陆家堡凹陷四方台组砂体非均质性特征与铀成矿关系

2021-10-02宋海瑞柳东良佟术敏邓福理

铀矿地质 2021年5期

宋海瑞，柳东良，佟术敏，邓福理

（核工业二四三大队，内蒙古赤峰 024006）

近几年松辽盆地南部找矿成果显著，随着找矿工作的不断推进，对新地区新层位探索不断加强，发现陆家堡凹陷地区四方台组（K2s）铀源条件、构造演化、沉积环境、后生蚀变及保矿条件良好［1-3］，具备成大矿的良好前景，且核工业相关单位及石油、煤炭等部门先后在四方台组中发现铀工业矿孔，其产于氧化-还原过渡带中，为层间氧化带砂岩型铀矿［4-5］。

砂体非均质性的概念最早是石油地质专家提出来的，其目的在于揭示由于砂体非均质性而导致的油气成藏和油气开发的复杂性［6-10］。松辽盆地南部虽然进行了大量研究工作，但对砂体的非均质性特征研究较少，以往的研究工作基本集中在鄂尔多斯、二连盆地等地区，陆家堡凹陷地区的砂体的非均质性特征研究工作基本未开展。研究区内四方台组发育扇上河道砂体，砂体厚度适中，砂体渗透性、连通性及成层性好，具有泥-砂-泥结构，砂体后生氧化发育，且处于3 组构造夹持区，有利于深部还原流体对目的层后生还原改造，为后期形成一定规模的灰色、灰绿色赋矿砂体提供了条件，这些因素往往与砂体非均质性特征相关联，而砂体的非均质性与铀成矿关系密切。焦养泉等（2005）认为砂体非均质性是铀成矿的关键因素之一［11］。砂体非均质性在一定程度上控制铀矿化的产出，是铀成矿空间定位和预测的基础［12-14］。本次笔者通过对研究区内116口钻孔砂体的厚度、含砂率，隔挡层数及隔层厚度进行数据统计，对其砂岩的非均质性特征进行研究，并寻找其与铀成矿的关系，确定铀矿赋存有利部位及成矿有利条件，初步圈定成矿远景区，为区内下一步工作提供可参考的依据。

1 研究区地质概况

松辽盆地是一个四周由区域性控盆断裂所围限、内部由多组深大断裂所分隔，形成了由西部斜坡区、北部倾没区、东北隆起区、中央坳陷区、东南隆起区、西南隆起区和开鲁坳陷区等7 个二级构造单元组成的中新生代盆地。松辽盆地西南部包括有开鲁坳陷区和西南隆起区两个二级构造单元。开鲁坳陷呈现出三凸、三凹、一斜坡的构造格局，自西而东分布有西缘斜坡带、陆家堡凹陷、舍伯吐凸起、哲中凹陷、乌兰花凸起、钱家店凹陷和哲东南凸起7 个三级构造单元。研究区陆家堡凹陷又可分为陆东凹陷和陆西凹陷。

陆家堡凹陷位于开鲁坳陷区西北部，总体走向呈北东向（图1），其是在晚古生代褶皱基底上发育起来的中、新生代断坳型凹陷［15-16］，其中受松辽盆地南部基底构造格局影响，在白垩世早期发育断陷沉积；在晚白垩世，由于受基底构造影响作用减弱，研究区进入坳陷沉积演化阶段，该阶段盖层发育，所形成的坳陷层序为铀成矿提供了有利空间；晚白垩世末期，区内发育北东向构造及反转构造［3］，又为铀成矿提供了有利的构造条件。

图1 研究区构造单元示意图Fig.1 Schematic diagram of structural units in the study area

区内基底形态复杂，岩性主要为前中生代变质岩，仅在研究区西南部岩性为同期花岗岩。盖层较为简单，早期主要为断陷沉积，晚期主要为坳陷沉积，即在早白垩世发育断陷盆地，地层由老到新依次为：九佛堂组（K1jf）、沙海组（K1sh）及阜新组（K1f）；在晚白垩世发育坳陷盆地，地层由老到新依次为泉头组（K2q）、青山口组（K2qn）、姚家组（K2y）、嫩江组（K2n）、四方台组（K2s）、明水组（K2m）及泰康组（N2t）。

根据松辽盆地地质、航放、航磁特征等资料［17］，区内基底断裂十分发育，主要为北东、北北东、北西向。断裂的发育又为深部还原流体和目的层砂体还原改造提供了有利的构造条件，同时也为地下水的补给排泄、铀的运移、铀的富集沉淀提供了有利条件［18］。

2 地层特征

地层划分、对比主要遵循“明确标志层、辅助标志层，由大到小，从旋回到亚相”的原则［19］。四方台组为区内砂岩型铀矿的主要找矿目的层，本文以其作为研究对象进行深入探讨。

区内四方台组总体上为干旱气候条件下形成的一套以红色为主，局部为灰色的碎屑沉积，岩性为砾岩、砂岩及泥岩，底部普遍发育一层连续、稳定且具有一定厚度的灰色、灰绿色含砾粗砂岩，前期及煤炭部门发现的铀工业矿孔均产于其中。区内四方台组上覆地层在陆东凹陷及陆西凹陷存在明显不同，其中在陆东凹陷区内上覆明水组（K2m），其岩性组合主要以灰色、深灰色砂岩夹泥岩为主，局部见褐红色砂岩，与其呈整合接触；在陆西凹陷其上覆泰康组（N2t），其岩性组合主要以灰黄、灰绿、棕黄色泥岩、砂砾岩为主，与其呈角度不整合接触。下伏嫩江组（K2n），在区域上为一套稳定的标志层，岩性主要为深灰色、灰色泥岩，常见叶肢介、介形虫化石，与四方台组呈平行不整合接触。

在陆家堡凹陷区内四方台组广泛分布，以钻孔ZKHL-1 为例（图2），可以看出该钻孔可分为冲积平原和冲积扇两个大的正韵律旋回，该孔以冲积扇相沉积为主，可分为扇根、扇中和扇端亚相。岩性主要为灰色、紫红色砂质砾岩及紫红色泥岩、泥质粉砂岩，局部为灰色、紫红色、褐黄色中、细砂岩。在其与嫩江组泥岩接触界面见一套灰色砂质砾岩，其伽马测井曲线显示伽马值具有增高显示的特征，而收集到石油、煤炭等部门的钻孔资料也显示，在四方台组底部含砾粗砂岩、砂质砾岩中发现大量铀矿化异常。分析区内钻孔数据发现，区内四方台组底部普遍发育灰色、灰绿色含砾粗砂岩，在此韵律的顶部见一层厚度适中的紫红色泥岩，与下伏嫩江组泥岩形成了“泥-砂-泥”的岩性结构，有利于铀的成矿富集。

图2 ZKHL-1 钻孔地层结构图Fig.2 Stratigraphic structural column of ZKHL-1

3 非均质性特征及与铀成矿关系

砂体非均质性受多种因数的影响，用单一因数表示砂体非均质性存在片面性，因此，对多种因数的综合研究则尤为重要［20］。在不考虑成岩作用和构造作用时，砂体非均质性可进一步表现为平面非均质性及垂向非均质性［11］。

3.1 平面非均质性与铀成矿关系

砂体的平面非均质性主要通过砂体形态、含量在平面上的展布来体现，其是砂体走向改变、横向相变的结果，具体表现为砂体厚度、含砂率及沉积相带变化［12，21］。陆家堡凹陷地区积累了上百口钻孔的数据资料，本次通过对区内钻孔综合柱状图数据的处理、分析及利用，来实现对砂体平面非均质性的研究与探讨。

3.1.1 砂体厚度、含砂率特征

陆家堡凹陷地区四方台组是区内砂岩型铀矿的主要含矿层，而其与其他地层具有的显著特征，利用其特征，对地层进行区分和对比，结合统计的116 口钻孔砂体数据，作出砂体厚度及含砂率展布图（图3）。从图中可以发现砂体受相带控制，整体呈北东向展布，厚度总体呈中心厚，两侧薄的特点，厚度变化较小，厚度一般为10～70 m，局部厚度小于10 m，其中区内砂体厚度大的地区主要集中在GS、JT 及BXH 等地区，这些地区砂体规模普遍较大，厚度普遍大于50 m，局部可达90 m，宽度一般约10 km。

图3 研究区砂体厚度与铀成矿关系图Fig.3 Relationship between sandbody thickness and uranium mineralization in the study area

从四方台组砂体厚度与钻孔数量统计表中可以看出砂体厚度在0～70 m的钻孔数占比89.7%（表1），厚度在0～40 m 的钻孔数占比48.3%，这与研究区处于冲积扇相带的特征吻合。

表1 四方台组砂体厚度与钻孔数量统计表Table 1 Statistics on sand body thickness and borehole number in Sifangtai Formation

在四方台组含砂率与钻孔数量统计表中可以看出，含砂率20%～70% 的钻孔占比84.5%（表2）。区内整体含砂率偏低，这正式冲积扇相带砂岩含砂率特征。

表2 四方台组含砂率与钻孔数量统计表Table 2 Statistical table of sand content and number of boreholes in Sifangtai Formation

结合四方台组砂体含砂率等值线图（图4）及砂体厚度等值线图（图3），可以看出砂体厚度大的地区往往含砂率比较高，含砂率高值主要也集中在GS、JT 及BXH 等地区，这些地区砂体含砂率普遍大于50%，局部可达100%。

图4 研究区含砂率与铀成矿关系图Fig.4 Relationship between sand body percent and uranium mineralization in the study area

前人研究发现砂体厚度与砂体含砂率在正常情况下具有正相关的特征，即砂体厚度越大，其含砂率也就越高。进一步的统计表明，见矿孔的砂体厚度与含砂率的百分比正相关性较好，相关系数为0.944 8（图5），这也说明当砂体厚度和含砂率百分比满足这一特点时，成矿的概率大。

图5 研究区砂体厚度与含砂率关系图Fig.5 Relationship between sand body thickness and sand body percentage in the study area

3.1.2 砂体厚度、含砂率特征与铀成矿关系

从砂体等值线图可以看出，研究区内铀矿化主要位于砂体厚度、含砂率突变部位，通过绘制砂体与成矿概率散点图可以看出（图6），砂体厚度在50～70 m，含砂率在50%～70%时，铀成矿的概率最高。

图6 研究区砂体厚度（a）、含砂率（b）与铀成矿关系图Fig.6 Relationship between sand body thickness（a），sand body percentage（b）and uranium mineralization in the study area

分析已知见矿钻孔数据发现，铀工业矿孔的平均砂体厚度为54.0 m，含砂率平均值约为60%，铀矿化孔的平均砂体厚度为60.3 m，含砂率平均值约为58%，铀异常孔的平均砂体厚度为39.8 m，含砂率平均值约为52%。综合分析得出，在陆家堡凹陷内，当砂体厚度在50～70 m、含砂率在50%～70%时，铀成矿的概率最高。

3.1.3 沉积相与铀成矿关系

松辽盆地南部四方台组主河道整体呈北东向展布，研究区位于主河道的北西部，主要为冲积扇相沉积，岩性为紫红色、灰色砂质砾岩、含砾粗砂岩，其次为泥岩、含砾砂质泥岩，岩石结构较疏松，分选性差。区内冲积扇相可分为扇根、扇中和扇端亚相，其在扇中和扇端发育扇上河道。扇上河道呈南东向展部，区内发现的铀见矿孔多产于其中，其赋存位置多紧邻相带变化部位（图7），赋矿岩性为含砾粗砂岩、细砂岩。

图7 研究区沉积相与铀成矿关系图Fig.7 Relationship between sedimentary facies and uranium mineralization in the study area

3.2 垂向非均质性与铀成矿规律

砂体非均质性也可以表现在垂向上，它是由沉积期原始水介质能量的周期性变化造成的［22］。砂体的垂向非均质性主要表现为砂体中的隔挡层层数、隔挡层厚度及沉积物的粒度。砂岩中隔挡层是指泥岩、钙质胶结砂岩等形成的隔水层，其沉积的多期次性，为铀矿富集提供了通道及空间。隔挡层对铀成矿起重要的作用，如果隔水层厚度偏大，则影响了含矿含氧水的渗流、运移，使之不易形成氧化还原过渡带，减低铀沉淀富集的几率；如果隔水层厚度偏小，则容易使已经形成的铀矿再次被含矿含氧水氧化带走，对铀矿起到破坏作用。因此，隔层与铀成矿关系的研究对铀矿成矿及其矿体赋矿空间的预测起着必不可少的作用。

3.2.1 隔档层层数及累计厚度

由于隔档层发育于砂体之中，与砂体关系密切。通过对陆家堡凹陷四方台组钻孔数据的统计，发现砂体发育的隔档层数为0～9 时，其钻孔数占比90.6%（表3），其中不出现隔挡层的钻孔占比11.2%，出现1～3 层隔挡层的钻孔占比40.6%，出现4～6 层隔挡层的钻孔占比25.0%，出现7～9 层隔挡层的钻孔占比13.8%。这说明砂体中隔挡层层数的增加与其出现的概率呈负相关性，即隔档层层数越多出现的概率越小（图8a）。

表3 四方台组隔挡层层数与钻孔数量统计表Table 3 Statistics on the number of confining layer and of borehole of Sifangtai Formation

从隔层厚度与钻孔数量统计表中可以看出，隔档层厚度在0～48 m的钻孔数占比87.9%（表4），其中隔档层厚度在0～8 m 的钻孔数占比29.3%，隔档层厚度在8～16 m 的钻孔数占比14.6%，隔档层厚度在16～24 m 的钻孔数占比12.1%，隔档层厚度在24～32 m 的钻孔数占比12.1%。这说明砂体中隔挡层厚的增加与其出现的概率呈负相关性，即隔档厚度越大出现的概率越小（图8b）。

图8 研究区砂体隔挡层统计图Fig.8 Statistical diagram of sand body and mudstone barrier in the study area

表4 四方台组隔挡厚度与钻孔数量统计表Table 4 Statistical table of thickness of interlayer and number of Sifangtai Formation

3.2.2 隔挡层与铀成矿关系

通过对已知见矿钻孔的数理统计及综合分析研究，发现当隔挡层层数超过9 层时，或者隔层厚度大于48 m 时，无矿化显示；当隔档层在2～8 层时，成矿概率较高；在小于2 层或大于8 层时，成矿概率明显降低（图9a）；当隔档层厚度为8～40 m 时，成矿概率较高；在小于8 m或大于40 m 时，成矿概率明显降低（图9b）。

图9 研究区隔挡层与铀成矿关系图Fig.9 Profiles showing the relation of confining layer to uranium mineralization in the study area

数据显示，研究区内铀见矿孔隔挡层层数多在2～6 层，其平均隔层厚度为21.8 m。而从见矿孔类别来看，铀工业矿孔的隔挡层层数在2～5层，平均隔层厚度为16.7 m；铀矿化孔的隔挡层层数在5～6 层，平均隔层厚度为26.3 m；铀异常孔的隔挡层层数在3～8 层，平均隔层厚度为29.8 m。这些见矿孔多位于隔挡层层数与隔挡层厚度突变的区域（图10）。研究发现，隔层厚度与见矿孔类别具有负相关性，即随着隔层厚度增加，见矿级别随之降低。同时也说明了在陆家堡凹陷内，当隔挡层层数在2～6层、隔层厚度在16～32 m时，是适合铀成矿的有利条件。

图10 研究区隔挡层与铀成矿关系图Fig.10 Map showing the relation of confining layers to uranium mineralization in the study area

3.2.3 砂岩粒度与铀成矿关系

研究表明，沉积物粒度间接影响砂体的非均质性，从而变相影响铀成矿。研究区内四方台组底部普遍发育一个上细下粗的旋回，具有正韵律特征。上部一般为泥岩、粉砂岩，中部一般为中、细砂岩，底部为连续、稳定且具有一定厚度的灰色、灰绿色含砾粗砂岩，而已知工业孔均产于其中。从铀见矿孔的赋矿岩性可以看出，区内赋矿岩性主要为细砂岩和含砾粗砂岩，其中含砾粗砂岩占比40%，细砂岩占比50%。虽然细砂岩占比较高，但见矿类别均为异常孔，且厚度薄，研究意义较小。对区内钻孔的含砾粗砂岩厚度统计发现，含砾粗砂岩厚度在0～8 m 的钻孔数占比59.8%（表5），铀工业矿孔的含砾粗砂岩平均厚度为32.5 m。通过绘制砂体与成矿概率散点图可以看出，含砾粗砂岩厚度在32～40 m，铀成矿的概率最高（图11）。这也显示了区内成矿最好的为含砾粗砂岩，而区内四方台组底部普遍发育一层连续、稳定且具有一定厚度的灰色、灰绿色含砾粗砂岩，又说明了区内铀矿（化）体为什么通常位于四方台组砂岩的底部的情况。

表5 四方台组含砾粗砂岩厚度与钻孔数量统计表Table 5 Statistics on the thickness of pebbled coarse sandstone and the number of boreholes in Sifangtai Formation

图11 研究区含砾粗砂岩厚度与铀成矿关系图Fig.11 Profile showing the relation of pebbled coarse sandstone thickness to uranium mineralization in the study area

4 成矿远景预测

通过对钻孔的环境分析，区内四方台组总体上为干旱的气候条件下形成的一套以红色为主，局部为灰色的冲积扇-河流相沉积，岩石结构较疏松，渗透性较好，后期陆家堡凹陷深部断陷沉积地层富含的还原流体沿构造上移，对地层进行了大范围的还原改造作用，使得GS-JT 一线普遍发育一层较连续、稳定且具有一定厚度的灰色、灰绿色含砾粗砂岩，而含铀含氧水又从西南部由潜水转为层间对地层进行持续氧化作用，在后生氧化-还原不断作用过程中，铀不断富集，最终在氧化-还原过渡带富集成矿。基于上述研究成果，笔者对满足砂体厚度在50～70 m、含砂率在50%～70%、隔挡层层数在2～6 层、隔层厚度在16～32 m 地段进行筛选，最终在GS 地区和HJ 地区圈定铀成矿远景区两片（图12）。