准噶尔盆地北部新生代构造活动特征及其对砂岩型铀矿的控制作用

准噶尔盆地位于天山、东西准噶尔山和阿尔泰山之间，蓄含了丰富的石油资源，其基底为海西褶皱构造层，盖层由晚古生界和中、新生界组成。新生代，由于印度与亚洲大陆的碰撞及其随后的陆陆汇聚效应，准噶尔盆地周缘的褶皱山系，南侧的天山和北侧的阿尔泰山脉在新生代都发生了快速的隆升-剥露作用，新生代构造变动剧烈；盆地周缘的一些大型断裂带，如盆地北侧额尔齐斯河活动断裂带、东北侧的二台-可可托海断裂带、西北侧的达尔布特断裂及其盆地南缘的天山山前逆冲断裂带等新生代活动强烈，并控制了区域或局部地形地貌的形成与演化。然而对盆地内部的新构造活动研究相对较为薄弱，普遍认为盆地内部为相对稳定的块体，新生代构造活动不显著。

准噶尔盆地北部顶山地区是我国寻找可地浸砂岩型铀矿远景区段之一，具有一定的铀矿资源潜力。自20世纪80年代初期水成铀矿理论引入以来，经过多轮钻探找矿工作，在准噶尔北部的顶山地区，已经发现了层间氧化带砂岩型铀矿化点，有3个钻孔见到了具工业意义的砂岩型铀矿（图2-6-17）。

图2-6-17 准噶尔北部顶山地区区域地质构造简图及根据擦痕、节理统计推测的主压应力作用方向图

1—第四系；2—中新统索索泉组；3—始新统-渐新统乌伦古河组；4—古新统-始新统红砾山组；5—侏罗系；6—古生界；7—花岗岩；8—实测和推测断层；9—正断层；10—节理、擦痕野外统计点位置及编号；11—主压应力作用方向；12—矿化点位置

本节主要通过野外实地调查研究，结合遥感卫片解译分析，探讨该地区新生代构造活动特征，及其对地浸砂岩型铀矿的控制作用，指出区域成矿有利的远景地段。

一、区域地质背景

准噶尔盆地位于天山、东西准噶尔山和阿尔泰山之间，其基底为海西褶皱构造层，盖层由晚古生界和中、新生界组成。研究区位于盆地北部顶山地区（图2-6-17），出露的地层主要是新生界，包括古新世-始新世红砾山组、始新世—渐新世乌伦古河组，中新世索索泉组和第四系（图2-6-18）。目前，本区砂岩型铀矿的找矿目的层主要为古近系乌伦古河组。

红砾山组（E1-2h）为一套干旱-半干旱气候下形成的河流相沉积物，沉积物总体上呈下粗上细、北粗南细的变化趋势。底部为砾质冲积扇，往上过渡为砂质辫状河，至曲流河沉积。岩性从底部的砾岩、粗砂岩、薄层泥岩的韵律层，变化为厚层砂岩和泥岩互层，至砾岩、砂岩、泥岩韵律层，厚约63～403m，顶部含有钙结壳，不整合覆盖于下伏的中-古生界之上。

古近系乌伦古河组（E2-3w）总体上为一套湿热条件下形成的、以河流相为主的灰色砾-砂-泥岩组合，总体上由北东往南西，粒度变细。其主体分布在乌伦古河南岸的广大地区，厚度10～155m，其内发育大量的钙结核，顶部有钙结壳。可分为三个旋回，下部为砾质冲积扇体和扇缘沼泽沉积，岩性为砾岩、砂岩和薄层泥岩的韵律层，顶部有厚层泥岩，含炭化植物碎屑；中部为辫状河及水下重力流沉积物质，由砾岩、砂岩及薄层砂质泥岩或泥质砂岩组成；上部为近端曲流河、浅水湖沉积，岩性下部为砂岩，上部为厚层红色泥岩夹薄层砂岩。与下伏的红砾山组成假整合或角度不整合接触，或直接角度不整合覆盖在古生界之上。

中新世索索泉组（N1s）为一套干旱炎热气候条件下形成的红色-杂色细碎屑沉积物，以泥岩为主，含泥质砂岩、粉砂岩，富含碳酸盐岩。研究区内出露广泛，但一般只保留在向斜的相对低洼处，往东南方向砂质层增多，出现砂-泥互层。为浅水平原湖泊和蒸发盐渍沼泽沉积，间有河道砂体，部分地区为三角洲相。与下伏的乌伦古河组呈假整合或整合接触，与下伏的红砾山组、古生界以角度不整合接触。平均厚度约60m。

第四系主要为一套松散的冲积、洪积砂土堆积物，研究区内主要是上更新统的新疆砾岩（Q3x），不整合或假整合于下伏的第三系、中生界、古生界之上。

二、新生代构造活动特征

在新生代新疆处于南部印度板块与欧亚板块碰撞及其随后印度板块向北推挤、北部西伯利亚板块不断从NE方向向挤压的联合作用中，盆地南部的天山和北侧的阿尔泰山新生代构造活动强烈，盆地内部新生代变形总体上不强，地形相对较为平坦，但喜马拉雅运动在盆地仍有显示，主要表现为间歇性沉积了不同时代的沉积地层，造成了地层间的角度不整合接触，也导致了基底断裂的复活，并而由此产生了一些地表的破裂和断块的掀斜，造成了第三系轻微的褶皱变形，形成了独特的多断块、多洼地的构造-地貌形态（图2-619）。

（一）地貌特征

准噶尔盆地北部基本上全为荒漠区，该区一个典型的地貌特征是，在荒漠区内展布有众多大小不同、深浅不一的封闭型洼地，如黄花沟洼地、顶山盐池洼地（图2-6-19、2-6-20）、萨尔多依洼地等，和荒漠峡谷型洼地，如三个泉EW向峡谷型洼地等（图2-6-20）。这些洼地地形较周围地区明显低洼，也是周围地区暂时性地表径流的汇集场所，但一般都没有出口，水只进不出。洼地的深度在100m以上，盐池洼地为210m，黄花沟洼地为280m，最大的如三个泉洼地，可达350m。对于其成因，彭希龄（1987）认为这些洼地是流水和风***同作用的结果。

图2-6-18 准噶尔盆地北部顶山地区新生代地层柱、沉积环境及其接触关系图

图2-6-19 准噶尔北部遥感卫片图像（ETM1.4.5波段）

①三个泉峡谷；②顶山盐池洼地

经野外实地踏勘，笔者发现这些洼地和峡谷或者位于不同方向隐伏断裂的交汇处，如黄花沟洼地位于NE走向克-夏断裂带的分支断裂与隐伏的NW向断裂、EW向交汇处；或者位于隐伏的东西向断裂地表破裂处，如三个泉峡谷型洼地和盐池洼地分别位于隐伏的EW向三个泉断裂和吐兹多依拉断裂通过处。

石油勘探资料表明，这些断裂都是隐伏的基底逆冲断裂。笔者认为正是由于深部的隐伏断裂逆冲作用，控制了地表洼地或峡谷型洼地的形成：虽然隐伏基底断裂逆冲作用切割的深度仅达到侏罗系，但造成了之上白垩系、新生界的上拱，从而使地表呈现为张性破裂（图2-6-20），导致了固结不老、近似水平的白垩纪、新生代岩石张性破碎，并发育了大量的与深部断裂密切相关的张性节理。地表暂时性的径流从而不断地沿其节理面、破碎面切割，搬运碎屑物质。暂时性的水流消失后，未来得及固结的碎屑物质，由于风暴的搬运而吹往它地。如此往复，形成了这种特殊的洼地或峡谷。因此，这种由于深部断裂的逆冲推覆、导致地表张性破裂而破碎、受降水冲蚀及风力***同作用而形成洼地或峡谷的现象，也是本区新生代构造活动，结合大自然的流水和风力***同作用的结果。

图2-6-20 准噶尔盆地北部深部逆冲推覆导致的地表形成洼地示意图

（以三个泉为例，CD位置见图2C-D）

Q3—晚更新统；N—索索泉组；E1-2w—乌伦古河组；E1-2h—红砾山组；K—白垩系；J—侏罗系；C-T—石炭系-三叠系

（二）断裂和褶皱构造特征

从TM合成图像中（图2-6-19），可以发现本区地貌平坦，新构造活动不强，但是也可以清晰地发现盆地内部发育了一系列NWW-近EW、NE和NW走向的断层。其中NE走向的断层一般都发育在研究区的西部，EW走向的断层，发育在研究区的中部、盆地内部。另有少数隐伏的SN向和NW向断裂。由于不同方向隐伏基底断裂的发育，浅部地表的张性破碎而风化及其断裂的掀斜作用（图2-6-20），将研究区切割成地表浅部多个相互独立、深部可能又相互联通的块体（图2-6-17、2-6-19）。

大型的NWW-EW向断裂包括了吐兹多依拉断裂（图2-6-17、2-6-19中的F1）、三个泉断裂（图2-6-17、2-6-19中的F2）和乌伦古河断裂，皆是隐伏断裂。吐兹多依拉断裂（F1），是准噶尔盆地乌伦古坳陷北侧的边界，也是准噶尔地块北部边界壳层断裂的组成部分。经地震验证为一组宽约500m，高角度的逆冲断裂破碎带，断面北倾，倾角70°以上，断距约900m，断开最高层位为侏罗系，白垩系未见断开。在地表，该断裂通过处，可见一系列泉水发育。在顶山盐池北坡，该断裂虽然没有出露地表，但是深部断裂的逆冲推覆，地表上拱，使白垩系及以上地层发生上拱形成掀斜褶皱，产生张性破裂，局部地段上覆的地层已经被剥蚀，另外地段仍保留掀斜褶皱，形成一个向东张开峡谷型洼地（图2-6-19中的①，图2-6-21），成因可见于图2-6-20。

三个泉断裂（F2）位于准噶尔盆地的腹地，总体上呈近EW-NWW走向，也是一条基底隐伏断裂，具有长期的活动历史。断裂带切穿了基底古生代地层，表现为一条逆冲性质的断层。由于断裂的深部逆冲、浅部上拱，导致了地表的拉张破碎和断块的掀斜，形成了一条约1～1.5km宽、几十公里长近EW-NWW向展布的大峡谷（图2-6-19中的②），将准噶尔盆地一分为二，其南侧为第四纪沙漠覆盖区，即古尔班通古特沙漠，北侧为戈壁荒漠带，峡谷带地表有多个泉水沿断裂带展布。

图2-6-21 顶山盐池北坡吐兹多依拉断裂的地表上拱褶皱和张性破裂带

1—砾岩；2—砂岩；3—粉砂岩；4—泥岩；5—张性破裂带；

Q3x—晚更新统；N1s—索索泉组；E2-3w—乌伦古河组

NE-NEE向断裂带主要分布于盆地的西侧，最大的断裂为克-夏断裂带，与吐兹多依拉断裂带呈“入”字型相交，是一条在海西运动基础上又经印支运动推覆断裂带（图26-17、2-6-19中的F3），由一系列舌状滑脱体联合组成。在研究区的小海子（吉力湖）的东南侧，可见该方向的断裂带出露（F4）。断裂带下盘为石炭系的火山岩，上盘为索索泉组的红色砂、砾岩。断面倾向北西，倾角大约60°～70°。沿断裂带有一系列泉水展布，同时可见索索泉组的红色砂岩靠近断裂带产状明显变陡（图2-6-22），指示了该断裂新生代仍在活动。卫片解译也可以发现，在盆地的西部有一系列北东走向的线性构造。

盆地内部NE-NEE向断裂发育不多。结合卫片解译（图2-6-19），在杜热村西北乌伦古河的北岸，新发现了一条NE走向的断裂（图2-6-17、2-6-19中F5，图2-6-23）。断裂带走向NE60°，倾角近似直立，为一条具有走滑性质的正断层。断层的南东盘为乌伦古河组的砂、砾岩，北西侧为红色泥岩（可能为索索泉组）。断裂带内发育有20～30cm宽的断层泥，由红色泥岩和砂岩组成，夹有上盘的砾岩。往北东方向追索，沿断裂可见多个断层陡坎，显示了该断层现今仍有活动。

研究区内总体上地层产状平缓，一般倾角都小于10，总体上倾向南西。倾角陡的地层仅见于断裂带两侧，是由于断裂的掀斜作用而致，如顶山盐池的北坡，乌伦古河组地层局部可达25°（图2-6-21）。第三系组成的褶皱总体上不发育，主要是一些十分开阔的平缓褶皱，如在顶山盐池一带可见，主要由索索泉组红色泥岩、砂岩层组成。

图2-6-22 小海子（吉力湖）南东NEE向正断层示意图

1—砾岩；2—砂岩；3—火山岩；4—正断层；Pz—古生代火山岩；N1s—中新世索索泉组

图2-6-23 杜热NEE向正断层（F5）示意图

1—砾岩；2—砂岩；3—泥岩；4—电子自旋***振测年采样点；N1s—索索泉组；E2-3w—乌伦古河组

（三）节理和擦痕统计分析

为了进一步确定主压应力作用方向，野外对发育在乌伦古河组和索索泉组的节理进行了统计分析。所测得节理基本不切穿层面，倾角在80°以上，大都是直立的节理，为张节理或剪节理。室内进行统计分析，得到了节理走向的玫瑰花图（图2-6-24）。图中可以得到，乌伦古河组中的节理集中在NNW、NEE和NE三个区间内，索索泉组、哈拉玛盖组中的节理集中在NNE、NW两个区间内，其中顶山盐池索索泉和西干渠索索泉组中的节理走向明显受深部隐伏的吐兹多依拉断裂的影响，出现较多的NWW走向的张节理。由于节理或为张节理或为剪节理，因而根据节理走向的集中方位，可以推测区域的应力作用方向，为NNW或NEE方向的挤压应力，总体上受近似南北向的应力作用（图2-6-17）。

野外对红砾山组和乌伦古河组发育的擦痕也开展了实地测量统计分析。擦痕主要发育在红砾山组、乌伦古河组的泥岩和砂岩中，擦痕面上往往都有方解石阶步发育，可以判断擦痕的运动方向。根据擦痕的运动学性质和擦面、擦线产状，通过电算或吴氏网投影，可以推测主应力的方位。本次研究，利用吴氏网进行了投图分析，其结果如图2-6-25所示。从图中可以区分出两个主应力作用方位：NNW向和NE、NEE向，红砾山组中擦痕推断的主应力方向为NNW和NEE向，乌伦古河组、索索泉组的以NNE、NE向为主，因此可以推测，NWW向和NEE向的主应力作用稍早，NEE方向的应力作用较晚。

图2-6-24 顶山地区第三系中节理走向玫瑰花图

图2-6-25 顶山地区第三系中擦痕产状的吴氏网投影图

综合节理和擦痕统计分析结果，可以得到区域可能存在两期的应力作用：早期为近似SN向的应力作用，晚期为NEE方向的应力作用。杜热NEE60°方向正断层的存在，也表明了区域存在NEE方向的应力作用。

三、新生代构造活动定年

（一）野外证据

在635西干渠第二个隧道处，在索索泉组红色砂岩中发现了一条NNE20°走向的节理，其内充填了上覆的新疆砾岩（中更新世）（图2-6-26）。节理宽约15～20cm，呈锯齿状，呈现出张性构造特征，其内充填的砾岩成灰白色，十分松散，其成分与上覆的新疆砾岩相同。因而可以确定，该节理形成于上覆的新疆砾岩沉积（中更新世）之前。

图2-6-26 顶山635西干渠索索泉组节理及其内充填的第四纪砾岩示意图

Q3x—晚更新统；N1s—索索泉组

（二）电子自旋***振（ESR）测年结果分析

在杜热断层中，有大量的都层泥发育（图2-6-23）。在断层破碎带中，等间距采集了五个断层泥岩样品，挑选了其中两个做电子自旋***振测年（ESR）分析（Z28-3和03-581）。同时在西干渠索索泉泥岩中，也有NE向的裂隙发育，在裂隙面上，有垂直脉壁的石膏生长，野外进行了采样（03-50-1）。电子自旋***振（ESR）测试工作由中国地质科学院地质力学开放实验室ESR实验室完成，其结果如表2-6-2所示。实验过程可以参考相关文献，如陈文寄（1991，1999）、Grun（1992）和Wu等（1999）。结果显示断层的活动年龄为0.13～0.44Ma，NE-NEE向裂隙发育的时代早于0.1Ma。因此，可以确定NE-NEE向的裂隙和断层活动的时代应该在0.1～0.4Ma之间。

表2-6-2 ESR（电子自旋***振）测年结果表

注：断层泥经过筛洗后，测试时主要矿物为石英；年龄计算公式为：TD/D，D是根据样品围岩中U、Th、K的含量来计算的，样品的测试分析工作由地质力学研究所ESR实验室完成。测试仪器为由Bruker公司生产的EMX-ESR仪器。样品中U、Th、K的含量由核工业地质分析测试中心测试完成的。

四、准噶尔盆地北部新生代构造演化

新生代沉积物质充填和新构造运动特征表明准噶尔盆地北部在新生代具有多期次的构造活动：受喜马拉雅运动的影响，准噶尔盆地从第三纪开始，盆地周缘山系不断上升，盆地总体下沉接受沉积，但其南缘下沉强烈，沉积厚度巨大，北部沉积薄，并受新构造的影响发生倾斜变形，形成北高南低的单斜坡状构造-地貌（图2-6-27）。

图2-6-27 准噶尔盆地北部新生代构造地貌演化示意图

（一）第一期：古新世—始新世（红砾山期）

该期（相当于红砾山组沉积期间）新疆北部的阿尔泰山、西准噶尔山脉等山系开始隆升，盆地北缘断裂发生逆冲推覆作用，盆地北部在断裂带前缘形成了厚层的粗碎屑沉积，以砾和砂质冲积扇为主，在远离断裂区发育河流冲积平原相沉积。晚期构造活动平稳，沉积了曲流河沉积（图2-6-27A）。

（二）第二期：始新世—渐新世（乌伦古河期）

在始新世早期（乌伦古河组开始沉积时），新一期的构造活动，表现为新疆北部山脉的又一次隆升和北缘断裂的逆冲推覆作用，在盆地北部的沉积了接近山脉和断裂带的冲积扇体沉积和远离活动带的河流相沉积，盆地内部则导致了红砾山组上部岩石被剥蚀［因而彭希龄（1998）称之谓“红砾山运动”］。之后至渐新世晚期，构造趋于平稳，从而在粗碎屑沉积之上，又沉积了近端曲流河相沉积体系和远端浅水湖泊体系。

（三）第三期：中新世（索索泉期）

从渐新世晚期，盆地北部整体上可能有一次轻微的抬升［即彭希龄（1998）的“乌恰运动”］，导致了乌伦古河组顶部大量姜结石和钙结壳的形成，及其与下伏的红砾山组、古生界一起掀斜抬升而被剥蚀。至中新世索索泉组沉积时期，研究区再次下沉，但地表地形可能存在多个起伏，局部出现河湖，在炎热干旱的条件下，接受红色碎屑沉积（图26-27）。至中新世哈拉玛盖组沉积时，气候条件变为稍为湿热，碎屑沉积物质颜色变为灰白色和灰绿色。

（四）第四期：中新世末-中更新世

中新世之后至中更新世，准噶尔盆地南部由于天山的强烈隆升，前缘断裂向盆地逆冲推覆，前陆盆地继续深坳，沉积了厚度巨大的山前碎屑沉积。而在盆地北部研究区内，除局部地段可能有少量沉积外，由于北部和西部的盆缘断裂主要表现为走滑性质，逆冲推覆作用不强，因而研究区总体上受北部山系隆升的影响而处于隆升剥蚀的状态，缺失了上新统至中更新统沉积，新构造活动不强。

乌伦古河组、索索泉组和哈拉玛盖组中发育的NE、NNE和NNW向的节理，及其红砾山组、乌伦古河组和索索泉组发育的擦痕主要形成于这段时间内。根据擦痕的发育层位，结合野外实地调查发现，及其断层泥、裂隙面上生长的石膏的电子自旋***振测年结果，推断在该构造平稳活动期间，也可以区分区两期的构造活动：即早期近似N-S向的挤压变形，晚期（0.1～0.4Ma）NEE向的挤压变形。

（五）第五期：晚更新世-至今

晚更新世期间，盆地北部再次下沉，区域接受了晚更新统新疆砾岩组的沉积。此后，盆地再次整体抬升，遭受剥蚀。这期间，研究区的新构造活动则主要表现为受基底隐伏断裂逆冲推覆的影响，造成了第三系地层的倾斜变形和轻微的宽缓褶皱，并造成了地表块体的掀斜。在地表，岩石中节理发育，并由于地表径流和风力的***同作用，形成了研究区独有的洼地或峡谷型洼地的构造-地貌形态（图2-6-27）。

五、对砂岩型铀矿的控制作用初析

准噶尔盆地北部新生代构造活动虽然其强度不大，但与砂岩型铀矿的成矿作用关系密切：新生代构造活动则控制了区域的构造-地貌演化，影响了地下水补径排体系，从而控制了可地浸砂岩型铀矿成矿作用（图2-6-28）。

图2-6-28 准噶尔北部地区层间氧化带砂岩型铀矿成矿模式图

（据林双幸等，2003，改编）

1—第四纪砾岩；2—索索泉组红色泥岩；3—不透水层（泥岩层）；4—透水层（砂岩层）；5—逆冲断层；6—正断层或张裂隙；7—黄铁矿和炭化植物；8—铀矿体；9—层间氧化带前锋线；10—深部还原性气体

上升方向；11—层间含氧含铀水运移方向和大气补给水；Q3x—晚更新统；N1s—索索泉组；E2-3w—乌伦古河组；E1-2h—红砾山组；H2S—含硫化物气体；O2+U6+—含氧含铀（6价）地下水

首先，由于研究区新生代构造活动不强，盆地整体下降接受沉积，在相对还原性质下，沉积了河流相含炭质碎屑的砂体，形成了本区砂岩型铀矿的原始堆积和赋矿地层；晚新生代适度的构造运动，造成了研究区内找矿目的层——乌伦古河组地层在内的第三系的总体抬升和掀斜，构成了完整的地下水补-径-排体系；而且，找矿目的层出露地表而遭受剥蚀，有利于含氧含铀地下水进入砂岩层，顺层流动，与砂体中的含炭有机物质发生氧化还原作用，在氧化还原带前锋沉淀而形成砂岩型铀矿床；第三，根据石油资料，研究区含有多个油气田，因而隐伏断裂的发育，也有利于深部的油气沿断裂带上升（图2-6-28），与还原剂含量不高的原生砂体发生还原反应，增加地层的还原剂的含量，有利于后期再次与含氧含铀地下水发生氧化作用而成矿。

其次，由于本区有多个方向的基底隐伏断裂发育，将研究区切割成多个相互独立的块体；基底隐伏断裂的逆冲推覆，导致了地表地形的上拱而产生张性破裂，形成了该区独特的洼地或峡谷型洼地地貌形态，洼地的深部可达300多米，这些洼地或峡谷就成为地下水局部性的排泄源；根据唐鸿赞（2002）、何江涛等（2000）等研究，本区地下水的主要补给源来自于向东北部的阿尔泰山，这样来自于东北方向的地下水，在浅地表由于多个局部排泄源（如黄花沟、盐池等）的存在而排泄地表（图2-6-28）；同时各个块体之间由于断裂为压性的逆冲推覆，对地下水具有一定的封闭性，阻止了地下水之间的顺利连通，促使地下水沿断裂带上涌而可能排泄至地表，因此，含氧含铀的地下水不能顺畅地在地层中长距离的贯通流动，没能大规模地搬运沉积地层中的铀，进而在氧化还原带前锋成矿；第三，即使在早期地下水的顺层流动作用下形成了的层间氧化带型铀矿，但是由于后期隐伏断裂的逆冲作用，地表块体的掀斜作用而影响了块体的地表地貌，从而影响了地下水的流动方向的改变，造成早期的矿化体再次溶解、搬运，因而矿体的规模受限制，也增加了找矿难度。

上述分析表明在该区块体面积大、具有稳定的斜坡带，应该是成矿的有利区域。研究发现，本区三个泉斜坡带（图2-6-17、2-6-19），具有类似的地质条件：斜坡带面积巨大，达6000多平方公里，找矿目的层乌伦古河组在斜坡带上埋藏较浅，地层呈向南稳定倾斜的单斜带，地层倾角小于10°，深部隐伏断裂不发育，浅部无张性断裂发育，斜坡带新构造运动弱，具有相对独立的地下水补经排体系。此外，根据石油资料显示，该斜坡带深部含有石油，深部含油气物质可以沿断裂带上升，还原地层中的砂体，增加地层的还原剂含量（图2-6-28），有利于后期含氧含铀地下水与砂体发生氧化还原作用，从而形成层间氧化带砂岩型铀矿。

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