松遼盆地北部依安地區(qū)四方臺(tái)組砂巖地球化學(xué)特征及巖石成因意義

李研， 聶逢君， 嚴(yán)兆彬， 盧勝軍， 侯曉光

(1.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 南昌 330013； 2. 核工業(yè)二四○研究所，沈陽 110000)

鈾礦作為戰(zhàn)略資源是中國目前重要的勘查類型，尤其是砂巖型鈾礦，因環(huán)保、開采成本低而備受青睞。截至目前，中國北方中-新生代盆地內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)大型砂巖鈾礦床：①吐哈盆地，其鈾礦含礦層為西山窯組、其河流流相砂體為主要的富礦砂體[1]；②鄂爾多斯盆地，其鈾礦含礦層為直羅組，鈾礦化主要產(chǎn)在直羅組下段上部雜色砂巖層與下部淺色砂巖層界面附近的下部[2]；③二連盆地，其鈾礦含礦層為賽漢組，鈾礦化主要產(chǎn)在曲流河沉積的砂體中[3]；④松遼盆地南部，其鈾礦含礦層為姚家組，鈾礦化主要產(chǎn)于辮狀河灰色砂體中[4-5]。除此之外，近年來，在松遼盆地北部四方臺(tái)組也已經(jīng)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多處鈾工業(yè)礦體，暗示該組具有較好的鈾成礦潛力[6-8]。前人對(duì)四方臺(tái)組的研究工作主要集中在構(gòu)造蝕變、地下水的補(bǔ)-逕-排體系，而對(duì)地球化學(xué)和巖相學(xué)的研究卻幾乎未見報(bào)道。鑒于此，現(xiàn)對(duì)松遼盆地北部依安一帶的四方臺(tái)組砂巖進(jìn)行系統(tǒng)地層綜合對(duì)比工作，并且對(duì)典型的鉆孔進(jìn)行系統(tǒng)取樣，進(jìn)行詳盡的地球化學(xué)和巖相學(xué)研究工作，旨在深化理解其母巖來源于地球動(dòng)力學(xué)意義及沉積環(huán)境，進(jìn)而為尋找砂巖型鈾礦奠定良好的理論基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

松遼盆地大地構(gòu)造位置位于中亞造山帶東段，是中-新生代大型陸相含油沉積盆地，其基底主要為古生代和前古生代變質(zhì)巖系，由多個(gè)地塊拼接組成[9-11]；后期經(jīng)過一系列伸展、擠壓、反轉(zhuǎn)構(gòu)造等活動(dòng)對(duì)白堊紀(jì)的沉積產(chǎn)生了重要影響[11-14]，也對(duì)鈾成礦具有重要的意義。松遼盆地可進(jìn)一步劃分為6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元(依次為部斜坡區(qū)、北部傾沒區(qū)、中央坳陷區(qū)、東北隆起區(qū)、東南隆起區(qū)和西南隆起區(qū))和22個(gè)2級(jí)構(gòu)造單元，面積約為26萬km2。

研究區(qū)位于松遼盆地北部傾沒區(qū)的依安凹陷內(nèi)，其北部為嫩江階地，西側(cè)為富裕構(gòu)造帶，東側(cè)為克山依龍背斜(圖1)?；字饕獮榛◢弾r、火山巖及少量變質(zhì)巖，深度大于3 000 m。中生代沉積蓋層自下至上發(fā)育火石嶺組(J3h)；沙河子組(K1sh)、營城組(K1y)、登婁庫組(K1d)；泉頭組(K2q)、青山口組(K2qn)、姚家組(K2y)、嫩江組(K2n)、四方臺(tái)組(K2s)、明水組(K2m)、泰康組(N2t)、依安組(E3y)和第四系(Q)。其中，目的層四方臺(tái)組自北向南向盆內(nèi)依次發(fā)育沖積扇—辮狀河—三角洲—濱淺湖沉積，通過野外調(diào)查及鉆探揭露發(fā)現(xiàn)其砂巖主要以中-粗砂巖為主，氧化作用較為明顯[圖2(a)]，與鈾伴生的礦物主要為黃鐵礦和有機(jī)質(zhì)，黃鐵礦主要為星點(diǎn)狀，有機(jī)質(zhì)主要為植物炭屑，呈層狀[圖2(b)]。

2 樣品采集與分析方法

在具有代表性的鉆井中采集四方臺(tái)組砂巖樣品8個(gè)，巖性以灰色粗砂巖、黃色中-細(xì)砂巖為主，樣品分析測試由核工業(yè)二四○研究所與核工業(yè)北京地質(zhì)研究院實(shí)驗(yàn)室完成。樣品分析及測試結(jié)果見表1。

圖1 松遼盆地北部構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭DFig.1 Map of structure unit in the north of Songliao Basin

圖2 依安地區(qū)四方臺(tái)組砂巖特征Fig.2 Characteristics of sandstone of Sifangtai Formation in Yi’an area

表1 依安地區(qū)四方臺(tái)組碎屑巖地球化學(xué)分析結(jié)果Table 1 Geochemical analysis of clastic rocks of Sifangtai Formation in Yi’an area

3 分析測試結(jié)果

3.1 巖石學(xué)特征

通過對(duì)依安地區(qū)四方臺(tái)組砂巖鏡下鑒定表明，碎屑物成分主要以石英、長石和巖屑為主，可見少量云母和重礦物；其中石英含量介于50%～55%，長石含量介于25%～30%，巖屑含量介于20%～25%，云母及重礦物含量為1%～2%。長石主要以斜長石為主，在圖3(a)上也可得到驗(yàn)證，而在圖3(b)上則落入到巖屑砂巖及亞長石砂巖區(qū)域內(nèi)。結(jié)合野外觀察，認(rèn)為依安地區(qū)的砂巖應(yīng)為巖屑長石砂巖。

3.2 主量元素和稀土元素

依安地區(qū)四方臺(tái)組砂巖具有高硅(SiO2含量為78.09%～85.41%)、富鉀(Na2O/K2O=0.98～1.28)、鋁含量中等(Al2O3含量為7.34%～11.75%)、低鎂鈣(MgO含量為0.12%～0.20%、CaO含量為0.23%～0.78%)的特征。稀土元素總量較低(ΣREE=67.45×10-6～116.03×10-6)、輕稀土分餾系數(shù)(La/Sm)N介于4.72～5.61，重稀土分餾系數(shù)(Gd/Yb)N介于1.99～3.39，輕稀土分餾系數(shù)明顯高于重稀土，所有砂巖樣品的演化趨勢(shì)高度一致，均具有右傾型特征，Eu為微弱負(fù)異常(δEu=0.70～1.06)，殼源巖漿特征明顯(圖4)，在SiO2-K2O圖解中，四方臺(tái)組砂巖全部落入鈣堿性巖區(qū)[圖5(a)]；鋁飽和指數(shù)A/CNK變化于1.18～1.27，為弱過鋁質(zhì)-過鋁質(zhì)[圖5(b)]；其特征與東北地區(qū)報(bào)道的殼源巖漿特征高度一致[15-20]。

圖3 依安地區(qū)四方臺(tái)組砂巖命名圖解Fig.3 Nomenclature diagram of sandstone of Sifangtai Formation in Yi’an area

圖4 依安地區(qū)四方臺(tái)組砂巖稀土元素配分圖Fig.4 REE distribution map of sandstone of Sifangtai Formation in Yi’an area

圖5 依安地區(qū)四方臺(tái)組砂巖主量元素圖解Fig.5 Main elements diagram of sandstone of Sifangtai Formation in Yi’an area

4 討論

4.1 巖石成因與源區(qū)特征

堿性巖石是造山帶的重要組成部分，其巖石成因是揭示地殼形成，生長作用的重要指示劑。研究區(qū)內(nèi)四方臺(tái)組砂巖為鈣堿性系列，鋁飽和指數(shù)A/CNK介于1.18～1.27，為弱過鋁質(zhì)-過鋁質(zhì)，巖石普遍具有高硅、鋁含量中等、富堿、貧鎂鈣特征，暗示研究區(qū)內(nèi)砂巖的源區(qū)為殼源巖漿，形成于俯沖帶或者島弧環(huán)境。

此外，依安地區(qū)四方臺(tái)組SiO2含量變化較大，且周圍伴有中基性火山巖，所有砂巖樣品在Harker圖解上具有明顯的線性變化趨勢(shì)(圖6)，暗示源巖在巖漿演化過程中可能存在分離結(jié)晶作用。其中，砂巖中MgO、CaO、全鐵含量(TFe2O3)隨著SiO2升高而降低表明巖漿很可能經(jīng)歷了角閃石分離結(jié)晶[圖6(b)、圖6(d)、圖6(e)]；SiO2與TiO2及P2O5的負(fù)相關(guān)變化規(guī)律[圖6(a)、圖6(f)]，暗示其磷灰石和Fe、Ti等氧化物也發(fā)生分離結(jié)晶作用；而SiO2與Al2O3的負(fù)相關(guān)變化規(guī)律及稀土元素中微弱的負(fù)Eu異常[圖4、圖6(b)]，表明源巖在巖漿演化過程中也經(jīng)歷了斜長石分離結(jié)晶作用。

圖6 依安地區(qū)四方臺(tái)組砂巖Haker圖解Fig.6 Haker diagram of sandstone of Sifangtai Formation in Yi’an area

4.2 構(gòu)造環(huán)境

依安地區(qū)四方臺(tái)組砂巖具有典型的俯沖帶的地球化學(xué)特征，主要表現(xiàn)在高硅、富鉀、鋁含量中等、低鎂鈣的特征及微弱的負(fù)Eu異常。同時(shí)在構(gòu)造判別圖解中全部落入大陸邊緣區(qū)域內(nèi)[圖7(a)、圖7(b)]，暗示可能形成活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境。

松遼盆地四面環(huán)山，其西側(cè)為大興安嶺，東側(cè)為張廣才嶺和小興安嶺。根據(jù)依安地區(qū)所處的位置，其物源區(qū)應(yīng)主要為大興安嶺巖漿巖。另外根據(jù)前人資料顯示，整個(gè)松遼盆地的構(gòu)造和巖漿活動(dòng)十分頻繁，主要分為燕山和海西兩期，侵入巖種類繁多，以花崗巖最為發(fā)育，占基巖出露面積一半以上，其次為火山巖和變質(zhì)巖[21-23]，這些都可以為四方臺(tái)組砂巖提供豐富的物質(zhì)來源。

研究區(qū)內(nèi)四方臺(tái)組砂巖地球化學(xué)特征是物源區(qū)復(fù)雜且漫長演化歷史的綜合產(chǎn)物，根據(jù)地球化學(xué)特征所得出的物源主要為殼源巖漿，且形成于活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境。而前人研究成果顯示，東北地區(qū)在海西期花崗巖上升侵位時(shí)為大陸邊緣環(huán)境的造山運(yùn)動(dòng)，火山弧巖漿，主要為蒙古-鄂霍茨克洋向南俯沖的產(chǎn)物[24];但燕山期巖漿巖形成的構(gòu)造背景存在一定差異，多數(shù)學(xué)者對(duì)大興安嶺燕山期花崗巖、蒙古-鄂霍茨克縫合帶以南NE向巖漿弧研究表明，該時(shí)期的巖漿主要與環(huán)太平洋俯沖形成于活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境。因此松遼盆地北部依安地區(qū)四方臺(tái)組地層源巖的構(gòu)造背景主體為大陸邊緣的島弧火山巖系。研究區(qū)碎屑巖地球化學(xué)參數(shù)所反映的源巖構(gòu)造背景與盆地周邊源區(qū)構(gòu)造背景相似，為環(huán)太平洋俯沖形成的活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境。

圖7 依安地區(qū)四方臺(tái)組砂巖構(gòu)造圖解Fig.7 Structure diagram of sandstone of Sifangtai Formation in Yi’an area

5 結(jié)論

選取松遼盆地北部依安地區(qū)四方臺(tái)組砂巖作為研究對(duì)象，通過巖相學(xué)、地球化學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上探討了巖石成因類型、構(gòu)造環(huán)境、巖漿物質(zhì)來源和地球動(dòng)力學(xué)意義。主要有以下兩方面認(rèn)識(shí)。

(1)依安地區(qū)四方臺(tái)組砂巖主要為長石巖屑砂巖，元素地球化學(xué)特征表明具有殼源巖漿的特征，并且在巖漿演化過程中經(jīng)歷了明顯的分離結(jié)晶作用。

(2)依安地區(qū)四方臺(tái)組砂巖形成的構(gòu)造背景與盆地周邊源區(qū)構(gòu)造背景相似，為環(huán)太平洋俯沖形成的活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境。