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噶尔盆地南缘成岩作用与砂岩铀成矿演化分析

中国学术期刊网【地理地质论文】 编辑:天问 空气动力学学报 2016-05-03噶尔盆地南缘成岩作用与砂岩铀成矿演化分析论文作者:黄少华 秦明宽 刘章月 许强 郭强,原文发表在《空气动力学学报杂志》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

关键词: 准噶尔盆地南缘 头屯河组砂岩 成岩作用 烃类流体 砂岩型铀矿
摘要: 为了解准噶尔盆地南缘硫磺沟地区中侏罗统头屯河组砂岩成岩-流体演化与铀成矿响应,进而客观评价其成矿潜力。通过光薄片鉴定、X衍射、扫描电镜分析得出:目的层主要为岩屑细砂岩,依次经历了浅埋藏、深埋藏和表生-热液成岩阶段,遭受较强的机械压实、胶结及溶蚀作用。其黏土矿物以高岭石为主,碳酸盐矿物有细亮晶和泥晶两类,硅质胶结微弱,局部见细晶黄铁矿及其褐铁矿氧化产物。成岩环境可能经历了由酸性到弱碱性再到酸性,由同生期氧化-浅埋期还原-短暂抬升期氧化还原过渡-缓慢沉降期还原增强-快速抬升期氧化的演化过程。砂岩中存在较多油气包裹体;酸解总烃为5.72~449.14 μL/kg,以CH4为主;方解石脉δ13CV-PDB为-25‰~-6.7‰,δ18OV-SMOW为11.1‰~18.9‰;结合野外调查认为目的层存在一期中等偏弱的后生油气侵位,从而影响了砂体的Eh及pH值。以上成岩过程及烃类流体活动使得目的层早期形成了小型层间氧化带型铀矿并得以局部保存,晚期形成了一定规模的地表潜水氧化带型铀矿体。

黄少华1,2, 秦明宽1,2, 刘章月1,2, 许强1,2, 郭强1,2 1. 核工业北京地质研究院 北京 100029;
2. 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室 北京 100029
收稿日期: 2015-05-20; 收修改稿日期: 2015-07-16
基金项目: 核能开发科研项目(H1142);国家自然科学基金项目(41502099)
作者简介: 黄少华 男 1989年出生 博士研究生 矿产普查与勘探
通讯作者: 秦明宽 男 研究员级高级工程师

0 引言

砂岩型铀矿以其资源量大、开采成本低、污染小及效益高等诸多优点而成为现今世界各国铀矿找矿的主攻类型[1]。截至目前,我国相继在伊犁、吐哈、鄂尔多斯、松辽等盆地发现并探明了诸如库捷尔太、蒙其古尔、十红滩、东胜、钱家店等一批大型乃至超大型砂岩型铀矿床。而具备相似铀成矿条件的准噶尔盆地至今未能实现铀矿找矿的进一步突破,迫切需要对其加强铀成矿环境的全面分析研究。准噶尔盆地南缘目前已发现了30余个铀矿(化)点及异常点,大部分产于山前第一排构造带;含矿层位自二叠系到古近系均有分布,以侏罗系为主;矿化类型比较复杂,主要有层间氧化带型、潜水氧化带型和含地沥青的复合成因型;总体上显示出较好的找矿前景①②③④。前人主要从构造①[2]、岩石后生蚀变③[3]及地球化学特征[4]等方面对铀成矿背景进行了分析,得出构造是控制该区砂岩型铀成矿最为关键的因素。然而关于目标层砂岩的物性特征、成岩作用类型、成岩序列、成岩环境演化、古流体演化及成矿响应的研究极为不足,较大的影响了对该区铀成矿潜力的客观评价,急需作更深入的剖析。成岩作用过程中必然伴随着物质、能量的转化和再分配,从而使地层中岩石物性、流体性质、成矿物质等发生一系列的变化[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]。近年来,随着多种能源矿产同盆共存研究的开展[5, 6],将成岩作用及古流体演化结合应用于铀成矿过程的研究[8, 9],为砂岩型铀成矿分析提供了一种新的研究思路和方法。本文采用该方法,在野外地质调查的基础上,通过镜下光薄片鉴定、全岩与黏土矿物X衍射、扫描电镜、流体包裹体,酸解烃及稳定同位素分析等,首次从容矿建造的成岩作用过程及后生油气侵位角度综合探讨了准南硫磺沟铀矿化带头屯河组砂岩铀成矿过程,为该区进一步的找矿部署提供成岩及古流体方面的依据,对含油气盆地强构造背景下砂岩型铀矿的勘探具有重要的理论和实际双重意义。

1 区域地质概况及矿化特征

1.1 区域地质概况

准噶尔盆地是一个三面被古生代缝合线所包围的从晚石炭世到第四纪发展起来的典型大陆板内叠合沉积盆地[17, 18, 19]。盆地基底具有“双层结构”特征,即前寒武纪结晶基底基础上叠加了海西期造山褶皱带[18]。中新生代沉积盖层较为齐全,早中三叠世,盆地为统一的浅湖环境,沉积物以红层为主;早中侏罗世,气候温暖潮湿、构造性质以伸展为主,盆地周缘形成了环带状河湖相含煤碎屑岩建造,构成了主要找矿目的层;之后盆地构造性质及气候环境发生倒转,主要沉积了一套红色或杂色碎屑岩[4, 19]。受喜山时期古亚洲洋俯冲消减及其伴随的增生造山作用,准噶尔盆地南缘新构造活动极为强烈,形成了东西分段南北分带的排子构造格局①[2, 18, 19]。其断裂、褶皱构造形态较为复杂,大致呈东西向展布;地层倾角整体较陡,多在35°~70°之间。相应的古流体活动亦较为强烈,较多深部烃类流体充注至渗透性较好的砂砾岩中,形成了独山子、齐古等次生油气藏;或上升逸散至地表形成了第一排构造带分布较广泛的油砂岩、泥火山及地沥青等③[2]。

①张金带,李子颖,李友良,等. 准噶尔盆地砂岩型铀矿资源潜力评价[R]. 核工业北京地质研究院科研报告,2010.

②董文明,王果,刘红旭,等. 新疆中新生代盆地砂岩型铀矿成矿条件和成矿模式研究[R]. 核工业北京地质研究院科研报告. 2007.

秉承“强中找弱、弱中找强,强中找残留”的找矿指导思想,乌鲁木齐西侧山前齐古—喀拉扎—托斯台第一排构造带的硫磺沟地区被视为准南最有潜力的找矿靶区①-④。其中目标层头屯河组主要为温暖潮湿气候下沉积的一套含碳质河湖相碎屑岩;并于晚期开始出现红层,指示气候由潮湿向干旱转变。具体岩性为杂色、褐色、灰绿色夹紫红色泥岩、粉砂质泥岩、砂岩互层夹煤线和泥灰岩[4, 18]。其下部地层存在多套稳定的“泥—砂—泥”沉积结构,有机质及铁硫化物含量较高,埋藏不深、胶结较疏松,是一套有利的铀容矿层。本次样品取自硫磺沟矿化带近地表头屯河组下段的铀矿化砂岩及不含矿砂岩。

③鲁克改. 新疆准噶尔盆地南缘1:250000铀资源区域评价年度报告[R]. 核工业二一六大队,2007.

④王果,鲁克改,谭鸿赞,等. 准噶尔盆地侏罗—第三纪地层后生蚀变和油气还原与找矿远景区选择研究科研报告[R].核工业二一六大队,2005.

1.2 矿化特征及铀的赋存形式

硫磺沟矿点主要由南翼的大沙沟矿区、北翼的小北沟矿区及东部的1、2、3号异常区组成①。其中大沙沟矿区砂岩氧化作用发育深度不大,工业铀矿体的埋深不超过30 m,往深部异常强度降低,铀矿化受潜水氧化带控制。小北沟黄色氧化砂岩的发育深度明显较南翼深,规模也较大;且同一砂体中通常出现断续的两层矿体,矿体在地表一般呈透镜状,应属于卷形铀矿床两翼的残留矿体。铀矿化主要赋存于头屯河组下部黄色砂岩、细砾岩中,均见有沥青质和黄铁矿,在黄色砂岩与灰绿色泥岩的接触部位铀矿化最好①②③。由于样品取自近地表,铀矿化砂岩中的铀多以吸附状态产出,属铀云母类的次生铀矿物,以钙铀云母、板菱铀矿和含铀有机质为主[4]。其赋存形式主要有:①呈微细粒状单矿物分布在碎屑颗粒的裂隙中(图 1a),或呈冰花状吸附于粒间颗粒(黏土矿物)周围(图 1b),大小一般小于1 μm,集合体可达1~5 μm;②呈细粒状及其集合体产于砂岩胶结物中(图 1c);③未见明显结晶形态,呈铀酰氢氧化物和铀酰硅酸盐吸附于胶结物中或呈被膜状分布在硫化物颗粒之间或边缘,与岩石中黏土矿物、团块或草莓状黄铁矿、褐铁矿等密切相关。

2 成岩作用与成岩演化序列

2.1 成岩作用类型

准噶尔盆地南缘的构造—沉积演化直接决定了侏罗系成岩演化的特殊性。通过岩矿薄片、X衍射及扫描电镜等分析发现,此次头屯河组砂岩主要为灰白色、浅黄色长石质岩屑细砂岩、岩屑细砂岩(图 1d),砂岩磨圆度较差,以棱角—次棱角为主;分选较差,成分及结构成熟度均较低。整体上砂岩中石英含量较低(5%~47%);长石含量较高(14%~32%),以正长石和斜长石为主;岩屑成分复杂(31%~58%),以变质岩为主,其次为火成岩,含少量云母类矿物。砂岩从埋藏到现今经历了较复杂的成岩作用,主要有压实作用、胶结作用和溶蚀交代作用。

(1) 压实作用

砂岩的机械压实作用较明显,主要表现为碎屑颗粒间紧密堆积、孔径减小、喉道变细。由于压实作用的存在,塑(柔)性颗粒发生一定的弯曲、变形,但定向结构不明显;刚性颗粒大多以点线接触为主,局部以点接触为主(图 1d),粒间裂隙式胶结,局部基底式胶结;少见矿物颗粒破裂现象。

(2) 胶结作用

砂岩中胶结作用普遍较强,胶结物含量一般为5%~40%,平均21%。主要包括黏土胶结、碳酸盐胶结、硅质胶结和铁质胶结。

①黏土胶结

砂岩杂基和黏土混合胶结最为发育,黏土矿物含量约占9.4%~24.9%。其中高岭石极为发育,占黏土矿物总量的34%~98%,以自生成因为主,主要呈(堆积)书页片状、六角板状和蠕虫状充填在粒间孔隙内(图 1e)。伊利石和伊蒙混层次之,分别占黏土含量的0%~6%和0%~14%,扫描电镜下伊蒙混层集合体常与伊利石呈不规则弯曲叶片状、片状充填在孔隙内(图 1f)。仅个别样品中见绿泥石呈叶片状集合体充填在粒间孔隙内,粒表可见不规则粒状和玫瑰花瓣状绿泥石,且残留黑云母碎片。

②碳酸盐胶结

砂岩中碳酸盐胶结作用发育较强,可分为早期泥晶碳酸盐和晚期细亮晶碳酸盐(图 1g,h,k),主要成分为方解石,粒间亦见少量白云石。泥晶碳酸盐一般分布于颗粒周围,呈微晶状镶嵌,少量以蠕状产出,粒度多在0.01~0.03 mm。细亮晶碳酸盐主要呈嵌晶状充填在粒间孔隙中,以连晶式胶结形式产出。胶结物常弱交代石英、长石等碎屑颗粒及水云母类黏土矿物,并包含细分散状黄铁矿及其氧化产物(图 1h)。

③硅质胶结

砂岩中存在弱的硅化现象,除局部微晶石英充填交代外,石英晶屑形成微弱的次生加大(图 1g),加大级别为1级。

④铁质胶结

铁质胶结作用发育较弱,主要为自生黄铁矿,多以稠密浸染细晶、细分散状产于碳酸盐胶结物中及胶结黏土的集合体中(图 1g,h),少量呈莓球状和立方体状分布在粒间孔隙中(图 1i),表明其成岩环境为还原环境。这些黄铁矿均不同程度的产生较强褐铁矿化,形成含黄铁矿残留的褐铁矿块体及粒间裂隙式褐铁矿胶结。电子探针分析得出,这种褐铁矿的铀含量较高,与原生黄铁矿含铀性(铀吸附)有关。

(3) 溶蚀和交代作用

砂岩中溶蚀作用较强,主要表现为长石和方解石等矿物在酸性水介质条件下发生溶蚀,形成了较多粒内及粒间溶蚀孔(图 1j)。而交代作用弱,对砂岩物性影响不大,主要表现为黏土及碳酸盐胶结物对碎屑物的弱交代,以及少量自生矿物相互之间弱的充填交代(图 1k,l)。

2.2 成岩演化序列

目的层砂岩成岩作用总体较强,主要表现为砂岩最大埋藏深度较大,机械压实作用较强,颗粒间多以点线接触为主,胶结类型为接触式—孔隙式;但由于深埋时间不长,自生矿物多为早期成岩矿物组合,如石英次生加大主要见1级次生加大边,黏土矿物处在伊蒙无序混层阶段;溶解作用较强但交代作用弱,可见细亮晶碳酸盐充填交代水云母(黏土)(图 1k),指示水云母化的形成早于细亮晶碳酸盐;褐铁矿的硅质胶结物充填或浸染状铁矿物的水云母交代等现象(图 1l),可能说明黄铁矿的形成最早,且后期发生褐铁矿化。同时,其下伏西山窑组煤层镜质体反射率多在0.5%~0.7%间。根据岩相学特征,区域地质、构造背景等资料[20, 21],按照成岩阶段划分标准[22],将目的层砂岩成岩阶段划分为早成岩A,B期及表生成岩期。综合各种成岩现象及成岩特点,认为可能大致具有如下成岩演化序列(图 2):长石高岭土化(酸性),自生黄铁矿充填孔隙—少量蒙脱石薄膜,孔隙充填伊利石及伊蒙混层(弱碱性),早期泥晶碳酸盐胶结—石英次生加大1级,局部微晶石英(集合体)的充填交代,长石溶蚀形成少量次生孔隙(酸性)—晚期局部细亮晶碳酸盐胶结并交代水云母,强烈高岭土化、黑云母弱水化蚀变、褐铁矿化(总体酸性)。由于自生矿物的形成总是会持续一定的时间,上述各成岩作用会出现叠置情况。总体上岩石可能经历了由酸性到弱碱性再到酸性、由同生期氧化—浅埋期弱还原、还原—短暂抬升期氧化还原过渡—缓慢沉降期还原增强—快速抬升期氧化的演化过程。该过程直接控制了砂岩中铀的活化、迁移以及沉淀聚集。