松辽盆地东北部铀矿含矿目的层泉头组物质来源及其构造背景分析——来自岩石学和地球化学的证据

李 研，聂逢君，严兆彬

(1.东华理工大学地球科学学院，南昌 330013；2.核工业240研究所，沈阳 110000)

松辽盆地是一个中新生代的陆相盆地，其中煤炭、石油、天然气资源极其丰富，随着研究不断深入，铀矿找矿工作也取得较好进展，综合研究认为松辽盆地具有较好的成矿条件，是中国北方砂岩型铀成矿带陆相盆地的重要组成部分[1-2]。目前盆地南部已经发现2处中型矿床(钱家店矿床、白兴吐矿床)，其成矿特征、成矿规律、成矿条件、沉积控矿等已有较多的深入研究[3-5]。相比松辽南部找矿的重大突破，盆地北部也已进入铀矿勘查阶段，特别是与南部地质特征相似的研究区内，工作程度明显偏低，前人对松辽盆地东北部的研究工作主要集中在水动力条件、构造特征等方面，而用岩相学和地球化学方法来阐明物源成分与构造背景特征的研究却鲜有报告，尤其是针对含矿目的层泉头组碎屑岩的物源特征、地球化学特征及风化作用的研究几乎空白。鉴于此，对松辽盆地东北部铁力一带泉头组砂岩进行了系统的层序地层的划分对比工作，并对泉头组的砂岩进行统密集取样，进行详细的岩石学及地球化学研究工作，以期深化理解其沉积模式与沉积环境，进而为评价和寻找可地浸砂岩型铀矿提供理论基础。

1 区域地质背景

松辽盆地地处中亚矿集区，具有漫长且复杂的演化历史，是规模较大的陆相含油盆地[6]，一直以来都是中外学者研究的重点地区，呈NNE向展布，形态似菱形，其东部为张广才岭，西部为大兴安岭，北与小兴安岭相邻，南接康法丘陵地带，基于区域隆起和坳陷发育特征，松辽盆地可划分为东北隆起区、东南隆起区、北部倾末区、西部斜坡区、中央坳陷区和西南隆起区6个一级构造单元，面积约12×104km2(图1)，构造演化主要分为4个阶段，分别为热隆张热期(前裂谷期)、伸展断陷期(裂谷期)、沉降凹陷期(后裂谷期)和反转构造期(抬升萎缩期)，垂向上具有“下断上坳”的双层结构[7-9]，依次可划分为3个构造层，分别为断陷构造层(由下白垩统火石岭组、沙河子组和营城组组成)、凹陷构造层(由下白垩统登娄库组、泉头组、和上白垩统青山口组、姚家组和嫩江组1～2段组成)、反转构造层(由嫩江组3～5段、四方台组、明水组及新生界地层组成)，在构造活动强烈处抬升隆起幅度较大，导致地层受到强烈剥蚀，基性岩脉及花岗岩直接出露地表，形成多个剥蚀天窗(图2)，与松辽南部地质特征较为相似，天窗的产出既可以做为白垩统含水层地下水的补给区，也可以作为白垩统含水层地下水的排泄区，对铀成矿极其有利[10-11]。

图1 松辽盆地北部构造单元划分图Fig.1 Map of structure unit in the north of Songliao Basin

图2 松辽盆地北部北东向剖面解释示意图Fig.2 Schematic diagram of section interpretation to the northeast of Songliao Basin

研究区位于盆地东北部，距蚀源区很近，是隆起区、褶皱带、阶地的过渡部位，构造环境较为复杂，基底岩性主要由中深变质岩、浅变质岩和同期花岗岩组成，上覆盖层为上白垩统登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组和嫩江组及中新生代沉积地层，由于反转构造影响，普遍缺失明水组和四方台组地层，其中泉头组是最主要的找矿目的层之一，沉积体系主要为辫状河相，与松辽南部赋矿目的层沉积体系较为相似[10-11]，在野外调查与钻井施工过程中可发现泉头组氧化砂以中粗砂岩为主(图3)，局部泥岩氧化作用较为明显，与铀伴生的矿物主要为黄铁矿和有机质，黄铁矿呈星点状产出，并多出现在石英及长石颗粒周围，有机质多为炭屑。

图3 松辽盆地东北部泉头组钻井及野外露头特征Fig.3 Drilling and outcrop characteristics of Quantou Formation in northeast Songliao Basin

2 样品采集与分析方法

在找矿目的层泉头组共采集样品10个，岩性以灰色中砂岩、黄色细砂岩、黄色中砂岩为主，样品分析测试由核工业240研究所实验室完成，常量元素采用X衍射荧光光(XRF)分析，FeO采用氢氟酸、硫酸溶样、重铬酸钾滴定容量法，分析精度优于2%。微量、稀土元素采用美国XseriesII电感等离子体质谱仪(ICP-MS)进行测定，分析精度优于5%。样品分析及测试结果如表1所示。

表1 泉头组碎屑岩地球化学分析结果Table 1 Geochemical analysis results of clastic rocks in Quantou Formation

3 岩石学特征

通过对泉头组镜下鉴定表明，该地区泉头组碎屑成分主要以石英、长石、岩屑为主，石英含量为30%～35%，长石含量为25%～30%，岩屑含量为35%～40%，云母及重矿物含量为1%～2%，把碎屑物成分及含量换算为3个端元的百分比，然后将数据投到砂岩分类图解中(Q-F-R)，发现泉头组砂岩样品全部落入到长石岩屑砂岩区域内(图4)。

Q为石英;F 为长石;R 为岩屑;Ⅰ为石英砂岩;Ⅱ为长石石英砂岩;Ⅲ为岩屑石英砂岩;Ⅳ为长石砂岩;Ⅴ为岩屑长石砂岩;Ⅵ为长石岩屑砂岩;Ⅶ为岩屑砂岩图4 泉头组砂岩分类图解Fig.4 Sandstone classification diagram of the Quantou Formation

该地区泉头组砂岩中石英以单颗粒石英为主，偶见多晶石英，单颗粒石英主要呈次棱角状，少量呈次圆状，整体磨圆度较差，表明较为干净，未见波状消光，部分颗粒见溶蚀结构[图5(a)、图5(b)]，推测物源可能来自火山岩区，薄片中局部可见碳酸盐矿物，栉壳结构明显[图5(c)]。

岩屑通常为母岩岩石的碎块组成，是了解母岩的岩石结构和特征的重要依据，也是提供沉积物源区岩石类型的重要记录。研究区内泉头组碎屑岩岩屑主要为长英质火山岩岩屑[图5(a)]、火山碎屑岩岩屑和变质岩岩屑，且前者大于后者，局部还偶见花岗岩岩屑及流纹岩岩屑。火山碎屑岩岩屑主要呈玻屑砂状结构，多由<2 mm火山碎屑物胶结而成(凝灰岩)。变质岩岩屑多为石英颗粒，普遍为多晶石英，以明显的波状消光为典型特征，边缘呈不规则齿状，部分呈定向分布且被拉长，推测为成岩后期构造挤压作用所形成。花岗岩岩屑主要由它形多晶石英组成，颗粒普遍>2 mm，碎屑颗粒可见长石嵌入至石英中，部分花岗岩岩屑受到挤压作用呈波状消光，与变质石英岩最明显的区别在于不呈定向构造排列，推断其物质可能是来自侵入岩区、变质岩区，且成岩之后受到构造活动影响明显。

研究区泉头组砂岩长石的含量普遍小于石英含量，这是由于长石抗风化能力较弱所致。长石碎屑中以斜长石和钾长石为主，斜长石聚片双晶明显，双晶宽度较窄且较为密集，表明为中酸性斜长石，钾长石则主要为微斜长石，见格子状双晶和纺锤状晶形。石英多呈棱角-次棱角状，磨圆度较差，单晶石英表面干净，偶见多晶石英)，长石表面见黏土化和绢云母化[图5(a)、图5(c)]。

在镜下仍可见一些黏土类矿物和云母类矿物，含量较少，云母类矿物主要为黑云母和白云母，呈片状或者板状分布在碎屑颗粒接触部位及裂隙中，绿泥石化较为明显；黏土矿物主要为高岭石、伊利石、蒙脱石，云母类等；胶结物以泥质多见，少数样品局部见泥晶方解石胶结，偶见亮晶方解石，多见伊利石围绕碎屑颗粒生长[图5(d)]；重矿物含量较少，粒径整体较小，多为锆石、磷灰石、电气石、榍石和黄铁矿，但是整体较为混乱，没有明显规律，反映出近物源沉积的特点。

Q为石英；Lv为火山岩岩屑；Pth为条纹长石；Cb为碳酸盐；Kfs为钾长石；Ill为伊利石；Ser为绢云母图5 泉头组砂岩镜下显微特征Fig.5 Microscopic characteristics of Quantou Formation sandstone under microscope

4 讨论

4.1 物源分析

对于碎屑岩中的稳定元素(如Th、Zr、Sc等)、微量元素、稀土元素均可以用来反映物源特征及形成的构造背景[12-14]，Alexander等[15]认为稀土元素含量的分级程度与物源关系密切，例如来自铁镁质岩石的沉积物的分级较少，且REE要低于来自中长英质物源的岩石。

研究区内泉头组碎屑岩稀土元素总量不高[图6(a)]，稀土总量∑REE=84.85×10-6～140.12×10-6，轻稀土元素(LREE)相对富集，重稀土元素(HREE)相对亏损，轻、重稀土比值为10.95～14.24。稀土元素球粒陨石标准化配分图显示，所有砂岩样品变化趋势相同，即轻稀土富集的右倾型特征，指示为壳源成因，轻稀土元素的分馏系数(La/Sm)N为3.57～4.12，重稀土元素的分馏系数(Gd/Yb)N为2.13～2.67，轻稀土分馏趋势高于重稀土，中等负铕异常(δEu=0.57～0.96)，微量元素初始地幔标准化图显示，研究区泉头组砂岩富集大离子亲石元素LILE、Th、U、K等；微量元素以富集LREE、Rb、Th、K，强烈亏损Sr、P、Ti、相对亏损Nb、Ta为特征[图6(b)]，Nb、Ta的相对亏损说明沉积物源来源于上地壳[16-17]，且在La/Th-Hf图解中所有样品全部落入长英质源区，综合以上研究认为松辽盆地东北部找矿目的层泉头组碎屑岩主要来源于上地壳的长英质岩石。

图6 松辽盆地东北部泉头组稀土元素配分模式图和微量元素蛛网图(球粒陨石和原始地幔计算方法据文献[15])Fig.6 Chondrite-normalized REE distribution pattern and primitive mantle-normalized spidergram of the Quantou Formation in the northeast of Songliao Basin(meteorites and the original mantle calculation method according to ref.[15])

4.2 构造背景分析

沉积岩化学成分变化的关键因素之一便是物源区构造背景，一般来说，不同构造环境下形成的碎屑岩地球化学特征也不相同，并且可以反演出其特定的地形特征[13-14]，一些微量元素(Sc、Th、Hf等)和REE在碎屑沉积物搬运过程中并不发生移动，各元素的比值La/Sc、Ti/Zr、La/Th等可以有效反映物源区的构造背景，因此，这些元素或比值通常用于古构造活动研究[18]。

分析测试中，泉头组砂岩La/Sc为4.12～5.74，明显高于大洋岛弧(<1)和大陆岛弧环境下(1～3)的砂岩比值，位于活动大陆边缘砂岩区范围内(3～6)，Th/Sc为0.78～1.97，Cr/Th为2.31～3.87，且在La-Th-Sc、SiO2-K2O/Na2O、La/Sc-Ti/Zr构造判别图解上均落入活动大陆边缘范围内(图7)，表明目的层泉头组砂岩形成于活动大陆边缘环境。

结合岩石学及地球化学特征可知，找矿目的层泉头组砂岩风化较强，具有近源沉积的特征，主要来源于与松辽盆地紧密相邻的兴安岭及张广才岭地区，岩性主要为海西期和燕山期的花岗质岩石及一系列中酸性、中基性火山岩。前人经过大量研究认为海西期花岗岩的形成环境可能与板块俯冲有关，形成活动大陆边缘环境[19]；而燕山期火成岩形成构的造背景亦与活动大陆边缘环境较为密切，形成于环太平洋板块向欧亚大陆俯冲的构造环境[20-21]，均形成于活动大陆边缘环境，这与找矿目的层泉头组碎屑岩的稀土、微量元素地球化学特征较为一致，表明白垩系沉积物源很可能是来源于活动大陆边缘环境下形成的岩石。

A为大洋岛弧；B为大陆岛弧；C为活动大陆边缘；D为被动边缘；ACM表示活动大陆边缘；PM表示被动大陆边缘；CIA表示大陆岛弧；OIA表示大洋岛弧图7 目的层泉头组碎屑岩构造判别图解Fig.7 The tectonic environment discrimination diagram of the clastic rocks of the stratum Quantou Formation

5 结论

松辽盆地东北部找矿目的层泉头组岩石类型主要为长石岩屑砂岩，其成分成熟度和结构成熟度均较低，具有近源沉积特点。

泉头组碎屑岩地球化学特征显示其物源主要来源于上地壳长英质岩石。

通过稀土、微量元素判别图解表明，泉头组砂岩形成的背景主要为活动大陆边缘环境，其物源最可能来源于与盆地紧密相连的兴安岭和张广才岭地区的岩石。