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松遼盆地東北部拜泉地區(qū)姚家組砂巖型鈾成礦條件與找礦方向探討

2022-05-18 00:46:42張航聶逢君羅敏趙忠華張成勇趙星博
鈾礦地質(zhì) 2022年3期
關(guān)鍵詞:姚家松遼盆地砂體

張航,聶逢君,羅敏,趙忠華,張成勇,趙星博

(1.核工業(yè)二四〇研究所,遼寧 沈陽 110032;2.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,江西 南昌 330013;3.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實驗室,江西 南昌 330013)

我國核地質(zhì)單位在伊犁、鄂爾多斯、二連及松遼盆地南部等中、新生代沉積盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一批具有一定規(guī)模的砂巖型鈾礦床。松遼盆地處于北方砂巖型鈾成礦帶的東北部,是我國重要的產(chǎn)鈾盆地之一[1-10]。20 世紀(jì)90 年代初期,石油部門在盆地北部施工大量油田井,部分鉆孔存在鈾異常[11]。近年來,中核集團(tuán)結(jié)合煤田、油田資料進(jìn)行科技攻關(guān)[9,12-13],通過調(diào)查和勘探,對盆地內(nèi)上白堊統(tǒng)砂巖型鈾礦進(jìn)行探索工作,但多數(shù)聚焦于盆地中央凹陷區(qū)及西部斜坡區(qū)[11,14-16],未對東北部拜泉地區(qū)進(jìn)行綜合分析。本文以前人研究成果及野外實地調(diào)查為基礎(chǔ),結(jié)合鉆孔資料和樣品數(shù)據(jù)分析對松遼盆地拜泉地區(qū)姚家組砂巖型鈾成礦條件進(jìn)行綜合研究,為該地區(qū)砂巖型鈾礦找礦方向提供線索。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

松遼盆地位于我國東北部,可劃分為西南隆起區(qū)、西部斜坡帶、東北隆起區(qū)、北部傾沒區(qū)、中央坳陷帶及東南隆起區(qū)6 個一級構(gòu)造單元[3-4]。拜泉地區(qū)位于東北隆起區(qū)西部和北部傾沒區(qū)的東端交匯處,包括海倫隆起、綏棱背斜、乾元隆起、克山依龍背斜及依安凹陷5 個二級構(gòu)造單元(圖1)。

圖1 松遼盆地北部構(gòu)造單元劃分圖(據(jù)文獻(xiàn)[3-4]修改)Fig.1 Structure units in the north of Songliao Basin(modified after reference[3-4])

松遼盆地構(gòu)造演化經(jīng)歷了熱隆張裂期(前裂谷期)、伸展斷陷期(裂谷期)、沉降坳陷期(后裂谷期)和構(gòu)造反轉(zhuǎn)期(抬升萎縮期)4 個階段,自下而上形成了斷陷、坳陷和反轉(zhuǎn)3 個大的構(gòu)造層[3-4,9]。區(qū)內(nèi)主要保存了晚白堊世地層,自下而上依次為:泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組,由于反轉(zhuǎn)期地層的抬升、剝蝕作用,使四方臺組、明水組、古近系及新近系缺失,致使第四系直接覆蓋在嫩江組之上[9],其中姚家組是本文研究重點(diǎn)。研究區(qū)內(nèi)姚家組與下覆地層為整合-平行不整合接觸[7,9],埋深為380~600 m,巖性以灰色、灰綠色細(xì)砂巖為主,夾棕紅色泥巖、灰色泥巖及灰色粉砂巖。

2 成礦條件分析

2.1 構(gòu)造條件

侏羅紀(jì)造山運(yùn)動時形成的大興安嶺、小興安嶺和張廣才嶺環(huán)繞在松遼盆地北部,致使大量花崗巖、火山巖出露于地表[10,13,17]。燕山期和喜瑪拉雅期的構(gòu)造運(yùn)動控制了區(qū)域上的構(gòu)造-地貌演化[3,10],進(jìn)而影響了沉積體系內(nèi)部砂體的平面分布規(guī)律,也影響了地下水的補(bǔ)-徑-排體系,從而控制了砂巖型鈾礦成礦作用[12,16-20]。這些構(gòu)造運(yùn)動造成的地層掀斜有利于水的流動和搬運(yùn)作用。坳陷沉積期后,在“嫩江運(yùn)動”作用下發(fā)生褶皺、抬升,致使嫩江組以上地層長時期遭受風(fēng)化剝蝕,第四系直接覆蓋于嫩江組之上,形成正向地形,也形成多個剝蝕天窗(圖1)。這與松遼盆地南部地質(zhì)特征較為相似[7,21-22],“天窗”的形成可以做為白堊系含水層地下水的補(bǔ)給區(qū),也可以作為排泄區(qū),對鈾成礦極其有利。

2.2 鈾源條件

松遼盆地東北部蝕源區(qū)主要由小興安嶺和張廣才嶺的海西期、印支期及燕山早期花崗巖體等組成[7]。區(qū)內(nèi)各花崗巖類U 含量較高,如表1 所示印支期各類花崗巖中U 含量在(2.90~7.63)×10-6之間,燕山早期花崗巖中U含量為(3.00~23.80)×10-6,各類花崗巖U 浸出率多大于20%;區(qū)內(nèi)花崗巖U 平均含量為6.64×10-6,Th 平均含量為13.40×10-6,Th/U 值為多大于3,說明存在U的遷出,致使Th/U失衡。

前人也針對蝕源區(qū)U 含量進(jìn)行了一系列研究[7,10-15],經(jīng)統(tǒng)計火山巖U含量為(3.3~8.7)×10-6,海西期的白崗質(zhì)花崗巖和黑云母花崗巖的U 含量較高,為(2.25~22.30)×10-6,燕山期的花崗巖U 含量為(3.40~13.05)×10-6[7]。松遼盆地北部蝕源區(qū)遷入盆地的活化鈾總量高達(dá)432×104t(表2)。北部蝕源區(qū)鈾源條件較好,主要鈾源體為印支期花崗巖和燕山期花崗巖,蝕源區(qū)巖石鈾含量高,且浸出率高,為鈾成礦提供豐富鈾源。

表2 松遼盆地北部含鈾花崗巖蝕源區(qū)匯入盆地活化鈾總量計算表[14]Table 2 Calculated total amount of activated uranium of the source area to the north of Songliao Basin[14]

2.3 沉積相及砂體特征

通過對拜泉地區(qū)巖心觀察、編錄,收集統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)相關(guān)鉆孔資料,剔除一些無效數(shù)據(jù)后,選取保留了30 個鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析認(rèn)為(表3):在研究區(qū)內(nèi),姚家組厚度多在80~200 m,砂體分布廣泛,厚度在10~80 m 不等,其中在拜泉一帶的S41 孔、S44 孔最為發(fā)育,單層最大厚度為54.65 m,砂體累計厚度為82.15 m,巖性為灰色細(xì)砂巖,連續(xù)性較好,炭屑較發(fā)育。區(qū)內(nèi)姚家組總體上為紅泥-灰砂組合,這與姚家組沉積時期干旱-半干旱的古氣候相符,而灰色砂巖可能是由于成巖后水巖作用所形成的。

表3 拜泉地區(qū)姚家組鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計一覽表Table 3 Statistics on borehole data of Yaojia Formation in Baiquan area

單孔微相分析表明:姚家組自北向南的沉積亞相依次為辮狀河相、曲流河相及三角洲相,其中包括:河床、泛濫平原、堤岸、河漫、三角洲平原、三角洲前緣亞相及滯留沉積、心灘、邊灘、天然堤、河漫灘、水上分流河道等多個微相。從ZK-9 孔沉積微相上看(圖2),姚家組在垂向上主要為曲流河沉積序列,表現(xiàn)為由多個正旋回沉積組成,由下至上粒度變細(xì),電阻率曲線呈齒形-漸變式,自然電位曲線呈齒形-箱形,是典型的曲流河二元結(jié)構(gòu)。區(qū)內(nèi)河流相沉積物以灰色、灰綠色細(xì)砂巖為主,多見棕紅色、紅色泥巖。

圖2 ZK-9 單孔沉積相分析圖(據(jù)文獻(xiàn)[23]修改)Fig.2 Single-hole sedimentary facies analysis of borehole ZK-9(modified after reference[23])

鉆孔剖面連井分析表明:姚家組發(fā)育兩個砂組,多由灰色、灰綠色細(xì)砂夾紅色泥巖組成。砂體疏松,連通性好,透水性強(qiáng),由于東部為隆起帶,自西向東地層及砂體厚度均變小并有所抬升(圖3)。

通過北西向鉆孔連井剖面發(fā)現(xiàn)(圖3),砂體在拜泉一帶較為發(fā)育,姚家組下部砂組穩(wěn)定,砂體連續(xù),厚度為20~25 m,巖性多為灰色、灰綠色細(xì)砂巖,已發(fā)現(xiàn)的砂帶寬度約25 km;通過南北方向鉆孔連井剖面發(fā)現(xiàn)(圖4),姚家組上部砂組僅在ZK-5 至ZK-1 范圍內(nèi)存在一定規(guī)模,而下部砂組在整個剖面顯示較為穩(wěn)定,且在ZK-3 附近最為發(fā)育,單層最大厚度達(dá)22.49 m,已發(fā)現(xiàn)的砂帶長度約60 km,寬25 km。從砂體的垂向分布特征上初步認(rèn)為,姚家組砂體在拜泉一帶較為發(fā)育,其中下部砂組較上部砂組更穩(wěn)定,這為含礦流體的滲入,鈾元素的富集、成礦提供良好的空間。

圖3 拜泉地區(qū)姚家組北西向鉆孔連井剖面圖Fig.3 Geological section of neighbor boreholes in NW direction of Yaojia Formation in Baiquan area

圖4 拜泉地區(qū)姚家組南北向鉆孔連井剖面圖Fig.4 Geological section of neighbor borehole between SN of Yaojia Formation in Baiquan area

平面上姚家組砂體集中產(chǎn)出于海倫隆起和乾元背斜西南側(cè)的拜泉一帶(圖5),且受控于拜泉水系,發(fā)育在拜泉水系下游的三角洲沉積體系的姚家組含砂率為57%~75%,砂體規(guī)模較大。砂體上下發(fā)育泥巖隔水層,具有穩(wěn)定的“泥-砂-泥”結(jié)構(gòu)。

圖5 拜泉地區(qū)姚家組含砂率等值線圖Fig.5 Contour map of sandstone percentage of Yaojia Formation in Baiquan area

研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育南北向拜泉水系,從姚家組沉積相圖可以看出,區(qū)內(nèi)姚家組自北向南主要發(fā)育沖積扇、辮狀河、曲流河、三角洲等沉積體系(圖6)。姚家組沉積時期,主要沉積物源仍來自于北部的拜泉水系,與此同時,東北蝕源區(qū)也對盆地進(jìn)行填充,但東北向水系受限于河道繼承性較差、水動力較弱,致使河道規(guī)模較小,砂體不連續(xù)。拜泉地區(qū)屬于北部拜泉水系與北東向水系的匯集中心,相帶處于曲流河與三角洲前緣交界處,砂體主要發(fā)育在三角洲前緣相中水下分流河道微相。

圖6 拜泉地區(qū)姚家組沉積相圖Fig.6 Sedimentary facies map of Yaojia Formation in Baiquan area

2.4 后生蝕變特征

研究區(qū)內(nèi)姚家組的原生沉積氣候是干旱-半干旱條件下形成的一套紅色建造,北部和東北部以氧化為主,局部見有灰色巖系;西南部多為灰色細(xì)砂巖并多伴隨炭屑等有機(jī)質(zhì)同生沉積(圖7a),巖心出現(xiàn)氧化殘留體(圖7b),這是由于原生沉積的紅色建造在滲透性強(qiáng)的部位會被還原為灰色或灰綠色,而在滲透性較弱處仍為原色(圖7c)。部分姚家組砂巖表現(xiàn)為紅色砂巖與灰色砂巖互層(圖7d),這也是由于原生沉積的紅色砂巖經(jīng)水巖作用,局部被還原為灰色。

對鉆孔巖心樣品進(jìn)行取樣及顯微鏡觀察表明,姚家組砂巖主要為巖屑長石砂巖,砂巖主要成分為長石、石英、巖屑;分選一般,磨圓一般,呈次棱角狀為主,少部分為次圓狀(圖8),推測其為中-遠(yuǎn)沉積距離的產(chǎn)物。長石為鉀長石和少量斜長石,具高嶺石化,斜長石表面絹云母化(圖8a),局部見少量綠泥石化(圖8b),綠泥石是長石經(jīng)水解作用后產(chǎn)生的主要礦物,說明巖石中存在不同程度后生改造作用。石英主要為單晶石英,少數(shù)多晶石英,部分單晶石英可見次生加大邊,粒內(nèi)輕微波狀消光(圖8c),可推測石英在形成后存在一定程度的構(gòu)造擠壓作用。填隙物由黏土質(zhì)雜基、鐵質(zhì)膠結(jié)物組成,孔隙式膠結(jié),部分填隙物中可看見明顯的褐鐵礦化蝕變(圖8d)。巖石屬于顆粒支撐結(jié)構(gòu),這為成礦期含鈾含氧流體的滲入及后生蝕變提供有利的空間。

圖8 拜泉地區(qū)姚家組砂巖顯微特征Fig.8 Microscopic characteristics of sandstone in Yaojia Formation in Baiquan area

3 找礦方向探討

根據(jù)松遼盆地北部砂巖型鈾成礦條件,并結(jié)合松遼盆地南部錢家店地區(qū)找礦突破成果,優(yōu)選拜泉-三道鎮(zhèn)一帶為進(jìn)一步工作有利地段,面積約1 600 km2(圖6)。該地段鄰近盆地東緣,東側(cè)反轉(zhuǎn)構(gòu)造較發(fā)育,而反轉(zhuǎn)構(gòu)造作用使盆地內(nèi)局部區(qū)域受到不同程度的隆升變?yōu)檎虻匦?,形成剝蝕天窗,在構(gòu)造強(qiáng)烈處抬升隆起幅度大,導(dǎo)致一些白堊紀(jì)地層直接裸露地表遭受剝蝕,造成了地層的掀斜,可使地下水從滯流狀態(tài)變?yōu)檠h(huán)狀態(tài),為層間氧化帶型砂巖型鈾礦提供較好的水文、地質(zhì)條件。該地段姚家組以河流-三角洲相沉積為主,共發(fā)育兩個砂組,其下部砂組橫向連通性好,厚度適中,巖性多為細(xì)砂巖,且已發(fā)現(xiàn)長約60 km、寬25 km 的砂帶,這為鈾成礦提供良好的容礦空間。

該地段東側(cè)和北側(cè)發(fā)育一定規(guī)模氧化帶,在盆地邊緣的A23 孔中黃色砂巖的鏡下觀察發(fā)現(xiàn)部分石英、長石周邊存在褐鐵礦化蝕變(圖8d),砂體明顯發(fā)生過水巖作用;而在研究區(qū)東側(cè)A20 孔中,部分姚家組砂巖表現(xiàn)為灰色細(xì)砂巖與紅色細(xì)砂巖互層,這種“紅灰互層”主要由于原生沉積的紅色砂巖經(jīng)水巖作用,被還原的不夠不充分或不夠均勻?qū)е拢辉诒辈勘卑驳貐^(qū)附近的A11 孔中,這種不均勻的還原作用更加明顯,表現(xiàn)為姚家組的灰色細(xì)砂巖與紅色細(xì)砂巖混雜(圖7c)。在拜泉地區(qū)還發(fā)育一定規(guī)模還原帶,砂體為灰色細(xì)砂巖,其中多見植物炭屑等還原物質(zhì)(圖7a),從顯微鏡下可以看出,砂巖中存在不同程度的絹云母化及綠泥石化(圖8a、b),在ZK-2 孔砂體中見有灰色砂巖中存在紅色斑塊殘留體(圖7b)。根據(jù)研究區(qū)的氧化還原條件,結(jié)合砂體空間展布特征,初步推測拜泉-三道鎮(zhèn)一帶存在一條層間氧化帶前鋒線,長度約48 km(圖6)。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)主要找礦目的層為上白堊統(tǒng)姚家組,主要找礦類型以層間氧化帶型為主,重點(diǎn)找礦地段為拜泉-三道鎮(zhèn)一帶。

2)研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造斷裂發(fā)育,地層存在一定程度的掀斜,剝蝕強(qiáng)烈,使含鈾含氧水更容易滲入。

3)盆地東北部蝕源區(qū)主要由小興安嶺和張廣才嶺的花崗巖體組成,鈾源豐富,且Th/U 值多大于3,說明大部分鈾源已經(jīng)被活化、遷移到盆內(nèi)。

4)研究區(qū)位于古河道中下游,姚家組下段砂體發(fā)育屬三角洲前緣相,已初步控制長約60 km、寬25 km 的砂帶,砂體橫向連通性好,厚度適中,為鈾元素的賦存、運(yùn)移及沉淀富集提供有利空間。

5)研究區(qū)內(nèi)氧化還原條件較好,在東部發(fā)生小范圍的氧化作用,由邊緣向盆內(nèi)的拜泉地區(qū)逐漸減弱,而在拜泉地區(qū)砂體中有機(jī)質(zhì)豐富,多見植物炭屑等豐富的還原物質(zhì),還原能力強(qiáng),且存在不同程度的蝕變,水巖作用明顯。推測拜泉-三道鎮(zhèn)地段發(fā)育層間氧化帶前鋒線,鈾成礦潛力有待于進(jìn)一步驗證。

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