松辽盆地南部中央凹陷区姚家组砂岩地球化学特征及沉积物源

2021-11-10胡慧婷李军辉布和巴特尔

地质与资源 2021年5期

张森，刘超，胡慧婷，李军辉，石蕾，布和巴特尔

1.中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁沈阳 110034；2.黑龙江工程学院，黑龙江哈尔滨 150050；3.东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318；4.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712

0 前言

松辽盆地为一个中新生代的陆相盆地，不仅富含丰富的油气资源，随着“主攻北方地浸砂岩型铀矿”勘查战略的实施，铀矿找矿工作也取得重大突破，松辽盆地南部钱家店地区发现了超大型铀矿床并实现高效开采［1-3］.松辽盆地南部中央凹陷区钻井也揭示了放射性异常［4］，但对铀矿的勘探尚处于普查阶段.

砂岩型铀矿的勘探涉及构造、沉积、储层、铀源、成矿作用等诸多研究环节，其中以制约沉积相带、砂岩分布、储层砂体本身的“再生铀源”的沉积物源的研究最为基础［5-7］.松辽盆地南部姚家组铀源的研究比较薄弱，仅有少数学者采集了钱家店铀矿姚家组砂岩样品并对其可能的物源方向、母岩性质开展了研究.如，有研究认为姚家组物源主要来自盆缘的酸性火山岩以及基底结晶岩系和变质岩［8］；另有研究指出姚家组的主要物源是华北陆块北缘的酸性火山岩及花岗岩［9］；此外，还有研究认为姚家组砂岩的物源为华北克拉通北缘燕山陆内造山带发育的火山－沉积岩系［10］.可见，关于松辽盆地南部姚家组物源的认识还存在一定争议，究其原因，一方面是由于以往缺少对钱家店以外区域姚家组物源的针对研究，另一个方面是由于精确的地球化学研究还比较薄弱.

本文以松辽盆地南部中央凹陷区为研究对象，采集姚家组未蚀变的灰色砂岩样品37块并开展系统的地球化学测试，结合风化程度、源岩性质和构造背景的分析及其钱家店地区的研究成果［10］，探讨研究区的物源特征，旨在为铀储层预测及铀矿床铀源评价奠定基础.

1 地质背景

松辽盆地是中国东北地区一个大型中—新生代陆相断拗复合盆地，经历了早白垩世断陷、早白垩世末抬升剥蚀、晚白垩世拗陷及末期的构造反转、抬升剥蚀四个阶段［2］.研究区在大地构造上位于松辽盆地南部中央凹陷区，西邻松辽盆地西斜坡，向南距钱家店地区约150 km（图1）.早白垩世时期，研究区与钱家店地区分属松辽盆地和开鲁盆地，至白垩纪晚期，两者形成统一的拗陷盆地.研究区自下而上发育上侏罗统火石岭组，下白垩统沙河子组、营城组、登娄库组、泉头组，上白垩统泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组，古近系依安组，新近系大安组及泰康组.研究层系姚家组主要发育河流－泛滥平原－浅湖沉积，以细粒沉积为主，岩性包括灰（白）色、黄褐色、棕色细砂岩，灰色泥岩及粉砂质泥岩.

图1 松辽盆地构造位置图Fig.1 Tectonic location map of Songliao Basin

2 砂岩地球化学特征

2.1 主量元素特征

姚家组砂岩主量元素含量见表1.姚家组砂岩中SiO2含量最高（53.96%～74.57%，平均65.96%），其次是Al2O3（10.17%～19.91%，平均14.59%）、CaO（1.17%～14.59%，平均5.89%）、Fe2O3T（0.98%～9.09%，平均4.43%）、K2O（2.66%～4.37%，平均3.67%）、Na2O（1.40%～3.88%，平均2.84%）、MgO（0.36%～4.30%，平均1.97%），TiO2（0.22%～0.72%，平均0.52%）、P2O5（0.06%～0.26%，平均0.13%）、MnO（0.03%～1.02%，平均0.12%）含量均较低（图2）.较高SiO2和Al2O3含量反映姚家组物源母质相对富含石英、长石矿物，但SiO2数值比钱家店地区（SiO2平均77.01%）略低［10］，反映碎屑成岩的成熟度偏低，这一结果也与后文对岩石类型和形成背景的认识相吻合.

表1 研究区姚家组砂岩常量元素含量Table 1 Major element contents in sandstone of Yaojia Formation in the study area

图2 研究区姚家组砂岩样品与钱家店地区主量元素含量对比Fig.2 Comparison of major element content in sandstone between Yaojia Formation in the study area and Qianjiadian area

2.2 微量元素和稀土元素特征

图3a展示了典型样品微量元素相对含量分布曲线（分析数据见表2）.姚家组砂岩具有与上地壳相似的高场强元素（如Th、U）和大离子亲石元素（Ba），Rb、Zn元素相对于上地壳富集，Sr、Zr、Hf、Sc元素相对于上地壳亏损.稀土元素（分析数据见表3）总量介于160.12×10－6～253.74×10－6之间，平均值为221.61×10－6，高于上地壳稀土元素总量（146.37×10－6）.稀土元素配分曲线形态相似（图3b），呈轻稀土元素富集、重稀土元素相对亏损的特征，LREE/HREE数值为8.94～12.18，平均值10.13；LaN/YbN数值为10.36～15.52，平均值12.59；GdN/YbN数值为1.89～2.29，平均值2.11.稀土元素配分曲线形态与后太古宙澳大利亚页岩（PASS）和上地壳（UCC）相似，δEu（0.62～0.69，平均值0.66）介于PAAS（0.65）和UCC（0.70）之间，指示物源可能为花岗岩类等酸性岩且与上地壳相关.

图3 姚家组砂岩微量元素和稀土元素标准化配分曲线Fig.3 UCC-normalized trace element diagram and chondrite-normalized REE patterns for sandstone of Yaojia Formation

表2 研究区姚家组砂岩微量元素含量Table 2 Trace element contents in sandstone of Yaojia Formation in the study area

表3 研究区姚家组砂岩稀土元素含量Table 3 REE contents in sandstone of Yaojia Formation in the study area

2.3 地球化学分类

主量元素的氧化物常用于砂岩的地球化学分类.依据（Fe2O3T＋MgO）－Na2O－K2O图版［11］，研究区姚家组砂岩主要为岩屑砂岩，其次是长石砂岩和杂砂岩（图4a）.lg（SiO2/Al2O3）－lg（Fe2O3/K2O）图版［12］揭示研究区多数样品为岩屑砂岩，部分样品为长石砂岩（图4b）.可能是受到泥质含量的影响，有10件样品落在页岩区域，但这一图版判别结果与（Fe2O3T＋MgO）－Na2O－K2O图版并不矛盾.综上分析，认为研究区姚家组砂岩以岩屑砂岩为主，其次是长石砂岩.

图4 姚家组砂岩类型的地球化学判别Fig.4 Geochemical discrimination diagrams for sandstone types of Yaojia Formation

3 砂岩形成环境

3.1 气候环境

气候影响古沉积物的风化程度［7］.依据古气候判别图版SiO2－（Al2O3＋K2O＋Na2O）［13］，姚家组砂岩碎屑形成于干旱—半干旱气候，且成分成熟度低于钱家店地区（图5a）.在古气候判别图版CIA－C中，C反映气候的干燥或潮湿程度［14］，CIA反映物源区化学风化作用强度［15］，姚家组砂岩样品多数落到半潮湿—干旱气候和初始化学风化叠合区域，还有少数样品落到干旱气候区域，同样反映姚家组砂岩形成于干旱—半干旱气候，具有较低的化学风化程度（图5b）.

图5 姚家组砂岩形成的气候背景Fig.5 Climate condition discrimination diagrams for sandstone deposition in Yaojia Formation

3.2 构造背景

碎屑物质从物源区向盆地搬运的过程中，具有协同变化特征的常量元素（如K、Na、Si）和抗风化能力强的微量元素（如Zr、Th、Sc、Co、Ti、La、Y）常被用于构建示踪沉积母质来源的指标.前人［10］利用K、Si、Na、La、Sc、Th、Co、Zr等元素建立的版别图解分析了松辽盆地南部钱家店地区姚家组的物源构造背景，为了便于比较，本研究也采用相应图版开展物源构造背景研究.在SiO2－（K2O/Na2O）图版［16］中，研究区所有样品显示出高度一致性，投影均落到主动大陆边缘区域（图6a）；在（K2O/Na2O）－（SiO2/Al2O3）图版［17］中，研究区绝大多数样品（30件）投影到主动大陆边缘区域，少数样品（7件）投影到被动大陆区域（图6b）；在La－Th－Sc图版中，研究区大多数（28件）样品落在主动大陆被动大陆叠合区域，少数（8件）样品投影到大陆岛弧区域（图6c）；在Th－Co－Zr/10图版中，研究区多数（23件）样品投影至主动大陆区域，其余（14件）样品投影在紧邻主动大陆边缘的区域（图6d）.为此，不难得知研究区姚家组砂岩源区的构造背景为主动大陆边缘.

图6 姚家组砂岩沉积物源构造背景Fig.6 Tectonic setting discrimination diagrams for sediment provenance of sandstone of Yaojia Formation

3.3 物源

在基于主量和微量元素判别沉积物源的图版中，Rb－K2O和TiO2－Ni图版应用相对广泛，在松辽盆地南部钱家店地区姚家组物源的分析中已得到成功应用［10］.Rb－K2O图版［18］表明姚家组砂岩富含酸性成分（图7a），这一结果与TiO2－Ni图解［19］的判别结果一致（图7b），揭示物源区的母质为偏酸性成分的岩浆岩.与主量元素相比，稀土元素的活性一般更低，稳定性更高，在搬运、沉积和成岩过程中仅有微小变化，因此常被用于判别物源区岩石类型［20］.依据稀土元素（La/Th）－Hf图版［18］，研究区样品主要落在长英质源区、混合的长英质和基性岩区域及相邻区域，揭示其母岩类型可能并不单一（图7c）；由（Co/Th）-（La/Sc）图解［21］可知，研究区样品分布在长英质火山岩、花岗闪长岩、花岗岩区域，表明母岩为酸性火山岩，母岩可能为深层岩（花岗闪长岩和花岗岩），也可能是喷发岩（图7d）；（Eu/Eu*）－（SiO2/Al2O3）图解［20］表明，物源区母岩主要为英安岩（图7e）.可见，研究区姚家组砂岩物源区源岩性质为酸性火山岩，岩石类型可能为花岗闪长岩、花岗岩和英安岩.

图7 姚家组砂岩沉积物源判别图Fig.7 Sediment provenance discrimination diagrams for sandstone of Yaojia Formation

前人对钱家店地区研究表明，姚家组物源主要为盆地南侧燕山陆内构造带，物源区构造背景为被动大陆边缘，源岩主要为古老的沉积物及长英质火山岩（花岗片麻岩和花岗岩）［10］.研究区位于钱家店地区北侧150 km，岩石地球化学分析表明其物源区构造背景为主动大陆边缘，虽然源岩也为酸性的火山岩，但碎屑的成熟度更低、类型更复杂，具有近物源、多物源特征.松辽盆地南部西邻兴蒙海西褶皱带，南邻内蒙古地轴，东邻张广才岭，盆地周缘出露大量的元古宙—二叠纪花岗岩和闪长岩，在姚家组时期均具有向盆地内提供酸性火山岩的可能［22-25］.基于研究区与钱家店地区物源构造背景和源岩性质的差异，即研究区在构造位置上更靠近西北和东南物源且砂岩的成熟度较钱家店地区低，推测研究区姚家组为西北物源或东南物源，且不排除混源的可能，这与前人［22］对松辽盆地南部沉积物源和沉积体系研究的认识基本一致.