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刘德长  张杰林  赵英俊

(核工业北京地质研究院,国防科技遥感重点实验室,北京 100029)

 

[摘要]  利用后遥感应用技术,对某砂岩型铀矿区进行了研究,发现该区呈近东西向展布的工业铀矿带受同方向的断裂控制。据此,对该断裂带进行了多源地学信息的厘定,剖析了其地质特征;佐证了沿断裂带的油气运移迹象;探讨了断裂对砂岩型铀矿的控制作用,提出了构造-地球化学障控矿的新模式。

[关键词]  砂岩型铀矿区  后遥感应用技术  构造-地球化学障

[中图分类号]  TP79

某铀矿区的矿化虽然受直罗组下段的辫状河砂岩层位控制,但工业铀矿呈近东西向带状展布。铀矿体不是分布在传统理论强调的黄色氧化带与灰色还原带之间,而是分布在蓝绿色蚀变带与灰色还原带之间。蓝绿色蚀变带认为是气(油)还原的产物,绿色是绿泥石化(Fe2存在)的结果。通过对该区进行遥感与传统地学方法相结合,与现代信息技术相结合的后遥感应用技术研究[1],发现工业铀矿化呈近东西向带状展布是受同方向的断裂控制。据此,对该断裂进行了多源地学信息的厘定,剖析了其地质特征;佐证了沿该断裂带的油气运移迹象;探讨了断裂对砂岩型铀矿的控制作用,提出构造-地球化学障控矿的新模式。

1  控矿断裂带的厘定及其主要特征

1.1 控矿断裂带的厘定

通过遥感信息分析,结合传统地学方法,厘定了控制该工业铀矿呈近东西向带状展布向的断裂。其主要证据如下:

(1)遥感信息证据

包括了遥感图像的解译证据,线性体优势方位的证据和地温场变化的证据。

从该地区TM753合成图像(图1左)看,控矿断裂为不同影像特征区的分界线,其北为影纹清晰的隆起区,其南为影纹模糊的下降区。断裂带的发生、发展会影响其旁侧信息体的空间展布,往往形成与周边地区不同的线性体发育特征。经对图像线性体统计分析,从玫瑰花图(图1右)上可以看出,沿控矿断裂带,近东西向的一组线性体极为发育,这从遥感图像的另一个角度对控矿断裂的厘定提供了证据。从热红外遥感图像上看,控矿断裂处于高地热场与低地热场的分界线上,反映断裂两侧温度场存在明显的差异,为不同地热场的分界线。

(2)重力信息证据

在1:20万布格重力异常图上,沿控矿断裂的矿化地段,以南为重力高异常区(隆起区),以北为重力低异常区(凹陷区),为二者的分界线。沿此分界线重力异常图表现为明显的异常梯度带。

图1  研究区TM753合成影像(左)与线性体空间展布分析图(右)

Fig. 1 Composition image of TM 753(left) and the spatial distribution map of lineaments (right)

(3)航磁信息证据

在1:20万△T垂直方向等值图上(图2),沿控矿断裂的矿化地段为一明显的磁异常线性梯度带。同时,该线性梯度带也是不同磁场区的分界线。

图2  1:20万ΔТ垂直方向等值图(据崔焕敏,2003年)

Fig.2  Contour map of ΔТ in vertical direction 1:200,000(Quoted from CUI Huanmin,2003)

(4)野外验证证据

对控矿断裂进行了野外检验,在研究区南面见第三系与下白垩统呈断层接触,断层面南倾,倾角40-50°,为正断层性质;黄显芳等还在念疙瘩处见有硅化、碳酸盐化构造角砾岩。

1.2 控矿断裂带的主要特征

(1)控矿断裂处于隆起与下降断块的分界线上。

(2)该断裂是在盆地基底断裂基础上发展起来的,新构造运动有活动,浅部表现为裂隙带,为一条贯通型断裂。

(3)断裂在深部呈略向东南方向突出的弧形,而浅部呈略向东北方向突出的弧形,矿化地段晚期与早期断裂呈追踪关系。

(4)重力数据表明基底断裂面呈波状(图3),总体具有压性(或压扭性)转张性(或张扭性)的力学性质转化特点。

图3  控矿断裂基底断裂面立体图(据张静波,2003年)

Fig.3  The stereo map of ore-control fault (Quoted from ZHANG Jingbo,2003)

(5)控矿断裂带具有长期活动的特点,切穿了基底至表层的不同时代的地层。另外,该断裂带还具有同生断裂的某些特点。

2  沿断裂带油气运移迹象

沿控矿断裂有明显的油气运移迹象,主要证据如下:

(1)油气微渗漏的证据

根据油气微渗漏成像原理,祝民强采用氧化铁指数TM3/TM1识别褐铁矿的强度,氧化亚铁指数TM5/TM4提取富含Fe2离子的土壤、岩石信息;TM5/TM7用于提取粘土化晕、碳酸盐岩矿化晕[2]。通过彩色合成,即矿物组合,生成融合图像。图像上强氧化区为褐红色或暗红色,强粘土化区为浅蓝色或蓝绿色雾状区;沙漠区为褐黄色;相对还原区为绿色或浅绿色。经对图像上相对还原带从不同角度分析,认为该还原带为油气渗漏带。其中,沿控矿断裂带的油气渗漏带,其展布方向与断裂方向一致,反映油气渗漏与该断裂构造的密切关系。同时,通过“钍归一化法”,在油气上方,K偏差值W′d(k)为低值(负值),铀偏差值W′d(u)为较低值或为正值,油气渗漏指标∆d=W′d(u)-W′d(k),图像上为高值区。利用二值分割技术,圈定油气微渗漏区,其分布范围与通过TM数据提取的油气微渗漏区范围基本一致。

(2)沥青脉、油珠和还原性气体大量存在的证据

在矿化地段,蚀变的蓝绿色砂岩中有大量沥青细脉发育,呈顺层和穿层分布,是油气曾渗入这些地段的有力见证。欧光习对该区直罗组地层砂岩中的气液包裹体进行荧光测定发现,存在大量油珠,并发现CH4、C2H6、C3H6、H2、CO、H2O等一系列还原性气体[4]

(3)含矿岩石与非含矿岩石酸解烃对比的证据

核工业地质局208大队对富矿岩石、贫矿岩石和无矿岩石的酸解烃类进行了化学分析(表1)。从分析结果看,烃类含量在富矿岩石中比其它岩石高,表明成矿与油气还原有关,油气的运移很可能与断裂的活动有关。

表1  某地区矿化段酸解烃对比一览表(核工业208大队,2001)

Table 1 Schedule of acidolysis hydrocarbon in mineralized zone(Quoted from Geologic Part No.208,CNNC,2001)

项目层位

CH4

C2H6

C3H8

i-C4H10

n-C4H10

i-C5H12

n-C5H12

样品数

备注

无矿段

269.70

56.41

39.671

2.962

7.565

2.54

2.551

5

顶底板

贫矿段

346.597

77.64

33.133

4.038

7.891

3.177

3.291

3

富矿段

1189.5

218.483

117.303

8.91

18.931

6.496

5.879

2

(4)铀矿物与共生矿物的证据

据杜乐天等研究,该矿区的铀矿物主要是铀石(USiO4•nH2O),而不是沥青铀矿。沥青铀矿(U3O8)中的UO2(4价铀)只占1/2-2/3,另外部分是UO3(六价铀)[4]。铀石却全都为四价铀,说明成矿不是在氧化还原过渡带,而是在强还原环境下形成的。同时,对铀矿物共生组合研究表明,与铀共生有硒铅矿(PbSe),Se2为负二价是典型的强还原产物。这从另一个侧面表明,该铀矿床是在深部强还原气体上升形成强还原环境的条件下形成的。这类强还原性气体的主要成分经分析发现是:CH4+CO+H2+H2S上升气流,与油气密切相关。

3  断裂构造的成矿作用-构造-地球化学障

传统的层间氧化带型砂岩铀成矿理论不涉及断裂构造。因此,在砂岩型铀矿的研究中,断裂构造的成矿作用长期未引起足够的重视。对该矿区后遥感应用技术研究再次提醒人们,在砂岩型铀资源勘查中应重视对断裂构造成矿作用的认识和研究。断裂构造的成矿作用主要表现为以下方面:

(1)断裂带是减压带

断裂带实际上是条破碎带,由于断裂的破碎作用使其沿断裂带压力减低,导致含铀含氧地下水向断裂的定向驱动,即使在地层很平缓的情况下,也会造成地下水向断裂带定向驱动的水动力条件。

(2)断裂带是局部排泄带

断裂带也是地下水的局部排泄带。由于控矿断裂带的减压作用,从蚀源区向断裂带定向驱动的地下水流经断裂带,再通过断裂被排泄掉,从而形成有利于铀成矿的地下水循环系统,保证了含铀、含氧地下水源源不断地(水源充足的情况下)向断裂带的运移。

(3)断裂带是地层产状的突变带

由于断裂带形成过程两盘的相互错动、位移,常会使上下盘的地层产状发生突然变化,或者由缓变陡,或者由陡变缓,甚至发生层间破碎。因此,断裂带实际也是一个地层产状的突然变化带。地层产状的突然变化会导致沿层运移的含铀、含氧地下水的水动力条件在断裂带附近发生突然变化,有可能形成有利于铀沉淀的局部水动力环境。

(4)断裂带是深部气、水、油的沟通带

断裂带,特别是基底断裂是深部气、水、油的沟通带。深部水是Eh<0,PH<7,缺自由氧(O2)的酸性还原水。深部气通常是甲烷(CH4)、氢气(H2)、硫化氢(H2S)、一氧化碳等还原性气体以及石油组成的地下流体。这类地下流体沿断裂向上运移,当遇到向断裂定向驱动的含铀、含氧水,在断裂附近含铀、含氧水水中的6价铀会被还原或者还原-酸化造成4价铀沉淀,尤其是深部气体具有强还原作用,会在断裂附近形成强还原环境。同时,烃类和CO等气体向上运移,部分被氧化成二氧化碳,与地下水形成弱酸,并在生物的参与下,与地层中的金属离子结合成次磷酸盐,使地层中的碳酸盐含量增高。向上运移的烃类和H2S等还原气体与地层中的高价铁(褐铁矿、赤铁矿或针铁矿)相结合生成低价铁的黄铁矿或磁铁矿,使Fe3+铁氧化为Fe2+, 使地层退色。烃类气液富含H2S和碳氢化合物,可使长石类矿物蚀变为粘土矿物,形成与烃类异常密切相关的粘土化矿物富集异常,从而沿断裂形成与成矿作用相关的蚀变现象。

(5)断裂带是地壳的活动带

应该从动态的观点来看断裂的控矿作用。断裂活动的长期性,可以导致铀成矿的长期性,构造活动的间歇性,可以导致铀成矿的多期性。根据夏毓亮对某矿区铀矿化同位素年龄的测定[3],认为该区铀的成矿时代从149±16Ma年一直延续到8±1Ma,跨越燕山和喜山两个不同的大地构造旋回。成矿作用的长期性可能与控矿构造的长期活动有关。另外,测试的该区铀矿化U-Pb同位素年龄分别是,149±16Ma,120±11Ma,85±2Ma,76±3Ma,74±13Ma,20±2Ma,8±1Ma等,反映出该区铀成矿时代的多期性。进一步对铀的成矿时代与构造幕的相互关系进行了研究,发现铀的成矿期与某些构造幕的时间相当,或者稍晚,反映构造幕时期或稍后,控矿断裂开始活动或重新活动,从而加速了地表-地下水向断裂的定向流动和深部气、水、油的向上运移,为铀成矿创造了有利条件,在其它成矿条件(如铀源条件,气候条件等)具备时便会形成铀矿化,或将老的铀矿化改造为新的矿化。构造运动幕的多次性造成控矿断裂活动的间歇性,也导致了铀成矿的多期性[5]。另外,铀的成矿作用还与控矿断裂的活动方式和性质有关。

由上可见,断裂的成矿作用只所以能够控制砂岩型铀矿的分布主要是由于断裂及其活动,一方面导致了含铀、含氧地下水向断裂的定向驱动,并形成有利于铀成矿的地下水循环系统。另一方面导致地下流体上升,形成地球化学性质的变异带。这种变异带有可能是氧化还原性质的变异带,也可能是酸碱度性质的变异带,还可能是矿化度等性质的变异带,从而形成有利于铀沉淀富集环境。值得强调是具有这种控矿作用的断裂不是所有断裂,而是那些从地表切入盆地基底深处的贯通型断裂。由于断裂及其活动形成的这种有利于铀沉淀富集的地球化学变异带,作者命名为构造-地球化学障,以区分传统的氧化带前锋-地球化学障。依据构造-地球化学障模式(图4),找矿不仅要重视含矿层(岩性、岩相和含铀性),而且要重视断裂构造(贯通型的富水带或油气渗漏带),特别是二者的复合地段。

图4 氧化带前锋-地球化学障(左)与构造-地球化学障控矿作用(右)示意图

Fig.4 The front area of oxidation zone-geochemical barrier(left) and tectonic-geochemical barrier(right)

[参考文献]

[1]     刘德长,叶发旺. 后遥感应用技术的提出与思考[J]. 世界核地质科学,2004,21(1):33-37.

[2]     祝民强. 基于GIS的砂岩型盆地铀矿多源信息集成评价技术研究[D]. 核工业北京地质研究院博士学位论文,2002.

[3]     夏毓亮,林锦荣,刘汉彬,等. 鄂尔多斯盆地东胜地区砂岩型铀成矿作用的同位素地球化学研究. 核工业北京地质研究院科研报告,2002.12.

[4]     欧光习,杜乐天. 还原性气体在北方砂岩型铀矿区的作用. 核工业北京地质研究院科研报告,2003.

[5]     刘德长,叶发旺,张杰林,等. 后遥感应用技术的提出与地质应用-以鄂尔多斯盆地东胜-神木地区铀资源勘查为例[J]. 国土资源遥感, 2004,59(1):11-14.

Study on tectonic-geochemical barrier type

uranium deposit using post-remote sensing application technology

LIU Dechang  ZHANG Jielin  ZHAO Yingjun

(Beijing research institute of uranium geology, Beijing 100029)

Abstract: Adopted the Post-remote sensing application technology, the characteristics of uranium deposit has been studied. The authors discover that the industrial uranium mineralization is controlled by the fault which strike is east-west. Based on above studies, this article researches the characteristics of this fault using multi-sources geological information, analyzes its geological feature, verifies the gas and oil mobile phenomena along this fault, discusses that east-west fault controlled the uranium deposition, and in the end, a new control-ore type of sandstone-type uranium deposit is put forward, namely tectonic-geochemical barrier type.

Key words: Sandstone type uranium deposit; Post-remote sensing application technology; Tectonic-geochemical barrier

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