鄂爾多斯盆地北部延安組沉積學(xué)特征與成礦潛力分析

張雪映,剡鵬兵,王貴

(核工業(yè)二〇八大隊(duì),內(nèi)蒙古 包頭 014010)

鄂爾多斯盆地是我國(guó)重要的能源盆地,也是重要的砂巖型鈾礦賦存盆地,近年來(lái),發(fā)現(xiàn)許多特大型、超大型鈾礦床[1--2],中侏羅統(tǒng)直羅組是其主要賦鈾層位[3]。隨著研究及勘查工作的不斷深入,新的賦鈾層位中侏羅統(tǒng)延安組越發(fā)得到重視。延安組的鈾礦勘查和研究工作在2000年以后陸續(xù)開(kāi)展,通過(guò)前人的工作,初步查明了延安組地層結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)一定的鈾礦化線索[4--8],但對(duì)延安組的沉積學(xué)研究,特別是分層標(biāo)志的建立以及沉積體系的分析方面仍然較為薄弱。本次研究主要目的在于建立延安組分層標(biāo)志,分析其沉積體系特征,同時(shí)結(jié)合砂體、氧化帶發(fā)育特征,綜合評(píng)價(jià)延安組鈾成礦潛力,力求為鄂爾多斯盆地北部延安組的鈾礦勘查工作提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地于中生代發(fā)育起來(lái),是一個(gè)大型內(nèi)陸坳陷盆地[9--10],太古宇、古元古界變質(zhì)巖系為其結(jié)晶基底,并由中元古界和古生界的寒武系(C-)、奧陶系(O)、上石炭統(tǒng)(C2)、二疊系(P)組成[11--12]。鄂爾多斯盆地北部發(fā)育的蓋層包括第四系(Q)、新生界的新近系(N)、中生界的三疊系(T)、侏羅系(J)及下白堊統(tǒng)(K1)[13--14]。其中侏羅系(J)地表廣泛出露于四道柳川、罕臺(tái)川、清水川、柳溝一帶,包括下侏羅統(tǒng)富縣組(J1f)、中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、和安定組(J2a),缺失上侏羅統(tǒng)(圖1)。

圖1 鄂爾多斯盆地北部地質(zhì)略圖Fig.1 Geologic map of the north Ordos Basin

鄂爾多斯盆地北部在中侏羅世—晚白堊世期間,處在構(gòu)造穩(wěn)定期,盆地北西高、南東低,環(huán)境總體處于溫曖潮濕向炎熱干旱轉(zhuǎn)變的氣候轉(zhuǎn)換期,含氧含鈾流體大規(guī)模進(jìn)入直羅組下段辮狀河砂體中,并長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)移,使砂體遭受廣泛發(fā)育的大規(guī)模氧化作用,區(qū)域性層間氧化帶發(fā)育形成,隨后,直羅組下段河道砂體在多期次后生蝕變作用下逐步被改造,特別是盆地深部含煤及含油氣地層生成大量的還原性烴類(lèi)氣體,在斷裂構(gòu)造的導(dǎo)通作用下不斷進(jìn)入直羅組,使氧化帶發(fā)生大規(guī)模的后生還原作用。早期的氧化帶中黃色、紅色的氧化巖石被改造成現(xiàn)在的特征性的不同色調(diào)的綠色巖石,僅在膠結(jié)、固結(jié)程度較高的部位殘留了部分黃色、紅色古氧化殘留體。經(jīng)過(guò)改造的氧化帶雖然顏色和物質(zhì)成分發(fā)生較大變化,但氧化帶總體形態(tài)得以保留,這一經(jīng)過(guò)改造的氧化帶就稱(chēng)之為“古層間氧化帶”,古層間氧化帶對(duì)鄂爾多斯盆地北部鈾礦床的產(chǎn)出起到了直接的控制作用。

2 延安組沉積學(xué)特征

2.1 地層結(jié)構(gòu)

延安組是鄂爾多斯盆地重要的含煤地層,上覆為主要產(chǎn)鈾層位直羅組[4,8]。關(guān)鍵界面、延安組含煤巖系及其內(nèi)部的主要煤層是劃分和對(duì)比延安組的重要標(biāo)志,依據(jù)不整合界面、6號(hào)煤層、5號(hào)煤層、4號(hào)煤層、3號(hào)煤層、2號(hào)煤層,將延安組自下而上劃分成Ⅰ～Ⅴ巖段(J2y1～J2y5),即5個(gè)成因地層單元[15](圖2)。

延安組與延長(zhǎng)組之間有較為明顯的沖刷面,在延安組底部有底礫巖,可作為識(shí)別標(biāo)志[15],定為延安組與延長(zhǎng)組分界的關(guān)鍵界面(圖3)。

延安組Ⅰ、Ⅱ巖段的標(biāo)志層位為6號(hào)煤層,界面之上以粗砂巖和礫巖為主,自下向上礫石直徑逐漸變小,可見(jiàn)黃鐵礦、植物碎屑和鏡煤條帶,界面之下為6號(hào)煤層,表示著一個(gè)沉積旋回的結(jié)束;Ⅱ、Ⅲ巖段的標(biāo)志層為5號(hào)煤層,界面之上為較為明顯的沖刷面,局部發(fā)育交錯(cuò)紋層;界面之下為5 號(hào)煤層,局部發(fā)育少量根土巖;Ⅲ、Ⅳ巖段的標(biāo)志層為4號(hào)煤層,煤層頂部可見(jiàn)植物根,界面以上為中砂巖、細(xì)砂巖,可見(jiàn)較多的鏡煤條帶和黃鐵礦,屬于另一個(gè)沉積環(huán)境;Ⅳ、Ⅴ巖段的標(biāo)志層為3號(hào)煤層,界面之下除了發(fā)育3號(hào)煤層外,還發(fā)育細(xì)粒沉積物,界面之上為大規(guī)模且均一的灰色中砂巖(圖2)。

直羅組與其下伏的延安組之間存在著不整合界面[16],由于直羅組底部有規(guī)模較大的砂體,所以更多的地方發(fā)育區(qū)域沖刷面,并在延安組頂部發(fā)育有風(fēng)化殼(圖4)。

延安組總厚度為300 m 左右,并且分布穩(wěn)定,其中Ⅰ成因地層單元厚度為40～120 m,變化幅度較大,Ⅱ成因地層單元厚度較薄。從北西向南東方向,延安組底界面埋深逐漸加大(圖5)。

圖2 鄂爾多斯盆地東北部侏羅紀(jì)地層結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Stratigraphic column of Jurassic in the northeastern Ordos Basin

2.2 沉積體系

圖3 鄂爾多斯盆地北部延安組與延長(zhǎng)組的分界面沉積特征Fig.3 Sedimentary feature of the interface between Yan'an Formation and Yanchang Formation

通過(guò)研究分析鄂爾多斯盆地北部延安組各巖段砂體厚度、含砂率和煤層厚度等特征,結(jié)合砂巖粒度特征、地層測(cè)井曲線特征,進(jìn)行系統(tǒng)的沉積編圖,在此基礎(chǔ)上,對(duì)延安組各巖段的沉積體系進(jìn)行了重建[17](圖6)。

圖4 直羅組底部砂體對(duì)下伏延安組含煤巖系的沖刷現(xiàn)象及延安組頂白色的風(fēng)化殼Fig.4 Outcrops showing the erosion and weathering shell between Yan'an Formation and Zhiluo Formation

圖5 鄂爾多斯盆地北部延安組北西--南東向地層對(duì)比剖面Fig.5 NW-SE stratigraphic profile of Yan'an Formation in the northeastern Ordos Basin

Ⅰ巖段發(fā)育一套較大規(guī)模的砂體,整體粒度普遍較粗,下部為礫巖與中砂巖互層,中部為粗砂巖與中砂巖互層,向上為泥質(zhì)粉砂巖,頂部發(fā)育較厚的6號(hào)煤層,且含有較多的植物碎屑、鏡煤條帶和黃鐵礦滯留沉積物,為總體向上變細(xì)的河流層序,初步判斷其為河流沉積。Ⅱ巖段由兩個(gè)體系單元構(gòu)成,下部與Ⅰ巖段類(lèi)似,為曲流河沉積;底部為礫巖,向上為中砂巖與粗砂巖互層,偶見(jiàn)細(xì)砂巖,上部有粒度較細(xì)的連續(xù)的砂體與泥巖互層,局部出現(xiàn)倒粒序,初步判斷其為三角洲沉積與沼澤沉積,在泛濫平原湖充填部分或三角洲朵體間灣發(fā)育5號(hào)厚煤層。Ⅲ巖段發(fā)育十分完整的三角洲沉積體系,底部為細(xì)砂巖,偶見(jiàn)泥質(zhì)粉砂巖夾層,中部為中砂巖,向上為泥巖及泥質(zhì)粉砂巖,整體粒度總體比較細(xì),整體上看可分為兩個(gè)正粒序,一個(gè)倒粒序,頂部為較厚的煤層,底部與Ⅱ巖段之間存在較為明顯的沖刷面[17]。Ⅳ巖段發(fā)育一套三角洲沉積體系,湖灣充填層序,整體為粗砂巖與中砂巖互層,偶見(jiàn)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖,局部可見(jiàn)交錯(cuò)層理與黃鐵礦,植物碎屑含量較多且發(fā)育厚煤層,總體上為正粒序,局部發(fā)育兩個(gè)倒粒序。Ⅴ巖段也發(fā)育一套三角洲沉積體系,但總體以細(xì)粒沉積物為主,底部為中砂巖,向上為細(xì)砂巖與泥質(zhì)粉砂巖互層,中部見(jiàn)厚層中砂巖,上部以泥巖為主,偶見(jiàn)中砂巖與含礫粗砂巖,并含有大量的植物碎屑,而黃鐵礦含量相對(duì)較少?？傮w上為正粒序,局部發(fā)育倒粒序。

圖6 鄂爾多斯盆地北部延安組典型沉積相柱狀圖Fig.6 Typical stratigraphic column of sedimentary face for Yan'an Formation in the northern Ordos Basin

2.3 沉積演化

通過(guò)典型鉆孔成因相分析,結(jié)合粒度分析對(duì)延安組進(jìn)行了成因解釋,其中Ⅰ巖段和Ⅱ巖段下段為曲流河沉積體系,底部可見(jiàn)含大量滯留沉積物的沖刷面,沉積旋回為正旋回,粒度向上逐漸變細(xì),搬運(yùn)方式以跳躍和懸浮為主,識(shí)別出的成因相包括河道和泥炭沼澤。從Ⅱ巖段上段開(kāi)始出現(xiàn)倒粒序,沉積物逐漸粒度變細(xì),并發(fā)育交錯(cuò)層理,搬運(yùn)方式仍以懸浮和跳躍為主[18],其中懸浮方式所占的比例增加,表明水動(dòng)力強(qiáng)度有所減弱。Ⅱ巖段上段到Ⅴ成巖段沉積環(huán)境演變?yōu)榍骱尤侵?識(shí)別出的成因相包括沼澤、分流河道、決口扇、河口壩和分流間灣等。每個(gè)成因地層單元頂部均為廢棄期發(fā)育的泥炭沼澤,形成延安組煤層。

3 延安組成礦潛力分析

3.1 砂體特征

鈾儲(chǔ)層是砂巖型鈾礦的成礦基礎(chǔ)[19--20],通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地北部延安組砂體厚度特征的統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)延安組Ⅰ巖段沉積時(shí)期存在幾條規(guī)模較大的河道砂體,總體呈南北向展布,在大營(yíng)南部開(kāi)始合并,發(fā)育寬度超過(guò)30 km,長(zhǎng)度近60 km(圖7),鉆孔揭遇厚度一般在50～80 m之間,最大厚度可達(dá)184 m。Ⅰ巖段砂體厚度大,粒度較粗,河流相互交叉發(fā)育,平面上形成泛連通狀的河道砂體,構(gòu)成了有利鈾成礦的鈾儲(chǔ)層[21]。

圖7 延安組Ⅰ巖段砂體厚度圖Fig.7 The distribution of sand body thickness of Member I of Yan'an Formation

3.2 氧化帶特征

氧化帶是砂巖型鈾礦最直接的控礦因素[22--25],鄂爾多斯盆地北部延安組發(fā)育綠色古層間氧化帶(圖8),其與直羅組古層間氧化帶在巖性特征、礦物蝕變特征及環(huán)境指標(biāo)參數(shù)特征方面具有很大的相似性[26]。平面上,完全氧化帶總體上為自北向南、自北東向南西發(fā)育[27](圖7),平均寬度約5 km,河道砂體規(guī)模大,氧化帶發(fā)育的距離也隨之較遠(yuǎn),氧化帶延伸距離最遠(yuǎn)超過(guò)10 km;氧化--還原疊置帶規(guī)模較大,自東向西均有發(fā)育,南北向距離平均約5 km,最大處大于10 km。氧化帶前鋒線呈蛇曲狀,近東西向展布,長(zhǎng)度近150 km。剖面上,延安組第Ⅰ巖段氧化帶為綠色古層間氧化帶,受地層傾向、厚度變化及砂體空間展布形態(tài)等因素控制[27],氧化--還原疊置帶中砂巖多呈“下綠上灰”(圖9)。氧化砂體一般為單層產(chǎn)出,綠色古氧化砂巖厚度自北向南、自北東向南西逐漸變薄[12],埋深加大,與地層產(chǎn)狀的變化趨勢(shì)大致相同。局部受河道分叉及砂巖非均質(zhì)性的影響,氧化方向發(fā)生改變,見(jiàn)有多層氧化現(xiàn)象。

圖8 延安組氧化帶砂巖特征Fig.8 Characteristics of sandstone in oxidation zone of Yan'an Formation

圖9 宿亥圖地段地質(zhì)剖面示意圖Fig.9 Schematic geologic section in Suhaitu region

3.3 鈾礦化特征

通過(guò)勘查工作,在延安組Ⅰ巖段發(fā)現(xiàn)大規(guī)模且集中發(fā)育的鈾異常,主體埋深550 m 左右,平均品位0.030%～0.014 3%,厚度0.40～6.90 m,含礦巖性為灰色含礫粗砂巖、粗砂巖及砂質(zhì)礫巖,含礦砂巖中發(fā)育大量有機(jī)質(zhì)及黃鐵礦(圖10),礦化受綠色古層間氧化帶控制明顯,在灰色砂體與綠色古氧化帶砂體界面上發(fā)育。通過(guò)對(duì)研究區(qū)早期煤田資料統(tǒng)計(jì),也發(fā)現(xiàn)有較好的鈾異常顯示,累積厚度達(dá)10余米。

圖10 延安組含礦砂巖特征Fig.10 Characteristics of ore bearing sandstone of Yan'an Formation

總之,延安組Ⅰ巖段鈾成礦地質(zhì)條件與直羅組下段相似,發(fā)育河流相砂體,巖性主要為含礫粗砂巖,構(gòu)成對(duì)成礦有利的鈾儲(chǔ)層。砂體中發(fā)育控礦的綠色古層間氧化帶,已發(fā)現(xiàn)的鈾礦化異常產(chǎn)于綠色古層間氧化帶上翼。因此,鄂爾多斯盆地北部延安組顯示了巨大的鈾成礦潛力,Ⅰ巖段作為首要有利找礦層位,值得深入探索,重點(diǎn)突破。

4 結(jié)論

依據(jù)標(biāo)志層和關(guān)鍵界面將鄂爾多斯盆地北部延安組劃分為5個(gè)巖段。通過(guò)典型鉆孔成因相分析,結(jié)合粒度分析對(duì)延安組進(jìn)行了成因解釋,得出以下結(jié)論:

1)Ⅰ巖段和Ⅱ巖段下段為曲流河沉積體系。

2)Ⅱ巖段上段到Ⅴ巖段從曲流河沉積體系演變?yōu)槿侵蕹练e體系。

3)延安組Ⅰ巖段發(fā)育有利成礦的鈾儲(chǔ)層和控礦的古層間氧化帶,成礦潛力巨大。