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本文“红层”代表一套红色-褐色-黄色等杂色的陆相碎屑岩层，对特征沉积环境具有指示意义，指示了成岩期的氧化环境。“黑层”是指黑色-灰色-绿色等杂色的富含煤、油气等有机质组分的陆相碎屑岩层，指示了成岩期的还原环境。砂岩型铀矿床指产于砂岩、砂砾岩等碎屑岩中的外生后成铀矿床。而地层是铀元素迁移、富集沉淀的主要场所，是砂岩型铀矿成矿理论研究的基础，同时也是国内外相关研究的热点。近年来，关于地层对砂岩型铀矿成矿的约束取得了新的认识，也存在较大分歧，主要有“红黑岩系”耦合控矿（金若时等，2017），指出沉积时期的红层与黑层沉积充填联合约束了砂岩型铀矿的形成，强调了沉积时期环境的演变控制了赋矿层（本文指品位达到工业指标万分之一的地层）的形成；富含有机质的还原性砂体赋矿，后期氧化流体促进成矿作用（Cuney et al.，2022）；铀成矿作用是赋矿层成岩序列中的重要一环（焦养泉等，2022）；控矿灰色砂体是深部还原性流体再还原的产物（李子颖等，2022），强调二次还原作用是关键成矿控制因素；陆相红色碎屑沉积建造中灰色夹层赋矿和陆相黑色含煤碎屑沉积建造利于成矿（陈戴生等，2006），指出黑层成矿的事实和成矿规律；华南红层底部的不整合面控矿（陈祖伊，1983），红层底部为重要的找矿标志。目前黑层是砂岩型铀矿的主要赋矿层已达成共识，但是赋矿层砂体的成因仍然存在争议，是沉积成岩过程主导，或是后生蚀变再还原的结果，还是二者兼而有之，这些严重制约着砂岩型铀矿成矿理论的再突破。
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Fig.1 Distribution of global sandstone-type uranium deposits, red beds andblack strata (sandstone-type uranium deposit after Zhang Jindai, 2016; Jin Ruoshi et al., 2017; ; Jia Xiaole et al., 2011; Wen Quanbo et al., 2011; red beds after Guo Yongchun et al., 2007; Peng Hua et al., 2013; organic matters after Dai Shifeng, 2015)
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近10年来，随着中国北方中—新生代盆地（简称北方盆地）砂岩型铀矿调查工程、国家“973”计划项目、国家重点研发计划项目的实施，以煤-油资料二次开发为主导的勘查思路快速证实了北方盆地大规模砂岩型铀成矿的事实（金若时等，2022a；Jin Ruoshi et al.，2022b）。在准噶尔、吐哈、柴达木、银额、二连、鄂尔多斯、松辽等盆地新发现了300多处找矿靶区和矿产地，同时积累了60万余米铀矿岩芯资料，为系统对比分析地层对砂岩型铀矿的约束提供了海量数据支撑。本文通过典型矿床赋矿层沉积学、地球化学等对比研究，系统分析了北方盆地侏罗系、白垩系、新近系等赋矿层形成的沉积环境、物质组成等，阐明北方盆地红层和黑层旋回对偶沉积充填与大规模铀成矿成因联系。
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1 北方盆地砂岩型铀矿分布
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1.1 世界砂岩型铀矿带状分布
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世界上有两条近于平行纬度的巨型铀成矿带，具有南北分带性（图1），北半球集中分布于北纬30°~60°空间范围内，包括沿阿尔卑斯-喜马拉雅陆陆碰撞带产出的欧亚铀成矿带和北美中部，南半球多分布在20°~40°空间范围内，包括了澳大利亚南部、南非、南美洲中南部，而南纬40°以南没有大陆，导致与北半球铀成矿带不对称产出。世界砂岩型铀矿的赋矿层特征主要有：① 平面上赋矿层时间跨度大。从非洲中部加蓬铀矿元古宙赋矿层、欧洲石炭纪和二叠纪赋矿层，到中国的晚中生代赋矿层（Cheng Yinhang et al.，2020b），直至新生代赋矿层，甚至第四纪赋矿层。美国科罗拉多高原的怀俄明砂岩型铀矿赋矿层为古近系Wind River组，德克萨斯盆地砂岩型铀矿赋矿层为始新统Jackson群、渐新统Catahoula组、中新统Oakville组和中新统—上新统Goliad Sand组（Hall et al.，2017），澳大利亚的古近系、新近系也发育砂岩型铀矿（Hou et al.，2017），此外中国的准噶尔、塔里木、柴达木、二连等盆地新近系以及松辽盆地、柴达木盆地第四系中陆续发现铀矿，揭示了水成砂岩型铀矿的活跃性，成矿作用一直持续至今。② 垂向上砂岩型铀矿产出于红层和黑层的叠合区，具有密切的空间关系。世界上单一的黑层或红层发育的地区，砂岩型铀矿产出较少或未见有砂岩型铀矿的发现。
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图2 中国红层、黑层和砂岩型铀矿分布规律图（砂岩型铀矿床引自金若时等，2017；张金带，2016； 红层分布据Yan Luobin et al.，2019；煤田分布据Dai Shifeng，2015；油气分布据滕吉文等，2013; 胡见义等，2014）
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Fig.2 Distribution of red beds, black strata and sandstone-type uranium deposits in China (sandstone-type uranium deposit after Jin Ruoshi et al., 2017；Zhang Jindai, 2016; red beds after Yan Luobin et al., 2019; black strata after Dai Shifeng, 2015; Teng Jiwen and Liu Youshan, 2013; Hu Jianyi et al., 2014)
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T—三叠系；J—侏罗系；J-K—侏罗系—白垩系；K—白垩系；K-E—白垩系—古近系；E—古近系；E-N—古近系—新近系；N—新近系
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T—Triassic; J—Jurassic; J-K—Jurassic—Cretaceous; K—Cretaceous; K-E—Cretaceous—Paleogene; E—Paleogene; E-N—Paleogene—Neogene; N—Neogene
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1.2 中国北方盆地砂岩型铀矿分布
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本次工作系统梳理了中国铀矿资源潜力评价工作进展（张金带等，2012）和北方砂岩型铀矿工程勘查成果（金若时等，2022a），总结了晚中生代以来红层、黑层、砂岩型铀矿三者的空间分布规律（图2）。北方盆地砂岩型铀矿空间分布具有3个主要特征：① 砂岩型铀矿主要集中在北方盆地，呈带状分布。东、西部中—新生代构造差异演化，中西部地区受青藏高原隆升的影响，砂岩型铀矿产出于天山—祁连山—秦岭造山带沿线盆地，包括伊犁、准噶尔、塔里木、柴达木、河西走廊、鄂尔多斯等。中东部主要受滨太平洋板块俯冲的影响，砂岩型铀矿产出于大兴安岭—太行山沿线盆地，包括二连、松辽、海拉尔、鄂尔多斯等盆地。鄂尔多斯盆地受二者共同作用，在盆地周缘均有铀矿床（点）产出，也是中国目前铀矿资源量最多的盆地。② 砂岩型铀矿主要产出在盆缘和盆内隆缘，盆地形成以来受多期构造事件叠加改造，尤其是末次抬升事件的影响，可将中国东、西部划分为2个成矿域和17重要成矿带（程银行等，2020a）。③ 砂岩型铀矿受红层和黑层的联合约束。中—新生代红层遍布全国，主要地层包括三叠系、侏罗系、白垩系、古近系和新近系，其中侏罗系和白垩系分布占75%以上（Yan Luobin et al.，2019），古近系和新近系主要分布在新疆地区。以煤、油（气）为标志的中—新生代黑层主要分布在北方地区。华南地区虽然有大面积白垩系红层产出，但是黑层主要以石炭系—二叠系（C—P）为主，缺少“红黑”岩系的地层基础（金若时等，2017），因此鲜有铀矿床（点）发现的报道，主要原因为区内红层与黑层的地层时代差异大，多套物理障的阻隔制约了成矿作用。总之，北方盆地中—新生代多期黑层和红层的旋回叠加充填，提供了铀元素迁移、富集沉淀所需的氧化、还原条件，为砂岩型铀的超常富集奠定了地层基础。
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2 北方盆地沉积充填特征与铀富集规律
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北方盆地砂岩型铀矿的主要赋矿层为侏罗系、白垩系和新近系（图3）。赋矿层有两种类型，一是原始沉积形成的，多发育于煤田勘查区及其周缘；二是油气运移还原形成的，多发育在油气田勘查区及其周缘，仍受沉积物质组分的影响。
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第一种类型是主要的铀矿赋矿层。晚中生代以来，北方盆地发育了7期红层、黑层对偶沉积充填（图4），红层与黑层两者沉积时代相近或连续沉积充填，构成典型的“红-黑”岩系（金若时等，2017），二者过渡转换期沉积的地层为赋矿层，是北方盆地大规模成矿的基础。铀矿体多产出于靠近红层的灰色砂岩中，是明显的野外找矿标志。北方盆地7期红层沉积事件分别为：① 第I期红层沉积为中侏罗世—晚侏罗世早期，相当于巴通期—牛津期（Bathonian—Oxfordian）。该期红层主要发育在准噶尔盆地和鄂尔多斯盆地。代表性地层为准噶尔盆地中侏罗统头屯河组上部（J2t）、中—上侏罗统齐古组（J2-3q）、上侏罗统喀拉扎组（J3k），前人在红沟剖面中侏罗统头屯河组上部（J2t）获得4 组凝灰岩夹层的锆石U-Pb年龄介于167~157 Ma（王思恩等，2012），据旋回地层推测中—上侏罗统齐古组（J2-3q）顶界和底界年龄分别为155.3 Ma、160.8 Ma（邓胜徽等，2015）。鄂尔多斯盆地沉积记录为中侏罗统直罗组（J2z）上部和中侏罗统安定组（J2a）红层。前人在直罗组下部灰色泥质粉砂岩中获得的孢粉组合为Cyathidites-Osmundacidites-Cycadopites-Disacciatrileti，由于北方盆地中侏罗世晚期至晚侏罗世发育大量的掌鳞杉科Classopollis，其在直罗组下部含量较早—中侏罗世延安组有明显增加，因此其时代更接近于中侏罗世晚期（孙立新等，2017），直罗组上部红层时代属于中侏罗世晚期，相当于卡洛夫期（Callovian）。因此，西部齐古组与中部直罗组红层沉积时代横向上具有可对比性，属于中侏罗世—晚侏罗世早期。② 第II期红层为早白垩世早期，相当于瓦兰今期（Valanginian）。代表性红层有准噶尔盆地的下白垩统呼图壁河组（K1ht）和鄂尔多斯盆地下白垩统洛河组（K1l）上部和环河组（K1lh）下部红层。准噶尔盆地下白垩统清水河组（K1q）中叶肢介、介形虫和孢粉化石组合表明其时代为早白垩世早期，相当于贝里阿斯期（Berriasian）（王思恩等，2012）。盆地西北缘乌尔禾地区德仑山清水河组中发育鹦鹉嘴龙化石组合，其中准噶尔翼龙和复齿湖翼龙指示该动物群生存时代为早白垩世中期（贾程凯等，2009），因此，与之连续沉积的呼图壁河组沉积于早白垩世早中期。鄂尔多斯盆地西缘环河组发育轮藻化石Mesochara stipitata（S. Wang）Z. Wang，属早白垩世早中期（李祖望，1988），盆地南缘环河组中孢粉组合显示时代为早白垩世早期（张子福，1992）。因此，该时期红层沉积时代横向上具有可对比性，均属于早白垩世早期。③ 第III红层为早白垩世晚期，相当于阿普特期（Aptian），代表性红层有准噶尔盆地的下白垩统连木沁组（K1l）和鄂尔多斯盆地下白垩统罗汉洞组（K1lh）红层。连木沁组红层与下伏胜金口组（K1s）和呼图壁河组连续沉积。据其沉积速率、沉积厚度等要素（邓胜徽等，2015）判断该期红层沉积的时间在早白垩世晚期。鄂尔多斯盆地罗汉洞组下伏的环河组中玄武岩夹层的Ar-Ar年龄为126±0.4 Ma（邹和平等，2008），判断罗汉洞组红层应为早白垩世晚期。④ 第IV红层为晚白垩世早期，相当于塞诺曼期（Cenomanian）。代表性红层主要有准噶尔盆地的上白垩统东沟组（K2d）和松辽盆地上白垩统泉头组（K2q）。东沟组红层内发育Talicypridea amoena-T. gemmiformis-Ziziphocypris simakovi介形虫组合，主要出现于晚白垩世中期（Coniacian—Santonian），晚白垩世早期（Cenomanian）也有发育（郑秀亮等，2013）。同时发现了少量早白垩世轮藻类化石Aclistochara laiae，A. caii，Mesochara volute（刘俊英等，1983）。泉头组上覆的青山口组底部橄榄粗安岩获得88.3 Ma的Ar-Ar年龄，认为泉头组与赛诺曼期可对比，且古地磁显示泉头组顶界年龄为91.35 Ma（Wang Pujun et al.，2015）。在泉头镇泉头组下伏营城组中获得流纹岩和安山岩的锆石U-Pb年龄分别为111.6±2.6 Ma和118.5±1.6 Ma（内部资料待发表）。因此，东沟组与泉头组红层沉积时代为晚白垩世早期。⑤ 第V期红层为晚白垩世晚期—早古近纪，相当于坎潘期—坦尼特期（Campanian—Thanetian）。代表性红层主要有松辽盆地上白垩统四方台组（K2s）红层和准噶尔盆地下古新统紫泥泉子组（E1z）。松科1井古地磁数据显示四方台组沉积时限约为79.1~72.2 Ma，该地层中火山岩夹层年龄为73.6 Ma（王璞珺等，2015）。下伏嫩江组底部有孔虫化石时代为晚白垩世中期（Coniacian—Santonian）（Xi Dangpeng et al.，2010）。因此，四方台组红层沉积时代应为晚白垩世晚期。紫泥泉子组上部发育Limnocythere scrobis-Cyprinotus inclinis-Limnocytherefragilis组合，属于古新世—上新世分子（Chen Yan et al.，1991）。下部发育Talicypridea组合，地层时代为晚白垩世—始新世（商华等，2012）。⑥ 第VI期红层为早新近纪，相当于阿基坦期—波尔多期（Aquitanian—Burdigalian）。代表性红层主要有准噶尔盆地中新统沙湾组（N1s），沙湾组中部发现脊椎动物化石（Lophiomeryx sp.、Dzungariotherium orgosensis gen. et sp. nov.），介形虫化石组合（Limnocythere，Ilyocypris and Cyprinotus），证实其沉积于晚渐新世至中新世早期（邱占祥，1973）。此外磁性地层学显示沙湾组沉积年代为23.3~17.5 Ma（Ji Junliang et al.，2008）。⑦ 第VII期红层为晚新近纪，相当于赞克勒—皮亚琴察期（Zanclean—Piacenzian）。代表性红层主要有准噶尔盆地上新统独山子组（N2d）。独山子组中部发现的脊椎动物化石（Turcocerus cf. noverca和Turcocerus cf. grangeri），证实其时代为中中新世晚期（Qiu Zhanxiang et al.，1995）。磁性地层学显示其沉积时代为13.2~6.0 Ma（季军良等，2010）。
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图3 北方盆地砂岩型赋矿层对比图（铀矿床、矿点，柱状图引自金若时等，2017; Cheng Yinhang et al.，2020b）
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Fig.3 Stratigraphic column of uranium-bearing formations in basins, northern China (after Jin Ruoshi et al., 2017; Cheng Yinhang et al., 2020b)
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砂岩型赋矿层主要为侏罗系、白垩系和新近系，柱状图上颜色代表岩石的颜色，黑色为煤层
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Uranium-bearing formations are Jurassic, Cretaceous and Neogene, the colors represent the color of the rocks, black represents the coal beds
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图4 北方盆地红层、黑层沉积充填期次柱状对比图
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Fig.4 The sedimentary stages of Jurassic—Cenozoic red beds in northern China and their double color layers
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Q—第四系；新近系：N2d—独山子组；N1t—塔西河组；N1s—沙湾组；古近系：E2a—安集海组；E1z—紫泥泉子组；白垩系：K2m—明水组；K2s—四方台组；K2n—嫩江组；K2y—姚家组；K2qn—青山口组；K2q—泉头组；K2d—东沟组；K1d—登楼库组；K1y—营城组；K1sh—沙河子组；K1j—泾川组；K1lh—罗汉洞组；K1hc—环河华池组；K1l—洛河组；K1tg—吐谷鲁群；侏罗系：J3hs—火石岭组；J3k—喀拉扎组；J2-3q—齐古组；J2a—安定组；J2z—直罗组；J2t—头屯河组；J2x—西山窑组；J1-2y—延安组；J1s—三工河组；J1b—八道湾组；ZK-T2据Yang Yongtai et al.，2015；ZK-SK1据侯贺晟等，2018；ZK-HG4据内部资料❶；ZK-SD1、ZK-ZD1据本次工作
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Q—Quaternary; Neogene: N2d—Dushanzi Formation; N1t—Taxihe Formation; N1s—Shawan Formation; Paleocene: E2a—Anjihai Formation; E1z—Ziniquanzi Formation; Cretaceous: K2m—Mingshui Formation; K2s—Sifangtai Formation; K2n—Nenjiang Formation; K2y—Yaojia Formation; K2qn—Qinshankou Formation; K2q—Quantou Formation; K2d—Donggou Formation; K1d—Denglouku Formation; K1y—Yingcheng Formation; K1sh—Shahezi Formation; K1j—Jingchuan Formation; K1lh—Luohandong Formation; K1hc—Huanchihuahe Formation; K1l—Luohe Formation; K1tg—Tugulu Group; Jurassic: J3hs—Huoshiling Formation; J3k—Kalazha Formation; J2-3q—Qigu Formation; J2a—Anding Formation; J2z—Zhiluo Formation; J2t—Sangonghe Formation; J2x—Xishanyao Formation; J1-2y—Yanan Formation; J1s—Sangonghe Formation; J1b—Badaowan Formation；ZK-T2 after Yang Yongtai et al., 2015; ZK-SK1 after Hou Maosheng et al., 2018; ZK-HG4 according to the internal data❶; ZK-SD1 and ZK-ZD1 from this work
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第二种类型的赋矿层分布较少，多发育于油气田区域，油气沿断裂构造带向上运移至红层区域，将红层还原为灰色岩层，为铀矿的主要赋矿层，鄂尔多斯盆地泾川风成砂岩型铀矿就是一个非常典型的地区（Miao Peisen et al.，2020），下白垩统洛河组红层与中三叠统延长组深灰色、灰黑色泥页岩（烃源岩）构成“红黑岩系”，沿断裂带洛河组钻探发现大量的甲烷、硫化氢等气体，将洛河组红层还原为灰色、灰黄色，灰色砂岩中发现了2000多个平方千米的铀矿化。在松辽盆地大庆油田区、柴达木盆地青海油田区、准噶尔盆地克拉玛依油田区等系列盆地均发现了类似成矿条件。因此，在油气田区由于还原性地层不稳定，受后期构造断裂的影响较大，造成了赋矿层的变化较大，开展砂岩型铀矿勘查难度更大。
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2.1 准噶尔盆地
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准噶尔盆地砂岩型铀矿床（点）集中产出于盆地周缘地区。依托中国地质调查局铀矿工程，团队发现矿产地两处，包括东缘喀木斯特矿产地、南缘硫磺沟矿产地，发现铀矿点5处，包括盆地西缘的乌尔禾、克拉玛依、车排子铀矿点，盆地东缘的准东一区、将军庙铀矿点。此外前人已发现矿点、矿化点累计50余处（秦明宽等，2017）。主要赋矿层包括下侏罗统八道湾组（J1b）、中侏罗统西山窑组（J2x）和头屯河组（J2t）、下白垩统吐谷鲁群（K1tg）、中新统沙湾组（N1s）（图5）。
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南缘和东缘的砂岩型铀矿床产出于煤田区，中侏罗统西山窑组（J2x）与上覆中侏罗统头屯河组（J2t）是典型的“红黑”岩系结构。西山窑组为辫状河三角洲沉积环境，以发育河漫滩、沼泽相为主要特征，是区内的主力煤层。头屯河组整体为辫状河—曲流河沉积环境，下部为辫状河相的杂色砂砾岩与砂质泥岩互层，中部为辫状河三角洲—滨浅湖相的砂岩与泥岩互层，可见煤层，上部为三角洲—滨浅湖相的红褐色、黄色砂岩与泥岩互层。铀矿体产出于头屯河组下部的辫状河砂体中。准噶尔盆地东缘喀木斯特矿产地铀矿体紧邻西山窑组顶部煤层，上覆头屯河组底部褐红色、灰色砂岩、砾岩为有利成矿空间，铀矿体产出于灰色砂岩中。准噶尔盆地南缘硫磺沟矿产地产出于头屯河组下部灰色辫状河道砂岩之中，距离上部红层约18~110 m。
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图5 准噶尔盆地红层、黑层沉积充填特征及铀矿富集规律
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Fig.5 The distributions of sandstone-type uranium deposits compared with red and black double beds in Junggar basin
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西缘砂岩型铀矿点主要产出于油田区，矿化层较多。车排子铀矿点赋矿层位为中新统沙湾组（N1s），底部发育扇三角洲相的灰白色砾岩、砂岩，沿裂隙可见稠油，顶部发育滨浅湖相的褐红色泥岩，为典型“红黑”沉积结构，铀矿体产出于底部灰白色砂岩、含砾砂岩中，距红层约20~60 m；克拉玛依铀矿点赋矿层位为下侏罗统八道湾组（J1b）、中侏罗统西山窑组（J2x）。八道湾组岩性为灰色细砂岩、砾岩，浅灰色粉砂岩，灰白色泥岩，砾岩中普遍可见黑色油斑。西山窑组岩性主要为灰色、灰绿色粉砂岩、砂岩、砾岩，灰褐色泥岩。受构造运动影响，局部地区缺失头屯河组，上侏罗统齐谷组（J3q）不整合于二者之上，齐古组岩性为褐红色含砾砂岩，夹少量灰绿色、褐红色粉砂岩，与下伏八道湾组、西山窑组构成典型“红黑”岩系结构，八道湾组中铀矿体距红层约50~157 m，西山窑组中铀矿体距红层约0~85 m。乌尔禾铀矿点赋矿层为下白垩统吐谷鲁群（K1tg），吐谷鲁群可分为4个岩性段，第一岩性段发育灰色、灰绿色厚层砂岩夹褐红色、灰色粉砂岩、泥岩；第二岩性段下部主要为灰绿色粉砂岩与褐红色泥岩互层，向上砂体厚度逐渐增大。第三岩性段岩性以灰绿色砂岩、泥岩互层为主要特征。第四岩性段以浅灰绿色砂岩与红褐色泥岩条带状互层为特征。产出2套明显的“红黑”岩系结构，其中第一岩性段与第三岩性段为铀矿产出层位。矿体距红层0~30 m。
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2.2 伊犁盆地
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伊犁盆地已发现的铀矿床集中分布在盆地南缘，包括洪海沟、库捷尔太、乌库尔其、扎吉斯坦、蒙其古尔和达拉地等铀矿床，其中蒙其古尔铀矿床已达超大型规模，主要赋矿层包括下侏罗统八道湾组（J1b）、三工河组（J1s）和中侏罗统西山窑组（J2x）、头屯河组（J2t）（李胜富，2023；宋继叶等，2023）。盆地北缘发现铀矿点5处，包括新城子、南台子、干沟、苏鲁、皮里青和喀占青等铀矿点，主要赋矿层为中侏罗统西山窑组（J2x）、头屯河组（J2t）（王守玉等，2023）。八道湾组为冲击扇相沉积，发育灰白色砾岩夹薄层泥岩、煤线、粉砂岩。三工河组为扇三角洲相沉积，发育灰白色粉砂岩、泥岩、黑色碳质泥岩、煤线。西山窑组为三角洲平原或前缘相沉积，底部发育灰白色含砾砂岩、砂岩和煤层，中部发育灰白色砂岩、泥岩和煤层，上部地层发育灰白色含砾粗砂岩、砂岩及泥岩。头屯河组为曲流河相沉积，下部发育灰色、褐红色厚层粗砂岩夹薄层细砂岩、粉砂岩，向上逐渐相变为灰色、红色泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩夹薄层砂岩。西山窑组、头屯河组二者均具有明显的“红黑”岩系结构，同时也是区内最主要的赋矿层（图6）。此外，盆地南缘地区强烈褶皱隆升，上白垩统东沟组（K2d）不整合于八道湾组、三工河组之上。东沟组是区内较典型的红层，下部发育褐红色钙质胶结砾岩，向上过渡为褐红色泥岩、粉砂质泥岩，与下伏侏罗系同样构成“红黑”岩系结构，部分铀矿体产出于八道湾组和三工河组之中。铀矿体一般距红层约20~100 m，距煤层约0~40 m。
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图6 伊犁盆地红层、黑层沉积充填特征及铀矿富集规律（据内部资料❷）
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Fig.6 The distributions of sandstone-type uranium deposits compared with red and black double beds in Yili basin (according to the internal data❷)
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2.3 吐哈盆地
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吐哈盆地铀矿床（点）主要位于盆地西南缘，产出有十红滩、八仙口矿床，苏巴什、白咀山、迪坎儿矿点（聂逢君，2018）。盆地西北缘发现克尔碱矿化点（董方升等，2015）。中侏罗统西山窑组（J2x）为区内主要赋矿层（图7）。区内西山窑组可以划分为4段，第一段为辫状河沉积相，底部为灰白色、黄色砂质砾岩，向上过渡为灰白色细砂岩，顶部为煤层或碳质泥岩。第二段为辫状河三角洲前缘沉积相，底部发育褐红色、褐黄色砾岩、含砾砂岩夹薄层泥岩，可见大量炭屑，向上过渡为灰白色、灰绿色泥岩夹薄层灰白色砂岩。第三段为三角洲平原相，岩性以灰白色泥岩与砂岩互层，可见大量植物碎屑。第四段为三角洲平原相—滨浅湖相，下部发育灰色夹黄色砂岩、含砾粗砂岩，上部为褐红色泥岩。西山窑组第四段与下伏地层呈典型的“红黑”岩系结构。区内主要含矿目的层为西山窑组二段，其次为三段与一段（聂逢君等，2018）。铀矿体距红层约0~75 m。
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Fig.7 The distributions of sandstone-type uranium deposits compared with red and black double beds in Tuhabasin (Shihongtan-Baxiankou deposit from Nie Fengjun et al., 2018; Keerjian deposit from Jiang Meizhu et al., 2018; Buerjia deposit from Dong Fangsheng et al., 2015)
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2.4 柴达木盆地
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柴达木盆地目前已发现有七个泉和跃进二号2个矿床和十余处铀矿点、矿化点，分布于冷湖、鱼卡、北大滩、航亚等地。赋矿层主要有3个（图8），分别为中侏罗统大煤沟组（J2d）、下白垩统犬牙沟组（K1qn）和新近系狮子沟组（N2s）。柴达木盆地北缘冷湖地区大煤沟组以含煤碎屑岩沉积为主，为扇三角洲前缘沉积，上部是砖红色、紫红色砾岩、泥岩和黄色砂岩，下部是灰色、灰黑色的砂岩、粉砂岩夹碳质泥岩，含少量的炭屑和20~50 cm厚的煤层，铀矿体距离上部红层2~20 m不等。胜利口地区犬牙沟组灰色砂岩和红色细砂岩互层产出，铀矿体位于多层灰色砂岩中。柴达木盆地西缘七个泉至跃进二号地区，赋矿层以新近系狮子沟组、油砂山组为主，上部为褐红色、红色砂岩、细砂岩河流相沉积，下部为灰色、灰绿色粉砂岩、粉砂质泥岩滨湖相沉积，后者顶部发育数十层铀异常，铀异常距离上部红层0~115 m不等，平均37 m，变化范围较大。
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2.5 鄂尔多斯盆地
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鄂尔多斯盆地是中国十分重要的产铀盆地，盆地的东北缘、西缘、西南缘、东南缘甚至东缘都陆续发现了铀矿床，共计26余处，其中特大型矿床4个。东北缘已经发现的矿床有大营、纳岭沟、皂火壕、塔然高勒、巴音青格力等，西缘主要有宁东、磁窑堡、麦垛山等，西南缘主要有泾川、红河、国家湾等，东南缘主要有店头、黄陵、双龙等。这些矿床的赋矿层主要有中侏罗统直罗组（J2z），下白垩统洛河组（K1l）、罗汉洞组（K1lh）、马东山组（K1md）等，少量的铀矿体位于盆地东缘吉县地区的下三叠统刘家沟组（T1l）和上二叠统石千峰组（P2sh）（图9）。
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图8 柴达木盆地红层、黑层沉积充填特征及铀矿富集规律
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Fig.8 The distributions of sandstone-type uranium deposits compared with red and black double beds in Qaidam basin
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Q1-2q—第四系七个泉组; N2s—上新统狮子沟组; E1-2l—古新统—始新统路乐河组; J3-K1qn—上侏罗统—下白垩统犬牙沟组; J2d—中侏罗统大煤沟组
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Q1-2q—Quaternary Qigequan Formation; N2s—Miocene Shizigou Formation; E1-2l—Paleocene-Eocene Lulehe Formation; J3-K1qn—Upper Jurassic-Lower Cretaceous Quanyagou Formation; J2d—Middle Jurassic Dameigou Formation
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盆地东北缘地区赋矿层沉积充填特征。自东向西典型矿床有皂火壕（埋深70~200 m）、纳岭沟（平均埋深410 m）、塔然高勒（平均埋深500 m）、大营（平均埋深700 m）和巴音青格利（埋深400~600 m）等大型、特大型矿床（文思博等，2023），矿体向西埋深逐渐变深，赋矿层均为直罗组。直罗组上段为红色、紫红色、灰紫色泥质粉砂岩夹灰色砂岩，下段以灰色、灰绿色砂岩为主夹薄层煤层，灰色砂岩多含有大量的炭屑和黄铁矿等还原性物质，局部发育有薄层砾岩或含砾粗砂岩，直罗组下部为下侏罗统延安组巨厚的煤层，直罗组上段和下段构成完整的“红黑”岩系结构，铀矿体产出在灰色砂岩中，矿体距上部红层的垂向距离，皂火壕矿床约30 m、纳岭沟矿床约80 m、塔然高勒矿床约50~90 m、大营矿床约100 m、巴音青格利矿床约40 m等，这些矿床的灰色赋矿砂体与红层之间发育30~100 m不等的灰绿色砂岩。
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盆地西缘地区赋矿层沉积充填特征。该区发现了羊肠湾、麦垛山、金家渠、叶庄子、石槽村等系列矿床，与东北缘相同，主要赋矿层均为直罗组，且以下段下亚段矿化最为发育。沉积特征与东北缘相似，直罗组上段岩性为土黄色、紫红色、红褐色粉砂岩夹细粒砂岩。下段上亚段以灰绿、灰绿含紫斑的粉砂岩、细砂岩为主，夹薄层中砂岩；下亚段颜色为浅灰、灰绿色砂岩夹薄层煤层，灰色砂岩含有大量的炭屑和黄铁矿等还原性物质。铀矿发育在灰色砂岩中，赋矿砂体距离上部红层差异较大，其中羊肠湾矿床约180 m、麦垛山矿床约60 m、金家渠矿床约50~70 m、叶庄子矿床约60 m、石槽村矿床约40~50 m，赋矿砂体与红层之间发育40~180 m不等的灰绿色砂岩。
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图9 鄂尔多斯盆地红层、黑层沉积充填特征及铀矿富集规律（东北缘铀矿据Jin Ruoshi et al.，2020； 石槽村铀矿据俞礽安等，2023）
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Fig.9 The distributions of sandstone-type uranium deposits compared with red and black double beds in Ordos basin (deposits in northeastern Ordos basin from Jin Ruoshi et al., 2020; Shicaocun deposit from Yu Reng'an et al., 2023)
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盆地东南缘地区赋矿层沉积充填特征。该区赋矿层主要为中侏罗统直罗组下段，厚约37~94 m，较东北缘和西缘薄。主要岩性为灰色中粗砂岩，富含炭屑、黄铁矿等还原性物质，以钙质胶结为主，岩石渗透性差。上段主要岩性为褐色、浅黄色细砂岩、粉砂岩、泥岩。铀矿产于灰色砂岩中，距离上部红层约11~23 m，平均15 m。
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盆地西南缘地区赋矿层沉积充填特征。该区赋矿层与其他区不同，以下白垩统洛河组、罗汉洞组为主，矿体埋深变化较大，集中在400~2000 m，油田钻井资料揭示出深部（大于700 m）发育大量的厚大工业矿体。该区2000 m深科研钻（Miao Peisen et al.，2020）揭露出洛河组和罗汉洞组2套红层，厚度分别约为340 m和460 m，岩性以红色、褐红色、黄色细砂岩为主，为风成相沉积环境。红层下部分别发育了约140 m和180 m厚的灰色粉砂岩、泥质粉砂岩夹灰绿色粉砂岩，为滨浅湖相沉积环境，构成2套完整的“红黑”岩系结构，也是该区找矿的主要目的层。铀矿发育在灰色砂岩中，距离上部红层约0~73 m，平均29 m，局部灰色赋矿砂岩与红层直接接触。
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2.6 二连盆地
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二连盆地也是中国非常重要的产铀盆地之一，已发现努和廷、哈达图、巴彦乌拉、陆海、恩格日音、白彦花等矿床。这些矿床的赋矿层主要有2套，主要是下白垩统赛汉组，其次为上白垩统二连组（图10），二者均具有明显的“红黑”岩系沉积充填结构。盆地西部和中部铀矿赋矿层主要是赛汉组。西部白彦花铀矿赋矿层赛汉组下段为灰色、灰绿色砂岩夹灰色泥岩、碳质泥岩和薄煤层，岩石中富含炭化植物碎屑、黄铁矿等还原介质，上段发育少量灰黄色砂岩，钻孔揭露沉积厚度达150 m。上覆地层为二连组，下段为褐红色砂岩夹粉砂岩，上段为褐红色泥岩夹粉砂质泥岩，钻探揭露厚度约130 m。二连组与赛汉组构成完整的“红黑”岩系对偶沉积结构，铀矿体位于灰色层上部，距离红层20~45 m，平均26 m。东部哈达图、巴彦乌拉、陆海、恩格日音矿床成矿地质条件相似，赋矿层均为赛汉组。陆海铀矿赛汉组上段上部为曲流河沉积，岩性主要由砖红色粉砂岩、泥岩夹薄层的细砂岩组成，上部被古近系伊尔丁曼哈组褐红色、砖红色泥岩不整合覆盖。上段下部为辫状河沉积，沉积物以粗碎屑沉积为主，岩性为浅灰色、灰色及灰黄色中粗砂岩、砂质砾岩夹绿色泥岩、粉砂岩，含大量的炭屑、黄铁矿等还原性介质，也是主要的赋矿层。赛汉组中段以滨浅湖相灰色、黑色泥岩、碳质泥岩为主。赛汉组上段上部和伊尔丁曼哈组的红层（约80 m）与赛汉组上段下部和中段黑层（约160 m）构成完整的“红黑”岩系对偶沉积结构，矿体距离上部红层0~45 m，平均19 m。盆地中部努和廷赋矿层是二连组，钻探揭露厚度约200 m，下段以砖红色、灰黄色砂岩、砂质砾岩、泥质砂岩为主，与上段接触部位可见灰色、深灰色细砂岩、泥质粉砂岩。上段以灰色、深灰色、灰绿色泥岩、碳质泥岩、粉砂岩为主，含大量炭屑等还原介质，是主要的赋矿层，少量的铀矿赋存在下部粗砂岩或砾岩层中，赋矿层顶部被古近系砖红色、褐红色砂质泥岩不整合覆盖，距离上部红层约20~25 m（Bonnetti et al.，2015）。
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Fig.10 The distributions of sandstone-type uranium deposits compared with red and black double beds in Erlian basin (Baiyanhua deposit from Li Tong et al., 2022; Hadatu deposit from Li Ziying et al., 2022; Engeriyin deposit from Jiang Zhe et al., 2020; Saihangaobi and Bayanwula deposits from Nie Fengjun et al., 2015)
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E—古近系；K2e—上白垩统二连组；K1s—下白垩统赛罕组
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E—Paleocene; K2e—Upper Cretaceous Erlian Formation; K1s—Lower Cretaceous Saihan Formation
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2.7 银额盆地
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银额盆地是砂岩型铀矿勘查程度较低的盆地，白垩纪以来，发育了数个旋回的红色和黑色沉积建造，自下而上有下白垩统巴音戈壁组下段下部、上段下部，苏宏图组上段，银根组上段和上白垩统乌兰苏海组，均发育了厚层的红色、紫红色、黄色沉积建造，其对应地层的下部也发育灰色、灰黑色含煤、炭屑黑色沉积建造，为砂岩型铀矿的形成奠定了坚实的地层基础。目前，发现下白垩统巴音戈壁组是该盆地砂岩型铀矿的主要赋矿层，其次是下白垩统苏宏图组（图11）。巴音戈壁组中已发现的矿床有盆地中部的塔木素特大型铀矿床，盆地东部测老庙地区发现小型砂岩型铀矿床5个，本巴图铀矿产地1处（张成勇等，2023）。巴音戈壁组可划分为5个岩性段：第一段主要为灰黄色砾岩夹紫红色粉砂岩、黄褐色砂质砾岩与紫红色泥岩互层。第二段岩性主要为浅湖相深灰色、灰色泥岩，富含有炭屑、黄铁矿等还原介质。第三段以紫红色、浅红色、褐黄色砂岩、灰色砂岩为主，夹薄层泥岩，整体粒度较粗，为扇三角洲相沉积，底部的灰色砂岩富含有炭屑、黄铁矿等还原介质，是主要赋矿层，赋矿砂体靠近红层或与红层互层。第四段以灰色、深灰色泥岩为主，夹薄层砂岩，发育炭屑、黄铁矿等还原介质，见少量铀矿体。第五段为紫红色、砖红色泥岩夹砂岩为主。巴音戈壁组二段与三段，四段和五段构成完整的两组“黑红岩系”沉积充填结构，前者是主要的赋矿层，后者见少量的铀矿体。苏宏图组泥岩中富含有机质，已发现矿化岩石大都为灰色、灰黑色、暗紫红色泥岩和粉砂岩、砂岩。
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2.8 松辽盆地
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松辽盆地已发现的矿床主要有钱家店矿床和庆5区、11区矿床，赋矿层主要有3套，自下而上分别为上白垩统泉头组（K2q）、姚家组（K2y）和四方台组（K2s），红层和黑色地层沉积充填特征较为明显（图12），为后期铀矿富集提供了物质基础。盆地北部庆5区和11区矿床四方台组沉积特征，下段岩性主要为灰色、灰绿色细砂岩—中粗砂岩以及含砾砂岩，富含炭屑、有机质等还原介质，是主要的赋矿砂体，距离上部红层0~15 m，多与红层互层产出。上段岩性主要为紫红色、褐红色、灰绿色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹灰色、灰绿色砂岩，未见有炭屑发育，沉积厚度350~400 m。四方台组下伏地层为嫩江组（K2n）黑色页岩和油页岩，富含有机质。四方台组上段红层与下段和嫩江组黑层构成完整的“红黑岩系”沉积充填特征。盆地中部钱家店矿床姚家组红层沉积厚度较薄，厚约100~150 m，岩性为红色泥岩和灰色细砂岩、砂岩互层，灰色砂岩为主要的赋矿层，赋矿砂体距离上部红层约0~10 m，多处与红层互层产出。下部为青山口组（K2qn）黑色、绿色砂质泥岩、碳质泥岩，富含有机质，厚度大于200 m。盆地南部泉头组底部灰色砂岩中陆续发现了工业铀矿体，泉头组沉积近2000 m厚的红层，下部岩性以灰色砂岩夹棕红色泥岩，上部以棕红色泥岩夹灰色砂岩为主，自下而上表现出砂逐渐减少泥逐渐增多的特征。泉头组下伏地层为沙河子组（K1s）灰色、灰黑色碳质泥岩和煤层，为富有机质建造。
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Fig.11 The distributions of sandstone-type uranium deposits compared with red and black double beds in Yin'e basin (Tamusu deposit from Liu Bo et al., 2020; Benbatu deposit from Zhang Chengyong et al., 2023)
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K1b2-3—下白垩统巴音戈壁组上段三岩段；K1b2-2—下白垩统巴音戈壁组上段二岩段；K1b2-1—下白垩统巴音戈壁组上段一岩段
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K1b2-3—3rd submember of upper member of Lower Cretaceous Bayingebi Formation; K1b2-2—2nd submember of upper member of Lower Cretaceous Bayingebi Formation; K1b2-1—1st submember of upper member of Lower Cretaceous Bayingebi Formation
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图12 松辽盆地红层、黑层沉积充填特征及铀矿富集规律（钱家店铀矿据金若时等，2017; 大庆长垣南端铀矿据汤超等，2023; Jia Jianliang et al.，2023；双辽铀矿点据邓福理等，2022；安庆铀矿点据邢作昌等，2021）
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Fig.12 The distributions of sandstone-type uranium deposits compared with red and black double beds in Songliao basin (Qianjiadi deposit from Jin Ruoshi et al., 2017; deposit of the southern Daqing-Changyuan uplift from Tang Chao et al., 2023; Jia Jianliang et al., 2023；Shuangliao ore occurrence from Deng Fuli et al., 2022; Anqing ore occurrence from Xing Zuochang et al., 2021)
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3 红层、黑层地球化学与铀富集机理
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国内外砂岩型铀矿的成矿作用与赋矿层的氧化还原条件直接相关已是共识，“红黑岩系”控层指导了勘查实践，并取得了重要突破。本次工作，系统对比北方盆地不同矿床（矿产地）红层、黑层、赋矿层Fe2+/Fe3+比值、有机碳含量（TOC%）、总硫含量（S%）等标识氧化还原能力的地球化学指标特征（表1），探讨了其与砂岩型铀成矿的关系。
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3.1 有机碳与砂岩型铀矿
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北方不同产铀盆地、不同矿床的红层、黑层、赋矿层总有机碳、总硫等含量差异较大。 ① 伊犁盆地阔斯加尔地区铀矿床有机碳含量：红层平均值为0.09%（n=183），赋矿层平均值为0.49%（n=330），黑层平均值为0.31%（n=440），三者比值为1∶5.4∶3.4。总硫含量：红层平均值为0.03%（n=28），赋矿层平均值为0.54%（n=281），黑层平均值为0.44%（n=345），三者比值为1∶18∶14.7。② 吐哈盆地十红滩地区铀矿床有机碳含量：红层为0.01%~0.09%，平均值0.03%（n=17）；赋矿层为0.01%~1.22%，平均值0.27%（n=23）；黑层为0.01%~1.85%，平均值0.44%（n=87），三者比值为1∶9∶14。总硫含量：红层为0.01%~0.03%，平均值0.02%（n=11）；赋矿层为0.05%~1.12%，平均值0.27%（n=12）；黑层为0.01%~4.00%，平均值0.21%（n=69），三者比值为1∶13.5∶10.5。③ 二连盆地努和廷地区、马尼特坳陷铀矿床有机碳含量：红层平均值为0.06%（n=85），赋矿层为0.01%~0.93%，平均值0.27%（n=17），黑层为0.11%~1.14%，平均值0.37%（n=18），三者比值为1∶4.5∶6.17。总硫含量：赋矿层为0.02%~1.77%，平均值0.80%（n=15）；黑层为0.09%~1.00%，平均值0.33%（n=18），二者比值为1∶0.36。④ 松辽盆地通辽地区铀矿床有机碳含量：红层为0~0.33%，平均值0.08%（n=23）；赋矿层为0.09%~1.17%，平均值0.39%（n=11）；黑层为0.05%~2.72%，平均值0.90%（n=13），三者比值为1∶4.9∶11.3。总硫含量：红层为0.01%~0.02%，平均值0.01%（n=3）；赋矿层为0.96%~2.54%，平均值1.85%（n=4）；黑层为0.14%~0.25%，平均值0.20%（n=3），三者比值为1∶185∶20。松辽盆地大庆长垣南部上白垩统四方台组的有机碳含量：赋矿层为0.02%~1.51%，平均值0.46%（n=9）；黑层为0.02%~1.69%，平均值0.46%（n=11），二者有机质含量相当。总硫含量：赋矿层为0.05%~2.32%，平均值0.56%（n=5）；黑层为0.03%~0.08%，平均值0.05%（n=5）。⑤ 鄂尔多斯盆地西南缘泾川油气田区铀矿床有机碳含量：红层为0.02%~0.08%，平均值0.04%（n=60）；赋矿层为0.06%~0.11%，平均值0.07%（n=19）；黑层为0.04%~0.41%，平均值0.10%（n=59），三者的比值为1∶1.75∶2.5。总硫含量：红层为0~0.04%，平均值0.01%（n=10）；黑层为0.01%~0.15%，平均值0.06%（n=26），二者比值为1∶6。鄂尔多斯盆地东北缘、西缘、东南缘煤田区铀矿床有机碳含量：红层为0.01%~0.11%，平均值0.06%（n=11）；赋矿层为0.01%~11.2%，平均值0.81%（n=64）；黑层为0.01%~6.90%，平均值0.49%（n=175），三者比值为1∶13.5∶8.2。总硫含量：红层为0.01%~0.19%，平均值0.06%（n=9）；赋矿层为0.02%~6.50%，平均值0.66%（n=55）；黑层为0.01%~25.94%，平均值1.07%（n=163），三者比值为1∶11∶17.8。综上，煤田区红层、赋矿层、黑层的总有机碳含量的中位数分别为：0.02%（n=27）、0.17%（n=98）、0.24%（n=265），油田区红层、赋矿层、黑层总有机碳含量的中位数分别为0.04%（n=80）、0.09%（n=39）、0.09%（n=74）（图5），整体来看赋矿层和黑色层有机质含量接近，赋矿层和黑色层有机质含量为红层的2~12倍；煤田区红层、赋矿层、黑层的总硫含量中位数分别为：0.02%（n=20）、0.19%（n=83）、0.12%（n=247），油田区红层、赋矿层、黑层的总硫含量中位数分别为0.01%（n=13）、0.96%（n=9）、0.07%（n=34），煤田区赋矿层和黑色层硫含量为红层的约6~9.5倍，油田区黑色层硫含量为红层的约7倍，但油田区含矿层硫含量出现了显著升高，推测可能为油气还原成矿作用所致。此外铀与有机碳、硫含量并非线性正相关（图13）。
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注：表中2.10~14.2，5.96（17）数值含义：2.10~14.2为范围，5.96为平均值，17为样品数。
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3.2 岩石地球化学与铀富集机理
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北方盆地典型矿床的红层、赋矿层、黑层三者的环境地球化学指标规律性变化较大。Fe2+/Fe3+比值是反映氧化还原条件的重要指标，对砂岩型铀矿富集具有重要的指示意义。一般认为，Fe2+/Fe3+＞1为还原环境，Fe2+/Fe3+＜1为氧化环境（赵振华，1997）。红层的Fe2+/Fe3+比值一般小于1，伊犁盆地中侏罗统头屯河组中上部红层、鄂尔多斯盆地中侏罗统直罗组上部红层、鄂尔多斯盆地下白垩统洛河组红层、松辽盆地上白垩统姚家组红层的Fe2+/Fe3+平均值分别为0.57（n=131）、0.62（n=9）、0.85（n=49）、0.64（n=20），均显示出相对较强的氧化环境。煤田区赋矿层、黑色层的Fe2+/Fe3+比值均大于1，显示较强的还原环境，赋矿层一般发育炭屑和黄铁矿等，而黑色层发育多层煤线和大量草莓状黄铁矿，且二者比值基本一致：① 吐哈盆地十红滩地区赋矿层Fe2+/Fe3+比值为1.41~3.36，平均值为2.12（n=3），黑色层的Fe2+/Fe3+比值为0.71~14.63，平均值为3.07（n=61）。② 伊犁盆地阔斯加尔地区赋矿层Fe2+/Fe3+平均值为1.32（n=177），黑色层平均值为2.05（n=239）。③ 鄂尔多斯盆地东北缘赋矿层Fe2+/Fe3+比值为1.00~11.32，平均值为4.29（n=30），黑层Fe2+/Fe3+比值为0.94~53.97，平均值为4.38（n=103）。而油气田区赋矿层、黑色层的Fe2+/Fe3+比值较煤田区显著升高：① 松辽盆地南部钱家店地区赋矿层Fe2+/Fe3+比值为2.33~6.98，平均值为3.99（n=11），黑层Fe2+/Fe3+比值为0.58~12.87，平均值为5.29（n=13）。② 鄂尔多斯盆地西南缘赋矿层Fe2+/Fe3+比值为3.07~26.46，平均值为15.27（n=17），黑层Fe2+/Fe3+比值为0.61~37.44，平均值为5.28（n=53）。整体来看，煤田区与油田区红层的Fe2+/Fe3+比值基本小于1，二者中位数分别为0.56（n=9）、0.80（n=69）。赋矿层和黑色层Fe2+/Fe3+比值均大于1，煤田区赋矿层和黑色层Fe2+/Fe3+比值的中位数分别为4.02（n=33）、2.61（n=163），油田区黑色层Fe2+/Fe3+比值的中位数为3.01（n=64），三者基本一致。而油田区赋矿层Fe2+/Fe3+比值的中位数为6.03（n=19），可能为油气还原作用所致（图14）。
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图13 北方盆地含铀岩系有机质（TOC）和总硫（S） 含量箱式图
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Fig.13 Box plots of organic carbon (TOC) and total sulfur (S) of the typical basins in northern China
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图14 北方盆地含铀岩系Fe2+/Fe3+比值箱式图
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Fig.14 Box plots of Fe2+/Fe3+ of the typical basins in northern China
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整体来看，黑色层、赋矿层地球化学数据显示，除部分典型油田区砂岩型铀矿床外，二者的还原能力基本一致，赋矿层为黑色层的一部分，一般位于黑色层的顶部，被红层覆盖，这一过渡位置为铀元素沉淀成矿的有利部位。由于绿色岩层的氧化还原指标与红层非常相似，鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿位于绿色层下部灰色砂岩层内，致使赋矿层与红层的距离多处大于数百米。红层氧化能力较强，是含氧含铀流体的运移层位，同时约束了流体的运移方向，持续不断的耗散下伏黑层中的有机质，导致矿体一般呈板状或楔状向盆地内部迁移。红层和黑层所具备的氧化还原能力联合约束了铀元素的迁移、富集及最终定位。关于砂岩型铀矿的矿体形态，一直流行的认识是美国学者提出的“卷状矿体”（Shawe，1956），到目前为止也一直是多数学者的主流观点。近年来，一些学者根据水文地质学原理和大量的煤田、油田、铀矿钻孔数据，提出了板状和堆状矿体的新观点（金若时等，2022a），并认为板状矿体是中国北方盆地内砂岩型铀矿的主要矿体形态。由于砂岩型铀矿受表生流体控制，形态复杂多样，需要进一步开展典型矿床和更大尺度矿体形态的研究。
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4 砂岩型铀矿成矿模式
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全球90%以上的砂岩型铀矿赋存于中—新生界中，有趣的是不同地层中铀成矿作用集中在中新世及其之后爆发（Cheng Yinhang et al.，2019，2020a，2020b；文思博等，2023）。北方盆地主要赋矿层为侏罗系、白垩系、新近系等，少量铀矿发育在二叠系和三叠系中。中新世是一个非常重要的地质历史时期，期间强烈的板块碰撞、俯冲构造作用奠定了现今的盆山构造格局（Gradstein et al.，2004），为砂岩型铀的超常富集提供了必要的驱动力和构造条件。盆缘巨量的古生代、中生代花岗岩、火山岩等富铀地质体提供了铀源（周乾等，2021; 杨彪等，2021），在富氧表生流体作用下向盆内运移，由于铀元素异常活跃，早期形成的矿床在表生含铀含氧流体作用下发生重新氧化，沿不同时期的红层与黑层过渡带向盆地内部运移，耗散有机质，在新的氧化还原过渡带位置重新富集成矿。科学地解释了铀成矿年龄自晚白垩世以来断断续续出现，集中在中新世以来爆发。随着含氧含铀流体的持续注入，耗散更多的煤、油气、黄铁矿等，大量表生流体携带源区U（VI）被还原为U（IV），向盆地内部、深部还原环境不断运移，像“雪球”一样滚动式前进，并持续富集成矿，这一过程下的表生流体越发育，铀源越充足，持续的时间越长，铀矿的规模也会越大。这些含氧含铀流体经过侏罗系、白垩系、古近系、新近系等不同时代的地层时，在红层与黑层过渡带沉淀成矿，无论是砾岩、砂岩、泥岩，甚至煤层，均会发生铀元素的超常富集，并且不同地层中的成矿时间几乎相同，这也是世界上砂岩型铀矿赋矿层从古生代至新生代、赋矿岩性从泥岩至砾岩的原因，因此，砂岩型铀矿既受影响表生流体运移的构造活动带的约束，地貌多为现代河流分布区，又受到早期赋矿层的控制。矿体形态呈板状或楔状，沿流体流向矿体越来越薄，矿体顶板为“红黑岩系”过渡带，基本保持不变，底板逐渐向“红黑岩系”过渡带靠拢。综上，本文提出了砂岩型铀矿“穿层等时”成矿模式（图15）。
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5 结论
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（1）侏罗纪以来，北方盆地主要发育了7期红层与黑层对偶沉积事件：I中侏罗世—晚侏罗世早期、II早白垩世早期、III早白垩世晚期、IV晚白垩世早期、V晚白垩世晚期—早古近纪、VI早新近纪和VII晚新近纪，为北方盆地大规模铀成矿奠定了基本的赋矿层条件。7期“红黑”耦合沉积建造的厘定极大地拓展了砂岩铀矿的勘查空间，陆续新层位铀矿的发现更说明了完整的“红黑”沉积建造是关键的制约因素。
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（2）红层、赋矿层、黑层三者的环境地球化学指标表明，红层形成于氧化环境，具较强氧化能力，黑色层形成于相对还原环境，具较强还原能力，赋矿层为黑层的一部分。
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（3）黑层的总有机碳含量最高，赋矿层略小于黑层，二者具有较强的还原能力，有机碳含量一般为红层的2~12倍。其中红层为含氧含铀流体的运移层位，过渡带为铀矿的容矿层位，黑层和赋矿层有机碳含量0.01%~2.66%，平均值0.35%，促进了铀元素的富集沉淀。
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图15 砂岩型铀“穿层等时”成矿（底图据Cheng Yinhang et al.，2019及待发表数据）
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Fig.15 Trans-strata mineralization of sandstone-related uranium deposits (after Cheng Yinhang et al., 2019 and data pending publication)
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（4）铀矿体呈“板状”或“楔状”产出于红层和黑层的过渡带，垂向上位于黑层顶部的灰色岩层中。红层和黑层沉积充填的氧化还原能力联合约束了铀元素的迁移、富集及最终定位。
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致谢：中国地质调查局铀矿调查工程（项目）、地矿、煤田、油田、核工业等行业提供了大量的实际材料和成果资料；中国地质调查局铀矿研究团队整理分析了大量的野外原始资料；审稿人提出了建设性意见和建议，在此一并致以诚挚的谢意。
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注释
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❶ 中国石油新疆油田分公司. 准噶尔盆地砂岩型铀成矿主控因素与富集规律研究（2022—2023）.
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❷ 中国地质调查局北方盆地铀矿钻孔数据库（2016—2018）.
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摘要
“红黑”耦合沉积建造是中国北方中—新生代盆地（简称北方盆地）砂岩型铀矿的重要控矿要素之一，在勘查实践中得到了广泛证实和应用，指导发现找矿靶区和矿产地300余处，在成矿理论方面取得重要进展。本文系统总结了北方产铀盆地的60万余米铀矿岩芯钻探成果，通过典型矿床赋矿层沉积学、地球化学等对比研究，系统分析了北方盆地侏罗系、白垩系、新近系等赋矿层形成的沉积环境、物质组成等，进一步明确了制约成矿流体运移、铀矿物沉淀的赋矿层条件。结果显示：① 北方盆地自侏罗纪以来，发育了Ⅰ中侏罗世—晚侏罗世早期（Bathonian-Oxfordian）、Ⅱ早白垩世早期（Valanginian）、Ⅲ早白垩世晚期（Aptian）、Ⅳ晚白垩世早期（Cenomanian）、Ⅴ晚白垩世晚期—早古近纪（Campanian-Thanetian）、Ⅵ早新近纪（Aquitanian-Burdigalian）和Ⅶ晚新近纪（Zanclean-Piacenzian）7期红层，与下伏富还原性组分的黑色层构成了典型的对偶沉积建造，为北方盆地大规模成矿奠定了赋矿层基础。② 地球化学指标显示：红层中Fe2+/Fe3+比值介于0.29~1.47（n=78），黑层Fe2+/Fe3+比值介于0.57~53.96（n=223），赋矿层Fe2+/Fe3+比值介于1.00~26.45（n=52）。赋矿层、黑层Fe2+/Fe3+比值一般大于1，以发育黄铁矿、炭屑、油斑为特征，为相对较还原的环境。红层Fe2+/Fe3+比值一般小于1，以发育钙质结核为特征，为相对较强氧化的环境。③ 总有机碳含量显示红层为0~0.16%（n=107），含矿层为0.01%~2.65%（n=137），黑层为0.01%~2.66%（n=339），含矿层总有机碳含量略低于黑层，与铀矿的富集沉淀有密切关系。④ 砂岩型铀矿体呈“板状”或“楔状”产出于黑层顶部的灰色、灰绿色砂岩和细砂岩，甚至泥岩，红层为含氧含铀流体的运移通道，黑层为含氧含铀流体的富集沉淀的化学屏障。因此，北方盆地红层和黑层对偶沉积、旋回充填是大规模铀成矿必要的地层条件，这些认识打破常规思维，“红黑”旋回叠加导致了北方盆地多层成矿的现象，矿体一般呈板状就位于红层和黑层的过渡带，这对深入理解砂岩型铀矿成矿环境、成矿规律及成矿机理等工作和勘查工作部署具有重要实践意义。
Abstract
The “red-black” coupling sedimentary architecture is one of the most important ore-controlling feature for sandstone-type uranium deposits in the Middle and Cenozoic basins of northern China (hereafter referred to as the Northern basins). This feature has been extensively validated and applied in exploration strategies, leading to the discovery of over 300 prospecting targets and orefields. Concurrently, metallogenic theories have undergone substantial advancements, resulting in a more comprehensive understanding of the processes governing ore formation. This publication summarizes findings from over 600 km of boreholes in the Northern basins. Comparative analyses of sedimentology and geochemistry in typical deposits provide insights into the depositional conditions and material compositions of Cenozoic, Cretaceous, and Jurassic reservoirs. This analysis further reveals the reservoir conditions controlling metallogenic fluid flow and uranium mineral precipitation. The findings demonstrate that the Northern basins have developed seven distinct sets of red beds since the Jurassic: (1) Middle Jurassic-Early Late Jurassic (Bathonian-Oxfordian), (2) Early Cretaceous (Valanginian), (3) Late Early Cretaceous (Aptian), (4) Early Late Cretaceous (Cenomanian), (5) Late Late Cretaceous-Early Paleocene (Campanian-Thanetian), (6) Early Cenozoic (Aquitanian-Burdigalian), and (7) Late Cenozoic (Zanclean-Piacenzian). The red beds and the underlying black organic-rich strata form the foundational reservoir architecture for large-scale uranium mineralization in the Northern basins. Geochemical indicators show distinct Fe2+/Fe3+ ratios: red strata (0.29~1.47, n=78), black strata (0.57~53.96, n=223), and orebodies (1.00~26.45, n=52). Both orebodies and black strata, typically characterized by Fe2+/Fe3+ ratios greater than 1, exhibit features indicative of reducing environment, including the growth of pyrite, carbon debris, and oil spots. Conversely, red strata, with Fe2+/Fe3+ ratios generally less than 1, are characterized by calcareous nodules, signifying an oxidizing environment. Carbon content analysis shows a distinct range: red strata (0~0.16%, n=107), orebodies (0.01%~2.65%, n=137), and black strata (0.01%~2.66%, n=339). Uranium enrichment and precipitation are closely linked to the carbon content in orebodies, which is slightly lower than that of black strata. Red beds, black strata, and sandstone-type uranium ore exhibit a close spatial association. Uranium ore bodies usually occur at the transition zones between red beds and black strata. Oxygenated uranium-bearing fluids migrating through the red beds progressively interact with the reducing medium of the black strata, leading to mineralization that extends deep into the basin's interior. Ore bodies, often tabular in shape, are found in gray, grayish green sandstone, fine sandstone, and even mudstone. Excessive oxidation or reduction inhibits large-scale uranium concentration and mineralization. The cyclic deposition and filling of the red and black strata, creating a “red-black” coupling, are crucial for large-scale uranium mineralization in the Northern basins. This coupling results in multi-layer mineralization, a significant aspect for exploration efforts and understanding the metallogenic environment, ore formation regularity, and metallogenic mechanisms.
