矿床成矿地质条件及勘探潜力分析
[摘要]钱家店铀矿床赋存于开鲁盆地上白垩统姚家组辫状河流相沉积体系中,论文经过对矿床铀矿化特征、成矿地质条件及成因机理的研究,论文认为其成矿类型归属于层间氧化带砂岩型。该矿床铀源丰富,有适宜的水文地质条件,平缓西倾的单斜地层和贯通的深大断裂,以及发育良好的辫状河流相砂体,这些都为铀矿床的形成提供了良好条件。姚家组地层中还原组分含量相对较高,局部形成了有利于铀富集的地球化学障。泥-砂-泥岩石组合及油气提供的还原环境,对铀矿床的形成及保矿起到一定作用。近期,在钱家店凹陷北段和中部地区又有新的铀矿化发现,极大提升了该区的勘探潜力,已成为矿床今后勘探的重点区块。
[关键词]开鲁盆地;钱家店铀矿床;成矿地质条件;成矿机理;勘探潜力
1、钱家店铀矿床是在开鲁盆地钱家店凹陷进行石油勘查过程中发现的可地浸砂岩型铀矿。该矿床的勘探始于上世纪末,经过多年的工作已提交了一批工业储量,并先后开展多项地质研究,取得许多研究成果[1~7]。近年来,对于钱家店铀矿床是否还具有勘探价值,勘探潜力到底有多大,颇有争议。本文旨在通过对钱家店铀矿床的铀矿化特征、成矿地质条件和成矿机理的研究,结合地浸砂岩型铀矿成矿理论,分析该矿床继续扩大的潜力,为进一步勘探提供依据。
1、区域地质概况
开鲁盆地位于松辽盆地西南部。钱家店凹陷属开鲁盆地内的次级负向构造单元。该凹陷呈NNE-NE向窄条状展布,长约100 km,宽为9~20 km,面积约1300 km2。钱家店铀矿床位于钱家店凹陷的北部地区开鲁盆地的基底主要为前震旦系花岗片麻岩和上古生界石炭-二叠系的变质岩系,物源区主要为中生代火山岩和海西期、燕山期花岗岩,以及古生界变质岩。盖层主要由中生界下白垩统义县组、九佛堂组、沙海组、阜新组的断陷湖盆沉积和上白垩统泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组坳陷型河流-湖相沉积构成,其上被古近系、新近系和第四系覆盖。开鲁盆地是在海西地槽褶皱基底之上发育起来的中生代断陷型沉积盆地。盆地的形成和发展经历了早白垩世的断陷、早白垩世末期的剥蚀抬升、晚白垩世的拗陷及末期嫩江运动的反转、抬升剥蚀等阶段。断陷阶段沉积了一套湖泊至滨浅湖、沼泽相为主的沉积,九佛堂组、沙海组为盆地的主要生、储油层。拗陷阶段广泛发育了河流相和滨浅湖湘的沉积,钱家店铀矿床主要发育于姚家组地层中。
2•1 铀的存在形式、矿石类型及矿体形态
钱家店铀矿床铀的主要存在形式为铀矿物及吸附铀,少量含铀矿物。铀矿物为沥青铀矿,分布于草莓状黄铁矿中或草莓状黄铁矿边部，或呈条带状及分散显微粒状、显微粒状集合体形式分布在砂岩胶结物中,部分以团块状充填在砂岩胶结物中或以团块状与胶状黄铁矿共生。吸附铀主要被有机质及黏土吸附,而含铀矿物主要是砂岩中的碎屑锆石及含铀钛铁矿等副矿物,但后者不具工业意义。按矿石结构及含矿岩石类型可划分为4种类型铀矿,即细粒砂岩型铀矿、中粒砂岩型铀矿、粉砂岩型铀矿和泥岩型铀矿。其中以细粒砂岩型铀矿为主,中粒砂岩型铀矿次之。该矿床的矿体形态较简单,平面上呈菱形、近似方形(或方形)、多边形的板状体;剖面上矿体形态为板状、透镜状,以及板状透镜状的组合。矿体产状与地层(含矿砂体)产状一致。
2•2 含矿主岩及沉积相
含矿主岩以灰色、灰白色岩屑长石砂岩为主,其次为含泥砾岩屑长石粗砂岩、砂砾岩、灰色粉砂岩和灰色泥岩。灰色、灰白色岩屑长石细砂岩为细粒结构,碎屑成分以中酸性火山岩岩屑为主,少量花岗岩岩屑,占20%~35%;长石占25%~30%,石英少于20%,黑云母少量。岩石呈孔隙式胶结,胶结物主要为黏土,其次为碳酸盐、黄铁矿等。碎屑磨圆度多为次棱角状或次圆状,成分成熟度低,结构成熟度中等。含矿砂岩的Fe3+/Fe2+含量比值为1•29, Fe3+含量略大于Fe2+含量,为弱氧化环境的产物。含矿粉砂岩、泥岩的Fe3+/Fe2+含量比值为0•77, Fe3+含量略小于Fe2+含量,属于还原环境的产物。钱家店铀矿床赋存于上白垩统姚家组,其沉积相属区域冲积扇-河流沉积体系的一部分,为典型的辫状河沉积体系,主要由砂质辫状河道和泛滥平原亚相组成。
2•3 含矿层系水质
姚家组中的地下水化学成分较单一,水质类型以HCO3-Na型和HCO3•Cl-Na型为主,矿化度为3•1~5•7g/L, pH值为7•2~8•4, Eh值为150~400mV,属微咸水。矿区东北部以HCO3•Cl-Na型水为主,西南部则以HCO3-Na型水为主,在水平方向上有明显的分带性。矿化度和水中铀含量由西南向北东呈增高趋势,而pH值、Eh值则呈降低趋势, Fe3+/Fe2+值由1•5降至0•5,说明水体属于氧化-还原过渡环境。水中铀含量为400~1720μg/L,最高可达2580μg/L,显示其具有良好的成矿前景。
2•4 铀成矿年龄
采用质谱法对姚家组31块铀矿石样品进行U-Pb同位素组成测定,获得钱家店铀矿床4个主要铀成矿年龄,分别为89±11Ma、67±5Ma、53±3Ma和41±4Ma,相当于4个主要成矿期(表1)。89±11Ma的成矿年龄与上白垩统姚家组的沉积年龄相当,属同生沉积成矿期; 67±5Ma的成矿年龄与晚白垩世嫩江期末反转隆升构造活动期相当,为晚白垩世晚期油田流体渗出还原叠加成矿期; 53±3Ma的成矿年龄与古近纪辉绿岩脉侵入活动期相当,为古近纪油田流体渗出及热水叠加成矿期; 41±4Ma的成矿年龄与古近纪中晚期断块抬升掀斜构造活动期相当,为古近纪中晚期含氧含铀流体叠加成矿期。
3 成矿地质条件
3•1 铀源条件
研究表明,钱家店铀矿床铀源丰富,主要来自两个方面:一是来自盆地周边物源区富铀地质体的风化淋滤,二是来源于含矿地层本身遭受后生氧化浸出。
(1)物源区为钱家店铀矿床的形成提供较丰富的铀源。钱家店凹陷东侧为架马吐突起,出露岩性有火山岩、花岗岩、大理岩等。钱家店铀矿床砂岩中碎屑成分主要为石英、长石和火山岩岩屑,岩石薄片镜下所见的流纹岩、流纹斑岩、石英粗面岩及石英粗安岩等砾石表明其源岩为火山岩(酸性或中酸性火山岩)。所见的片麻状黑云母花岗岩、微斜长石砾石表明其源岩为花岗岩类岩石。另外,姚家组含矿泥岩的稀土元素配分模式与北美页岩有一定的相似性,其δEu平均值为0•62,泥岩中的Eu负异常记录了姚家组沉积岩源岩中花岗岩的Eu亏损。此外,本区姚家组砂岩碎屑的磨圆度中等,长石含量较多,一般为10%~15%,个别可达25%,特别是在矿床的边缘地区,砂体几乎为长石砂岩所组成。其化学成分特征(如K2O>Na2O)趋于花岗质岩石,也表明其源岩为花岗岩类岩石。这说明距离该矿床不远的架马吐突起即是该矿床的物源区。赵忠华等(1998)研究认为,该区中生代酸性火山岩含铀量较高,为(5~10)×10-6,浸出率为20%~40%[8],表明该区铀源丰富。因此,物源区的岩石为钱家店铀矿床的形成提供了最原始的物质基础。
3•2 导矿条件
适宜的水文地质条件、平缓西倾的单斜地层、贯通的深大断裂及辫状河流相砂体都为钱家店铀矿床提供了良好的导矿条件。
(1)含氧地下水是铀迁移的载体。铀成矿首先要有铀源,由于铀在氧化环境中有较强的水迁移能力,因此无论是物源区、地层隆起区还是层间氧化带中的铀溶解后都会随含氧地下水一起迁移。只要含氧地下水补给充分,物源区、地层隆起区及层间氧化带中的铀,就会源源不断地被溶解,并随含氧地下水进入地层中,在适宜的环境中还原并聚集成矿。钱家店铀矿床西北部NE、NNE向断层密集区为局部泄水区。因此,含氧地下水补给充分,适宜的水文地质条件为铀矿体的形成,特别是后期改造、富集提供了有利条件。
(2)单斜地层形成的水文梯度为补、迳、排水动力系统的形成提供了适宜的空间。嫩江末期至古近纪、新近纪,钱家店铀矿床东南部上白垩统大面积长期裸露地表,为地下水补给提供了条件。区内姚家组下段含矿砂体与姚家组上段含矿砂体产状相近,含矿砂体沿走向产状稳定,总体走向北东37°,倾向北西,倾角小于10°。平缓西倾的单斜地层形成良好的水文梯度,为铀矿床补、迳、排水动力系统的形成提供了适宜的空间,含氧含铀地下水在地层中易迁移、溶解,并富集成矿。
(3)贯通的深大断裂是含氧含铀地下水运移的通道,也是深部油气田水上升的通道。钱家店凹陷地处松辽盆地东南部,目的层产状平缓,褶皱不发育,属构造弱活化区。该区在晚白垩世嫩江期后经历了较长时间的缓慢抬升与掀斜运动,并缺失古近系沉积。钱家店凹陷以东及以南地区的泉头组、青山口组、姚家组和嫩江组长期遭受剥蚀,接受下降水的长期淋滤,为后生层间氧化带砂岩型铀矿成矿创造了极为有利的条件。钱家店凹陷西北部发育有两条切穿沉积盖层的断裂,将钱家店凹陷深部的油气田与上部泉头组、姚家组沟通,有利于深部还原性气体上升进入含矿层砂体,为后生层间氧化带砂岩型铀矿成矿提供还原剂。
(4)辫状河流相砂体为含氧含铀层间水的迁移提供了良好的条件。钱家店铀矿床含矿层姚家组沉积体系属冲积扇-冲积平原沉积体系的一部分,岩相上主要属于辫状河流相。该相沉积单层砂体厚度为10~45m,延伸稳定,地层产状平缓,具有很好的泥-砂-泥结构。砂体岩性以浅灰色中细粒长石石英砂岩为主,岩石分选性较好,胶结物较少,泥质含量较低(<15%),孔隙度较高(25%~35%),透水性能较好,为含铀含氧层间水的迁移提供了良好的条件。
3•3 富集条件
铀富集成矿的条件除铀源及储集空间外,主要取决于地层中是否有适合铀沉淀的还原环境。经研究认为,钱家店铀矿床姚家组地层中还原组分含量相对较高,局部形成了有利于铀富集的地球化学障。
(1)来源于深部的烃类物质为含铀含氧层间水中铀的还原沉淀提供了还原剂。流体包裹体研究表明,姚家组含矿砂岩中含有大量的油气包裹体,主要见于碳酸盐胶结物及石英、长石碎屑颗粒的次生裂隙和脉状方解石中。含矿地层中还见油浸和油斑。油气包裹体和油浸、油斑的出现都说明钱家店铀矿床的形成与深部油气田的还原流体密切相关。矿化带西北部NE向断裂带为深部油气上升提供了通道,油气沿断裂带上升途中,横向上向渗透性较好的姚家组砂体渗透,使砂岩还原性能增强。油气中的有机质为含氧含铀层间水中铀的还原沉淀和富集提供了条件。
3•4 保矿条件
砂岩型铀矿床成藏后得以保存,辫状河流相沉积砂体的沉积特征,泥-砂-泥岩石组合及油气提供的还原环境对铀矿床起到了保矿作用。
(1)辫状河流相的沉积特征,相对稳定且有一定厚度的砂体对砂岩型铀矿床起到了控制作用。从钻孔取心上看,矿区姚家组沉积相总体为砂质辫状河类型,具有下粗上细的正韵律,各韵律层之间均呈河流冲刷接触关系,冲刷面规模不大但常见,有楔状、槽状交错层理及水平、波纹层理。砂岩中也见有不连续的薄层泥岩透镜体,砂/泥含量比值为3~5以上,砂含量大于泥。由于含矿砂体以细砂岩为主,砂体及上覆泥岩相对稳定;交错层理规模及冲刷幅度相对较小;砂岩中砾石含量较少,砾径较小(一般<5 mm),磨圆度中等偏高,均反映出远源砂质辫状河道特征。无论姚家组下段或上段,相对稳定且有一定厚度的砂体为该区铀矿化赋存创造了良好的前提条件。
(2)泥-砂-泥岩石组合对砂岩型铀矿床起到了保矿作用。钱家店铀矿床主要产出于姚家组下段和姚家组上段辫状河流相沉积砂体中,含矿砂体厚度适中,沿走向产状稳定,总体走向北东37°,倾向北西,倾角<10°。砂体呈缓倾单斜层,延伸稳定。从矿区岩心及钻井资料上可以看出,含矿砂体上下发育有3层泥岩隔水层,主要由紫红色泥岩组成,平均厚度约6m,属漫洪沉积物,隔水性能良好。这3层泥岩隔水层在区内稳定发育,含矿砂体受泥岩隔水层严格控制。隔水层的发育在姚家组下段和上段垂向上分别组成了两个完整的泥-砂-泥结构,这不但为地下水径流、层间氧化带、铀矿床的形成提供了有利条件,而且亦对砂岩型铀矿床起到了保矿作用。
(3)油气渗漏造成的还原环境有利于铀矿床的保存。姚家组地层沉积后,本区在嫩江期末至明水期发生了强烈的地壳反转隆升及断裂构造活动,古近纪至新近纪又发生了一次较强烈的隆升掀斜构造活动,每一次构造活动都造成深部油气沿盆地边部大断裂上升进入姚家组地层中,致使地层中CH4含量增高。经统计6个钻孔铀含量>100×10-6的岩心样品, CH4含量平均值介于42•59~392•80μL/kg,平均值为145•26μL/kg(表2);铀含量<100×10-6的岩心样品,CH4平均含量为120•97μL/kg。说明姚家组地层中CH4含量高,对铀矿床起到了还原保矿的作用。
分析根据上述分析笔者认为,按照铀矿床成矿作用,可以将钱家店凹陷铀成矿分为两种成因类型:即同生沉积铀成矿和后生改造叠加铀成矿。其成矿机理都是依靠还原组分将溶解在地下水中的铀还原,从而沉淀、吸附及富集成矿。
4•1 同生沉积铀成矿
本区主要含铀层系姚家组广泛发育辫状河流相沉积,铀矿化主要赋存于辫状河道洼地各种沉积微相中。姚家组形成于干旱与潮湿交替的古气候环境,同生沉积时,沉积物中黏土矿物及有机质含量较高。有机质和黏土矿物对铀有较强的吸附能力,在缺氧环境中,有机质中的碳氢化合物在有硫酸盐还原菌的参与下使硫酸盐还原产生硫化氢[15],从而在其周围造成强烈的局部还原环境,使水中的铀还原沉淀。在灰色粉砂质泥岩、灰色泥质细砂岩以及灰色细砂岩中形成铀的初始富集,铀含量普遍达到(10~30)×10-6,有的地段甚至达到工业富集或富矿化的程度。
4•2 后生改造叠加铀成矿
在嫩江期末至明水期地壳发生了强烈的反转隆升及断裂构造活动,深部含油气田水沿贯通断裂上升,途中向渗透性较好的辫状河道洼地各种沉积微相地层中扩散,使所到之处形成还原环境,促使地层中原来的含铀含氧地下水发生二次还原作用,形成二次铀矿化的后生富集。古近纪至新近纪地壳又一次较强烈的隆升掀斜构造活动,在钱家店铀矿床周边形成多个姚家组的构造天窗,为地表含铀含氧水渗入提供了良好的通道。来自深部含油气田水沿断裂渗出,提供了良好的还原剂。辉绿岩脉的侵入,既提高了地下流体的温度,又加快了深部含油气田水中含硫有机化合物的热分解和地层中硫酸盐矿物的热化学还原作用,生成硫化氢,使姚家组渗透性较好的辫状河道洼地各种沉积微相地层还原性能增强,使含铀含氧地下水中的铀被还原、沉淀成矿。
5 勘探潜力分析
(1)钱家店铀矿床铀的物质来源主要为架马吐突起。架马吐突起位于钱家店凹陷东侧,出露岩性有火山岩、花岗岩、大理岩等。钱家店铀矿床砂岩中碎屑成分主要为石英、长石和花岗岩、火山岩岩屑,碎屑的磨圆度中等,长石含量较高,砾石成分见花岗岩、流纹岩、安山岩等,与架马吐突起上的岩性完全相同,说明距离该矿床不远的架马吐突起即是该矿床的物源区。架马吐突起上的花岗岩、中酸性火山岩中铀的含量较高,是钱家店铀矿床的主要矿源区,为该矿床含铀砂体的形成提供了丰富的铀源。
(2)构造“天窗”周围的姚家组砂岩高岭石化强烈,其带出的铀在适当的还原环境沉积成矿。在钱家店铀矿床方圆1•5×4•5 km范围内分布有烟灯吐、高林屯、乌日吐茫哈等3个姚家组构造“天窗”。这些构造“天窗”周围的姚家组砂岩长期接受大气降水的淋滤,形成大量的酸性含氧地下水,沿地层向深部迁移,使砂岩中的长石强烈高岭石化。矿床岩心观察可见,在姚家组上段和姚家组下段的上部,高岭石化普遍发育,姚家组下段上部的砂岩中长石几乎全部转变成高岭石。岩石强烈高岭石化的同时,将早期赋存于岩石中的铀带出,运移到适当的环境中进行二次还原、富集成矿。
(3)构造由高向低过渡的斜坡带,特别是平缓的斜坡是铀富集的最有利地区。钱家店铀矿床铀的富集在一定程度上与矿体所处的区域构造环境有一定关系。构造由高向低过渡的斜坡带是铀矿富集的有利部位。特别是斜坡带的突然变缓处,地下水动力条件相对比较稳定,更有利于铀的沉淀,是铀富集的最有利地区。
(4)钱家店铀矿床北段的矿体厚度虽然不大,但铀含量比较高,且相对连片集中分布。从近几年施工的情况来看,靠近NW向边界断层的03-17、05-17、15-01等探井都见到良好的矿化显示,揭露的含矿砂体稳定,沿断层继续向北东方向延展,预示该区仍有很好的勘探前景。
6 结论
(1)钱家店铀矿床的物源区主要为由花岗岩、中酸性火山岩组成的架马吐突起,其铀含量较高,而地层隆起形成的剥蚀区及含矿层层间氧化带中的“溶解铀”为本区铀的叠加成矿提供了丰富的铀源。钱家店铀矿床属于同生沉积、后生改造叠加的复合成因矿床。
(2)单斜地层形成的水文梯度为补、迳、排水动力系统的形成提供了适宜的空间。辫状河流相砂体孔隙度较高、透水性能较好,为含氧含铀层间水的迁移提供了良好的条件。贯通的深大断裂是含氧含铀地下水运移的通道,也是深部油气田水上升的通道。因此,适宜的水文地质条件、平缓西倾的单斜地层、贯通的深大断裂及辫状河流相砂体都为钱家店铀矿床提供了良好的成矿条件。
(3)钱家店铀矿床姚家组地层中还原组分含量相对较高,局部形成了有利于铀富集的地球化学障。还原组分主要来源于两个方面,一是来源于深部油气藏的烃类物质,二是来源于地层中的有机碳、硫化氢及甲烷等,这些还原组分为铀矿化的局部富集提供了还原环境。
(4)辫状河流相的沉积特征,相对稳定且有一定厚度的砂体、泥-砂-泥岩石组合及油气渗漏造成的还原环境都有利于砂岩型铀矿床的保存。
(5)钱家店铀矿床北段的矿体厚度虽然不大,但铀含量比较高,且相对连片集中分布。钱家店凹陷中部已发现的工业铀矿化都集中产于姚家组下段,含矿主岩及铀矿化特征与钱家店铀矿床基本一致,其稀土元素配分模式表明沉积物来源于同一物源区。单个矿体规模一般比较小,受支流河道砂体控制,但成群、呈树枝状或雁行式分布。根据现有资料分析,钱家店凹陷的北段及中部地区应是具有较大找矿潜力的重点勘探区块。
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