伊犁盆地南缘含矿层砂体发育特征对铀矿化控因分析

王守玉，罗星刚，刘富强

（核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011）

伊犁盆地南缘自西向东发育多个层间氧化带型铀矿床、矿点，矿化层位包括中下侏罗统及中上三叠统。前人从构造、沉积、地化及水文等角度对区内铀成矿规律开展了大量研究，总结了伊犁式层间氧化带型铀成矿模式［1-7］。但从含矿砂体精细剖析角度分析铀矿化特征则相对较少，且多集中在单个铀矿床或某一层位［8-10］，缺乏综合研究。从实际找矿应用来看，不同赋矿地段或层位砂体特征存在较明显差异，针对上述问题，笔者借助研究区丰富的地质资料，以含矿砂体空间发育特征入手，开展铀成矿分析，为下一步找矿工作提供地质依据。

1 地质概况

伊犁盆地为天山山脉隆升过程中局部凹陷下沉而形成的大型山间坳陷盆地［11］。研究区位于伊犁盆地南部斜坡带，总体呈南高北低的单斜产出（图1），南部蚀源区分布大面积石炭纪-二叠纪中酸性火山岩、花岗岩，铀含量为（6.7～12.9）×10-6，整体为有利铀成矿构造单元。区内铀矿化主要发育在中上三叠统及中下侏罗统等中生代盖层中，其总体为一套温暖湿润气候背景下沉积的暗色含煤碎屑岩建造。

研究区受古气候、物源供给、构造活动、古地势等因素影响，发育了冲积扇、三角洲两大沉积体系（图2）。冲积扇沉积体系发育在中上三叠统小泉沟群（T2-3xq）和下侏罗统八道湾组（J1b），砂体具有粒度粗、厚度大、泥-砂-泥结构较完整、朵状展布、煤层发育较差的重力流等特征；三角洲沉积体系发育在中下侏罗统三工河组（J1s）—头屯河组（J2t），砂体具有粒度-厚度适中、泥-砂-泥结构完整、带状展布、煤层发育的牵引流等特征［12-13］。

2 砂体对铀矿化控因分析

2.1 沉积相类型对铀成矿的制约

图1 伊犁盆地南缘地质构造略图Fig.1 Geological structure sketch in southern margin of Yili Basin

砂岩型铀矿的形成受沉积相带制约［2-3］，区内铀矿体主要发育在三角洲沉积体系中，其次发育在冲积扇沉积体系。具体到各沉积亚（微）相，三角洲相见矿孔主要分布在分流河道及水下分流河道微相，占比80%以上；冲积扇相见矿孔主要分布在扇中亚相，占比70%左右（表1）。分流河道与扇中亚（微）相水动力相对稳定，植被发育，形成的砂体厚大且连续。受河流迁移影响，河道间泥岩或煤层被冲刷并进入砂体内部，形成条带状、透镜状炭屑。由于水动力条件减弱，有机质随砂质碎屑的沉积而卸载，在分流河道相变或扇根-扇中过渡相变部位的砂体也随之具备丰富的还原物质。平面上，各含矿层铀矿体发育位置也集中于扇根-扇中、平原-前缘过渡部位及分流河道与河道间等相变部位（图3）。

通过对比伊犁盆地南缘各含矿砂体铀矿化发育特征与沉积亚（微）相之间的关系，可进一步总结出以下规律（表2）：

扇根亚相、分流河道中心往往由多层正韵律或块状砂体垂向叠置产出，形成厚度大（25～30 m）、粒度粗（粗砂岩-砂砾岩）、泥质隔水层少、层间氧化规模大（强氧化带），以翼部泥岩或煤层矿化为主的铀矿化类型。

扇中亚相、分流河道边缘往往由正韵律砂体多层叠置产出（泥岩夹层稳定），形成厚度适中（15～25 m）、粒度适中（中砂岩-含砾粗砂岩）、泥质隔水层稳定、层间氧化规模弱（弱氧化带-过渡带）、以卷头砂岩矿化为主的铀矿化类型。

分流间湾砂体往往发育规模较小，多呈指状中-细砂岩夹持于垂向厚层泥岩之中，层间氧化作用基本不发育，铀矿化岩性以泥岩或煤层为主。

2.2 砂体厚度及粒度对铀成矿的制约

砂体是层间氧化带发育及铀矿富集的载体，一般而言砂体厚度越大，层间氧化水径流空间越大，氧化带规模越大，迁移至前锋线的铀越多。受沉积相类型和沉积微相相变影响，区内有利铀富集的砂体厚度存在一定差异。小泉沟群（T2-3xq）、八道湾组（J1b）为扇根-扇中亚相沉积，砂体厚度较大，区内见矿钻孔超过70%发育在厚度大于15 m的砂体内；三工河组（J1s）主要为三角洲前缘亚相沉积，超过80%的见矿钻孔发育在5～15 m 的砂体中；西山窑组上段—头屯河组（J2x3—J2t）主要为三角洲平原亚相沉积，有利砂体厚度介于15～35 m，见矿孔占比达75%以上（表3）。

砂体厚度对铀富集的影响表现在两方面。一是砂体须具备一定的规模，从而为层间含氧含铀水的渗流提供稳定通道，南缘各含矿砂体除三工河组外（5～15 m），其余含矿层铀矿体均发育在厚度大于15 m的砂体中；二是铀矿体主要发育在稳定、厚大砂体的边缘部位，即沿砂体走向或倾向上厚度减薄或消失的部位。这种砂体厚度的变化不仅表现在单纯的厚度减小，同时还表现在砂体内部有机质、泥质含量升高，砂体内部出现泥岩、煤层透镜体或薄层，使得砂体净厚度减薄。特别是沿砂体倾向上厚度突然减小或出现泥岩透镜体时，层间含氧含铀水流速、流向会随之发生变化，造成水岩作用时间增大，形成铀沉淀富集的有利空间。洪海沟铀矿床西山窑组上段及头屯河组、乌库尔其铀矿床西山窑组上段及三工河组均发育以上由砂厚变化形成的铀矿体（图4）。

图2 伊犁盆地南缘地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of strata in the southern margin of Yili Basin

表1 伊犁盆地南缘含矿砂体沉积微相见矿情况汇总表Table 1 Summary of ore-hosting sand bodies in the southern margin of Yili Basin

图3 伊犁盆地南缘西山窑组下段沉积相图Fig.3 Sedimentary facies diagram of the lower member of Xishanyao Formation in the southern margin of Yili Basin

研究区工业铀矿化主要发育在层间氧化带前锋线附近的浅黄色-灰色砂岩中，赋矿砂体包括砂砾岩、含砾粗砂岩、粗砂岩、中砂岩及细砂岩。见矿岩性在砂砾岩、含砾粗砂岩及粗砂岩中的比例达70%以上（表4）。按层位来看，小泉沟群、八道湾组、三工河组见矿岩性在砂砾岩、含砾粗砂岩（粗粒岩性）比例较高（＞40%）；西山窑组、头屯河组见矿岩性在中-细砂岩（细粒岩性）比例较高（＞30%），总体呈现由下至上见矿岩性变细的趋势。

从含矿砂体粒度来看，铀成矿作用有选择粗粒岩石沉淀富集的倾向，该现象的出现主要是由砂体粒度变化造成砂体渗透性变化，进而导致层间氧化作用发育受阻，水岩作用时间增长。层间氧化作用在砂体粒度变化部位停止或尖灭导致铀的析出和富集。砂体粒度变化由河道迁移引起，包括突变和渐变两类，其中突变多为小范围内粒度的快速变化，如砂岩突变为泥岩或煤层；渐变多表现为粗粒岩性渐变为中-细砂岩或泥岩，表现为砾石或砂质碎屑含量、粒径及分选性的变化。此外，粒度变化部位有机质、泥质含量也相对较高，从而又为铀沉淀、富集创造了有利地化条件。洪海沟铀矿床西山窑组上段第12 煤层铀矿体多发育在上覆头屯河组底部砂岩突变接触部位，砂体内层间氧化带及铀矿化则多发育在砂体粒度变细部位，即砂砾岩或粗砂岩内部出现的中细砂岩、泥岩团块的部位（图5）。

表2 伊犁盆地南缘沉积相与铀矿化类型关系汇总表Table 2 Relationship between sedimentary facies and uranium mineralization types in the southern margin of Yili Basin

表3 伊犁盆地南缘不同厚度砂体见矿情况汇总表Table 3 Summary of ore hosting sand bodies of different thickness in the southern margin of Yili Basin

2.3 砂体空间形态对铀成矿的制约

铀矿化对特定砂体厚度（10～35 m）及粒度（中砂-砂砾岩）选择的根本原因为砂体空间变化及其与构造展布形态的叠合性造成含氧含铀水渗流状态发生变化引起。其中砂体的连续性是层间氧化带发育的先决条件，稳定性则是铀富集的关键因素。宏观上来看，砂体空间形态的变化广泛繁育，而在小范围内由于砂体的粒度、夹层、岩性突变等因素的影响则频繁发生。除去强烈构造的变形因素外，砂体空间形态主要由岩相变化引起。

图4 乌库尔其铀矿床西山窑组上段东西向剖面示意图Fig.4 The east-west section of the upper member of Xishanyao Formation in Wukurqi uranium deposit

表4 伊犁盆地南缘不同粒级砂岩见矿情况汇总表Table 4 Summary of ore hosting of sandstones with different grain sizes in the southern margin of Yili Basin

小泉沟群、八道湾组为冲积扇相沉积，平面砂体呈朵状，由蚀源区向盆内展布，受辫状河道迁移影响，冲积扇朵状砂体多横向相连。横向上砂体厚度、粒度稳定，纵向上砂体厚度、粒度及空间稳定性变化较大。该类砂体往往形成围绕冲积扇朵体发育的层间氧化带前锋线，铀矿化多发于在朵状砂体边缘部位或相邻朵状砂体连接部位（图6）。

三工河组—头屯河组为三角洲相沉积，该类砂体多呈掌状，由蚀源区向盆地内部展布，其中三工河组、西山窑组上段及头屯河组掌状砂体之间连续性较差，西山窑组下段掌状砂体之间多发育小规模朵状砂体，形成横向连续的带状砂体。由蚀源区向盆地方向砂体平面由宽变窄、由直变弯、由稳定变分散、垂向分叉（泥质夹层增多）或合并（泥质夹层被冲刷），从而形成层间氧化作用持续发育的“物理障”，引起层间氧化带迅速尖灭或分叉，促使铀从水中析出并沉淀富集，形成围绕分流河道稳定砂体边缘变化部位的铀矿体（图7）。

图5 洪海沟铀矿床南西-北东向地质剖面图Fig.5 SW-NE geological profile of Honghaigou uranium deposit

图6 伊犁盆地南缘西段小泉沟群东西向地层对比图Fig.6 East-west stratigraphic correlation of Xiaoquangou Group in the western segment of the southern margin of Yili Basin

砂体平面形态造成了含氧含铀水平面渗流状态的变化，进而控制了层间氧化带发育规模与形态；砂体垂向上的空间叠置关系则造成了含氧含铀水垂向的多层分带。具体表现为随着氧化带的不断推移，由于砂体粒度、夹层厚度与数量的变化，使得砂体厚度和连通性发生改变，造成氧化带运移的方式、方向和发育规模的改变。区内氧化带尖灭样式可分为7 类，包括层间正常尖灭、砂体垂向分层尖灭、砂体顶、底板隔水层局部缺失下渗或越流尖灭，平面尖灭包括受河道分叉尖灭、河道边界接触部位尖灭、砂体内部稳定性变差尖灭（图8）。

图7 伊犁盆地南缘西山窑组上段砂体厚度等值线图Fig.7 Isoline map of sand body thickness in the upper member of Xishanyao Formation in the southern margin of Yili Basin

图8 伊犁盆地南缘层间氧化带尖灭样式与铀矿体产出形态示意图Fig.8 Patterns of interlayer oxidation zone pinch-out and the shape of uranium ore bodies in the southern margin of Yili Basin

区内三角洲相砂体受分流河道频繁迁移、分叉与汇聚的影响，铀矿化类型包括以上所有7 种类型；冲积扇相砂体平面上呈朵状垂直剥蚀界线，呈南北向展布，铀矿化类型包括层间尖灭性、垂向分层尖灭性、河道分叉尖灭型共3 类（表5）。不同层间氧化带尖灭类型的本质原因为相变导致砂体空间形态由直变弯或稳定性（减薄、分叉、夹层增多）变差，从而造成含氧含铀水出现分流或者流速及流向发生改变，促使铀从中析出沉淀富集。

2.4 砂体垂向组合类型对铀成矿的制约

依据视电阻率曲线垂向形态，将含矿砂体划分出指型、钟型、漏斗形、全韵律型、箱型及复合叠置型6 类［14-16］，各类砂体分布于河道不同部位，为河道横向迁移、叠置成因（图9）。

表5 伊犁盆地南缘砂体与层间氧化带尖灭类型对照表Table 5 Types of sand bodies pink-out and interlayer oxidation zones in the southern margin of the Yili Basin

在砂体分类的基础上，叠置伽马测井曲线，开展砂体类型与铀矿化特征相互关系的综合判断。统计表明，区内复合叠置型砂体为南缘最重要的见矿砂体，其次为箱型、钟型、全韵律型砂体，指型和漏斗形砂体铀矿化发育较差（表6）。

复合叠置型由箱型、钟型垂向叠置组成，受河道冲刷影响，往往形成厚大、稳定、叠置部位富含有机质等特征。区内该类型砂体矿化以卷状为主，矿化品位、厚度及平米铀量均较大；箱型砂体多为发育在分流河道中心，砂体厚度大、粒度粗，多构成地下水渗流的主通道，氧化强度高，矿化类型以上、下翼板状为主；钟型砂体多位于三角洲分流河道边缘，铀矿化以翼部板状铀矿化为主；全韵律型砂体多发育在河道边缘，铀矿化多发育在该类规模较大的砂体中上部或中下部；指型、漏斗型砂体多发育在河道间或扇端，砂体规模小，基本不发育铀矿化。

2.5 沉积相岩性组合对地下水补-径-排的制约

2.5.1 补给窗口

区内含矿砂体多以斜交带状与第四系接触或直接出露地表（河流切割）。冲积扇相层间氧化带前锋线与扇体展布形态吻合较好，指示扇根部位构成补水窗口，由于扇根亚相以杂乱重力流沉积为主，砂体渗透条件较差，以其为补给窗口的地段，如乌库尔其八道湾组下段砂体氧化程度偏低、前锋线铀富集能力弱。构造抬升期间，若扇根部位被剥蚀，层间氧化带前锋线铀富集规模也相应加强，如库捷尔太、苏阿苏向斜八道湾组下段（图10）。

三角洲相砂体空间展布呈掌状，由蚀源区向湖盆展开，即近蚀源区河道面积、厚度及规模较大，远蚀源区河道分散性增强，面积、宽度及厚度减小。当补水窗口由近蚀源区河道根部开启时，层间氧化带多沿河道展布方向呈近南北凹凸延伸，如洪海沟地区西山窑组上段，乌库尔其西山窑组上段、三工河组；蒙其古尔地区扎河上游补水窗口为分流河道，造成该矿床西侧铀矿化规模较小、连续性较差。盆缘构造破碎带补水窗口位于河道根部，矿床东侧层间氧化带及铀矿化规模和连续性也相对较好（图11）。

2.5.2 径流通道

图9 砂体垂向类型与成因示意图Fig.9 Vertical types and genesis of sand bodies

表6 伊犁盆地南缘主要见矿砂体铀矿化特征汇总表Table 6 Uranium mineralization characteristics of ore hosting sand bodies in the southern margin of the Yili Basin

层间含氧含铀水的渗流状态同时受到砂体空间形态和构造展布样式的双重制约，若二者叠合性一致，则对层间氧化作用和铀富集成矿的持续发育十分有利。洪海沟地区西山窑组上段河道砂体主体呈北西向展布，与区内单斜构造产出样式一致，在多期次构造隆升作用下，层间氧化作用持续发育，形成沿主砂体边缘发育的侧向氧化及铀矿体（图12）。矿床东侧墩买里附近砂体向北迅速减薄，砂体形态虽与构造展布方向一致，但氧化带规模却较小。

图10 伊犁盆地南缘八道湾组下段沉积相图Fig.10 Sedimentary facies map of the lower member of Badaowan Formation in the southern margin of Yili Basin

图11 伊犁盆地南缘西山窑组上段沉积相图Fig.11 Sedimentary facies map of the upper member of Xishanyao Formation in the southern margin of Yili Basin

南缘中部蒙其古尔地段受南北双阻水断裂夹持、东西向稳定带状砂体共同影响，形成扎河上游、构造破碎窗双重补给，北东向径流的独立地下水动力系统，形成区内独特的受构造控制的侧向氧化及铀成矿模式。从地下水补给角度来看，蒙其古尔地区发育两大补给窗口，相比较南缘其他矿床而言，随含氧含铀水进入层间砂体内的外部铀源更好；从层间地下水渗流通道角度来看，区内三工河组—西山窑组东西向连续性均较好且富含还原介质，为层间氧化作用持续向北东侧发育创造了有利岩性-岩相条件，形成双补水窗口-单一径流通道的有利铀成矿地段；乌库尔其地段则与蒙其古尔地段形成截然相反的补给-径流状态，来自南部的地下水在向北东、北西侧渗流过程中，受分流河道砂体分叉、变窄、分散性增强影响，层间氧化作用随之减弱，构成单一补水窗口-多径流通道的铀成矿特征。在空间上形成多条南北向延伸的层间氧化带前锋线，对铀的持续富集与规模化工业铀矿带的形成较为不利，从而形成分散聚集式的铀矿化（图13）。

2.5.3 排泄窗口

研究区含矿层排泄带以伊犁河附近的隐伏断裂为主，叠合局部地段的局部排泄带，砂岩作为层间地下水排泄的窗口必然需要具备一定厚度与稳定性。由区内砂体展布形态来看，三角洲相砂体的连续性好于冲积扇相，最明显的差别为，三角洲相砂体是以稳定或较稳定河道形式产出，冲积扇相砂体则为非稳定水体形成，排泄带附近砂体的稳定性与联通性较差，除局部地段扇前发育稳定辫状河道外，多以扇端亚相泥质或细粒砂岩沉积为主。

图12 洪海沟铀矿床西山窑组上段砂体与铀矿体展布图Fig.12 Distribution of sand body and uranium ore body of the upper member of Xishanyao Formation in Honghaigou uranium deposit

图13 伊犁盆地南缘中部西山窑组下段砂体与铀矿体展布图Fig.13 Distribution of sand body and uranium ore body of the lower member of Xishanyao Formation in the middle of the southern margin of the Yili Basin

3 结论

1）受构造、物源与湖侵共同影响，研究区发育了小泉沟群、八道湾组冲积扇相朵体状砂体、三工河组-头屯河组三角洲相掌状砂体，三角洲相砂体位有利铀成矿砂体。

2）区内有利铀成矿的砂体集中在10～35 m的砂砾岩、含砾粗砂岩中，砂体对层间氧化带的发育及铀的富集具有直接控制作用，其中连续性为层间氧化带发育的基础条件，稳定性和变异性制约了铀矿化富集的部位。

3）砂体平面展布形态及垂向叠置关系制约了层间氧化带发育的规模与形态，同时控制了氧化带尖灭方式及铀矿体的类型。

4）区内含矿砂体可分为箱型、钟型、全韵律型、漏斗型、指型和复合叠置型，其中卷状铀矿化定位于复合叠置型砂体的变化部位，板状铀矿化定位于箱型、钟型砂体中上部及中下部非均值性增强部位。

5）沉积相类型及其岩性组合控制了砂体空间展布形态，砂体、构造展布样式及地下水径流类型或途径联合制约了铀矿体的空间分布及形态。