松遼盆地東北部拜泉地區(qū)姚家組砂巖型鈾成礦條件與找礦方向探討

張航，聶逢君，羅敏，趙忠華，張成勇，趙星博

（1.核工業(yè)二四〇研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110032；2.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013；3.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013）

我國(guó)核地質(zhì)單位在伊犁、鄂爾多斯、二連及松遼盆地南部等中、新生代沉積盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一批具有一定規(guī)模的砂巖型鈾礦床。松遼盆地處于北方砂巖型鈾成礦帶的東北部，是我國(guó)重要的產(chǎn)鈾盆地之一［1-10］。20 世紀(jì)90 年代初期，石油部門在盆地北部施工大量油田井，部分鉆孔存在鈾異常［11］。近年來(lái)，中核集團(tuán)結(jié)合煤田、油田資料進(jìn)行科技攻關(guān)［9，12-13］，通過(guò)調(diào)查和勘探，對(duì)盆地內(nèi)上白堊統(tǒng)砂巖型鈾礦進(jìn)行探索工作，但多數(shù)聚焦于盆地中央凹陷區(qū)及西部斜坡區(qū)［11，14-16］，未對(duì)東北部拜泉地區(qū)進(jìn)行綜合分析。本文以前人研究成果及野外實(shí)地調(diào)查為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆孔資料和樣品數(shù)據(jù)分析對(duì)松遼盆地拜泉地區(qū)姚家組砂巖型鈾成礦條件進(jìn)行綜合研究，為該地區(qū)砂巖型鈾礦找礦方向提供線索。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

松遼盆地位于我國(guó)東北部，可劃分為西南隆起區(qū)、西部斜坡帶、東北隆起區(qū)、北部?jī)A沒(méi)區(qū)、中央坳陷帶及東南隆起區(qū)6 個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元［3-4］。拜泉地區(qū)位于東北隆起區(qū)西部和北部?jī)A沒(méi)區(qū)的東端交匯處，包括海倫隆起、綏棱背斜、乾元隆起、克山依龍背斜及依安凹陷5 個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元（圖1）。

圖1 松遼盆地北部構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭D（據(jù)文獻(xiàn)［3-4］修改）Fig.1 Structure units in the north of Songliao Basin（modified after reference［3-4］）

松遼盆地構(gòu)造演化經(jīng)歷了熱隆張裂期（前裂谷期）、伸展斷陷期（裂谷期）、沉降坳陷期（后裂谷期）和構(gòu)造反轉(zhuǎn)期（抬升萎縮期）4 個(gè)階段，自下而上形成了斷陷、坳陷和反轉(zhuǎn)3 個(gè)大的構(gòu)造層［3-4，9］。區(qū)內(nèi)主要保存了晚白堊世地層，自下而上依次為：泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組，由于反轉(zhuǎn)期地層的抬升、剝蝕作用，使四方臺(tái)組、明水組、古近系及新近系缺失，致使第四系直接覆蓋在嫩江組之上［9］，其中姚家組是本文研究重點(diǎn)。研究區(qū)內(nèi)姚家組與下覆地層為整合-平行不整合接觸［7，9］，埋深為380～600 m，巖性以灰色、灰綠色細(xì)砂巖為主，夾棕紅色泥巖、灰色泥巖及灰色粉砂巖。

2 成礦條件分析

2.1 構(gòu)造條件

侏羅紀(jì)造山運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的大興安嶺、小興安嶺和張廣才嶺環(huán)繞在松遼盆地北部，致使大量花崗巖、火山巖出露于地表［10，13，17］。燕山期和喜瑪拉雅期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制了區(qū)域上的構(gòu)造-地貌演化［3，10］，進(jìn)而影響了沉積體系內(nèi)部砂體的平面分布規(guī)律，也影響了地下水的補(bǔ)-徑-排體系，從而控制了砂巖型鈾礦成礦作用［12，16-20］。這些構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的地層掀斜有利于水的流動(dòng)和搬運(yùn)作用。坳陷沉積期后，在“嫩江運(yùn)動(dòng)”作用下發(fā)生褶皺、抬升，致使嫩江組以上地層長(zhǎng)時(shí)期遭受風(fēng)化剝蝕，第四系直接覆蓋于嫩江組之上，形成正向地形，也形成多個(gè)剝蝕天窗（圖1）。這與松遼盆地南部地質(zhì)特征較為相似［7，21-22］，“天窗”的形成可以做為白堊系含水層地下水的補(bǔ)給區(qū)，也可以作為排泄區(qū)，對(duì)鈾成礦極其有利。

2.2 鈾源條件

松遼盆地東北部蝕源區(qū)主要由小興安嶺和張廣才嶺的海西期、印支期及燕山早期花崗巖體等組成［7］。區(qū)內(nèi)各花崗巖類U 含量較高，如表1 所示印支期各類花崗巖中U 含量在（2.90～7.63）×10-6之間，燕山早期花崗巖中U含量為（3.00～23.80）×10-6，各類花崗巖U 浸出率多大于20%；區(qū)內(nèi)花崗巖U 平均含量為6.64×10-6，Th 平均含量為13.40×10-6，Th/U 值為多大于3，說(shuō)明存在U的遷出，致使Th/U失衡。

前人也針對(duì)蝕源區(qū)U 含量進(jìn)行了一系列研究［7，10-15］，經(jīng)統(tǒng)計(jì)火山巖U含量為（3.3～8.7）×10-6，海西期的白崗質(zhì)花崗巖和黑云母花崗巖的U 含量較高，為（2.25～22.30）×10-6，燕山期的花崗巖U 含量為（3.40～13.05）×10-6［7］。松遼盆地北部蝕源區(qū)遷入盆地的活化鈾總量高達(dá)432×104t（表2）。北部蝕源區(qū)鈾源條件較好，主要鈾源體為印支期花崗巖和燕山期花崗巖，蝕源區(qū)巖石鈾含量高，且浸出率高，為鈾成礦提供豐富鈾源。

表2 松遼盆地北部含鈾花崗巖蝕源區(qū)匯入盆地活化鈾總量計(jì)算表［14］Table 2 Calculated total amount of activated uranium of the source area to the north of Songliao Basin[14]

2.3 沉積相及砂體特征

通過(guò)對(duì)拜泉地區(qū)巖心觀察、編錄，收集統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)相關(guān)鉆孔資料，剔除一些無(wú)效數(shù)據(jù)后，選取保留了30 個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析認(rèn)為（表3）：在研究區(qū)內(nèi)，姚家組厚度多在80～200 m，砂體分布廣泛，厚度在10～80 m 不等，其中在拜泉一帶的S41 孔、S44 孔最為發(fā)育，單層最大厚度為54.65 m，砂體累計(jì)厚度為82.15 m，巖性為灰色細(xì)砂巖，連續(xù)性較好，炭屑較發(fā)育。區(qū)內(nèi)姚家組總體上為紅泥-灰砂組合，這與姚家組沉積時(shí)期干旱-半干旱的古氣候相符，而灰色砂巖可能是由于成巖后水巖作用所形成的。

表3 拜泉地區(qū)姚家組鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)一覽表Table 3 Statistics on borehole data of Yaojia Formation in Baiquan area

單孔微相分析表明：姚家組自北向南的沉積亞相依次為辮狀河相、曲流河相及三角洲相，其中包括：河床、泛濫平原、堤岸、河漫、三角洲平原、三角洲前緣亞相及滯留沉積、心灘、邊灘、天然堤、河漫灘、水上分流河道等多個(gè)微相。從ZK-9 孔沉積微相上看（圖2），姚家組在垂向上主要為曲流河沉積序列，表現(xiàn)為由多個(gè)正旋回沉積組成，由下至上粒度變細(xì)，電阻率曲線呈齒形-漸變式，自然電位曲線呈齒形-箱形，是典型的曲流河二元結(jié)構(gòu)。區(qū)內(nèi)河流相沉積物以灰色、灰綠色細(xì)砂巖為主，多見(jiàn)棕紅色、紅色泥巖。

圖2 ZK-9 單孔沉積相分析圖（據(jù)文獻(xiàn)［23］修改）Fig.2 Single-hole sedimentary facies analysis of borehole ZK-9（modified after reference［23］）

鉆孔剖面連井分析表明：姚家組發(fā)育兩個(gè)砂組，多由灰色、灰綠色細(xì)砂夾紅色泥巖組成。砂體疏松，連通性好，透水性強(qiáng)，由于東部為隆起帶，自西向東地層及砂體厚度均變小并有所抬升（圖3）。

通過(guò)北西向鉆孔連井剖面發(fā)現(xiàn)（圖3），砂體在拜泉一帶較為發(fā)育，姚家組下部砂組穩(wěn)定，砂體連續(xù)，厚度為20～25 m，巖性多為灰色、灰綠色細(xì)砂巖，已發(fā)現(xiàn)的砂帶寬度約25 km；通過(guò)南北方向鉆孔連井剖面發(fā)現(xiàn)（圖4），姚家組上部砂組僅在ZK-5 至ZK-1 范圍內(nèi)存在一定規(guī)模，而下部砂組在整個(gè)剖面顯示較為穩(wěn)定，且在ZK-3 附近最為發(fā)育，單層最大厚度達(dá)22.49 m，已發(fā)現(xiàn)的砂帶長(zhǎng)度約60 km，寬25 km。從砂體的垂向分布特征上初步認(rèn)為，姚家組砂體在拜泉一帶較為發(fā)育，其中下部砂組較上部砂組更穩(wěn)定，這為含礦流體的滲入，鈾元素的富集、成礦提供良好的空間。

圖3 拜泉地區(qū)姚家組北西向鉆孔連井剖面圖Fig.3 Geological section of neighbor boreholes in NW direction of Yaojia Formation in Baiquan area

圖4 拜泉地區(qū)姚家組南北向鉆孔連井剖面圖Fig.4 Geological section of neighbor borehole between SN of Yaojia Formation in Baiquan area

平面上姚家組砂體集中產(chǎn)出于海倫隆起和乾元背斜西南側(cè)的拜泉一帶（圖5），且受控于拜泉水系，發(fā)育在拜泉水系下游的三角洲沉積體系的姚家組含砂率為57%～75%，砂體規(guī)模較大。砂體上下發(fā)育泥巖隔水層，具有穩(wěn)定的“泥-砂-泥”結(jié)構(gòu)。

圖5 拜泉地區(qū)姚家組含砂率等值線圖Fig.5 Contour map of sandstone percentage of Yaojia Formation in Baiquan area

研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育南北向拜泉水系，從姚家組沉積相圖可以看出，區(qū)內(nèi)姚家組自北向南主要發(fā)育沖積扇、辮狀河、曲流河、三角洲等沉積體系（圖6）。姚家組沉積時(shí)期，主要沉積物源仍來(lái)自于北部的拜泉水系，與此同時(shí)，東北蝕源區(qū)也對(duì)盆地進(jìn)行填充，但東北向水系受限于河道繼承性較差、水動(dòng)力較弱，致使河道規(guī)模較小，砂體不連續(xù)。拜泉地區(qū)屬于北部拜泉水系與北東向水系的匯集中心，相帶處于曲流河與三角洲前緣交界處，砂體主要發(fā)育在三角洲前緣相中水下分流河道微相。

圖6 拜泉地區(qū)姚家組沉積相圖Fig.6 Sedimentary facies map of Yaojia Formation in Baiquan area

2.4 后生蝕變特征

研究區(qū)內(nèi)姚家組的原生沉積氣候是干旱-半干旱條件下形成的一套紅色建造，北部和東北部以氧化為主，局部見(jiàn)有灰色巖系；西南部多為灰色細(xì)砂巖并多伴隨炭屑等有機(jī)質(zhì)同生沉積（圖7a），巖心出現(xiàn)氧化殘留體（圖7b），這是由于原生沉積的紅色建造在滲透性強(qiáng)的部位會(huì)被還原為灰色或灰綠色，而在滲透性較弱處仍為原色（圖7c）。部分姚家組砂巖表現(xiàn)為紅色砂巖與灰色砂巖互層（圖7d），這也是由于原生沉積的紅色砂巖經(jīng)水巖作用，局部被還原為灰色。

對(duì)鉆孔巖心樣品進(jìn)行取樣及顯微鏡觀察表明，姚家組砂巖主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖，砂巖主要成分為長(zhǎng)石、石英、巖屑；分選一般，磨圓一般，呈次棱角狀為主，少部分為次圓狀（圖8），推測(cè)其為中-遠(yuǎn)沉積距離的產(chǎn)物。長(zhǎng)石為鉀長(zhǎng)石和少量斜長(zhǎng)石，具高嶺石化，斜長(zhǎng)石表面絹云母化（圖8a），局部見(jiàn)少量綠泥石化（圖8b），綠泥石是長(zhǎng)石經(jīng)水解作用后產(chǎn)生的主要礦物，說(shuō)明巖石中存在不同程度后生改造作用。石英主要為單晶石英，少數(shù)多晶石英，部分單晶石英可見(jiàn)次生加大邊，粒內(nèi)輕微波狀消光（圖8c），可推測(cè)石英在形成后存在一定程度的構(gòu)造擠壓作用。填隙物由黏土質(zhì)雜基、鐵質(zhì)膠結(jié)物組成，孔隙式膠結(jié)，部分填隙物中可看見(jiàn)明顯的褐鐵礦化蝕變（圖8d）。巖石屬于顆粒支撐結(jié)構(gòu)，這為成礦期含鈾含氧流體的滲入及后生蝕變提供有利的空間。

圖8 拜泉地區(qū)姚家組砂巖顯微特征Fig.8 Microscopic characteristics of sandstone in Yaojia Formation in Baiquan area

3 找礦方向探討

根據(jù)松遼盆地北部砂巖型鈾成礦條件，并結(jié)合松遼盆地南部錢家店地區(qū)找礦突破成果，優(yōu)選拜泉-三道鎮(zhèn)一帶為進(jìn)一步工作有利地段，面積約1 600 km2（圖6）。該地段鄰近盆地東緣，東側(cè)反轉(zhuǎn)構(gòu)造較發(fā)育，而反轉(zhuǎn)構(gòu)造作用使盆地內(nèi)局部區(qū)域受到不同程度的隆升變?yōu)檎虻匦?，形成剝蝕天窗，在構(gòu)造強(qiáng)烈處抬升隆起幅度大，導(dǎo)致一些白堊紀(jì)地層直接裸露地表遭受剝蝕，造成了地層的掀斜，可使地下水從滯流狀態(tài)變?yōu)檠h(huán)狀態(tài)，為層間氧化帶型砂巖型鈾礦提供較好的水文、地質(zhì)條件。該地段姚家組以河流-三角洲相沉積為主，共發(fā)育兩個(gè)砂組，其下部砂組橫向連通性好，厚度適中，巖性多為細(xì)砂巖，且已發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)約60 km、寬25 km 的砂帶，這為鈾成礦提供良好的容礦空間。

該地段東側(cè)和北側(cè)發(fā)育一定規(guī)模氧化帶，在盆地邊緣的A23 孔中黃色砂巖的鏡下觀察發(fā)現(xiàn)部分石英、長(zhǎng)石周邊存在褐鐵礦化蝕變（圖8d），砂體明顯發(fā)生過(guò)水巖作用；而在研究區(qū)東側(cè)A20 孔中，部分姚家組砂巖表現(xiàn)為灰色細(xì)砂巖與紅色細(xì)砂巖互層，這種“紅灰互層”主要由于原生沉積的紅色砂巖經(jīng)水巖作用，被還原的不夠不充分或不夠均勻?qū)е?；在北部北安地區(qū)附近的A11 孔中，這種不均勻的還原作用更加明顯，表現(xiàn)為姚家組的灰色細(xì)砂巖與紅色細(xì)砂巖混雜（圖7c）。在拜泉地區(qū)還發(fā)育一定規(guī)模還原帶，砂體為灰色細(xì)砂巖，其中多見(jiàn)植物炭屑等還原物質(zhì)（圖7a），從顯微鏡下可以看出，砂巖中存在不同程度的絹云母化及綠泥石化（圖8a、b），在ZK-2 孔砂體中見(jiàn)有灰色砂巖中存在紅色斑塊殘留體（圖7b）。根據(jù)研究區(qū)的氧化還原條件，結(jié)合砂體空間展布特征，初步推測(cè)拜泉-三道鎮(zhèn)一帶存在一條層間氧化帶前鋒線，長(zhǎng)度約48 km（圖6）。

4 結(jié)論

1）研究區(qū)主要找礦目的層為上白堊統(tǒng)姚家組，主要找礦類型以層間氧化帶型為主，重點(diǎn)找礦地段為拜泉-三道鎮(zhèn)一帶。

2）研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造斷裂發(fā)育，地層存在一定程度的掀斜，剝蝕強(qiáng)烈，使含鈾含氧水更容易滲入。

3）盆地東北部蝕源區(qū)主要由小興安嶺和張廣才嶺的花崗巖體組成，鈾源豐富，且Th/U 值多大于3，說(shuō)明大部分鈾源已經(jīng)被活化、遷移到盆內(nèi)。

4）研究區(qū)位于古河道中下游，姚家組下段砂體發(fā)育屬三角洲前緣相，已初步控制長(zhǎng)約60 km、寬25 km 的砂帶，砂體橫向連通性好，厚度適中，為鈾元素的賦存、運(yùn)移及沉淀富集提供有利空間。

5）研究區(qū)內(nèi)氧化還原條件較好，在東部發(fā)生小范圍的氧化作用，由邊緣向盆內(nèi)的拜泉地區(qū)逐漸減弱，而在拜泉地區(qū)砂體中有機(jī)質(zhì)豐富，多見(jiàn)植物炭屑等豐富的還原物質(zhì)，還原能力強(qiáng)，且存在不同程度的蝕變，水巖作用明顯。推測(cè)拜泉-三道鎮(zhèn)地段發(fā)育層間氧化帶前鋒線，鈾成礦潛力有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。