东胜深部直罗组沉积环境与砂岩型铀矿发育

宋洪柱，左明星，江 涛，刘 娟

(中国煤炭地质总局第一勘探局，河北邯郸 056004)

1 地质概况

1.1 研究区位置

鄂尔多斯盆地是我国仅次于塔里木盆地的大型沉积盆地，面积约25×104km2。鄂尔多斯盆地主要为太古宙、古元古代的变质岩基底，是一个相对独立的大型内陆拗陷盆地。盆地南缘紧邻渭河断陷，南界大致位于渭河河谷一线；北缘紧邻河套断陷，北界大致在乌拉山-大青山一线；东界应在大同-义马一线以东；西界位于贺兰山西麓-青铜峡-固原一线[1]。本次研究的范围位于鄂尔多斯盆地北部东胜市西部，属于东胜深部勘查区，主要位于乌审旗-杭锦旗-鄂托克旗-伊金霍洛旗一带(图1)。

图1 研究区位置图Figure 1 Study area location

1.2 构造特征

鄂尔多斯盆地北部直罗组沉积于构造较稳定的拗陷期；安定组之后的晚侏罗世(J3)，结束了盆地的沉降历史，盆地挤压隆起，为并较长时间处于剥蚀阶段，造成了地层的倾斜，沉积主体表现为自北而南的缓倾[2]。

早白垩世，鄂尔多斯盆地由克拉通盆地转为伸展断陷盆地，盆内构造作用表现为断块活动。盆地的断块活动直接制约了盆地的沉积响应和层序特征，正是由于不同断块的差异活动，形成了鄂尔多斯盆地北部早白垩世盆地演化存在两期不同的动力学背景[3]：

①早白垩世早期。盆地东部隆起，地层西倾，表现为东部断块北东向及近南北向构造的作用。

②早白垩世晚期。盆地北部及西部隆起，北部边缘地层东倾，西部边缘地层南倾，盆地西缘明显向东推进。表现为西部断块南北向及北部断块东西向的构造作用。

1.3 地层发育

直罗组上段是在干旱、半干旱古气候环境下沉积而成，岩性以紫红色、棕红色、绛紫色为主。属高弯度曲流河沉积体系，洪泛平原相沉积发育，岩性组合为砂泥互层频繁出现，曲流河沉积的二元结构特征明显；直罗组下段是在潮湿、半潮湿的古气候环境下沉积而形成，砂体以辫状河、曲流河相沉积为主，形成了以砂岩为主的粗碎屑岩建造。根据直罗组下段沉积过程中不同阶段的沉积特点及其岩性结构，可分为上亚段和下亚段。

上亚段为低弯度曲流河沉积体系，砂体呈条带状，岩相变化大，分布较局限，同样具有洪泛平原沉积发育、二元结构明显、砂泥互层频繁出现等特点，局部有铀矿化显示，是找矿的次要目的层位；下亚段为潮湿环境下的砂质辫状河沉积体系，表现为砂体多出现在深切谷的位置，具有填平补齐的沉积特征。在垂向上由多个从粗砂到细砂(或粉砂岩、泥岩) 的正韵律层叠置而成，呈泛连通的网络状，是区内主要的铀矿化层。

2 直罗组沉积环境特征

2.1 沉积环境标志

在前人研究成果和直罗组划分的基础上，本研究有针对性地对直罗组下段开展沉积相研究。根据岩性及岩性组合、粒度分布特征、砂体厚度及平面展布等研究[4]，认为研究区直罗组主要以河流沉积为主，直罗组下段主要为辫状河沉积，偶有曲流河沉积，上段主要为曲流河沉积，也可见到辫状河沉积。

2.1.1 辫状河相

研究区直罗组主要发育砾质辫状河亚相、砂质辫状河亚相。

砾质辫状河亚相(图2)主要分布在研究区东北部地区。垂向沉积组合主要由底部滞留沉积、心滩沉积组成。底部滞留沉积主要为砾岩、粗砂岩及中粗砂岩。砾径多为2～5cm，大者可超过5cm，分选性一般，测井曲线呈箱形。砾岩具有北厚南薄的特点，厚度在几十厘米到上百米不等，这些特征反映该地区距物源相对较近。心滩沉积主要为粗砂岩和中粗砂岩，砂体厚度大，沉积构造以大型槽状交错层理和板状交错层理为主。

砾质辫状河亚相 砂质辫状河亚相 曲流河相 图2 东胜深部直罗组沉积相特征Figure 2 Zhiluo Formation sedimentary facies features in deep part Dongsheng coalfield

砂质辫状河流亚相(图2、图3)主要研究区广泛分布。河道充填垂向沉积组合主要有河床滞留沉积和心滩及边滩沉积。其中河床滞溜沉积为块状复成分砾岩、砂砾岩。砾石主要由石英质岩组成，少量为花岗质和变质砾岩，磨圆及分选性均较好，测井曲线呈钟形。心滩和边滩沉积以纵向砂坝和横向砂坝为主，岩性主要为中砂岩、中粗砂岩和中细粒砂岩。沉积构造发育有大型槽状交错层理和板状交错层理。测井曲线表现为较大幅度的箱形或钟形，顶、底界面一般为突变型，也有底部突变型和顶部渐变型。

图3 东胜深部直罗组辫状河沉积序列Figure 3 Zhiluo Formation braided river sedimentary successions in deep part Dongsheng coalfield

2.1.2 曲流河相

曲流河相(图2，图4)在研究区分布也较广，垂向沉积组合主要由底部滞留沉积、边滩沉积和决口扇沉积组成，二元结构明显。河道底部的滞留沉积以粗砂岩和含砾粗砂岩为主，中、细粒砂岩较少。沉积构造以中小型槽状交错层理为主。边滩沉积主要以中砂岩、中粗砂岩及细砂岩为主。砂体下部具大型槽状或板状交错层理，中上部为小型槽状交错层理，顶部有时出现水平层理，具典型的正韵律结构。测井曲线的外形呈圣诞树形或钟形。决口扇沉积以细砂岩、粉砂岩为主，在决口水道底部可见薄层中、粗砂岩，沉积构造主要为小型交错层理，局部发育中型交错层理。

图4 东胜深部直罗组曲流河沉积序列Figure 4 Zhiluo Formation meandering river sedimentary successions in deep part Dongsheng coalfield

2.2 单井、连井沉积相

东胜深部地区直罗组主要发育辫状河沉积和曲流河沉积，在不同的地区，沉积相发育类型不同，在垂向沉积序列上也表现为特征各异，主要存在三种类型[5]。

①以辫状河沉积为主的序列。以辫状河沉积为主的地区主要分布在西北部杭锦旗以西的地区和东南部乌审旗地区，其他地区有有分布。该地区地层主要为中砂岩、粗砂岩、细砂岩、含砾砂岩为主，交错层理等。自然伽马测井曲线呈箱形。细粒沉积主要为粉砂岩、砂质泥岩等，主要为块状层理。垂向沉积序列的二元结构部清楚，细粒沉积段发育较差(图5)。

②辫状河和曲流河沉积为主的序列。在研究区分布也较为广泛，一般下亚段发育辫状河沉积为主，上亚段和上段沉积曲流河为主，但局部也可见辫状河沉积。主要是中砂岩、粗砂岩、细砂岩、含砾砂岩为主，自然伽马测井曲线呈箱形。曲流河道砂岩主要为细砂岩，可见交错层理、平行层理等。自然伽马测井曲线呈松塔形。

③河道间或泛滥平原沉积为主的序列。在研究区东南部、西南部、中东部等地区分布，局部发育河道砂体，主要为河道间或泛滥平原沉积。主要为细粒沉积，主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩、粉砂岩等，岩石主要由泥质成分组成泥质结构，块状结构或水平层理，自然伽马测井曲线呈锯齿状。

从研究区中部EW向沉积剖面来看(图6)，直罗组沉积相在横向上的变化特征为：西部地层最厚，东部次之，中东部最薄，呈现东西凹中间隆的特征；西部砂岩发育最多，厚度最大，占地层总厚度比例最高，向中东部地层变薄地区砂岩变薄，同样东部地区砂岩含量中等，向中东部地层变薄地区砂岩变薄。西部地区，下亚段早期发育曲流河，之后一直到上段早期，均发育辫状河，上段晚期发育曲流河； 自西向东，辫状河发育逐渐变弱。中东部地区很少发育河道砂体,主要为河道间和泛滥平原沉积。东部地区砂体较西部少，主要为细砂岩，二元结构清楚，主要为辫状河沉积。

图5 东胜深部直罗组柱状图Figure 5 Deep part Dongsheng coalfield Zhiluo Formation column

图6 东胜深部直罗组沉积相断面图(E-W)Figure 6 Deep part Dongsheng coalfield EW sedimentary facies section

2.3 沉积相展布

在整理和总结前人研究成果的基础上[6-8]，结合野外露头考察，进行了沉积相分析，以直罗组下段砂体厚度、砂岩/泥岩比值分布情况为基础，遵照瓦尔特相变规律，采用单因素分析和多因素综合作图法[9]，研究得出鄂尔多斯盆地东北部直罗组下段的沉积相平面分布特征。

研究区直罗组厚度在7.79～ 101.72m，平均56m。整体表现为西部、西南部厚最，东南部次之，北部和南部薄，地层厚度较大的地区大致呈NW-SE向展布；砂岩厚度在4.76～59.23m，砂岩较厚的地区整体呈NW-SE向展布，大致反映了古河道的位置；砂泥岩比值一般在1以内，个别地方砂泥比值较高。在古河道的位置，这些砂泥比值较高，大致呈NW-SE向展布，在东北部、中北部、中西部和东南部河道间和泛滥平原沉积的位置砂泥比值较低。

在综合分析研究区直罗组下段厚度与分布、砂岩厚度与分布、砂泥岩比值分布等因素的基础上，恢复出直罗组下段上亚段和下亚段沉积期的沉积相分布[10]。河流自NW流向SE，河道间为泛滥平原沉积。下亚段时期河流主要以辫状河为主，河道分布大致呈倾斜的“H”行分布，河道内有心滩发育(图7)。上亚段时期辫状河和曲流河均有发育，由于资料点的密度和不同河流环境的垂向演化，难以进一步区分。主要有三条NW-SE向河流，河道之间又相互连通(图8)。

图7 东胜深部14-10孔直罗组砂岩铀GR异常柱状图Figure 7 Deep part Dongsheng coalfield borehole No.14-10 Zhiluo Formation sandstone-type uranium gamma ray anomaly columns

图8东胜深部14-10孔直罗组砂岩铀GR异常柱状图

图8 东胜深部n1-2孔直罗组砂岩铀GR异常柱状图Figure 8 Deep part Dongsheng coalfield borehole N1-2 Zhiluo Formation sandstone-type uranium gamma ray anomaly columns

3 沉积环境与砂岩型铀矿发育

3.1 砂岩铀矿识别方法

东胜砂岩型铀矿具有一定的独特性，根据鄂尔多斯盆地东北部东胜地区铀成矿控矿规律，可以从如下几方面砂岩型铀矿进行的识别。

①有利成矿砂体。位于氧化还原分带附近的河流相、三角洲分流河道等具有一定规模，含泥量少，渗透性、连通性和成层性好的砂体[11]。

②氧化还原分带。砂岩型铀矿区主要出现在氧化还原过渡带与还原带的分界处，少数发育在过渡带或还原带内[12]。

③灰绿色砂岩指导找矿。东胜地区砂岩型铀矿床不同于一般层间氧化带砂岩型铀矿，在该矿床目标层中出现了具有独特的特征的灰绿色砂岩。灰绿色砂岩总体分布于东胜地区的北部和东北部，对找矿具有重要指导意义[13]。

④自然伽马测井的高异常。砂岩含铀量较高时，常表现出自然伽马值较高，这是识别研究区砂岩型铀矿存在的最直接的方法和手段。将研究区砂岩的自然伽马值大于1.5 pA/kg的层段视为铀异常点，在研究区50余个钻孔中共识别出直罗组砂岩铀异常钻孔15个，铀异常层位点25个，铀异常层位在直罗组下段的下亚段和上亚段均有分布。

通过钻孔对比发现，研究区北部杭锦旗地区砂岩异常集中分布区的铀异常主要发育在上亚段，垂向上异常层位有三个，中间的层位分布较广，上下部异常层位分布局限。南西部铀异常集中分布区铀异常层位在下亚段和上亚段均有发育，垂向上每个亚段均存在两个铀异常层位，下亚段底部的铀异常层位较稳定，下亚段上部的铀异常层位分布较局限；上亚段的两个铀异常层位均不稳定。

3.2 沉积环境与铀矿发育

在研究区50余个钻孔中共识别出直罗组砂岩铀异常钻孔15个，铀异常层位点25个，铀异常层位在直罗组下段的下亚段和上亚段均有分布。东胜深部直罗组下亚段砂岩铀异常分布范围较少，主要分布在研究区西南部(16-1孔、3-1孔、3-2孔、3-3孔、3-4孔、3-6孔、14-1孔)和中部(9-2孔)；上亚段砂岩铀异常分布范围较多，主要分布在研究区西南部(13-1孔、14-1孔、3-1孔、3-2孔、3-3孔、3-4孔、3-5孔、14-1孔)、东南部(by5-1孔)和北部(4-2孔、1-7孔、1-8孔、N1-2孔)(图9、图10)。

图9 东胜深部直罗组下亚段砂岩铀异常分布 与沉积相带展布图Figure 9 Deep part Dongsheng coalfield Zhiluo Formation lower submember uranium anomalies distribution and sedimentary facies extension diagram

本区底河道型砂岩铀矿化产出层位为温湿气候条件下的直罗组下段辫状沉积砂体，而与晚期干旱炎热气候条件下的高弯度曲流沉积砂体无关。

东胜深部直罗组早期(下亚段)辫状沉积形成的一套灰色沉积建造，多局限在辫状深切谷发育部位，沉积碎屑颗粒较粗，以粗砂至中粗砂为主，富含有机质和还原物质。该辫状沉积砂体在东胜南部出现砂体粒度的明显变细和洪泛沉积，沉积相组合由原来的河道沉积、心滩沉积组合过渡为河道沉积、边滩沉积和洪泛沉积组合，即河流沉积由辫状沉积总体上向曲流沉积演变，在这种过渡相带部位，沉积物成分上更富含还原组分，成为铀成矿的最理想地段。从砂岩自然伽马异常分布来看，铀异常砂岩主要分布在研究区西南部河道砂体中(图9)，中部的铀异常点分布在河道间的泛滥平原内。

直罗组中期(上亚段)主要发育辫状河和曲流河沉积，沉积碎屑颗粒变细，其中砂以中粗砂至中细砂为主，与粉细砂或泥频繁互层产出，见多层河沼相薄煤层，河道砂体基本上呈“准板状”出现，曲流河沉积具有典型的“二元结构”；河道沉积砂体常与下段的辫状沉积砂体交叠在一起形成多个“叠置式砂体”而导致砂体的突然增厚并与下部砂体贯通。由于资料点的密度问题，本研究没有进一步细分曲流河与辫状河沉积，而是统一划分为河道沉积和泛滥平原沉积(图10)。从砂岩自然伽马异常分布来看，铀异常砂岩主要分布在研究区北部、西南部、东部河道砂体的边部，北部的铀异常点和西部的铀异常点分布在河道间的泛滥平原内，精细分析发现这两个异常点出现在小规模的河道砂体中。

图10 东胜深部直罗组上亚段砂岩铀异常分布 与沉积相带展布图Figure 10 Deep part Dongsheng coalfield Zhiluo Formation upper submember uranium anomalies distribution and sedimentary facies extension diagram

直罗组下段铀异常的河道砂体厚度变化较大，下亚段砂体厚度在11.2～62.5m，平均42.9m，铀异常砂岩厚度在35～65m；上亚段砂体厚度在7.0 ～49.6m，平均29.0m，铀异常砂岩厚度大都分布在20～35m，表明该厚度区间是直罗组下段有利于砂岩铀异常发育的厚度区间(表1)。

直罗组晚期(上段)为曲流河沉积阶段，该岩性段广布于东胜地区，与早、中期沉积的区别在于气候环境发生了明显的改变，由原来的温暖潮湿转向干旱炎热[14-15]。沉积碎屑中砂以中粗砂至中细砂为主，与红色泥及薄层粉细砂组合交互产出，局部能见灰黑色的河沼泥，见较多钙化木，河道沉积组合与非河道沉积组合分异明显，具曲流河沉积典型的“二元结构”。

表1 东胜深部直罗组铀异常砂岩厚度表Table 1 Deep part Dongsheng coalfield Zhiluo Formation uranium anomaly sandstone thicknesses

4 小结

①研究区直罗组发育的辫状河相和曲流河相，早期主要发育辫状河沉积，中期发育辫状河和低弯度曲流河，晚期主要发育曲流河。从辫状河沉积逐渐过渡为曲流河沉积。

②砂岩含铀量较高时，常表现出自然伽马值较高，这是识别研究区砂岩型铀矿存在的最直接的方法，将研究区砂岩的自然伽马值大于1.5 pA/Kg的层段视为铀异常点，直罗组下亚段铀异常主要发育在辫状河心滩和河道砂体的过渡位置，直罗组上亚段铀异常主要发育在河道砂体的外缘。

③下亚段砂岩铀异常主要分布在西南部河道砂体的外侧，中部的铀异常点分布在河道间的泛滥平原内；上亚段砂岩铀异常主要分布在北部、西南部、东部河道砂体的边部，北部的铀异常点和西部的铀异常点也出现在小规模的河道砂体中。