鄂尔多斯盆地北部延安组沉积学特征与成矿潜力分析

张雪映,剡鹏兵,王贵

(核工业二〇八大队,内蒙古 包头 014010)

鄂尔多斯盆地是我国重要的能源盆地,也是重要的砂岩型铀矿赋存盆地,近年来,发现许多特大型、超大型铀矿床[1--2],中侏罗统直罗组是其主要赋铀层位[3]。随着研究及勘查工作的不断深入,新的赋铀层位中侏罗统延安组越发得到重视。延安组的铀矿勘查和研究工作在2000年以后陆续开展,通过前人的工作,初步查明了延安组地层结构,并发现一定的铀矿化线索[4--8],但对延安组的沉积学研究,特别是分层标志的建立以及沉积体系的分析方面仍然较为薄弱。本次研究主要目的在于建立延安组分层标志,分析其沉积体系特征,同时结合砂体、氧化带发育特征,综合评价延安组铀成矿潜力,力求为鄂尔多斯盆地北部延安组的铀矿勘查工作提供依据。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地于中生代发育起来,是一个大型内陆坳陷盆地[9--10],太古宇、古元古界变质岩系为其结晶基底,并由中元古界和古生界的寒武系(C-)、奥陶系(O)、上石炭统(C2)、二叠系(P)组成[11--12]。鄂尔多斯盆地北部发育的盖层包括第四系(Q)、新生界的新近系(N)、中生界的三叠系(T)、侏罗系(J)及下白垩统(K1)[13--14]。其中侏罗系(J)地表广泛出露于四道柳川、罕台川、清水川、柳沟一带,包括下侏罗统富县组(J1f)、中侏罗统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、和安定组(J2a),缺失上侏罗统(图1)。

图1 鄂尔多斯盆地北部地质略图Fig.1 Geologic map of the north Ordos Basin

鄂尔多斯盆地北部在中侏罗世—晚白垩世期间,处在构造稳定期,盆地北西高、南东低,环境总体处于温暧潮湿向炎热干旱转变的气候转换期,含氧含铀流体大规模进入直罗组下段辫状河砂体中,并长期稳定运移,使砂体遭受广泛发育的大规模氧化作用,区域性层间氧化带发育形成,随后,直罗组下段河道砂体在多期次后生蚀变作用下逐步被改造,特别是盆地深部含煤及含油气地层生成大量的还原性烃类气体,在断裂构造的导通作用下不断进入直罗组,使氧化带发生大规模的后生还原作用。早期的氧化带中黄色、红色的氧化岩石被改造成现在的特征性的不同色调的绿色岩石,仅在胶结、固结程度较高的部位残留了部分黄色、红色古氧化残留体。经过改造的氧化带虽然颜色和物质成分发生较大变化,但氧化带总体形态得以保留,这一经过改造的氧化带就称之为“古层间氧化带”,古层间氧化带对鄂尔多斯盆地北部铀矿床的产出起到了直接的控制作用。

2 延安组沉积学特征

2.1 地层结构

延安组是鄂尔多斯盆地重要的含煤地层,上覆为主要产铀层位直罗组[4,8]。关键界面、延安组含煤岩系及其内部的主要煤层是划分和对比延安组的重要标志,依据不整合界面、6号煤层、5号煤层、4号煤层、3号煤层、2号煤层,将延安组自下而上划分成Ⅰ～Ⅴ岩段(J2y1～J2y5),即5个成因地层单元[15](图2)。

延安组与延长组之间有较为明显的冲刷面,在延安组底部有底砾岩,可作为识别标志[15],定为延安组与延长组分界的关键界面(图3)。

延安组Ⅰ、Ⅱ岩段的标志层位为6号煤层,界面之上以粗砂岩和砾岩为主,自下向上砾石直径逐渐变小,可见黄铁矿、植物碎屑和镜煤条带,界面之下为6号煤层,表示着一个沉积旋回的结束;Ⅱ、Ⅲ岩段的标志层为5号煤层,界面之上为较为明显的冲刷面,局部发育交错纹层;界面之下为5 号煤层,局部发育少量根土岩;Ⅲ、Ⅳ岩段的标志层为4号煤层,煤层顶部可见植物根,界面以上为中砂岩、细砂岩,可见较多的镜煤条带和黄铁矿,属于另一个沉积环境;Ⅳ、Ⅴ岩段的标志层为3号煤层,界面之下除了发育3号煤层外,还发育细粒沉积物,界面之上为大规模且均一的灰色中砂岩(图2)。

直罗组与其下伏的延安组之间存在着不整合界面[16],由于直罗组底部有规模较大的砂体,所以更多的地方发育区域冲刷面,并在延安组顶部发育有风化壳(图4)。

延安组总厚度为300 m 左右,并且分布稳定,其中Ⅰ成因地层单元厚度为40～120 m,变化幅度较大,Ⅱ成因地层单元厚度较薄。从北西向南东方向,延安组底界面埋深逐渐加大(图5)。

图2 鄂尔多斯盆地东北部侏罗纪地层结构图Fig.2 Stratigraphic column of Jurassic in the northeastern Ordos Basin

2.2 沉积体系

图3 鄂尔多斯盆地北部延安组与延长组的分界面沉积特征Fig.3 Sedimentary feature of the interface between Yan'an Formation and Yanchang Formation

通过研究分析鄂尔多斯盆地北部延安组各岩段砂体厚度、含砂率和煤层厚度等特征,结合砂岩粒度特征、地层测井曲线特征,进行系统的沉积编图,在此基础上,对延安组各岩段的沉积体系进行了重建[17](图6)。

图4 直罗组底部砂体对下伏延安组含煤岩系的冲刷现象及延安组顶白色的风化壳Fig.4 Outcrops showing the erosion and weathering shell between Yan'an Formation and Zhiluo Formation

图5 鄂尔多斯盆地北部延安组北西--南东向地层对比剖面Fig.5 NW-SE stratigraphic profile of Yan'an Formation in the northeastern Ordos Basin

Ⅰ岩段发育一套较大规模的砂体,整体粒度普遍较粗,下部为砾岩与中砂岩互层,中部为粗砂岩与中砂岩互层,向上为泥质粉砂岩,顶部发育较厚的6号煤层,且含有较多的植物碎屑、镜煤条带和黄铁矿滞留沉积物,为总体向上变细的河流层序,初步判断其为河流沉积。Ⅱ岩段由两个体系单元构成,下部与Ⅰ岩段类似,为曲流河沉积;底部为砾岩,向上为中砂岩与粗砂岩互层,偶见细砂岩,上部有粒度较细的连续的砂体与泥岩互层,局部出现倒粒序,初步判断其为三角洲沉积与沼泽沉积,在泛滥平原湖充填部分或三角洲朵体间湾发育5号厚煤层。Ⅲ岩段发育十分完整的三角洲沉积体系,底部为细砂岩,偶见泥质粉砂岩夹层,中部为中砂岩,向上为泥岩及泥质粉砂岩,整体粒度总体比较细,整体上看可分为两个正粒序,一个倒粒序,顶部为较厚的煤层,底部与Ⅱ岩段之间存在较为明显的冲刷面[17]。Ⅳ岩段发育一套三角洲沉积体系,湖湾充填层序,整体为粗砂岩与中砂岩互层,偶见粉砂岩、泥质粉砂岩,局部可见交错层理与黄铁矿,植物碎屑含量较多且发育厚煤层,总体上为正粒序,局部发育两个倒粒序。Ⅴ岩段也发育一套三角洲沉积体系,但总体以细粒沉积物为主,底部为中砂岩,向上为细砂岩与泥质粉砂岩互层,中部见厚层中砂岩,上部以泥岩为主,偶见中砂岩与含砾粗砂岩,并含有大量的植物碎屑,而黄铁矿含量相对较少。总体上为正粒序,局部发育倒粒序。

图6 鄂尔多斯盆地北部延安组典型沉积相柱状图Fig.6 Typical stratigraphic column of sedimentary face for Yan'an Formation in the northern Ordos Basin

2.3 沉积演化

通过典型钻孔成因相分析,结合粒度分析对延安组进行了成因解释,其中Ⅰ岩段和Ⅱ岩段下段为曲流河沉积体系,底部可见含大量滞留沉积物的冲刷面,沉积旋回为正旋回,粒度向上逐渐变细,搬运方式以跳跃和悬浮为主,识别出的成因相包括河道和泥炭沼泽。从Ⅱ岩段上段开始出现倒粒序,沉积物逐渐粒度变细,并发育交错层理,搬运方式仍以悬浮和跳跃为主[18],其中悬浮方式所占的比例增加,表明水动力强度有所减弱。Ⅱ岩段上段到Ⅴ成岩段沉积环境演变为曲流河三角洲,识别出的成因相包括沼泽、分流河道、决口扇、河口坝和分流间湾等。每个成因地层单元顶部均为废弃期发育的泥炭沼泽,形成延安组煤层。

3 延安组成矿潜力分析

3.1 砂体特征

铀储层是砂岩型铀矿的成矿基础[19--20],通过对鄂尔多斯盆地北部延安组砂体厚度特征的统计,发现延安组Ⅰ岩段沉积时期存在几条规模较大的河道砂体,总体呈南北向展布,在大营南部开始合并,发育宽度超过30 km,长度近60 km(图7),钻孔揭遇厚度一般在50～80 m之间,最大厚度可达184 m。Ⅰ岩段砂体厚度大,粒度较粗,河流相互交叉发育,平面上形成泛连通状的河道砂体,构成了有利铀成矿的铀储层[21]。

图7 延安组Ⅰ岩段砂体厚度图Fig.7 The distribution of sand body thickness of Member I of Yan'an Formation

3.2 氧化带特征

氧化带是砂岩型铀矿最直接的控矿因素[22--25],鄂尔多斯盆地北部延安组发育绿色古层间氧化带(图8),其与直罗组古层间氧化带在岩性特征、矿物蚀变特征及环境指标参数特征方面具有很大的相似性[26]。平面上,完全氧化带总体上为自北向南、自北东向南西发育[27](图7),平均宽度约5 km,河道砂体规模大,氧化带发育的距离也随之较远,氧化带延伸距离最远超过10 km;氧化--还原叠置带规模较大,自东向西均有发育,南北向距离平均约5 km,最大处大于10 km。氧化带前锋线呈蛇曲状,近东西向展布,长度近150 km。剖面上,延安组第Ⅰ岩段氧化带为绿色古层间氧化带,受地层倾向、厚度变化及砂体空间展布形态等因素控制[27],氧化--还原叠置带中砂岩多呈“下绿上灰”(图9)。氧化砂体一般为单层产出,绿色古氧化砂岩厚度自北向南、自北东向南西逐渐变薄[12],埋深加大,与地层产状的变化趋势大致相同。局部受河道分叉及砂岩非均质性的影响,氧化方向发生改变,见有多层氧化现象。

图8 延安组氧化带砂岩特征Fig.8 Characteristics of sandstone in oxidation zone of Yan'an Formation

图9 宿亥图地段地质剖面示意图Fig.9 Schematic geologic section in Suhaitu region

3.3 铀矿化特征

通过勘查工作,在延安组Ⅰ岩段发现大规模且集中发育的铀异常,主体埋深550 m 左右,平均品位0.030%～0.014 3%,厚度0.40～6.90 m,含矿岩性为灰色含砾粗砂岩、粗砂岩及砂质砾岩,含矿砂岩中发育大量有机质及黄铁矿(图10),矿化受绿色古层间氧化带控制明显,在灰色砂体与绿色古氧化带砂体界面上发育。通过对研究区早期煤田资料统计,也发现有较好的铀异常显示,累积厚度达10余米。

图10 延安组含矿砂岩特征Fig.10 Characteristics of ore bearing sandstone of Yan'an Formation

总之,延安组Ⅰ岩段铀成矿地质条件与直罗组下段相似,发育河流相砂体,岩性主要为含砾粗砂岩,构成对成矿有利的铀储层。砂体中发育控矿的绿色古层间氧化带,已发现的铀矿化异常产于绿色古层间氧化带上翼。因此,鄂尔多斯盆地北部延安组显示了巨大的铀成矿潜力,Ⅰ岩段作为首要有利找矿层位,值得深入探索,重点突破。

4 结论

依据标志层和关键界面将鄂尔多斯盆地北部延安组划分为5个岩段。通过典型钻孔成因相分析,结合粒度分析对延安组进行了成因解释,得出以下结论:

1)Ⅰ岩段和Ⅱ岩段下段为曲流河沉积体系。

2)Ⅱ岩段上段到Ⅴ岩段从曲流河沉积体系演变为三角洲沉积体系。

3)延安组Ⅰ岩段发育有利成矿的铀储层和控矿的古层间氧化带,成矿潜力巨大。