鄂尔多斯盆地南部彬长地区直罗组下段沉积特征及其与铀矿化关系

王 凯, 王晓鹏, 周 伟, 冯 博, 赵友东, 王奇辉

(核工业二〇三研究所,陕西 西安 710086)

鄂尔多斯盆地是一个古生代稳定沉降,中生代坳陷迁移,新生代周边扭动、断陷的多旋回、多能源聚集的大型叠合盆地。盆地内部赋存多种能源矿产,包括煤、石油、天然气和铀,是我国重要的能源矿产生产基地(涂光炽,1994;武富礼等,2004;刘池洋等,2006;梁积伟, 2007)。近20年来,盆地北部先后发现东胜、大营、纳岭沟、塔然高勒等大型铀矿矿床(薛锐等,2017;王艺等,2022;吴金钟等,2021)。相对而言,盆地南部仅在黄陵-焦坪-彬州一带发现店头铀矿床及焦坪、庙湾、鸭河湾等铀矿点,赋矿砂体均位于中侏罗统直罗组下段(王晓鹏等,2020)。关于盆地直罗组沉积特征的研究,除赵俊峰等(2007,2008)在盆地级进行概略研究之外,多数学者的研究集中于盆地北部铀矿床分布区(吴仁贵等,2005;焦养泉等,2005a,2015;张字龙等,2010;薛锐等,2017;陈心路等,2014;杨君等,2019;张宾等,2019;朱强等,2019;贺小龙,2015),盆地南部直罗组沉积特征研究较为薄弱。彬长地区位于盆地南部,虽然近年来取得了较好的勘查成果,但是从沉积学特征和构造演化来看,研究程度不够深入,制约了该地区的铀矿找矿工作。鉴于此,笔者在室外岩芯编录的基础上,结合室内研究,分析整理煤炭和核工业共计400余口的钻孔资料,对彬长地区直罗组下段沉积相类型、砂体展布特征及沉积相分布特征进行分析,探讨了沉积特征与铀成矿的关系和进一步找矿方向,为该区铀矿找矿工作提供依据。

1 地质概况

彬长地区构造位置处于渭北隆起次级构造单元庙彬褶皱带与陕北斜坡过渡部位,侏罗系总体是一走向为NE 50°～70°,倾向为NNW的单斜构造,发育一系列宽缓而不连续的褶皱。断裂构造不明显,区内NEE、NE向路家—小灵台背斜、祁家背斜、彬州背斜、董家庄背斜、谢家咀背斜、里村背斜、七里铺—西坡背斜与安化向斜、师家店向斜、南玉子向斜、塬口子向斜、里村向斜、四郎河向斜等构造相间出现,背斜两翼多数不对称,南翼较缓,背斜轴长9～30 km,基本贯穿全区。研究区主要发育一套中生代陆相盖层,自下而上依次为上三叠统延长组、中侏罗统延安组、直罗组、下白垩统宜君组、洛河组和环河组(图1)。

图1 鄂尔多斯盆地南部彬长地区构造纲要图及地质简图

彬长地区直罗组分为上、下两段,根据地层的旋回性又将直罗组下段划分为上、下两个亚段,厚度近乎相等(赵俊峰等,2007;易超等,2014)。直罗组上段以紫红色、棕红色、灰绿色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩为主(图2a),夹有薄层灰绿色、棕红色中粗砂岩,普遍发育钙质结核,偶见碳酸盐细脉(图2b,c)。直罗组下段下亚段以灰色沉积为主,在旋回底部发育薄层砾岩或含砾粗砂岩,砂岩中含有大量炭屑和黄铁矿等还原性物质,砂体之间发育灰色、灰黑色的泥岩和粉砂岩,并伴有煤线发育,俗称“七里镇砂岩”(图2d,e,f)。旋回上部为浅灰色、灰色、灰绿色泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩及薄层细中砂岩。直罗组下段上亚段则以下段中部较厚层中粗砂岩为底界,以灰绿色、绿灰色、褐红色沉积为主,上部变为紫红、棕红色、灰绿色泥岩、粉砂岩夹薄层细砂岩,发育多个向上变细的正韵律。

图2 鄂尔多斯盆地南部彬长地区直罗组岩性

区内直罗组下段厚度一般为20～50 m,但在彬州西南水口地段厚度可达60 m以上。其下伏延安组含煤岩系与直罗组呈不整合接触,常见冲刷面,标志层明显(图2g)。

2 直罗组下段岩性特征

彬长地区直罗组下段辫状河道广泛发育,以河道底部滞留沉积和河道多期冲刷叠置为特征,具有“泛连通”结构,发育大型槽状交错层理、板状交错层理。岩性主要为灰白色、灰绿色中粗砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩夹细砂岩,局部为褐红色(图2),底部发育透镜状砂砾岩或细砾岩,中层或厚层块状,砂体厚度为1.80～42.60 m,平均厚度为17.20 m,砂体厚度标准差达到了9.68 m,变化幅度较大,变化系数为0.56。砂岩为长石石英砂岩、长石砂岩,泥质胶结,分选性差、成熟度低,中粗粒碎屑结构为主。碎屑成分由石英、长石和少量褐铁矿、黑云母、白云母、自生矿物等组成,石英含量为75%～82%、长石含量为12%～15%、黑云母含量小于4%、岩屑含量小于5%、自生矿物含量小于5%。胶结类型主要为接触式,胶结物90%以上为黏土质矿物,少量为钙质、硅质或铁质,碎屑间的接触关系80%以上为点线式接触,均为颗粒支撑,固结疏松至较疏松。砂体中含线状炭屑、有机质、黄铁矿等还原物质(图2i),局部可见油浸或油斑。

3 沉积相类型及展布特征

3.1 沉积相类型及特征

直罗组下段在研究区内未见出露,故根据钻探岩芯岩性组合、沉积构造、沉积韵律、测井曲线、砂体厚度及砂地比等值线等特征综合分析,认为直罗组下段为砂质辫状河相沉积。

辫状河具有河道宽,水深较浅,频繁摆动的特点,其对河岸侵蚀较快,天然堤及决口扇很难被保存,而心滩(沙坝)较发育。辫状河以砾石和砂质沉积为主,局部夹粉砂和泥质沉积,在垂向上具有“砂包泥”的沉积特征,自下而上表现为多个不明显的正(半)韵律结构,底部发育起伏较小的冲刷面。垂向上可识别的微相主要由底部河床滞留沉积、心滩及顶部泛滥平原沉积组成,“二元”结构不明显(图3)。

图3 鄂尔多斯盆地南部彬长地区ZK128-2钻孔直罗组柱状图

河床滞留沉积岩性以砂质砾岩及粗砂岩、含砾粗砂岩为主,砾石成分比较复杂,多为石英岩、花岗岩及变质岩,砾径多为2～5 cm,大者可超过5 cm,分选差至较差。滞留沉积位于河流沉积旋回底部,与下伏延安组细碎屑岩之间具有明显的冲刷面(图2g),测井曲线呈底部突变型箱形(图3),之上往往发育心滩。滞留沉积在彬长地区很常见,砂砾岩层较厚,范围广。

心滩沉积是研究区直罗组下段的主砂体。岩性以中、粗砂岩为主,具有大型槽状或板状交错层理。心滩在垂向上呈透镜状或板状。在垂向沉积序列上表现为多个不明显的正韵律结构或突变正韵律结构。由于河道频繁摆动与冲刷,上一期沉积的泥岩层常被破坏并搬运至下游,因此,心滩内部仅保留了粗粒沉积物。测井曲线多呈中、高幅箱形或齿化箱形。

泛滥平原沉积岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩,常见水平层理。该沉积微相在本区普遍发育,电阻率曲线常呈指状或齿形、并显低值。

3.2 砂体及沉积展布特征

3.2.1 沉积连井剖面特征

在岩性岩相特征分析的基础上,为恢复直罗期古沉积环境,确定沉积环境的时空分布及演化,查明含氧含铀水的通道及河道砂体空间展布(邱余波等,2014),绘制了两条沉积相剖面(图4)。

PM1号剖面总体为南北向,大体贯穿了直罗组下段的主河道。砂体厚度为10～30 m,含砂率为50%～60%,不同期次的河道砂体在纵向上相互切割叠置,横向上呈“泛连通”体。PM2号剖面总体方位为东西向,贯穿全区。中部的 ZK115孔至 ZK94-1孔显示直罗组下段砂体厚度大,含砂率高,砂体横向连通性较好,应为辫状河主河道。西部ZK149孔至ZK135孔显示直罗组下段砂体向西明显减薄,逐渐过渡为泛滥平原沉积,即砂体层系变薄,粒度变小。东部ZK83孔至Bj-2孔显示直罗组下段由于受晚侏罗世构造抬升运动和前直罗系古地貌影响,向东直接与宜君组砾岩所接触。直罗组上段中下部主要以泥岩、粉砂岩为主,夹薄层沙坝或河道砂体,砂体横向连通性差,为曲流河相沉积。上段顶部主要为含灰绿色斑点棕红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩,由曲流河相逐渐过渡为滨浅湖相沉积。

3.2.2 砂体及沉积展布特征

采用单因素分析多因素综合制图的思路(冯增昭,2004),对研究区400余口煤田和核工业钻孔的资料进行整理,结合钻孔岩芯编录、地球物理测井相分析等方法,编制了研究区直罗组下段厚度图(图5)、砂体厚度图(图6)、含砂率图(图7)及沉积相图(图8)。结果显示,区内直罗组下段厚度介于5～80 m,多集中在20～50 m,可见在直罗早期,该区发育一条近南北向的河道,而在长武南部和彬州永乐、新民一带沉积变薄,以泛滥平原沉积为主 (图5)。

图5 直罗组下段厚度等值线图

图6 直罗组下段砂体厚度等值线图

图7 直罗组下段含砂率等值线图

图8 直罗组下段沉积相图

彬长地区直罗组下段砂体平面上呈“十”字形展布,基本继承了直罗组下段的展布特征,主砂体呈北北西向自彬州水口一带延伸至长武东部相公—景家河一带,宽为5～10 km,在大佛寺一带主砂体分叉呈北东向延伸至永乐一带。在西部巨家—路家、邵寨—水口也发育厚度相对较薄的砂带(图6)。从砂体厚度变化来看,直罗组沉积早期有来自西南、南部秦岭地区的物源供给。

直罗组下段骨架砂体厚度一般为10～45 m、含砂率一般为20%～70% (图6,7)。在相图编制时,选取砂体厚度大于20 m,砂地比值大于50的区域作为辫状河河道亚相。一般而言,辫状河相砂体叠加厚度较大地区是河道经常流经区域,砂岩较厚带的分布及变化侧面反映了沉积物物源方向和沉积体系展布特征 (焦养泉等,2006;赵俊峰等,2008)。

4 沉积特征与铀成矿关系

研究发现,沉积盆地中的大型骨架砂体是砂岩型铀矿赖以发育的先决条件,通常可以构成大规模的地下水流动系统,其不仅为铀成矿流体提供输导通道,同时也提供铀的储存空间(黄世杰,2018;焦养泉等,2005b,2007;张磊,2022)。大量勘查实践表明,能构成适合砂岩型铀矿发育的骨架砂体的沉积体系类型也是有限的,且成因相对单一,通常以辫状河相、辫状河三角洲相沉积体系为主(焦养泉等,2005b,2006;吴仁贵等,2005;陈路路等,2014;陈戴生等,2006)。沉积体系中的骨架砂体厚度、渗透性、连通性、非均质性等特征在一定程度上制约着砂岩型铀矿的成矿(焦养泉等,2005b)。

彬长地区直罗组下段主砂体主要由辫状河相心滩亚相构成,砂体垂向上相互切割叠置,厚度较大,横向上延伸稳定,渗透性好,呈“泛连通”;其下伏延安组为湖沼相细碎屑岩或煤层沉积,上覆直罗组上段曲流河相、滨浅湖相沉积,区域上构成了稳定的“泥-砂-泥”结构,是铀成矿的有利条件之一。

通过综合编图研究发现,区内直罗组下段砂体厚度相对低值区出现在该区长武南部和彬州炭店一带,厚度通常小于25 m,而铀矿化主要产于砂体厚度介于15～45 m的砂区,尤其是砂体厚度变异部位。区内砂体具有自西向东厚度呈“薄-厚-薄”展布的特征。厚大砂体发育在彬州—长武一带,呈北北西向展布,主砂体基本由厚度大于20 m 的砂体相连。通过对以上砂体厚度与已知铀矿体的空间配置分析,认为由宽而厚的砂体向窄而薄的砂体的过渡部位或者分岔处是铀矿化富集的有利区;铀成矿砂体的最佳含砂率值为60%～85%,主要位于含砂率中等偏高的骨架砂体的边缘部位。平面上铀矿化主要分布于辫状河道主砂体变异部位(图8)。分析认为,在铀成矿初期含氧含铀水沿层间砂体向前向下渗入过程中,砂体厚度变异部位或者是河道交汊改道部位地下水动力、砂体粒度分选性、均质性、有机质含量等参数发生变化,引起物理场、化学场发生变异,使铀沉淀富集成矿。

5 沉积演化与铀成矿的关系

在印支运动的作用下,盆地南部前侏罗系发生了褶皱变形,形成了隆凹相间、凹中有凸的地理格局。这些古构造对聚煤作用在空间分布上具有明显的控制作用,在凹陷内除一些凸起外,普遍沉积了含煤地层,其上覆直罗组下段砂体发育也较厚,剖面上呈下切谷(图4);在凸起区一般不含煤层,相应的直罗组下段沉积厚度变薄,砂体不甚发育。另外,延安组各段的沉积中心与印支期基底构造的向斜分布一致,证明该区早中侏罗统沉积时地层在前侏罗系地形地貌的基础上具有一定的继承性。

直罗早期,鄂尔多斯盆地受燕山构造运动影响,南部秦岭构造带抬升幅度较大,使盆地表现为不均衡的整体抬升,对中侏罗统延安组造成不同程度的剥蚀,其中延安组第Ⅴ岩段在盆地南部基本剥蚀殆尽(王双明,2017)。此时盆地南部的古地貌呈现出西高东低的特征(张倩,2017;刘枢,1982;张三科,1995),在此基础上直罗早期河流下切、侵蚀,沉积了一套厚度稳定的辫状河相砂体,这为层间氧化带的发育及铀沉淀富集提供了有利的空间。

直罗早期到中晚期是一个气候由温暖湿润向干旱炎热逐渐转化的过程,而直罗组下段广泛发育的辫状河砂体在这个过程中极易受到后生氧化改造,形成下部还原上部氧化(上红下灰)的特点。焦养泉等(2021)认为延安组含煤建造很大程度上控制了还原区域,同沉积期微弱聚煤作用和成岩期煤化作用为上覆砂体提供了还原性流体,同时也为成矿期后的二次还原改造和保矿提供了主要地质营力。此外,隆起、背斜这种正地貌又是油气藏有利的储集场所,往往配合着张性构造裂隙,对上部的地层也会进行还原改造。无论是下部的含煤建造还是三叠统的含油岩系都会将早期形成的上部氧化砂体(红)改造为还原砂体(绿),自下而上形成“灰-灰绿-红”色的垂向结构,这也是彬长地区直罗组下段砂体的一个典型地球化学特征。

从伽马异常等值线看出,所有的异常等值线分布区均与隆起区或是背斜凸起关系密切,多处于凹陷内凸起区至凹处之间的斜坡带(图9)。故聚煤凹陷内的含煤区也是铀成矿的有利条件之一,因而在远景区预测时也应考虑含煤凹陷区域。

图9 构造与伽马异常配置图

在晚侏罗世,盆地东南缘抬升作用明显,长期处于隆升剥蚀阶段,尤其是隆起区直罗组上段甚至剥蚀殆尽,直接暴露于地表,在气候干旱炎热的情况下,含氧的大气降水顺隆起剥蚀区汇入,在局部地段也可对直罗组下段砂体形成一期氧化改造作用。

6 结论

(1)鄂尔多斯盆地南部彬长地区直罗组下段发育砂质辫状河相沉积,主体为一近南北向发育的河道,砂体自西向东呈“薄-厚-薄”的特征,厚度介于5～80 m,河道处多集中在20～50 m,骨架砂体厚度10～45 m,含砂率一般为20%～70%。

(2)直罗组下段辫状河相是铀矿化最有利的相带。由宽而厚的砂体向窄而薄的砂体的过渡部位或者分岔处是铀矿化富集的有利区;铀成矿砂体的最佳含砂率值为60%～85%,主要位于含砂率中等偏高的骨架砂体的边缘部位。平面上铀矿化主要分布于辫状河道主砂体内变异部位。

(3)印支运动对聚煤作用在空间分布上具有明显的控制作用。在凹陷内含煤区以及隆起、背斜等正地貌一定程度上配合下部油气对直罗组下段砂体具有还原改造作用。