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内蒙古皂火壕特大型铀矿床
彭云彪 苗爱生 李强 王贵 王龙辉
（核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010）
[摘要]皂火壕特大型砂岩铀矿床的落实经过了编图预测研究、钻探查证、1∶25 万区域评价、普查和铀矿详查等勘查阶段，首次取得了鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿找矿的重大突破。该矿床具有规模大、矿体连续性好、品位高和埋藏浅等特点，是我国第一个特大型砂岩型铀矿床。中侏罗统直罗组下段为主要赋矿层位，矿体受古层间氧化带控制，属古层间氧化带型砂岩铀矿床。
[关键词]皂火壕；特大型；古层间氧化带；砂岩铀矿床
皂火壕特大型铀矿床位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，西距伊金霍洛旗约50km，北距鄂尔多斯市东胜区约20km，行政上归伊金霍洛旗管辖，矿区内交通便利，公路四通八达。属于高原丘陵区的剥蚀堆积及河成地形组成的地貌景观，地形切割强烈。
1 发现和勘查过程
鄂尔多斯盆地铀矿找矿工作始于1958年，至今已有50多年的历史。20世纪90年代以前主要是就点找矿，发现了大量的地表铀矿化点和异常点；1993～1997年原核工业西北地勘局所属部分地勘单位，在鄂尔多斯盆地开展了综合编图与铀资源评价工作，认为盆地北部下白垩统华池—环河组具备良好的砂岩型铀矿找矿前景。上述工作为后期找矿积累了丰富的地质资料和经验。
1.1 综合编图与钻探查证
2000年，为了寻找大型层间氧化带砂岩型铀矿床，核工业二〇八大队选定盆地东北部皂火壕地区为主要研究对象，系统收集了前人基础地质资料和水文、石油、煤田等部门钻孔资料，进行了综合研究与编图，认为鄂尔多斯盆地现在虽然表现为渗出型盆地，但在中生代为大型内陆坳陷盆地，在河套以及周边断陷形成以前为一个具有完整地下水补、径、排系统的渗入型盆地，直罗组具有利于层间氧化带形成的相对稳定的沉积环境及岩性岩相发育条件，并且创新性提出了绿色砂体是下伏煤层气或油气后生还原改造形成的“古层间氧化带”，建立了“绿色砂岩与灰色砂体接触部位”是砂岩型铀矿床形成的新的岩石地球化学标志，由此圈定了一条由东至西的孙家梁—沙沙圪台—皂火壕—大成梁—纳岭沟—杭东规模巨大的区域型层间氧化带前锋线。
同年，为了对层间氧化带前锋线的含矿性进行初步探索，在其中的孙家梁—沙沙圪台—皂火壕一带，沿“前锋线”两侧进行了钻探查证，完成钻探工作量1300m，施工钻孔8个，发现工业铀矿孔2个、铀矿化孔4个[1]。在上述工作基础上，后来相继在盆地北东部皂火壕地区开展了1∶25万铀资源评价、普查及详查工作。
1.2 区域评价
2001～2002年，为尽快评价孙家梁—沙沙圪台—皂火壕一带砂岩型铀资源的成矿潜力，落实可供普查的铀矿产地，核工业二〇八大队承担了中国核工业地质局下达的《内蒙古东胜地区1∶25万铀矿资源评价》项目，采用“区域潜力评价与局部解剖相结合、成矿环境评价与总结规律相结合”的技术思路，在鄂尔多斯盆地东胜地区开展了1∶25万铀矿资源评价，通过大间距钻探查证与有利地段加密解剖，落实了孙家梁、沙沙圪台和皂火壕3个成矿有利地段[2] 。完成钻探工作量32000m，施工钻孔127个，发现工业铀矿孔55个、铀矿化孔45个，落实可供普查的大型砂岩铀矿产地一处，在其中的孙家梁地段A0—A3号勘探线按200m×100m的工程间距提交了首采段。基本控制了孙家梁—沙沙圪台—皂火壕一带的中侏罗统直罗组的砂体规模及区域层间氧化带前锋线的展布特征。
1.3 普查
2003～2011年，因矿床规模大、东西跨度长，为大致查明矿床的地质特征，落实铀资源量，按照“逐年分段普查，控制矿带，扩大外围，落实资源”的勘查部署思路，核工业二〇八大队先后承担了由中国核工业地质局下达的《内蒙古鄂尔多斯市皂火壕地区铀矿普查》、《内蒙古鄂尔多斯市皂火壕—沙沙圪台地区铀矿普查》与《内蒙古鄂尔多斯市皂火壕铀矿床及外围普查》等项目，对皂火壕铀矿床孙家梁、沙沙圪台、皂火壕铀成矿地段分年度进行了普查，同时，对矿床外围铀成矿环境进行了探索。完成钻探工作量166000m，落实为我国第一个特大型砂岩型铀矿床。通过矿床外围铀资源环境评价，落实了新庙壕中型矿产地和乌兰色太有利成矿远景区[3] 。
1.4 详查
2007～2010年，为进一步查明矿床的地质特征，落实铀资源量，为矿床的开发提供依据，核工业二〇八大队先后承担了由中国核工业地质局下达的《内蒙古鄂尔多斯市皂火壕铀矿床孙家梁A0—A7线详查》、《内蒙古鄂尔多斯市皂火壕铀矿床孙家梁地段A9—A23线详查》与《内蒙古鄂尔多斯市皂火壕铀矿床沙沙圪台地段A27—A79线详查》等项目，按照“矿体控制、分段加密、落实资源”的技术思路，完成钻探工作量40500m, A32—A79线按照硬岩型一般工业指标提交铀资源量，A83—A183线按照地浸砂岩型一般工业指标提交铀资源量，最终矿床达到了特大型规模。
2 矿床基本特征
2.1 构造特征
鄂尔多斯盆地位于华北板块西部，属华北地台的一部分，其形成历史早、演化时间长，是中国现存的较为稳定、完整的构造单元，是中生代发育起来的大型内陆拗陷盆地。皂火壕铀矿床位于伊盟隆起的东南部（图1），该构造单元与陕北斜坡呈过渡关系，地层北部向南倾斜、倾角0°～5°，南部向西倾斜、倾角0°～3°，为一总体向南西缓倾斜的大型斜坡带，为赋矿砂体的稳定展布奠定了基础[3,4]。
图1 鄂尔多斯盆地及周边构造分区略图
（据张抗，2001）
1—河流；2—二级构造单元分界线；3—三级构造单元分界线；4—中朝大陆板块：Ⅱ—兴蒙褶皱带，Ⅲ—秦祁褶皱带；5—鄂尔多斯地块：
—伊盟隆起，
—西缘逆冲带，
—天环向斜，
—伊陕斜坡，
—晋西挠褶带，
—渭北隆起，
—河套断陷，
—汾渭断陷，Ⅰ3—阿拉善断块，Ⅰ4—阴山断块，Ⅰ5—山西断块，Ⅰ6—豫皖断块；6—砂岩型铀矿床、铀矿产地
2.2 地层特征
中侏罗统直罗组（J2z）是皂火壕铀矿床的赋矿层位，根据直罗组沉积时期古气候变化和岩性发育特点，将其分为上段（J2z2）和下段（J2z1）（图2，图3）。
直罗组下段为潮湿气候环境下沉积的以砂岩为主的粗碎屑岩建造。根据其在沉积过程中不同阶段的沉积特点及岩性岩相特征，又可分为上亚段（J2z1-2）和下亚段（J2z1-1）。
图2 皂火壕铀矿床中侏罗统直罗组综合柱状图
直罗组下段下亚段为潮湿气候环境下的砂质辫状河沉积体系，表现为砂体多出现在深切谷的位置，具有填平补齐的沉积特征，在垂向上由多个自粗砂岩到细砂岩（或粉砂岩、泥岩）的正（半）韵律层叠置而成，该亚段在皂火壕地区分布较广泛，砂体呈泛连通，是区内铀矿化的主要赋存层位（图3）。
图3 皂火壕铀矿床A123勘探线地质剖面图
1—中侏罗统直罗组下段上亚段；2—中侏罗统直罗组下段下亚段；3—中侏罗统延安组；4—泥岩；5—绿色砂岩；6—灰色砂岩；7—工业铀矿体；8—氧化前锋线；9—钻孔位置、孔号及孔深（m）;10—地形、地层整合和岩性界线及平行不整合界线；11—地层省略符号
直罗组下段上亚段为潮湿气候环境下沉积的低弯度曲流河沉积体系，砂体呈条带状，相变大，分布较局限，具有洪泛平原发育、“二元结构”明显、砂泥互层频繁出现等特点，局部有铀矿化显示，是铀矿找矿的次要目的层。
直罗组上段为沉积晚期的高弯度曲流河沉积体系，为干旱气候条件下的杂色沉积，洪泛平原沉积发育，岩性组合为砂泥互层频繁出现，“二元结构”特征明显[3]。
2.3 水文地质特征无规律性，与含矿含水层岩性、厚度、胶结程度等因素有关[3,5]。
中侏罗统碎屑岩类孔隙裂隙水为皂火壕铀矿床主要地下水，直罗组下段下亚段含水层为皂火壕铀矿床的含矿含水层。由矿床水文地质孔抽水试验成果表明：矿床东部（A32—A79线）含矿含水层地下水位埋藏浅，承压水头低，均小于50m，涌水量为6.82～30.51m3/d，渗透系数为0.010～0.025m/d，涌水量小，有利于常规开采；中部（A83—A183线）含矿含水层地下水位埋藏深，承压水头增高，在53.10～85.73m之间，涌水量为34.34～128.04m3/d，渗透系数为0.013～0.164m/d，较有利于地浸开采[3]；西部（A207—A349线）单孔涌水量为19.91m3/d，含矿含水层渗透系数为0.016m/d。总体而言，矿床地下水位埋深与地形有关，承压水头具有由东向西逐渐增大的趋势，涌水量变化
2.4 古层间氧化带发育特征
直罗组下段下亚段辫状河砂体中发育控矿的古层间氧化带，具有区域性产出的特点。矿区内发育方向总体由北向南，氧化带发育距离近100km，呈宽缓带状，古层间氧化带前锋线位于孙家梁—沙沙圪台—皂火壕—新庙壕一带，总体呈近东西向展布，长约40km，受辫状河主河道砂体展布方向及河道间湾发育情况的影响，古层间氧化带前锋线局部改变较大（图4），氧化砂体前锋向南多呈舌状突出。
图4 皂火壕铀矿床矿体平面展布示意图
1—灰色砂岩尖灭界线；2—层间氧化带前锋线；3—氧化带；4—过渡带；5—还原带或灰色残留体；6—工业铀矿体；7—工业铀矿孔；8—勘探线及编号；9—铀矿化点；10—居民点
古层间氧化带的剖面特征在各勘探线上具有类似的特点，形态较为复杂，以平整的单层板状为主（图3），见舌状、透镜状等。矿床内不同地段因直罗组下段下亚段沉积环境不同，层间氧化－还原过渡带发育特征也有较大的差别，总体表现为宽度由东向西逐渐变窄，埋深由东向西逐渐加深，东部孙家梁地段一般为120～160m，向西到新庙壕地段达300m以上，标高变化趋势与地层的倾向基本一致，亦由北东向南西缓倾斜。孙家梁、沙沙圪台地段氧化前锋线形态表现为东西两侧复杂、中部相对简单，发育方向总体上与古层间地下水运移方向一致，基本为由北向南单向发育，仅在局部地段受河道砂体展布方向变化影响有所改变，呈现为由河道主砂体向两侧氧化，呈舌状延伸；皂火壕地段辫状河砂体沉积相变大，受其控制的古层间氧化带前锋线形态复杂；新庙壕地段古层间氧化带前锋线沿多个灰色砂岩残留体分布，氧化－还原过渡带发育规模小，矿体规模较小。
2.5 矿体特征
皂火壕铀矿床矿体平面形态呈沿层间氧化带前锋线断续展布的带状（图4），在层间氧化带前锋线北侧矿体稳定、连续性好，层间氧化带前锋线南侧矿体规模相对较小，各地段矿体平面形态存在差异，孙家梁地段呈饼状；沙沙圪台地段呈两条近平行的带状；皂火壕地段矿体分散，呈带状、透镜状；外围新庙壕地段呈透镜状、带状。其中孙家梁—沙沙圪台地段矿体为主矿体，体宽0.10～1.56km，长10.80km，规模巨大。
剖面上矿体形态以板状、似层状、复卷状为主（图3），少数为透镜状。下翼矿体尾部具有薄而长的特点，矿体连续性好，厚度小，延伸距离长；上翼矿体呈透镜状，近顶板产出，厚度薄，连续性差。矿体总体上由翼部向头部逐渐收敛、矿体由薄变厚，在层间氧化带前锋线附近矿体累计厚度大，层数多，向两侧层数减少、累计厚度变薄。倾向上向南端翘起，中部下凹，即矿体尾部接近砂体底板产出，向氧化带前锋线方向逐渐翘起而位于砂体中上部。走向上矿体自东向西缓倾，在氧化带前锋线附近矿体发育，矿段增多，形态复杂，倾角大体与地层一致。矿体总体上由北东向南西缓倾斜，矿体标高由北东向南西逐渐降低，矿体埋深受地形控制明显，但总体上仍显示由东向西逐渐加大（表1）。
表1 皂火壕铀矿床各地段矿体产出特征参数统计
皂火壕铀矿床矿体厚度变化总体表现为中间厚、向东西两侧逐渐变薄，平均品位及平米铀量总体表现为自东向西逐渐变小，矿体厚度变化相对较大，一般在层间氧化带前锋线突变部位厚度大，翼部矿体厚度相对较小。矿体品位总体具有自西向东逐渐增高的趋势（表2），高平米铀量矿体主要分布于层间氧化带前锋线附近，总体呈东西向展布，与层间氧化带前锋线展布形态及河道砂体发育方向相吻合。
表2 皂火壕铀矿床各地段工业铀矿体厚度、品位、平米铀量变化特征
2.6 矿石特征
皂火壕铀矿床矿石为疏松、较疏松的浅灰色、灰色砂岩。以中砂岩为主，占50.96%，矿石中碎屑含量高，占全岩总量的88%左右，碎屑成分以石英为主，其次为长石和云母。黏土矿物主要以杂基的形式产出，成分主要为蒙皂石，相对含量为73.46%其次为高岭石、伊利石，少量为绿泥石，未见混层矿物。化学成分与围岩基本相同，SiO2、Al2O3、CaO 为主。铀的存在形式有两种，即吸附态与铀矿物，以吸咐态存在的铀为主，呈超显微状（图5，图6）；铀矿物以铀石为主，铀石主要呈细分散状[4]、胶状局部可见少量的自形晶（图7，图8）。
图5 含黄铁矿的炭质物中吸附状铀，100×
图6 α径迹，100×，45d
图7 铀石的U元素X射线图像，400×
图8 电子显微镜照片，铀石晶体呈自形的柱状，个体最大1μm×4μm，一般直径小于1μm，呈晶簇产出于碎屑的表面
3 主要成果和创新点
3.1 主要成果
1）在鄂尔多斯盆地北部发现了我国首个特大型砂岩型铀矿床，其中，孙家梁地段（A32—A79线）按边界品位0.0300%、边界米百分值0.021m%、最低工业品位0.05000/一般工业指标估算（332+333）铀资源量达特大型铀矿床规模；沙沙圪台地段（A83-A183线）按地浸砂岩型一般工业指标估算（332+333）资源量达大型铀矿床规模，皂壕地段（A207—A349线）按地浸砂岩型一般工业指标估算资源量（333+334?）达中型铀矿床规模[3,5]。
2）基本查明皂火壕铀矿床中侏罗统直罗组辫状河砂体呈北西－南东向展布，在砂体厚度变化、韵律变化以及非渗透性夹层数量与厚度突增的前缘部位，控制了古层间氧化带前锋线的空间位置和铀矿体的产出特征[3] 。皂火壕铀矿床砂体厚度在15.80～53.00m之间，其中，厚度在30.00～35.00m之间最有利于成矿，砂体厚度小于20.00m对铀成矿不利。层间氧化带前锋线基本呈近东西向展布，其形态受辫状河砂体的展布特征控制，在辫状河砂体厚度增大部位，层间氧化带呈舌状体向南延伸。
3）大致查明了皂火壕铀矿床含矿含水层水文地质特征，对矿床的水文地质条件、工程地质条件和环境地质条件进行了系统评价；孙家梁地段水文地质孔单孔涌水量较小；直罗组下段上亚段、上段曲流河沉积砂体主要表现为上层滞水，富水性弱，对矿床常规开采较为有利，在矿山开采前应加强水文地质条件研究。沙沙圪台地段全面收集了地浸水文地质参数，结合早期原内蒙古东胜铀业有限责任公司在该区进行地浸可行性条件试验的初步成果，概略评价了沙沙圪台地段铀矿体的可浸性，初步认为其铀矿资源基本有利于地浸开采。
4）基本查明了皂火壕铀矿床古层间氧化带的分带特征以及各亚带的矿物组合特征。各亚带矿物成分的最大差别在于黄铁矿与炭化植物碎屑的含量上，完全氧化带的矿物组合为褐铁矿、针铁矿、高岭石、白云母、蒙皂石与绿泥石；氧化－还原过渡带的矿物组合主要为黑云母、黄铁矿、铀矿化、白云母。
5）初步查明铀在矿石中主要以吸附形式存在，少量为铀矿物。铀矿物以铀石为主，多呈胶状结构，仅局部见铀石呈柱状或针状，多与黄铁矿伴生，围绕黄铁矿边缘沉淀，并部分交代黄铁矿。有时见铀石与硒铅矿、锐钛矿伴生，另见有少量的钛铀矿。铀矿石中吸附铀在矿体卷头部位含量较高。铀成矿具有长期性和多阶段性的特点。
3.2 主要创新点
1）对“次造山作用”有了新的认识。砂岩型铀矿的形成往往受次造山带的控制，而鄂尔多斯盆地北部不存在明显的次造山带。通过对盆地北部大地构造背景的深入分析，认为盆地内大型单斜构造及其相对稳定的继承性构造演化是砂岩型铀矿形成的有利因素，砂岩型铀矿的形成并不一定受次造山作用的控制。
2）提出了新的找矿盆地类型。砂岩型铀矿通常形成于“渗入型盆地”中，传统的“正向盆地渗入说”为砂岩型铀矿找矿的主导思想，而鄂尔多斯盆地现在为典型的“渗出型盆地”。通过对该盆地地质构造和沉积演化历史的系统分析，打破了传统找矿思想的束缚，提出了鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿新的找矿思路。
3）总结了皂火壕铀矿床“古层间氧化带”成矿模式。皂火壕铀矿床为古层间氧化带砂岩型铀矿床，可将成矿作用过程划分为含矿岩系沉积预富集阶段、古层间氧化作用阶段、后期还原改造作用阶段、后期氧化改造作用及再富集阶段[6]（图9）。
预富集阶段（图9-A）：中侏罗统直罗组辫状河含铀灰色砂体是铀成矿的物质基础，还原介质的发育有利于铀的预富集，为后期层间氧化成矿作用创造了铀源基础。U-Pb同位素测定年龄为（177±16）Ma[7]。
古层间氧化作用阶段（图9-B）：晚侏罗世—晚白垩世早期直罗组长期暴露地表并遭受长期的风化剥蚀，在干旱、半干旱气候条件下形成沿直罗组辫状河砂体由北西向南东运移的含氧含铀层间水。含矿砂体原生固体还原剂、河道两侧的中侏罗统延安组煤层产生的烃类气体和下伏地层产生的油气在铀成矿作用过程中起到了还原障的作用，由铀的不断沉淀而富集成矿。U-Pb同位素测定年龄为（149±16）Ma、（120±11 ）Ma、（85±2）Ma和（76±4）Ma。
图9 皂火壕矿床铀矿成矿演化图
1—灰色泥岩；2—灰色砂岩；3—绿色砂岩（二次还原带）；4—黄色砂岩（早期氧化带）；5—黄色砂岩（二次氧化带）；6—紫红色砂岩；7—泥岩透镜体；8—灰绿色砂岩残留体；9—含氧含铀水运移方向；10—油气运移方向；11—煤成气运移方向；12—固体还原剂；13—铀预富集体；14—矿体。A—预富集阶段；B—古层间氧化作用阶段；C—后期还原改造作用阶段；D—后期氧化改造作用及再富集阶段
后期还原改造作用阶段（图9-C）：晚期油气活动最强时期是处于新构造运动河套断陷发育期间，煤层气、油气等还原流体上升扩散到含矿砂体中并受到顶部隔水泥岩的屏蔽作用，使得还原气体得以在砂岩层中横向运移和扩散，造成对古层间氧化带的二次还原，形成了广泛分布的二次还原带（绿色砂岩），使铀矿体完全处于还原环境中，起到了较好的保矿作用。
后期氧化改造作用及再富集阶段（图9-D）：仍受新构造运动影响，再次产生了强烈的含氧水渗入作用，一方面早期形成的铀矿体遭受破坏，另一方面沿含氧水运移方向形成了铀的重新沉淀和富集。氧化改造作用可能不止一次被油气等还原流体渗入还原作用所终止，使氧化改造作用迁出的铀不止一次地重新富集，在卷头矿体U-Pb同位素测定年龄为（20+2）Ma和（8±1）Ma。
4）建立了新的找矿岩石地球化学标志。砂岩型铀矿的形成受岩石地球化学环境的控制，铀矿体赋存于氧化岩石与还原岩石之间的过渡岩石中，而鄂尔多斯盆地北部皂火壕地区现在并不存在氧化岩石及特征的过渡岩石。通过对该地区岩石地球化学特征及其与铀矿化关系的深入分析，结合盆地能源地质和油气地质等边缘学科及能源盆地油气沿断裂构造后期渗入作用的特点，认为绿色砂岩与灰色砂岩的接触部位是铀的富集部位。
4 开发利用状况
4.1 皂火壕铀矿床孙家梁地段
原核工业东胜铀业有限责任公司在皂火壕铀矿床孙家梁地段（A32—A79线）完成了室内搅拌试验、柱浸试验、吸附试验及淋洗试验。试验结果显示，矿石粗粒级直接堆浸和混合粒级造粒堆浸的效果均较好，浸出率达90.00%以上。
4.2 皂火壕铀矿床沙沙圪台地段
在矿床（A83—A183线）进行了地浸采铀条件试验，试验段位于ZK A143-47勘探孔附近，形成了3抽12 注的抽注浸出单元。日总抽液量为85.00m3 左右，日总注液量为83.00m3左右。各钻孔抽液量平均为1.03m3/h，出液量稳定。在现场抽注浸出试验过程中，采用CO2+O2浸出，最高达到50.00mg/L。由于多种原因，采矿试验目前处于停顿阶段。
5 结束语
皂火壕铀矿床通过区域评价、普查及部分地段详查等工作，对矿床地质、岩石地球化学、矿体等特征及成矿模式进行了系统总结，但是，对于矿床南部遥感解译断裂构造对古层间氧化带前锋线与铀矿体的空间定位作用还需作深入的研究。
皂火壕铀矿床资源规模大，矿体埋藏浅，矿石采冶试验表明，孙家梁地段（A32—A79线）有利于常规开采；沙沙圪台地段（A 83—A183线）还需作进一步开展地浸试验与研究。
参考文献
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[2]陈安平，彭云彪，等．内蒙古东胜地区1∶25万铀矿资源区域评价报告[R]．核工业二〇八大队，2005:83～112.
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[4]张珂，等．鄂尔多斯盆地北部新构造运动及其与砂岩型铀矿化关系[R]．核工业二〇八大队，2005:32-56.
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我国铀矿勘查的重大进展和突破进-—入新世纪以来新发现和探明的铀矿床实例
[作者简介]彭云彪，男，1965年生，博士，研究员级高级工程师，现任核工业二〇八大队副大队长、总工程师。1989年毕业于中国地质大学（武汉）地球化学专业，一直从事铀矿地质勘查工作。承担的重大项目于2005年获国防科技进步一等奖，2006年获国家科技进步二等奖；2007、2011、2013年分别获评为“全国十大地质找矿成果”；2013年获国土资源部科技进步一等奖；2009、2012年分别获国防科技进步二等奖；2009年获科技部“全国野外科技工作先进个人”称号，2010年获“第五届黄汲清青年地质科学技术奖”，2012年享受国务院政府特殊津贴。
