鄂尔多斯盆地南部宁县新华地区直罗组沉积特征及铀成矿条件分析

2024-02-01刘凯鹏王晓鹏武正乾冯博毛宁

铀矿地质 2024年1期

刘凯鹏，王晓鹏，武正乾，冯博，毛宁

（核工业二〇三研究所，陕西西安 710086）

鄂尔多斯盆地目前是我国最大的砂岩型产铀盆地之一，已查明的砂岩型铀矿大多富集于中侏罗统直罗组，前人先后在盆地东北部落实了皂火壕、纳岭沟、柴登壕、大营、巴音青格利等一系列特大型、大型铀矿床，在盆地西部落实了磁窑堡中型铀矿床，在盆地南部发现了双龙铀矿床以及鸭河湾铀矿产地、建庄、焦坪等众多铀矿化点，显示出中侏罗统直罗组巨大的找矿潜力。相较盆地北部而言，盆地南部直罗组研究还是较为薄弱，重点研究区主要集中盆地东南缘，针对双龙-店头地区铀矿地质特征、沉积相特征、成岩作用、流体包裹特征以及其与北部东胜地区的对比［1-6］，双龙铀矿床后生蚀变特征、成矿机制［7-8］，彬县地区古地貌［9］、沉积相特征［10］、后生蚀变特征［11］以及南缘直罗组、洛河组物源［12-13］等方面进行了研究。前人勘探工作和研究主要针对鄂尔多斯盆地盆缘开展，随着勘探程度不断加深，盆地内部或盆地深部的铀成矿条件亟需进行综合分析和研究。随着勘查工作的进行，盆地南部宁县地区已成为中侏罗统直罗组勘查的重点区带，新华地区又为宁县地区重点地区。因此，本文以宁县南部新华地区直罗组为研究对象，通过岩心观察、沉积相划分及测井资料分析，对直罗组砂体展布特征、层间氧化带发育情况进行研究，综合分析成矿条件，明确下一步勘查重点目标区，为后续勘查工作提供指导。

1 区域地质背景

新华地区地处鄂尔多斯盆地南部，构造位置位于渭北挠褶带北缘，天环向斜东翼庆阳单斜南部（图1a），呈北西向的平缓单斜构造。区内黄土覆盖严重，未见到地层出露，钻孔编录发现，该地区中-新生代地层自下而上主要为上三叠统延长组、下侏罗统富县组、中侏罗统延安组、直罗组、下白垩统宜君组、洛河组、环河组及第四系。其中，中侏罗统直罗组与下伏延安组为平行不整合接触，与上覆下白垩统宜君组为角度不整合接触。区内发育3 条北东向背向斜构造（图1b），分别为：邓家背斜、乔家庙向斜以及罗家堡背斜，背向斜两翼地层倾角极缓，局部可见次一级褶曲构造。

图1 鄂尔多斯盆地西南部构造简图（a）及研究区构造略图（b）Fig.1 Structural sketch of the southwestern Ordos Basin（a）and the study area（b）

2 直罗组垂向沉积特征

通过岩心观察、沉积构造识别和测井资料综合分析，认为新华地区直罗组上段为曲流河相沉积，进一步可分为河道、边滩、天然堤以及河漫滩微相沉积；直罗组下段为辫状河沉积，可分为河道、心滩、泛滥平原微相沉积（图2）。

图2 新华地区ZKB163-2 孔综合直罗组柱状图Fig.2 Comprehensive column of borehole ZKB163-2 of Zhiluo Formation in Xinhua area

2.1 直罗组上段沉积特征

直罗组上段为曲流河相沉积。曲流河具有高弯曲度、侧向迁移较弱以及宽深比小的特征，河道迁移过程中侵蚀加积作用明显，边滩发育，垂向上表现为“泥夹砂”二元结构。新华地区直罗组上段可进一步分为河道、边滩、天然堤以及河漫滩4 个沉积微相。河漫滩是洪水期河床外侧垂向加积形成的，主要以褐红色粉砂质泥岩、泥岩为主（图3a），发育水平层理；天然堤是河水越过河岸，携带的悬浮物沉积形成的，岩性主要为紫红色、褐红色泥岩夹紫红色、灰绿色细砂岩（图3b），测井曲线表现为伽马、电阻率曲线呈锯齿状，自然电位曲线呈箱形锯齿状，井径曲线在泥岩处扩径明显；边滩是曲流河河道迁移及侧向加积形成的，岩性主要为褐红色、紫红色粉砂质泥岩、砂质泥岩，局部可见少量砾石，可见滑塌构造，测井曲线表现为伽马曲线呈中幅齿化钟型，顶部渐变，底部突变，电阻率、自然电位曲线呈箱形锯齿状；河道沉积以褐红色、紫红色含砾粗砂岩、中砂岩沉积为主，发育大型槽状交错层理、褐铁矿化斑点（图3c、d），具冲刷面构造，单层砂体厚4～8 m，横向连续性较差，测井曲线表现为伽马曲线呈锯齿状，电阻率曲线呈钟形，自然电位呈箱状负异常，井径曲线表现为缩径。

图3 新华地区直罗组岩心照片Fig.3 Photos of cores in Zhiluo Formation in Xinhua area

2.2 直罗组下段沉积特征

直罗组下段为辫状河相沉积。辫状河具有低弯曲度、侧向迁移频繁、荷载大及宽深比大的特征，心滩发育，垂向上表现为“砂夹泥”二元结构，砂体连通性较好。新华地区直罗组下段可分为河道滞留沉积、心滩及泛滥平原3 个沉积微相。泛滥平原是洪水期在河道外平坦地带形成的细粒沉积，岩性主要为泥岩、粉砂岩（图3e），发育水平层理、波状层理，测井曲线上表现为伽马曲线呈齿化箱形，电阻率曲线呈低幅度箱形，自然电位曲线呈微齿状柱形，井径曲线呈中-高幅度齿形；心滩发育在河道滞留沉积之上，是辫状河中最发育的微相，由粗砂岩快速突变为泥岩，发育冲刷面（图3f），砂体单层厚3～8 m，水平连通性差，颜色主要为灰绿色、灰色，可见绿泥石化、高岭土化蚀变，发育槽状交错层理，测井曲线上表现为电阻率曲线呈中-低幅度齿化箱形，自然电位、井径曲线呈微齿状柱形；河道滞留沉积为强水动力条件下多套砂体相互堆叠形成的，以中粗砂岩为主，底部可见底砾岩沉积（图3g），自下而上发育多个下粗上细的正粒序旋回，单层砂体厚20～30 m，砂岩中可见大量炭屑、泥砾、团块状黄铁矿以及中等高岭土化（图3h、i），发育槽状交错层理、板状交错层理，与下伏泥岩呈冲刷接触，测井曲线表现为伽马曲线呈箱形，由于局部砂岩中存在铀异常显示呈高幅度齿形，电阻率曲线顶低突变为中-高幅度呈齿化钟形，自然电位、井径曲线呈顶底突变的箱状负异常，与上下泥岩相比缩径明显，显示出明显的冲刷剥蚀特征。

2.3 直罗组有利沉积相类型

砂岩型铀矿受沉积相展布控制。新华地区直罗组砂岩主要集中在上段曲流河河道、下段辫状河河道及心滩沉积。直罗组上段曲流河河道沉积砂体厚度较薄，多呈透镜状，连续性差，呈孤立状分布，很难形成带状分布的层间氧化带，不利于铀富集成矿。直罗组下段辫状河河道沉积砂体厚度较大，连通性较好，砂体以粗碎屑沉积为主，具有良好的渗透性，有利于后期含氧水的渗入，形成大规模、连续性好的层间氧化带。心滩沉积砂体厚度适中，但是砂体中泥岩隔水层较多，这就限制了层间氧化带的形成，制约成矿规模。总而言之，直罗组下段辫状河河道沉积为新华地区最有利的沉积相带，心滩次之。前期勘查也在直罗组底部辫状河河道砂体中发现了铀矿化线索。

3 直罗组平面分布特征

通过对研究区内140 口钻井进行分析、统计，绘制了直罗组埋深等值线图、厚度等值线图、沉积相等图件（图4、5）。

图4 新华地区直罗组埋深、厚度等值线图Fig.4 Contour map of burial depth and thickness of Zhiluo Formation in Xinhua area

3.1 直罗组展布特征

新华地区直罗组埋深在649～1 110 m 之间（图4a），这与新华地区第四系黄土覆盖有关，第四系厚度为12～248 m，马莲河附近第四系黄土覆盖较少，故埋深较浅，在米家沟—冯家河—南车坪地区埋深在700～800 m 之间，向两侧埋深逐渐增大，在西北部店头赵村—白店、东北部老庄地区埋深大于1 000 m，为研究区埋深最大区域。直罗组地层厚度在37～158 m 之间（图4b），整体表现为北部厚，南部薄，呈北西向、北东向展布，在西北部崔家岭—店头赵村、白店—新华乡—冯家河、东部部西华村—政平乡—老庄一带厚度大于70 m，在崔家岭南部、冯家河西北部、西华村西南部一带沉积厚度大于100 m，向南逐渐减薄，沉积厚度小于40 m。

3.2 直罗组上段展布特征

直罗组上部地层厚度变化较大，在0～54 m之间，南部呈南北向展布，北部呈北东向展布，局部遭受剥蚀，沉积厚度为0 m（图4c）。在西华村—政平乡—老庄以及崔家岭西部一带沉积厚度大于40 m，在勋家山—崔家岭—店头赵村、新华乡东部、政平乡南部一带，沉积厚度小10 m，向两侧沉积厚度逐渐增加。在白店东南部、新华乡西部、米家沟西部—新华乡—冯家河—老庄西部一带，直罗组上段沉积厚度为0 m，这是由于后期构造作用，使得直罗组地层局部抬升，直罗组上段遭受剥蚀形成的。

3.3 直罗组下段展布特征

直罗组下段地层厚度在20～74 m 之间，整体呈西北厚，东南薄（图4d）。在崔家岭—新华乡—冯家河—西华村—老庄以北一带直罗组下段地层厚度大于40 m，以南沉积厚度逐渐减小，小于30 m，在米家沟附近沉积厚度略有所增大。

直罗组下段作为主要含矿层，其砂体厚度在8～51 m 之间，呈西厚东薄、北厚南薄，变化较快，非均质性较强（图5a）。在勋家山—崔家岭—白店—店头赵村一带厚度大于30 m，呈南北向带状展布，向东逐渐变薄，在冯家河、老庄地区发育一些厚度在20～30 m 之间的小朵体。从含砂率等值线图中可以看出（图5b），含砂率大于50%的砂体呈南北向、东西向带状展布，在店头赵村—崔家岭—白店—新华乡—勋家山一带发育南北向的主河道，含砂率在60%～80%之间，崔家岭—新华乡一带含砂率大于80%；在新华乡—冯家河—西华村—老庄一带发育东西向的次级主干河道，含砂率在50%～60%之间。结合砂体厚度等值线图，新华地区直罗组下段主干河道沿店头赵村—白店—崔家岭—勋家山一带呈南北向展布。

图5 新华地区直罗组下段砂体厚度/m（a）、含砂率/%（b）、沉积相（c）以及氧化率/%（d）展布图Fig.5 Distribution map of sandbody thickness（m）（a），percentage（%）（b），sedimentary facies（c）and oxidation rate（%）（d）of the lower member of Zhiluo Formation in Xinhua area

3.4 直罗组下段平面沉积相分布特征

结合新华地区直罗组下段砂体厚度等值线图（图5a）、含砂率等值线图（图5b）作直罗组下段沉积相图（图5c），从图中可以看出，直罗组下段发育南北向、东西向的辫状河河道，其中南北向主干河道主要位于店头赵村、白店一带，在崔家岭—勋家山一带汇合为一条河道，东西向主干河道位于崔家岭—新华乡—冯家河—老庄一带，东西向、南北向主干河道在崔家岭东部汇合；泛滥平原相主要为位于东南部颉家村—米家沟—政平乡一带。

前人对鄂尔多斯盆地直罗组沉积演化、古水流及沉积物源进行了研究，罗伟［14］认为盆地南部存在两条主干河道，一条南北向，位于银川—马家滩—惠安堡—吴旗一带，沉积物源为华北板块北缘和阿拉善地块东部的花岗岩，另一条为东西向，位于平凉—庆阳一带，沉积物源为北祁连造山带花岗岩；雷开宇等［12］认为盆地南部黄陵地区直罗组沉积物源来自于西北部阿拉善地块的中酸性侵入岩及变质岩，彬县地区直罗组成矿铀源应该主要来自西部的北-中祁连造山带及南部的北秦龄造山带两方面的供给；徐阳［7］认为直罗期西北部河流最发育，沉积碎屑的来源很可能是来自西北部。新华地区位于庆阳以南，彬县以北，发育南北向、东西向辫状河河道。

4 后生蚀变特征

4.1 氧化带展布特征

直罗组下段作为新华地区铀成矿有利相带，对直罗组下段砂体氧化率进行了统计作图（图5d），从氧化率等值线图中可以看出，新华地区氧化砂岩厚度在2～48 m，氧化率主要集中在10%～100%之间，展布方向与含砂率等值线基本一致，呈带状展布，变化较快，氧化非均质性较强，氧化水从北西向南东向流动，具体可以分为4 个带：店头赵村—崔家岭—勋家山南北向展布带、白店—南车坪北东向展布带、崔家岭—新华乡—政平乡东西向展布带以及新华乡—米家沟南西向展布带，崔家岭一带为4 条氧化带交汇地带。崔家岭东部、白店东北部以及新华乡东一带氧化率可达75%～100%，对比直罗组上段地层厚度等值线图与直罗组下段氧化率等值线图可以看出（图4c、5d），这些氧化率高的区域是直罗组上段地层较薄或者是遭受剥蚀沉积厚度为0 的区域，这是由于构造活动使得直罗组上段地层局部抬升后遭受剥蚀，形成构造天窗，直罗组下段暴露地表，含氧水沿着构造天窗运移，直罗组下段砂岩受到氧化改造，形成层间氧化带，使得直罗组下段氧化率在构造天窗附近显著增高。

在研究区南部彬县地区勘查中也发现了这一点，从彬县地区南东向剖面图中可以看出（图6），在直罗组上段沉积厚度较薄或者未沉积的部位是层间氧化发育的有利部位，含氧水沿着直罗组上段构造天窗向两侧运移，在灰绿色与灰色砂岩界面形成铀矿化，随着直罗组上段厚度增大，氧化作用逐渐减弱，直罗组上段缺失地区为氧化率最高区域。

图6 新华南部彬县地区地层厚度与氧化关系图Fig.6 Relationship between formation thickness and oxidation in Binxian County，south of Xinhua

4.2 煤田异常与氧化带关系

对宁县新华地区直罗组下段自然伽马异常进行统计发现，埋深850～1 070 m，厚度为0.5～2.5 m，自然伽马异常为548～2 130 API（表1），伽马异常呈东西向、南北向带状展布，位于邓家背斜与罗家堡背斜之间，沿乔家庙向斜分布（图7）。其中，白店—崔家岭—颉家村一带呈南北向展布，冯家河—西华村—老庄呈东西向展布，伽马异常展布与直罗组下段砂体展布、氧化带展布方向一致，主要分布在辫状河河道内氧化率大于25%的区域。

表1 新华地区直罗组下段煤田自然伽马异常统计表Table 1 Statistics of natural gamma anomalies of coal field in the lower member of Zhiluo Formation in Xinhua area

图7 新华地区煤田伽马异常与氧化带、沉积相展布关系图Fig.7 The relationship between gamma anomaly，oxidation zone and sedimentary facies distribution in the coal field in Xinhua area

5 铀成矿条件分析

新华地区位于天环向斜东翼庆阳单斜南部，区内构造发育，可见北东向的背向斜构造，存在构造隆起带，形成构造天窗，使得直罗组下段暴露地表，含氧水沿着南北向河道运移，形成层间氧化带。

直罗组下段主要为辫状河相沉积，在研究区西部勋家山—崔家岭—白店—店头赵村一带砂体稳定，厚度大于30 m，发育近南北向的主河道，含砂率大于60%，在崔家岭以西含砂率可达80%～90%，以中-粗砂岩沉积为主，有利于后期氧化水沿河道渗流，形成层间氧化带。直罗组底部砂岩中富含炭化植物碎屑、黄铁矿等还原物质，并且由于直罗组辫状河河道的下切作用使得延安组顶部遭受剥蚀［15］，局部地区直罗组砂岩与延安组富含还原物质的煤层、碳质泥岩直接接触，而这种内部还原物质叠加外部还原物质的模式，可以大大增强砂体的还原能力，发育稳定的层间氧化带和持续的铀成矿［16］。煤田资料研究表明，新华地区直罗组下段砂岩中存在大量的自然伽马异常，伽马异常展布与直罗组下段砂体展布、氧化带展布方向基本一致。前期在新华地区施工3 个矿化孔，矿化位于直罗组下段辫状河河道砂体内部，厚度为0.50～2.20 m，品位为0.109%～0.211%，平米铀量为0.30～0.75 kg/m2，具有较好的成矿条件。

根据研究区构造特征、砂体展布、层间氧化带特征、铀矿化信息以及煤田伽马异常（图7），可以看出研究区西北部店头赵村—白店—崔家岭一带是铀矿成矿最有利区域，既是南北向与东西向主干河道交汇部位，也是4 条层间氧化带交汇部位。该区砂体较厚，大于40 m，层间氧化作用稳定，氧化率主要集中在50%～75%，同时存在大量连片的煤田伽马异常，可以作为后期勘查的目标区域，但是该地区直罗组埋深较大，局部可能大于1 000 m。