中国北方大多数盆地均属于石油、天然气、煤炭、铀矿等多矿种叠合富集的能源基地。在以往单一矿种的地质勘探中,受行业隔阂和专业视野的制约,油田及煤田资料特别是放射性测井资料未能引起相关部门的足够重视。而在全球能源紧缺、铀资源价格回涨的新形势下^❶(❶OECD NEA & IAEA. Uranium 2014: resources,production and demand[R]. 2014.),能源盆地中煤铀、油铀等多矿种共同勘探开发受到愈来愈多的聚焦和瞩目^{[1, 2]},特别是大营铀矿床的发现,进一步坚定了中国以煤(油)找铀的信心和决心^[3]。在中国北方主要盆地以往的铀矿地质调查中,通过对煤田钻孔资料和测井资料的二次开发利用,圈定了一系列铀成矿远景区,发现了大量工业铀矿体^{[1, 2, 4]}。这充分表明煤田资料的铀矿二次开发是经济高效和切实可行的。但在实际工作中,存在仅注重放射性测井资料等直接找矿线索,而忽视钻孔岩心资料等间接找矿信息的情况,这势必影响煤矿区铀资源的调查评价工作。因此,本文以中国北方部分煤盆以煤找铀工作取得的重要进展为基础,选取典型实例重点阐述煤田测井资料和钻孔岩心资料在铀矿找矿中的作用,首次建立了煤田资料的铀矿二次开发技术体系。这对深入提取煤田资料的铀矿化信息和提高煤田资料的二次开发利用效率具有重要的指导意义。

中国北方主要含煤盆地,从大地构造上可分为克拉通内部凹陷盆地、大陆增生带盆地、碰撞期后盆地、大陆内部裂谷盆地及活动边缘带盆地等类型,形成时代从晚古生代到古近—新近纪系均有发育(图1)^{[5, 6]}。目前中国北方已探明的砂岩型铀矿在上述不同构造背景下的含煤盆地中均有发现^{[7, 8, 9]},且主要产出于中下侏罗统和上白垩统中^{[10, 11, 12, 13, 14]},这在图1-a上有很好的反映。

图1(Fig.1)

图1 中国北方主要含煤铀盆地分布简图(据文献[5, 15]和❶(❶韩效忠, 吴兆剑, 胡航. 内蒙古恩格日音和乌兰诺尔铀矿地质调查[R]. 北京: 中国煤炭地质总局特种技术勘探中心, 2014.)修改) 1—铀矿床(点)及编号: ①—准噶尔盆地东缘KMST铀矿, ②③—伊犁盆地南缘铀矿田, ④—吐哈盆地十红滩铀矿床, ⑤—巴音戈壁盆地塔木素铀矿床, ⑥—鄂尔多斯盆地宁东地区铀矿田, ⑦—鄂尔多斯盆地北缘东胜铀矿田, ⑧—二连盆地努和廷铀矿床、赛罕高毕—巴彦乌兰铀矿床,⑨—松辽盆地西南部钱家店铀矿床; 2—C-P盆地; 3—T3, J1-2盆地; 4—T3-K1盆地; 5—Tr 盆地; 6—ZS煤矿区位置; 7—断裂构造; 8—更新统;9—全新统; 10—宝格达乌拉组; 11—通古尔组; 12—乌兰戈楚组—呼尔井组; 13—大磨拐河组; 14—白音高老组; 15—满克头鄂博组;16—玛尼吐组; 17—红旗组; 18—林西组; 19—哲斯组; 20—大石寨组; 21—宝力高庙组; 22—色日巴彦敖包组; 23—泥鳅河组;24—温都尔庙群; 25—宝音图群; 26—侏罗纪花岗岩; 27—三叠纪花岗岩; 28—二叠纪花岗闪长岩; 29—二叠纪闪长岩; 30—二叠纪花岗岩;31—石炭纪闪长岩; 32—石炭纪花岗岩; 33—石炭纪辉绿岩 Fig.1 Distribution of coal & uranium-bearing basin in northern China (modified after [5, 15] and ❶(❶韩效忠, 吴兆剑, 胡航. 内蒙古恩格日音和乌兰诺尔铀矿地质调查[R]. 北京: 中国煤炭地质总局特种技术勘探中心, 2014.) 1-Uranium deposits: ①-KMST uranium deposit in eastern Junggar, ②③-Uranium orefield in southern Ili basin, ④-Shihongtan uranium deposit in Turpan-Hami basin, ⑤-Tamusu uranium deposit in Bayingabi basin, ⑥-Ningdong uranium orefield in western Ordos basin, ⑦-Dongsheng uranium orefield in northeastern Ordos basin, ⑧-Nuheting and Saihangaobi-Bayanwula uranium deposits in Erlian basin; ⑨-Qianjiadian uranium deposit in southwestern Songliao basin; 2-Carboniferous-Permian basin; 3-Late Triassic and early-middle Jurassic basin; 4-Late Triassic to early Cretaceous basin; 5- Triassic basin; 6-Location of ZS work area; 7—Fault; 8-Pleistocene; 9-Holocene; 10-Baogedawula Formation; 11-Tongguer Formation; 12-Wulangechu and Huerjing Formation; 13-Damoguaihe Formation; 14-Baiyingaolao Formation; 15-Manketouebo formation; 16-Manitu Formation; 17-Hongqi Formation; 18-Linxi Formation; 19-Zhesi Formation; 20-Dashizhai Formation; 21-Baoligaomiao Formation; 22-Seribayanaobao Formation; 23-Niqiuhe Formation; 24-Wenduermiao Formation; 25-Baoyintu Group; 26-Jurassic granite; 27-Triassic granite; 28-Permian granodiorite; 29-Permian diorite; 30-Permian granite; 31-Carboniferous diorite; 32-Carboniferous granite; 33-Carboniferous diabase

由图2 可知,石炭纪以来,尽管存在海平面上升、大陆面积下降的幕式活动,但中国大陆整体呈现为海退和大陆面积稳步增加的趋势。而前人对中国北方主要含煤盆地煤系地层研究结果^{[16, 17, 18, 19, 20]}亦表明,侏罗纪、白垩纪、古近纪和新近纪成煤期主要为河流、三角州和湖泊等陆相沉积环境。前人分析总结中国主要砂岩型铀矿盆地沉积体系特征认为,北方砂岩型铀矿多产出于侏罗纪和白垩纪含煤岩系或与含煤岩系相关的地层中,且最佳赋矿载体为陆相盆地辫状河沉积及辫状河三角洲沉积体系^{[15, 21, 22]}。这表明,中国北方主要含煤盆地具备铀成矿的储层条件。

图2(Fig.2)

图2 中国大陆增生与成煤关系图(据文献[5]) Fig.2 The relationship of continental accretion to coal-forming area (after reference [5])

同时,对准噶尔、吐哈、伊犁、鄂尔多斯、二连及松辽盆地等北方主要产煤铀盆地沉积盖层的典型剖面进行综合分析可知,地层往往呈现“下黑、中灰、上杂”三段式特征分布,且“上杂”与“中灰”常呈不整合或假整合接触(图3)。“下黑中灰”表明,煤层与铀成矿目的层常密切共生,且呈现出下煤上铀的特征分布,而煤及赋存其中的还原性气体为铀矿体的形成和保存提供了充足的还原物质;“中灰上杂”及其不整合接触关系表明,铀成矿目的层沉积期后往往处于较长时间干旱—半干旱气候环境,而炎热干燥的古环境为含氧含铀水的渗入和目的层的后生蚀变提供了良好条件,同时提升古地下水中铀的浓度。

图3(Fig.3)

图3 中国北方主要含煤铀盆地典型柱状图 a—准噶尔盆地东缘KMST选区(据文献[2]); b—吐哈盆地南缘(据文献[23, 24, 25, 26]); c—鄂尔多斯盆地东北缘HQL选区;d—松辽盆地西南缘SG选区; e—二连盆地马尼特坳陷ZS选区 Fig.3 Typical columnar section of coal and uranium bearing basin in northern China a-Eastern Junggar basin; b-Southern Turpan-Hami basin; c-Northeastern Ordos basin; d-Southwestern Songliao basin; e-Manite depression in Erlian basin

综上所述,中国北方主要煤盆地多具备良好的铀成矿地质条件,是寻找砂岩型铀矿的理想场所。

煤田资料主要包括煤田测井资料及钻孔岩心资料(包括测井岩性解释)。其中测井资料尤其是放射性测井资料常用于“异常筛选与选区分析”、“原位验证与环境判别”,是煤田资料用以铀矿勘查的直接二次开发; 钻孔岩心资料则主要用于选区“等时地层格架建立与沉积体系分析”,是煤田资料内蕴信息的深度挖掘; 而“综合分析”则将两者有机结合并用于“靶区精确定位”。下文以二连盆地马尼特坳陷ZS煤田铀矿点的发现为例,重点阐述煤田资料的铀矿二次开发技术,并初步建立技术体系。

2.1.1 筛选指标对煤田部门的放射性测井资料的定向筛选是远景区圈定的前提。根据砂岩型铀矿成矿规律和赋矿条件的分析,初步确定了自然γ 异常强度及厚度、矿层埋深、赋矿围岩岩性、砂体(累计)厚度等筛选指标^❶(❶中国地质调查局天津地质调查中心. 我国主要盆地煤铀等多矿种综合调查评价计划项目工作技术要求（试行）[S]. 2013(有改动).)(表1)。

表1(Table 1)

表1 煤田钻孔资料的筛选指标Table 1 Sieving index of coalfield data

表1 煤田钻孔资料的筛选指标 Table 1 Sieving index of coalfield data

选区分析是开展铀矿地质调查的基础,选区的合理与否直接关系到该区的资源评价与后续工作的部署安排。前人在远景区预测方面已有大量研究^{[27, 28, 29, 30, 31, 32]},多注重对铀源条件、古气候与古构造、古地下水条件、砂体发育特征等方面的约束,而缺少直接的矿化信息。而基于煤田资料的选区分析则正好弥补了这一不足。

二连盆地ZS 选区北部的巴音宝力格隆起和南部的苏尼特隆起发育有大量花岗岩(图1),岩体伽马照射量率为9.55~10.06 nC/(kg· h),最高为12.13 nC/(kg· h)^❶(❶韩效忠,吴兆剑,胡航. 内蒙古恩格日音和乌兰诺尔铀矿地质调查[R]. 北京: 中国煤炭地质总局特种技术勘探中心,2014.),指示源区具备良好的铀源条件。图3-e 清晰地展示出目的层赛汉塔拉组被古近纪伊尔丁曼哈组不整合覆盖,指示选区铀储层沉积期后,遭受较长时间隆升剥蚀作用,有利于含氧含铀水的渗入。同时,选区目的层砂体发育,泥砂泥结构发育(图3-e),且选区北西部发育北东东向的区域断裂(图1),具备基本的补径排体系。最为重要的是,据煤田钻孔伽马异常筛选可知,选区内伽马异常明显,呈区带大致呈北东向展布(图4),指示良好的找矿前景。

图4(Fig.4)

图4 二连盆地马尼特坳陷ZS选区煤田钻孔异常分布图 1—新近系宝格达乌拉组; 2—新近系通古尔组; 3—潜在铀矿孔;4—潜在矿化孔; 5—潜在异常孔; 6—正常孔; 7—勘探线纵剖面位置 Fig.4 Natural gamma anomaly distribution in the ZS coalfield, Manite depression, Erlian basin 1- Baogedawula Formation; 2- Tongguer Formation; 3- Potential industrial drill hole; 4- Potential mineralized drill hole; 5- Potential anomaly drill hole; 6-Normal drill hole; 7- Longitudinal section

运用相同的方法,优选出诸如准噶尔盆地东缘KMST选区^[9]、二连盆地马尼特坳陷EGRY和WLNE选区,松辽盆地西南部陆家堡凹陷SG选区等(这些选区在工作中均发现有工业铀矿孔的存在)。

原位验证多选取埋藏较浅、异常强度高、异常厚度大、目的层砂体固结程度低且碎屑颗粒较粗的煤田孔展开。自2012 年天津地质调查中心组织选区工作以来,对一系列优选区展开钻孔原位验证工作,取得了丰硕的成果^{[2, 9]}。如准噶尔盆地东缘KMST 选区共实施4 个原位验证孔,其中工业孔1个、矿化孔3 个; 二连盆地ZS选区共实施4 个原位验证孔和1 个新布设钻孔,其中4 个原位验证孔中2 个为矿化孔,而新布设孔为工业孔(将在下文重点阐述); 松辽盆地西南部SG 选区共实施5 个原位验证孔,其中工业孔1 个,矿化孔1 个。这充分表明对煤田自然伽马高异常孔展开原位验证工作是必须的,不仅有效地规避勘探风险,提高找矿成功率,同时达到验证煤田资料可靠性和快速评估选区找矿前景的目的。

尽管中国北方多数煤盆存在煤铀紧密伴生、下煤上铀的情况,但同时必须认识到赋煤和赋铀主体空间的不一致性: 煤层多靠近盆地沉积中心,赋铀砂体则多位于盆地边缘,煤田钻孔往往并非位于最佳铀成矿位置。因此,不能仅仅依靠原位验证的成果来判断选区的成矿前景,亦不能把以煤找铀工作停留在原位验证上。此时,据原位验证孔岩心后生蚀变特征展开地球化学环境判别对后续工作部署显得尤为重要。

一般而言,目的层砂体呈灰色且发育炭屑、油迹和黄铁矿等,常常指示还原环境; 目的层砂体呈灰绿色(东胜地区独有)、红褐色及黄褐色等,且常发育褐铁矿等后生矿物则指示氧化环境。如东胜地区呼斯梁地区目的层“下灰上绿”层序指示区内成矿类型为潜水氧化型; 准噶尔盆地东缘KMST选区和二连盆地ZS 选区目的层“下灰中黄上灰”层序则常指示区内成矿类型为层间氧化带型。同时,结合其他地质特征,可约束氧化还原前锋线位置,其具体判别将在后文综合分析中详细论述。

等时地层划分主要遵循“先对标志层和辅助标志层,由大及小,旋回控制和精细划分”的原则^{[33, 34, 35]},并结合伽马异常曲线识别目的层。沉积体系分析是在等时地层格架的基础上展开的,主要针对含矿目的层砂体等厚和含砂率分布特征展开分析研究,并为成矿有利区带划分提供沉积学依据。

二连盆地ZS 煤田资料(图5)显示,赛汉塔拉组(K₁bs)中段存在一套稳定的煤系地层,而古近系伊尔丁曼哈组(E₂y)底部则为一套洪泛沉积砂岩、砂砾岩层,两者均在选区内稳定延伸。因此,可选取上述两者为标志层建立选区大的地层格架,并将赛汉塔拉组以上地层划分为E₂y、K₁bs³、K₁bs²三个大层。对赛汉塔拉组上段(K₁bs³)精细研究时发现,该段呈现出两个较为完整的旋回,据此可将其进一步精细划分为赛汉塔拉组上段上亚段(K₁bs^3-2)和下亚段(K₁bs^3-1)两段。而放射性曲线异常峰值的位置,指示赛汉塔拉组上段上亚段(K₁bs^3-2)为选区主要含矿目的层。

图5(Fig.5)

图5 二连盆地马尼特坳陷ZS选区等时地层格架兼纵剖面图 Fig.5 Diagram of isochronous stratigraphic framework and longitudinal section in the ZS coalfield, Manite depression, Erlian basin

在等时地层格架建立的基础上,对目的层赛汉塔拉组上段上亚段(K₁bs^3-2)砂体等厚和含砂率分布特征展开分析。由图5 和图6 可知,选区目的层倾向北西,且南东部和北东部已剥蚀殆尽,这表明赛汉塔拉组上段上亚段(K₁bs^3-2)南东部和北东部曾隆升出露地表遭受剥蚀,而后为伊尔丁曼哈组(E₂y)所覆盖。目的层砂体等厚特征(图6-a)表明,砂体主要分布于选区北缘和南东部,厚度(累计厚度)多大于30 m,中部砂体较薄,暗示ZS选区可能为三周围限,西缘未封闭的汇水洼地。从目的层砂地比分布特征(图6-b)来看,砂地比高值区和低值区常相间出现,且含砂区带砂地比多大于0.5,东南部砂体较厚地段砂地比可达0.7~0.8。结合钻孔岩心认为,该亚段沉积相可能为三角洲分流河道和分流间湾微相。而据铀矿地质实践可知,砂体分散体系突变区域或沉积相变部位,诸如分流河道和分流间湾交界处或主河道边部沉积物粒径变细、泥质和有机质含量增高处等,是有利的成矿部位^{[21, 36, 37, 38]}。

图6(Fig.6)

图6 二连盆地马尼特坳陷ZS选区赛汉塔拉组上段上亚段砂体分散体系分析 a—砂体等厚图; b—砂地比图 Fig.6 Sand bodies dispersion system of the submember of the upper member of Saihantala Formation in the ZS coalfield, Manite depression, Erlian basin a-Isopach map of sand bodies; b-Sand-bearing contour map

综合“异常筛选与选区分析”、“原位验证与环境判别”及“等时地层格架建立与沉积相特征分析”能大致确定氧化线前锋位置,并大致圈定有利成矿区段。为有效缩小靶区,亦应充分注重煤田放射性测井曲线的形态特征及相应钻孔的相对位置。如图7 所示,曲线异常段以厚层、锯齿状为特征,暗示该孔可能位于铀矿体卷头更靠近还原带位置; 曲线异常段呈现薄层双峰式发育,说明该孔可能位于铀矿体卷头更靠近氧化带位置; 而曲线异常段呈箱状发育,则常常指示该孔可能位于铀矿体卷头部位。

图7(Fig.7)

图7 二连盆地马尼特坳陷ZS选区综合分析图 1—潜在铀矿孔; 2—潜在矿化孔; 3—潜在异常孔; 4—无矿孔;5—已验证矿化孔; 6—已验证工业孔; 7—推测氧化带前锋线;8—剥蚀边界 Fig.7 Schematic diagram of the comprehensive analysis in the ZS coalfield, Manite depression, Erlian basin 1-Potential industrial drill hole; 2-Potential mineralized drill hole; 3-Potential anomaly drill hole; 4-Normal drill hole; 5-Confirmed mineralized drill hole; 6-Confirmed industrial drill hole; 7-Conjectural oxidation front; 8-Denudation boundary

对ZS 煤田钻孔放射性异常筛选发现,ZS 选区潜在铀矿孔和潜在矿化孔大致呈北东-南西向区带展布,指示矿体可能的走向。而对ZK604 等孔的原位验证发现,孔性为矿化孔,矿化段测井曲线呈双峰式展布,且对应岩心段具有“灰黄灰”的层序,指示该区存在典型的层间氧化带,且氧化带前锋线应位于该孔北西侧(图7)。等时地层格架清晰地展示出选区东南部为剥蚀区,且铀成矿目的层大致倾向北西; 而沉积体系分析则发现钻孔ZK1802、ZK1812等位于砂地比较高(>0.7)且高值区与低值区相间出现的部位,即位于分流河道和分流间湾微相的交汇部分(理想的成矿场所)。综上,对上述煤田钻孔的伽马异常曲线展开进一步分析,发现潜在铀矿孔ZK1802 具有典型的锯齿状异常曲线,暗示其南东侧可能为铀矿体卷头部位。

因此,以ZK1802 为基准点沿目的层倾向方向反推200 m,布设ZK4-8 进行精确定位,结果显示其为工业孔。

在总结上文找矿思路基础上,本文初步建立了煤田资料的铀矿二次开发技术(图8)。提出“异常筛选与选区分析、原位验证与环境判别、等时地层格架建立与沉积体系分析、综合分析与靶区定位”四位一体的煤矿区铀矿地质调查模式。其中“异常筛选与选区分析”用于找矿远景区的圈定;“原位验证与环境判别”则探求优选区的成矿潜力、后生蚀变特征;“等时地层格架建立与沉积相特征分析”挖掘地层展布特征、含矿目的层砂体发育特征、优势成矿相及空间分布特征等; 而“综合分析与靶区定位”用以约束选区成矿类型、可能氧化前锋线位置、后生蚀变分带特征及矿体空间分布特征,并最终精确定位找矿靶区。

图8(Fig.8)

图8 煤田资料的铀矿二次开发技术体系 Fig.8 Uranium exploring technical system for coalfield data’s secondary development

以上实例表明,以煤田钻孔自然伽马异常作为主要矿化信息和矿化线索指导铀矿找矿是经济高效和切实可行的,同时也是有序可循和有的放矢的。若仅仅注重煤田自然伽马异常信息,而忽略钻孔岩心的沉积环境和后生蚀变信息,很可能会极大地约束煤矿区的铀矿地质调查和评价工作,造成大矿变小矿,有矿变无矿的不良局面。

而煤田资料的铀矿二次开发技术体系,不仅强调煤田钻孔伽马异常的重要性,更重要的是利用钻孔岩心资料,挖掘了矿体空间信息,提高了找矿准确性。因此,“四位一体”的煤矿区铀矿地质调查模式,为“以煤找铀”和“煤铀兼探”工作提供了新的找矿思路和技术路线,具有较好的指导性和推广性。

致谢: 本文在成文过程中得到云南省地质科学研究所朱江工程师的建议,中国煤炭地质总局特种技术勘探中心马建国高级工程师对煤田相关知识给予有益指导; 胡航工程师参加了部分野外工作;审稿专家及责任编辑杨艳老师对论文提出了宝贵修改意见，在此一并表示感谢!