鄂尔多斯盆地东北部农胜新地区直罗组下段下亚段砂体非均质性与铀矿化的关系

胡立飞， 刘小刚

（核工业二〇八大队 内蒙古 包头 014010）

非均质性的概念早期是由石油地质学家提出的， 并应用于石油工作中， 储层的非均质性是指储层的基本性质（岩性、 物性、 电性以及含油气性）在三维空间上分布的不均一性［1-3］。 焦养泉等（2006）将此应用于砂岩型铀矿研究中［4］， 笔者通过多年在鄂尔多斯盆地的工作实践和研究中发现， 这一特征也适用于砂岩型铀矿找矿及成矿规律的总结中。

东胜铀矿田（皂火壕、 纳岭沟和大营铀矿床以及罕台庙、 苏台庙和新胜等铀矿产地）的落实， 标志着鄂尔多斯盆地蕴含丰富的铀资源。 地质工作者对每个矿床的研究非常深入，皂火壕和大营铀矿床矿体产于区域古层间氧化带前锋线附近绿色古层间氧化带上、 下翼的灰色砂岩中， 呈板状或卷状， 同时受横向和垂向古层间氧化带前锋线控制作用明显；而纳岭沟铀矿床矿体产于远离区域古层间氧化带前锋线的氧化-还原过渡带内， 且远离顶底板的绿色砂岩与灰色砂岩过渡部位的灰色砂岩中， 呈板状、 似层状， 受垂向古层间氧化带前锋线控制［5-9］。 罕台庙铀矿产地位于区域古层间氧化带前锋线的北东部， 与其他矿床不同的是， 其前锋线呈 “环状” 展布， 而这一特征可能是由于砂体的非均质性造成的［10-11］。 笔者选择罕台庙铀矿产地的农胜新地区开展精细研究， 以分析研究直罗组下段下亚段砂体非均质性的外部和内部几何形态特征为基础， 总结砂体非均质性与铀矿化的关系。

1 研究区地质概况

农胜新地区构造上处于盆地北部的东胜-靖边单斜上。 东胜-靖边单斜为一由西向东、由北向南倾斜的大型斜坡带， 并接受了延安组和直罗组的沉积， 尤其直罗组发育稳定展布的河流相砂体， 为后期铀成矿提供了良好的储矿空间， 出露地层主要为： 三叠系、 侏罗系、 白垩系及第四系（图1）。 直罗组是鄂尔多斯盆地北东部主要含矿层位， 根据沉积时的古气候， 可分为上、 下两段。 直罗组下段在漫长的沉积过程中， 由于沉积特点和岩性组合特征前后又不尽相同， 可划分为上、 下两个亚段。 其中下亚段砂体发育， 连续性好，存在有利后生成矿的 “泥-砂-泥” 岩性结构，且砂体中发育大量的有机质和黄铁矿等还原介质， 是研究区主要含矿层位， 也是本文重点研究的对象（图2）。

在鄂尔多斯盆地东北部， 砂体和古层间氧化带是砂岩型铀矿找矿的关键。 砂岩的粒度分布范围较广， 从粗粒到细粒均有发育，自下而上发育多个由粗到细的正（半）韵律，部分砂体下部发育以泥砾或碳质碎屑为特征的冲刷面， 岩性以灰色砂岩夹泥岩为主， 砂岩中发育大量的炭屑、 黄铁矿等还原介质，还原能力强。

图1 鄂尔多斯盆地东北部地质图Fig. 1 Uranium geology map of the northeastern Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地北东部钻孔综合柱状图Fig. 2 Comprehensive stratigraphic column of boreholes in the northeast of Ordos Basin

鄂尔多斯盆地东北部直罗组下段下亚段砂体厚度的分布范围是0～157.6 m， 总体表现为北西厚、 南东薄的特点。 砂体厚度高值区（厚度＞50 m）主要集中在苏台庙-大营-泊江海子-大成梁-康巴什以北， 河道中心位于纳岭沟-大成梁-合同庙-脑营沟一带， 并向两侧发育多个较大的分支。 农胜新地区位于主河道东北部的分支河道部位， 受沉积环境和沉积作用的影响， 河道频繁分岔， 砂体非均质性增强， 进而影响了绿色古层间氧化带的形态和铀矿化的富集（图3）。

图3 鄂尔多斯盆地东北部直罗组下段下亚段砂体厚度图Fig. 3 Sand body thickness in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the northeast of Ordos Basin

2 砂体非均质性特征

鄂尔多斯盆地北东部发育一种特殊的控矿的层间氧化带——灰绿色古层间氧化带。前人研究发现， 砂体非均质性与古层间氧化作用有着密切的联系， 焦养泉等（2005）认为砂体非均质性是铀成矿的关键因素之一［12］，而古层间氧化带又是重要的控矿因素， 因此，砂体非均质性在一定程度上控制铀矿化的产出。 但前人对鄂尔多斯盆地东北部直罗组下段下亚段砂体非均质性的研究非常少， 谢慧丽等（2016）对罕台庙地区砂体非均质性进行了详细的研究， 并将非均质性参数进行分类、归纳和 总 结［13］， 但由于研究范围大， 且区内的成矿带距离较远、 成矿作用不尽相同， 不能够很好的指导找矿。

砂体非均质性受多种参数的影响， 用单参数表征砂体非均质性都具有片面性， 因此，对多种参数的综合研究则尤为重要［14-15］。 笔者认为砂体非均质性可进一步分为表象特征和内在特征， 而表象特征可以通过砂分散体系来体现， 具体表现为砂体厚度和含砂率的变化特征；内在特征则主要表现在泥岩隔挡层数量和累计厚度、 砂岩粒度、 沉积韵律等变化特征。

2.1 砂体非均质性表象特征

1） 砂体厚度、 含砂率

通过对农胜新地区63 个钻孔资料的综合整理、 对比和研究， 统计发现直罗组下段下亚段砂体厚度为18.6～61.5 m， 平均为32.12 m，其中， 砂体厚度主要分布于20～40 m 之间，占总孔数的86.27%（图4a）； 含砂率为64.16%～98.88%， 平均为82.71%， 其中， 含砂率70%～100%的钻孔占94.12%， 70%～90%的钻孔占74.51%（图4b）。

2） 砂体形态及成因

研究区位于区域主河道的东部， 砂体厚度较薄（图3）， 区内直罗组下段下亚段砂体厚度总体由北西向南东方向发育， 并向两侧逐渐变薄， 从研究区沉积相图可发现， 区内共发育2 条分支河道， 分别分布位于农胜新地区的南部和北部， 整体呈北西-南东向展布，并于东南部有汇集的趋势（图5、 6）。

2.2 砂体非均质性内在特征

1） 泥岩隔挡层层数及累计厚度

数据统计结果表明， 农胜新地区直罗组下段下亚段砂体中发育泥岩隔挡层层数为0～6 层。 其中， 发育小于等于3 层的钻孔占比96.08%， 发育0 层的钻孔占比17.65%， 发育1 层和2 层的钻孔占比58.82%， 大于等于4 层的钻孔占比3.92%（图7a）； 泥岩隔挡层累计厚度为0～3.9 m， 平均为1.02 m， 其中， 主要发育厚度为0～2 m， 钻孔数占比68.63%（图7b）。

图4 研究区直罗组下段下亚段砂体厚度（a）和含砂率（b）统计图Fig. 4 Statistical histogram of sand body thickness （a） and sandstone percentage （b） in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study area

图5 研究区直罗组下段下亚段砂体厚度（a）和含砂率（b）等值线图Fig. 5 Contour map of sand body thickness （a） and sandstone percentage （b） in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

2） 砂岩粒度

研究中， 通过对农胜新地区78 个粒度样品（细砂岩27 个、 中 砂 岩29 个、 粗 砂 岩22个）分析结果中细粒、 中粒和粗粒的含量进行统计， 利用厚度加权法分别计算各粒级砂岩中的细粒、 中粒和粗粒的含量， 然后对每个钻孔中细砂岩、 中砂岩和粗砂岩的厚度进行统计， 并再次运用厚度加权法计算每个钻孔的细粒、 中粒和粗粒的百分含量， 最后得出该钻孔砂岩中各粒级的百分含量， 以含量最高的定为该钻孔的平均粒度。 最终根据所得的数据进行编图。 统计结果显示， 农胜新地区的平均粒度以细粒和中粒为主， 占比96.61%， 其 中， 细 粒 占44.07%， 中 粒 占52.54%（图8a）。

3） 砂体结构及韵律

农胜新地区直罗组下段下亚段砂体主要由三角洲的分支河道沉积构成， 由不同粒级的砂岩构成。 自上而下由多个砂体叠置而成，部分砂体下部发育以泥砾或碳质碎屑为特征的冲刷面（图9）。 每个砂体单元可作为一个小的沉积旋回， 表现为正韵律沉积特征。 单个钻孔的沉积韵律为3～10 个， 平均为5.1 个，最多可见10 个正（半）韵律， 主要以5～9 个为主， 占总孔数的82.52%（图8b）， 但发育没有明显的规律性， 韵律层的发育也具有一定的非均质性。

综上所述， 通过对砂体非均质性各种影响因素的统计和编图， 发现砂体厚度、 含砂率、 泥岩隔挡层及砂岩平均粒度之间存在着密切的联系， 河道中心部位砂体厚度大、 含砂率高、 泥岩隔挡层不发育， 非均质性弱； 而分流间湾则砂体厚度薄、 含砂率低、 泥岩隔挡层较发育， 砂体非均质性明显增强。

图6 研究区直罗组下段下亚段沉积相图Fig. 6 Distrobition of Sedimentary facies of the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

3 砂体非均质性与铀矿化的关系

3.1 砂体非均质性表象特征与铀矿化的关系

1） 通过数理统计显示， 研究区砂体厚度为20～40 m 时， 成矿几率高（成矿几率， 即钻孔发现铀矿化、 异常的概率）， 尤其是砂体厚度为20～30 m 时， 成矿几率最高， 且出现工业孔的比率也达到最高， 而砂体厚度小于20 m 或大于40 m 时， 成矿几率则迅速降低（图10a）； 含砂率70%～90%时， 成矿几率较高， 含砂率70%～80%时， 成矿几率最高， 且出现工业孔的比率也达到最高； 而含砂率小于70%时， 成矿几率大大降低， 且无工业孔，含砂率大于90%时， 成矿几率明显降低， 尤其工业孔和矿化孔出现的几率明显降低（图10b）。

图7 研究区直罗组下段下亚段泥岩隔挡层层数（a）和累计厚度（b）统计图Fig. 7 Diagrams showing the number （a） and the cumulative thickness （b） of mudstone barrier layer in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

图8 研究区直罗组下段下亚段砂岩平均粒度（a）和韵律（b）统计图Fig. 8 The average grain size （a） and rhythm number （b） of the sandstone in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

图9 砂体底部冲刷面Fig. 9 The erosion surface at the bottom of sand body

图10 研究区直罗组下段下亚段砂体厚度（a）和含砂率（b）与铀成矿关系统计Fig. 10 Diagrams showing the relationship between sand body thickness （a）， sandstone percentage （b） and uranium mineralization in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

2） 从砂体形态、 成因分析， 研究区铀矿化主要位于分支河道和分流间湾的边缘部位，即砂体厚度、 含砂率突变的部位。 农胜新地区主要表现为铀矿化位于砂体厚度为30 m 和含砂率为80%的等值线附近， 即砂体厚度为20～40 m、 含砂率为70%～90%时， 成矿几率最高。 从古层间氧化作用的角度分析， 古层间氧化带的发育受砂体展布形态及沉积相变等因素的控制， 粒度较粗、 连续性好的砂体必然会遭受强烈的层间氧化作用， 而砂体由宽而厚向薄而窄的过渡部位， 是地下水能量发生变异的部位， 也是古层间氧化带前锋线发育和铀矿化富集的有利部位。 从砂体的形成原因分析， 分流河道沉积的砂体往往分岔的比较频繁。 砂体在沉积和成岩作用过程中伴随着能量与强度的差异， 形成了一些渗透性很差的隔挡层， 从而造成了河道砂体内部和相互间的连通性大大降低， 把砂体分割成一个个透镜状或半连通的单元。 河道分岔部位是地下水动力发生变异的部位， 也是古层间氧化带发育的停滞区。 因此， 铀矿化主要形成于河道的边缘， 而河道中心由于遭受强烈的层间氧化作用， 不易形成铀矿化（图5、 6）。

3.2 砂体非均质性内在特征及其与铀矿化的关系

1） 数据统计结果表明， 研究区泥岩隔挡层层数为1 层和2 层时， 成矿几率高， 尤其出现工业孔的几率高， 而0 层或大于2 层时，成矿几率明显降低（图11a）。 泥岩隔挡层累计厚度为0～2 m 时， 成矿几率高， 尤其厚度为0～1 m 时， 成矿几率最高， 出现工业孔的几率也最高； 而累计厚度为0（不发育泥岩隔挡层）或累计铀厚度大于2 m 时， 铀成矿的概率则明显降低（图11b）。

通过对比泥岩隔挡层层数、 累计厚度和砂体厚度、 含砂率等值线图， 笔者发现， 两者具有一定的关联性和相似性， 即不发育泥岩隔挡层的区域恰恰位于砂体厚度大、 含砂率高的部位， 即分支河道主流线部位； 而发育泥岩隔挡层较多的区域则位于砂体厚度小、含砂率低的部位， 即分流间湾或河道间沉积的部位。 这是由于河道中心水动力强， 泥岩隔挡层不容易保留， 而分流间湾和河道间水动力弱， 泥岩隔挡层容易保留的原因。 农胜新地区铀矿化主要位于泥岩隔挡层1 层和2层、 累计厚度为0～2 m 的区域， 同时泥岩隔挡层层数和累计厚度突变的区域铀成矿几率高； 而泥岩隔挡层为0 层或层数和累计厚度较大时， 则成矿几率非常低。 从层间氧化作用的角度看， 具有 “泥-砂-泥” 岩性结构的钻孔更有利于层间氧化作用以及铀的富集，可能是由于泥岩隔挡层不发育会造成砂体遭受强烈的氧化， 没有合适的还原障， 铀元素无法得到相应的富集； 相反， 泥岩隔挡层过于发育， 造成砂体非均质性太强， 层间氧化作用太弱， 影响了含氧含铀水的运移和铀的富集（图12）。

图11 研究区直罗组下段下亚段泥岩隔挡层层数（a）和累计厚度（b）与铀成矿关系统计Fig. 11 Statistics on the relationship of uranium metallization probobility to the layer number （a）， cumulative thickness （b） of mudstone barrier layer in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

图12 研究区直罗组下段下亚段泥岩隔挡层累计厚度（a）和层数（b）等值线图Fig. 12 Contour map of cumulative thickness （a） and the number （b） of confined mudstone in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

2） 数理统计显示， 砂岩平均粒度为中、细粒时， 成矿几率较大， 尤其平均粒度为中粒时， 成矿几率最大， 而工业孔和矿化孔的砂岩平均粒度也主要为中粒（图13a）。 通过砂岩平均粒度图与前面的砂体厚度、 含砂率及泥岩隔挡层图件进行详细对比， 笔者发现，砂体厚度大、 含砂率高、 泥岩隔挡层发育厚度少、 累计厚度小的区域也正是砂岩平均粒度大的区域。 这也说明， 砂岩粒度、 砂体厚度、 含砂率及泥岩隔挡层之间存在着相关性，河道中心部位水动力强， 砂体厚度大、 含砂率高、 砂岩平均粒度大、 泥岩隔挡层不发育，砂体非均质性弱； 河道间和分流间湾则砂体厚度小、 含砂率低、 砂岩平均粒度小、 泥岩隔挡层较发育， 砂体非均质性强（图13b）。 砂体的沉积韵律对古层间氧化带的发育特征具有控制作用， 即砂体的不同沉积韵律内受砂体非均质性的影响往往能形成多条层间氧化带。 研究区成矿作用与砂体的沉积韵律有关， 砂体中发育5～7 个沉积韵律时， 对铀成矿最为有利（图13c）。 沉积韵律少， 有利于层间氧化带向前稳定发展， 但不利于铀的沉淀富集； 沉积韵律过多， 砂体非均质性太强， 空间上稳定展布的均一的粒度较粗的砂体分布范围有限， 含氧含铀水的运移能力和层间氧化带的稳定延伸受到制约， 对铀成矿不利。

4 结论

1） 砂体非均质性影响层间氧化作用， 两者呈强弱对立的关系， 从而砂体非均质性对铀矿化的形成具有控制作用。 研究区直罗组下段下亚段砂体厚度为20～30 m、 含砂率为70%～80%、 泥岩隔挡层层数为1 层和2 层、泥岩隔挡层累计厚度0～1 m、 沉积韵律为5～7 个时， 成矿几率高。

图13 研究区直罗组下段下亚段砂岩平均粒度、 韵律与铀矿化关系图Fig. 13 Diagrams showing the relationship between the average grain size， rhythm number and uranium metallization probability in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

2） 砂体非均质性弱， 地下水动力及层间氧化作用强， 砂体必然会遭受强烈的层间氧化作用； 相反， 砂体非均质性强， 则不易发生有利于铀成矿的氧化带作用。 而砂体非均质性由弱到强的突变， 导致含氧含铀水运移能力发生变化， 同时延长了砂体对铀的吸附时间， 从而控制了铀的富集成矿。