松遼盆地南部中央凹陷區(qū)姚家組砂巖地球化學(xué)特征及沉積物源

張 森，劉 超，胡慧婷，李軍輝，石 蕾，布和巴特爾

1.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034；2.黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；3.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；4.大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712

0 前言

松遼盆地為一個(gè)中新生代的陸相盆地，不僅富含豐富的油氣資源，隨著“主攻北方地浸砂巖型鈾礦”勘查戰(zhàn)略的實(shí)施，鈾礦找礦工作也取得重大突破，松遼盆地南部錢家店地區(qū)發(fā)現(xiàn)了超大型鈾礦床并實(shí)現(xiàn)高效開采［1-3］.松遼盆地南部中央凹陷區(qū)鉆井也揭示了放射性異常［4］，但對(duì)鈾礦的勘探尚處于普查階段.

砂巖型鈾礦的勘探涉及構(gòu)造、沉積、儲(chǔ)層、鈾源、成礦作用等諸多研究環(huán)節(jié)，其中以制約沉積相帶、砂巖分布、儲(chǔ)層砂體本身的“再生鈾源”的沉積物源的研究最為基礎(chǔ)［5-7］.松遼盆地南部姚家組鈾源的研究比較薄弱，僅有少數(shù)學(xué)者采集了錢家店鈾礦姚家組砂巖樣品并對(duì)其可能的物源方向、母巖性質(zhì)開展了研究.如，有研究認(rèn)為姚家組物源主要來自盆緣的酸性火山巖以及基底結(jié)晶巖系和變質(zhì)巖［8］；另有研究指出姚家組的主要物源是華北陸塊北緣的酸性火山巖及花崗巖［9］；此外，還有研究認(rèn)為姚家組砂巖的物源為華北克拉通北緣燕山陸內(nèi)造山帶發(fā)育的火山－沉積巖系［10］.可見，關(guān)于松遼盆地南部姚家組物源的認(rèn)識(shí)還存在一定爭(zhēng)議，究其原因，一方面是由于以往缺少對(duì)錢家店以外區(qū)域姚家組物源的針對(duì)研究，另一個(gè)方面是由于精確的地球化學(xué)研究還比較薄弱.

本文以松遼盆地南部中央凹陷區(qū)為研究對(duì)象，采集姚家組未蝕變的灰色砂巖樣品37塊并開展系統(tǒng)的地球化學(xué)測(cè)試，結(jié)合風(fēng)化程度、源巖性質(zhì)和構(gòu)造背景的分析及其錢家店地區(qū)的研究成果［10］，探討研究區(qū)的物源特征，旨在為鈾儲(chǔ)層預(yù)測(cè)及鈾礦床鈾源評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ).

1 地質(zhì)背景

松遼盆地是中國東北地區(qū)一個(gè)大型中—新生代陸相斷拗復(fù)合盆地，經(jīng)歷了早白堊世斷陷、早白堊世末抬升剝蝕、晚白堊世拗陷及末期的構(gòu)造反轉(zhuǎn)、抬升剝蝕四個(gè)階段［2］.研究區(qū)在大地構(gòu)造上位于松遼盆地南部中央凹陷區(qū)，西鄰松遼盆地西斜坡，向南距錢家店地區(qū)約150 km（圖1）.早白堊世時(shí)期，研究區(qū)與錢家店地區(qū)分屬松遼盆地和開魯盆地，至白堊紀(jì)晚期，兩者形成統(tǒng)一的拗陷盆地.研究區(qū)自下而上發(fā)育上侏羅統(tǒng)火石嶺組，下白堊統(tǒng)沙河子組、營城組、登婁庫組、泉頭組，上白堊統(tǒng)泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺(tái)組、明水組，古近系依安組，新近系大安組及泰康組.研究層系姚家組主要發(fā)育河流－泛濫平原－淺湖沉積，以細(xì)粒沉積為主，巖性包括灰（白）色、黃褐色、棕色細(xì)砂巖，灰色泥巖及粉砂質(zhì)泥巖.

圖1 松遼盆地構(gòu)造位置圖Fig.1 Tectonic location map of Songliao Basin

2 砂巖地球化學(xué)特征

2.1 主量元素特征

姚家組砂巖主量元素含量見表1.姚家組砂巖中SiO2含量最高（53.96%～74.57%，平均65.96%），其次是Al2O3（10.17%～19.91%，平均14.59%）、CaO（1.17%～14.59%，平均5.89%）、Fe2O3T（0.98%～9.09%，平均4.43%）、K2O（2.66%～4.37%，平均3.67%）、Na2O（1.40%～3.88%，平均2.84%）、MgO（0.36%～4.30%，平均1.97%），TiO2（0.22%～0.72%，平均0.52%）、P2O5（0.06%～0.26%，平均0.13%）、MnO（0.03%～1.02%，平均0.12%）含量均較低（圖2）.較高SiO2和Al2O3含量反映姚家組物源母質(zhì)相對(duì)富含石英、長(zhǎng)石礦物，但SiO2數(shù)值比錢家店地區(qū)（SiO2平均77.01%）略低［10］，反映碎屑成巖的成熟度偏低，這一結(jié)果也與后文對(duì)巖石類型和形成背景的認(rèn)識(shí)相吻合.

表1 研究區(qū)姚家組砂巖常量元素含量Table 1 Major element contents in sandstone of Yaojia Formation in the study area

圖2 研究區(qū)姚家組砂巖樣品與錢家店地區(qū)主量元素含量對(duì)比Fig.2 Comparison of major element content in sandstone between Yaojia Formation in the study area and Qianjiadian area

2.2 微量元素和稀土元素特征

圖3a展示了典型樣品微量元素相對(duì)含量分布曲線（分析數(shù)據(jù)見表2）.姚家組砂巖具有與上地殼相似的高場(chǎng)強(qiáng)元素（如Th、U）和大離子親石元素（Ba），Rb、Zn元素相對(duì)于上地殼富集，Sr、Zr、Hf、Sc元素相對(duì)于上地殼虧損.稀土元素（分析數(shù)據(jù)見表3）總量介于160.12×10－6～253.74×10－6之間，平均值為221.61×10－6，高于上地殼稀土元素總量（146.37×10－6）.稀土元素配分曲線形態(tài)相似（圖3b），呈輕稀土元素富集、重稀土元素相對(duì)虧損的特征，LREE/HREE數(shù)值為8.94～12.18，平均值10.13；LaN/YbN數(shù)值為10.36～15.52，平均值12.59；GdN/YbN數(shù)值為1.89～2.29，平均值2.11.稀土元素配分曲線形態(tài)與后太古宙澳大利亞頁巖（PASS）和上地殼（UCC）相似，δEu（0.62～0.69，平均值0.66）介于PAAS（0.65）和UCC（0.70）之間，指示物源可能為花崗巖類等酸性巖且與上地殼相關(guān).

圖3 姚家組砂巖微量元素和稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線Fig.3 UCC-normalized trace element diagram and chondrite-normalized REE patterns for sandstone of Yaojia Formation

表2 研究區(qū)姚家組砂巖微量元素含量Table 2 Trace element contents in sandstone of Yaojia Formation in the study area

表3 研究區(qū)姚家組砂巖稀土元素含量Table 3 REE contents in sandstone of Yaojia Formation in the study area

2.3 地球化學(xué)分類

主量元素的氧化物常用于砂巖的地球化學(xué)分類.依據(jù)（Fe2O3T＋MgO）－Na2O－K2O圖版［11］，研究區(qū)姚家組砂巖主要為巖屑砂巖，其次是長(zhǎng)石砂巖和雜砂巖（圖4a）.lg（SiO2/Al2O3）－lg（Fe2O3/K2O）圖版［12］揭示研究區(qū)多數(shù)樣品為巖屑砂巖，部分樣品為長(zhǎng)石砂巖（圖4b）.可能是受到泥質(zhì)含量的影響，有10件樣品落在頁巖區(qū)域，但這一圖版判別結(jié)果與（Fe2O3T＋MgO）－Na2O－K2O圖版并不矛盾.綜上分析，認(rèn)為研究區(qū)姚家組砂巖以巖屑砂巖為主，其次是長(zhǎng)石砂巖.

圖4 姚家組砂巖類型的地球化學(xué)判別Fig.4 Geochemical discrimination diagrams for sandstone types of Yaojia Formation

3 砂巖形成環(huán)境

3.1 氣候環(huán)境

氣候影響古沉積物的風(fēng)化程度［7］.依據(jù)古氣候判別圖版SiO2－（Al2O3＋K2O＋Na2O）［13］，姚家組砂巖碎屑形成于干旱—半干旱氣候，且成分成熟度低于錢家店地區(qū)（圖5a）.在古氣候判別圖版CIA－C中，C反映氣候的干燥或潮濕程度［14］，CIA反映物源區(qū)化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)度［15］，姚家組砂巖樣品多數(shù)落到半潮濕—干旱氣候和初始化學(xué)風(fēng)化疊合區(qū)域，還有少數(shù)樣品落到干旱氣候區(qū)域，同樣反映姚家組砂巖形成于干旱—半干旱氣候，具有較低的化學(xué)風(fēng)化程度（圖5b）.

圖5 姚家組砂巖形成的氣候背景Fig.5 Climate condition discrimination diagrams for sandstone deposition in Yaojia Formation

3.2 構(gòu)造背景

碎屑物質(zhì)從物源區(qū)向盆地搬運(yùn)的過程中，具有協(xié)同變化特征的常量元素（如K、Na、Si）和抗風(fēng)化能力強(qiáng)的微量元素（如Zr、Th、Sc、Co、Ti、La、Y）常被用于構(gòu)建示蹤沉積母質(zhì)來源的指標(biāo).前人［10］利用K、Si、Na、La、Sc、Th、Co、Zr等元素建立的版別圖解分析了松遼盆地南部錢家店地區(qū)姚家組的物源構(gòu)造背景，為了便于比較，本研究也采用相應(yīng)圖版開展物源構(gòu)造背景研究.在SiO2－（K2O/Na2O）圖版［16］中，研究區(qū)所有樣品顯示出高度一致性，投影均落到主動(dòng)大陸邊緣區(qū)域（圖6a）；在（K2O/Na2O）－（SiO2/Al2O3）圖版［17］中，研究區(qū)絕大多數(shù)樣品（30件）投影到主動(dòng)大陸邊緣區(qū)域，少數(shù)樣品（7件）投影到被動(dòng)大陸區(qū)域（圖6b）；在La－Th－Sc圖版中，研究區(qū)大多數(shù)（28件）樣品落在主動(dòng)大陸被動(dòng)大陸疊合區(qū)域，少數(shù)（8件）樣品投影到大陸島弧區(qū)域（圖6c）；在Th－Co－Zr/10圖版中，研究區(qū)多數(shù)（23件）樣品投影至主動(dòng)大陸區(qū)域，其余（14件）樣品投影在緊鄰主動(dòng)大陸邊緣的區(qū)域（圖6d）.為此，不難得知研究區(qū)姚家組砂巖源區(qū)的構(gòu)造背景為主動(dòng)大陸邊緣.

圖6 姚家組砂巖沉積物源構(gòu)造背景Fig.6 Tectonic setting discrimination diagrams for sediment provenance of sandstone of Yaojia Formation

3.3 物源

在基于主量和微量元素判別沉積物源的圖版中，Rb－K2O和TiO2－Ni圖版應(yīng)用相對(duì)廣泛，在松遼盆地南部錢家店地區(qū)姚家組物源的分析中已得到成功應(yīng)用［10］.Rb－K2O圖版［18］表明姚家組砂巖富含酸性成分（圖7a），這一結(jié)果與TiO2－Ni圖解［19］的判別結(jié)果一致（圖7b），揭示物源區(qū)的母質(zhì)為偏酸性成分的巖漿巖.與主量元素相比，稀土元素的活性一般更低，穩(wěn)定性更高，在搬運(yùn)、沉積和成巖過程中僅有微小變化，因此常被用于判別物源區(qū)巖石類型［20］.依據(jù)稀土元素（La/Th）－Hf圖版［18］，研究區(qū)樣品主要落在長(zhǎng)英質(zhì)源區(qū)、混合的長(zhǎng)英質(zhì)和基性巖區(qū)域及相鄰區(qū)域，揭示其母巖類型可能并不單一（圖7c）；由（Co/Th）-（La/Sc）圖解［21］可知，研究區(qū)樣品分布在長(zhǎng)英質(zhì)火山巖、花崗閃長(zhǎng)巖、花崗巖區(qū)域，表明母巖為酸性火山巖，母巖可能為深層巖（花崗閃長(zhǎng)巖和花崗巖），也可能是噴發(fā)巖（圖7d）；（Eu/Eu*）－（SiO2/Al2O3）圖解［20］表明，物源區(qū)母巖主要為英安巖（圖7e）.可見，研究區(qū)姚家組砂巖物源區(qū)源巖性質(zhì)為酸性火山巖，巖石類型可能為花崗閃長(zhǎng)巖、花崗巖和英安巖.

圖7 姚家組砂巖沉積物源判別圖Fig.7 Sediment provenance discrimination diagrams for sandstone of Yaojia Formation

前人對(duì)錢家店地區(qū)研究表明，姚家組物源主要為盆地南側(cè)燕山陸內(nèi)構(gòu)造帶，物源區(qū)構(gòu)造背景為被動(dòng)大陸邊緣，源巖主要為古老的沉積物及長(zhǎng)英質(zhì)火山巖（花崗片麻巖和花崗巖）［10］.研究區(qū)位于錢家店地區(qū)北側(cè)150 km，巖石地球化學(xué)分析表明其物源區(qū)構(gòu)造背景為主動(dòng)大陸邊緣，雖然源巖也為酸性的火山巖，但碎屑的成熟度更低、類型更復(fù)雜，具有近物源、多物源特征.松遼盆地南部西鄰興蒙海西褶皺帶，南鄰內(nèi)蒙古地軸，東鄰張廣才嶺，盆地周緣出露大量的元古宙—二疊紀(jì)花崗巖和閃長(zhǎng)巖，在姚家組時(shí)期均具有向盆地內(nèi)提供酸性火山巖的可能［22-25］.基于研究區(qū)與錢家店地區(qū)物源構(gòu)造背景和源巖性質(zhì)的差異，即研究區(qū)在構(gòu)造位置上更靠近西北和東南物源且砂巖的成熟度較錢家店地區(qū)低，推測(cè)研究區(qū)姚家組為西北物源或東南物源，且不排除混源的可能，這與前人［22］對(duì)松遼盆地南部沉積物源和沉積體系研究的認(rèn)識(shí)基本一致.

4 結(jié)論

（1）松遼盆地南部中央凹陷區(qū)姚家組砂巖相對(duì)富含硅和鋁元素，巖石類型為巖屑砂巖和長(zhǎng)石砂巖，砂巖樣品稀土配分曲線形態(tài)一致，呈輕稀土元素富集、重稀土元素貧乏、銪中度負(fù)異常特征，指示物源母質(zhì)為花崗巖類等酸性巖且與上地殼相關(guān).

（2）常量、微量和稀土元素綜合分析表明，松遼盆地南部中央凹陷區(qū)姚家組砂巖形成于干旱—半干旱氣候，物源區(qū)的構(gòu)造背景為主動(dòng)大陸邊緣，源巖性質(zhì)屬于酸性火山巖.

（3）松遼盆地南部中央凹陷區(qū)與錢家店地區(qū)姚家組砂巖物源母質(zhì)成分相近，但研究區(qū)姚家組砂巖成熟度更低，物源區(qū)構(gòu)造背景與錢家店地區(qū)不同.姚家組砂巖的母源來自凹陷的西北或東南方向，母巖類型主要為花崗閃長(zhǎng)巖和花崗巖.