渤海湾盆地黄骅拗陷砂岩型铀成矿条件及找矿方向

2023-01-13陈长伟宋舜尧梁传国邹红丽王翊超

成都理工大学学报（自然科学版） 2022年6期

陈长伟, 宋舜尧, 杨飞, 梁传国, 邹红丽, 王翊超

(中国石油大港油田分公司，天津 300280)

砂岩型铀矿是中国铀矿资源储量快速增长的主要矿床类型，一举改变了中国铀矿勘查的首选目标类型和铀矿资源分布与开发的基本格局，是现阶段铀矿勘查和开发的重点[1]。目前，伊犁盆地[2]、吐哈盆地[3]、鄂尔多斯盆地[4]、二连盆地[5]、巴音戈壁盆地[6]、松辽盆地[7]陆续获得重大找矿突破，尤其是以松辽盆地南部为代表的超大型砂岩型铀矿床，为沉积盆地开展油铀兼探工作提供了科学依据。

渤海湾盆地蕴含着丰富的石油和天然气资源[8]，是中国东部地区重要的油气生产基地之一。前人对盆地内石油和天然气的研究程度相对较高，而铀成矿条件及成矿潜力研究工作尚未开展。本次研究利用油气勘探过程中积累的测井资料，在港西断层-港东断层、南大港断层、羊二庄断层和官西-官东断裂带第四系平原组和新近系明化镇组砂岩段发现4个自然伽马异常区(图1)，反映渤海湾盆地具备砂岩型铀成矿潜力。本文主要以渤海湾盆地黄骅拗陷新近系为重点，对异常段对应层位沉积、储层及资源潜力展开研究，初步明确了该区砂岩型铀矿成矿类型及找矿方向，以期能为渤海湾盆地砂岩型铀矿找矿突破及勘探部署提供参考。

图1 黄骅拗陷新近系构造简图Fig.1 Schematic diagram of Neogene structure in Huanghua Depression

1 地质背景

黄骅拗陷属于新生代断拗盆地，为渤海湾盆地内的次级拗陷，位于天津市东南部和河北省东部的渤海沿岸地区，北界为燕山褶皱系，西界为沧县隆起，东南界为埕宁隆起，东北伸向渤海海域，以沙垒田凸起为界与渤中拗陷分隔，呈NE-SW向展布，面积约1.87×104km2，其中陆地面积约1.67×104km2[9](图1)。至渐新世末期，盆地地壳整体抬升遭受剥蚀，导致了全域性的不整合界面；随后新近纪沉积物覆盖了盆地内所有凸起，演变成一个底界面相对均一的大湖盆，各小沉积单元开始相互连通，沉积中心转移到了渤中凹陷，渤海湾盆地也由此进入热沉降阶段[10]。

黄骅拗陷新生界包括古近系、新近系和第四系。古近系主要有孔店组、沙河街组和东营组，是黄骅拗陷重要的生烃和含油气层段[9]；新近系有馆陶组和明化镇组，是黄骅拗陷重要含油层系[11-13]；第四系包括更新统和全新统。明化镇组可进一步分为明下段和明上段：明下段(N1mx)自下而上可划分为明Ⅳ、明Ⅲ、明Ⅱ、明Ⅰ四个油组(图2)，厚度1 200 m左右，为新近系大旋回层的中部细粒段，岩性以紫红、灰绿、棕红色泥岩为主，夹灰白、灰绿、棕黄色岩屑质含泥长石砂岩，属冲积、淤积平原相堆积；明上段(N2ms)厚度约800 m，为新近系大旋回层的上部粗粒段，岩性为棕红、黄绿色及杂色泥岩与砂岩间互层，以富含钙质团块为特征，属冲积平原相沉积[14]。

平原组分为下段、中段、上段[14]：下段以湖相沉积为主，夹有河流冲积相，以陆相生物组合为主；中段为以湖相为主的类河流沉积，并有河口外坝、河口坝和浅湖、潟湖沉积，以淡水生物化石组合为主，兼有海水侵入的海陆交互相沉积；上段以河流相、海相、潮汐影响的河流相为主，夹有海相地层。全新统底部常含泥炭层，为海侵前的滨海沼泽相沉积，见咸、淡水生物化石，顶部多有人工填土。

图2 黄骅拗陷新近系和第四系地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of Neogene and Quaternary strata in Huanghua Depression

2 自然伽马异常及平面分布特征

2.1 自然伽马异常分类

根据异常段厚度、自然伽马峰值和峰基比参数将异常段分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类(表1)。

表1 黄骅拗陷自然伽马异常分类表Table 1 Classification of natural gamma anomalies in Huanghua Depression

Ⅰ类异常：厚度一般大于5 m、自然伽马最大值大于300 API、峰基比大于3(图3-A、B、C)，其厚度及铀丰度达到工业边界品位，具备工业矿化潜力；通过对异常段的平面追踪对比，刻画出矿体空间分布状态，有望实现该地区砂岩型铀矿勘查突破。其自然伽马异常呈现多种曲线形态，随着矿化程度的增加，测井曲线呈薄层→齿化组合型→漏斗型或钟型→箱型过渡。X7-14-2井583～549.38 m深度，Ⅰ类异常段厚度11.38 m，自然伽马基值117.43 API、最大值375.11 API、峰基比3.19(图3-A)，测井曲线由下至上呈漏斗型+箱型+钟型组合特征，基线与自然伽马之间的面积大，整体矿化程度较高。X3-8-6井666.14～672.76 m深度，Ⅰ类异常段厚度6.62 m，自然伽马基值85.62 API、最大值336.93 API、峰基比3.93(图3-B)，测井曲线呈漏斗型+钟型组合特征；X5-13-2井584.18～590.64 m深度，Ⅰ类异常段厚度6.64 m，自然伽马基值80.78 API、最大值329.03 API、峰基比4.07(图3-C)，测井曲线呈齿化漏斗型+齿化钟型组合特征，矿化程度相对较低，但主体已具备工业矿化潜力。

图3 黄骅拗陷新近系伽马测井曲线异常段分类图Fig.3 Classification of abnormal segments of Neogene gamma log curves in Huanghua Depression(A)X7-14-2井，Ⅰ类异常；(B)X3-8-6井，Ⅰ类异常；(C)X5-13-2井，Ⅰ类异常；(D)X12-13-7井，Ⅱ类异常；(E)Z1608-4井，Ⅱ1类异常；(F)X6-12-7井，Ⅱ1类异常；(G)G94-8井，Ⅱ2类异常；(H)X7-13-3H井，Ⅲ类异常

Ⅱ类异常：厚度一般2～5 m，根据自然伽马最大值、峰基比参数，可进一步划分为Ⅱ1和Ⅱ2两个亚类。

Ⅱ1类异常自然伽马最大值150～350，峰基比1.5～3，其厚度小于工业矿化标准(5 m)，但自然伽马峰值较高，处于工业矿化边缘或尚未达到工业矿化阶段，通过矿体追踪对比，有望找到工业矿化层。X12-13-7井547.16～550.86 m深度，Ⅱ1类异常段厚度3.7 m，自然伽马基值65.35 API、最大值301.14 API、峰基比4.61(图3-D)，测井曲线呈薄层漏斗型+薄层钟型组合特征；Z1608-4井781.1～784.02 m深度，Ⅱ1类异常段厚度2.92 m，自然伽马基值69.5 API、最大值371 API、峰基比5.34(图3-E)，测井曲线呈指形；X6-12-7井562.32～567.82 m深度，Ⅱ1类异常段厚度4.5 m，自然伽马基值71.08 API、最大值318.16 API、峰基比5.34(图3-F)，测井曲线呈指形。

Ⅱ2类异常的自然伽马最大值>500，峰基比>10，均位于深度40.04～590.00 m 范围内，且大部分钻孔异常厚度集中在1 m左右，且多达6口钻孔异常厚度皆为1.25 m，形态上均为“尖刀状”突变(图3-G)，初步判断该类异常可能为假值，但不排除其为碳质夹层的可能性，下一步需对该类自然伽马异常的真实性进行放射性测井检验。

Ⅲ类异常：厚度一般小于2 m，自然伽马值为100～150 API、峰基比<1.5，处于铀初始聚集带，勘探潜力相对较小(图3-H)。

2.2 自然伽马异常分布特征

经过自然伽马筛查，黄骅拗陷浅层共发现4层Ⅰ类异常，23层Ⅱ1类异常，13层Ⅱ2类异常。平面上可将黄骅拗陷浅层放射性异常划分为4个放射性异常区(图1)：港西断层-港东断层呈北东—北偏西方向展布，异常带分布面积为341 km2，明上段、明下段和平原组下段均有异常分布，区内存在Ⅰ类、Ⅱ1类和Ⅱ2类异常，其中Ⅰ类异常面积为10.28 km2，主要集中在明上段；南大港断层呈北东向展布，异常带分布面积为266.54 km2，异常层位主要集中在明上段和平原组下段，区内存在Ⅱ1和Ⅱ2类异常；羊二庄断层呈北偏西向展布，异常带分布面积为213.53 km2，异常层位主要集中在明上段和明下段，已发现井以Ⅱ1类异常为主，经L10X1井的井壁取心实测数据验证，该井处于工业矿化带边缘，具备形成工业矿化潜力；官西断层-官东断层呈北偏东向展布，异常带分布面积为341.6 km2，异常层位主要集中在平原组下段，以Ⅱ2类异常为主。

3 沉积特征

3.1 单井沉积微相分析

河流既是物源区向汇聚区重要的输砂通道，又是砂体堆积的重要场所。明化镇组曲流河成因砂体是油气勘探的重要目标，前人针对黄骅拗陷明化镇组曲流河沉积微相识别、储层预测及古河道恢复等方面研究较多[9,15-16]。统计数据显示，黄骅拗陷已发现的28层Ⅰ类和Ⅱ1类异常，与河道有关的占16个，且Ⅰ类异常均为河道成因砂体。

本次研究重点对港西—港东断裂带Ⅰ类异常带展开沉积、储层及成矿潜力研究。该区典型的垂向沉积序列表现为：泛滥平原→河道滞留→(点沙坝)边滩→泛滥平原→河漫滩，河道、泛滥平原和河漫滩垂向上组成短期正旋回序列，河流频繁改道，单期旋回厚度20～30 m，砂体厚度2.84～16.50 m(平均8.64 m)(图4-A、B、C、D)。河流改道过程中，河水冲刷河漫滩形成下切河道，河流在较高流速下首先发生粒度较粗的河道滞留沉积，测井曲线上河底滞留沉积与河漫滩沉积之间呈突变特征。当河道相对稳定时，河底滞留沉积物堆积较厚，测井曲线呈箱型；在正常流动情况下，河底滞留沉积向上演变为点沙坝(边滩)沉积，测井曲线呈钟型(图4-E)；当河流频繁改道，河道滞留沉积物较薄，点沙坝(边滩)不发育，河道滞留沉积向上演变为牛轭湖细粒沉积物，电阻曲线向上呈快速变低的薄钟型特征。

图4 黄骅拗陷新近系典型砂岩型铀储层沉积微相Fig.4 Sedimentary microfacies of typical Neogene sandstone-type uranium reservoirs in Huanghua Depression

在高水位时期，过量的洪水冲决天然堤，并在堤岸靠平原方向的斜坡上形成树枝状水系的扇状堆积决口扇，冲积扇是冲裂作用的主要产物之一[17]。决口扇由扇根至扇端方向，厚度逐渐变薄，测井曲线呈漏斗型或齿化漏斗型(图4-F)。

3.2 沉积微相空间展布特征

横切物源剖面，以河漫滩、河道(河底滞留+点沙坝)沉积为主，决口扇和河漫滩砂体不占优势，河流频繁改道，砂体横向连续性差，河道宽度一般<1 km，单砂体厚度<15 m，砂地比在38.4%～48.9%，纵向上划分出多期短期正旋回(图5)。单期旋回内由下部多期河道侧积成因的富砂段向上过渡为稳定的河漫滩沉积，稳定泥页岩段可作为小层对比的标志层之一。A1小层河道砂体分布在X7-13-3H、X7-14-2井区，河道砂体与决口扇砂体纵向叠置。A2小层在X12-13-7、X7-13-3H、X7-14-2井各发育一期河道沉积，河道砂体相对较厚，决口扇砂体规模较小。A3小层是该区放射性异常集中的层位，发育河道、决口扇和河漫滩多种类型沉积砂体，砂体厚度大，还发育厚度10～20 m的稳定低渗河漫滩泥岩。

图5 X12-13-7井、X7-13-3H井、X7-14-2井和X34-13-28井沉积微相剖面图Fig.5 Sedimentary microfacies profile of Well X12-13-7, Well X7-13-3H, Well X7-14-2 and Well X34-13-28(剖面位置见图7)

顺物源剖面(图6)，砂体侧向连续性增加，河道相占优势；远离物源方向，河道发育时间变短，河流频繁改道，河漫滩稳定性变差。在主河道方向，以河流的下切侵蚀、河道砂体沉积为主，决口扇和河漫滩砂体不占优势。A1-A4小层沉积时期，物源供给强度呈强→弱→强→弱周期性变化：A1小层砂地比可达50%以上，河道稳定性较好，河道下切侵蚀，河底滞留和河漫滩砂体较发育；A2小层沉积时期，物源供给能力减弱，砂体侧向连续性变差，砂体厚度一般小于5 m，旋回顶部河漫滩泥岩段稳定发育；A3小层沉积时期，物源供给能力再次增强，放射性异常体为一期主河道沉积砂体，砂体延伸距离可达3 km，旋回顶部发育稳定河漫滩泥岩段；A4小层沉积时期，河道侧向迁移，X3-8-6井区以河漫滩沉积为主。

图6 X7-15-1井、X7-14-2井、X3-8-6井和XJ2井地层对比图Fig.6 Sedimentary microfacies profile of Well X17-15-1, Well X7-14-2, Well X3-8-6 and Well XJ2 (剖面位置见图7)

A3小层发育3期近东西向河道(图7)，X7-13-3H井区和X7-15-1井区发育2期决口扇沉积，早期河道砂体由决口扇砂体与新河道砂体相连，改善了砂体之间侧向连通性，形成地下水径流系统，为X7-14-2井区扇体中铀元素聚集打下基础。根据测井自然伽马异常显示情况，推测2个矿化体：①号矿体为河道沉积砂体，分布面积为2.45 km2；②号矿体为第2期决口扇沉积砂体，分布面积为2.41 km2。

图7 X7-14-2井区A3小层沉积相平面特征Fig.7 Characteristics of sedimentary facies of sublayer A3 in Well X7-14-2 area

4 铀资源潜力分析

在沉积微相平面约束条件下，统计砂体自然伽马异常段厚度作为矿体厚度。①号矿体平面分布面积为2.457 km2(图8)，其中：厚度≤5 m的矿体分布面积为0.677 km2， 5 m<厚度≤10 m的矿体分布面积为0.958 km2， 10 m<厚度≤12 m的矿体分布面积为0.491 km2，厚度>12 m的矿体分布面积为0.331 km2。②号矿体平面分布面积为2.412 km2(图9)，其中：厚度≤5 m的矿体分布面积为1.161 km2, 5 m<厚度≤8 m的矿体分布面积为0.793 km2，厚度>8 m的矿体分布面积为0.458 km2。

图8 X7-14-2井区①号矿体平面分布特征Fig.8 Plane distribution characteristics of the No.1 ore body in Well X7-14-2 area

图9 X7-14-2井区②号矿体平面分布特征Fig.9 Plane distribution characteristics of the No.2 ore body in Well X7-14-2 area

L10X1井 595.2～596 m深度的井壁取心实测铀丰度(质量分数：wU)为218×10-6[砂岩型铀矿边界品位(wU)为100×10-6]，对应深度自然伽马值为350 API。根据研究区现有资料，用L10X1井实测数据校正自然伽马异常与实测铀含量之间的线性关系，铀含量(wU)与自然伽马测井值(γ)之间满足下列经验公式

wU=0.773×(γ- 68)×10-6

在井控区间内，用测井解释铀含量计算资源量；在无井区，则根据趋势推算该区域可能的铀丰度。将相关参数代入资源量计算公式：资源量=厚度×分布面积×岩石密度×铀丰度。计算出①号矿体资源量为8 522 t，②号矿体资源量为4 790 t，合计13 312 t，研究区具备发现中型砂岩型铀矿潜力。

5 砂岩型铀成矿模式

在干旱、半潮湿气候条件下，隆起区的富铀岩石碎屑和溶于水的活化铀等成矿元素，被搬运至盆地内，在富含有机质的浅灰—深灰色细砂岩、中砂岩中发生铀的吸附作用，达到铀的预富集[18]。典型的砂岩型铀矿成矿模式与层间氧化带砂岩有关，通常将其划分为氧化带、氧化-还原过渡带和原生岩石带或还原带，铀矿体往往产生于氧化-还原过渡带内部[7]。黄骅拗陷浅层放射性异常主要集中在港东断层-港西断层、南大港断层、羊二庄断层和官东断层-官西断层附近，浅层放射性异常与油田分布具有密切关系。当地表含氧地下水沿氧化砂体向下深入过程中遇到向上逸散的还原性油气流体时，易在接触部位形成氧化-还原地球化学障，有利于铀的沉淀富集，发生铀矿化[18]。

渤海湾盆地新近纪进入拗陷阶段，盆内凸起、隆起没于侵蚀基准面之下，物源主要来自盆地边缘，馆陶组和明化镇组地层在渤海湾盆地内广泛分布(图10)。受继承性沉降作用控制，盆地内部持续性断裂活动形成断裂型构造天窗，断裂带同时沟通地表铀源和深部生烃源岩。盆地边缘花岗岩体[14]经过风化后，U4+被氧化成U6+沿地表水系运移至盆地中部，沧东断层、滨海断层、南大港断层等与地表相通的深大断裂成为含铀流体下渗的主要通道，地表含U6+流体从断裂构造天窗渗入地层，在重力作用下沿优势输导砂体向地下运移。同时，这些深大断裂将浅层的新近系、第四系与处于生烃高峰的古近系、石炭系—二叠系生烃源岩沟通，CH4、H2S等还原性流体沿断裂带向上运移，形成还原带，当U6+遇到还原流体时，被还原成U4+，发生沉淀聚集，优势输导砂体内持续的还原性流体与地表含U6+流体补给是研究区砂岩型铀矿聚集并富集的必要条件。