自然界水體中因易與還原劑作用生成鈾黑或其他物質(zhì)吸附而沉淀；釷的絡合物在弱堿性溶液中易水解，變成氧化物或氫氧化物沉淀［42］。基于這兩種元素的地球化學性質(zhì)差異，常利用鈾釷比值法判斷沉積環(huán)境的氧化還原狀態(tài)；U/Th值大于1.25時指示缺氧的還原環(huán)境，U/Th值在0.75～1.25之間指示過渡環(huán)境，U/Th小于0.75時代表富氧的氧化環(huán)境［43］。

上白堊統(tǒng)紅礫山組5件樣品，V/（V+Ni）值為0.71～0.84，平均值為0.78，介于0.60～0.84之間（表1，圖4）；Cu/Zn值為0.50～0.61，平均值為0.54，絕大部分比值大于0.5（表1，圖4）；U/Th值為0.30～0.57，平均值為0.37，比值小于0.75（表1，圖4）；綜合以上數(shù)據(jù)結(jié)果，N3006井區(qū)上白堊統(tǒng)紅礫山組沉積時，水體總體上為富氧的強氧化環(huán)境。

古近系烏倫古河組8件樣品，V/（V+Ni）值為0.66～0.85，平均值為0.76，大部分介于0.60～0.84之間（表1，圖4）；Cu/Zn值0.46～0.64，平均值為0.56，大部分大于0.5（表1，圖4）；U/Th值為0.16～0.56，平均值為0.33，小于0.75（表1，圖4）；綜合以上數(shù)據(jù)結(jié)果，N3006井區(qū)古近系烏倫古河組沉積時，水體總體上為富氧的強氧化環(huán)境。

新近系索索泉組3件樣品，V/（V+Ni）值為0.69～0.85，平均值為0.76，比值大部分介于0.60～0.84之間（表1，圖4）；Cu/Zn值為0.52～0.53，平均值為0.52，大于0.5（表1，圖4）；U/Th值為0.32～0.49，平均值為0.42，小于0.75（表1，圖4）；綜合以上數(shù)據(jù)結(jié)果，N3006井區(qū)新近系索索泉組沉積時，水體總體上為富氧的強氧化環(huán)境。

2）古氧化還原環(huán)境演化及其對鈾成礦的制約

綜合以上特征微量元素數(shù)據(jù)分析結(jié)果，研究區(qū)晚白堊世至新近紀整體沉積環(huán)境中表現(xiàn)為富氧的強氧化環(huán)境，在這種環(huán)境下發(fā)育的沉積物中極度缺乏還原物質(zhì)（不排除局部地區(qū)例外，如頂山地區(qū)），不利于鈾元素的沉淀富集，這也是導致研究區(qū)內(nèi)除頂山鈾礦點外，相關蓋層中目前未發(fā)現(xiàn)鈾元素富集現(xiàn)象的原因。

此外，強氧化的古環(huán)境有利于鈾元素的遷移，遷移過程中遭遇還原地質(zhì)體極有可能還原沉淀，乃至富集成礦，研究區(qū)東南部卡姆斯特地區(qū)頭屯河組中砂巖型鈾礦的發(fā)育正是受益于侏羅紀之后長期的干旱炎熱的古氣候環(huán)境［29，31］。如何在強氧化環(huán)境形成的地層中尋找還原地質(zhì)體是研究區(qū)砂巖型鈾礦找礦的關鍵問題，筆者認為可以從兩方面入手：1）在強氧化環(huán)境中尋找局部還原的古沉積環(huán)境，如研究區(qū)現(xiàn)今的烏倫古河流域就發(fā)育在極度干旱炎熱環(huán)境中，局部還原，植被發(fā)育的地區(qū)可能會形成具有相當還原容量的沉積物；2）尋找后期遭受還原流體改造過的地質(zhì)體，如油氣滲出改造原生沉積建造。

4" 結(jié)論

1）研究區(qū)晚白堊世至新近紀古沉積環(huán)境總體表現(xiàn)為干旱炎熱且富氧的淡水微咸水沉積，古沉積環(huán)境具有較好的繼承性。

2）在干旱炎熱且強烈氧化環(huán)境中發(fā)育的上白堊統(tǒng)至新近系各層位砂體中缺乏還原容量的沉積物（局部特殊環(huán)境除外），從原生沉積環(huán)境判斷，總體上不利于傳統(tǒng)的層間氧化和潛水氧化砂巖型鈾礦化的發(fā)育。

3）強氧化的古環(huán)境有利于鈾元素的遷移，遷移過程中遭遇還原地質(zhì)體極有可能還原沉淀，乃至富集成礦；因此，局部特殊環(huán)境形成的原生灰色層和后期遭受還原流體改造的灰色層是該區(qū)砂巖型鈾礦找礦的重要突破方向。

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