鄂尔多斯盆地南部彬州地区直罗组铀储层粒度特征与古水动力学意义

2023-12-09王奇辉周伟武正乾冯博赵友东王晓鹏

铀矿地质 2023年6期

王奇辉，周伟，武正乾，冯博，赵友东，王晓鹏

（核工业二〇三研究所，陕西西安 710000）

近年来，随着鄂尔多斯盆地北部一系列大型、超大型砂岩型铀矿的发现，与北部铀成矿条件相似的盆地南部已经成为相关地质单位和学者关注的焦点。鄂尔多斯盆地南部作为近年来砂岩型铀矿勘查的重点区域，勘探实践表明，彬州地区目前已落实中型矿产地一处，具有较好的成矿潜力。前人对该地区的研究成果，为该区内的找矿工作奠定了基础［1-4］。铀储层不仅能提供铀成矿流体的运移空间，同时也为铀矿的存储提供了空间［5-6］，但目前针对该区铀储层空间分布与古水动力学研究程度偏低，成为制约该地区铀矿勘查工作取得突破的关键问题。因此，针对铀储层的粒度特征与古水动力学意义的研究显得尤为重要。

本文以彬州地区直罗组下段铀储层为研究对象，结合研究区内钻孔资料，通过统计学原理，对中侏罗统直罗组下段铀储层砂体厚度进行统计并绘图，明确研究区铀储层的空间分布特征，依据野外露头、钻孔岩心等资料，对铀储层沉积环境进行初步识别，应用激光粒度分析仪法对直罗组铀储层进行粒度分析，以C-M图、累积概率曲线图、频率直方图、粒度参数散点图为主要依据，探讨沉积物的搬运方式、水动力条件和沉积环境等，并进一步分析了古水动力特征，为该地区铀成矿沉积条件和铀矿找矿工作提供一定帮助。

1 区域地质概况

研究区位于鄂尔多斯盆地南部陕西旬邑县-彬州-长武县一带，行政上隶属陕西省咸阳市管辖，涉及陕西省旬邑、彬州、长武等县区。

构造上，研究区位于鄂尔多斯盆地南部渭北隆起西北部与陕北斜坡的接触过渡区，中生界盖层总体构成向北西缓倾的大型单斜构造，在此单斜之上存在一些宽缓而不连续的褶皱，褶皱大多以背斜形式出现，背斜在彬州一带呈近东西向，南翼较缓，一般为5°～10°，北翼较陡，一般在15°～20°。构造环境总体较为稳定，断裂及岩浆岩不发育，与盆地北缘东胜产铀地区构造环境相类似。区内地层由古生代基底和中新生代盖层构成，其中古生代基底主要为寒武系、奥陶系、石炭系、志留系、二叠系，中新生代地层主要由三叠系、侏罗系、白垩系、新近系以及第四系陆相粗碎屑沉积组成，钻孔自上而下主要揭露第四系、新近系、白垩系环河组、洛河组、宜君组、侏罗系安定组、直罗组、延安组、富县组、三叠系延长组等地层［7-8］，其中中侏罗统直罗组为区内主要铀储层（图1）。

图1 研究区地质图（a）和鄂尔多斯盆地构造单元分布图（b）Fig.1 Geological map of the study area（a）and its location in of Ordos basin（b）

2 样品采集与处理

研究区内直罗组铀成矿条件较好，根据多年来钻探查证发现了大面积铀矿化和异常。鉴于此，选择区内成矿效果较好的钻孔，结合钻孔分层信息和野外地质编录情况进行取样研究。共计采取研究区钻孔粒度样品33 件，样品基本涵盖了彬州地区铀储层的空间分布特征。

样品的处理和测试工作委托北京远洋环宇石油技术有限公司完成，实验过程主要包括样品预处理、样品制备等，具体不作详细论述，本测试采用激光法与筛分法相结合的方法对碎屑岩样品进行粒度测试。对于粒径小于2 000 微米的颗粒，采用激光法；对于粒径大于2 000 微米的岩石颗粒，采用筛分法进行分析。测试仪器为激光粒度仪MS2000，并以我国石油天然气行业标准SY/T 5434—2018《碎屑岩粒度分析方法》作为检测依据，通过Grapher 3软件对数据进行处理，得出直方图和累计概率曲线，并计算出粒度参数：平均粒径（Mz），标准偏差（σ），偏度（Sk），峰度（KG），本文采用Fork的粒度参数公式，通过相关参数对铀储层粒度特征进行分析。

3 沉积-岩石学特征

直罗组下段铀储层岩性以灰色、浅灰绿色粗砂岩、含砾粗砂岩为主，底界面一般发育较明显的冲刷面，一般发育底砾岩、含砾粗砂岩，其内部以含粗大的植物碎屑、炭屑、泥砾和发育大型槽状交错层理为主要特征（图2a、b、c），局部夹泥岩细粒沉积物（图2d）。砂岩矿物碎屑成分以石英为主、长石次之，并含少量云母，岩屑以变质岩类、花岗岩类为主。砾石成分以细-粗砾的石英颗粒为主；分选性以中等为主，碎屑颗粒磨圆度呈次棱角状-次圆状，碳酸盐含量一般为Ⅰ级，岩石固结程度较疏松；孔隙度介于5.02%～24.78%之间，多数大于15%，为中高孔隙度。渗透率变化范围较大，最小值0.001 mD，最大值54.33 mD，平均值7.94 mD，属中低渗透率。综上分析，直罗组下段铀储层具有河流沉积特征。

图2 研究区直罗组下段铀储层沉积-岩石学特征Fig 2 Sedimentary structural characteristics of uranium reservoir in the lower member of Zhiluo formation in study area

4 粒度特征分析

粒度分析很早就被广泛应用于沉积学的研究，特别是近年来，逐渐发展成为沉积环境研究的重要方法之一［9-14］。G.S.Visher［15］对现代和古代不同沉积环境的砂和砂岩的粒度概率曲线进行了研究，取得了各种环境的典型曲线，为沉积分析提供了丰富的资料。通过沉积物粒度分析，不仅推断其搬运介质、搬运方式的变化，而且还可判断沉积物的来源，解释沉积分异作用，判别古沉积相和环境。沉积物的粒度与水动力条件有着密切的关系，粒度大小是受流水作用应力强度控制的，与沉积物形成的环境关系极为密切。因此，粒度分析的资料，广泛用来研究沉积岩的成因，作为研究沉积环境的方法之一［16-17］。样品粒度参数与沉积物的形成环境有很好的相关性。经常使用的粒度参数有粒度平均值、分选系数、偏度及峰态。粒度平均值反映沉积物粒度分布的中心趋势和沉积介质的平均动能；标准偏差反映样品粒级的分散和集中情况及代表样品相对平均粒径的分散程度，用来定量地解释样品的分选性；偏度反映中枢的相对位置偏度与沉积环境有一定的关系，构成悬浮体细粒部分的变化对粒度分布的偏度有很大影响；峰度反映曲线峰的宽窄和尖锐程度，是频率曲线尾部展开度与中部展开度之比，在剖面或区域上系统地研究粒度平均值的变化情况，可以了解物质来源和沉积环境的变化。

4.1 铀储层粒度参数特征

直罗组下段样品的粒度参数特征为：平均粒径（Mz）范围为1.450～3.725；标准偏差（σ）范围为1.631～5.458，分选为差-极差；偏度（Sk）为0.256～0.622，主要以正偏态-很正偏态为主，变化范围较大，频率直方图以马鞍形为主，峰度（KG）在0.696～1.543 之间，变化较大，均证明其沉积期物源多样（图3）。

图3 直罗组下段铀储层典型粒度频率直方图Fig.3 Histogram of typical particle size frequency of uranium reservoir in the lower member of Zhiluo formation

样品粒度参数特征表明彬州地区在中侏罗统直罗组下段铀储层具较为典型的河流沉积物特征，其样品多以分选差-极差表明直罗组铀储层沉积期物源多样，同时堆积埋藏速度快，且具有靠近物源、水流能量较高的特点，而受河水冲刷改造小，因此粒度变化大、分选差，由于河流砂砾中常掺有黏土、粉砂等悬浮物，故河流一般为正偏，峰度变化也比较大。

4.2 铀储层概率曲线特征

研究区直罗组下段样品共计33 件，其中概率曲线基本为典型的“三段式”或“二段式”，在“三段式”概率曲线中，最为发育的为滚动总体（40%～60%），跳跃总体（20%～30%）和悬浮总体（10%～30%）为次总体，跳跃总体和悬浮总体缓慢过渡而无明显转折点，整体呈圆缓上拱的弧形，在“二段式”概率曲线中，最为发育的为悬浮总体（约60%），跳跃总体（约40%）为次总体，反映了直罗组下段铀储层砂体具牵引流的基本粒度特征（图4）。

图4 直罗组下段铀储层典型粒度概率累积曲线图Fig.4 Cumulative probability curve of typical particle size of uranium reservoir in the lower member of Zhiluo formation

图5 鄂尔多斯盆地南部彬州地区直罗组下段古水动力图Fig.5 Paleo-hydrodynamic map of the low member of Zhiluo formation in Binzhou area，southern Ordos basin

5 沉积体系与古水动力特征及空间分布规律

5.1 沉积体系类型及空间分布规律

通过沉积-岩石学特征及粒度分析，结合野外露头观察、钻孔岩心编录、沉积编图等工作，表明直罗组下段沉积期，盆地周缘地貌高差较大，古气候继承了延安组沉积时期温暖湿润的古气候环境，来自南部及西南部的沉积物源供应充足，沉积粒度较粗。河道充填以河道底部滞留沉积和河道多期次冲刷为特色。对直罗组下段单孔垂向序列进行分析，垂向上表现为4-5 层正韵律砂体的多期次叠置，粒度以含砾粗砂岩、细砾岩为主。泛滥平原发育规模有限，主要分布于河道两侧地势低洼的地带，往往和决口扇以及越岸沉积共生，沉积物以泥岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩或者粉砂岩为主，有机质含量较高。研究区直罗组下段铀储层沉积体系类型为辫状河沉积体系。

对研究区收集的煤田及铀矿项目钻孔资料进行统计分析，明确彬州地区直罗组下段（J2z1）铀储层砂体空间分布规律。彬州-长武地区直罗组下段砂体厚度1.8～42.60 m，平均厚度17.20 m，变化浮动较大，变化系数0.59，说明砂体稳定性略差。平面上，砂体自南东向北西呈不规则带状展布，砂体厚度南侧厚北侧薄，两个高值区（砂体厚度大于20 m）呈长条带状由南东向北西方向延伸，厚度逐渐变薄，在中部朱家山偏西部位连通后再次分岔继续向近北方向展布；中西部、东北部、东南部3个低值区（砂体厚度小于10 m）分布不连续，被高值区所分隔，另有数个呈孤岛状展布的低值区发育在高值区内。彬州地区直罗组下段铀储层砂体广泛发育，宽度10～20 km，长度大于50 km，景家河以南水口-胡家河地区发育近南北向铀储层砂体，该段可细分为水口-鸭河湾、朱家山-鸭河湾两部分，皆从南东向北西方向延伸。在研究区北部景家河地段存在自西向东展布的连续厚大砂体（砂体厚度大于20 m）。由此，将研究区铀储层分为水口-胡家河地区近南北向铀储层砂体和景家河地段东西向铀储层砂体。

5.2 古水动力特征分析及沉积环境指示意义

直罗组下段样品的C-M 图存在PQ 段和QR 段，主要集中于QR 段上部，缺少RS 段，反映了辫状河道的C-M 特征，沉积物主要是呈跳跃方式搬运的，少量呈滚动方式搬运（图6）。其中，PQ 段C 值在−2 到−1.5 之间，反映C 值小（或粒度大），说明水流速度快，牵引力大，代表河床底部沉积；QR 段C 值在0.5 到−1 之间，并与M值呈比例变化，代表河道砂坝沉积；RS 段不发育可能是由于水流作用强，细粒悬浮难以下沉，表明直罗组下段时期，河流的水动力为中等，这些特征和前述概率图是吻合的。就河道而言，底部的水动力要强于河道上部，并沿主流线向两侧开始减弱。

图6 直罗组下段铀储层C-M 图Fig.6 C-M diagram of uranium reservoir in lower member of Zhiluo formation

结合研究区直罗组下段铀储层空间分布特征，对研究区粒度参数特征及概率曲线特征进一步分析可得出彬州地区直罗组下段铀储层沉积期古水动力图（图5），结合图3 分析，样品位置自南向北分别为ZK128-1、ZK36-1、ZK0-1、ZK251-1，根据频率直方图可看出，水口-胡家河铀储层砂体自南向北样本细粒成分占比逐渐增大，证明彬州地区水口-胡家河铀储层砂体沉积时水动力自南向北逐渐有减弱趋势。由图4 可见，景家河铀储层砂体东侧ZK180-1 较西侧ZK251-1 悬浮总体增多，表明景家河铀储层砂体水动力自西向东有减弱趋势，南北向铀储层（ZK1-1、ZK3-1）以“三段式”为主，景家河地区东西向铀储层（ZK251-1、ZK180-1）以“二段式”为主，总体相比，景家河地区铀储层较水口-胡家河铀储层沉积期悬浮总体增多，跳跃总体减少，牵引总体消失，佐证了南北向水口-胡家河铀储层砂体形成期河流搬运能力要高于东西向景家河地区铀储层河流。