浅析松辽盆地南部姚下段灰色砂体与铀成矿关系

宁 君，夏 菲，聂逢君，佟术敏，宋海瑞，

封志兵2，聂 涛1，李 强1

(1.核工业二四三大队，内蒙古 赤峰 024000；2.东华理工大学，江西 南昌 330013)

松辽盆地南部上白垩统姚家组下段(下文简称“姚下段”)灰色砂体是本区砂岩铀矿主要找矿标志，因其空间展布规律及与铀成矿关系目前认识不够深入，导致在找矿过程中遇到难以解决的实际问题。比如还原容量先天不足，如何寻找灰色砂体，灰色砂体空间分布与其内在成因关系如何，同样在氧化带前锋线附近大致相当的灰色砂带区域的成矿作用有何差别？为此，笔者试图通过对姚下段灰色砂体特征与成因分析，追根溯源寻找其与铀成矿作用的“蛛丝马迹”，探讨灰色砂体与铀成矿关系，希望在本区找矿实践中起到积极有效的作用。

1 地质背景

研究区深部构造发育，构造作用不仅在平面上控制了断陷构造单元、多以NE向的展布形态(图1)，也在垂向上形成早白垩世断陷层序和晚白垩世拗陷层序的有利盖层结构，还在成矿作用中导通深部还原流体和排泄地下水等方面提供了有利条件(夏毓亮等，2003；董文明等，2007；于文斌等，2008；吴仁贵等，2011；蔡建芳等 2013)。

图1 松辽盆地南部断陷分布图Fig.1 Fault depression distribution in the south of Songliao basinⅠ.西部断陷区；Ⅱ.中央断陷区；Ⅲ.中央断隆区；Ⅳ.东南断陷区；Ⅴ.西南断陷区。1.榆树断陷；2.德惠断陷；3.十屋断陷；4.柳条断陷；5.杏山堡断陷；6.哈拉海断陷；7.社里断陷；8.伏龙泉断陷；9.孤店断陷；10.乾安断陷；11.长岭断陷；12.查干花断陷；13.两家子断陷；14.新安断陷；15.黑帝庙北断陷；16.英台断陷；17.平安断陷；18.高平山断陷；19.洮南断陷；20.通榆北断陷；21.通榆断陷；22.陆家堡西断陷；23.陆东断陷；24.奈曼旗断陷；25.八仙筒断陷；26.茫汉断陷；27.龙湾筒断陷；28.钱家店断陷；29.保康断陷；30.金宝屯断陷；31.宝格吐断陷；32.甘旗卡断陷；33.张强断陷；34.三家子断陷

姚家期处于晚白垩世拗陷成熟期，该时期盆地内部除局部基底古隆起外已基本填平补齐形成统一的汇水盆地(郑纪伟，2010)，总体由南西向北东沿长轴方向沉积形成有利的辫状河主河道。地下水总体上由盆地南缘补给，沿辫状河主河道径流最终在断裂或构造天窗附近排泄，从而在主河道内沿奈曼-余粮堡-海力锦一带形成了NE向区域层间氧化带，并在氧化带东、西两侧形成了有利的氧化-还原过渡带(图2)。该过渡带垂向上表现为“上、下氧化，中间还原”的地球化学环境，铀矿化主要产于中间还原的灰色砂体中，其矿化类型为区域层间氧化带型，主要控矿因素包括构造、岩性-岩相、古气候、氧化-还原及铀源等(黄清华等，1999；罗毅等，2007；蔡煜琦等，2008；陈晓林等，2008；张振强等，2009；庞雅庆等，2010；夏毓亮，2015)，而本区赋矿的灰色砂体与上述控矿因素作用关系密切，研究其特征及成因进而分析其与铀成矿关系在本区找矿过程中显得尤为重要。

2 灰色砂体特征

2.1 宏观特征

平面上姚下段灰色砂体分布一方面具有远离地下水补给区分布的特点，另一方面受断陷及深大断裂控制明显，较集中分布于断陷发育区、构造天窗以及NE、EW向深大断裂等构造发育部位，在钱家店凹陷北部宝龙山构造天窗周围分布尤为明显，具有厚度大、分布范围广的特点(图3)。

图2 松辽盆地南部姚下段岩性地球化学环境图Fig.2 Lithologic geochemical environmental of the lower part of Yaojia formation in the south of Songliao basin1.冲积扇相；2.辫状河道亚相；3.河间冲积岛亚相；4.河床亚相；5.河漫亚相；6.三角洲相；7.滨浅湖相；8.砖红、褐红色区；9.砖红、褐红、褐黄色区；10.砖红、褐红、褐黄、灰色区；11.灰、灰绿色区；12.上白垩统姚下段；13.上白垩统青山口组；14.上白垩统泉头组；15.下白垩统阜新组；16.石炭—二叠系；17.海西期花岗岩；18.地层界线；19.剥蚀界线；20.角度不整合地质界线；21.盆地界线；22.断层；23.工业铀矿孔；24.铀矿化孔；25.铀异常孔

垂向上灰色砂体与氧化砂体分层特征明显，主要产于姚下段上、下氧化带之间的灰色层中，且相对固定存在于姚下段第三、四沉积旋回，部分钻孔中在姚下段顶、底部以及氧化带内部常见灰色砂体残余，形成薄、厚相间的多层性特点，其累计厚度一般5～55 m，个别厚度达80 m以上，具有越靠近构造天窗等排泄区其灰色砂体厚度越大的特点(图4)。

灰色砂岩总体上以灰、浅灰色中砂岩和细砂岩为主，岩石分选性及渗透性好，粒度偏细的砂岩中沿层理面常见暗色泥质条带、黑色炭化碎屑，其原生还原容量相对较大，在氧化-还原蚀变分带附近砂岩可见明显后生还原现像，部分粒度偏粗的灰色砂岩中被后生还原流体(油气、煤层气等)改造现象明显，甚至原生红色泥岩表面存在明显褪色还原的迹象(图5中A,B,C,D)。除上述现象外，灰色砂岩中普遍发育高岭土化，局部可见细晶、结核状黄铁矿及细脉状碳酸盐化等后生中低温热液蚀变现象(图5中E,F)。上述宏观特征总体表现出姚下段灰色砂体分布及规模变化较大，其空间分布特征具有一定的规律性，岩石中还原成因较复杂，既存在原生成因，在沉积成岩后又与后生还原改造关系密切，在后生改造过程中又伴随多期次热液蚀变现象。

2.2 微观特征

研究区灰色砂岩在镜下后生还原改造和中低温热液蚀变现象明显，主要表现为在灰色砂岩中见黑褐色油斑(液烃包裹体)、草莓分散状黄铁矿、放射状高岭石化、不规则港湾状碳酸盐化及条带状绢云母化等(图6)，各种蚀变产出部位及形态各异，变化复杂，与铀成矿关系密不可分。初步研究表明，上述还原改造作用主要分布于深部断陷区较发育部位，与形成一定规模的容矿砂体和后期的护矿、保矿作用关系密切，而各种中低温热液蚀变主要发育于构造活动较强的断裂带附近，极大影响了铀的迁移和再富集作用，多数蚀变与铀形成共(伴)生关系。

姚下段砂岩中明显反映出灰色砂岩的Fe3+/Fe+2比值低(表1)，其总铁量也低，具有较强的还原特征；还原砂岩中S全、CO2含量明显高于氧化砂岩，表明硫含量的增高很可能由还原流体(如H2S等)后生还原作用引起，而CO2含量的增高可能与深部还原性油气在对原生红色砂岩还原褪色过程中发生碳酸盐的带入关系密切；还原砂岩中灰色砂岩的C有、S有含量明显高于其它砂岩，而浅灰色砂岩其含量又明显低于其它砂岩，表明灰色砂岩本身有机质含量较高，但由于在后期高岭土化等蚀变过程中发生了有机质大量带出现象，降低了还原容量。综上岩石地球化学分析对比，灰色砂岩既具有原生特征，又表现出明显的后生作用；浅灰色砂岩虽然还原容量较低，但还原性较强。

图3 海力锦地区姚下段灰色砂体等厚图Fig.3 Contour map of gray sand body in the lower part of Yaojia formation in Hailijin district1.氧化带；2.主氧化发育方向；3.局部氧化发育方向；4.灰色砂体厚度等值线图；5.上白垩统姚下段；6.下白垩统阜新组；7.海西期花岗岩；8.剥蚀界线；9.断层；10.矿化带

表2 松辽盆地南部盖层各含矿层位砂岩微量铀分析对比表

根据代表性微量铀样品统计分析，研究区各含矿层位中姚家组原生沉积的铀背景值最高(表2)，地层自身铀源条件良好；同时该层位重点含矿部位即姚下段的不同地化环境砂岩中微量铀含量差别较大，其中还原砂岩明显高于氧化砂岩，且灰色砂岩微量铀含量高达7.23×10-6，从而充分显示姚下段原生存在一定还原容量，反映了姚下段存在一定规模的原生灰色砂体。

3 成因分析

通过上述对姚下段灰色砂体宏、微观特征分析，显示存在原生和后生两种成因，不同地段主控因素有所不同，其复杂的成因形成了本区灰色砂体特有的空间展布特征。

表1 松辽盆地南部姚下段岩石地球化学分析对比表

图4 钱家店凹陷北部ZK9-6孔～ZK 29-24孔剖面图Fig.4 Section of ZK9-6 ～ ZK 29-24 holes in the north of Qianjiadian fault depression area1.第四系；2.上新统泰康组；3.上白垩统四方台组；4.上白垩统嫩江组；5.上白垩统姚家组上段；6.上白垩统姚家组下段；7.下白垩统阜新组；8.上侏罗统义县组；9.石炭—二叠系；10.泥岩；11.砂岩；12.砂质砾岩；13.介形虫、叶肢介化石；14.褐铁矿化；15.高岭土化；16.层间氧化带；17.工业铀矿体；18.铀矿化体；19.钻孔位置及编号；20.伽玛测井曲线

图5 岩石宏观特征Fig.5 Macroscopic characteristics of rocksA. 灰色含泥细砂岩(见黑色炭屑)；B. 暗褐色含油中砂岩；C. 砂岩中后生还原现象；D. 泥岩表面后生还原现象；E. 浅灰色中砂岩(高岭土化)；F. 碳酸盐化(脉状方解石)

姚家组沉积早期虽以干旱的古气候条件为主(吴仁贵等，2012)(1)蔡建芳，宫文杰，宁君，等.2012.内蒙古通辽市宝龙山地区地浸砂岩型铀矿普查[R].赤峰：核工业二四三大队：111-165.，但在沉积过程中不排除存在某一时期气候交替，形成温暖潮湿的古气候环境，从而有利于原生还原沉积作用，印证了本区灰色砂体中存在大量黑色炭屑等有机质，也有力解释了灰色砂体与氧化砂体垂向上的分层性和相对固定性。既然存在温暖潮湿的古气候环境，那么所形成的还原沉积特征理应具有区域性和广泛性，然而越靠近盆地南缘(如哲中凹陷)目前却尚未发现一定规模的灰色砂体，仅在个别钻孔中发现薄层状灰色残余，这一现象主要由于后生氧化作用由南向北发育所致，强裂的后生氧化作用导致了原生灰色砂体难以保存，也恰恰侧面反映了灰色砂体具有远离补给区分布的特点。

灰色砂体后生蚀变的种种迹象显示，一部分灰色砂体与构造关系密切。由于晚白垩世嫩江末期构造活动频繁，深部断陷发育区富含的还原流体容易沿构造薄弱部位上升并扩散到姚下段渗透性良好的辫状河相砂体中，从而发生一定规模的后生还原改造作用，印证了钻孔中灰色砂体存在多处油斑浸染现象，解释了平面上灰色砂体较集中分布于断陷区，且越靠近构造天窗等构造薄弱部位灰色砂体增厚现象越明显，也解释了垂向上部分钻孔灰色砂体的多层性，甚至泥岩中存在被还原的现象；另外，构造引起的热液作用一方面改变了地下含铀含氧水局部流向，影响了灰色砂体厚度的局部变化，另一方致使灰色砂体低温热液蚀变从而影响铀成矿作用。

图6 岩石镜下特征Fig.6 Microscopic features of rocksA.碎屑岩中充填暗褐色油气；B. 荧光下见大量淡黄褐色油斑；C.铀石(U)围绕莓状黄铁矿(Py)生长，两者又被铁白云石(Fe-Do)胶结，其附近分布大量炭质条带；D.团块状聚集的铀石(U)与莓状黄铁矿(Py)共生，并被方解石(Cc)胶结

4 灰色砂体与铀成矿关系

水成铀矿的机理是U6+遇到还原障变成U4+沉淀富集成矿，因此灰色砂体作为赋矿场所自然与铀成矿关系密切。研究区铀矿化主要集中分布于钱家店断陷区北部，大致处于奈曼-余粮堡-海力锦主氧化带前锋线东侧附近灰色砂体薄厚适中部位，一般在灰色砂体厚度10～30 m区间范围，而在主氧化带西侧(如在哲中凹陷附近)由于赋矿的灰色砂体难以保存目前尚未发现一定规模的矿化信息；垂向上铀矿化具有多层性，但主要分布于上、下主氧化带之间的灰色砂体中，且在氧化-还原界面附近矿化富集较集中，其品位和厚度较大，容易形成工业铀矿化，其赋矿岩性为灰色中、细砂岩，总体粒度偏细。

在不考虑其它控矿因素，就灰色砂体作为容矿砂体本身而言，其所赋存铀的含量高低取决于灰色砂体的规模、粒度、还原剂及铀背景值，但由于构造作用使得部分砂体后生蚀变较复杂，其高岭土化、碳酸盐化、黄铁矿化及绢云母化等很可能与铀存在共(伴)生关系，从而增加了灰色砂体对成矿作用的复杂性。

5 结论及建议

松辽盆地南部姚下段灰色砂体具有远离南部补给区分布的特点，大致分布于NE向主氧化带两侧，尤其在主氧化带东侧靠近钱家店断陷层序发育部位厚度较大。垂向上主要产于姚下段上、下氧化带之间，相对固定呈似层状产出，厚度5～55 m。

灰色砂体成因较复杂，其空间展布与断陷发育区、构造排泄带、热液异常区、后生氧化发育前端、原生沉积低洼区以及相带发育的长轴方向等关系密切。不同地段灰色砂体成因有所不同，在靠近地下水补给区(如哲中凹陷)应侧重寻找后生原还改造成因的灰色砂体，而在沉积水系长轴方向(如钱家店凹陷)寻找灰色砂体应综合考虑原生与后生成因的主次关系，合理建立灰色砂体的空间格架。

就灰色砂体本身而言，其所赋存铀的含量高低取决于灰色砂体的规模、粒度、还原剂及铀背景值等，并在后生氧化作用下使得本区铀矿化主要分布于主氧化带前锋线东侧灰色砂体薄厚适中部位(10～30 m)，而构造等作用所形成的高岭土化、碳酸盐化、黄铁矿化及绢云母化等蚀变因素又与铀成矿关系密切，从而增加了本区成矿作用的复杂性。