東勝深部直羅組沉積環(huán)境與砂巖型鈾礦發(fā)育

宋洪柱，左明星，江 濤，劉 娟

(中國煤炭地質(zhì)總局第一勘探局，河北邯鄲 056004)

1 地質(zhì)概況

1.1 研究區(qū)位置

鄂爾多斯盆地是我國僅次于塔里木盆地的大型沉積盆地，面積約25×104km2。鄂爾多斯盆地主要為太古宙、古元古代的變質(zhì)巖基底，是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的大型內(nèi)陸拗陷盆地。盆地南緣緊鄰渭河斷陷，南界大致位于渭河河谷一線；北緣緊鄰河套斷陷，北界大致在烏拉山-大青山一線；東界應(yīng)在大同-義馬一線以東；西界位于賀蘭山西麓-青銅峽-固原一線[1]。本次研究的范圍位于鄂爾多斯盆地北部東勝市西部，屬于東勝深部勘查區(qū)，主要位于烏審旗-杭錦旗-鄂托克旗-伊金霍洛旗一帶(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置圖Figure 1 Study area location

1.2 構(gòu)造特征

鄂爾多斯盆地北部直羅組沉積于構(gòu)造較穩(wěn)定的拗陷期；安定組之后的晚侏羅世(J3)，結(jié)束了盆地的沉降歷史，盆地?cái)D壓隆起，為并較長(zhǎng)時(shí)間處于剝蝕階段，造成了地層的傾斜，沉積主體表現(xiàn)為自北而南的緩傾[2]。

早白堊世，鄂爾多斯盆地由克拉通盆地轉(zhuǎn)為伸展斷陷盆地，盆內(nèi)構(gòu)造作用表現(xiàn)為斷塊活動(dòng)。盆地的斷塊活動(dòng)直接制約了盆地的沉積響應(yīng)和層序特征，正是由于不同斷塊的差異活動(dòng)，形成了鄂爾多斯盆地北部早白堊世盆地演化存在兩期不同的動(dòng)力學(xué)背景[3]：

①早白堊世早期。盆地東部隆起，地層西傾，表現(xiàn)為東部斷塊北東向及近南北向構(gòu)造的作用。

②早白堊世晚期。盆地北部及西部隆起，北部邊緣地層?xùn)|傾，西部邊緣地層南傾，盆地西緣明顯向東推進(jìn)。表現(xiàn)為西部斷塊南北向及北部斷塊東西向的構(gòu)造作用。

1.3 地層發(fā)育

直羅組上段是在干旱、半干旱古氣候環(huán)境下沉積而成，巖性以紫紅色、棕紅色、絳紫色為主。屬高彎度曲流河沉積體系，洪泛平原相沉積發(fā)育，巖性組合為砂泥互層頻繁出現(xiàn)，曲流河沉積的二元結(jié)構(gòu)特征明顯；直羅組下段是在潮濕、半潮濕的古氣候環(huán)境下沉積而形成，砂體以辮狀河、曲流河相沉積為主，形成了以砂巖為主的粗碎屑巖建造。根據(jù)直羅組下段沉積過程中不同階段的沉積特點(diǎn)及其巖性結(jié)構(gòu)，可分為上亞段和下亞段。

上亞段為低彎度曲流河沉積體系，砂體呈條帶狀，巖相變化大，分布較局限，同樣具有洪泛平原沉積發(fā)育、二元結(jié)構(gòu)明顯、砂泥互層頻繁出現(xiàn)等特點(diǎn)，局部有鈾礦化顯示，是找礦的次要目的層位；下亞段為潮濕環(huán)境下的砂質(zhì)辮狀河沉積體系，表現(xiàn)為砂體多出現(xiàn)在深切谷的位置，具有填平補(bǔ)齊的沉積特征。在垂向上由多個(gè)從粗砂到細(xì)砂(或粉砂巖、泥巖) 的正韻律層疊置而成，呈泛連通的網(wǎng)絡(luò)狀，是區(qū)內(nèi)主要的鈾礦化層。

2 直羅組沉積環(huán)境特征

2.1 沉積環(huán)境標(biāo)志

在前人研究成果和直羅組劃分的基礎(chǔ)上，本研究有針對(duì)性地對(duì)直羅組下段開展沉積相研究。根據(jù)巖性及巖性組合、粒度分布特征、砂體厚度及平面展布等研究[4]，認(rèn)為研究區(qū)直羅組主要以河流沉積為主，直羅組下段主要為辮狀河沉積，偶有曲流河沉積，上段主要為曲流河沉積，也可見到辮狀河沉積。

2.1.1 辮狀河相

研究區(qū)直羅組主要發(fā)育礫質(zhì)辮狀河亞相、砂質(zhì)辮狀河亞相。

礫質(zhì)辮狀河亞相(圖2)主要分布在研究區(qū)東北部地區(qū)。垂向沉積組合主要由底部滯留沉積、心灘沉積組成。底部滯留沉積主要為礫巖、粗砂巖及中粗砂巖。礫徑多為2～5cm，大者可超過5cm，分選性一般，測(cè)井曲線呈箱形。礫巖具有北厚南薄的特點(diǎn)，厚度在幾十厘米到上百米不等，這些特征反映該地區(qū)距物源相對(duì)較近。心灘沉積主要為粗砂巖和中粗砂巖，砂體厚度大，沉積構(gòu)造以大型槽狀交錯(cuò)層理和板狀交錯(cuò)層理為主。

礫質(zhì)辮狀河亞相 砂質(zhì)辮狀河亞相 曲流河相 圖2 東勝深部直羅組沉積相特征Figure 2 Zhiluo Formation sedimentary facies features in deep part Dongsheng coalfield

砂質(zhì)辮狀河流亞相(圖2、圖3)主要研究區(qū)廣泛分布。河道充填垂向沉積組合主要有河床滯留沉積和心灘及邊灘沉積。其中河床滯溜沉積為塊狀復(fù)成分礫巖、砂礫巖。礫石主要由石英質(zhì)巖組成，少量為花崗質(zhì)和變質(zhì)礫巖，磨圓及分選性均較好，測(cè)井曲線呈鐘形。心灘和邊灘沉積以縱向砂壩和橫向砂壩為主，巖性主要為中砂巖、中粗砂巖和中細(xì)粒砂巖。沉積構(gòu)造發(fā)育有大型槽狀交錯(cuò)層理和板狀交錯(cuò)層理。測(cè)井曲線表現(xiàn)為較大幅度的箱形或鐘形，頂、底界面一般為突變型，也有底部突變型和頂部漸變型。

圖3 東勝深部直羅組辮狀河沉積序列Figure 3 Zhiluo Formation braided river sedimentary successions in deep part Dongsheng coalfield

2.1.2 曲流河相

曲流河相(圖2，圖4)在研究區(qū)分布也較廣，垂向沉積組合主要由底部滯留沉積、邊灘沉積和決口扇沉積組成，二元結(jié)構(gòu)明顯。河道底部的滯留沉積以粗砂巖和含礫粗砂巖為主，中、細(xì)粒砂巖較少。沉積構(gòu)造以中小型槽狀交錯(cuò)層理為主。邊灘沉積主要以中砂巖、中粗砂巖及細(xì)砂巖為主。砂體下部具大型槽狀或板狀交錯(cuò)層理，中上部為小型槽狀交錯(cuò)層理，頂部有時(shí)出現(xiàn)水平層理，具典型的正韻律結(jié)構(gòu)。測(cè)井曲線的外形呈圣誕樹形或鐘形。決口扇沉積以細(xì)砂巖、粉砂巖為主，在決口水道底部可見薄層中、粗砂巖，沉積構(gòu)造主要為小型交錯(cuò)層理，局部發(fā)育中型交錯(cuò)層理。

圖4 東勝深部直羅組曲流河沉積序列Figure 4 Zhiluo Formation meandering river sedimentary successions in deep part Dongsheng coalfield

2.2 單井、連井沉積相

東勝深部地區(qū)直羅組主要發(fā)育辮狀河沉積和曲流河沉積，在不同的地區(qū)，沉積相發(fā)育類型不同，在垂向沉積序列上也表現(xiàn)為特征各異，主要存在三種類型[5]。

①以辮狀河沉積為主的序列。以辮狀河沉積為主的地區(qū)主要分布在西北部杭錦旗以西的地區(qū)和東南部烏審旗地區(qū)，其他地區(qū)有有分布。該地區(qū)地層主要為中砂巖、粗砂巖、細(xì)砂巖、含礫砂巖為主，交錯(cuò)層理等。自然伽馬測(cè)井曲線呈箱形。細(xì)粒沉積主要為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖等，主要為塊狀層理。垂向沉積序列的二元結(jié)構(gòu)部清楚，細(xì)粒沉積段發(fā)育較差(圖5)。

②辮狀河和曲流河沉積為主的序列。在研究區(qū)分布也較為廣泛，一般下亞段發(fā)育辮狀河沉積為主，上亞段和上段沉積曲流河為主，但局部也可見辮狀河沉積。主要是中砂巖、粗砂巖、細(xì)砂巖、含礫砂巖為主，自然伽馬測(cè)井曲線呈箱形。曲流河道砂巖主要為細(xì)砂巖，可見交錯(cuò)層理、平行層理等。自然伽馬測(cè)井曲線呈松塔形。

③河道間或泛濫平原沉積為主的序列。在研究區(qū)東南部、西南部、中東部等地區(qū)分布，局部發(fā)育河道砂體，主要為河道間或泛濫平原沉積。主要為細(xì)粒沉積，主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、粉砂巖等，巖石主要由泥質(zhì)成分組成泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀結(jié)構(gòu)或水平層理，自然伽馬測(cè)井曲線呈鋸齒狀。

從研究區(qū)中部EW向沉積剖面來看(圖6)，直羅組沉積相在橫向上的變化特征為：西部地層最厚，東部次之，中東部最薄，呈現(xiàn)東西凹中間隆的特征；西部砂巖發(fā)育最多，厚度最大，占地層總厚度比例最高，向中東部地層變薄地區(qū)砂巖變薄，同樣?xùn)|部地區(qū)砂巖含量中等，向中東部地層變薄地區(qū)砂巖變薄。西部地區(qū)，下亞段早期發(fā)育曲流河，之后一直到上段早期，均發(fā)育辮狀河，上段晚期發(fā)育曲流河； 自西向東，辮狀河發(fā)育逐漸變?nèi)?。中東部地區(qū)很少發(fā)育河道砂體,主要為河道間和泛濫平原沉積。東部地區(qū)砂體較西部少，主要為細(xì)砂巖，二元結(jié)構(gòu)清楚，主要為辮狀河沉積。

圖5 東勝深部直羅組柱狀圖Figure 5 Deep part Dongsheng coalfield Zhiluo Formation column

圖6 東勝深部直羅組沉積相斷面圖(E-W)Figure 6 Deep part Dongsheng coalfield EW sedimentary facies section

2.3 沉積相展布

在整理和總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上[6-8]，結(jié)合野外露頭考察，進(jìn)行了沉積相分析，以直羅組下段砂體厚度、砂巖/泥巖比值分布情況為基礎(chǔ)，遵照瓦爾特相變規(guī)律，采用單因素分析和多因素綜合作圖法[9]，研究得出鄂爾多斯盆地東北部直羅組下段的沉積相平面分布特征。

研究區(qū)直羅組厚度在7.79～ 101.72m，平均56m。整體表現(xiàn)為西部、西南部厚最，東南部次之，北部和南部薄，地層厚度較大的地區(qū)大致呈NW-SE向展布；砂巖厚度在4.76～59.23m，砂巖較厚的地區(qū)整體呈NW-SE向展布，大致反映了古河道的位置；砂泥巖比值一般在1以內(nèi)，個(gè)別地方砂泥比值較高。在古河道的位置，這些砂泥比值較高，大致呈NW-SE向展布，在東北部、中北部、中西部和東南部河道間和泛濫平原沉積的位置砂泥比值較低。

在綜合分析研究區(qū)直羅組下段厚度與分布、砂巖厚度與分布、砂泥巖比值分布等因素的基礎(chǔ)上，恢復(fù)出直羅組下段上亞段和下亞段沉積期的沉積相分布[10]。河流自NW流向SE，河道間為泛濫平原沉積。下亞段時(shí)期河流主要以辮狀河為主，河道分布大致呈傾斜的“H”行分布，河道內(nèi)有心灘發(fā)育(圖7)。上亞段時(shí)期辮狀河和曲流河均有發(fā)育，由于資料點(diǎn)的密度和不同河流環(huán)境的垂向演化，難以進(jìn)一步區(qū)分。主要有三條NW-SE向河流，河道之間又相互連通(圖8)。

圖7 東勝深部14-10孔直羅組砂巖鈾GR異常柱狀圖Figure 7 Deep part Dongsheng coalfield borehole No.14-10 Zhiluo Formation sandstone-type uranium gamma ray anomaly columns

圖8東勝深部14-10孔直羅組砂巖鈾GR異常柱狀圖

圖8 東勝深部n1-2孔直羅組砂巖鈾GR異常柱狀圖Figure 8 Deep part Dongsheng coalfield borehole N1-2 Zhiluo Formation sandstone-type uranium gamma ray anomaly columns

3 沉積環(huán)境與砂巖型鈾礦發(fā)育

3.1 砂巖鈾礦識(shí)別方法

東勝砂巖型鈾礦具有一定的獨(dú)特性，根據(jù)鄂爾多斯盆地東北部東勝地區(qū)鈾成礦控礦規(guī)律，可以從如下幾方面砂巖型鈾礦進(jìn)行的識(shí)別。

①有利成礦砂體。位于氧化還原分帶附近的河流相、三角洲分流河道等具有一定規(guī)模，含泥量少，滲透性、連通性和成層性好的砂體[11]。

②氧化還原分帶。砂巖型鈾礦區(qū)主要出現(xiàn)在氧化還原過渡帶與還原帶的分界處，少數(shù)發(fā)育在過渡帶或還原帶內(nèi)[12]。

③灰綠色砂巖指導(dǎo)找礦。東勝地區(qū)砂巖型鈾礦床不同于一般層間氧化帶砂巖型鈾礦，在該礦床目標(biāo)層中出現(xiàn)了具有獨(dú)特的特征的灰綠色砂巖?；揖G色砂巖總體分布于東勝地區(qū)的北部和東北部，對(duì)找礦具有重要指導(dǎo)意義[13]。

④自然伽馬測(cè)井的高異常。砂巖含鈾量較高時(shí)，常表現(xiàn)出自然伽馬值較高，這是識(shí)別研究區(qū)砂巖型鈾礦存在的最直接的方法和手段。將研究區(qū)砂巖的自然伽馬值大于1.5 pA/kg的層段視為鈾異常點(diǎn)，在研究區(qū)50余個(gè)鉆孔中共識(shí)別出直羅組砂巖鈾異常鉆孔15個(gè)，鈾異常層位點(diǎn)25個(gè)，鈾異常層位在直羅組下段的下亞段和上亞段均有分布。

通過鉆孔對(duì)比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)北部杭錦旗地區(qū)砂巖異常集中分布區(qū)的鈾異常主要發(fā)育在上亞段，垂向上異常層位有三個(gè)，中間的層位分布較廣，上下部異常層位分布局限。南西部鈾異常集中分布區(qū)鈾異常層位在下亞段和上亞段均有發(fā)育，垂向上每個(gè)亞段均存在兩個(gè)鈾異常層位，下亞段底部的鈾異常層位較穩(wěn)定，下亞段上部的鈾異常層位分布較局限；上亞段的兩個(gè)鈾異常層位均不穩(wěn)定。

3.2 沉積環(huán)境與鈾礦發(fā)育

在研究區(qū)50余個(gè)鉆孔中共識(shí)別出直羅組砂巖鈾異常鉆孔15個(gè)，鈾異常層位點(diǎn)25個(gè)，鈾異常層位在直羅組下段的下亞段和上亞段均有分布。東勝深部直羅組下亞段砂巖鈾異常分布范圍較少，主要分布在研究區(qū)西南部(16-1孔、3-1孔、3-2孔、3-3孔、3-4孔、3-6孔、14-1孔)和中部(9-2孔)；上亞段砂巖鈾異常分布范圍較多，主要分布在研究區(qū)西南部(13-1孔、14-1孔、3-1孔、3-2孔、3-3孔、3-4孔、3-5孔、14-1孔)、東南部(by5-1孔)和北部(4-2孔、1-7孔、1-8孔、N1-2孔)(圖9、圖10)。

圖9 東勝深部直羅組下亞段砂巖鈾異常分布 與沉積相帶展布圖Figure 9 Deep part Dongsheng coalfield Zhiluo Formation lower submember uranium anomalies distribution and sedimentary facies extension diagram

本區(qū)底河道型砂巖鈾礦化產(chǎn)出層位為溫濕氣候條件下的直羅組下段辮狀沉積砂體，而與晚期干旱炎熱氣候條件下的高彎度曲流沉積砂體無關(guān)。

東勝深部直羅組早期(下亞段)辮狀沉積形成的一套灰色沉積建造，多局限在辮狀深切谷發(fā)育部位，沉積碎屑顆粒較粗，以粗砂至中粗砂為主，富含有機(jī)質(zhì)和還原物質(zhì)。該辮狀沉積砂體在東勝南部出現(xiàn)砂體粒度的明顯變細(xì)和洪泛沉積，沉積相組合由原來的河道沉積、心灘沉積組合過渡為河道沉積、邊灘沉積和洪泛沉積組合，即河流沉積由辮狀沉積總體上向曲流沉積演變，在這種過渡相帶部位，沉積物成分上更富含還原組分，成為鈾成礦的最理想地段。從砂巖自然伽馬異常分布來看，鈾異常砂巖主要分布在研究區(qū)西南部河道砂體中(圖9)，中部的鈾異常點(diǎn)分布在河道間的泛濫平原內(nèi)。

直羅組中期(上亞段)主要發(fā)育辮狀河和曲流河沉積，沉積碎屑顆粒變細(xì)，其中砂以中粗砂至中細(xì)砂為主，與粉細(xì)砂或泥頻繁互層產(chǎn)出，見多層河沼相薄煤層，河道砂體基本上呈“準(zhǔn)板狀”出現(xiàn)，曲流河沉積具有典型的“二元結(jié)構(gòu)”；河道沉積砂體常與下段的辮狀沉積砂體交疊在一起形成多個(gè)“疊置式砂體”而導(dǎo)致砂體的突然增厚并與下部砂體貫通。由于資料點(diǎn)的密度問題，本研究沒有進(jìn)一步細(xì)分曲流河與辮狀河沉積，而是統(tǒng)一劃分為河道沉積和泛濫平原沉積(圖10)。從砂巖自然伽馬異常分布來看，鈾異常砂巖主要分布在研究區(qū)北部、西南部、東部河道砂體的邊部，北部的鈾異常點(diǎn)和西部的鈾異常點(diǎn)分布在河道間的泛濫平原內(nèi)，精細(xì)分析發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)異常點(diǎn)出現(xiàn)在小規(guī)模的河道砂體中。

圖10 東勝深部直羅組上亞段砂巖鈾異常分布 與沉積相帶展布圖Figure 10 Deep part Dongsheng coalfield Zhiluo Formation upper submember uranium anomalies distribution and sedimentary facies extension diagram

直羅組下段鈾異常的河道砂體厚度變化較大，下亞段砂體厚度在11.2～62.5m，平均42.9m，鈾異常砂巖厚度在35～65m；上亞段砂體厚度在7.0 ～49.6m，平均29.0m，鈾異常砂巖厚度大都分布在20～35m，表明該厚度區(qū)間是直羅組下段有利于砂巖鈾異常發(fā)育的厚度區(qū)間(表1)。

直羅組晚期(上段)為曲流河沉積階段，該巖性段廣布于東勝地區(qū)，與早、中期沉積的區(qū)別在于氣候環(huán)境發(fā)生了明顯的改變，由原來的溫暖潮濕轉(zhuǎn)向干旱炎熱[14-15]。沉積碎屑中砂以中粗砂至中細(xì)砂為主，與紅色泥及薄層粉細(xì)砂組合交互產(chǎn)出，局部能見灰黑色的河沼泥，見較多鈣化木，河道沉積組合與非河道沉積組合分異明顯，具曲流河沉積典型的“二元結(jié)構(gòu)”。

表1 東勝深部直羅組鈾異常砂巖厚度表Table 1 Deep part Dongsheng coalfield Zhiluo Formation uranium anomaly sandstone thicknesses

4 小結(jié)

①研究區(qū)直羅組發(fā)育的辮狀河相和曲流河相，早期主要發(fā)育辮狀河沉積，中期發(fā)育辮狀河和低彎度曲流河，晚期主要發(fā)育曲流河。從辮狀河沉積逐漸過渡為曲流河沉積。

②砂巖含鈾量較高時(shí)，常表現(xiàn)出自然伽馬值較高，這是識(shí)別研究區(qū)砂巖型鈾礦存在的最直接的方法，將研究區(qū)砂巖的自然伽馬值大于1.5 pA/Kg的層段視為鈾異常點(diǎn)，直羅組下亞段鈾異常主要發(fā)育在辮狀河心灘和河道砂體的過渡位置，直羅組上亞段鈾異常主要發(fā)育在河道砂體的外緣。

③下亞段砂巖鈾異常主要分布在西南部河道砂體的外側(cè)，中部的鈾異常點(diǎn)分布在河道間的泛濫平原內(nèi)；上亞段砂巖鈾異常主要分布在北部、西南部、東部河道砂體的邊部，北部的鈾異常點(diǎn)和西部的鈾異常點(diǎn)也出現(xiàn)在小規(guī)模的河道砂體中。