内蒙古通辽地区姚家组沉积特征与铀成矿关系探讨

陈 程， 郭庆银， 蔡煜琦

(1.核工业北京地质研究院地质所，北京 100029；2.中国核工业地质局，北京 100013)

内蒙古通辽地区是我国北方重要的万吨级铀矿资源基地，也是我国第二批国家级铀矿整装勘查区之一，铀成矿条件有利。前人针对钱家店铀矿床和开鲁坳陷铀成矿作用开展了大量的富有成效的研究工作，在铀成矿地质条件、矿化特征和成矿规律等方面取得了一系列创新性认识，有效地促进了该地区铀矿地质勘查进度(赵忠华等，1998；殷敬红等，2000；李胜祥，2001；夏毓亮等，2003a，2003b；夏毓亮，2015；罗毅等，2007；陈晓林等，2008；蔡煜琦等，2008；于文斌，2008；郑纪伟，2010；庞雅庆等，2010；蔡建芳，2013)。近年来，随着对铀成矿作用与成矿规律认识的不断深入和找矿成果的不断扩大，通辽地区铀矿勘查投入逐年增大，铀矿找矿再次取得重大突破，引起了社会各界的广泛关注。尽管对通辽地区铀矿化的成因存在较大的分歧，但是越来越多的观点认为通辽地区的铀成矿是多种地质因素共同作用的结果：铀矿化成因主要属于层间氧化带型，在层间氧化带发生之前的原生预富集对铀成矿也有重要的作用，并可能受到后期岩浆热液和油气作用的改造。其中，原生灰色砂体的空间展布对铀成矿具有明显的控制作用。因此，研究、总结通辽地区主要找矿目标层——上白垩统姚家组的沉积特征，探讨原生灰色砂体的空间展布规律和控矿作用，不但具有理论研究意义，而且对指导该地区铀矿找矿具有重要的指导意义。

1 区域地质概况

1.1 区域构造

通辽地区位于西伯利亚板块与华北板块交接部位的松辽盆地西南部的二级构造单元开鲁坳陷和西南隆起上(图1)。区内基底断裂较为发育，早期主要有东西向西拉木伦河、赤峰-开原断裂(区域赤开断裂的东段)和晚期北东向-北北东向红山-八里罕和安乐-凌海断裂(陈为佳等，2014)。以上基底断裂相互切割、叠加及后期活化，控制了通辽地区白垩纪次级凹陷的发育、沉积充填以及后期盆地盖层的构造变形。

图1 通辽地区构造单元区划图(据郭莹莹2008修改)Fig.1 Tectonic units in the Tongliao area(I1.陆家堡凹陷；I2.哲中凹陷；I3.乌兰花凸起；I4.钱家店凹陷；II1.白音花凹陷；II2.三棵树鼻状凸起；II3.瞻榆凹陷；II4.驾马吐凸起；II5.巴彦塔拉凸起；II6.大林凹陷；II7.金宝屯凹陷；II8.呼勒斯诺尔凹陷；II9.张强凹陷；)

1.2 地层

(1)基底和蚀源区。通辽地区盆地基底主要为中深变质岩、浅变质岩和花岗岩。中深变质岩主要为花岗片麻岩、片麻岩、片岩、大理岩和变质火山岩，但形成时代有兴凯期和海西期之争；浅变质岩主要为千枚岩、板岩以及浅变质砂岩和灰岩，主要形成于海西期；花岗岩体主要有海西期和燕山期(夏毓亮，2015)。蚀源区发育中生代火成岩、古生界变质岩以及海西期和燕山期花岗岩等(陈为佳等，2014；夏毓亮，2015)。基底和蚀源区岩石富铀，为铀成矿奠定了有利条件。

(2)盆地盖层。区内盆地盖层主要为白垩系，下部为下白垩统义县组、九佛堂组、沙海组和阜新组的断陷湖盆碎屑沉积，上部为上白垩统泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组的拗陷湖盆碎屑沉积，顶部为新近系大安组、泰康组和第四系松散堆积物。其中，姚家组总体为一套红色陆源碎屑岩建造，区内分布广泛，超覆于青山口组之上，中下部为浅灰色砂砾岩、砂岩与棕红色泥岩、灰黑色泥岩互层，上部主要为棕红色泥岩，厚60～240 m(夏毓亮，2015)。与区域上三分的姚家组在岩性、沉积序列等方面存在一定差异，厚度也略大。

1.3 盆地演化

白垩纪，通辽地区经历了与松辽盆地同样的断陷、拗陷和抬升萎缩3阶段演化。早白垩世伸展构造背景下断陷盆地发育，总体呈现北东向展布、凹凸相间的构造格局，主要表现为半地堑和堑垒构造的组合，在陆家堡、哲中、钱家店等凹陷中沉积充填特征存在差异；晚白垩泉头期-嫩江期，区内逐渐转化为拗陷构造背景，表现为盆地的整体沉降，继承了断陷期凸凹相间的构造格局，且西南隆起区尚未抬升，通辽地区和长岭凹陷连为一体；晚白垩世四方台期，受到东侧强烈的挤压作用盆地西缘逐渐超覆，湖盆东侧抬升萎缩，沉积中心向西迁移了20～30 km，仅在西部接受上白垩统粗碎屑沉积。抬升作用首先发生在东部和南部，至晚白垩世末发生了盆地整体抬升，造成嫩江组和姚家组的抬升剥蚀，直接出露地表。

明水期后，通辽地区一直处于隆升状态，形成了古近系渐新统与白垩系之间的不整合；渐新世以后，发生了多期次拉伸断陷与挤压抬升作用，发育新近纪和第四纪玄武岩和基性岩脉，形成渐新统与中新统以及中新统与上新统之间的不整合(夏毓亮，2015)。姚家组沉积后盆地长期、多次隆升有利于地下水的渗入改造和铀的富集成矿。

2 主要沉积特征

2.1 古生物与古气候

因姚家组发育红色陆源碎屑建造，很多人提出姚家期通辽地区为干旱-半干旱的古气候(张立平等，1994；李胜祥，2001；陈晓林，2008)，但系统、细致的古生物研究成果表明，姚家期该区经历了由较湿热气候向半温湿气候转化的过程(申家年等，2008；赵静，2013)。姚家组下段所含的植物孢粉记录了其沉积时，通辽地区地表植被以常绿阔叶林为主(占31.1%～49.2%)，草本植物较少(占10%左右)，植被中热带成分占29.6%～47.2%，热带-亚热带成分占8.1%～35.4%，湿生成分占31.1%～52.5%，反映了该期以针阔叶混交林为特征的较湿润热带气候；姚家组上段沉积时期红层发育，所含植物孢粉显示了当时植被针叶林含量逐渐增加(占15.1%～42.3%)，常绿阔叶林逐渐减少(占10.8%～30.5%)，草本植物增加(占12.6%～29.9%)，植被中湿生(沼生、水生)成分减少(占10.1%～34.2%)，反映出以针阔叶混交林、草丛半湿润的亚热带气候(黄清华等，1999；赵静，2013)。

赵静(2013年)对晚白垩世早-中期松辽盆地的藻类也进行了系统研究，得出了与孢粉鉴定结论一致的古气候认识。姚家组下段藻类化石极少，仅见零星Granodiscus；姚家组上段藻类数量有所上升，但总量仍很少，以指示淡水环境的Pediastrum为主，有少量Filisphaeridium和Sentusidinium，指示咸水环境的Cymatiosphaera sp.偶有见到，指示了一种从淡水到微咸水的湖盆环境的变迁，反映了古气候的逐步干旱化。

2.2 沉积充填特征

夏毓亮(2003a，2015)、蔡煜琦(2008)和郭莹莹(2008)等人对通辽地区姚家组岩石类型与特征、岩性-岩相和沉积体系等开展了系统研究，基本查明了其沉积充填特征。姚家组下段主要为厚层状灰色、灰白色、红褐色、灰褐色细砂岩夹紫红色、灰色、灰黑色泥岩和粉砂质泥岩，发育槽状和板状交错层里和沙纹层理等，局部含大量植物碎屑与黄铁矿，紫红色泥岩中钙质结核常见和泥裂；姚家组上段主要为厚层状浅灰色、灰白色和红褐色厚层细砂岩、粉砂岩夹红色、灰色泥岩和粉砂质泥岩，局部含大量植物碎屑和黄铁矿及深灰色泥岩夹层，紫红色泥岩中钙质结核较为常见。

本次研究，对通辽地区ZK兴101-4、ZK147-6和ZKH0-2等钻孔的岩(矿)心进行了详细观察描述，通过与我国北方其他产铀盆地含矿层砂体相比，认为通辽地区姚家组具有以下明显的特征：

2.2.1 沉积物粒度偏细，分选较好

研究认为，姚家组岩石类型主要为砂岩(局部含砾砂岩)、粉砂岩和泥岩，砾岩基本不发育，尤其矿石以细砂岩为主。粒度分析结果表明，通辽地区姚家组岩石粒度偏细，平均粒径(2～3)φ，比伊犁盆地含砾中粗砂岩(粒径<1φ)、吐哈盆地中砂岩(粒径(1～2)φ)、鄂尔多斯盆地中砂岩(粒径(1～2)φ)和二连盆地含砾中粗砂岩(粒径<1φ)明显偏细；岩石分选较好，粒径标准偏差(σ)一般小于0.79，明显低于伊犁、二连盆地含矿层砂体粒径标准偏差的一般值(σ为2～4)，也低于鄂尔多斯盆地直罗组和吐哈盆地西山窑组砂体粒径标准偏差的一般值(σ为1～2)。

沉积物上述特征与姚家组沉积时期盆地演化阶段和所处的位置有关。晚白垩世，松辽盆地进入拗陷演化阶段，盆地整体沉降，构造活动较弱，盆地与周边地形高差小，物源供应主要以盆地长轴方向为主。通辽地区位于拗陷湖盆西南部的长轴物源保康水系内，沉积物均经过了一定距离的搬运，分选性和磨圆均较好，粒度也明显偏细。尽管该期沉积盆地内仍然出露协代和架玛吐等基底花岗岩隆起，因为地形高差小，物源供给能力有限，近源沉积物分布范围较小。

2.2.2 垂向序列以正粒序为主，见少量反粒序

岩(矿)心观察可见，姚家组的单砂体多数具有明显的正粒序，为典型的河道沉积。砂体底部冲刷面十分发育(图2A)，之上为滞留沉积块状砾岩和泥砾(图2B)，再上依次为槽状(推测)交错层理中粗砂岩，板状或楔状交错层理中细砂岩(图2C)，沙纹层理细砂岩和波状层理粉细砂岩(图2D)，顶部或发育红色泥岩，或为下一个以冲刷面开始的沉积旋回。上述旋回在电阻率测井曲线上表现为典型的钟形或箱型，有效地指示了姚家组以正粒序为主的沉积特征。

图2 姚家组岩心照片Fig.2 Drill core photos of the Yaojia Formation

但区内在姚家组下段上部和姚家组上段下部存在少量的反粒序沉积，岩性以细砂岩为主，测井曲线上也表现为漏斗型，多个砂体也表现为向上变粗的特征(图3)。其中，细砂岩中可见细小的白云母含量偏高，反映了河流注入稳定水体水动力突然降低。

图3 通辽地区ZK兴101-4 孔姚家组三角洲的向上变粗的序列Fig.3 Upwards coarsening-trend of the delta facie of the Yaojia Formation observed in ZK101-4, Tongliao area

姚家组沉积时期，盆地演化处于拗陷阶段，水体宽而浅，通辽地区以发育浅水三角洲为特征，沉积物以正粒序分流河道为主，仅在局部表现出三角洲河口坝的反粒序。姚家组上段下部总体向上变粗，泥岩变薄、砂岩变厚以及部分泥岩层为深灰色的特征，也指示区内存在三角洲沉积。

2.2.3 泥砾十分常见，多层产出

通辽地区姚家组沉积物的另一显著特征就是泥砾十分发育，多层产出，姚家组下段中的泥砾多于姚家组上段。泥砾岩多为紫红色、少数为灰色(图2A，B)，形状多不规则，一般砾径5～10 mm，部分大于10 mm，最大可达4 cm以上，反映了辫状河道不稳定频繁迁移，对早期沉积的红色或灰色泥岩产生剥蚀，近距离搬运沉淀的特征(蔡煜琦，2008；夏毓亮，2015)。

3 沉积体系

3.1 沉积相类型及特征

姚家期，拗陷湖盆构造活动相对较弱，地形高差不大，通辽地区与大湖盆连为一体，发育有保康水系，主要沉积相类型和特征如下(张鑫，2009；郭莹莹，2008)：

(1)冲积扇相。以近源沉积为特征，因气候较为湿热，辫状河道发育，重力流发育较少，可进一步划分为扇根、扇中和扇端。因地形高差不大，决定了物源供应量有限，分布范围较小。

(2)河流相。是通辽地区最主要的沉积相类型，上游发育辫状河，下游发育曲流河。上游辫状河道侧向迁移频繁，强烈剥蚀河漫滩和泛滥平原沉积，导致泥岩夹层不发育，而砂体的下部发育大量的泥砾沉积；曲流河沉积具有明显的二元结构(蔡煜琦，2008；夏毓亮，2015)，仅在河道底部发育泥砾沉积；在堤岸和泛滥平原上，发育大量植物，导致砂体中含有较多的有机质。由于气候炎热，氧化作用强烈，堤岸和泛滥平原上沉积物氧化为红色，并发育大量钙质结核，只有在积水洼地中保存了灰色细碎屑岩沉积。

(3)浅水三角洲相。是湖盆拗陷期河流推进到地形平缓的滨浅湖相带形成的一类三角洲，可进一步划分为三角洲平原、三角洲前缘和前三角洲。由于受纳水体比正常三角洲水体要浅，沉积物中泥岩颜色主要为棕红色、灰绿色和浅灰色，正韵律的分流河道比较发育，反韵律的河口砂坝欠发育，属典型的河控建设性三角洲(张鑫，2009)。

(4)湖泊相。姚家期湖泊水浅湖广，以滨浅湖亚相沉积为主，岩性主要为棕红、紫红、灰绿和浅灰色泥岩，厚层状为主，纹理不发育，常夹有粉砂岩和细砂岩薄层。除了松辽盆地大型湖盆外，在泛滥平原上还发育一些河漫湖。

3.2 沉积相空间展布

姚家期，在松辽盆地西南部的长轴方向发育冲积扇-河流-浅水三角洲-湖泊沉积体系，各沉积相带空间展布特征如下(图4)：

图4 通辽地区姚家期沉积相分布示意图Fig.4 Schematic map showing the sedimentary facies distribution of the Yaojia Stage in the Tongliao area

(1)冲积扇相。主要分布于盆地西南部白音套海-长胜一带，以扇中和扇根亚相为主，扇端亚相较少；在陆家堡凹陷和钱家店凹陷北西侧凹陷短轴方向有多个冲积扇成群排列，规模较小；在库伦-双辽一带哲中等凹陷南东侧，也有小型冲积扇群发育；在架玛吐凸起等盆地内基底小隆起附近，也发育小型冲积扇。

(2)河流相。河流相是姚家期通辽地区最主要的沉积相类型，主要沿长胜-通辽-钱家店-科左中旗(保康)一线北东东向展布。姚家组沉积早期上游(钱家店以西)主要为辫状河，下游(钱家店以东)主要为曲流河；姚家组沉积晚期，随着削平补齐作用地形进一步夷平，辫状河退到通辽以西地区，曲流河发育在通辽-科左中旗一带。除了主干河流之外，在湖盆短轴方向冲积扇(群)前端的辫状河道也是河流相的重要组成部分。

(3)浅水三角洲相。姚家期，湖盆长轴浅水三角洲相主要发育研究区东部，分布范围较小(张鑫，2009)。姚家组沉积早期，三角洲前缘分布在长岭坳陷内，区内仅发育三角洲平原；姚家组沉积晚期，随着湖泊沉积中心西移，三角洲发育在钱家店以东的区域。

(4)湖泊相。区内典型湖泊沉积不发育，仅在姚家组沉积晚期，湖岸线到达东部科左中旗一带。但在河流相泛滥平原上，发育多个河漫湖，尤其在西部陆家堡凹陷以及东部钱家店和瞻榆凹陷，河漫湖的范围较大，且有一定的水深，发育灰色泥岩和砂岩。

3.3 沉积演化

姚家期，通辽地区位于湖盆的长轴物源方向，主体以河流相沉积为主，沉积环境变化不大，总体上经历了一个退积过程，形成了下粗上细的沉积建造。不同地区退积序列表现不同：钱家店地区(据ZK钱II-01-01等钻孔)主要表现为上部泥岩夹层变多、连续性变好，单砂体厚度变薄；白兴吐地区(据ZK兴101-4等钻孔)表现为下段砂岩为主，上段以泥岩、粉砂岩夹薄层砂体为主。姚家组的退积过程是一个交替、渐变的过程，夏毓亮(2015)将其划分为2个中期6个短期旋回，分别对应上、下段和6个砂体组，沉积旋回叠加样式也指示了姚家期通辽地区的退积过程。

3.4 原生灰色砂体分布规律

姚家期，通辽地区处于较湿热向半温湿转化的古气候之下，尽管地表植被比较发育，沉积物中含有一定量的有机质，但因氧化作用强烈，(近)地表沉积物(含泛滥平原细碎屑沉积)多呈红色，仅在具有一定规模和水深的积水洼地中或三角洲前缘砂体中的有机质能被保存，砂体呈灰色。郭莹莹(2008)等人研究认为，通辽地区灰色岩石主要分布在陆家堡、瞻榆和钱家店等次级凹陷内以及邻区长岭坳陷的大型湖盆中，区内灰色砂体分布主要受次级凹陷的控制。夏毓亮(2015)对钱家店铀矿床范围内的灰色砂体进行了对比，表明其在空间上展布是稳定的，且平面上北东向展布特征明显，与次级凹陷展布特征一致。可能是拗陷期通辽地区继承了湖盆断陷期凹凸相间的构造格局，基底表现为整体沉降，在次级凹陷内因弱伸展作用基底继续沉降，使凹陷区水深大于凸起区，避免了沉积物暴露地表发生氧化，灰色砂体得以保存。

4 铀矿化特征及控矿作用探讨

4.1 铀矿化类型及特征

通辽地区的铀矿化顺层产出，主要有2种类型：一类是产于灰色、浅灰色细砂岩中的铀矿化，属层间氧化带型，自下而上分为6层，产于姚下段上部(第3层)和姚上段下部(第4层)的铀矿化的规模较大，剖面上呈板状、似层状，具有较好的工业价值；其他层(第1、2、5、6层)铀矿化规模较小，多呈透镜状，工业意义不大。另一类是产于灰色泥岩中的铀矿化，属沉积成岩型，常作为砂岩铀矿层的夹层，品位相对较高(夏毓亮，2015)。

4.2 控矿作用探讨

通辽地区两种类型铀矿化受沉积控制作用明显。灰色泥岩中的沉积成岩型铀矿化主要受沉积环境控制，在含铀含氧水进入到具有发生沼化的还原环境的沉积洼地中时，铀发生沉积富集成矿，主要被深灰色、灰黑色泥岩和粉砂岩吸附，在灰色砂岩中也存在一定程度的预富集，为层间氧化带型砂岩铀矿的形成奠定了基础。

层间氧化带型砂岩铀矿的形成受层间氧化带前锋线控制，层间氧化带的发育受灰色砂体制约。当含铀含氧水进入到灰色砂体时，在层间氧化带前锋线附近，因为有机质和黄铁矿等还原物质的氧化导致砂岩物理化学条件(pH值、Eh值等)的变化，从而引起铀的沉淀富集成矿。因此灰色砂体是通辽地区层间氧化带型砂岩铀矿成矿的必要条件，对铀矿化的形成具有严格意义的控制作用。尤其在早期存在铀预富集的灰色砂体，在层间氧化作用的改造下极易达到工业品位，是下一步铀矿找矿的主要目标。因此，建议在该区系统开展浅层地震测量等工作，准确圈定区内次级凹陷的位置，预测灰色砂体的分布范围，缩小铀矿找矿靶区，以尽快实现铀矿找矿新突破。

5 结论

(1)晚白垩世姚家期，通辽地区位于松辽大型坳陷盆地西南部的长轴物源方向，发育冲积扇-河流-浅水三角洲-湖泊沉积体系，河流相砂体和浅水三角洲砂体发育，结构成熟度较高，连通性好。

(2)姚家期，通辽地区古气候经历了由较湿热向半温湿的变迁，(近)地表氧化作用强烈，沉积物以红色建造为主，控矿灰色砂体的发育受盆地内次级凹陷控制。

(3)姚家组沉积特征控矿明显，一方面沉积期湿热-半温湿古气候条件下铀容易活化迁移，在盆地内积水洼地内发生(预)富集，另一方面原生灰色砂体的分布控制了层间氧化带的发育，进而控制了层间氧化带型铀矿的展布。

致谢：论文研究过程中，核工业二四三大队在岩心观察、资料查阅和样品采集等方面给予了大力支持，论文编写过程中与姜山、蔡建芳等同志进行了深入讨论，受益匪浅，在此一并表示衷心的感谢。

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