本文选取鄂尔多斯盆地北部西侧的巴音乌素地区为研究区,以沉积学、岩相古地理学、沉积岩石学、矿物学、岩石地球化学以及水成铀矿理论为指导,结合野外典型沉积构造特征、测井曲线特征、镜下微观特征、粒度特征、重矿物类型及其组合特征、碎屑锆石U-Pb年代学特征以及元素地球化学特征,对研究区内中侏罗统直罗组沉积期的沉积背景、沉积体系类型及空间展布特征等进行分析,结合研究区内已发现的铀矿床的矿床地质特征,从古气候、地层、砂体、岩性等方面建立沉积体系与铀成矿之间的关系,深化对两者之间关系的认识。研究区内直罗组下段沉积期以温暖潮湿的气候环境为主,下亚段沉积期至上亚段沉积期逐渐由温暖湿润向炎热干旱的古气候环境转变;在古气候逐渐向炎热干旱转变的背景下,直罗组下段下亚段沉积期的古水流盐度较上亚段沉积期低;下亚段泥岩Fe³⁺/Fe²⁺的平均值为0.37,上亚段泥岩Fe³⁺/Fe²⁺的平均值为1.24,表明下亚段沉积时期以还原水体为主,上亚段沉积时期以弱氧化水体为主,即上亚段沉积期的古水介质氧化能力较下亚段沉积期强;物源分析结果表明直罗组下段碎屑物质的母岩为来源于大洋岛弧和主动大陆边缘构造环境下的太古宙-古元古代的变质岩和中新元古代-古生代的岩浆岩。直罗组下段沉积期发育河流-三角洲沉积体系,以三角洲相为主。下亚段沉积期发育小面积河流相,上亚段沉积期仅发育三角洲相,煤层以及典型的生物成因构造指示研究区在直罗组下段沉积期位于三角洲平原亚相中,根据岩性组合以及测井曲线特征识别出分流河道、决口扇、泥沼和沼泽微相。直罗组下段下亚段沉积时期发育四条主分流河道,分别来自研究区的北西部、北东部和西部,北东部分流河道上游发育小范围河流相,呈北东-南西走向,往南西方向河道频繁分岔,演变为三角洲平原分流河道,即直罗组下段下亚段沉积时期研究区北东部为河流相向三角洲相过渡的相变部位。直罗组下段上亚段沉积时期研究区内不发育河流相,仅发育三条主分流河道,分别来自于研究区的北西部、北东部和西部。分流河道边部发育决口扇微相,分流河道间发育泥沼和沼泽微相,以细粒泥质沉积为主,为分流河道砂体提供了稳定的顶底板隔水层。对比直罗组下段上、下亚段砂岩岩石学特征和砂体特征发现,下亚段砂岩粒度较上亚段粗、成熟度较上亚段低,砂体规模和厚度较上亚段大,含砂率较上亚段高,指示直罗组下段下亚段沉积期水动力条件强,碎屑物质搬运距离较小,物源供给充足,表明由直罗组下段下亚段沉积期至上亚段沉积期为河退湖进、源区后退的过程。三角洲平原分流河道砂岩以中-粗粒长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主,砂岩孔隙度和渗透率极好,砂岩中含有大量的炭质碎屑和黄铁矿,是铀沉淀富集有利的还原剂;横向上分流河道砂体连通性好,单层砂体厚度适中,垂向上“泥-砂-泥”结构发育,为层间氧化带发育提供理想的流体单元;平面上沉积微相频繁变化,地层非均质性特征明显,渗透性差的泥岩的物理阻隔作用增加了流体与岩石的反应时间,有利于铀的还原沉淀。目前已发现的铀矿体主要分布在砂体厚度和含砂率变化以及不同沉积微相之间的过渡部位,沉积微相改变的部位最有利于矿体的赋存。结合砂体平面展布图、沉积微相平面展布图和氧化还原分带平面展布图,在直罗组下段下亚段圈定出两个有利成矿地段,在直罗组下段上亚段圈定出三个有利成矿地段,其中下亚段有利成矿地段位于研究区的北西部和东部,上亚段有利成矿地段位于研究区的南西、南东和东部地区,以上地区可作为下一步铀矿勘查的重点区域。