川北303地區(qū)砂巖型鈾礦含礦層位高分辨率層序研究

侯學(xué)文，孫澤軒，熊鴻鴿，李進(jìn)，張亮

（1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；2.核工業(yè)二八〇研究所，四川 廣漢 618300）

自T.A.Cross 提出高分辨率層序地層學(xué)并由鄧宏文教授將其引入國(guó)內(nèi)研究以來(lái)［1-2］，高分辨率層序地層學(xué)在我國(guó)陸相盆地研究中得到迅速推廣及應(yīng)用［3-6］。與經(jīng)典層序地層學(xué)及地震地層學(xué)相比，各級(jí)基準(zhǔn)面旋回的識(shí)別分辨率更高，這也是高分辨率層序地層學(xué)的基礎(chǔ)，適用于陸相層序地層分析［7］。前人針對(duì)川北地區(qū)砂巖型鈾礦的礦床成因、成礦模式、礦化特征、古水文地質(zhì)特征和地球化學(xué)特征等方面做了大量研究工作［8-12］，對(duì)區(qū)內(nèi)砂巖型鈾礦床勘查工作起到了重要的指導(dǎo)作用。本文基于高分辨率層序地層原理及方法，結(jié)合國(guó)內(nèi)有關(guān)陸相盆地層序地層學(xué)的研究與四川盆地砂巖型鈾礦找礦成果［13-17］，對(duì)蒼溪組含礦層位的層序發(fā)育特征進(jìn)行深入研究，并對(duì)層序與砂巖型鈾礦成礦關(guān)系進(jìn)行探討，旨在對(duì)今后在區(qū)內(nèi)從事砂巖型鈾礦找礦工作的同行們提供借鑒與參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

川北303 地區(qū)位于四川盆地北部南江縣境內(nèi)，構(gòu)造位置處于新華向斜的南東翼（圖1），地層產(chǎn)狀平緩，整體上由南東向北西傾斜，巖層傾角一般為1°～15°。

圖1 四川盆地北部地質(zhì)構(gòu)造略圖Fig.1 Geological structure sketch of northern Sichuan Basin

區(qū)內(nèi)出露地層主要為上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組與下白堊統(tǒng)蒼溪組，二者呈平行不整合接觸。上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組主要由紫紅色粉砂巖、泥巖組成，未見(jiàn)鈾礦化。下白堊統(tǒng)蒼溪組由11～13 個(gè)巖石粒度下粗上細(xì)的正向半韻律構(gòu)成，每個(gè)韻律層由下部淺色砂巖和上部紫紅色泥質(zhì)巖組成，各韻律層厚度不等，但沉積特征相似，總厚度為336～539 m。其中底部3 個(gè)韻律為本區(qū)的主要礦化層位，稱蒼溪組含礦段，亦即本文研究的目標(biāo)層位。前人在303地區(qū)先后發(fā)現(xiàn)范家山、花臺(tái)寺、長(zhǎng)河坪等幾個(gè)中小型砂巖型鈾礦床。

2 層序界面識(shí)別

圖2 蒼溪組含礦段層序界面類型Fig.2 Sequence interface types of ore-bearing section in Cangxi Formation

根據(jù)路線地質(zhì)調(diào)查、剖面測(cè)量，結(jié)合鉆井資料，確定研究區(qū)發(fā)育的層序界面主要為不整合面、沖刷面、洪泛面、巖相轉(zhuǎn)換面（圖2）。運(yùn)用高分辨率層序地層學(xué)研究方法，借助于巖性、地層、沉積相特征，在研究區(qū)內(nèi)共識(shí)別出5 個(gè)具等時(shí)意義的層序界面，自上而下依次是SB4、SB3、SB2、F1和SB1（圖3）。

SB4：含礦段第三層與無(wú)礦段之間沖刷面，主要表現(xiàn)為無(wú)礦段底部含礫砂巖與下伏紫紅色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖假整合接觸；局部地段為透鏡狀、薄層狀淺色礫巖與下伏紫紅色泥巖、粉砂巖接觸，在含礦段第三層泥巖中可見(jiàn)龜裂。

SB3：含礦段第二層與第三層之間界面，為沖刷面。通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該界面之上蒼溪組各段砂地比較界面之下砂地比低。該界面之上巖性結(jié)構(gòu)多表現(xiàn)為 “泥包砂”，地層中單向斜層理、側(cè)向加積較發(fā)育；界面之下地層多表現(xiàn)為巨厚層狀砂體之上相對(duì)較薄的泥巖、粉砂巖沉積。

SB2：含礦段第二層與第一層之間界面，為沖刷面。界面之下為區(qū)域上延伸較穩(wěn)定的灰綠色、灰色含礫砂巖、中-細(xì)砂巖，在局部地區(qū)夾有薄層狀有機(jī)質(zhì)、碳質(zhì)碎屑，鈾礦化亦多產(chǎn)在該層底部。界面之上為灰色、灰綠色厚層砂巖，發(fā)育交錯(cuò)層理，常對(duì)下部地層具有沖刷作用，有時(shí)因下切與蒼溪組含礦段第一層砂體連為一起，使鉆孔中含礦段第一層與第二層巖心較難區(qū)分。整體而言，蒼溪組含礦段第一層與第二層在巖性、地層厚度、發(fā)育的沉積構(gòu)造等方面較為相似。

圖3 蒼溪組含礦段充填演化序列與層序劃分示意圖Fig.3 Schematic column showing the filling succession and sequence of ore-bearing section in Cangxi Formation

F1：蒼溪組初始洪泛面，位于SB2界面下部，研究區(qū)內(nèi)部分地區(qū)由于含礦段第二層的侵蝕下切造成含礦段第二層與第一層連為一體，在礦區(qū)內(nèi)不能對(duì)比。在局部地區(qū)，F(xiàn)1界面與SB2界面重合。

SB1：蒼溪組與蓬萊鎮(zhèn)組不整合面。蒼溪組底部為灰色、灰綠色巨厚層狀中-細(xì)砂巖，局部含灰色、灰黑色薄層狀、透鏡狀礫巖層，強(qiáng)鈣質(zhì)膠結(jié)，局部含大量的細(xì)分散狀碳質(zhì)碎屑，是判別蒼溪組最突出的標(biāo)志。該區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組上部多為紫紅色泥巖與粉砂巖互層。其次，蒼溪組底部的砂體通常具有較大的規(guī)模，主砂體厚度一般在20～40 m，寬厚比極大，砂體中常發(fā)育大型槽狀交錯(cuò)層理。此外該界面之下的蓬萊鎮(zhèn)組頂部常發(fā)育淺灰綠色的泥巖、粉砂巖褪色帶，也是識(shí)別該界面的重要標(biāo)志。

3 基準(zhǔn)面旋回

露頭、剖面、巖心等資料是基準(zhǔn)面旋回識(shí)別研究的基礎(chǔ)［16，18］，通過(guò)分析，在研究區(qū)蒼溪組含礦段中識(shí)別出兩種基準(zhǔn)面旋回：短期基準(zhǔn)面旋回和中期基準(zhǔn)面旋回。

3.1 短期基準(zhǔn)面旋回的識(shí)別和疊加樣式

短期基準(zhǔn)面對(duì)砂體展布、砂體厚度等沉積特征具有一定的控制作用。短期基準(zhǔn)面的識(shí)別是建立高分辨率層序地層及中期基準(zhǔn)面旋回的基礎(chǔ)，也是建立研究區(qū)層序地層格架及地層對(duì)比的前提。不同可容納空間條件下發(fā)育的短期旋回在相序構(gòu)成上有明顯的差異。303 地區(qū)下白堊統(tǒng)蒼溪組含礦段第一層以河流相沉積為主，沉積亞、微相主要有河道滯留沉積微相、心灘微相、泛濫平原亞相等，這些亞、微相以特定的相序或相組合構(gòu)成不同的短期地層旋回，并在其相組合類型、旋回厚度、對(duì)稱性等沉積學(xué)相應(yīng)特征上存在著明顯的差別。在進(jìn)行短期層序?qū)Ρ葧r(shí)，由于河流相砂體的層序結(jié)構(gòu)以及發(fā)育狀況差異較大，在一定程度上會(huì)影響到層序?qū)Ρ鹊木取Ｒ虼?，開(kāi)展蒼溪組含礦砂巖地層中期沉積旋回的沉積動(dòng)力學(xué)條件、結(jié)構(gòu)類型以及疊加樣式研究，對(duì)河流相砂體的等時(shí)對(duì)比尤為重要。303 地區(qū)蒼溪組含礦段層序結(jié)構(gòu)類型及疊加樣式存在如下幾種情況：

3.1.1以上升為主的短期基準(zhǔn)面旋回

圖4 為低可容納空間條件下的一套由加積到退積的河道砂體沉積圖，該種以上升為主的基準(zhǔn)面旋回主要發(fā)育在蒼溪組含礦段，在研究區(qū)北部廣泛分布，反映沉積物補(bǔ)給量等于或略小于基準(zhǔn)面上升期可容空間增量（A/S≥1），沉積作用以加積方式進(jìn)行，沉積層序由較厚的河道砂巖→洪泛平原泥巖→河道粉→細(xì)砂巖組成，為由上升半旋回為主的不完全對(duì)稱型向?qū)ΨQ型變化的疊加樣式。

圖4 ZK119－67 孔以上升半旋回為主短期旋回Fig.4 Short-term half cycle with priority to upward hemicycles in ZK119-67

主要特征：1）沉積記錄以上升半旋回記錄為主，下降半旋回多缺失；2）以砂巖底部的沖刷面為界，自下而上顯示為正粒序，這種旋回類型在研究區(qū)最為發(fā)育；3）該層序類型多在物源供給供給充分、距物源較近條件下發(fā)育。

3.1.2以下降為主的短期基準(zhǔn)面旋回

主要分布在研究區(qū)東南部，在303 地區(qū)蒼溪組含礦段中亦有發(fā)育，巖性主要由泛濫平原及曲流河道等沉積的中-細(xì)砂巖、粉砂巖及泥巖組成（圖5）。

圖5 ZK119－66 孔以下降半旋回為主的短期旋回Fig.5 Short-term half cycle with priority to downward hemicycles in ZK119-66

該類旋回表示沉積物補(bǔ)給量遠(yuǎn)小于-小于可容納空間增量（A/S＞＞1），沉積作用以進(jìn)積方式進(jìn)行。由于可容納空間始終處在基準(zhǔn)面大于沉積界面并緩慢減小的欠充滿狀態(tài)，一旦基準(zhǔn)面下降便發(fā)生砂體近積，因而層序保存下降半旋回各期的沉積物，由砂體、泥巖整體互層狀的層序組成，具有水體總體向上“變淺” 的沉積旋回疊加樣式。

主要特征：1）沉積記錄以下降半旋回為主，上升半旋回不太發(fā)育；2）從沉積間斷面向上總體顯示水體“變淺” 的沉積結(jié)構(gòu)；3）多發(fā)育在物源供給逐漸增加的沉積背景下；4）代表地層沉積由加積向進(jìn)積轉(zhuǎn)化的過(guò)程。

3.1.3近對(duì)稱性的短期基準(zhǔn)面旋回

最大洪泛面的形成代表間歇河漫湖擴(kuò)大的長(zhǎng)期相轉(zhuǎn)換面，之后 “洪泛面” 開(kāi)始下降，沉積作用由退積轉(zhuǎn)變?yōu)榧臃e或弱進(jìn)積作用，由河道砂巖→洪泛平原泥巖→河道粉-細(xì)砂巖組成近對(duì)稱型旋回結(jié)構(gòu)（圖6）。

圖6 ZK119－69 孔近對(duì)稱性短期旋回的短期旋回Fig.6 Short-term half cycle with priority to near-symmetric hemi-cycles in ZK119-69

該類旋回中保留了較為完整的沉積記錄，在研究區(qū)北部303 地區(qū)蒼溪組含礦段中發(fā)育該類型沉積旋回，圖5 顯示辮狀河發(fā)育晚期其上部沉積一套泛濫平原相沉積，之后水體“變淺” 的沉積記錄。

通過(guò)研究區(qū)短期基準(zhǔn)面對(duì)比，研究區(qū)發(fā)育上升半旋回、下降半旋回及近對(duì)稱的3 種短期基準(zhǔn)面旋回，通過(guò)短期基準(zhǔn)面旋回的識(shí)別，可以確定短期基準(zhǔn)面旋回旋回頂?shù)捉?，是蒼溪組鈾礦含礦段等時(shí)對(duì)比格架建立的重要前提。

3.2 中期基準(zhǔn)面旋回的識(shí)別及疊加樣式

不同中期基準(zhǔn)面旋回記錄具有不同的沉積學(xué)響應(yīng)特征，研究區(qū)蒼溪組含礦段以發(fā)育辮狀河沉積體系為主，代表了盆地開(kāi)始進(jìn)入強(qiáng)烈的充填和萎縮的沉積環(huán)境，盆地進(jìn)入構(gòu)造強(qiáng)烈期。單個(gè)中期旋回早期，侵蝕基準(zhǔn)面下降，物源供給強(qiáng)烈增加，大量物源帶入盆內(nèi)，形成了橫向連通性好的 “泛砂體”，單個(gè)中期旋回晚期，侵蝕基準(zhǔn)面上升，形成以紫紅色泥巖、粉砂巖為主的紅層沉積。受中期基準(zhǔn)面旋回控制的不整合面為層間氧化帶提供了流體通道，單個(gè)中期旋回底部砂體為鈾成礦提供了儲(chǔ)礦空間。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)蒼溪組含礦段層序界面的識(shí)別，結(jié)合短期基準(zhǔn)面旋回的疊加樣式，在蒼溪組含礦段中可識(shí)別出3 個(gè)中期旋回，自下而上將蒼溪組含礦段劃分為第一層、第二層和第三層，并根據(jù)層序地層學(xué)命名原則將其分別命名為MSC1、MSC2、MSC3。但不同地區(qū)，由于不同的沉積環(huán)境，其沉積旋回特征也略有不同。

4 層序格架建立與對(duì)比

在研究區(qū)選擇了一條近平行物源方向（北東-南西向）的鉆孔剖面，針對(duì)5 個(gè)鉆孔的層序發(fā)育特征建立層序地層格架進(jìn)行對(duì)比（圖7）。

圖7 303 地區(qū)ZK181-50～ZK8～9 井層序地層格架Fig.7 The sequence stratigraphic framework from ZK181-50 to ZK8-9

MSC1中期基準(zhǔn)面旋回在303 地區(qū)可以較清楚地進(jìn)行對(duì)比，而在整個(gè)川北地區(qū)的對(duì)比較難，因蒼溪組含礦段第一層各砂體沉積不具有等時(shí)性，且川北地區(qū)砂體寬厚比一般較小，這一特征亦表明蒼溪組含礦段第一層沉積期可容納空間較小，指示該區(qū)距物源較近，沉積物供給充分，形成了辮狀河相沉積充填特征。蒼溪組底部的MSC1、MSC2兩個(gè)中期旋回可對(duì)比性均較強(qiáng)，表明沉積環(huán)境在同期無(wú)明顯變化。MSC3在303 地區(qū)的不同地段，表現(xiàn)出沉積環(huán)境有變化的特點(diǎn)。

MSC1底界為蒼溪組、蓬萊鎮(zhèn)組間平行不整合面，頂界為沖刷面。主要由上升半旋回構(gòu)成，在研究區(qū)可進(jìn)一步劃分2～4 個(gè)短期基準(zhǔn)面旋回。303 地區(qū)鉆孔揭露最大厚度為41 m，底部發(fā)育厚約70 cm 的礫巖層，屬礫質(zhì)辮狀河相沉積；研究區(qū)中部地層厚25～35 m，屬辮狀河流相沉積，上部為厚約幾十厘米至兩米左右的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。范家山地區(qū)蒼溪組含礦段第一層單層砂體厚度變薄，泥質(zhì)含量增加的趨勢(shì)。

MSC2底界為沖刷面，多見(jiàn)沖刷凹槽且?guī)r性突變，頂界為沖刷面 （沉積相轉(zhuǎn)換面）。該基準(zhǔn)面旋回厚度較花臺(tái)寺地區(qū)厚，沿范家山—花臺(tái)寺—青崗一線，含礦段第二層有單層砂體厚度變薄，泥質(zhì)含量增加的趨勢(shì)?？傮w也為上升半旋回，該旋回可細(xì)分為2～7個(gè)短期基準(zhǔn)面旋回。地層厚度較穩(wěn)定，多為20～35 m。范家山地區(qū)含礦段第二層砂體厚度較花臺(tái)寺地區(qū)厚，屬于辮狀河相沉積。

MSC3底界為沖刷面（沉積相轉(zhuǎn)換面），頂界為含礦段與無(wú)礦段間的沖刷面。整體以上升半旋回為主，該基準(zhǔn)面旋回在花臺(tái)寺地區(qū)遭受剝蝕較嚴(yán)重，在范家山地區(qū)保存比較完整，可細(xì)分為3～6 個(gè)短期基準(zhǔn)面旋回，厚度為40～55 m。地層厚度較MSC1、MSC2大，該旋回下部砂體以含礫砂巖、中-細(xì)砂巖為主，局部含薄泥巖層；上部砂體多以?shī)A層出現(xiàn)，為泛濫平原相沉積。

總體上，MSC1發(fā)育為上升半旋回，砂地比值大，可容納空間較小，砂體相互切割，厚度巨大，展布穩(wěn)定，連通性好；MSC2也發(fā)育為上升半旋回，以辮狀河、泛濫平原沉積為主，與MSC1相比較，地層結(jié)構(gòu)上泥巖厚度加大，砂巖與泥巖互層，砂體變??；MSC3發(fā)育為上升半旋回，下部以辮狀河河道、心灘沉積為主，上部以泛濫平原沉積及曲流河小型河道沉積為主，砂體呈孤立狀產(chǎn)出，盡管部分砂體具有一定的厚度，但是連通性差。

5 層序地層與鈾成礦關(guān)系探討

303 地區(qū)鈾礦床發(fā)育于蒼溪組、蓬萊鎮(zhèn)組不整合面之上0～20 m 范圍，為低可容納空間下沉積于侵蝕基準(zhǔn)面之上的砂巖型鈾礦床，基準(zhǔn)面的頻繁變化控制了地層的疊加樣式、砂體的形態(tài)、孔隙度、滲透率等特征。由沖刷作用形成的侵蝕凹槽古地形（深槽位）、沉積微相（河道轉(zhuǎn)彎處）對(duì)鈾礦化的富集具有十分重要的作用。具體表現(xiàn)在：

5.1 侵蝕凹槽對(duì)鈾成礦的控制作用

低可容納空間下沉積的厚層砂體具有良好的 “三性”（孔隙性、滲透性、連通性）條件，有利于地下水的徑流。蓬萊鎮(zhèn)組沉積后，盆緣及盆內(nèi)地層經(jīng)歷長(zhǎng)期侵蝕風(fēng)化，有利于鈾元素的浸出和遷移。不整合面之上凹槽古地形有利于地下水運(yùn)移，有利于鈾元素沿不整合面的遷移。侵蝕凹槽初始沉積內(nèi)堆積了大量富含炭質(zhì)、有機(jī)質(zhì)透水性較好的礫巖、砂礫巖，有利于地下水的循環(huán)，鈾被有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦等還原沉淀下來(lái)。古侵蝕凹槽切割深、砂（礫）巖透鏡體重疊交錯(cuò)地段，常形成較大的礦體，成為最有利的聚礦空間（圖8）。

5.2 沉積微相對(duì)鈾成礦的控制作用

對(duì)研究區(qū)含礦孔、無(wú)礦孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。花臺(tái)寺礦床見(jiàn)礦孔（礦化孔）多產(chǎn)于河道滯留微相頂部、心灘微相底部，呈帶狀分布，與辮狀河道展布較為一致（圖9）。研究認(rèn)為由于河道滯留沉積、心灘沉積時(shí)期水動(dòng)力強(qiáng)，沉積砂體較厚、連通性好、透水性強(qiáng)，形成的砂體條件好，有利于后期含氧含鈾流體改造。在河道分流、匯合及轉(zhuǎn)彎處，水流速會(huì)下降，沉積物粒度變細(xì)，沉積大量細(xì)分散狀的有機(jī)質(zhì)，為后期的鈾礦富集提供還原劑。

后期含氧含鈾流體沿受層序地層控制的不整合面附近的高孔高滲帶對(duì)砂體進(jìn)行氧化改造時(shí)，在砂體、有機(jī)質(zhì)及后期構(gòu)造配置耦合較好的條件下，氧化帶持續(xù)向前推進(jìn)。當(dāng)?shù)貙又兴那閯?shì)發(fā)生變化時(shí)，氧化帶不能向前推進(jìn)，在氧化還原過(guò)渡帶（前鋒帶）形成鈾元素富集。因此，特定的沉積微相對(duì)鈾成礦具有一定的控制作用。

圖8 范家山鈾礦床（3031）80 號(hào)礦化沉積相及礦體定位Fig.8 Sedimentary facies and spatial positioning of No.80 uranium ore body in Fanjiashan uranium deposit （3031）

圖9 蒼溪組含礦段MSC1 旋回沉積相示意圖Fig.9 The relation of uranium-metallogenic and sedimentary facies of MSC1 middle cycle，Cangxi Formation

6 結(jié)論

1）在蒼溪組含礦段識(shí)別出5 種層序界面，并將其進(jìn)一步劃分為5～8 個(gè)短期基準(zhǔn)面旋回，3 個(gè)中期基準(zhǔn)面旋回。建立了研究區(qū)的層序地層格架并進(jìn)行了對(duì)比。MSC1、MSC2、MSC3均以發(fā)育上升半旋回為主，MSC1、MSC2砂體厚度大，展布穩(wěn)定，連通性好；MSC3下部為辮狀河道、心灘沉積為主，上部以曲流河相沉積為主，河道砂體總體呈 “泥包砂”形態(tài)產(chǎn)出，3 個(gè)中期旋回在研究區(qū)可以很好的進(jìn)行對(duì)比。

2）對(duì)范家山礦床層序地層與鈾成礦關(guān)系進(jìn)行探討，發(fā)現(xiàn)不整合面之上的古侵蝕凹槽、發(fā)育側(cè)向加積的河道轉(zhuǎn)彎處、分流、匯流處等沉積微相對(duì)鈾富集帶的空間展布具有重要的意義。侵蝕基準(zhǔn)面的頻繁變化控制了古地貌，侵蝕基準(zhǔn)面之上可容納空間小，砂體連通性好，特定的疊加樣式使得砂體上下發(fā)育隔水層，層序地層的發(fā)育對(duì)鈾成礦具有一定的控制作用，鈾礦主要富集于侵蝕基準(zhǔn)面之上的低水位體系域主河道砂體的展布方向上，發(fā)育于河道滯留沉積頂部、心灘微相底部。

3）303 地區(qū)鈾礦床成礦期處于盆地構(gòu)造強(qiáng)烈活動(dòng)階段，即層序界面的形成階段。砂體為鈾成礦提供了儲(chǔ)礦空間，層序地層與鈾成礦作用存在耦合關(guān)系。