松辽盆地西部斜坡构造-流体演化特征与铀聚集

2014-10-10封志兵聂逢君严兆彬谷社峰陈路路

东华理工大学学报(自然科学版) 2014年1期

封志兵，聂逢君，严兆彬，江丽，谷社峰，陈路路

(1.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室培育基地，江西南昌 330013;2.中国地质大学地球物理与信息技术学院，北京 100083;3.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712)

沉积盆地构造活动、流体演化是砂岩型铀矿成矿的重要控矿因素。流体是铀成矿物质的载体，其演化及运移是铀成矿的基础(王军堂等，2008)。构造演化作用控制和影响砂岩型铀矿成矿的方式大致可分为三类:①构造应力场作用引起富铀岩体抬升，致使富铀岩体被风化剥蚀，氧化态铀溶于大气水，地势差驱动含氧含铀流体的运移;②控制沉积地层发育及容矿砂体的形成，影响地下水的流动;③形成断裂等对铀成矿后期改造作用，如热液改造作用等。在沉积盆地构造演化过程中，伴随着流体的形成、演化以及运移过程(许洪东等，2006)。因此，构造与流体演化对砂岩型铀矿成矿具有协同控矿作用的关系，体现了综合研究构造-流体演化与砂岩型铀矿成矿的必要性。

前人对松辽盆地西部斜坡有关构造演化、流体运移的研究多以油、气资源的勘探为目的，但针对该地区砂岩型铀矿成矿的相关研究甚少。该地区较多钻井的自然伽玛测井曲线显示出铀异常，甚至部分铀异常井达到工业品位。笔者以前人研究成果资料及野外实地调查为基础，对松辽盆地西部斜坡构造-流体演化进行综合研究，为在该地区进一步研究砂岩型铀矿聚集规律提供依据。

1 地质概况

图1 松辽盆地西部斜坡区地质特征图(据付晓飞等，2007;周庆华等，2006)Fig.1 Sketch map showing geological features at the western slope，Songliao basin

松辽盆地是我国东北地区的大型中、新生代陆相沉积盆地(胡艳飞等，2007;钟延秋等，2012)。该盆地处于中亚砂岩型铀矿成矿带的东延伸段，其构造演化、古气候、岩性-岩相等地质条件表明，盆地局部区域具有良好的铀成矿潜力，开鲁坳陷钱家店铀矿床的发现就是很好的例证。西部斜坡位于松辽盆地北部西缘，呈NNE向展布，面积3×104km2。西部斜坡隶属于松辽盆地的一级构造单元，其包含3个二级构造带，即西部超覆带、富裕构造带以及泰康隆起带(图1a)。西部斜坡西邻大兴安岭东部，北部与小兴安岭相距不远，东部有大庆长垣大型背斜构造天窗。邻近地区出露地表的花岗岩、火山岩等富铀岩体经风化剥蚀，可为西部斜坡铀成矿提供较为丰富的物源及铀源。西部斜坡地层结构比较简单，呈自西向东小角度倾斜(倾斜角小于2°)(图1c)。其基底是由大兴安岭、内蒙及吉黑海西褶皱带拼合而成，基底岩性主要为古生代、前古生代中深变质岩、浅变质岩以及花岗岩(封志兵等，2013)。该地区不同程度地发育上白垩统、古近系、新近系等中新生代沉积盖层。对松辽盆地西部斜坡自然伽玛测井曲线进行对比分析，发现铀异常主要集中在上白垩统嫩江组及其上部地层(图1b)，其中四方台组底部铀异常最为突出。且其铀异常深度一般小于500 m，属砂岩型铀矿有利勘探深度。该地区上白垩统四方台组为一套温暖潮湿向干热气候转变条件下形成的曲流河相三角洲河流相滨浅湖相沉积建造。四方台组上部以泥岩为主，下部砂泥互层，砂岩岩性以粉砂岩、细砂岩及中砂岩为主，整体粒级较细，粒级自上而下呈增大的趋势。四方台组底部与嫩江组不整合接触，嫩江组上部泥岩可作为铀成矿所必须的隔水层。因此，该地区砂岩型铀矿找矿目的层应为四方台组及其邻近地层。

2 构造演化特征

2.1 松辽盆地构造演化特征

现今盆地的形成是长期地质作用的结果。松辽盆地的形成最直接的因素是中生代时期亚洲大陆和古大洋发生敛和作用。松辽盆地自中、新生代以来主要经历了4个时期，即晚侏罗世热穹窿期、早白垩世火山弧—弧后扩张期、中白垩嫩江期末—晚白垩明水期末构造反转期以及新生代小幅度伸展断陷期(李娟等，2002;徐喆等，2011)，见图2。

晚侏罗世时期，松辽盆地因受到伊泽奈崎板块太平洋板块NNW向俯冲作用而诱发大规模火山活动。并伴随着地幔的大范围隆起及小规模的岩石圈引伸，从而出现穹窿构造，形成一些断陷盆地(图2a)。白垩世早期，盆地以伸展裂陷为标志，之前发育的断陷盆地逐渐连成一个大型湖盆，从而决定了松辽盆地以裂陷为主的构造格局(图2b)。值得注意的是，松辽盆地西南部钱家店铀矿床含矿层位为姚家组，为一套远源砂质辫状河流相沉积。嫩江期末，由于伊泽奈崎板块太平洋板块的持续强烈俯冲挤压，盆地开始出现收缩反转，也意味着断陷历程的终结。盆地由原先的断陷性质转变为挤压性质。在NNW-SSE向构造应力作用下，盆地大部区域抬升剥蚀。盆地东部尤为严重，东部隆起区此时大幅度抬升剥蚀。挤压萎缩阶段停止于明水期末(范立国等，2003;韩建辉等，2009)。盆地大部分构造在此时基本定型，该时期也是松辽盆地最为重要的油气运移及聚集时期(向才富等，2012;)(图2c)。新生代的伸展段陷阶段可细分为隆升剥蚀阶段(古新世—始新世)、差异升降阶段(渐新世—第四纪)(图2d)。隆升剥蚀阶段，盆地再次抬升，局部遭受剥蚀。经测得松辽盆地西南部钱家店铀矿床的主要成矿期为(53±3)Ma。该主要成矿时期与松辽盆地第三纪隆升剥蚀期时间相当，说明该地区砂岩型铀矿成矿与第三纪松辽盆地抬升剥蚀有关。盆地经历了差异升降阶段后，盆地现今地貌基本形成。

图2 松辽盆地形成、演化地球动力学示意图Fig.2 Sketch for geodynamic evolution of Songliao basin

2.2 西部斜坡构造演化特征

西部斜坡隶属于松辽盆地的一级构造单元，其地层发育及构造活动受松辽盆地构造演化背景的影响。西部斜坡基底埋深较浅，其基岩顶面大致呈一东倾单斜构造。西部斜坡基底具有活动不够剧烈，保持整体倾斜、抬升或沉降的特点，与东南隆起区形成鲜明的对比。西部斜坡构造演化大致可分为斜坡形成—继承性发育—抬升稳定阶段(于丹，2012)。形成了纵向上具有三层结构的地层，即断陷构造层、坳陷构造层以及构造反转层。

西部斜坡是由早白垩世早期的一系列以呈NNE向为主的小型断陷群发展而来(表1)。这些断陷群具有相对独立、内部断陷不够发育以及断陷结构以东断西超为主等特征。该时期盆地边缘开始隆起，形成了西部斜坡自西向东倾的雏形。该时期西部斜坡发育了火石岭组—营城组沉积地层，构成了该地区的断陷坳陷层。直至早白垩世中期，西部斜坡长期处于东倾的斜坡形态。但地层出现略微沉降，斜坡坡角增大。西部斜坡地层逐层向西超覆，其厚度由东逐渐向西变薄。此时，基底断裂构造的活化在一定程度上控制着中浅层断裂的形成以及发育情况。该时期西部斜坡沉积了娄库组—嫩江组地层，构成了坳陷构造层，为主要含油层位。中白垩世末期的嫩江运动之后，盆地因受到自东向西的挤压应力作用，盆地整体抬升。盆地东部—中部—西部因受力情况的差异，东部因受到作用力较强引起差异性抬升，而西部受到的作用力相对较弱形成了一些比较宽缓褶皱。早期发育的构造褶皱强度逐渐增大，部分原有的正断层受力反转(如江桥、平洋以及阿拉新等反转断裂)，从而形成了一系列浅层构造。此时，湖盆萎缩，沉积中心西移，该地区地层向西再次超覆。发育地层四方台组—泰康组，为反转构造层。

表1 松辽盆地西部斜坡北段主要断陷(据付晓飞等，2006)Table 1 Main fault-depressions in the north of the western slope，Songliao basin

3 水动力演化

砂岩型铀矿属于水成铀矿，其容矿砂体的形成、含铀流体的运移以及铀矿的空间分布均与水动力的形成、演化密切相关。流体是成矿物质和能量交换的载体，流体的演化、运移是砂岩型铀矿成矿的基础。

3.1 水动力演化特征

松辽盆地周边被群山环绕，盆缘分别与张广才岭、大兴安岭、小兴安岭、古铁法丘岭等山脉相邻(史婷婷等，2012)。白垩纪时期，松辽盆地水系发育，盆内发育了与这些山脉相关联的的水系有11条(潘树新等，2011)，这些水系分别从不同方位汇聚于盆地中心，从而形成一个大型湖盆。在泉头组-嫩江组时期，盆地处于坳陷期。此时盆地的沉积面积不断扩大。以姚二段-嫩一段为例，该时期处于水进体系域时期，湖泊此时迅速扩张，至嫩一段沉积时，湖泊面积甚至超过了现今盆地的边界(李胜祥，2002)(图3a)。西部斜坡在坳陷期发育与盆地轴向垂直的水系(如英台-白城水系、保康-通榆水系)。由于湖泊面积大，靠近物源，水系流动距离短，陆源粗碎屑物入湖形成水下扇。由于沉积中心的不断扩张及西移，斜坡带地层区域性向西逐层超覆。嫩江组中后期盆地不断抬升，沉积范围逐渐缩小。西部斜坡此时发育河流沉积体系以及湖泊扇三角洲沉积体系。

四方台组-明水组时期，盆地处于挤压萎缩阶段。盆地东部差异性隆起，导致湖泊萎缩，盆地沉积中心进一步西移(杜江峰等，2005)(图3b)。该时期四方台组、明水组地层主要发育在盆地中、西部，为一套以河流—冲积平原—滨浅湖相为主的沉积。西部斜坡大部处于沉积中心与盆缘之间，形成以河流相为主的沉积。沉积地层自东向西变薄，西部斜坡中段因远离蚀源区，沉积碎屑物成熟度较高，砂体粒级较细。

第三系西部斜坡发育3层含水层，以承压水为主。含水层的发育与斜坡水系有关，主要由河流相碎屑物沉积为主，总体由粒级较粗的砂岩、砂质砾岩组成。含水层厚度不一，总体上南厚北薄。第四则系发育一套河流相—冰水沉积，一般为潜水。北部含水层比南部含水层厚。

图3 松辽盆地姚家组—四方台组岩相古地理图Fig.3 lithofacies palaeogeography maps of Yaojia formation-Sifangtai formation in Songliao Basion

3.2 水化学特征

西部斜坡地层水以NaHCO3类型为主，其次则是CaCl2，MgCl2型。地层水矿化度在纵向上、平面上均有差异。对西部斜坡水化学场分析表明，在平面上，西部斜坡中段(江桥、平洋等地)地层水矿化度相对较低，是大气水下渗的结果。齐家—古龙凹陷大部区域以压实水离心流为主，地层水矿化度较高(康德江等，2008)。以姚家组上段—嫩江组下段为例，西部斜坡中段位于西部斜坡次级凹陷，相对于西部超覆带及齐家—古龙凹陷，西部斜坡中段处于流体势低值区，含铀流体从流体势高值区向低值区流动，形成流体碰撞带。后期西部斜坡构造格局未发生明显变化，含铀流体长时间汇聚于西部斜坡中段，有利于铀在此聚集。

依据水化学场特征，对西部斜坡明水组、现今地层水水动力场演化过程进行研究。在白垩纪时期，西部斜坡地层总体处于压实排水阶段。地层水自下而上运移是差异压实作用的结果(图4a)。但因在第三纪—第四纪时期构造作用影响下，盆地边缘地层因抬升受到剥蚀，淋滤水下渗汇入来38—来271钻井附近(即江桥—平洋等地)(图4b)。

盆地西缘发育齐齐哈尔水系，英台水系，物源来自盆地西部边缘的大兴安岭蚀源区。蚀源区地下水铀含量高于盆内。英台—白城水系及齐齐哈尔水系等部分支流的源头出现高放射性异常，大兴安岭蚀源区发生了铀的浸出、迁移。前人研究表明(赵忠华等，2003)，东华地区、双合屯、泰来地区等地区地下水均出现放射性水化学异常，水中铀异常含量多大于 n×10－5g/L。笔者通过分析西部斜坡中段铀异常井邻近区域地下水化学成分，发现该区域地下水显示高铀异常，且这些铀异常井位于氧化还原分界面上，与水成铀理论相符。

图4 西部斜坡剖面水势场演化示意图(据许洪东等，2006)Fig.4 Sketch map showing direction of formation water flow at the western slope

4 构造-流体演化与铀聚集的关系

4.1 控制铀成矿类型分布

西部斜坡位于松辽盆地西缘，斜坡地层结构简单，为自西向东倾的单斜构造，其地层发育与新疆伊犁盆地南缘铀矿床地层发育情况相似。但西部斜坡超覆地层发育，在一定程度上制约了层间氧化型砂岩型铀矿的形成。通过对西部斜坡中段自然伽玛测井曲线显示的铀异常位置及其岩性对比得知，在位于嫩江组以上的白垩系地层均有铀异常产出，其中以四方台组铀异常最为明显，甚至部分井铀矿化达到工业品位。考虑到勘探成本，现今砂岩型铀矿最大勘探深度不超过500 m，四方台组铀异常段埋藏深度一般小于500 m。因此，西部斜坡中段目的层为四方台组。该区域四方台组铀异常井砂体不连续，该时期以发育河流相沉积为主，且斜坡中段距盆地西缘蚀源区及长垣隆起区相距较远，不利于层间氧化带砂岩型铀矿成矿。综上所述，笔者认为西部斜坡中段铀矿化类型可初步定为河道型。二连盆地巴彦乌拉古河道型铀矿床成矿背景与西部斜坡中段有相似之处，巴彦乌拉古河道型铀矿床成矿模式与勘探历程对西部斜坡中段砂岩型铀矿找矿有一定的借鉴作用。

第三纪以来，在新构造作用的影响下，盆地西缘地层小幅度抬升、剥蚀，大气水下渗，在近盆缘区具有层间氧化带砂岩型铀矿成矿条件(赵忠华等，2003)。西部超覆带浅井中发现浅地表铀异常，具有埋藏浅(20 m左右)、弱铀异常的特点。

4.2 构造-流体演化对铀成矿的控制作用

4.2.1 控制容矿砂体及围岩的形成

嫩江期末，盆地开始挤压萎缩。盆地进一步抬升。此时，湖泊面积萎缩，沉积中心西移。该时期四方台组、明水组地层主要发育在松辽盆地中、西部，为一套以河流冲积平原滨浅湖相为主的沉积。四方台组中下部沉积以冲积平原相为主，盆缘发育冲积扇相沉积，而盆地中部发育滨—浅湖沉积。西部斜坡中段找矿目的层为四方台组下部。该区域以发育河流相沉积为主，因距离西部蚀源区较远，沉积碎屑物成熟度较高，砂体粒级较细。西部斜坡中段四方台组下部铀异常段砂体以细砂岩为主，四方台组底砂体连续性较差，可推测该区域为距蚀源区较远的远源河流沉积。四方台组后期，河道砂体逐渐转变为河道与泛滥盆地泥质沉积互层，该阶段主要表现为湖进的特征，晚期以泛滥盆地的红色泥质细粒沉积为主。四方台组底下伏地层岩性主要以泥岩为主，从而形成泥—砂—泥互层的格局，有利于铀成矿。

4.2.2 断裂—流体对铀成矿的控制

(1)构成地下水补给—径流—排泄水文地质系统。砂岩型铀矿的成矿需要一个良好的地下水补给—径流—排泄的水文地质系统。蚀源区的含氧含铀流体渗入疏松的砂体中，在氧化还原界面聚集成矿。西部斜坡西缘后期的抬升、剥蚀，既提供了铀源，同时也为含铀流体的下渗提供了有利条件。蚀源区含氧含铀流体渗入地下，顺着水系发育的河道砂体径流。承压水在流体势作用下向流体势地势区流动，在西部斜坡中段形成流体碰撞带。含铀流体汇入沿河道砂体中运移至成矿部位，由于断裂的发育阻挡了流体的运移，流体通过泄水通道(断裂)排出。流体在运移过程中也可往浅部越流、蒸发泄水(楼章华等，1997)。从而形成了西部斜坡地下水补给径流排泄的水文地质系统。西部斜坡发育的敖古拉齐西等断裂带可作为西部斜坡地下水排泄通道(赵忠华等，2003;陈路路等，2013)。

(2)提供还原剂:流体烃通过断裂向上运移。研究发现西部斜坡中段铀异常明显受深部断裂控制。例如，来75井自然伽玛测井曲线显示，在四方台组底存在较大异常，初步判定达到工业品位。来75井附近存在一条NS向断裂，该断裂从盆地基底上延至300 m处被第三系所覆盖。该断裂联通深部油气层，流体烃可通过断裂上移至四方台组砂体，还原含铀流体中的六价铀，促使铀在此聚集。西部斜坡地层在构造反转时期发育局部断裂的同时，原生断裂反转活化切穿油气藏盖层，从而破坏原生油气藏。流体烃沿着断裂上移，扩散至四方台组的河道砂体中，将六价铀还原成四价铀，使得铀沉淀聚集，其反应方程式为:

流体烃在四方台组下部扩散运移过程中还原河道中原生氧化砂体，形成黄铁矿、沥青等还原物质，促使氧化—还原界面的形成。西部斜坡为盆地北部的中浅层油气勘探有利区，该地区的砂岩型铀矿应着重考虑流体烃对含铀流体的还原作用以及还原原生砂体的作用。因此，该地区铀成矿的研究应注意断裂与铀成矿的关系。

5 结论及认识

(1)沉积盆地是否产铀，首先取决于该盆地在其形成和发展过程中经历的多种地质事件的叠加。盆地构造演化过程中，伴随着流体的形成、演化以及运移过程。构造流体演化与其他一些地质因素共同决定砂岩型铀矿成矿类型及分布。依据西部斜坡测井等资料，结合该地区地质背景分析，认为西部斜坡西缘为层间氧化带砂岩型铀矿成矿有利区，而中段应注重古河道砂岩型铀矿的勘查。

(2)西部斜坡铀异常井多位于断裂附近，铀矿化受断裂控制作用明显。西部斜坡发育的断裂带可作为泄水通道，形成有利于铀成矿良好的地下水补给—径流—排泄的水文地质系统。深部断裂联通深部油气层，流体烃类上移至四方台组直接将六价铀还原成四价铀，促使铀沉淀聚集。流体烃的扩散运移还原四方台组下部河道中原生氧化砂体，形成氧化—还原界面。

(3)西部斜坡中段是古河道砂岩型铀矿成矿有利区，其地质背景与二连盆地巴彦乌拉铀矿床有一定的相似之处。对该区域的铀矿勘查可借鉴二连盆地巴彦乌拉古河道砂岩型铀矿床成矿模式与勘探历程。

陈路路，聂逢君，严兆彬.2013.松辽盆地西部斜坡带四方台组铀成矿条件分析［J］.世界核地质科学，30(2):70-78.

杜江峰，刘招君，董清水，等.2005.松辽盆地南部西部斜坡区晚白垩世坳陷盆地坡折带研究［J］.吉林大学学报:地球科学版，35(2):170-176.

范立国，侯启军，陈均亮.2003.松辽盆地中浅层构造层序界面的划分及其对含油气系统形成的意义［J］.大庆石油学院学报，27(2):13-16.

封志兵，聂逢君，严兆彬，等.2013.松辽盆地西部斜坡铀成矿条件及聚铀模式［J］.大庆石油地质与开发，32(4):36-41.

付晓飞，王朋岩，吕延防，等.2007.松辽盆地西部斜坡构造特征及对油气成藏的控制［J］.地质科学，42(2):209-222.

韩建辉，王英民，李树青，等.2009.松辽盆地北部湖盆萎缩期层序结构与沉积充填［J］.沉积学报，27(3):479-486.

胡艳飞，于平，孔庆莹，等.2007.松辽盆地北安地区断陷期构造特征的地震学证据及其油气意义［J］.地球物理学进展，22(5):1455-1459.

康德江，庞雄奇，吕延防，等.2008.松辽盆地西斜坡水动力场与油气的聚集成藏［J］.地球学报，29(2):205-212.

李娟，舒良树.2002.松辽盆地中、新生代构造特征及其演化［J］.南京大学学报:自然科学版，38(4):525-531.

李胜祥.2002.松辽盆地地质演化史与砂岩型铀矿找矿方向研究［D］.北京，核工业北京地质研究院，51-68.

楼章华，高瑞祺，蔡希源.1997.论松辽盆地地下水动力场演化与油气运移、聚集［J］.沉积学报，15(4):115-120.