松遼盆地北部依安地區(qū)四方臺組沉積特征與鈾成礦條件分析

侯曉光，羅敏，王志華，王東旭，趙星博

（核工業(yè)二四〇研究所，遼寧 沈陽 110000）

松遼盆地是我國中新生代大型陸相含油氣沉積盆地［1］。20世紀(jì)50年代以來，原地礦部、石油和煤炭系統(tǒng)在盆地內(nèi)開展各種比例尺區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、物化探及遙感地質(zhì)等工作并施工了大批鉆孔，積累了有關(guān)盆地構(gòu)造格架、地層層序、沉積建造、巖相古地理等大量基礎(chǔ)地質(zhì)資料。區(qū)內(nèi)地浸砂巖型鈾礦找礦工作始于20 世紀(jì)80 年代，2007 年核工業(yè)二四三大隊(duì)在盆地南部開魯坳陷內(nèi)取得重要突破并逐步落實(shí)了寶龍山中型鈾礦床。2016—2019 年，大慶油田與中國地質(zhì)調(diào)查局天津地調(diào)中心合作，在中央坳陷區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一批鈾工業(yè)孔。而盆地北部目前工作程度尚淺，礦產(chǎn)方面目前僅發(fā)現(xiàn)一些鈾異常顯示，尚未發(fā)現(xiàn)具有工業(yè)價(jià)值的鈾礦床。近年來，核工業(yè)二四〇研究所在研究區(qū)內(nèi)開展了一系列鈾礦調(diào)查評價(jià)工作，確定四方臺組為找礦目的層，并在四方臺組中發(fā)現(xiàn)了一批鈾礦化、異常孔，顯示出較好的找礦潛力。本文基于地質(zhì)、鉆探、測井等資料對四方臺組沉積特征及鈾成礦條件進(jìn)行了分析，以期為后續(xù)找礦工作提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

松遼盆地是在松遼微板塊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的中新生代大型陸相克拉通內(nèi)轉(zhuǎn)化型盆地，盆地形態(tài)近似菱形，呈NNE 向展布，其東部為張廣才嶺，西部為大興安嶺，北與小興安嶺相鄰，南接康法丘陵地帶［2-3］。根據(jù)蓋層發(fā)育和構(gòu)造演化等方面的特征，松遼盆地可劃分為6個(gè)一級構(gòu)造單元，即西部斜坡區(qū)、北部傾沒區(qū)、東北隆起區(qū)、中央坳陷區(qū)、東南隆起區(qū)和西南隆起區(qū)［4-5］，研究區(qū)位于北部傾沒區(qū)南部與西部斜坡區(qū)、中央坳陷區(qū)北部的交匯部位（圖1）。區(qū)內(nèi)蓋層自下而上分為上侏羅統(tǒng)火石嶺組，下白堊統(tǒng)沙河子組、營城組、登婁庫組，上白堊統(tǒng)泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組、明水組，依安組、大安組、泰康組和第四系。松遼盆地構(gòu)造演化經(jīng)歷了前中生代克拉通基底演化階段、晚侏羅世（J3）擠壓火山穹窿演化階段、早白堊世（K1sh－K1d）伸展斷陷階段、晚白堊世早期（K2q－K2n）熱冷卻坳陷階段、晚白堊世晚期（K2s－K2m）反轉(zhuǎn)褶皺隆升萎縮剝蝕階段、古近紀(jì)（E）伸展斷陷隆升剝蝕階段及新近紀(jì)－第四紀(jì)（N－Q）擠壓坳陷階段等7 個(gè)演化階段［6-7］。本文研究的目的層為上白堊統(tǒng)四方臺組，為盆地坳陷末期萎縮褶皺、構(gòu)造反轉(zhuǎn)時(shí)期形成的反轉(zhuǎn)構(gòu)造層［8］。

圖1 研究區(qū)位置圖及構(gòu)造單元分布（據(jù)文獻(xiàn)［6］修改）Fig.1 Location and structural units of the study area（modified after reference［6］）

根據(jù)巖性巖相、測井曲線形態(tài)及地層旋回性將四方臺組分為上、下兩段，上段厚度一般大于下段。四方臺組上段巖性為辮狀河相中粗砂巖、砂礫巖夾薄層泥巖，發(fā)育多個(gè)向上變細(xì)的沉積正韻律。四方臺組下段巖性為棕紅色泥巖與灰色砂巖互層。

四方臺組上覆地層為明水組，二者之間界線較為明顯，在巖性和顏色上差別較大：明水組顏色一般為灰色、深灰色，而四方臺組顏色一般以棕紅色、灰色、（淺）灰綠色為特征。明水組底部巖性為厚度較大的泥巖、粉砂巖，水平層理十分發(fā)育，偶有雙殼類化石發(fā)育，構(gòu)成了目的層穩(wěn)定的隔水頂板。

四方臺組下伏地層為嫩江組，二者為角度不整合接觸。嫩江組可分為5 段，而研究區(qū)內(nèi)鉆孔揭露一般只揭露到嫩江組三、四段，缺失嫩江組五段。嫩江組三、四段巖性為灰綠色泥巖夾薄層灰綠色砂巖，構(gòu)成了目的層穩(wěn)定的隔水底板。

2 沉積相類型及展布特征

2.1 巖石學(xué)特征

四方臺組砂體巖性主要為灰色、淺黃色中、細(xì)砂巖、砂礫巖，碎屑顆粒主要為石英、長石和巖屑，少量重礦物、云母類。石英含量一般為25%～50%。長石含量為20%～45%，成分有斜長石和鉀長石兩種，斜長石聚片雙晶發(fā)育，正長石呈褐黃色，具卡式雙晶，微斜長石具格子狀雙晶。云母含量在2%～5%之間，成分有黑云母和絹云母，部分云母發(fā)生綠泥石化蝕變。巖屑顆粒含量在5%～45%之間，集中于10%～25%之間。巖屑按照母巖性質(zhì)主要可分為：中酸性火山巖巖屑、沉積巖-變質(zhì)沉積巖巖屑，且前者大于后者，表明四方臺組巖石的母巖主要為中酸性火山巖。砂巖碎屑顆粒普遍為次棱角狀-次圓狀，分選以好-中等為主，顆粒膠結(jié)方式以孔隙式為主，支撐方式以顆粒支撐方式為主。填隙物的含量多<10%，主要為一些粘土礦物，如高嶺石、蒙脫石等。

2.2 沉積相類型

通過巖石巖性特征、沉積韻律、沉積構(gòu)造特征，結(jié)合測井曲線等分析認(rèn)為，研究區(qū)四方臺組上段發(fā)育辮狀河相沉積和三角洲相沉積，四方臺組下段為曲流河相沉積（圖2，圖3）。辮狀河沉積可進(jìn)一步細(xì)分為河道滯留沉積微相、心灘沉積微相、泛濫平原沉積微相；曲流河沉積包括河床滯留沉積微相、邊灘沉積微相、天然堤、決口水道及河漫灘沉積微相；三角洲相沉積包括分流河道微相、分流間灣微相。

圖2 四方臺組單孔沉積微相分析圖Fig.2 Sedimentary microfacies analysis of Sifangtai Formation by single borehole data

圖3 四方臺組單孔沉積微相分析圖Fig.3 Sedimentary microfacies of Sifangtai Formation of single borehole data

2.2.1 辮狀河

1）河床滯留沉積

河床滯留沉積出現(xiàn)在旋回底部，由砂質(zhì)礫巖、含礫砂巖組成。礫石成分主要為泥礫，底部發(fā)育沖刷面（圖4 a）。河床滯留沉積厚度較薄，厚度0.1～1 m。電阻率曲線呈高幅指狀。相對于曲流河河道沉積，辮狀河碎屑物粒度更粗，礫石粒徑更大，分選性和磨圓度更差，多見鈣質(zhì)結(jié)核發(fā)育，沉積構(gòu)造可見沖刷-充填構(gòu)造（圖4 a）。

2）心灘沉積

心灘沉積主要由細(xì)-粗粒砂巖等粗碎屑物質(zhì)組成，沉積構(gòu)造發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理和平行層理。沉積厚度較大，多疊置于滯留沉積之上；電阻率曲線以中高幅-中幅箱形或鐘形-箱形組合疊加組成，向上砂體粒度由粗變細(xì)，水動力逐漸減弱。

3）泛濫平原沉積

泛濫平原沉積厚度相對較薄，多以薄層狀垂向沉積于心灘沉積之上，主要由泥巖、粉砂巖組成，通常發(fā)育團(tuán)塊及形狀不規(guī)則的鈣質(zhì)結(jié)核，層理不發(fā)育，塊狀構(gòu)造，顏色通常為灰綠色、灰?guī)ЬG色。電阻率曲線呈低幅平直狀，反映水動力條件較弱。

2.2.2 曲流河

區(qū)內(nèi)曲流河可進(jìn)一步細(xì)分為河床滯留沉積、邊灘、天然堤、決口水道及泛濫平原沉積微相，與辮狀河相比，曲流河沉積物粒度一般較細(xì)，含砂率明顯降低。

1）河床滯留沉積

滯留沉積主要由含礫中-粗砂巖組成，分選和磨圓較差，底部發(fā)育沖刷構(gòu)造，沉積厚度一般為0.05～0.5 m。電阻率曲線呈高幅指狀。四方臺組曲流河河床滯留沉積占總沉積的比例較小，僅在四方臺組底部有發(fā)育。

2）邊灘沉積

主要由灰色中砂巖、細(xì)砂巖組成，沉積構(gòu)造可見平行層理以及交錯(cuò)層理，在垂向上多疊加于河床滯留沉積之上。沉積厚度一般為2.0～10.0 m。電阻率曲線為中高幅-中幅箱形，反映出向上粒度突變，水動力迅速減弱［9］。

3）天然堤

主要由細(xì)砂巖、粉砂巖組成，常呈薄層狀夾于曲流河河漫灘沉積中，沉積構(gòu)造主要為平行層理（圖4 b）。天然堤厚度一般介于0.1～0.5 m 之間，占曲流河總沉積比例較小。電阻率曲線形態(tài)呈中幅指狀，齒化不明顯。

4）決口水道

決口水道沉積由中、細(xì)砂巖、粉砂巖組成，粒度較天然堤稍粗，常呈薄層狀夾于河漫灘沉積中，交錯(cuò)層理常見（圖4 c），洪水退去，河流水位下降，決口水道不再發(fā)育，成為廢棄河道［10］，頂部過渡為河漫沉積。

5）河漫灘

河漫灘沉積物主要為棕紅色粉砂巖與泥巖，沉積構(gòu)造以塊狀構(gòu)造為主，常見鈣質(zhì)結(jié)核發(fā)育，垂向沉積多位于邊灘亞相、堤岸亞相沉積之上。電阻率曲線呈低平形態(tài)，反映出其在粒度和成分上變化不大，以垂向加積為主。

2.2.3 三角洲相

區(qū)內(nèi)三角洲相可進(jìn)一步細(xì)分為分流河道、分流間灣微相，與辮狀河相比，三角洲沉積物粒度一般較細(xì)，炭化植物碎屑、雙殼類動物化石含量明顯增多。

1）分流河道

分流河道沉積物粒度較辮狀河河道相砂體更細(xì)，巖性主要為灰色中-細(xì)砂巖，分選好，次圓狀，砂巖中可見泥礫發(fā)育。沉積構(gòu)造見交錯(cuò)層理。常見炭屑、黃鐵礦等還原性物質(zhì)。電阻率曲線呈齒狀箱形、鐘形，反映具有自下向上粒度逐漸變細(xì)的正韻律。

2）分流間灣

分流間灣為分流河道之間的細(xì)粒沉積，以泥巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，局部存在粉砂巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖透鏡體。沉積構(gòu)造以波狀層理為主（圖4 d）。雙殼類化石發(fā)育。電阻率曲線呈低幅齒狀。

圖4 依安地區(qū)四方臺組沉積微相特征照片F(xiàn)ig.4 Photographs of sedimentary microfacies characteristics of Sifangtai Formation in Yi’an area

2.3 沉積相橫向展布特征

在單井分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行連井剖面分析，從而總結(jié)四方臺組各段沉積相和砂體在橫向上的展布特征。本次研究共設(shè)計(jì)連井剖面3條。其中，南北向剖面1 條，東西向剖面兩條（圖5）。

圖5 依安地區(qū)連井剖面位置Fig.5 Location of well profile in Yi’an area

南北向連井剖面為平行于物源方向的連井剖面（圖6 a）。剖面顯示四方臺組下段時(shí)期北部砂體厚度較大，連通性較好，以發(fā)育曲流河河道沉積為主，向南砂體厚度變小，層數(shù)增多，泥巖厚度變大，連通性變差，河漫灘沉積比重逐漸加大。四方臺組上段與四方臺組下段相似，自北向南沉積物粒度逐漸變細(xì)，北部以辮狀河相砂體為主，砂體厚度大，含砂率高，橫向連通性好，以發(fā)育心灘微相沉積為主，泛濫平原微相欠發(fā)育。向南逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿侵尴喑练e，沉積物粒度變細(xì)，以中、細(xì)砂巖為主，含砂率有所降低，單層砂體厚度減薄，沉積微相為分流河道微相和分流間灣微相。

東西向連井剖面為垂直于物源方向的連井剖面（圖6 b，圖6 c）。剖面顯示，四方臺組下段時(shí)期區(qū)內(nèi)砂體不發(fā)育，巖性以泥巖為主，僅在局部見曲流河河道砂體沉積，總體以曲流河河漫灘微相沉積為主。四方臺組上段時(shí)期，砂體的厚度和橫向上的連通性表現(xiàn)為東部好，向西砂體厚度變小，以厚層泥巖夾薄層細(xì)砂巖為主，表現(xiàn)為“泥包砂”，最終尖滅，以發(fā)育泛濫平原相為主。

圖6 連井剖面圖Fig.6 Geological section of multi-wells

連井剖面分析結(jié)果表明，在東西向剖面中，砂體的厚度和橫向上的連通性表現(xiàn)為東部好，西部差；南北向剖面顯示，北部砂體厚度和連通性均好于南部，北部以辮狀河相沉積為主，南部以三角洲相沉積為主。

2.4 砂體展布特征

研究統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)內(nèi)四方臺組上、下段砂體厚度值和含砂率值，砂體發(fā)育特征如下：

四方臺組下段砂體具有層數(shù)多，單層厚度薄，砂層間泥巖隔水層厚度大、橫向連續(xù)性較差的特點(diǎn)。砂體單層厚度一般在2～10 m 之間，累計(jì)厚度一般為10～20 m，含砂率一般為0.18～0.45，沉積體系為曲流河相。反映四方臺組早期地勢高差小、物源距離遠(yuǎn)、沉積范圍大的沉積背景。根據(jù)四方臺組下段含砂率值繪制了含砂率等值線圖（圖7）。結(jié)果顯示，研究區(qū)四方臺組下段含砂率高值區(qū)呈近南北向展布，該高值區(qū)內(nèi)含砂率大于0.4，局部可達(dá)0.5以上。向南等值線分叉明顯。

圖7 四方臺組下段含砂率等值線圖及沉積相圖Fig.7 Isoline map of sand content and sedimentary facies map of the lower member of Sifangtai Formation

四方臺組上段發(fā)育辮狀河相砂體和三角洲平原分流河道相砂體。辮狀河相一般發(fā)育3～4 層砂體，砂體規(guī)模較大，砂層間泥巖隔水層受辮狀河道沖刷作用影響厚度較薄，橫向上砂體亦具有較好的連通性。砂體單層厚度一般在10～30 m 之間，累計(jì)厚度一般為50～70 m，最大厚度為105.80 m，平均含砂率為0.65。反映出研究區(qū)北部受構(gòu)造反轉(zhuǎn)影響，四方臺組晚期地勢高差變大。三角洲平原分流河道相砂體一般1～2 層，砂體厚度5～30 m，多集中于10～20 m 之間。含砂率最大值0.62，最小值0.18，平均含砂率0.42。根據(jù)四方臺組上段含砂率值繪制了含砂率等值線圖（圖8）。結(jié)果顯示，依安地區(qū)四方臺組上段砂體主要發(fā)育于訥南-林甸一帶，正北方向?yàn)樗姆脚_組沉積主要的物源方向，向南物源供給逐漸減弱。物源方向與四方臺組下段具有較好的繼承性。

圖8 四方臺組上段含砂率等值線圖及沉積相圖Fig.8 Isoline map of sand content and sedimentary facies map of the upper member of Sifangtai Formation

3 沉積特征與鈾成礦關(guān)系

砂巖型鈾礦床的形成是一個(gè)多種成礦條件相互作用、相互約束的復(fù)雜地質(zhì)歷史過程［11-14］。沉積相、砂體厚度、地層非均質(zhì)性是鈾物質(zhì)預(yù)富集的重要控制因素［15-16］。上文分析了松遼盆地北部依安地區(qū)四方臺組上、下段的沉積相及砂體特征，綜合巖性巖相、砂體特征以及砂泥的空間配置關(guān)系，認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)四方臺組上段具有以下有利的成礦條件：

具有一定規(guī)模的砂體。研究認(rèn)為有利的成礦砂體厚度多在10～30 m 之間。研究區(qū)北部四方臺組上段為辮狀河相沉積，自北向南發(fā)育一條穩(wěn)定的辮狀河相砂體，砂體連通性良好，單層砂體厚度10～30 m，結(jié)構(gòu)疏松，延伸穩(wěn)定，是含鈾含氧水運(yùn)移的良好通道。

沉積微相變化頻繁。平面上，鈾異常顯示主要分布在辮狀河與三角洲平原相變地帶。該部位地下水流速緩慢，沉積物粒度較河道中心更細(xì)，泥質(zhì)夾層數(shù)量相對更多，砂體的非均質(zhì)性更強(qiáng)，且該部位炭化植物碎屑、黃鐵礦等還原性物質(zhì)往往較豐富，有利于形成良好的地球化學(xué)障［17-18］，含鈾含氧水沿著滲透性良好的河道砂體滲流，在還原性物質(zhì)的吸附還原作用下富集，形成沿相變方向展布的鈾異常帶。

垂向上，鈾礦化在四方臺組上、下段均有發(fā)育，礦化多賦存于辮狀河心灘、三角洲平原分流河道微相灰色中、細(xì)砂巖與泛濫平原、分流間灣微相泥巖的接觸部位。這主要是因?yàn)楹拥郎绑w滲透性、連通性較好，地下水流速快，被還原沉淀的鈾礦物處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)后期氧化水再次流經(jīng)此地時(shí)，容易被再次氧化帶走。而如果砂體中泥巖夾層較多，當(dāng)含鈾含氧水流經(jīng)泥質(zhì)夾層時(shí)，水流速度將放緩，水巖作用時(shí)間更長［19-20］。泥巖吸附能力比砂巖更強(qiáng)，從而使鈾礦化更容易在其頂?shù)装迳绑w或泥巖夾層本身中沉淀富集。

含有一定量的還原物質(zhì)。研究區(qū)南部屬三角洲平原亞相，沉積微相主要為分流河道和分流間灣，由于分流間灣距離湖岸近，地下水位高，易于植被生長，在分支河道沖刷作用下，河道砂體中常分布大量的炭屑，在炭屑表面常吸附有黃鐵礦，一方面為六價(jià)鈾的還原提供還原劑，另一方面是強(qiáng)有利的吸附劑，有利于鈾的富集成礦。

具有穩(wěn)定的頂?shù)装甯羲畬印Ｋ姆脚_組上段上覆地層為上白堊統(tǒng)明水組下段，區(qū)域上，明水組下段發(fā)育兩層穩(wěn)定的厚層湖相深灰色泥巖。其下伏地層為四方臺組曲流河相沉積，巖性以棕紅色、磚紅色泥巖為主。明水組下段深灰色泥巖、四方臺組上段辮狀河相砂體與四方臺組下段構(gòu)成了穩(wěn)定的泥-砂-泥組合，含鈾含氧水能夠穩(wěn)定地順層流動，有利于層間氧化帶的形成［13，21-22］，有望形成層間氧化帶型砂巖型鈾礦。

巖性巖相、構(gòu)造、后生氧化改造3 大條件是砂巖型鈾礦成礦基礎(chǔ)［23-24］。研究區(qū)除具有良好的巖性巖相條件外，構(gòu)造、后生氧化改造方面也較為有利。明水組末期，研究區(qū)強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)褶皺隆升，其東部明水組被不同程度的剝蝕，局部四方臺組直接出露地表［25］，為地表的含鈾含氧水下滲進(jìn)入目的層提供了天窗，有利于層間氧化帶的形成。明水組末期—古近紀(jì)沉積間斷達(dá)32 Ma［26］，鈾源區(qū)長期風(fēng)化剝蝕，四方臺組地層長期暴露地表，有利于含鈾含氧水自北東向南西遷移氧化形成氧化帶前鋒線，即地下水沿辮狀河砂體的側(cè)幫滲入形成近南北向和近東西向展布的氧化帶前鋒線（圖9）。目前在該氧化帶前鋒線附近發(fā)現(xiàn)1 個(gè)礦化孔，3 個(gè)異?？缀投鄠€(gè)具有鈾異常顯示的鉆孔，鈾礦化產(chǎn)于灰色細(xì)砂巖中，砂巖富含炭屑、黃鐵礦等還原性物質(zhì)。

圖9 依安地區(qū)巖性地球化學(xué)Fig.9 Lithological geochemistry map of Yi'an area

綜上所述，從沉積建造、構(gòu)造以及后生改造特征分析認(rèn)為：研究區(qū)具有一定的成礦潛力，應(yīng)作為重點(diǎn)勘查地區(qū)。

4 結(jié)論

1）依安地區(qū)四方臺組上段主要發(fā)育辮狀河相和三角洲相沉積；下段主要為曲流河相沉積。

2）連井剖面分析認(rèn)為，研究區(qū)四方臺組上段砂體的規(guī)模和連通性較好，為含鈾含氧水的運(yùn)移提供了有利通道。

3）通過對研究區(qū)沉積特征、地層結(jié)構(gòu)、后生改造特征分析認(rèn)為，研究區(qū)南部三角洲相砂體對成礦更為有利，應(yīng)作為重點(diǎn)勘查地區(qū)。