内蒙古通辽地区上白垩统姚家组灰色砂体成因及其与铀成矿关系

2018-09-14蔡建芳严兆彬张亮亮封志兵聂逢君

东华理工大学学报(自然科学版) 2018年4期

蔡建芳，严兆彬，张亮亮，封志兵，黄笑，聂逢君，夏菲

(1.核工业二四三大队，内蒙古赤峰 024000；2核资源与环境国家重点实验室(东华理工大学)，江西南昌 330013)

松辽盆地是我国重要的能源盆地，其下部断陷层序地层中富含石油、页岩气和煤炭等资源，上部坳陷层序地层中发现有较多的铀矿化及异常。近些年来，通过开展铀资源调查评价与勘查工作，在钱家店凹陷、陆家堡凹陷、金宝屯凹陷和大庆长垣等地区均见有较好的铀矿化，且具有多层位成矿特征，显示出松辽盆地有较好的铀矿找矿前景。目前在通辽地区钱家店凹陷姚家组中目前已探明钱II块、钱IV块和宝龙山等大中型铀矿床，并圈定了一批铀矿产地，成为松辽盆地重要的铀矿富集区。前人对通辽地区砂岩型铀矿开展了大量的研究工作，部分学者探讨了铀矿化特征及控矿因素，认为构造、砂体等对铀成矿具有一定的控制作用(殷敬红等，2000；于文斌等，2006，2008；于文斌，2009；宫文杰等，2010；郝涛等，2010；罗毅等，2012；蔡建芳等，2013；王帆等，2017；吴兆剑等，2018)；部分学者认为铀成矿作用可能与热流体事件相关(徐喆等，2011；聂逢君等，2017)；邹顺庚(2000)探讨了水文地球化学方法在开鲁盆地找矿的应用；砂岩型铀矿成矿时代一直是研究着关注的重点，夏毓亮(2012)用铀铅等时线探讨了开鲁盆地铀成矿时限，张明瑜等(2005)研究了研究区钱家店铀矿床铀的赋存状态及铀矿形成时代；随着研究的深入，勘探方向愈加清晰，部分学者系统探讨了研究区勘探潜力(夏毓亮等，2003；郑纪伟，2010)。目前，研究区的共性认识认为，姚家组的灰色砂体控制着铀矿体的分布，但对姚家组灰色砂体的成因特征及铀矿体直接的关系研究相对较少。本文从灰色砂体的成因入手，系统研究不同成因的灰色砂体对铀矿体的控制作用，为研究区的铀矿探讨提供科学依据。

1 地质背景

通辽地区位于松辽盆地西南部开鲁坳陷钱家店凹陷中。开鲁坳陷的形成与演化具有复杂的地质背景，它既是大陆地壳裂陷的产物，也是大陆地壳长期拉张并有时伴随挤压构造作用发展演变的结果。坳陷的演化可分为先期褶皱、热隆张裂、伸展断陷、热降坳陷、构造反转、隆升剥蚀和差异升降七个阶段。

伸展断陷阶段形成走向NNE、NE向的张裂断陷盆地群，形成含煤、含油页岩的沉积建造，为后期还原改造提供了充足的还原剂。

热降坳陷阶段形成了NE—NNE向凹陷盆地群(图1)，主要包含钱家店凹陷、陆家堡凹陷、哲中凹陷、舍伯吐凸起和乌兰花凸起等三级构造单元。该阶段形成的姚家组在区内发育有大规模的辫状河相砂体，成为重要的铀矿找矿目的层。

图1 松辽盆地西南部构造单元区划图Fig.1 Interior tectonic units In the southwest Songliao basinⅠ.开鲁坳陷区；Ⅱ.西南隆起区；Ⅲ.西部斜坡区；Ⅳ.中央坳陷区；Ⅴ.东南隆起区；Ⅰ1.陆家堡凹陷；Ⅰ2.哲中凹陷；Ⅰ3.乌兰花凸起；Ⅰ4.钱家店凹陷；Ⅱ1.白音花凹陷；Ⅱ2.三棵树鼻状凸起；Ⅱ3.瞻榆凹陷；Ⅱ4.架玛吐凸起；Ⅱ5.巴彦塔拉凸起；Ⅱ6.大林凹陷；Ⅱ7.金宝屯凹陷；Ⅱ8.宝格吐凹陷；Ⅱ9.张强凹陷；Ⅱ10.安乐凹陷。

构造反转阶段在盆内和盆缘分别发生反转与掀斜作用，形成转构造背斜带。构造反转作用使目的层姚家组抬升变浅，为后期形成剥蚀天窗提供了条件。

隆升剥蚀阶段使反转背斜带上的姚家组剥蚀形成天窗，形成了由盆缘补给、辫状河相砂体迳流、剥蚀天窗排泄的水文地质条件，促进了含铀含氧水的补给。该时期是本区砂岩型铀矿的主要成矿时期。

1.1 断裂

1.1.1 基底断裂

区内基底断裂发育，分为NE—NNE、NW、EW和SN向四组，其中以NE—NNE向最发育，其次为NW和EW向，形成时间上EW和SN向断裂较早，NE—NNE向断裂较晚，NW向断裂形成时间最晚。这些断裂性质多为正断层，由于伸展运动的作用，在盆地形成一系列彼此孤立的断陷盆地。而大多数断裂形成于前中生代，在侏罗纪、白垩纪的燕山运动期仍有活动。NE—NNE向、NW向断裂是主要控盆断裂，对中、新生代沉积起着明显的控制作用。

图2 钱家店凹陷地层格架示意图Fig.2 Diagram stratigraphic framework of Qiajiadian depression1.上白垩统嫩江组；2.上白垩统姚家组；3.上白垩统青山口组；4.下白垩统阜新组；5.下白垩统沙海组；6.下白垩统九佛堂组；7.下白垩统义县组；8.石一-二叠系基底；9.地层界线；10.角度不整合界线；11.断裂

1.1.2 盖层断裂

盆地的基底构造格局直接控制并影响盆地盖层的形成、演化和改造。早白垩世盆地拉伸扩张，主要发育正断层(图2)，形成了以地堑为主的北东、北北东向断陷盆地群，断陷盆地内沉积了一套富含还原性流体地层，为后期还原改造提供了充足的还原剂。晚白垩世，盆地进入拗陷演化阶段，断裂活动减弱，发育规模不等的正断层，该时期形成了有利于铀成矿的河流相砂体。晚白垩世嫩江期发生构造反转运动，形成反转构造背斜带，背斜带局部抬升剥蚀，形成剥蚀天窗，剥蚀天窗对后期铀成矿起了重要作用。

1.2 地层

1.2.1 基底

区内基底岩性主要为古生代浅变质岩和海西期花岗岩组成。基底埋深在钱家店断陷较大，可大于2 000 m，在架玛吐凸起西部斜坡区埋深较浅，一般300～600 m。

1.2.2 盖层

沉积盖层由白垩系、新近系和第四系组成。早白垩世义县—阜新期为盆地伸展断陷发育阶段，形成了一系列分割性较深的断陷盆地群，其间充填了九佛堂组、沙海组、阜新组的冲积相与河流相砂砾岩及湖泊相砂岩及灰色泥岩夹煤层建造。晚白垩世青山口—嫩江期为坳陷发育阶段，形成了以河流—湖泊沉积为主的沉积建造。嫩江末期区内表现为强烈的挤压作用，盆地发生构造反转，该区缺失四方台—古近纪地层。新近纪泰康组的沉积主要分布于盆地西部，以河流相杂色砂岩、砂砾夹粉砂泥岩建造为特点。第四系覆盖全区，下部为砂、砾，上部为风成沙及粘土层(图3)。

1.2.3 姚家组地层结构

上白垩统姚家组是在该区为一套干旱—半干旱条件下形成的以红色为主局部为灰色的内陆碎屑岩沉积建造，区内分布广泛，厚度一般在200～300 m之间。总体具有东部埋深浅，倾角缓，厚度大，局部褶皱剥蚀，西部厚度薄，埋深变化大的特点。姚家组埋深一般300～600 m，局部可大于800 m。

姚家组可分为姚家组上段和姚家组下段。姚家组上段以灰色、浅灰色细砂岩为主，局部夹薄层紫红色泥岩、粉砂岩。砂岩和泥岩组成多个下粗上细的沉积韵律，一般由3～4个旋回组成，单层砂岩厚一般10～20 m。姚家组下段岩性主要为砖红色、褐黄色、灰色中—细砂岩夹粉砂岩、泥岩薄层，砂岩分选中等，次棱角—次圆状。姚下段由7～9个下粗上细的正韵律构成，底部常发育一薄层砂砾岩。姚下段厚120～190 m，地层厚度及底板埋深均有由NE向SW变大的趋势。

姚下段顶部为厚8～15 m的较稳定的砖红色、紫红色泥岩，为姚家组下段砂体顶部稳定的区域隔水层；中部为夹褐黄色的褐红色中粗砂岩，厚度较大，一般为60～80 m，氧化较强，为上氧化带(图4)；下部为灰色细砂岩、中砂岩和粗砂岩，局部夹薄层钙质胶结砂砾岩，为含矿主砂体，厚一般20～40 m；底部为褐黄色中粗砂岩夹砂砾岩，厚度较小，一般10～20 m，褐铁矿化较强，为下氧化带。

图3 开鲁盆地地层柱状图Fig.3 Composite columnar section of Kailu basin

2 姚家组灰色砂体空间分布特征

通辽地区姚家组灰色砂体按成因可分为原生沉积型、油气还原改造型2种类型。

2.1 姚家组原生灰色砂体分布特征

晚白垩世姚家期古气候为干旱—半干旱气候，主要沉积红色—杂色碎屑岩建造，在深水河道或局部低洼地段发育有灰色砂体。原生灰色砂体规模一般较小，灰色砂岩中常见炭化植物茎秆或沿层面分布的炭化植物碎屑，且植物茎秆吸附有分散状细晶黄铁矿。原生灰色砂体在沉积成岩过程中发生了铀的初始预富集，铀含量普遍增高，局部地段达到铀的增高或铀异常，为后期氧化改造形成富矿奠定了基础。

图4 宝龙山地区兴29号勘探线剖面图Fig.4 No29 exploration line geological section of Baolongshan area 1.第四系；2.上白垩统嫩江组；3.上白垩统姚上段；4.上白垩统姚下段；5.下白垩统阜新组；6.下白垩统义县组；7.石炭-二叠系；8.灰色泥岩；9.灰色砂岩；10.紫红色泥岩；11.砖红色砂岩；12.紫红色砂砾岩；13.褐黄-砖红色砂岩；14.花岗岩；15.工业铀矿体；16.断层及编号

2.2 油气还原改造灰色砂体分布特征

嫩江末期，由于太平洋板块强烈向西俯冲挤压，松辽盆地大面积抬升，在盆内发生反转作用，反转作用使先存断陷边界断裂再活动并使沉积盖层发生褶皱，形成NE向反转构造背斜带。反转作用一方面使地层抬升，目的层埋深变浅形成剥蚀天窗，另一方面使深部还原性流体沿反转断裂上升进入到姚家组中，对姚家组进行还原改造使姚家组发育较大规模的灰色砂体。

姚家组灰色砂体的分布受钱家店断陷控制，姚家组下部的侏罗系九佛堂组为钱家店断陷湖湘烃源岩(李宏涛，2007)，姚家组灰色砂体主要分布在钱家店断陷上部及其控盆断裂(F1、F2)两侧一定范围内，灰色砂体总体沿NE向呈带状分布(图5)。灰色砂体厚度一般20～70 m，局部可超过100 m，灰色砂体的厚度主要受深部还原性油气的强弱控制，在断陷盆地中部因还原性流体丰富及还原作用较强，灰色砂体厚度较大，而在断陷盆地两侧因还原作用减弱使得灰色砂体厚度偏小，灰色砂岩中偶见有残留的红色砂岩条带。剖面上灰色砂体主要赋存在姚家组下段的中下部，整体呈板状、似层状分布，其上部和下部为砖红色、褐黄色氧化砂体。

图5 通辽地区姚家组灰色砂体分布图Fig.5 Distribution map gray sandstone of Yaojia formation in Tongliao area1.海西期花岗岩；2.河道砂体分布范围；3.原生透镜状灰砂分布范围；4.二次还原改造后灰砂分布范围；5.氧化砂分布范围；6.氧化作用改造后残留灰砂分布范围；7.铀矿体；8.姚家组剥蚀界线；9.反转断层；10.还原流体扩散运移方向；11.氧化水流向

3 姚家组灰色砂体与铀矿化关系

3.1 姚家组灰色砂体成份特征

通辽地区姚家组砂岩以中—细砂岩为主，含有少量粗砂岩，砂岩中偶夹的薄层透镜状泥岩或泥砾岩。砂岩按矿物成分和化学成分分类均属于低成熟的长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩类，碎屑成份主要为石英(38%～59%)、长石(21%～40%)和岩屑(15%～41%)。胶结物主要为泥质，少量碳酸盐胶结物(方解石和(铁)白云石)。砂岩成分成熟度和结构成熟度均较低，碎屑颗粒分选中等，磨圆中等偏差，颗粒间呈点、线接触。

粒度分析结果显示，区内姚家组砂岩的概率累积曲线多为较典型的两段式，主要包含跳跃和悬浮两个次总体，而滚动总体基本不发育，反映出牵引流的基本粒度特征，表明本区姚家组为辫状河沉积，为铀成矿有利砂体。

3.2 姚家组灰色砂体的还原性

区内姚家组灰色砂体常见炭化植物茎秆或沿层面分布的炭化植物碎屑，且植物茎秆吸附有大量分散状细晶黄铁矿，在渗透性较好的中、粗砂岩中偶见有黑褐色油浸砂岩，表明灰色砂岩中含有较丰富的还原剂。根据区内灰色砂体地球化学分析结果(表1)，灰色砂体中C有含量0.032%～0.260%，平均0.077%；S全含量为0.012%～0.541%，平均0.099%；Fe3+/Fe2+比值为0.16～1.02，平均0.56。由此可见姚家组灰色砂体属于还原环境，能够为形成氧化—还原过渡带提供充足的还原剂(1)蔡建芳.2017. 内蒙古自治区通辽铀矿整装勘查区专项填图与技术应用示范报告(内部资料).。

3.3 姚家组灰色砂体含铀性

姚家组灰色砂体在原生沉积时铀一普遍偏高，局部地区在后生还原改造过程中发生了铀的预富集及富集叠加作用。根据通辽地区姚家组地层铀含量统计表(表2)，姚家组灰色砂岩微量铀含量一般(3.64～26.20)×10-6，平均为10.24×10-6，比砖红色、褐黄色氧化砂岩平均铀含量(2.68×10-6)明显增高。姚家组灰色砂岩中铀丰度较高，局部可富集成铀矿化异常，为形成铀矿体奠定了基础(2)蔡建芳.2017.内蒙古通辽市宝龙山铀矿床及外围普查地质报告(内部资料).。另外姚家组灰色砂体为该区后期氧化成矿提供了丰富的铀源，是本区铀成矿的重要铀源之一。

3.4 姚家组灰色砂体赋矿特征

嫩江末期的反转运动，一方面使盆地内部形成反转背斜带，深部还原性流体上升对姚家组进行还原改造，使姚家组发育规模较大的灰色砂体；另一方面使盆地边缘掀斜抬升，姚家组剥蚀出露地表，接受含铀含氧水的补给。古近纪姚家组沿主河道发育大规模的层间氧化作用，氧化水整体由SW往NE向迳流。含铀含氧水向前推进过程中，一方面氧化灰色砂体使灰色砂体范围向NE向退缩，另一方面氧化水把原灰色砂体中的铀浸出向前推移。当氧化作用推进到钱家店断陷中部时，氧化作用与还原作用相当，形成了相对稳定的氧化—还原过渡带，在过渡带中铀元素进行沉淀富集，从而形成铀矿体。因该区还原作用主要以钱家店断陷深部上升的还原性流体为主，还原流体与氧化流体长期相互作用，使得本区灰色砂体主要呈板状分布于上、下氧化带中，铀矿体主要赋存于上、下氧化带之间的灰色砂体中，呈板状、似层状分布。