松辽盆地钱家店地区上白垩统辉绿岩特征及铀成矿作用

颜新林

( 中国石油辽河油田分公司 勘探开发研究院，辽宁 盘锦 124010 )

0 引言

近年来，松辽盆地钱家店地区铀矿勘探取得重大突破，相继发现多个砂岩型铀矿床，储量规模逐年递增，铀资源量达到国家超大型砂岩型铀矿床规模[1-10]。钱家店铀矿的成功勘探与开发开辟陆相盆地砂岩型铀矿勘查的新局面。

随着铀矿勘探开发的深入，钱家店地区北部多口钻孔有一定规模的辉绿岩侵入，且在辉绿岩侵入周边发现多个工业铀矿床和铀矿孔。火山岩在金、铜、锡、稀土、油气[11-12]，以及铀成矿中具有重要作用。人们对钱家店砂岩型矿床成因开展研究。陈晓林等[1]认为，钱家店地区姚家组岩相特征和砂体的非均质性对氧化带及铀矿化的分布、形态有明显控制作用。庞雅庆等[2]分析岩心和剖面系统，认为辫状河道层间氧化带、泛滥平原与辫状河道间泥岩层控制氧化带前锋线的形态与分布，进而控制铀成矿作用的发生与铀矿体的形态和分布。罗毅等[3-4]提出三位一体控矿理论，即钱家店铀矿铀富集成矿受“晚白垩世辫状河道洼地、嫩江期末反转隆升剥蚀构造天窗及贯通性基底断裂”的控制，完善钱家店矿床成矿理论。焦养泉等[5]认为，砂岩型铀矿不仅需要同沉积期的稳定构造背景，以及成矿期和适当掀斜作用的构造背景，有些矿床还需要成矿期后的构造环境。田时丰[6]、李宏涛等[7]、汤超等[8]认为，油气与砂岩型铀矿具有密切的时空联系，油气吸附作用和还原作用参与砂岩型铀矿成矿过程。钱家店砂岩型铀矿具体成因存在争议，缺少辉绿岩分布、识别标志及其在铀成矿中所起作用研究。

笔者利用岩心、测井和地震资料，识别松辽盆地钱家店地区辉绿岩侵入特征；应用镜下薄片、包裹体测温、U-Pb同位素定年、背散射电子成像和电子探针分析等，探讨辉绿岩侵入与铀成矿作用之间的关系，为辉绿岩识别、砂岩型铀矿成因研究及砂岩型铀矿勘探提供依据。

1 区域地质概况

研究区地处内蒙古自治区通辽市境内，构造上位于松辽盆地南部开鲁坳陷的东北部钱家店凹陷[13]。该凹陷呈NNE-NE向狭窄条带状展布，长约为100 km，宽为9～20 km，面积约为1 280 km2，是开鲁坳陷的一个次级负向构造单元(见图1)。构造演化表明，钱家店凹陷的形成经历早白垩世断陷和末期抬升剥蚀、晚白垩世坳陷及末期的构造反转和抬升剥蚀4个阶段[14-15]。钻井揭示，上白垩统主要包括青山口组(K2qn)、姚家组(K2y)及嫰江组(K2n)，属于河流相—湖泊相沉积，其中含矿层姚家组为辫状河流相沉积，地层产状平缓，具有良好的泥—砂—泥结构，单层砂体厚度为10.0～45.0 m，横向分布稳定。孢粉资料及岩石学分析表明，含矿层姚家组砂体属于干旱—半干旱古气候条件，岩性以红色为主，间夹浅灰色中细粒长石石英砂岩，岩石分选性较好，胶结物较少，泥质含量较低(体积分数一般小于15%)，孔隙度较高(多为25%～35%)，透水性好。矿区构造主要由北东向、近东西向和北西向几组断裂组成，断裂的多期活动为深部流体向浅部氧化层运移有利通道提供便利条件。研究区多期构造活动导致大规模的基性岩浆活动，基性岩浆沿地层或断裂上涌，在矿床内和周边形成大面积的辉绿岩岩体及岩盖。

图1 松辽盆地钱家店地区姚家组上段构造分区及铀矿带与辉绿岩叠合Fig.1 Tectonic zoning and overlap of uranium deposits and diabasefrom the upper member of Yaojia formation in Qianjiadian area, Songliao basin

2 辉绿岩识别特征

2.1 岩石学特征

钱家店地区辉绿岩由古近纪侵入，在姚家组和嫩江组发育，在青山口组个别井中有钻遇。姚家组辉绿岩岩心主要呈灰绿色(见图2(a))或灰黑色，致密坚硬，呈块状，局部角砾化，构造裂缝和溶蚀缝发育，厚度从几米到几十米不等，最厚可达82 m。镜下观察辉绿岩具全晶质似斑状结构(见图2(b))，主要矿物有基性斜长石、辉石等，辉石呈他行，斜长石自形程度较好，呈长条状，斜长石和辉石大小相近，或辉石略大于斜长石；次要矿物为黑云母、碱性长石、角闪石和石英等。在辉绿岩冷凝过程中有易挥发物质溢出，气孔被方解石、石英和玉髓等矿物质充填。岩心水平和高角度构造缝、蛇曲形溶蚀缝发育，裂缝被方解石完全充填(见图2(c))。

图2 松辽盆地钱家店地区上白垩统辉绿岩岩石学特征

2.2 测井响应特征

根据研究区矿床中辉绿岩较发育的11口典型钻井资料，辉绿岩厚度为35.8～82.0 m。在测井曲线上，辉绿岩自然伽马、声波时差和深、浅侧向电阻率测井，与围岩砂岩、钙质砂岩、泥岩和凝灰岩沉积地层差异明显(见表1和图3)，具有“两低一高”的测井响应特征。自然伽马呈低值，为23.8～45.5 API(见表1)，曲线表现为高幅箱型。Th和U测井值较低，平均分别为2.7×10-6和2.3×10-6，显示辉绿岩具有较低的放射性强度，辉绿岩的侵入难以提供成矿的铀源。声波时差也呈低值，曲线基本呈中高幅箱型，为48.0～65.0 μs·ft-1，表明辉绿岩岩性具有比较均匀致密特征。深、浅侧向电阻率测井呈齿状箱型，为500～1 080 Ω·m，较高的电阻率也表明研究区辉绿岩岩性具有致密特征。

表1 松辽盆地钱家店地区上白垩统辉绿岩测井响应参数

图3 松辽盆地钱家店地区姚家组上段辉绿岩测井响应特征Fig.3 Logging response of diabase for the upper member of Yaojia formation in Qianjiadian area, Songliao basin

2.3 地震反射特征

辉绿岩岩性致密坚硬，孔渗低，密度大，声波速度为4 869～6 350 m/s，侵入体与围岩波阻抗差异明显。地震剖面上，辉绿岩岩株侵入体刺穿岩层(见图4(a))，向左右溢流顺层分布(见图4(b))，或穿层以指状尖灭；穿层岩浆又重新顺层溢流，或穿层尖灭，构成树枝状的辉绿岩侵入体结构。岩株在空间上被两侧地层夹于中间，内部反射结构杂乱，与围岩反射特征差异明显，呈中—低频、中弱振幅，连续性差。顺层的辉绿岩呈平行—亚平行反射结构，呈中—低频、强振幅，同相轴连续性好，岩体与围岩产状一致，侵入过程是供给岩株熔浆挤入地层而冷凝固结的结果。穿层的辉绿岩同相轴连续性变差，呈粘连状，以强振幅与弱振幅或强振幅粘连，岩体与围岩存在明显的角度不整合，侵入过程是岩浆穿切地层而冷凝固结的结果。

3 铀成矿作用

3.1 辉绿岩侵入

成矿年龄是成矿机制研究的重要依据[3-4,15-16]。钻探表明，钱家店地区铀矿化较好的区块一般浅部发育辉绿岩，辉绿岩从下部侵入到上白垩世地层。测定辉绿岩的侵入年龄与矿床的形成年代，能够推测辉绿岩侵入与铀成矿的联系。采用Ar-Ar同位素测年法和U-Pb同位素定年法，分别测试辉绿岩和铀矿石同位素年龄。Ar-Ar同位素测年选取矿化很好的Q1-02-02孔浅部新鲜辉绿岩样品，两次测定结果分别为(53.0±2.3)Ma和(45.8±8.0)Ma(误差为1σ)，平均为(49.4±5.0)Ma(误差为1σ)，与罗毅等[4]报导的辉绿岩脉K-Ar年龄(51.0 Ma)十分接近。

图4 松辽盆地钱家店地区辉绿岩地震响应特征Fig.4 Seismic response of diabase in Qianjiadian area of Songliao basin

U-Pb同位素定年法误差在2σ内，小于0.05‰，可信度高。U-Pb等时线处理后，对测试年龄综合归纳，选取钱家店铀矿床10个钻孔、61件样品进行测试，测试仪器为Isoprobe热电离子质谱仪，拟合等时线相关因数大于0.980，成矿年龄为(89.0±11.0)Ma(见图5(a))、(67.0±5.0)Ma(见图5(b))、(53.0±3.0)Ma(见图5(c))、(44.0±4.0)Ma(见图5(d))、(40.0±3.0)Ma(见图5(e))、(38.0±6.0)Ma(见图5(f))。钱家店铀矿成矿年龄(89.0±11.0)Ma与晚白垩世姚家组沉积年龄相当，表明铀矿在姚家组沉积时期已经开始富集；铀成矿年龄(53.0±3.0)Ma、(44.0±4.0)Ma、(40.0±3.0)Ma和(38.0±6.0)Ma与辉绿岩岩浆活动时期相当，或在铀成矿后辉绿岩岩浆活动参与部分铀矿床的形成。

图5 松辽盆地钱家店地区铀矿石U-Pb等时线年龄图解Fig.5 U-Pbisochron diagrams of uranium ore in Qianjiadian area of Songliao basin

3.2 辉绿岩热液作用

辉绿岩热液活动与铀沉淀富集密切相关[17-26]。辉绿岩热液能够为铀成矿提供良好的地球化学环境，上侵从深部带来富含CH4、H2S、H2和Fe2+等还原性流体，构成铀还原沉淀的氧化—还原障；∑CO2、∑SiO2的流体能够与深部地层中铀结合，形成矿液的碳酸铀酰离子和硅酸铀酰离子，有利于铀迁移沉淀[21,26-29]。高岭石、水云母—绢云母等热液蚀变黏土矿物具有很大的表面自由能和吸附能力，可较好地捕获液体中的UO2+[23]。另外，由于辉绿岩岩浆上侵，含铀岩层流体温度升高，含氧、含铀流体分子运动速度加快，含矿溶液物理化学平衡条件发生变化，促进流体中U的析出[30]。

钱家店地区铀矿床表现为强烈的辉绿岩热液作用改造，铀矿热液蚀变释放出大量的Fe2+、Mg2+、Ca2+、Si4+、P5+和Ti4+等离子，含矿砂岩形成新生胶结物。铀矿床中主要有脉状硅化[9]、碳酸盐化、高岭石化(见图6(a))、赤铁矿化(见图6(b))、黄铁矿化(见图6(c))、黄铜矿化(见图6(d))、水云母—绢云母化[31-32]等热液蚀变类型。利用电子探针对胶状黄铜矿、黄铁矿边缘沥青铀矿进行测定(见图6(e))，铀矿主要为UO2(质量分数为40.75%～62.17%)、SiO2(质量分数为2.67%～17.90%)、P2O5(质量分数为5.73%～8.66%)和CaO(质量分数为2.03%～4.10%)等成分，其次为Al2O3、MgO、TiO2、FeO和PbO等成分，其质量分数少于1.00%。

图6 松辽盆地钱家店地区辉绿岩热液作用岩心、扫描电镜和包裹体镜下特征Fig.6 Microscopic characteristics of hydrothermalism core, scanning electron microscope and inclusion of diabase in Qianjiadian area, Songliao basin

原生包裹体均一温度可以记录含矿流体沉淀时的温度[33-35]，判断含矿流体是否经历热液改造。钱家店铀矿床含矿层姚家组岩矿石中脉状碳酸盐(见图6(f))、石英和长石等矿物，含烃盐水包裹体均一温度测定温度大于100 ℃，大多集中在140～180 ℃之间；包裹体的盐度为8.8%～43.4%，主要分布在12%～24%之间，与现测渗出流体的矿化度基本一致，包裹体的烃主要来源于侏罗系九佛堂组烃源岩[36]。包裹体温度异常再次说明含矿层存在热液作用，根据空间及含矿层热蚀变矿物，含氧、含铀低温热液的形成与研究区矿床内及边缘古近纪辉绿岩岩浆活动有关。

3.3 辉绿岩滞水作用

在砂岩型铀矿形成过程中，受青山口组和嫩江组大套氧化色泥岩隔挡，含氧、含铀流体沿姚家组砂体移动，在氧化还原过渡带处还原沉淀，形成铀矿床。在地层中还原剂充足的情况下，铀矿富集程度取决于含氧、含铀流体在砂层中的流速，流速太快不利于成矿。

图7 研究区辉绿岩与铀矿体结构关系Fig.7 Diagram of the structural relationship between water stagnating of diabase and distribution of uranium ore body

钱家店地区浅灰色砂岩分选性好，胶结物较少，孔隙度较高，透水性好，含铀流体流速快；广泛分布的辉绿岩具有低孔、低渗的特点，结晶程度小，较致密，可以作为良好的滞水层，含氧、含铀流体有充分的时间与还原物质相互作用，易于铀的还原沉淀，形成规模较大的铀矿床。在空间上，辉绿岩既有平行下伏地层以岩盖(岩盘)状分布，也有穿插地层以岩墙状分布，在垂向和侧向上具有较好的隔挡效果(见图7)。另外，与辉绿岩接触的围岩(较软紫红色泥岩、砂岩)受到烘烤而变硬、褪色，加强辉绿岩附近岩性体的隔挡作用。在研究区北部发育构造剥蚀天窗(见图1)，垂向分布的辉绿岩岩墙隔挡潜水氧化对铀矿的破坏作用，侧向上由岩性不整合导致的含铀水体在其一侧富集。

4 结论

(1)松辽盆地钱家店地区上白垩统广泛发育辉绿岩岩株体，且多分布于工业铀矿床和铀矿点，可以根据岩性、测井和地震反射特征对它进行识别。

(2)U-Pb同位素定年测试铀成矿年龄为(53.0±3.0)Ma、(44.0±4.0)Ma、(40.0±3.0)Ma和(38.0±6.0)Ma，与Ar-Ar同位素测年测定的辉绿岩侵入时间为51.0 Ma接近；或辉绿岩侵入时间在铀成矿后，辉绿岩岩浆活动参与部分铀矿床的形成。

(3)研究区含氧、含铀低温热液的形成与矿床内及边缘早白垩世辉绿岩岩浆活动有关，辉绿岩发育区岩浆活动产生的后期热液改造作用及滞水作用，促使含铀流体在其内部或边缘富集而形成砂岩型铀矿，成为砂岩型铀矿勘探有利目标区。

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