鄂尔多斯盆地南部直罗—店头地区侏罗系直罗组沉积特征及铀成矿*

王晓鹏 刘坤鹏 陈宏斌 龚斌利 于宏伟 龚奇福 韩 迪

核工业二〇三研究所，陕西咸阳 712000

鄂尔多斯盆地富集石油、天然气、煤及铀等多种能源矿产，是中国重要的能源生产基地(Liuetal.， 2008)。盆地南部黄陵—焦坪—彬县一带已发现店头砂岩型铀矿床及焦坪、庙湾、炭店等铀矿点，赋矿砂体均位于中侏罗统直罗组下段。储集砂体的沉积特征、分布规律控制着砂岩型铀矿床的形成和分布(Ullahetal.， 2005；Jairethetal.， 2015；Halletal.， 2017)。因此，开展铀矿储集层沉积相的研究，对指导找矿具有重要意义。

鄂尔多斯盆地直罗组的研究始于20世纪70年代，主要集中在盆地西缘直罗组油气发现地区(陈庸勋等，1981)，随着盆地内砂岩型铀矿床及矿点的发现，该套地层逐渐受到重视。赵俊峰等(2006，2007，2008，2010)将整个盆地直罗组划分为上、下段，初步恢复了全盆内直罗组沉积相分布及砂体展布特征。近20年来关于盆地直罗组沉积特征的研究，多集中于盆地北部铀矿床分布区，吴仁贵和余达淦(2005)、吴仁贵等(2006)、焦养泉等(2005a，2005b，2006，2015)、张字龙等(2010)、薛锐等(2017)均进行了详细的沉积学研究，取得了较好的勘探成效。相比盆地北部地区，盆地南部直罗组沉积特征研究仍较为薄弱，尤其是区域大比例尺沉积图件的编制较少，严重制约了盆地南部砂岩型铀矿的找矿工作。鉴于此，在剖面实测、岩心编录的基础上，分析整理石油、煤炭和核工业100余口钻孔资料，对盆地南部直罗—店头地区直罗组沉积相类型、砂体展布特征及沉积相分布特征进行分析，并探讨了沉积特征与铀成矿的关系及下一步找矿方向，为该区铀矿找矿工作提供依据。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地南部直罗—店头地区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡南部，店彬褶皱带北部(图 1-a)，区内构造活动较弱，地层产状总体向西缓倾，倾角小于5°，发育一系列北东向展布的舒缓开阔的小型褶曲，断裂构造不明显(毛明陆，1997；陈宏斌等，2006；邢秀娟等，2006，2008)。研究区主要发育一套中生代陆相地层，自下而上依次为上三叠统延长组(T3y)细碎屑岩、中侏罗统延安组(J2y)含煤碎屑岩、直罗组(J2z)河流相碎屑岩、安定组(J2a)湖相杂色泥岩及泥灰岩、下白垩统洛河组(K1l)棕红色中细粒砂岩、华池—环河组(K1hc)褐红色泥岩、粉砂岩互层。

图 1 鄂尔多斯盆地南缘构造纲要图(a)及直罗—店头地区直罗组厚度等值线图(b)Fig.1 Structural outline of southern margin of Ordos Basin(a) and isopach of the Zhiluo Formation of Zhiluo-Diantou area(b)

a—zkf321-1孔，362.7￣￣m，浅灰色中砂岩中富含的炭屑;b—zk6-2孔，256.6￣￣m，灰白色中砂岩中粒状黄铁矿细晶及泥砾;c—zkf303-1孔，501.4￣￣m，灰白色粗砂岩中黄铁矿充填炭屑;d—zkf321-2孔，355.5￣￣m，油浸砂岩碳酸盐化及高岭土化;e—zk9-2孔，210.39￣￣m，砂岩中褐铁矿化;f—zk321-1孔，344.25￣￣m，砂岩中浸入的油斑;g—zk0-2孔，124.54￣￣m，浅黄色氧化蚀变砂岩;h—zk2-2孔，367.71￣￣m，灰绿色中粗砂岩;i—zkfx9孔，399.4￣￣m，含铀矿砂岩图 2 鄂尔多斯盆地南部直罗—店头地区直罗组下段(J2z1)岩性及铀矿化照片Fig.2 Photographs of lithology and uranium mineralization of the lower member of Zhiluo Formation(J2z1)of Zhiluo-Diantou area，southern Ordos Basin

2 直罗组岩性及铀矿化特征

研究区直罗组厚度80～240￣￣m，呈西北厚、东南薄的变化趋势，店头铀矿床主要发育于北东向向斜翼部(图 1-b)。根据岩性组合和沉积韵律，直罗组可划分为上下2段(赵俊峰等，2006，2007，2008，2010)，下段为砂岩型铀矿的主要赋矿层位(张金带，2004；贺锋等，2017)。下段底部岩性为灰白色、灰色中厚层状、块状细—粗粒长石石英砂岩和长石砂岩，富含层状、块状炭化植物碎屑(图 2-a)，发育大量星点状黄铁矿集合体或块状黄铁矿细晶(图 2-b)及黄铁矿充填炭屑现象(图 2-c)，底部可见明显的冲刷构造。灰色、灰白色砂岩中发育高岭土化、碳酸盐化(图 2-d)及弱褐铁矿化(图 2-e)，局部地段含油斑(图 2-f)。下段顶部发育浅黄色、灰绿色中细砂岩(图 2-g，2-h)。上段以紫红、灰绿色泥岩与粉砂岩互层为主，含石膏细脉。

研究区铀矿化类型主要为层间氧化带砂岩型，垂向上主矿体位于直罗组下段杂色、褪色蚀变岩石与灰色砂岩过渡部位的含炭屑砂岩中，矿体呈板状及透镜状(陈宏斌等，2006；邢秀娟等，2008；张字龙等，2016)。赋矿岩石主要为中粒、中细粒长石砂岩、长石石英砂岩(图 2-i)，胶结致密，碎屑物中钾长石和有机质含量较高。矿石中铀主要以铀矿物和吸附形式存在，铀矿物主要为沥青铀矿、铀石和少量钛铀矿，与黄铁矿、褐铁矿共生赋存在有机质裂隙中(陈宏斌等，2006；彭小华等，2018)。

3 沉积相类型及展布特征

3.1 沉积相类型及特征

根据露头及岩心岩性组合、沉积构造、沉积韵律、测井曲线、砂体厚度及砂地比等值线等，认为研究区直罗组下段为砂质辫状河相沉积，上段为曲流河相和滨浅湖相沉积。

3.1.1 砂质辫状河相

砂质辫状河相发育于直罗组下段，与下伏延安组平行不整合接触(图 3-a)。露头上，岩性以浅黄色、黄绿色粗—细粒砂岩为主，分选好—中等(图 3-b)，厚层状—块状，横向延伸稳定，累计厚度10～50￣￣m；底部可见明显冲刷构造，局部含砾石及植物茎干等滞留沉积，偶见星点状—粒状黄铁矿及炭化植物碎屑(图 3-c)，发育中—大型槽状交错层理及板状交错层理(图 3-d，3-e，3-f)。钻孔中(图 4)，直罗组下段由2～3个下粗上细正旋回组成，旋回底部可见滞留沉积的砂砾岩层，砾石以石英质为主，粒径小于1￣￣cm，分选好，次圆状—次棱角状。中部为心滩沉积，岩性为灰色、灰绿色粗—细粒砂岩，发育槽状、板状交错层理，视电阻率曲线表现为锯齿状的箱型或钟型。上部为灰绿色泥岩、泥质粉砂岩组成的泛滥平原沉积。

上图为露头全貌及下图点位；a—J2z1与J2y平行不整合接触；b—灰黄色中砂岩；c—砂岩中发育炭化植物茎干；d—槽状交错层理；e、f—板状交错层理图 3 鄂尔多斯盆地南部直罗—店头地区直罗组下段砂质辫状河沉积露头特征Fig.3 Outcrop characteristics of sandy braided river deposits of the Lower member of Zhiluo Formation of Zhiluo-Diantou area，southern Ordos Basin

3.1.2 曲流河相

曲流河相发育于直罗组上段中下部。露头上，河道亚相主要为河道砂坝(边滩)沉积，岩性为灰黄色、黄绿色细砂岩(图 5-a)，单层厚度0.3～3￣￣m，夹数层薄层泥岩及泥岩透镜体(图 5-b)，砂体横向连续性较差。砂体中发育中—小型板状、槽状交错层理(图 5-c，5-d)。钻孔中(图 4)，河道砂坝以细砂岩为主，视电阻率曲线为锯齿化钟型。向上逐渐变为泛滥平原沉积，岩性为薄层灰色、浅灰色、灰绿色、褐红色细砂岩、粉砂岩及泥岩互层组成，可见沙纹层理及水平层理。

3.1.3 滨浅湖相

滨浅湖相发育于直罗组上段顶部。岩性以紫红色、褐红色、灰绿色页岩、泥岩、粉砂岩为主，发育水平层理(图 6)，视电阻率曲线表现为低值锯齿状。

图 4 鄂尔多斯盆地南部直罗—店头地区zk180-1钻孔直罗组柱状图Fig.4 zk180-01 column of the Middle Jurassic Zhiluo Formation of Zhiluo-Diantou area，southern Ordos Basin

上图为露头全貌及下图点位； a—灰黄色细砂岩；b—砂岩中薄层泥岩夹层；c—小型交错层理；d—板状交错层理图 5 鄂尔多斯盆地南部直罗—店头地区直罗组上段曲流河河道砂体沉积露头特征Fig.5 Outcrop characteristics of meandering river channel sand body of the Upper Member of Zhiluo Formation of Zhiluo-Diantou area，southern Ordos Basin

图 8 鄂尔多斯盆地南部直罗—店头地区直罗组下段砂体厚度等值线图(a)及沉积相图(b)Fig.8 Isogram of thickness of sandstone(a)and sedimentary facies distribution(b)of the Lower member of Zhiluo Formation of Zhiluo-Diantou area，southern Ordos Basin

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基础上，为恢复直罗期古沉积环境，确定沉积环境在时空的分布及演化，查清含氧含铀水的通道及河道砂体空间展布(邱余波等，2014)，绘制了一条沉积连井剖面(图 7，剖面位置见图 8-a)。剖面总体方位北北东向，剖面南部zk7-2孔至zk8-2孔、北部zk2-1孔至zk9-1孔，直罗组下段砂体厚度大，含砂率高，砂体横向连通性较好，为砂质辫状河河道沉积。剖面中部zk0-1-zk2-2孔直罗组下段发育3～5层砂体，砂体单层厚度较小，泥岩夹层数量增多，为河道间沉积。直罗组上段中下部主要以泥岩、粉砂岩为主，夹薄层孤立砂体，砂体横向连通性差，为曲流河相沉积。上段顶部主要为紫红色、灰绿色泥岩，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)，通过对研究区100余口石油、煤田、核地质钻孔的资料整理，结合野外露头剖面、钻孔岩心编录、测井等，编制了研究区直罗组砂体厚度等值线图及沉积相图。

直罗组下段砂体厚度一般为30～65￣￣m、砂地比值一般为0.6～0.75(图 8-a，8-b)；在进行沉积相图编制时，选取砂体厚度大于50￣￣m，砂地比值大于0.7，作为辫状河河道相。一般而言，辫状河相砂体叠加厚度较大地区，应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)。

表 1 鄂尔多斯盆地南部直罗—店头地区直罗组地层古流向数据统计Table1 Palaeocurrent directions statistics data of the Zhiluo Formation strata of Zhiluo-Diantou area，southern Ordos Basin

结果显示，直罗组下段砂体在上畛子—双龙—店头、槐树庄—黑水寺及太白—和尚塬一带厚度大于50￣￣m，砂地比值大于0.7，为辫状河河道相。从砂体厚度变化来看，直罗组沉积早期研究区有来自南西、北西方向物源供给。露头古水流测量也进一步佐证了上述物源供给方向的判断。店头南峪口直罗组下段古水流优势方向60°～70°和120°～140°，直罗镇葫芦河剖面直罗组下段古水流优势方向为60°～90°和110°～130°(表 1)。表明直罗组沉积早期研究区物源主要来自盆地南西、北西方向。

图 9 鄂尔多斯盆地南部直罗—店头地区直罗组上段早期砂体厚度等值线图(a)及沉积相图(b)Fig.9 Isogram of thickness of sandstone(a)and sedimentary facies distribution(b)of the Upper Member of Zhiluo Formation of Zhiluo-Diantou area，southern Ordos Basin

直罗组上段早期砂体厚度一般为10～38￣￣m，砂地比值一般为0.15～0.45(图 9-a，9-b)，砂体厚度、砂地比值较下段明显降低，泥岩沉积增多，沉积体系由辫状河相转变为曲流河相，反映直罗组上段沉积早期地势高差变小，物源后退，沉积范围扩大的沉积背景。沉积相图编制时，选取砂体厚度大于26￣￣m，砂地比值大于0.3，作为曲流河河道相。结果显示，直罗组上段沉积早期曲流河道分布于上畛子—槐树庄—双龙、和尚塬—黑水寺地区。露头古水流优势方向以60°～70°和120°～140°为主(表 1)。物源方向与下段具有较好的继承性。

直罗组上段沉积晚期为湖盆发育鼎盛期，沉积范围最广，研究区位于湖盆中心所在位置，沉积了一套滨浅湖相页岩、泥岩、粉砂岩等细粒碎屑物，砂体基本不发育。

4 沉积特征与铀成矿关系

砂岩型铀矿床的形成是一个复杂的地质历史过程，是多种成矿条件相互约束、相互作用而成的(张字龙等，2010；邱余波等，2014)。沉积环境、沉积相、河道交汇部位、砂体厚度、沉积物粒度及泥岩夹层是铀物质预富集的重要控制因素。

直罗组下段沉积时期，鄂尔多斯盆地受东强西弱、南强北弱差异抬升剥蚀的改造作用(赵俊峰等，2006，2007)，沉积体系由延安期湖泊、湖泊三角洲转变为辫状河沉积，形成了一套灰色富有机质、黄铁矿等还原性砂体，为铀的预富集和后生改造成矿提供了前提。直罗组上段沉积时期，气候由早期温暖湿润还原环境转变为炎热干旱的氧化环境(张天福等，2016；孙立新等，2017)，这种氧化—还原沉积背景为砂岩型铀矿的形成创造了有利的地球化学环境。

勘探表明，店头地区铀矿化受控于直罗组下段辫状河相砂岩(李晓翠等；2014；胡俊华和郭科锋，2017；彭小华等，2018；司庆红等，2019)。辫状河河道(砂坝)砂体相互切割叠置，厚度大，延伸稳定，孔渗性好，是有利的铀矿储集层(张字龙等，2010)。延安组顶部泥岩及煤层，直罗组下段辫状河河道砂体，直罗组上段厚层泥岩组成了较好的“泥—砂—泥”地层结构，有利于层间氧化作用的形成。

平面上，铀矿化主要赋存在辫状河河道交汇部位(图 8-b)。该部位河床变宽，厚度增大，心滩发育，沉积环境由不稳定到稳定，有利于有机质的快速沉积和保存，是铀矿化的有利地段。河水流经河道交汇部位时，流速减缓，沉积粒度较细，云母及泥质杂基含量相对较高，富含炭化植物碎屑、黄铁矿等还原性物质。含氧含铀水沿着渗透性良好的河道砂体渗流，在氧化—还原过渡带内由还原性物质的吸附还原作用下富集，形成沿河道砂体方向展布的铀矿体。

图 10 鄂尔多斯盆地南部店头铀矿床直罗组下段沉积与铀矿化示意图Fig.10 Relationship between sedimentation and uranium occurrences in the lower member of Zhiluo Formation in Diantou uranium deposits，southern Ordos Basin

垂向上，铀矿化多赋存于辫状河河道心滩亚相的中细砂岩中，且砂体厚度在40～50￣￣m铀成矿概率最好，而厚度小于30￣￣m的砂体中铀矿体发育较差(图 10，表 2)。其原因主要是，心滩亚相沉积物粒度细，富含沿层理面分布的丝状、细线状、细条带状炭屑，分布密集、均匀，对铀的沉淀成矿具有很好的吸附还原作用(图 11-a至11-d)。河道底部滞留沉积亚相沉积粒度较粗，水流速度快，冲刷强烈，沉积环境多变，炭屑多以透镜状、团块状、煤块等滞留沉积物的形式分布于冲刷面，密集程度差，分布不均匀，对铀的吸附还原能力较差(图 11-e，11-f)。

表 2 鄂尔多斯盆地南部店头铀矿床砂体厚度、沉积物粒度、泥岩夹层与铀矿化关系Table2 Statistic of sandstone thickness，sediment granularity，isolated barrier bed quantity and uranium mineralization in Diantou uranium deposits，southern Ordos Basin

此外，砂体中泥岩夹层对铀成矿也具有重要控制作用。含氧含铀水沿着辫状河河道砂体向下渗流，铀矿物被灰色原生砂体中的还原性物质还原沉淀，由于河道砂体渗透性及连通性较好，被还原沉淀的铀矿物容易被后期氧化水带走，形成厚度薄、品位低的矿体或矿化体。当携带铀矿物的含氧水遇到砂体中的泥质夹层时，水流速减慢，水岩作用时间变长，层间氧化作用受阻，泥岩本身及其富含的还原性介质具有比砂岩更强的吸附还原能力，使铀矿体更容易在其顶底板砂体中富集沉淀，形成厚度大、品位高的铀矿体(图 10)。店头地区69个含矿钻孔中，当泥岩夹层数量为1时，铀成矿概率最高(表 2)。随着泥岩夹层数量的增加，成矿砂体被分割为多个成矿单元，单层砂体厚度变薄，连通性变差，不利于含氧含铀水的渗流，成矿概率降低。

直罗组上段为炎热干旱气候条件下的红色沉积建造(邢秀娟等，2008；张天福等，2016；孙立新等，2017)，缺少还原性介质。曲流河相砂体相对孤立、连续性差，不利于含氧含铀水的运移及铀的沉淀成矿；滨浅湖相砂体基本不发育，不利于砂岩型铀矿床的形成。

根据店头地区铀矿化显示，直罗组下段辫状河相是区内铀矿化最有利的沉积相带。河道交汇部位、砂体厚度、沉积物粒度及泥岩夹层数量对铀成矿具有重要的控制作用。砂体厚度等值线图及沉积相图表明，研究区北部也发育砂体厚大的辫状河河道，有可能构成潜在的铀矿化层。在远景预测时，河道交汇或分叉部位应作为重点，心滩亚相的含炭屑、黄铁矿砂质碎屑岩可作为铀矿化的找矿标志。

5 结论

1)鄂尔多斯盆地南部直罗—店头地区直罗组厚度80～240￣￣m，呈西北厚、东南薄的变化趋势。根据岩性组合、沉积构造、沉积韵律、测井曲线等，直罗—店头地区直罗组下段为砂质辫状河相沉积，直罗组上段为曲流河相、滨浅湖相沉积。

2)直罗—店头地区直罗组下段砂体厚度30～65￣￣m、砂地比介于0.6～0.75之间，在上畛子—双龙—店头、槐树庄—黑水寺及太白—和尚塬地区发育砂质辫状河河道；直罗组上段沉积早期砂体厚度10～38￣￣m，砂地比介于0.15～0.45之间，在上畛子—槐树庄—双龙、和尚塬—黑水寺地区发育曲流河河道；直罗组上段沉积晚期研究区位于湖盆中心所在位置，为滨浅湖相沉积。

3)店头铀矿床铀矿化主要位于直罗组下段砂质辫状河河道交汇部位。沉积环境、沉积相、河道交汇部位、砂体厚度、沉积物粒度及泥岩夹层对铀成矿具有重要控制作用。直罗组下段辫状河河道交汇或分叉部位应作为勘查重点，心滩亚相的含炭屑、黄铁矿砂质碎屑岩可作为铀矿化的找矿标志。