鄧 薇，葉騰飛，張成勇

(1.東華理工大學江西省放射性地學大數(shù)據(jù)技術工程實驗室，南昌 330013；2.東華理工大學放射性地質與勘探技術國防重點學科實驗室，南昌 330013)

砂巖型鈾礦的形成是攜帶U(鈾)的氧化流體在砂體中運移與砂巖相互作用的產物，已發(fā)現(xiàn)的砂巖型鈾礦床中均表現(xiàn)為氧化-還原過渡帶控制著鈾礦體的空間分布[1-3]，因此，尋找規(guī)模性的層間氧化帶是砂巖型鈾礦勘查的關鍵。砂體的非均質性的表征和描述是沉積能源研究中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，在油氣藏描述中，對非均質性的研究常用的方法有儲層野外露頭分析、沉積體系分析、層次界面分析、結構單元和流動單元分析、高分辨率層序學研究、統(tǒng)計學方法等[4-7]。在砂巖型鈾礦中砂體的非均質性是控制氧化帶發(fā)育和尖滅的主要原因[8-9]。前人對砂巖型鈾礦產出的沉積環(huán)境和砂體規(guī)模開展了很多的研究，認為氧化流體主要分布在三角洲、辮狀河和厚大砂體中，氧化前鋒線和鈾礦化一般圍繞厚大砂體分布，主要分布于主干河道邊緣和主干河道附近的分支河道內[10-11]。在鄂爾多斯盆地北部、二連盆地和吐哈盆地等地區(qū)的研究認為，鈾礦化多集中在砂體粒度由粗變細的變異的細粒砂巖中，并且隨著隔層厚度的增加，鈾成礦概率降低[12-13]；將影響氧化作用的關鍵制約因素是歸納為鈾儲層的規(guī)模、非均質性以及鈾儲層內部和周邊還原介質的豐度[14]；并對鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦田開展了鈾儲層定量非均質性建模，建立了由多參數(shù)綜合評判的鈾儲層非均質性分級定量評價指標體系[9]。這些工作有力地推動了砂巖型鈾礦中氧化流體空間發(fā)育和鈾礦體定位規(guī)律的總結，但目前的勘查和研究顯示，在砂巖型鈾礦氧化帶和礦體空間中，定性的研究仍占主導，定量的評價開展較少，制約了砂巖型鈾礦的精細化勘查的開展。庫捷爾泰-洪海溝地區(qū)是伊犁盆地南緣重要的砂巖型鈾礦礦集區(qū)，已在中下侏羅統(tǒng)八道灣組、西山窯組下段、西山窯組上段和頭屯河組下段等層位落實了多個大型砂巖型鈾礦床，并在三疊系小泉溝群中也發(fā)現(xiàn)了工業(yè)鈾礦化。隨著勘查的推進，礦體形態(tài)和氧化帶規(guī)模不斷擴大，氧化前鋒線向北方向不斷擴展，找礦不斷在擴大。前人對該地區(qū)的沉積、構造和水動力條件開展了研究[15-18]，但整體以地質條件的定性分析為主，對該地區(qū)氧化帶空間發(fā)育規(guī)律的研究缺乏統(tǒng)計學和定量化分析，制約了氧化帶和鈾礦體空間精細化定位規(guī)律的總結。

為此，以洪海溝鈾礦西山窯組上段為例，以不同類型含礦層砂體宏觀非均質性參數(shù)(砂體厚度、砂體夾層、夾層厚度、夾層數(shù)量、沙地比、礫巖厚度等)的統(tǒng)計分析為基礎，通過R型聚類分析、相關性分析和參數(shù)空間變化分析等手段，深入挖掘非均質性參數(shù)對氧化帶和鈾礦化空間發(fā)育的約束程度，定量評價砂體參數(shù)在氧化流體和成礦過程中的作用，提煉有利指標參數(shù)，聚焦影響氧化流體發(fā)育和成礦的關鍵制約因素，為該地區(qū)砂巖型鈾礦的精細化勘查提供依據(jù)和支持。

1 區(qū)域地質背景

伊犁盆地是中國目前地浸砂巖型鈾礦勘查和開采規(guī)模最大的鈾礦基地，在大地構造單元劃分上歸屬于天山造山帶中的伊犁-中天山微地塊，該微地塊南側以南天山為邊界與塔里木板塊相接，是在塔里木板塊和哈薩克斯坦板塊的南北對沖擠壓應力作用下形成的大型內陸山間拗陷盆地。盆地整體上呈西寬東窄的楔形，向西延伸入哈薩克斯坦境內，“廣義的伊犁盆地”(包括尼勒克和昭蘇盆地)在中國境內的面積為2.85×104km2。伊犁南緣斜坡帶是伊寧凹陷內構造相對穩(wěn)定區(qū)，中新生代地層在每個斷階上總體呈向北緩傾的單斜構造，中新代蓋層由下而上依次為上三疊統(tǒng)、侏羅系中、下統(tǒng)、白堊系、第三系和第四系[19]。伊犁盆地南緣自西向東依次分布有洪海溝、庫捷爾泰、烏庫爾其、扎吉斯坦、蒙其古爾等砂巖型鈾礦床[圖1(a)]。洪海溝鈾礦床位于盆地南緣西端，緊鄰哈薩克斯坦，構造上屬于洪海溝西部洼陷，地層呈南高北低北偏西的單斜產出，傾角一般9°～14°。斜坡帶地形為地表氧化流體的流體提供良好的基礎，形成持續(xù)穩(wěn)定的氧化補給流體，在中侏羅統(tǒng)西山窯組下段、上段和頭屯河組中均發(fā)現(xiàn)有工業(yè)鈾礦體，其中西山窯組上段礦化規(guī)模最大[15-17]。

圖1 研究區(qū)地質簡圖Fig.1 Geological map of the study area

西山窯組上段為溫暖潮濕氣候背景下沉積的一套含煤粗碎屑巖沉積建造。以河流相為主，砂巖以粗砂巖、砂礫巖和中砂巖為主，砂體疏松，分選中等或較差，成分成熟度和結構成熟度較差，砂巖中見大量炭化植物碎屑。后生氧化蝕變明顯，以赤鐵礦化、褐鐵礦礦化和高嶺石化為主要類型[12]。鈾礦帶與層間氧化帶前鋒線的展布基本一致，礦帶呈港灣狀展布，并呈舌狀突出向北西方向延伸。礦體多為板狀礦體，局部揭露到卷狀礦體，平面上層卷狀，翼部短，卷頭部位拖長是其主要的特征，呈蛙狀向NW方向凸出，延伸距離較遠[圖1(b)]。

2 數(shù)據(jù)采集與分析方法

本次系統(tǒng)收集洪海溝地區(qū)施工的鉆孔共計1 118孔。部分鉆孔開展了系統(tǒng)和詳細的沉積微相和沉積構造的觀察和描述。對收集到的所有鉆孔進行統(tǒng)計，統(tǒng)計的參數(shù)有：砂體厚度、地層厚度、砂地比(砂巖厚度/地層厚度)、礫巖厚度、泥巖夾層厚度、夾層個數(shù)、氧化砂體厚度、氧化規(guī)模(氧化砂體/砂體總厚度)等。其中，砂體厚度的統(tǒng)計為大于1 m的非孤立砂體，礫巖厚度數(shù)據(jù)為統(tǒng)計的鉆孔編錄中含礫粗砂巖及礫巖的厚度，用氧化砂體厚度和氧化砂體/砂體總厚度比兩個參數(shù)來表征氧化帶的規(guī)模和氧化強度。所有的統(tǒng)計工作均為紙質鉆孔的手工統(tǒng)計，并采用不同的人員進行三次核對，保證統(tǒng)計原始數(shù)據(jù)的準確性，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 洪海溝鈾礦床西山窯組上段砂體參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of sand body parameters of upper Xishanyao Formation in Honghaigou uranium deposit

將統(tǒng)計的結果按鉆孔分為強氧化砂巖(氧化砂體/砂體總厚度比>0.5)、弱氧化不含礦砂巖(氧化砂體/砂體總厚度比<0.5)、鈾礦化砂巖和原生灰色無礦砂巖等類型，使用Spass25軟件進行R型聚類分析，采用相關系數(shù)為刻度繪制分類譜系圖，提取與氧化砂巖厚度關系密切的影響因子，并采用相關性分析和分類變化柱狀描述等，研究氧化帶發(fā)育規(guī)模和鈾礦化分布的影響因素(圖2)。

圖2 不同類型砂巖表征參數(shù)聚類分析圖譜Fig.2 Cluster analysis of characterization parameters of different types of sandstone

3 結果

原生灰色砂巖類是該地區(qū)未成礦的砂巖鉆孔，這類鉆孔中無氧化帶的發(fā)育。該類砂體厚度、砂地比和礫巖厚度等參數(shù)的變化范圍均較大，砂地比值范圍在0.3～1，平均值為0.69，砂體厚度平均值為18.68 m。從分析的砂體參數(shù)聚類結果顯示，可以分為三類：一類是砂體厚度、砂地比和地層厚度，指示砂體滲透性；一類是泥巖厚度和夾層數(shù)，指示砂體的非均質性；一類是礫巖厚度，單獨出現(xiàn)，并與砂體滲透性類參數(shù)相對接近，指示局部具更優(yōu)良的滲透性。

強氧化砂巖類：氧化強度與砂體厚度和砂地比密切相關，而砂體厚度較大，在14～32.60 m，平均24.4 m，氧化砂巖/砂巖總厚度平均值為0.81，氧化帶發(fā)育規(guī)模與夾層數(shù)和夾層厚度相關性較小，多在夾層厚度平均為1.91 m。

弱氧化不含礦砂巖類：氧化規(guī)模與泥巖夾層數(shù)和夾層厚度密切相關，而與氧化砂體的厚度關系分類距離較遠。該類砂巖的厚度在6.6～34.40 m，平均24.16 m，夾層厚度在2～8.4 m，夾層數(shù)為1～3個，平均值為1.55個。

鈾礦化砂巖類：氧化厚度與礫巖厚度密切相關并分為一類，也與砂體厚度存在明顯的相關性，而與砂巖厚度和泥巖夾層厚度之間的距離都較遠。該類鉆孔位于氧化帶尖滅部位，鈾礦化砂巖總厚度在8.6～45.6 m，平均厚度為29.18 m，夾層厚度在0～9.50，夾層個數(shù)為1～4，平均為2.52個，礫巖厚度較大，變化范圍在0～23.80 m，平均值為6.57 m。

氧化砂體規(guī)模與砂體厚度和夾隔層泥巖厚度的相關性分布圖顯示，鈾礦化砂巖類位于強氧化砂巖類和弱氧化砂巖的接觸部位，具有高砂體厚度、高砂地比和高礫巖厚度[圖3(a)]，同時具有相對較大泥巖夾層厚度和泥巖夾層個數(shù)[圖3(b)]。

圖3 氧化砂體厚度與砂厚度和夾層厚度相關性分布Fig.3 Correlation distribution of oxidized sand body thickness with sand thickness and interlayer thickness

4 討論

4.1 穩(wěn)定厚大的砂體是控制氧化帶發(fā)育的關鍵

制約砂巖型鈾礦床形成的地質因素繁多而復雜，但大型骨架砂體是砂巖型鈾礦賴以形成的先決性條件，它不僅能為鈾成礦流體提供輸導通道，同時也能為鈾礦的聚集提供儲存空間[8]。利于氧化流體的砂體的評價主要研究其中的3個因素，成層性、滲透性和連通性[20]。滲透性與巖性和粒度有關，西山窯組上段主要為粗砂巖或含礫粗砂巖，砂體疏松，說明粗粒沉積為流體的運移提供有效的滲透性。統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，洪海溝礦床西山窯組上段發(fā)育有氧化砂體的厚度集中在14～36 m，且砂地比多大于0.6，指示砂體厚度適中且有效砂體厚度較大的，對氧化流體的滲入和運移有利。同時，也出現(xiàn)一些砂體厚度較大但砂體比較小的鉆孔，這些鉆孔中有效砂體厚度不足，不利于氧化流體的發(fā)育。同時，通過對砂體厚度標準差(圖4)分析可以看出，發(fā)育氧化帶的砂巖砂體厚度標準差值為5.91，明顯要小于未發(fā)育氧化帶的原生灰色砂巖層，標準差代表了數(shù)據(jù)的集中程度，指示氧化帶的發(fā)育明顯與穩(wěn)定發(fā)育的較厚的砂體有直接的關系，暗示這些穩(wěn)定厚度的砂體之間連通性較好，對氧化流體的空間運移提供了良好的通道。強氧化砂巖類氧化砂體的標準值較大(7.21)，同時也存在有泥巖夾層，但并不影響該類砂巖中整體較高的氧化強度和規(guī)模，說明，穩(wěn)定厚大砂體在該類巖石的滲透性和連通性方面其主導優(yōu)勢，為氧化流體發(fā)育提供非常充分的環(huán)境，使內部存在泥巖夾層的失去阻/隔水效果。

圖4 不同類型鉆孔砂體參數(shù)標準差直方圖Fig.4 Histogram of standard deviation of sand body parameters in different types of boreholes

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)用Sufer8.0軟件繪制的砂體厚度和氧化帶厚度等值線平面圖(圖5)可以看出，厚層砂體的分布呈NW向帶狀展布，厚度穩(wěn)定且比較集中[圖5(a)]。氧化砂體從SE方向進入，并沿砂體厚度高值帶向NW方向運移[圖5(b)]。結合巖性觀察和沉積相分析可以看出，洪海溝礦床西山窯組上段以河流相沉積為主，形成了以河流為主的主河道，河道砂體的高度集中，河道內心灘、邊灘和滯留沉積微相的大量發(fā)育，是砂體規(guī)?；l(fā)育的基礎，為砂體的聯(lián)通提供充分的沉積條件。

圖5 砂體厚度和氧化砂體厚度等值線圖Fig.5 Contour map of sand body thickness and oxidized sand body thickness

4.2 砂巖中隔層泥巖對氧化流體和鈾礦化空間發(fā)育的制約

隔擋層是指砂體中的低滲透層—細粒沉積物隔擋層、鈣質或鐵質(成因)隔擋層、泥礫隔擋層和植物碎屑隔擋層，它們可以使一個砂體變?yōu)槎鄠€流體流動單元。通過洪海溝鉆孔沉積剖面分析，可以看出，在每個垂向序列單元中，基于河流相沉積的上部泥巖下部砂巖的二元結構，上部往往形成隔擋層，而下部由于砂巖粒度較粗和多起河道的疊加，往往是氧化流體的流動通道和鈾礦化的沉淀空間。

從統(tǒng)計的數(shù)據(jù)(圖6)可以看出，洪海溝礦床西山窯組上段不同類型鉆孔間的砂體厚度和沙地比變化并不大，但夾層厚度和夾層數(shù)開始出現(xiàn)，這是造成氧化流體逐漸開始分層并尖滅的主要原因。鈾礦化鉆孔均位于不完全氧化鉆孔中，其泥巖夾層厚度較大，平均值為4.3 m，遠大于氧化砂巖和還原砂巖中的泥巖夾層厚度(分別為2.01 m和3.29 m)。在不完全氧化鉆孔中，鈾礦化鉆孔類和無礦鉆孔類的區(qū)別在于：鈾礦化類鉆孔中砂巖厚度和砂地比要略高于無礦化鉆孔，而其中泥巖夾層的個數(shù)(平均值為2.52)則明顯高于無礦化鉆孔(平均1.55個)，指示發(fā)育鈾礦化的鉆孔既具良好砂體連通性，又具較多泥巖夾層厚度。隨著泥巖夾隔層的出現(xiàn)，砂體開始頻繁分岔、隔擋層增多以及沉積物粒度變細時，含礦流體運移阻力增加，流體狀態(tài)發(fā)生變化—分流和減速[20]，同時，泥巖夾層相比砂巖，具有更強的還原性，導致還原性物質的增加有關，造成鈾的沉淀富集。

圖6 不同類型鉆孔砂體參數(shù)平均值對比Fig.6 Comparison of average values of sand body parameters in different types of boreholes

4.3 鈾礦化定位的關鍵控制因素

洪海溝礦床西山窯組上段含礦層以河流相沉積為主，河道化程度較高，造成了砂體平面聚集程度很好，同時，砂體粒度較粗且疏松，含砂率較高，使得砂體平面非均質性較低，而具更好的側向連通性，形成了規(guī)?；绑w。主河道控制著氧化帶的展布，為氧化流體的空間運移提供給了通道，是砂巖型鈾礦發(fā)育的重要基礎。

伊犁盆地表生氧化流體的運移以重力流驅動為主，其中構造是氧化流體發(fā)育的主要驅動力[21]。新構造運動的出現(xiàn)造成盆地南緣隆升，地層掀斜，受庫捷爾泰隆起的影響，含礦砂體在南部剝蝕并開啟氧化流體的補給，層間氧化帶開始發(fā)育。其后新構造運動在伊犁南緣西段表現(xiàn)為小幅度、持續(xù)抬升的特征，使得氧化流體的補給和運移保持穩(wěn)定型和持續(xù)性[22]。從鈾礦化的空間分布來看，礦體的空間定位受沉積和構造雙重條件制約，構造控制著氧化流體的運移方向和運移速度，沉積砂體的非均質性則直接決定著鈾礦體的空間定位。從構造陡坡帶向緩坡帶過渡，氧化流體運移速率較低，成礦流體運移速度變慢，造成了成礦物質的卸載，鈾在此開始富集沉淀[23]。西山窯組上段含礦層河道化程度較高，形成了規(guī)?；绑w，主河道控制著氧化帶的展布，為氧化流體的空間運移提供給了通道。同時，圍繞厚層穩(wěn)定砂體邊緣的鉆孔，出現(xiàn)砂體厚度變薄，泥巖夾層數(shù)和夾層厚度增加，使得氧化流體減速、分叉直至尖滅，在地層還原物質的作用下造成礦體定位(圖7[23])。沉積砂體的均質性和非均質性則直接決定著氧化帶的空間規(guī)模和范圍。均質性較高的厚大砂體控制著氧化帶的大規(guī)模發(fā)育，圍繞其邊緣的非均質向砂體則直接控制氧化帶的消失和定位鈾礦體的產出，平面上主河道向前凸而河道邊緣長拖尾的礦體形態(tài)正是河道不同部位非均質差異的表現(xiàn)。

圖7 洪海溝礦床西山窯組上段構造-沉積-流體-礦體空間分布(據(jù)陳奮雄等[23]修改)Fig.7 Characteristics of tectonic，sedimentary facies and distribution of orebody (modified by Chen Fenxiong et al[23])

5 結論

(1)洪海溝礦床西山窯組上段以河流相沉積為主，河道集中，厚度在14～36 m，且砂地比多大于0.6的砂體對氧化流體發(fā)育最有利，砂體厚度和連通性較好，主河道砂體具有良好的平面均質性，砂體厚度和砂地比兩個參數(shù)是控制氧化帶大規(guī)模分布的最重要的兩個參數(shù)。

(2)砂體的非均質性造成氧化流體尖滅與鈾礦化的分布，鈾礦化鉆孔含礦層砂體具有高含砂率、高夾隔層個數(shù)和夾層厚度的特點，隔擋層的增多造成含礦流體運移阻力增加，同時導致還原性物質的增加，造成鈾的沉淀富集。

(3)砂體的均質性和非均質性則直接決定著鈾礦體的空間定位。均質性較高的厚大砂體控制著氧化帶的發(fā)育，圍繞其邊緣的非均質性砂體則直接定位著鈾礦體的產出。因此，在砂巖鈾礦勘查找礦中，需以尋找規(guī)?；绑w為主要目標，以其邊緣為重點，開展精細研究，查明砂體非均質性的空間變化規(guī)律，提高預測鈾礦體定位的準確性。