鄂爾多斯盆地南部彬長地區(qū)直羅組下段沉積特征及其與鈾礦化關系

王 凱, 王曉鵬, 周 偉, 馮 博, 趙友東, 王奇輝

(核工業(yè)二〇三研究所,陜西 西安 710086)

鄂爾多斯盆地是一個古生代穩(wěn)定沉降,中生代坳陷遷移,新生代周邊扭動、斷陷的多旋回、多能源聚集的大型疊合盆地。盆地內部賦存多種能源礦產,包括煤、石油、天然氣和鈾,是我國重要的能源礦產生產基地(涂光熾,1994;武富禮等,2004;劉池洋等,2006;梁積偉, 2007)。近20年來,盆地北部先后發(fā)現(xiàn)東勝、大營、納嶺溝、塔然高勒等大型鈾礦礦床(薛銳等,2017;王藝等,2022;吳金鐘等,2021)。相對而言,盆地南部僅在黃陵-焦坪-彬州一帶發(fā)現(xiàn)店頭鈾礦床及焦坪、廟灣、鴨河灣等鈾礦點,賦礦砂體均位于中侏羅統(tǒng)直羅組下段(王曉鵬等,2020)。關于盆地直羅組沉積特征的研究,除趙俊峰等(2007,2008)在盆地級進行概略研究之外,多數(shù)學者的研究集中于盆地北部鈾礦床分布區(qū)(吳仁貴等,2005;焦養(yǎng)泉等,2005a,2015;張字龍等,2010;薛銳等,2017;陳心路等,2014;楊君等,2019;張賓等,2019;朱強等,2019;賀小龍,2015),盆地南部直羅組沉積特征研究較為薄弱。彬長地區(qū)位于盆地南部,雖然近年來取得了較好的勘查成果,但是從沉積學特征和構造演化來看,研究程度不夠深入,制約了該地區(qū)的鈾礦找礦工作。鑒于此,筆者在室外巖芯編錄的基礎上,結合室內研究,分析整理煤炭和核工業(yè)共計400余口的鉆孔資料,對彬長地區(qū)直羅組下段沉積相類型、砂體展布特征及沉積相分布特征進行分析,探討了沉積特征與鈾成礦的關系和進一步找礦方向,為該區(qū)鈾礦找礦工作提供依據(jù)。

1 地質概況

彬長地區(qū)構造位置處于渭北隆起次級構造單元廟彬褶皺帶與陜北斜坡過渡部位,侏羅系總體是一走向為NE 50°～70°,傾向為NNW的單斜構造,發(fā)育一系列寬緩而不連續(xù)的褶皺。斷裂構造不明顯,區(qū)內NEE、NE向路家—小靈臺背斜、祁家背斜、彬州背斜、董家莊背斜、謝家咀背斜、里村背斜、七里鋪—西坡背斜與安化向斜、師家店向斜、南玉子向斜、塬口子向斜、里村向斜、四郎河向斜等構造相間出現(xiàn),背斜兩翼多數(shù)不對稱,南翼較緩,背斜軸長9～30 km,基本貫穿全區(qū)。研究區(qū)主要發(fā)育一套中生代陸相蓋層,自下而上依次為上三疊統(tǒng)延長組、中侏羅統(tǒng)延安組、直羅組、下白堊統(tǒng)宜君組、洛河組和環(huán)河組(圖1)。

圖1 鄂爾多斯盆地南部彬長地區(qū)構造綱要圖及地質簡圖

彬長地區(qū)直羅組分為上、下兩段,根據(jù)地層的旋回性又將直羅組下段劃分為上、下兩個亞段,厚度近乎相等(趙俊峰等,2007;易超等,2014)。直羅組上段以紫紅色、棕紅色、灰綠色泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖為主(圖2a),夾有薄層灰綠色、棕紅色中粗砂巖,普遍發(fā)育鈣質結核,偶見碳酸鹽細脈(圖2b,c)。直羅組下段下亞段以灰色沉積為主,在旋回底部發(fā)育薄層礫巖或含礫粗砂巖,砂巖中含有大量炭屑和黃鐵礦等還原性物質,砂體之間發(fā)育灰色、灰黑色的泥巖和粉砂巖,并伴有煤線發(fā)育,俗稱“七里鎮(zhèn)砂巖”(圖2d,e,f)。旋回上部為淺灰色、灰色、灰綠色泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖及薄層細中砂巖。直羅組下段上亞段則以下段中部較厚層中粗砂巖為底界,以灰綠色、綠灰色、褐紅色沉積為主,上部變?yōu)樽霞t、棕紅色、灰綠色泥巖、粉砂巖夾薄層細砂巖,發(fā)育多個向上變細的正韻律。

圖2 鄂爾多斯盆地南部彬長地區(qū)直羅組巖性

區(qū)內直羅組下段厚度一般為20～50 m,但在彬州西南水口地段厚度可達60 m以上。其下伏延安組含煤巖系與直羅組呈不整合接觸,常見沖刷面,標志層明顯(圖2g)。

2 直羅組下段巖性特征

彬長地區(qū)直羅組下段辮狀河道廣泛發(fā)育,以河道底部滯留沉積和河道多期沖刷疊置為特征,具有“泛連通”結構,發(fā)育大型槽狀交錯層理、板狀交錯層理。巖性主要為灰白色、灰綠色中粗砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖夾細砂巖,局部為褐紅色(圖2),底部發(fā)育透鏡狀砂礫巖或細礫巖,中層或厚層塊狀,砂體厚度為1.80～42.60 m,平均厚度為17.20 m,砂體厚度標準差達到了9.68 m,變化幅度較大,變化系數(shù)為0.56。砂巖為長石石英砂巖、長石砂巖,泥質膠結,分選性差、成熟度低,中粗粒碎屑結構為主。碎屑成分由石英、長石和少量褐鐵礦、黑云母、白云母、自生礦物等組成,石英含量為75%～82%、長石含量為12%～15%、黑云母含量小于4%、巖屑含量小于5%、自生礦物含量小于5%。膠結類型主要為接觸式,膠結物90%以上為黏土質礦物,少量為鈣質、硅質或鐵質,碎屑間的接觸關系80%以上為點線式接觸,均為顆粒支撐,固結疏松至較疏松。砂體中含線狀炭屑、有機質、黃鐵礦等還原物質(圖2i),局部可見油浸或油斑。

3 沉積相類型及展布特征

3.1 沉積相類型及特征

直羅組下段在研究區(qū)內未見出露,故根據(jù)鉆探巖芯巖性組合、沉積構造、沉積韻律、測井曲線、砂體厚度及砂地比等值線等特征綜合分析,認為直羅組下段為砂質辮狀河相沉積。

辮狀河具有河道寬,水深較淺,頻繁擺動的特點,其對河岸侵蝕較快,天然堤及決口扇很難被保存,而心灘(沙壩)較發(fā)育。辮狀河以礫石和砂質沉積為主,局部夾粉砂和泥質沉積,在垂向上具有“砂包泥”的沉積特征,自下而上表現(xiàn)為多個不明顯的正(半)韻律結構,底部發(fā)育起伏較小的沖刷面。垂向上可識別的微相主要由底部河床滯留沉積、心灘及頂部泛濫平原沉積組成,“二元”結構不明顯(圖3)。

圖3 鄂爾多斯盆地南部彬長地區(qū)ZK128-2鉆孔直羅組柱狀圖

河床滯留沉積巖性以砂質礫巖及粗砂巖、含礫粗砂巖為主,礫石成分比較復雜,多為石英巖、花崗巖及變質巖,礫徑多為2～5 cm,大者可超過5 cm,分選差至較差。滯留沉積位于河流沉積旋回底部,與下伏延安組細碎屑巖之間具有明顯的沖刷面(圖2g),測井曲線呈底部突變型箱形(圖3),之上往往發(fā)育心灘。滯留沉積在彬長地區(qū)很常見,砂礫巖層較厚,范圍廣。

心灘沉積是研究區(qū)直羅組下段的主砂體。巖性以中、粗砂巖為主,具有大型槽狀或板狀交錯層理。心灘在垂向上呈透鏡狀或板狀。在垂向沉積序列上表現(xiàn)為多個不明顯的正韻律結構或突變正韻律結構。由于河道頻繁擺動與沖刷,上一期沉積的泥巖層常被破壞并搬運至下游,因此,心灘內部僅保留了粗粒沉積物。測井曲線多呈中、高幅箱形或齒化箱形。

泛濫平原沉積巖性主要為泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖和粉砂巖,常見水平層理。該沉積微相在本區(qū)普遍發(fā)育,電阻率曲線常呈指狀或齒形、并顯低值。

3.2 砂體及沉積展布特征

3.2.1 沉積連井剖面特征

在巖性巖相特征分析的基礎上,為恢復直羅期古沉積環(huán)境,確定沉積環(huán)境的時空分布及演化,查明含氧含鈾水的通道及河道砂體空間展布(邱余波等,2014),繪制了兩條沉積相剖面(圖4)。

PM1號剖面總體為南北向,大體貫穿了直羅組下段的主河道。砂體厚度為10～30 m,含砂率為50%～60%,不同期次的河道砂體在縱向上相互切割疊置,橫向上呈“泛連通”體。PM2號剖面總體方位為東西向,貫穿全區(qū)。中部的 ZK115孔至 ZK94-1孔顯示直羅組下段砂體厚度大,含砂率高,砂體橫向連通性較好,應為辮狀河主河道。西部ZK149孔至ZK135孔顯示直羅組下段砂體向西明顯減薄,逐漸過渡為泛濫平原沉積,即砂體層系變薄,粒度變小。東部ZK83孔至Bj-2孔顯示直羅組下段由于受晚侏羅世構造抬升運動和前直羅系古地貌影響,向東直接與宜君組礫巖所接觸。直羅組上段中下部主要以泥巖、粉砂巖為主,夾薄層沙壩或河道砂體,砂體橫向連通性差,為曲流河相沉積。上段頂部主要為含灰綠色斑點棕紅色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖,由曲流河相逐漸過渡為濱淺湖相沉積。

3.2.2 砂體及沉積展布特征

采用單因素分析多因素綜合制圖的思路(馮增昭,2004),對研究區(qū)400余口煤田和核工業(yè)鉆孔的資料進行整理,結合鉆孔巖芯編錄、地球物理測井相分析等方法,編制了研究區(qū)直羅組下段厚度圖(圖5)、砂體厚度圖(圖6)、含砂率圖(圖7)及沉積相圖(圖8)。結果顯示,區(qū)內直羅組下段厚度介于5～80 m,多集中在20～50 m,可見在直羅早期,該區(qū)發(fā)育一條近南北向的河道,而在長武南部和彬州永樂、新民一帶沉積變薄,以泛濫平原沉積為主 (圖5)。

圖5 直羅組下段厚度等值線圖

圖6 直羅組下段砂體厚度等值線圖

圖7 直羅組下段含砂率等值線圖

圖8 直羅組下段沉積相圖

彬長地區(qū)直羅組下段砂體平面上呈“十”字形展布,基本繼承了直羅組下段的展布特征,主砂體呈北北西向自彬州水口一帶延伸至長武東部相公—景家河一帶,寬為5～10 km,在大佛寺一帶主砂體分叉呈北東向延伸至永樂一帶。在西部巨家—路家、邵寨—水口也發(fā)育厚度相對較薄的砂帶(圖6)。從砂體厚度變化來看,直羅組沉積早期有來自西南、南部秦嶺地區(qū)的物源供給。

直羅組下段骨架砂體厚度一般為10～45 m、含砂率一般為20%～70% (圖6,7)。在相圖編制時,選取砂體厚度大于20 m,砂地比值大于50的區(qū)域作為辮狀河河道亞相。一般而言,辮狀河相砂體疊加厚度較大地區(qū)是河道經(jīng)常流經(jīng)區(qū)域,砂巖較厚帶的分布及變化側面反映了沉積物物源方向和沉積體系展布特征 (焦養(yǎng)泉等,2006;趙俊峰等,2008)。

4 沉積特征與鈾成礦關系

研究發(fā)現(xiàn),沉積盆地中的大型骨架砂體是砂巖型鈾礦賴以發(fā)育的先決條件,通?？梢詷嫵纱笠?guī)模的地下水流動系統(tǒng),其不僅為鈾成礦流體提供輸導通道,同時也提供鈾的儲存空間(黃世杰,2018;焦養(yǎng)泉等,2005b,2007;張磊,2022)。大量勘查實踐表明,能構成適合砂巖型鈾礦發(fā)育的骨架砂體的沉積體系類型也是有限的,且成因相對單一,通常以辮狀河相、辮狀河三角洲相沉積體系為主(焦養(yǎng)泉等,2005b,2006;吳仁貴等,2005;陳路路等,2014;陳戴生等,2006)。沉積體系中的骨架砂體厚度、滲透性、連通性、非均質性等特征在一定程度上制約著砂巖型鈾礦的成礦(焦養(yǎng)泉等,2005b)。

彬長地區(qū)直羅組下段主砂體主要由辮狀河相心灘亞相構成,砂體垂向上相互切割疊置,厚度較大,橫向上延伸穩(wěn)定,滲透性好,呈“泛連通”;其下伏延安組為湖沼相細碎屑巖或煤層沉積,上覆直羅組上段曲流河相、濱淺湖相沉積,區(qū)域上構成了穩(wěn)定的“泥-砂-泥”結構,是鈾成礦的有利條件之一。

通過綜合編圖研究發(fā)現(xiàn),區(qū)內直羅組下段砂體厚度相對低值區(qū)出現(xiàn)在該區(qū)長武南部和彬州炭店一帶,厚度通常小于25 m,而鈾礦化主要產于砂體厚度介于15～45 m的砂區(qū),尤其是砂體厚度變異部位。區(qū)內砂體具有自西向東厚度呈“薄-厚-薄”展布的特征。厚大砂體發(fā)育在彬州—長武一帶,呈北北西向展布,主砂體基本由厚度大于20 m 的砂體相連。通過對以上砂體厚度與已知鈾礦體的空間配置分析,認為由寬而厚的砂體向窄而薄的砂體的過渡部位或者分岔處是鈾礦化富集的有利區(qū);鈾成礦砂體的最佳含砂率值為60%～85%,主要位于含砂率中等偏高的骨架砂體的邊緣部位。平面上鈾礦化主要分布于辮狀河道主砂體變異部位(圖8)。分析認為,在鈾成礦初期含氧含鈾水沿層間砂體向前向下滲入過程中,砂體厚度變異部位或者是河道交汊改道部位地下水動力、砂體粒度分選性、均質性、有機質含量等參數(shù)發(fā)生變化,引起物理場、化學場發(fā)生變異,使鈾沉淀富集成礦。

5 沉積演化與鈾成礦的關系

在印支運動的作用下,盆地南部前侏羅系發(fā)生了褶皺變形,形成了隆凹相間、凹中有凸的地理格局。這些古構造對聚煤作用在空間分布上具有明顯的控制作用,在凹陷內除一些凸起外,普遍沉積了含煤地層,其上覆直羅組下段砂體發(fā)育也較厚,剖面上呈下切谷(圖4);在凸起區(qū)一般不含煤層,相應的直羅組下段沉積厚度變薄,砂體不甚發(fā)育。另外,延安組各段的沉積中心與印支期基底構造的向斜分布一致,證明該區(qū)早中侏羅統(tǒng)沉積時地層在前侏羅系地形地貌的基礎上具有一定的繼承性。

直羅早期,鄂爾多斯盆地受燕山構造運動影響,南部秦嶺構造帶抬升幅度較大,使盆地表現(xiàn)為不均衡的整體抬升,對中侏羅統(tǒng)延安組造成不同程度的剝蝕,其中延安組第Ⅴ巖段在盆地南部基本剝蝕殆盡(王雙明,2017)。此時盆地南部的古地貌呈現(xiàn)出西高東低的特征(張倩,2017;劉樞,1982;張三科,1995),在此基礎上直羅早期河流下切、侵蝕,沉積了一套厚度穩(wěn)定的辮狀河相砂體,這為層間氧化帶的發(fā)育及鈾沉淀富集提供了有利的空間。

直羅早期到中晚期是一個氣候由溫暖濕潤向干旱炎熱逐漸轉化的過程,而直羅組下段廣泛發(fā)育的辮狀河砂體在這個過程中極易受到后生氧化改造,形成下部還原上部氧化(上紅下灰)的特點。焦養(yǎng)泉等(2021)認為延安組含煤建造很大程度上控制了還原區(qū)域,同沉積期微弱聚煤作用和成巖期煤化作用為上覆砂體提供了還原性流體,同時也為成礦期后的二次還原改造和保礦提供了主要地質營力。此外,隆起、背斜這種正地貌又是油氣藏有利的儲集場所,往往配合著張性構造裂隙,對上部的地層也會進行還原改造。無論是下部的含煤建造還是三疊統(tǒng)的含油巖系都會將早期形成的上部氧化砂體(紅)改造為還原砂體(綠),自下而上形成“灰-灰綠-紅”色的垂向結構,這也是彬長地區(qū)直羅組下段砂體的一個典型地球化學特征。

從伽馬異常等值線看出,所有的異常等值線分布區(qū)均與隆起區(qū)或是背斜凸起關系密切,多處于凹陷內凸起區(qū)至凹處之間的斜坡帶(圖9)。故聚煤凹陷內的含煤區(qū)也是鈾成礦的有利條件之一,因而在遠景區(qū)預測時也應考慮含煤凹陷區(qū)域。

圖9 構造與伽馬異常配置圖

在晚侏羅世,盆地東南緣抬升作用明顯,長期處于隆升剝蝕階段,尤其是隆起區(qū)直羅組上段甚至剝蝕殆盡,直接暴露于地表,在氣候干旱炎熱的情況下,含氧的大氣降水順隆起剝蝕區(qū)匯入,在局部地段也可對直羅組下段砂體形成一期氧化改造作用。

6 結論

(1)鄂爾多斯盆地南部彬長地區(qū)直羅組下段發(fā)育砂質辮狀河相沉積,主體為一近南北向發(fā)育的河道,砂體自西向東呈“薄-厚-薄”的特征,厚度介于5～80 m,河道處多集中在20～50 m,骨架砂體厚度10～45 m,含砂率一般為20%～70%。

(2)直羅組下段辮狀河相是鈾礦化最有利的相帶。由寬而厚的砂體向窄而薄的砂體的過渡部位或者分岔處是鈾礦化富集的有利區(qū);鈾成礦砂體的最佳含砂率值為60%～85%,主要位于含砂率中等偏高的骨架砂體的邊緣部位。平面上鈾礦化主要分布于辮狀河道主砂體內變異部位。

(3)印支運動對聚煤作用在空間分布上具有明顯的控制作用。在凹陷內含煤區(qū)以及隆起、背斜等正地貌一定程度上配合下部油氣對直羅組下段砂體具有還原改造作用。