松遼盆地南部晚白堊世沉積演化與鈾成礦作用研究

盧天軍，劉鑫，姜山，張亮亮，寧君，王海濤，蘇連馳，武飛，翁海蛟，宮天琦

（核工業(yè)二四三大隊，內蒙古 赤峰 024000）

松遼盆地是我國重要的能源盆地，也是北方主要的產(chǎn)鈾盆地之一。近年來，隨著勘查工作的不斷深入，在松遼盆地南部上白堊統(tǒng)姚家組下段發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模的工業(yè)鈾礦化，由此確定其為主要找礦目的層。前人對盆地的基底構造、鈾礦化特征、成礦規(guī)律、鈾的存在形式以及成礦年齡等做了大量的工作，并取得了諸多成果和認識［1-4］。然而，對于含礦目的層砂體形成的過程、沉積演化等研究較少。本文通過對近年來在松遼盆地南部施工的鉆孔巖心、測井數(shù)據(jù)、分析測試數(shù)據(jù)等進行綜合分析，以圖件編制與粒度分析為手段，對上白堊統(tǒng)找礦目的層泉頭組、姚家組、四方臺組和明水組進行層序地層劃分，并在此基礎上，分析沉積演化及其對鈾成礦的控制作用，實現(xiàn)遠景區(qū)預測，為下一步找礦工作提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質背景

松遼盆地位于中國東北部，是晚中生代形成的大型陸相沉積盆地。盆地四周由區(qū)域性控盆斷裂所圍限，內部由北東-北北東、北西、東西、南北向四組主要斷裂所分隔。盆地基底為前寒武紀花崗片麻巖、石炭系-二疊系變質巖以及華力西期花崗巖組成；沉積蓋層包括下白堊統(tǒng)義縣組、九佛堂組、沙海組、阜新組的斷陷沉積，上白堊統(tǒng)泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組的坳陷沉積以及古近系、第四系松散堆積物。盆地南部屬山間盆地，主要包括開魯坳陷區(qū)、西南隆起區(qū)（古隆起區(qū)）和東南隆起區(qū)3個二級構造單元及32 個三級構造單元（圖1）。嫩江期后受盆地東部強烈抬升影響，內部地層具有東掀西斜的結構特征［5-6］。盆地歷經(jīng)多期構造運動，演化歷程可概括為基底形成與改造階段、晚侏羅世—早白堊世伸展斷陷階段、早白堊世—晚白堊世熱冷卻坳陷階段以及晚白堊世—新生代構造反轉階段［7-11］。

圖1 研究區(qū)構造單元劃分圖Fig.1 Division of structural units in the study area

松遼盆地南部砂巖型鈾礦產(chǎn)于晚白堊世坳陷層內，坳陷層序由下到上分別為：泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組和明水組，時間跨度為112～70 Ma，處于晚白堊世海退巨層序內。其中青山口組一段和嫩江組一段分別為兩次海平面的頂峰，處于潮濕的氣候環(huán)境，其他時期均處于半干旱-半濕潤氣候。青山口期發(fā)生一期強烈的構造沉降，增加了盆地的可容空間，以至于在青山口組、姚家組時期（92～87 Ma）發(fā)育有利的辮狀河砂體，為區(qū)內良好的鈾儲層［12-13］。

2 研究方法及結果

2.1 區(qū)域層序地層劃分標準

綜合前人對松遼盆地的科研和生產(chǎn)實踐成果，將松遼盆地南部白堊系劃分3 個I級層序：S1、S2、S3，分別對應斷陷期地層（下白堊統(tǒng)）、坳陷期地層（上白堊統(tǒng)下部、中部）、萎縮期（反轉期）地層（上白堊統(tǒng)上部）和3 個盆地級事件。S1 是斷陷層序；S3 層序頂界面為SB3N，是盆地范圍內的新近系與白堊系的不整合界面。本文研究的重點是上白堊統(tǒng)，包括I 級層序S2、S3，對應的底界面分別是SB2、SB3（圖2）。

圖2 研究區(qū)上白堊統(tǒng)層序地層簡表Fig.2 Sketch column of sequence stratigraphy in the study area

S2、S3 層序內可劃分6 個II 級層序：S2-1（泉頭組）、S2-2（青山口組）、S2-3（姚家組）、S2-4（嫩江組）、S3-1（四方臺組）、S3-2（明水組），分別對應早期陸源沉積補給增加、湖泊全盛后急速水退和坳陷形成、湖泊-河流擴張、湖泊全盛、湖泊萎縮、凹陷沉降等事件。以上事件均屬于盆地內凹陷級事件，受到盆地內控凹斷層的直接控制和盆地級事件的間接控制。每個II級層序的底界面分別是SB2、SB2-2、SB2-3、SB2-4、SB3、SB3-2。

S2-1 層序可劃分為4 個III 級層序：S2-1-1（K2q1）、S2-1-2（K2q2）、S2-1-3（K2q3）和S2-1-4（K2q4），分別對應了洼陷抬升導致可容空間減小和持續(xù)抬升剝蝕事件、洼陷沉降導致可容空間增加、剝蝕和無物源補給、洼陷持續(xù)抬升，均屬于凹陷內洼陷級事件，受到盆地內控洼斷層的直接控制和盆地級事件、凹陷級事件的間接控制。每個III 級層序的底界面分別是SB2、SB2-1-2、SB2-1-3、SB2-1-4（圖3，G20-3 孔）。

S2-2 層序可劃分為2 個III 級層序：S2-2-1（K2qn1）和S2-2-2（K2qn2），分別對應了各個洼陷內河湖擴張和急速水退事件，均屬于凹陷內洼陷級事件，且受到盆地內控洼斷層的直接控制和盆地級事件、凹陷級事件的間接控制。每個III級層序的底界面分別是SB2-2 和SB2-2-2（圖3，QH20-2 孔）。

S2-3 層序可劃分為2 個III 級層序：S2-3-1（K2y1）和S2-3-2（K2y2），分別對應了急速水退后河流復活回春和各個洼陷內湖泊逐漸侵蝕大陸事件，均屬于凹陷內洼陷級事件，且受到盆地內控洼斷層的直接控制和盆地級事件、凹陷級事件的間接控制。每個III級層序的底界面分別是SB2-3 和SB2-3-2（圖3，D20-4 孔）。

S2-4層序屬于湖泊全盛層序，不對其III級層序做詳細研究。

S3-1 層序可劃分為2 個III 級層序：S3-1-1（K2s1）和S3-1-2（K2s2），分別對應了早期湖泊萎縮后殘留小型湖泊和各個洼陷地質歷史時期的晚期所有湖泊全面干涸事件，均屬于凹陷內洼陷級事件，且受到盆地內控洼斷層的直接控制和盆地級事件、凹陷級事件的間接控制。每個III級層序的底界面分別是SB3 和SB3-1-2（圖3，J20-1 孔）。

圖3 松遼盆地南部典型鉆孔綜合柱狀圖Fig.3 Comprehensive stratigraphic column in the southern Songliao Basin

S3-2 層序的III 級層序無法劃分，原因是S3-2 地質歷史時期地層被嚴重剝蝕，有效信息不全。

2.2 沉積地層剖面分析

地層沉積特征的研究和分析是了解盆地基本地質的有效方法之一，也是分析區(qū)內沉積演化過程的技術基礎。根據(jù)盆地格架和地層展布，選取I—I′和II—II′兩條貫穿研究區(qū)的地質剖面進行分析，剖面位置見圖1。

I—I′：由哲中凹陷向架瑪吐凸起方向自南西向北東切穿錢家店凹陷，姚家期物源來自盆地西南緣，水流匯入哲中凹陷后流入錢家店凹陷中，后被架瑪吐基巖隆起阻擋，相序自南向北由沖積扇轉變?yōu)檗p狀河，形成了大規(guī)模的有利于鈾成礦的辮狀河砂體。由于填平補齊作用，姚家晚期轉變?yōu)榍骱映练e；嫩江期受湖侵事件影響，架瑪吐凸起地區(qū)由于抬升活動劇烈，僅殘留了嫩江組的三角洲砂體；四方臺期，由于哲中凹陷東緣水退速度比西緣緩慢，河流相不發(fā)育，發(fā)育大規(guī)模的三角洲砂體（圖4a）。

II—II′：由陸家堡凹陷向古隆起區(qū)方向，經(jīng)過舍伯吐凸起北緣和錢家店凹陷，在錢家店東緣受古隆起區(qū)劇烈抬升作用影響，姚家組及以上地層逐漸尖滅，古隆起區(qū)東緣出露下部的青山口組湖泊相沉積物。古隆起區(qū)東南泉頭組被抬升，物源來自盆地東南緣，向隆起區(qū)方向依次發(fā)育沖積扇—曲流河—沖積平原沉積序列。姚家期主河流發(fā)育在錢家店凹陷和舍伯吐凸起，發(fā)育辮狀河—曲流河—三角洲的相序變化，在陸家堡凹陷由于地層抬升劇烈，姚家組幾乎不發(fā)育，僅殘留薄層沖積平原沉積（圖4b）。

圖4 松遼盆地南部I—I'（a）和II—II'（b）剖面沉積相圖Fig.4 Sedimentary facies section I—I'（a）and II—II'（b）of the southern Songliao Basin

2.3 古地理特征

利用沉積地層、沉積相和建造來確定古地理環(huán)境的變遷，可以更好地了解構造-沉積演化，指導礦產(chǎn)勘查［13］。分析松遼盆地南部近年來鉆孔的單孔沉積相結構，結合沉積相骨架剖面綜合分析獲得沉積信息，對比剖面圖結構特征，基本查明泉頭期、青山口期、姚家期、四方臺期的古地理特征。

泉頭期物源主要來自盆地北緣和東南緣，發(fā)育大規(guī)模的沖積平原和曲流河相。該時期古隆起山區(qū)處于強烈抬升剝蝕階段［14-15］，未沉積。盆地南緣發(fā)育沖積扇和扇緣辮狀河相，北部河流規(guī)模小，發(fā)育大規(guī)模的三角洲相（圖5a）。

青山口期物源主要來自盆地南緣。該時期繼承泉頭期古地理的地形特征，古隆起主體為山區(qū)，未沉積，河流向隆起區(qū)方向發(fā)育，受到山區(qū)阻擋，在山前形成局限湖泊（圖5b）。

姚家期物源主要來自盆地西南部和西部邊緣。早期在盆地西南緣發(fā)育大規(guī)模的沖積扇群，河流體系大規(guī)模發(fā)育，以曲流河相和沖積平原相為主；晚期在被填平補齊后河流能夠穿越隆起區(qū)，完成由上游高階地向下游低階地的流動，這個過程，受到古隆起影響，河道變窄，水勢增強，發(fā)育大規(guī)模的辮狀河相。該區(qū)的辮狀河砂體可見明顯的鈾增高顯示，古隆起以北的地區(qū)發(fā)育大規(guī)模的曲流河和三角洲砂體（圖5c）。

四方臺期全盆地湖泊發(fā)生大規(guī)模水退，湖水從東北部退出，發(fā)育大規(guī)模的雜色泥質沉積，屬于沖積平原相；物源來自盆地西緣，盆地基本填平補齊，河流規(guī)模小（圖5d），僅在西部發(fā)育小規(guī)模的辮狀河相，南部發(fā)育小規(guī)模的沖積扇相，北部發(fā)育大規(guī)模的三角洲相。

圖5 松遼盆地南部沉積相圖Fig.5 Map of sedimentary facies in the southern Songliao Basin

2.4 巖心粒度分析

沉積物的搬運方式共有3 種：牽引、跳躍和懸浮。搬運方式受控于沉積物粒度和水流強度。通過對砂巖碎屑沉積物的粒度統(tǒng)計，繪制粒度曲線圖，可以鑒定不同搬運方式所占比例，進而反推沉積物在沉積時期所經(jīng)歷的水流強度和相應的沉積環(huán)境。研究區(qū)內河流相砂體的粒度曲線分為3 種類型：兩段型、三段型、多段型。兩段型曲線是由跳躍和懸浮兩個部分構成，缺乏牽引方式形成的沉積物，兩部分的截點對應的粒度反應了搬運沉積物的擾動強度，強度高的在較粗粒度上發(fā)生截斷。隨著截點位置的不同反應不同的沉積環(huán)境，一般截點粒度大于等于2.25Φ 的兩段型曲線可以反應較急河流的沉積環(huán)境。三段型曲線在跳躍總體的左側末端存在一個分選性差的牽引總體，兩者的截點粒度在1.00Φ 附近，反應河流深水區(qū)沉積環(huán)境［16］。多段型曲線至少由四段組成，分選性差，這類曲線較易在上游支流河道中存在，認為屬于類似于濁流沉積的山地河流沉積，為地殼剛剛上升后，河流較急情況的產(chǎn)物［17］。

根據(jù)跳躍和懸浮總體的截點粒度、跳躍總體曲線的斜度和懸浮總體的含量3 個參數(shù)，對研究區(qū)兩段型和三段型曲線可進一步劃分為9大類（表1）。其中I-IV 類曲線的截點粒度較粗，屬于擾動大的急流河流沉積；V-VIII 類曲線屬于流速相對較小，擾動較小的平原河流沉積，少量河流沉積旋回上部屬于VIII 類曲線；IX 類曲線含懸浮物高，同時分選差，這種曲線代表暫時性水流沉積，與濁流沉積有些類似。

表1 研究區(qū)內兩段型和三段型曲線形態(tài)分類表Table 1 Classification of two-segment and three-segment curve form in the study area

本次研究初步統(tǒng)計分析了區(qū)內150 余件粒度分析樣品的曲線數(shù)據(jù)（圖6），其中錢家店（鈾礦產(chǎn)地）地區(qū)灰砂統(tǒng)計樣品總數(shù)為78 件，灰色砂巖中I-IV 類和多段型曲線占絕對優(yōu)勢，反映山地間河流和山前急流的沉積環(huán)境；代力吉地區(qū)（鈾礦化地段）灰砂統(tǒng)計樣品總數(shù)為38 件，灰色砂巖中各類曲線分布相當，相比于錢家店地區(qū)的灰色砂巖曲線數(shù)據(jù)，V-IX 類曲線明顯增多，反映了該區(qū)灰色砂巖的河流更加平坦穩(wěn)定。錢家店和代力吉地區(qū)褐黃色砂巖統(tǒng)計樣品總數(shù)為116 件，其中I-IV 類曲線占絕對優(yōu)勢，并且與灰色砂巖曲線占比具有相似性，反映了山地間河流的沉積環(huán)境特征。選擇瞻榆和金寶屯地區(qū)兩處非鈾礦產(chǎn)地灰砂進行對比，其中瞻榆地區(qū)統(tǒng)計樣品總數(shù)為17 件，灰色砂巖樣品全部為I-IV 類曲線，反映了河流流出山谷后的山前急流沉積環(huán)境，相比鈾礦化明顯的錢家店地區(qū)，缺失多段型曲線；金寶屯統(tǒng)計樣品總數(shù)為23 件，結果與瞻榆地區(qū)相似。

圖6 粒度分析曲線類型分布圖Fig.6 Histogram of size analysis curve type in the study area

通過對比鈾礦產(chǎn)地與非鈾礦產(chǎn)地的砂巖粒度可知，鈾礦化明顯地區(qū)的姚家組砂巖具有獨特的山間河流沉積環(huán)境特征。

3 討論

3.1 晚白堊世古地理分析

區(qū)內沉積體系演化整體受控于松遼盆地的構造演化，直接受控于古隆起帶的構造演化（圖7）。在112～100 Ma 的泉頭期，由于太平洋板塊俯沖加強和周緣板塊不均衡的擠壓作用［18］，松遼盆地西南部和西部持續(xù)抬升，古隆起區(qū)西部抬升，東部沉降，造成湖泊向東轉移至長春的位置，河流在地勢較低的南、東南緣向北發(fā)育；在100～88 Ma 的青山口期，古隆起區(qū)西部和東部持續(xù)抬升，西部抬升強度逐漸減弱，東部抬升強度逐漸增強，在青山口中晚期，東部抬升強度超越西部，引起松遼盆地湖盆開始向西轉移，形成松遼盆地坳陷期第一次大型湖侵事件，主力物源方向向西轉移，湖盆開始逐漸萎縮；在88～84 Ma的姚家期，東部抬升持續(xù)增強，湖盆中心繼續(xù)向西轉移，主力物源方向繼續(xù)向西轉移，湖盆開始擴張；在84～72 Ma 的嫩江期，東部持續(xù)抬升，湖盆繼續(xù)向西移動，形成第二次大型湖侵事件；在72～71 Ma 的四方臺期，由于日本海的擴張［19-21］，對大陸的擠壓進一步加強，盆地可容空間減小，湖盆全面萎縮，在開魯坳陷區(qū)內殘留下多個小型湖泊；在71～70 Ma 的明水期，部分坳陷再次沉降，可容空間逐漸增加，河流再次復活。需要指出的是嫩江至明水期較短，對于松遼盆地南部的沉積體系改動大，盆地北部整體以三角洲-湖泊相為主。

圖7 松遼盆地南部沉積演化模式圖Fig.7 Sedimentary evolution model for the southern Songliao Basin

3.2 沉積演化與鈾成礦

松遼盆地南部構造與鈾成礦的關系主要表現(xiàn)為：成盆早期褶皺演化階段形成的大范圍海西期、印支期富鈾花崗巖和晚侏羅世擠壓火山穹隆，演化階段形成的富鈾中酸性火山巖、花崗巖是松遼盆地富鈾沉積建造和鈾成礦的有利鈾源條件；早白堊世伸展斷陷階段形成的斷陷層位為盆地后生鈾成礦儲備豐富的還原流體；晚白堊世早期熱降坳陷階段形成了姚家組大規(guī)模辮狀河富鈾建造，同時該階段也是重要的鈾預富集期；晚白堊世晚期（嫩江期末、四方臺期—明水期）反轉階段是控制盆地邊緣含鈾含氧流體補給及盆內油氣流體滲出還原疊加鈾成礦的主要構造階段；古近紀（依安期）伸展斷陷及斷塊差異隆升剝蝕階段是控制盆地油氣滲出與還原流體滲入混合疊加成礦的主要構造階段；新近紀至第四紀擠壓坳陷階段是盆地主要的保礦階段。結合盆地演化史和古地理可知，古隆起之間夾持的河谷地帶是有利于鈾成礦的重要古地理條件，而構造活動是構建有利鈾成礦古地理條件的直接因素。目前在區(qū)內能夠較準確定位的斷裂為F1和F8斷裂。F1斷裂為通遼-安廣斷裂，在四方臺組初始時期之前為同生正斷層，斷層下盤地帶古河谷發(fā)育，有利于辮狀河砂體形成；嫩江末期-四方臺早期，受盆地級構造反轉抬升作用影響，F(xiàn)1斷裂轉變?yōu)槟鏀鄬樱弦粫r期斷層下盤形成的辮狀河砂體在隆起區(qū)被抬升剝蝕出露，含鈾含氧水沿剝蝕區(qū)滲入砂體內，在氧化帶前鋒線及殘留灰色砂體內形成鈾礦化。前人研究得出錢家店地區(qū)姚家組下段沉積顯示了多物源體系的特征，既有盆緣造山帶物源，也有周邊凸起物源［22］。研究區(qū)遭受隆起出露地表的富鈾地質體經(jīng)風化、剝蝕、淋濾，容易形成含鈾含氧水，從而提供物源。F8斷裂為西拉木倫大斷裂，屬于控盆大斷裂，性質與F1相似，因此F8與F1斷裂交匯部位的凹陷區(qū)是鈾成礦有利區(qū)（圖8）。

圖8 古河谷區(qū)域鈾成礦模式圖Fig.8 Uranium metallogenic model of paleo-river valley in the study area

4 結論

1）松遼盆地南部晚白堊世沉積演化過程中，構造活動起到了至關重要的核心控制作用，西南隆起區(qū)古隆起是導致形成辮狀河砂體的關鍵因素，也是隔絕相對濕潤和相對干旱環(huán)境的過渡地帶，也是大規(guī)模氧化還原過渡帶發(fā)育的有利地帶。

2）沉積巖地質歷史時期，山間河谷形成的河流砂體有利于鈾成礦，當河流流出山谷形成的山前河流砂體不利于鈾成礦。

3）西拉木倫大斷裂和通遼-安廣斷裂交匯部位的凹陷區(qū)是鈾成礦有利區(qū)。