時(shí)志強(qiáng), 楊小康, 王艷艷, 杜怡星, 肖 凱, 段 雄

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.成都理工大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院，成都 610059)

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含煤盆地表生熱液鈾成礦理論及證據(jù)：以伊犁盆地南緣及鄂爾多斯盆地東北部侏羅系為例

時(shí)志強(qiáng)1, 楊小康1, 王艷艷2, 杜怡星1, 肖 凱1, 段 雄1

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.成都理工大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院，成都 610059)

基于伊犁盆地南緣及鄂爾多斯盆地東北部侏羅系砂巖鈾礦露頭剖面與巖心觀察、掃描電鏡及顯微薄片測(cè)試與分析、有機(jī)質(zhì)成熟度測(cè)試以及前人研究成果，認(rèn)為砂巖鈾礦中常見(jiàn)的紅、褐色“氧化帶”砂巖及“過(guò)渡帶”白色砂巖屬于燒變巖，提出表生熱液的概念，由此將煤層自燃與砂巖鈾礦的形成聯(lián)系起來(lái)，提出中國(guó)北方含煤盆地煤層自燃促進(jìn)鈾的富集成礦的設(shè)想。即煤層在新生代干旱氣候條件下自燃，在相對(duì)濕潤(rùn)氣候條件下大氣降雨影響煤的自燃，形成表生熱液，攜帶從自燃煤層及附近高溫?zé)編r層中釋放的U6+沿滲透性巖層流動(dòng)，在流動(dòng)遇阻及溫度降低條件下鈾元素從(已經(jīng)降溫的)表生熱流體中析出，并富集成礦。該成礦模式對(duì)中國(guó)北方陸相盆地“層間氧化帶”、“潛水氧化帶”砂巖型鈾礦提出新的成因解釋。其證據(jù)主要體現(xiàn)在：(1)燒變巖與鈾礦在空間上的相關(guān)性；(2)“氧化-還原帶”砂巖微觀特征；(3)鈾石激光原位同位素年齡測(cè)定數(shù)據(jù)；(4)伊犁盆地煤等有機(jī)質(zhì)成熟度；(5)伊犁盆地及鄂爾多斯盆地方解石膠結(jié)物流體包裹體測(cè)試數(shù)據(jù)；(6)鄂爾多斯盆地北部同位素測(cè)試數(shù)據(jù)等。該模式合理解釋了砂巖型鈾礦主要分布于中國(guó)北方的原因，預(yù)示著煤層自燃形成的燒變巖及(近地表)表生熱液疏導(dǎo)體系是陸相含煤盆地表生熱液砂巖型鈾礦主要的找礦標(biāo)志。

砂巖型鈾礦；表生熱流體；煤層自燃；燒變巖；找礦標(biāo)志

砂巖型鈾礦儲(chǔ)量大，開(kāi)采成本較低，在世界范圍內(nèi)的鈾礦勘探與開(kāi)發(fā)中占據(jù)重要地位。這些砂巖型鈾礦絕大多數(shù)成礦時(shí)代較新，主要集中在新生代，賦存于中生代盆地的蓋層中，礦集區(qū)多位于新老地臺(tái)內(nèi)、外邊緣[1]。砂巖型鈾礦是中國(guó)鈾資源勘查與開(kāi)發(fā)的重要類型之一，在鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾、吐哈、伊犁、二連等中國(guó)北方陸相盆地內(nèi)，侏羅系-白堊系中砂巖型鈾礦廣泛分布，賦鈾砂巖層常與煤層共生，埋深一般<1 km。關(guān)于這些砂巖型鈾礦的成因，一般認(rèn)為與氧化-還原條件有關(guān)，并進(jìn)一步劃分為層間氧化帶、潛水氧化帶等砂巖型鈾礦類型。本次研究基于伊犁盆地南緣及鄂爾多斯盆地東北緣侏羅系地質(zhì)實(shí)際，發(fā)現(xiàn)砂巖型鈾礦與煤層自燃形成的燒變巖在空間距離上有相關(guān)性，且燒變巖與“氧化帶”褐、紅色調(diào)砂巖在成分及顏色上有相近之處。Gavshin 和Miroshnichenko曾報(bào)道在西西伯利亞地區(qū)Kansk-Achinsk 盆地有正在燃燒的下侏羅統(tǒng)煤層，燒變巖之下的褐色蝕變煤層中出現(xiàn)鈾異常，并認(rèn)為燃燒有機(jī)質(zhì)提供的鈾源為大氣水運(yùn)載，在蝕變煤層中沉淀[2]?；诙鯛柖嗨古璧乇辈抠_系延安組、直羅組的研究，肖新建等[3]、楊曉勇等[4]、張龍等[5]，吳柏林等[6]認(rèn)為砂巖型鈾礦與低溫?zé)嵋鹤饔藐P(guān)系密切或在淺變質(zhì)作用過(guò)程中受到過(guò)來(lái)自深部流體的交代滲濾作用[3-6]。本文進(jìn)一步提出煤層自燃促進(jìn)鈾成礦的科學(xué)設(shè)想，首次引入表生熱液的新概念，試圖用新的鈾成礦理論解釋中國(guó)北方陸相含煤盆地部分“層間氧化帶”、“潛水氧化帶”砂巖型鈾礦的成因，厘清找礦標(biāo)志，用以指導(dǎo)中國(guó)北方砂巖型鈾礦勘探。

1 基本概念

1.1 煤層自燃

煤層自燃及其相伴而生的燒變巖是世界范圍內(nèi)普遍存在的地質(zhì)現(xiàn)象[7]。在世界范圍內(nèi)的內(nèi)陸干燥氣候條件下可見(jiàn)到正在燃燒的煤層，如在中國(guó)西北地區(qū)很多埋藏較淺的煤層正在發(fā)生自燃；新生代煤層自燃產(chǎn)物——燒變巖也較為常見(jiàn)。一般在有自燃煤存在的地方均可見(jiàn)燒變巖，包括地史時(shí)期的與現(xiàn)今時(shí)期的均有，其存在是世界范圍內(nèi)的普遍地質(zhì)現(xiàn)象[7]。埋藏條件下的煤層自燃主要取決于與空氣接觸的條件及煤的濕度，趙俊峰等認(rèn)為煤的自燃主要受3個(gè)條件的控制：煤本身的自燃傾向、不斷供給適量的氧氣和熱量得以聚集的環(huán)境[8]。黃雷認(rèn)為構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地形切割程度以及氣候條件決定著煤層與氧氣的溝通程度，煤層的厚度、產(chǎn)狀等是決定熱量能否聚集的主要因素，煤層的埋藏深度、地溫、煤的粒度以及人為因素等也都影響著煤的自燃[7]。

1.2 燒變巖

燒變巖是由煤層自燃烘烤圍巖而導(dǎo)致圍巖變質(zhì)形成的一類特殊巖石[7]。在煤層自燃過(guò)程中，其上覆巖層經(jīng)受高溫烘烤作用致使其外觀、巖石學(xué)特征發(fā)生改變形成燒變巖。王玉山將燒變巖歸為一種特殊而少見(jiàn)的變質(zhì)巖[9]。劉志堅(jiān)認(rèn)為燒變巖兼具三大類巖的特點(diǎn)，可將其作為三大類巖間的一種新型巖類[10]。前人研究中一般將燒變巖劃分為燒熔巖及燒烤巖兩大類(表1)。其中燒熔巖是直接位于自燃煤層上方的巖石在高溫條件下(>1500℃)強(qiáng)烈熱變質(zhì)作用的產(chǎn)物，一般呈爐渣狀、蜂窩狀、角礫狀，熔融結(jié)構(gòu)明顯(圖1-A、B)。高溫?zé)編r呈板片狀，分布于燒熔巖附近，原巖遭受較高溫度的烘烤改造(600～1400℃)，但基本保持原有的結(jié)構(gòu)構(gòu)造(圖1-C、D、G、H、I)。燒熔巖和高溫?zé)編r常是疏松多孔的。中低溫?zé)編r完全保持原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造，因受到中-較低溫度(推測(cè)為300～800℃)的改造而脫水、氧化、色變而主要呈紅、褐色(圖1-E)。發(fā)育在燒熔巖及高溫?zé)編r附近，或者沿滲透性砂巖層發(fā)育成砂巖型鈾礦的“層間氧化帶”及“潛水氧化帶”紅色砂巖。

本次研究首次將煤層自燃與砂巖鈾礦的“氧化帶”砂巖聯(lián)系起來(lái)，認(rèn)為“層間氧化帶”及“潛水氧化帶”紅色砂巖為一種特殊類型的燒變巖，即加熱的表生流體改造的產(chǎn)物，其與前人文獻(xiàn)中提及的中低溫?zé)編r[7,11-13]形成條件類似，二者在礦物組成上有相似性，且形成溫度、改造程度也類似，但可能孔隙水參與程度上有較大差異。此外，本文認(rèn)為“層間氧化帶”及“潛水氧化帶”附近的“褪色帶”白色、灰白色砂礫巖亦為一種特殊類型的燒變巖——低溫烘烤巖，為表生熱液低溫(100～350℃)改造條件下黏土礦物轉(zhuǎn)化、填隙物輕微色變、長(zhǎng)石高嶺石化的產(chǎn)物(表1)。在伊犁盆地南緣燒變巖剖面中可見(jiàn)該類(白色)低溫?zé)儙r位于紅色相對(duì)高溫?zé)儙r附近，且沿滲透性砂巖層分布較廣(圖2-C)。在鄂爾多斯盆地東北部延安組頂部存在大規(guī)模的白色砂巖，其高嶺石氫氧同位素揭示白色化砂巖形成的高嶺土礦床成因以低溫?zé)嵋鹤饔脼橹鳎c東勝鈾礦形成的低溫?zé)嵋鹤饔脼橥恍再|(zhì)及事件[6]。該類型低溫?zé)儙r為本次研究提出的新的燒變巖類型，肖新建等測(cè)得的低溫?zé)嵋河绊懙纳皫r中方解石膠結(jié)物中的流體包裹體均一溫度總體為58～176℃[3]，張龍等認(rèn)為亮晶方解石捕獲的原生流體包裹體均一溫度峰值為140～160℃[5]，這可能大致反映了低溫?zé)嵋旱臏囟确秶？紤]到方解石主要為低溫?zé)嵋簻囟扔兴档碗A段沉淀，熱褪色(白色)砂巖所遭受的熱改造的最高溫度可能應(yīng)略高于方解石膠結(jié)物流體包裹體溫度。

1.3 表生熱液

或稱為表生熱流體，為本次研究首次提出的概念。干旱氣候條件下自燃煤層，在氣候變化后的濕潤(rùn)氣候條件下被大氣降雨影響，致使高溫流體沿滲透性砂巖層流動(dòng)，形成表生熱流體。其流動(dòng)過(guò)程也是溫度降低、所攜帶的不易遷移的鈾等金屬元素析出的過(guò)程。推測(cè)表生熱流體的溫度為100～800℃，應(yīng)是飽含水蒸氣的流體；其流動(dòng)受限于滲透性砂巖層頂?shù)装澹饕牧鲃?dòng)路徑為滲透性極好的燒熔巖和孔滲性較好的高溫?zé)編r、未完全固結(jié)的疏松砂巖等；其流動(dòng)距離受燒變巖規(guī)模、大氣降水、砂體發(fā)育規(guī)模和滲透性控制，推測(cè)在連通性好的海相砂巖中可最遠(yuǎn)達(dá)數(shù)十千米。因溫度不同，表生熱流體對(duì)砂巖的改造可分為2個(gè)方面：相對(duì)高溫的熱流體(約340～800℃)對(duì)滲透性砂巖、特別是砂巖填隙物的熱改造，使其3價(jià)鐵礦物(如褐鐵礦、鈦鐵礦、赤鐵礦等)豐富而呈紅色，形成所謂的“層間氧化帶”或“潛水氧化帶”褐、紅色砂巖；相對(duì)低溫的熱流體(約100～400℃)對(duì)砂巖改造較弱，可造成黏土礦物的轉(zhuǎn)化及巖石的“褪色”而呈白色。

表1 燒變巖分類及特征

Table 1 Classification and features of burnt rock

類型名稱燒變程度(推測(cè)溫度)地質(zhì)作用巖性特征結(jié)構(gòu)與構(gòu)造顏色文獻(xiàn)出處燒熔巖爐渣角礫巖、蜂窩狀燒熔巖高(1500～2000°C)熔融、冷凝等熱變質(zhì)作用熔融結(jié)構(gòu)、爐渣狀、角礫狀、蜂窩狀雜亂顏色：棕、紫、鋼灰等色燒烤巖高溫?zé)編r板片狀燒烤巖較高(600～1400°C)脫水、瓷化、色變陶瓷結(jié)構(gòu)、板片狀構(gòu)造，有所保持原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造紫紅、紅褐、淡紫等鮮艷的紅色中低溫?zé)編r層狀燒烤巖中-較低(300～800°C)脫水、氧化、色變保持原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造土紅、淺紅、淡褐色[7，11-13]低溫烘烤巖層狀烘烤巖低(100～350°C)表生熱液改造、黏土礦物轉(zhuǎn)化、輕微-強(qiáng)烈色變保持原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造白色、灰白色(砂巖)，灰黑色(原為炭質(zhì)層或煤)本文

圖1 伊犁盆地南緣及鄂爾多斯盆地東北緣侏羅系燒變巖宏觀特征Fig.1 Photographs showing characteristics of Jurassic burnt rock in southern margin of Yili Basin and northeastern margin of Ordos Basin(A)伊犁盆地南緣加格斯臺(tái)河沿岸爐渣狀、角礫狀燒熔巖； (B)犁盆地南緣加格斯臺(tái)河沿岸蜂窩狀、爐渣狀燒熔巖； (C，D)伊犁盆地南緣加格斯臺(tái)河沿岸高溫?zé)編r； (E)伊犁盆地南緣加格斯臺(tái)河沿岸中低溫?zé)編r； (F)伊犁盆地南緣加格斯臺(tái)河剖面燒變巖底部中低溫炭質(zhì)烘烤巖，見(jiàn)褐黃色黃鐵礦富集層，其有機(jī)質(zhì)Ro有所升高; (G)鄂爾多斯盆地東北緣罕臺(tái)川剖面直羅組下部砂巖受高溫變質(zhì)； (H)鄂爾多斯盆地東北緣神山溝剖面直羅組燒變巖， 局部垮塌，為下伏延安組煤層自燃所致； (I)鄂爾多斯盆地東北緣神山溝剖面直羅組燒變巖

圖2 伊犁盆地南緣蒙其古爾煤礦燒變巖剖面特征Fig.2 Outcrop section showing burnt rock in Mengqiguer coal mine, southern margin of Yili BasinⅠ.最早一期燒變巖； Ⅱ.第二期燒變巖，底界明顯，顯示為新生代大氣降水已經(jīng)澆滅了該次煤層自燃過(guò)程； ⅡA.第二期燒變巖的高溫?zé)編r； ⅡB.第二期燒變巖的中低溫?zé)編r； ⅡC.第二期燒變巖的低溫烘烤巖，主要為熱褪色白色砂泥巖，其沿滲透性砂礫巖層延伸較遠(yuǎn)； Ⅲ.最新一期的煤層自燃過(guò)程，正在小規(guī)模燃燒； ⅢC.由于煤層自燃規(guī)模小，最新一期煤層自燃僅在自燃層上方形成少量低溫烘烤巖

Gavshin和Miroshnichenko認(rèn)為西西伯利亞地區(qū)Kansk-Achinsk 盆地燃燒的煤層可提供鈾源，為大氣降水運(yùn)載，在蝕變煤層中沉淀[2]。Pearson曾發(fā)現(xiàn)美國(guó)懷俄明州保德河盆地?zé)儙r附近的煤灰中含拉長(zhǎng)的方解石以及重晶石、鈣長(zhǎng)石、菱鎂礦等，推測(cè)其為地表水經(jīng)上覆燒變巖滲透后沉淀而來(lái)的[14]。本文進(jìn)一步提出與煤層自燃有關(guān)高溫(近)地表滲濾水沿滲透性砂巖層流動(dòng)形成表生熱液，其在疏松多孔的燒熔巖中為高溫?zé)嵋?>600℃？)，流動(dòng)速度快，因此從高溫?zé)儙r滲濾時(shí)可攜帶鈾、錸、鎵、鍺、鋇等常溫下不易遷移的元素，在砂巖層中滲濾一段距離后，在流動(dòng)受阻、溫度降低時(shí)此類金屬元素卸載而成礦。推測(cè)其富集成礦主要發(fā)生于相對(duì)低溫?zé)崃黧w(100～300℃)改造的砂巖中，位于相對(duì)高溫?zé)崃黧w(約300～600℃)改造后的滲透性褐、紅色砂巖上下以及流動(dòng)低勢(shì)區(qū)。

正如圖2所顯示的，不同期次的燒變巖將形成多時(shí)期的表生熱流體，這將致使與煤層自燃有關(guān)的砂巖型鈾成礦有多期次的特點(diǎn)，且新的一次燒變巖發(fā)育過(guò)程會(huì)改造前一期次的中低溫?zé)兩皫r。

2 地質(zhì)背景

2.1 伊犁盆地南緣

伊犁盆地處于塔里木板塊與哈薩克斯坦板塊所夾持的伊犁微板塊中，為西寬東窄的中新生代山間斷陷盆地[15-17]，表現(xiàn)為北深南淺、北陡南緩的不對(duì)稱箕狀向斜盆地[15-16]。盆地南緣扎基斯坦河以西為向北緩傾的單斜構(gòu)造，屬于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定區(qū)；蒙其古爾以東為構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)，表現(xiàn)為地層陡立、拗陷幅度大、地震活動(dòng)強(qiáng)烈。而盆地北緣褶皺發(fā)育、地層產(chǎn)狀變化大，后期改造作用強(qiáng)烈。說(shuō)明構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度南弱北強(qiáng)、西弱東強(qiáng)；已發(fā)現(xiàn)的層間氧化帶砂巖型鈾礦床[16-19]均在南緣構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定的斜坡帶上。盆地基底主要由中上元古界和古生界構(gòu)成，沉積蓋層為三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系組成，侏羅系下中統(tǒng)水西溝群陸相暗色含煤碎屑巖為研究區(qū)主要的含鈾礦層位，由八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)、西山窯組(J2x)組成，之上覆蓋有白堊系、古近系、新近系、第四系紅色類磨拉石建造[17,20-21]。水西溝群含礦砂體普遍含礫石，從下到上礫石含量和礫徑均有變小的趨勢(shì)，礫石的磨圓度和分選性均較差，表明結(jié)構(gòu)成熟度較低[20]。與鈾元素富集有關(guān)的層間氧化帶尖滅帶一般位于巖相過(guò)渡部位，即反映出砂體粒度變細(xì)、滲透率降低的部位，并且往往出現(xiàn)高還原容量的有機(jī)質(zhì)、碳質(zhì)[20]。伊犁盆地北緣及南緣均發(fā)育侏羅系煤層自燃后的燒變巖，位于盆地南部的蒙其古爾及扎基斯坦鈾礦位于扎基斯坦河兩側(cè)，在河流上游約6 km處發(fā)育規(guī)模宏大的燒變巖(圖2)。

2.2 鄂爾多斯盆地東北部

圖3 鄂爾多斯盆地東北部地區(qū)地質(zhì)圖及燒變巖分布范圍Fig.3 The geological map showing the distribution of burnt rock in northeastern Ordos Basin(據(jù)參考文獻(xiàn)[7, 28, 35])

鄂爾多斯盆地是大型含煤沉積盆地之一，面積約為25×105km2，是在古生代海相及海陸過(guò)渡相前陸沉積盆地之上疊加了中生代—新生代陸相拗陷沉積的疊合克拉通臺(tái)向斜盆地[22]，煤、石油、天然氣和鈾等多種能源在鄂爾多斯盆地共生[23-25]。一直以來(lái)，對(duì)鄂爾多斯盆地構(gòu)造熱演化史與油氣關(guān)系的研究較為深入，而在盆地?zé)嵫莼放c煤、鈾礦關(guān)系方面研究較弱[26]。盆地內(nèi)古生界沉積蓋層發(fā)育寒武系、奧陶系、上石炭統(tǒng)海相碳酸鹽、黏土巖和二疊系三角洲前緣相砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及石英砂巖；中新生界沉積蓋層主要有三疊系、中侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)、上新統(tǒng)和第四系。陸相地層主要的含煤層位為三疊系延長(zhǎng)組和侏羅系延安組。東勝、大營(yíng)、杭錦旗等鈾礦產(chǎn)地位于鄂爾多斯盆地最北部次級(jí)構(gòu)造單元——伊盟隆起內(nèi)，廣泛發(fā)育砂巖型鈾礦，含礦層主要為中侏羅統(tǒng)直羅組下段辮狀河-辮狀河平原相灰色、灰白色、灰綠色中粗砂巖[27-29]。其中灰綠色砂巖是古氧化作用再還原的產(chǎn)物[30]，其分選中等，鈣質(zhì)膠結(jié)，較疏松，含有豐富的黃鐵礦集合體、油氣包裹體[28-29]。鈾礦化類型主要為層間氧化帶砂巖型鈾礦，主要礦體位于層間氧化帶前鋒線(灰色砂體與灰綠色砂體過(guò)渡部位)附近，礦體呈不規(guī)則的板狀或卷狀[28]。鄂爾多斯盆地東勝鈾礦砂巖中檢測(cè)出豐富的C15～C18脂肪酸，預(yù)示著硫酸鹽還原菌和硫氧化菌類脂作用于直羅組成礦砂體[29]。東勝、大營(yíng)等地的砂巖型鈾礦在空間上距離延安組煤層燒變巖較近(圖3)；在罕臺(tái)廟鈾礦北部罕臺(tái)川剖面及皂火壕鈾礦東部神山溝剖面，均可見(jiàn)延安組頂部及直羅組底部砂礫巖層發(fā)育燒變巖(圖1-G、H、I，圖3)。

3 煤層自燃促進(jìn)鈾富集的表生熱液成礦模式

按現(xiàn)今砂巖鈾成礦理論，鈾被地下水或地表水?dāng)y帶至砂巖層中有利的部位聚集成礦，其形成時(shí)代晚于主巖，成礦以滲入作用為主[1]。當(dāng)含氧地下水沿滲水性較好的砂巖層(其上下均為泥巖隔水層)運(yùn)移時(shí)，沿途發(fā)生氧化作用。這種氧化作用發(fā)育的深度較一般地表氧化大很多，其順層形成層間氧化帶，在氧化-還原過(guò)渡帶鈾沉淀富集成礦，此種類型稱為層間氧化帶型[1]。由潛水氧化作用，或?qū)娱g-潛水氧化作用形成潛水氧化帶型砂巖型鈾礦床，其發(fā)育深度較小，一般在近地表附近，氧化作用的過(guò)程也隨上覆蓋層的形成而告終止[1]。本次研究認(rèn)為在含煤盆地中前人述及的“氧化-還原帶”砂巖鈾礦成因應(yīng)歸結(jié)為不同種類、不同溫度燒變巖的反應(yīng)，即“氧化帶”紅色、褐色砂巖為中低溫?zé)儙r，“還原帶”白色砂巖為低溫?zé)儙r，鈾的成礦富集實(shí)際為流經(jīng)自燃煤層的表生熱液在滲透性砂巖層中溫度降低過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)，與深部熱液上涌相關(guān)的熱液型鈾礦有成因上的相似性，但是熱液的來(lái)源和性質(zhì)有差別。

3.1 表生熱液鈾成礦過(guò)程

第一步：蝕源區(qū)提供的鈾元素分散(或曾集中)分布于侏羅系含煤巖系中。

在伊犁盆地，石炭系—二疊系火山碎屑巖+花崗巖建造主要為一套中酸性火山巖建造和侵入巖建造[31]，中酸性火山巖和花崗巖鈾含量高，能夠?yàn)橐晾缗璧剽櫟V化的形成提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)[32]。從物源區(qū)被淋濾、搬運(yùn)后在沉積巖中存在的鈾元素一般分散分布于侏羅系水西溝群砂、泥巖中，或被煤層吸附，豐度一般較低，難以形成可工業(yè)開(kāi)采的鈾礦床。

鄂爾多斯盆地周緣造山帶發(fā)育，盆地北西部、北部大面積分布的太古代、早元古代結(jié)晶巖系和不同時(shí)代的花崗巖類巖體鈾含量一般較高；東北部蝕源區(qū)巖石總體具有較高的鈾含量，可為研究區(qū)砂巖型鈾礦的形成提供較豐富的鈾源[33]。此外，鄂爾多斯盆地東北部侏羅系、三疊系鈾豐度值高，可作為成礦目標(biāo)層位及直接基底，為鈾成礦提供豐富的鈾源[33]。相比伊犁盆地，鄂爾多斯盆地鈾的成礦富集可能更為復(fù)雜，可能有多期成礦的特點(diǎn)，劉漢彬等認(rèn)為賦礦砂巖具有鈾的預(yù)富集特征，可為鈾礦的形成提供部分鈾源[34]。

第二步：煤層自燃。

大規(guī)模的侏羅系煤層自燃使得燃燒的煤層本身以及上覆巖層物質(zhì)重組，煤層自燃的規(guī)模和持續(xù)時(shí)間取決于煤層厚度、品質(zhì)、燃燒條件及(古)氣候條件。在高溫條件下鈾元素從賦鈾巖石(煤層、砂巖層或以前形成的鈾礦)析出，主要以U6+離子狀態(tài)存在并可被表生熱液攜帶、搬運(yùn)。現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料對(duì)煤層自燃的時(shí)代研究較少，推測(cè)煤層自燃與干旱的古氣候條件有關(guān)，主要發(fā)生于白堊紀(jì)及新生代，上新世以來(lái)的煤層自燃對(duì)鈾成礦有著最為顯著的影響。伊犁盆地南緣的砂巖型鈾成礦年齡主要集中于新生代，在12 Ma、5～6.7 Ma、1～2 Ma[36]，可能預(yù)示著煤層自燃的年代。

第三步：表生熱液攜帶鈾元素運(yùn)移。

如前所述，自燃煤層在相對(duì)濕潤(rùn)氣候條件下被大氣降雨影響，致使高溫流體沿多孔燒變巖及滲透性砂巖層流動(dòng)。對(duì)燒變巖的研究顯示，燒熔巖及高溫?zé)編r多是疏松多孔的[7]，其在鄂爾多斯盆地北部常作為煤礦的蓄水層看待[37-39]。表生高溫?zé)嵋菏紫仍诟邷責(zé)儙r(燒熔巖及高溫?zé)編r)中流動(dòng)，因此滲濾時(shí)可攜帶鈾、錸、鎵、鍺、鋇等常溫下不易遷移的元素，并繼續(xù)流經(jīng)中低溫?zé)編r(“氧化帶”砂巖)。該過(guò)程中將有大量水蒸氣形成，近地表或沿活動(dòng)斷層向上流動(dòng)的表生熱液將引起大規(guī)模的水汽逸散(圖4)。

圖4 與煤層自燃有關(guān)的表生熱液砂巖型鈾礦成礦模式圖Fig.4 Metallogenic model for the sandstone uranium mines of supergene hydrothermal fluid triggered by coal self-ignition

第四步：鈾礦富集。

表生熱液的流動(dòng)過(guò)程也是溫度降低、所攜帶的不易遷移的鈾等金屬元素析出的過(guò)程。從高溫?zé)儙r、中低溫?zé)編r運(yùn)移來(lái)的富含鈾元素的高溫-中低溫?zé)嵋海跐B濾一段距離后流動(dòng)受阻，溫度也逐漸降低，演變?yōu)榈蜏責(zé)崃黧w，所影響的砂巖即為“褪色帶”(亦稱“過(guò)渡帶”)白色砂巖。此時(shí)鈾等金屬元素因熱液溫度降低而卸載，成礦于“氧化帶”(中低溫?zé)嵋河绊懙募t、褐色砂巖)前緣的“還原帶”(低溫?zé)嵋河绊懙纳皫r)。這一過(guò)程與熱液型鈾礦相似。

第五步：再次表生熱液作用及鈾元素的再遷移。

從伊犁盆地南緣水西溝群及鄂爾多斯盆地東北部延安組自燃煤層露頭剖面觀察，煤層自燃及其形成的燒變巖均為多期次的，不同期次的燒變巖將形成多期的表生熱流體，這將致使與煤層自燃有關(guān)的砂巖型鈾礦具多期次成礦的特點(diǎn)。且新的一次燒變巖發(fā)育過(guò)程會(huì)改造前一期次的中低溫?zé)兩皫r，并使得鈾礦富集部位有所變化，推測(cè)最強(qiáng)烈的一次表生熱液發(fā)育過(guò)程決定著砂巖鈾礦的富集地點(diǎn)。這也是東勝等地區(qū)鈾礦多期成礦的因素之一。

3.2 表生熱液鈾成礦模式及實(shí)例

圖4顯示了煤層自燃引發(fā)的表生熱液鈾成礦模式。表生熱液的形成取決于2個(gè)基本條件：煤層自燃以及大氣降水，其煤層自燃區(qū)域形成后一般沿滲透性砂巖層流動(dòng)，流動(dòng)距離的長(zhǎng)短取決于砂巖滲透性、砂體延伸性以及非滲透地層的阻礙等。溫度的降低以及非滲透地層的阻礙(二者可以是統(tǒng)一的)是鈾元素從熱液中析出并富集成礦的主要因素。表生熱液可沿活動(dòng)斷層穿層流動(dòng)，并在主要滲透性砂巖層之上形成規(guī)模較小的砂巖鈾礦體或礦化點(diǎn)。除滲透性砂巖層和斷層外，不整合面及其下的滲透性巖層也可能是表生熱液流動(dòng)的主要途徑，在今后的工作中應(yīng)以注意。

伊犁盆地南部“層間氧化帶”砂巖鈾礦的分布特征(圖5)直觀反映了與煤層自燃有關(guān)的表生熱液砂巖型鈾礦成礦模式。其紅、褐色“氧化帶”砂礫巖體(實(shí)為中低溫?zé)儙r)與盆地邊緣侏羅系燒變巖方位一致，越靠近盆地邊緣，其中低溫?zé)儙r厚度更大，向盆地方向則厚度變小，并有分叉(圖5)，顯示熱流體流動(dòng)勢(shì)能減弱， 流動(dòng)路徑分化，伴隨著溫度的降低則在“過(guò)渡帶”(實(shí)際為中低溫?zé)儙r及低溫?zé)儙r界線處，該溫度為表生熱液攜帶的鈾元素析出溫度，推測(cè)為150℃左右)。在伊犁盆地蒙其古爾地區(qū)，存在于三工河組及西山窯組中的砂巖“氧化帶”均發(fā)端于盆地南緣露頭區(qū)[40]的燒變巖分布區(qū)，并向盆地內(nèi)延展數(shù)千米后尖滅，反映煤層自燃對(duì)“氧化-還原帶”的重要影響。

圖5 伊犁盆地南緣庫(kù)捷爾太水西溝群Ⅴ旋回38線南北向剖面Fig.5 S-N profile of Line 38 of Ⅴ Cycle for the Shuixigou Group in Kujieertai, southern Yili BasinDahlkamp(2009)根據(jù)2002年北京IAEA會(huì)議資料[41]

4 相關(guān)證據(jù)

4.1 燒變巖與鈾礦在空間上的相關(guān)性

4.1.1 平面上的相關(guān)性

中國(guó)北方中生代陸相盆地通常是含煤的，已知的砂巖型鈾礦床基本都和煤存在共生關(guān)系；甚至哈薩克斯坦下伊犁煤鈾礦床、戈立賈特后生-滲入型砂巖鈾礦床也是如此。但由于對(duì)燒變巖關(guān)注度不夠，二者之間的相關(guān)性未引起足夠重視。在伊犁盆地南緣、鄂爾多斯盆地東北部和吐哈盆地西南緣，侏羅系砂巖型鈾礦和燒變巖在空間上距離較近(圖3)，砂巖型鈾礦與燒變巖露頭區(qū)平面上相距一般<10 km，顯示二者有成因上的聯(lián)系。表生熱液的鈾成礦理論也將合理解釋中國(guó)南方缺乏砂巖型鈾礦(深部熱液型砂巖鈾礦除外)，新生代中國(guó)南方濕潤(rùn)的氣候不利于煤層的自燃，當(dāng)然就難以形成表生熱液砂巖鈾礦。

4.1.2 縱向上的相關(guān)性

除“氧化帶”紅、褐色砂巖之外，在伊犁盆地南緣和鄂爾多斯盆地東北部侏羅系賦礦砂體之上常見(jiàn)低溫?zé)儙r，顯示為雜色、紫色泥巖，另見(jiàn)渣狀燒變巖和氣孔狀雜色泥巖。劉志堅(jiān)認(rèn)為氣孔狀構(gòu)造是燒變巖構(gòu)造之一，氣孔是由燒變巖中的水分及易揮發(fā)的物質(zhì)逸出后形成的[10]。在伊犁盆地南緣鉆井巖心和野外剖面均可發(fā)現(xiàn)，具氣孔的雜色泥巖或燒熔巖之下常發(fā)育褐色砂巖，顯示燒變巖和“氧化帶”砂巖鈾成因上的關(guān)系。此類燒變巖在鄂爾多斯盆地東北部亦見(jiàn)，推測(cè)為燒變產(chǎn)物。此外，在個(gè)別井的巖心中可見(jiàn)沿裂縫分布的紅色礦物(圖6-A)，為表生熱液帶來(lái)的3價(jià)鐵質(zhì)礦物沉淀所致。這一系列的證據(jù)顯示燒變巖與鈾礦在縱向上有密切的關(guān)系，或者說(shuō)鈾礦與中低溫表生熱液關(guān)系密切。

4.2 “氧化-還原帶”砂巖微觀特征

4.2.1 “氧化帶”紅、褐色砂、泥巖

伊犁盆地下-中侏羅統(tǒng)賦礦砂巖層附近的“層間氧化帶”褐色砂巖中普遍見(jiàn)褐色鐵質(zhì)礦物(褐鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦等)不規(guī)則分布(圖6-C、D、E)，相比“過(guò)渡帶”白色砂巖，其伊蒙混層黏土含量較低，蠕蟲(chóng)狀高嶺石常見(jiàn)，且顯示有伊利石化。在泥巖及粉砂巖中亦見(jiàn)紅色或棕色氧化物質(zhì)，可呈結(jié)核狀，或沿微裂縫發(fā)育(圖6-A)，亦顯示氧化-還原條件與原生沉積環(huán)境無(wú)關(guān)，而是(中溫？)表生熱液影響的結(jié)果。此類砂巖中廣泛分布的鉻鐵礦、鈦鐵礦等鐵質(zhì)礦物常在燒變巖露頭區(qū)紅色燒變巖中發(fā)育，顯示“氧化帶”紅、褐色砂巖與露頭區(qū)紅色燒變巖有成因上的聯(lián)系。在巖石顯微薄片中所見(jiàn)鐵質(zhì)礦物對(duì)碎屑顆粒的交代(圖6-C)可解釋為表生熱液的中高溫?zé)坪圹E。

4.2.2 “過(guò)渡帶”白色砂巖微觀結(jié)構(gòu)

在伊犁盆地，侏羅系“過(guò)渡帶”白色砂巖(圖7-A、B)中亦見(jiàn)褐色鐵質(zhì)礦物浸染狀分布(圖7-C)，或沿微裂縫分布(圖7-D)，顯示為(低溫)熱液的影響。在白色砂巖的填隙物中，高嶺石及伊利石、伊蒙混層黏土常見(jiàn)(圖7-F)，另有黃鐵礦(圖7-E)、黃銅礦、磷鈰礦(圖7-F)等自生金屬礦物充填粒間，亦見(jiàn)具環(huán)帶的鞍形白云石膠結(jié)礦物。磷鈰礦等金屬礦物和鞍形白云石常出現(xiàn)于熱液影響的砂巖中[42]。盡管目前的研究還未排除深部熱液的影響，但白色砂巖與來(lái)源于燒變巖露頭區(qū)的紅、褐色“氧化帶”砂巖(實(shí)際為中低溫?zé)儙r)共生，且在燒變巖露頭區(qū)亦見(jiàn)在紅色燒變巖側(cè)向位置產(chǎn)出該類砂巖，這都讓我們有理由相信其為表生熱液所致。在鄂爾多斯盆地東北部，延安組頂部存在大規(guī)模的白色砂巖及相關(guān)的高嶺土礦床已被證實(shí)為低溫?zé)嵋核耓6]，該漂白砂巖形成于酸性還原環(huán)境[43]?？紤]到盆地地層傾角小(僅為2°～6°)，且單斜地層中斷層并不發(fā)育，我們認(rèn)為該類低溫?zé)嵋汉蛶浊淄庾匀济簩有纬傻臒儙r有成因上的聯(lián)系。

圖7 伊犁盆地南緣侏羅系砂巖鈾礦中的熱褪色白色砂巖宏觀與微觀特征Fig.7 Features of white sandstone in Jurassic uranium deposits of southern Yili Basin(A、B)巖心中白色砂礫巖宏觀特征； (C)砂質(zhì)泥巖中見(jiàn)褐色礦物浸染，ZK2516井，深度443.3 m，單偏光； (D)砂巖中碎屑的磨圓度差，雜基含量高，沿微裂縫有浸染狀鐵質(zhì)礦物分布，與有機(jī)質(zhì)共生，ZK2516，深度439.0 m，單偏光； (E)莓球狀黃鐵礦(黃色三角所指)及伊利石，ZK2516,深度455.85 m； (F)磷酸鈰(黃色三角所指)存在于伊蒙混層黏土中，ZK2516，深度443.3 m

4.3 鈾礦物激光原位測(cè)齡數(shù)據(jù)

聶逢君在2015年12月的國(guó)家973項(xiàng)目“中國(guó)北方巨型砂巖鈾成礦帶陸相盆地沉積環(huán)境與大規(guī)模成礦作用”年度工作會(huì)議上報(bào)道，對(duì)鄂爾多斯盆地東北部砂巖型鈾礦中鈾石礦物的激光原位測(cè)試顯示其放射性年齡<1 Ma，這與前人研究成果有較大不同，反映了主要賦鈾礦物的形成年齡較新，應(yīng)與第四紀(jì)煤層自燃引發(fā)的表生熱液有關(guān)，即時(shí)代更近的煤層自燃促進(jìn)了鈾礦物富集，形成了可工業(yè)性開(kāi)采的砂巖型鈾礦。

4.4 伊犁盆地有機(jī)質(zhì)成熟度

伊犁盆地侏羅系正常沉積的煤等有機(jī)質(zhì)成熟度相對(duì)較低，鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.4%～0.5%(表2)，有機(jī)質(zhì)普遍為半成熟。但個(gè)別煤層的Ro值達(dá)到0.85%，與露頭區(qū)燒變巖之下僅10 cm的煤的有機(jī)質(zhì)成熟度相近(表2)，顯示出高溫(流體)的影響。Gavshin 和Miroshnichenko曾報(bào)道在西西伯利亞地區(qū)下侏羅統(tǒng)燒變巖之下的褐色蝕變煤層中出現(xiàn)鈾異常，并認(rèn)為燃燒有機(jī)質(zhì)提供的鈾源為大氣水運(yùn)載，在蝕變煤層中沉淀[2]。伊犁盆地蒙其古爾煤礦及附近的燒變巖之下1 m厚度內(nèi)的碳質(zhì)泥巖層中見(jiàn)豐富的黃鐵礦，野外測(cè)試顯示其有放射性異常，且有機(jī)質(zhì)成熟度有向下遠(yuǎn)離燒變巖而變低的趨勢(shì)(表2)，這顯示了與大氣降水和煤層自燃有關(guān)的表生熱液的影響。該碳質(zhì)泥巖層為燒變巖露頭區(qū)表生熱液流動(dòng)的底板，從疏松的高溫?zé)儙r流出后，表生熱液將進(jìn)一步沿著滲透性砂巖層或斷層流動(dòng)，影響附近的煤層或碳質(zhì)層，致使其有機(jī)質(zhì)成熟度升高，而未被表生熱液影響或影響程度較小的有機(jī)質(zhì)其成熟度保持了原巖的特點(diǎn)。此外，對(duì)盆地南緣庫(kù)捷爾太、烏庫(kù)爾其礦床水西溝群含礦砂巖礦石及圍巖中的油氣包裹體飽和烴氣相色譜分析顯示，CPI、OEP值分別為1.16～1.45、0.67～1.02，不具有奇數(shù)碳優(yōu)勢(shì)的特征，反映有機(jī)質(zhì)成熟度較高[44]，也顯示著表生熱液的影響。

4.5 流體包裹體測(cè)試數(shù)據(jù)

在伊犁盆地南緣庫(kù)捷爾太礦床和烏庫(kù)爾其礦床中，方解石自生礦物的流體包裹體均一溫度為102.5～117℃(本次研究數(shù)據(jù))。李勝祥等認(rèn)為水西溝群油氣包裹體飽和烴氣相色譜分析顯示有機(jī)質(zhì)(油氣成分)成熟度較高，其主峰碳為C16～C18，且均為單峰型，這些特征表明伊犁盆地含礦層的油氣來(lái)源于深部較成熟的烴源巖[44]。當(dāng)認(rèn)識(shí)到表生熱液的作用后，本文認(rèn)為這些成熟度高的流體包裹體也可解釋為煤層遭受高溫?zé)嵋焊脑旌笈艧N的結(jié)果。相似的流體包裹體特征也可對(duì)鄂爾多斯盆地北部東勝地區(qū)及杭錦旗地區(qū)直羅組砂巖中的方解石膠結(jié)物流體包體進(jìn)行合理解釋。肖新建等測(cè)試的東勝地區(qū)流體包裹體均一溫度為58～176℃, 平均為114.9℃[3]；張龍等對(duì)杭錦旗地區(qū)礦化砂巖亮晶方解石膠結(jié)物捕獲的原生流體包裹體測(cè)得的均一溫度峰值為140～160℃[5]：均解釋為熱液活動(dòng)的產(chǎn)物。但在單斜地層背景下，研究區(qū)大規(guī)模裂縫系統(tǒng)以及大規(guī)模巖漿侵入活動(dòng)并不強(qiáng)烈，沿區(qū)域性斷裂并無(wú)熱液鈾礦產(chǎn)出；因其距離燒變巖露頭區(qū)很近，受表生熱液影響更為顯著，用表生熱液解釋其成因似更為合理。

表2 伊犁盆地南緣煤等有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率測(cè)試數(shù)據(jù)

Table 2 Testing data of vitrinite reflectance of Jurassic organic matter in coal, etc. from southern Yili Basin

序號(hào)井號(hào)及剖面井深或位置巖性Ro/%測(cè)點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)離差149783588．17m煤0．42300．012P4924448．87m碳質(zhì)層0．45300．013ZK2516421．80m煤0．46300．054P5323613．40m碳質(zhì)泥巖0．47300．025P5323528．00mM8煤層0．85350．066蒙其古爾煤礦燒變巖底界之下10cm(圖1?F)煤0．86300．037蒙其古爾煤礦燒變巖底界之下80cm(圖1?F)煤0．53300．02

4.6 鄂爾多斯盆地北部同位素測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)東勝地區(qū)、杭錦旗地區(qū)侏羅系白色砂巖、鈾礦或礦化點(diǎn)砂巖中亮晶方解石膠結(jié)物及鈣化木中方解石進(jìn)行的碳、氧同位素分析都顯示，其C、O同位素值都較輕，有機(jī)質(zhì)參與了方解石的結(jié)晶，且這些方解石形成于低溫?zé)嵋涵h(huán)境，熱液活動(dòng)是富礦流體形成的關(guān)鍵事件[5,43,45-47]。吳柏林等通過(guò)直羅組底部及延安組頂部白色砂巖碳酸鹽膠結(jié)物包裹體氫、氧同位素的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)大部分都在雨水線和中國(guó)西北地區(qū)雨水線附近，成礦溶液或低溫?zé)嵋旱叵滤畞?lái)源于表生淺層的大氣降水；其D值增高是包裹體水中的氫、氧等混染了天然氣中的CO、H2S、H2及CH4等有機(jī)烴類氣體中的相應(yīng)組分[6,45-47]。東勝礦床的形成為由“大氣降水-逸散油氣-煤質(zhì)有機(jī)酸-低溫?zé)嵋骸被旌狭黧w作用的結(jié)果[46]。如前所述，這一系列的同位素證據(jù)也可用表生熱液模式解釋：表生熱液的大氣水來(lái)源及對(duì)砂巖層的作用，其混入的CO、H2S、H2及CH4等氣體為煤層燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生，后被表生熱液攜帶、運(yùn)移。

5 討 論

5.1 含煤盆地表生熱液砂巖型鈾礦的找礦標(biāo)志

5.1.1 燒變巖

砂巖型鈾礦在世界上分布廣泛，“層間氧化帶”、“潛水氧化帶”型砂巖鈾礦常與燒變巖空間距離近，在成因上有密切聯(lián)系，因此燒變巖是表生熱液砂巖型鈾礦的找礦標(biāo)志之一，其可首先從含煤盆地露頭區(qū)的燒變巖識(shí)別。露頭區(qū)燒變巖通常為高溫?zé)儙r，可從顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等方面極易識(shí)別?！皩娱g氧化帶”、“潛水氧化帶”型砂巖鈾礦的紅、褐色“氧化帶”砂巖層為中低溫?zé)儙r，而熱褪色白色砂巖(或稱為漂白砂巖)為低溫?zé)嵋焊脑斓臒儙r，應(yīng)屬?gòu)V義的燒變巖，也是找礦標(biāo)志之一。規(guī)模宏大的燒變巖(如在鄂爾多斯盆地東北部)可形成多期次、大流量的表生熱液，鈾成礦作用則更為顯著。

5.1.2 滲透性巖層

從伊犁盆地南緣和鄂爾多斯盆地東北部砂巖型鈾礦的勘探實(shí)例看，滲透性砂巖層或不整合面(特別是與高溫?zé)儙r連通的滲透性巖層)是表生熱液流動(dòng)的通道，也是鈾元素富集的主要場(chǎng)所，因此滲透性巖層，如三角洲前緣或河流沉積中的河道砂巖是又一重要的找礦標(biāo)志。賦鈾礦物如瀝青鈾礦和鈾石，通常沉淀于流動(dòng)通暢的砂巖層中，為表生熱液流動(dòng)較長(zhǎng)距離后溫度降低條件下析出所致。但在表生熱液流動(dòng)受阻的情況下，如在非均質(zhì)性較強(qiáng)的砂巖中，賦鈾礦物也較易沉淀于滲透性稍差的砂巖中。

5.1.3 煤層自燃后的古水系

根據(jù)野外調(diào)查，引發(fā)鈾成礦的煤層自燃通常發(fā)生于第四紀(jì)黃土沉積前，煤層大規(guī)模自燃后的濕潤(rùn)氣候條件使大規(guī)模的煤層自燃熄滅，同時(shí)造成表生熱液的生成與流動(dòng)。煤層自燃停止后的古水系有利于表生熱液的形成(之后在滲透性巖層中流動(dòng)并運(yùn)移6價(jià)鈾離子)，是砂巖鈾礦形成的前提條件之一。

5.2 表生熱液砂巖型鈾礦的分布

目前對(duì)表生熱液鈾成礦作用的研究還處于起步階段，其全球性分布特征還無(wú)從談起，但其在伊犁盆地南緣和鄂爾多斯盆地東北部是較為可信的。李巨初等認(rèn)為，從世界宏觀角度看，砂巖型鈾礦空間上主要分布在南北半球中緯度(20°～50°)的近代、現(xiàn)代副熱帶高氣壓帶及其兩側(cè)的信風(fēng)帶和西風(fēng)帶范圍，或大陸的內(nèi)部和偏西部的干旱炎熱戈壁荒漠草原區(qū)的中生代—新生代盆地內(nèi)，且砂巖鈾礦成礦年齡較新[1]。本文認(rèn)為干旱氣候是煤層得以自燃的先決條件，而赤道地區(qū)及濕潤(rùn)氣候條件下大氣降水頻繁，煤層自燃的條件很難達(dá)到，因此不利于表生熱液成礦作用；內(nèi)陸干旱地區(qū)適合煤層自燃，更趨向于形成表生熱液砂巖鈾礦。東亞地區(qū)的干旱氣候是從約5 Ma B.P.開(kāi)始震蕩變化的，總體顯現(xiàn)逐步干旱的趨勢(shì)[48]。青藏高原的隆升是造成中國(guó)氣候分區(qū)巨大分異的主要原因，而最強(qiáng)的隆升發(fā)生于3.6 Ma B.P.[49]，因此中國(guó)北方煤層自燃和表生熱液的形成應(yīng)集中于3.6～0 Ma B.P.這一時(shí)期。前人研究中對(duì)含礦砂巖進(jìn)行全巖同位素測(cè)齡，可能測(cè)試數(shù)據(jù)不能代表真正的鈾成礦年齡。此外，表生熱液的形成離不開(kāi)充沛的大氣降水，受米蘭科維奇旋回、太陽(yáng)黑子周期等天文因素影響，新生代氣候是潮濕—干旱相間變化的，干旱(或濕潤(rùn))氣候周期性出現(xiàn)，為煤層自燃、表生熱液的形成提供了可能條件。

砂巖型鈾礦礦集區(qū)多出現(xiàn)在地臺(tái)內(nèi)、外邊緣，或處于被晚期造山運(yùn)動(dòng)中度構(gòu)造活化改造的沉積盆地內(nèi)的淺埋緩傾斜坡帶上[1]。在這樣的位置，煤層自燃的條件容易達(dá)到，也更易形成表生熱液礦床。因此可以推斷：在含煤盆地的邊緣地帶，表生熱液砂巖鈾礦是較為常見(jiàn)的，應(yīng)在今后的工作中加以重視。盡管中國(guó)北方新生代含煤盆地多以陸相盆地為主，從表生熱液鈾成礦的機(jī)理來(lái)說(shuō)，海相—過(guò)渡相含煤盆地同樣適用，因此這種成因的砂巖鈾礦應(yīng)是全球分布的。

5.3 表生熱液與深部熱液的異同點(diǎn)

表生熱液與深部熱液成因不同，故而性質(zhì)也不同，二者可能在成礦機(jī)理方面有相似性，即隨著溫度降低和壓力減小，一些組分發(fā)生沉淀，鈾在含鈾熱液中都主要以鈾酰絡(luò)離子形式遷移，在相對(duì)低溫的條件下[UO2]2+中6價(jià)鈾被還原為4價(jià)鈾析出，形成鈾礦物。李巨初等總結(jié)認(rèn)為中低溫?zé)嵋旱V床產(chǎn)于多種地質(zhì)環(huán)境[1]，但它的鈾礦物成分卻很簡(jiǎn)單，主要有瀝青鈾礦和鈾石，這可能也適合于表生熱液。

在(深部)熱液作用過(guò)程中鈾主要形成獨(dú)立礦物，如瀝青鈾礦、鈾石等。伴隨瀝青鈾礦和鈾石等礦物的形成，硫化物、碳酸鹽、高價(jià)鐵氧化物(赤鐵礦)等這些在巖漿作用和偉晶作用中很少形成的礦物卻大量出現(xiàn)[1]。在(深部)熱液鈾礦床中，同鈾礦物共生的礦石礦物組合類型較多，如瀝青鈾礦-微量石英(或玉髓)組合、瀝青鈾礦-方解石組合、瀝青鈾礦-螢石組合、瀝青鈾礦-硫化物組合、瀝青鈾礦-輝銅礦組合等，但每種組合類型中的礦物成分比較簡(jiǎn)單[1]。從伊犁盆地南緣和鄂爾多斯盆地東北部來(lái)看，表生熱液礦石礦物組合類型更為簡(jiǎn)單，多為瀝青鈾礦-黃鐵礦-高嶺石組合、鈾石-碳酸鹽礦物-綠泥石組合等。

從鄂爾多斯盆地北部侏羅系砂巖鈾礦或礦化點(diǎn)亮晶方解石膠結(jié)物碳、氧同位素測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，其C、O同位素值都較輕，碳同位素極為負(fù)偏[5-6,43,45-46]，本文解釋為煤層燃燒過(guò)程中排烴并被表生熱液攜帶所致。但這一特征并不是表生熱液所獨(dú)有，深部熱液亦可促使深部烴源巖排烴而在上涌過(guò)程中運(yùn)移，深部熱液砂巖鈾礦在多大程度上具備如此特征還有待研究。此外，氫同位素測(cè)試顯示表生熱液有大氣水特征，這也可以在由地表水向下循環(huán)而形成的深部熱液中有所顯示，因此二者的差異性應(yīng)在具體的地質(zhì)條件中加以識(shí)別。進(jìn)一步的深入研究也很有必要。

5.4 高溫-低溫?zé)儙r的氧化-還原條件

前人根據(jù)砂巖顏色、鐵質(zhì)礦物種類等判斷“氧化帶”或“還原帶”，并認(rèn)為鈾礦主要賦存于氧化-還原過(guò)渡帶，這一直觀的認(rèn)識(shí)對(duì)鈾礦勘探有顯著的積極意義。本文認(rèn)為其有內(nèi)在的成因，即氧化帶(紅、褐色砂巖)相對(duì)還原帶(熱褪色漂白砂巖、灰綠色砂巖等)有更高的表生熱液溫度，因此巖層中水的蒸發(fā)作用更為強(qiáng)烈，空氣中氧氣的作用更甚；而還原帶砂巖受低溫表生熱液影響，為相對(duì)飽含水的，氧化作用相對(duì)微弱。二者在燒變巖露頭區(qū)也較易發(fā)現(xiàn)(圖2)，燒變構(gòu)造與結(jié)構(gòu)顯著的中高溫?zé)儙r一般呈鮮艷的紅色(圖2中ⅡA、ⅡB)，其中圖2中ⅡB的中溫?zé)儙r與井下巖心中所見(jiàn)“氧化帶”砂巖顏色與成分(特別是填隙物成分)類似，而受大氣水影響更為明顯的低溫?zé)儙r(ⅡC)與井下巖心的熱褪色白色砂巖、地表漂白砂巖類似。鄂爾多斯盆地東北部延安組燒變巖分布面積廣泛，約為1×104km2，且有煤層多期燃燒的特點(diǎn)，因此形成的表生熱液規(guī)模更大，對(duì)附近延安組、直羅組沉積巖的改造強(qiáng)度更大。在氧化-還原過(guò)渡帶砂巖中沉淀的鈾礦一方面受控于氧化-還原條件的改變，另一方面也是熱液流速減慢、溫度降低的反映，或者是表生熱液溫度的變化控制了氧化-還原反應(yīng)的發(fā)生？相關(guān)科學(xué)問(wèn)題值得深入探討。

6 結(jié) 論

a.鄂爾多斯盆地東北部及伊犁盆地南緣侏羅系砂巖型鈾礦受表生熱液影響，侏羅系煤層在新生代干旱氣候條件下自燃，在相對(duì)濕潤(rùn)氣候條件下大氣降雨減弱煤的自燃，形成表生熱液，攜帶從自燃煤層及附近高溫?zé)編r層中釋放的U6+元素沿滲透性砂巖層流動(dòng)，在流動(dòng)遇阻及溫度降低條件下鈾等金屬元素從(已經(jīng)降溫的)表生熱流體中析出，并富集成礦。

b.將新生代煤層自燃現(xiàn)象與砂巖鈾礦的形成聯(lián)系起來(lái)，提出中國(guó)北方陸相含煤盆地煤層自燃促進(jìn)鈾的富集成礦的理論。該模式對(duì)中國(guó)北方含煤盆地“層間氧化帶”、“潛水氧化帶”砂巖型鈾礦提出新的成因解釋。

c.表生熱液鈾成礦模式的證據(jù)主要體現(xiàn)在：①燒變巖與鈾礦在空間上的相關(guān)性；②“氧化-還原帶”砂巖微觀特征；③鈾石激光原位年齡測(cè)定數(shù)據(jù)；④伊犁盆地煤等有機(jī)質(zhì)成熟度；⑤伊犁盆地及鄂爾多斯盆地流體包裹體測(cè)試數(shù)據(jù)；⑥鄂爾多斯盆地北部同位素測(cè)試數(shù)據(jù)等。

d.表生熱液鈾成礦模式合理解釋了砂巖型鈾礦主要分布于中國(guó)北方的原因，即上新世以來(lái)的中國(guó)北方的干旱氣候促進(jìn)了侏羅系煤層的自燃；也預(yù)示著煤層自燃形成的燒變巖及近地表表生熱液疏導(dǎo)體系(滲透性砂巖層、不整合面等)是陸相含煤盆地表生熱液砂巖型鈾礦主要的找礦標(biāo)志。

參加野外工作的還有成都理工大學(xué)宋昊、江文劍；核工業(yè)216大隊(duì)對(duì)伊犁盆地巖心采樣工作提供了大力幫助；掃描電鏡及能譜分析在成都理工大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”完成，馮明石博士大力協(xié)助；鏡質(zhì)體反射率測(cè)試在中原油田勘探開(kāi)發(fā)研究院中心實(shí)驗(yàn)室完成。在此一并表示感謝！

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Theory of uranium mineralization caused by supergene hydrothermal fluid in coal-bearing basins: Evidences from Jurassic sandstone in southern Yili Basin and northeastern Ordos Basin, China

SHI Zhi-qiang1, YANG Xiao-kang1, WANG Yan-yan2, DU Yi-xing1, XIAO Kai1, DUAN Xiong1

1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China; 2.CollegeofMaterialsandChemistry&ChemicalEngineering,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

The data of field outcrop investigation, drilling core observation and the analysis of thin sections and measurements of SEM, organic matter maturity, in southern Yili Basin and northeastern Ordos Basin reveal that the Jurassic red sandstone of oxidized zone and white sandstone of transitional zone in the uranium ore deposits are the special types of burnt rock. The supergene hydrothermal fluid is considered to be the cause of sandstone uranium ores in coal-bearing basins, i. e., the coal beds were self-burning in the dry climatic conditions and then the supergene hydrothermal fluid formed during the relatively humid climatic period due to the atmospheric rainfall. U6+was released from the burning coal beds and high-temperature burnt rocks and in turn was carried by the supergene hydrothermal fluid flowing in the permeable beds, such as sandstone layers and unconformity. Then the uranium element was separated out from the supergene hydrothermal fluid and deposited as ores in the sandstone when the flowing fluid blocked and the temperature declined. This model provides a new interpretation for the sandstone type uranium of interlayer oxidation zone and phreatic oxidation zone in the continental coal-bearing basins in northern China. The above interpretation is evidenced by (ⅰ) the relationship between the burnt rock and uranium mine, (ⅱ) the microscopic features of sandstone in oxidized zones and reduced zones, (ⅲ) laser isotopic dating of uranium ores, (ⅳ) measurement of organic matter maturity for Jurassic coal in Yili Basin, (ⅴ) analysis of fluid enclosures of Jurassic calcite cement in Yili Basin and Ordos Basin and (ⅵ) C, O and H isotopes of calcite cement in northern Ordos Basin. The uranium mineralized model of supergene hydrothermal fluid interpreted why sandstone uranium deposits mainly distribute in northern China. Burnt rock and permeable rocks suitable for migration of supergene hydrothermal fluid are indicators for uranium ores in the area.

sandstone uranium deposit; supergene hydrothermal fluid; coal self-ignition; burnt rock; indicators for uranium ores

10.3969/j.issn.1671-9727.2016.06.09

1671-9727(2016)06-0703-16

2016-02-23。 [基金項(xiàng)目] 國(guó)家973項(xiàng)目(2015CB453001)。 [第一作者] 時(shí)志強(qiáng)(1972-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，沉積學(xué)專業(yè), E-mail: szqcdut@163.com。

P619.14

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