川北303地区砂岩型铀矿含矿层位高分辨率层序研究

侯学文，孙泽轩，熊鸿鸽，李进，张亮

（1.成都理工大学，四川 成都 610059；2.核工业二八〇研究所，四川 广汉 618300）

自T.A.Cross 提出高分辨率层序地层学并由邓宏文教授将其引入国内研究以来［1-2］，高分辨率层序地层学在我国陆相盆地研究中得到迅速推广及应用［3-6］。与经典层序地层学及地震地层学相比，各级基准面旋回的识别分辨率更高，这也是高分辨率层序地层学的基础，适用于陆相层序地层分析［7］。前人针对川北地区砂岩型铀矿的矿床成因、成矿模式、矿化特征、古水文地质特征和地球化学特征等方面做了大量研究工作［8-12］，对区内砂岩型铀矿床勘查工作起到了重要的指导作用。本文基于高分辨率层序地层原理及方法，结合国内有关陆相盆地层序地层学的研究与四川盆地砂岩型铀矿找矿成果［13-17］，对苍溪组含矿层位的层序发育特征进行深入研究，并对层序与砂岩型铀矿成矿关系进行探讨，旨在对今后在区内从事砂岩型铀矿找矿工作的同行们提供借鉴与参考。

1 矿区地质概况

川北303 地区位于四川盆地北部南江县境内，构造位置处于新华向斜的南东翼（图1），地层产状平缓，整体上由南东向北西倾斜，岩层倾角一般为1°～15°。

图1 四川盆地北部地质构造略图Fig.1 Geological structure sketch of northern Sichuan Basin

区内出露地层主要为上侏罗统蓬莱镇组与下白垩统苍溪组，二者呈平行不整合接触。上侏罗统蓬莱镇组主要由紫红色粉砂岩、泥岩组成，未见铀矿化。下白垩统苍溪组由11～13 个岩石粒度下粗上细的正向半韵律构成，每个韵律层由下部浅色砂岩和上部紫红色泥质岩组成，各韵律层厚度不等，但沉积特征相似，总厚度为336～539 m。其中底部3 个韵律为本区的主要矿化层位，称苍溪组含矿段，亦即本文研究的目标层位。前人在303地区先后发现范家山、花台寺、长河坪等几个中小型砂岩型铀矿床。

2 层序界面识别

图2 苍溪组含矿段层序界面类型Fig.2 Sequence interface types of ore-bearing section in Cangxi Formation

根据路线地质调查、剖面测量，结合钻井资料，确定研究区发育的层序界面主要为不整合面、冲刷面、洪泛面、岩相转换面（图2）。运用高分辨率层序地层学研究方法，借助于岩性、地层、沉积相特征，在研究区内共识别出5 个具等时意义的层序界面，自上而下依次是SB4、SB3、SB2、F1和SB1（图3）。

SB4：含矿段第三层与无矿段之间冲刷面，主要表现为无矿段底部含砾砂岩与下伏紫红色泥岩、泥质粉砂岩假整合接触；局部地段为透镜状、薄层状浅色砾岩与下伏紫红色泥岩、粉砂岩接触，在含矿段第三层泥岩中可见龟裂。

SB3：含矿段第二层与第三层之间界面，为冲刷面。通过数据统计，该界面之上苍溪组各段砂地比较界面之下砂地比低。该界面之上岩性结构多表现为 “泥包砂”，地层中单向斜层理、侧向加积较发育；界面之下地层多表现为巨厚层状砂体之上相对较薄的泥岩、粉砂岩沉积。

SB2：含矿段第二层与第一层之间界面，为冲刷面。界面之下为区域上延伸较稳定的灰绿色、灰色含砾砂岩、中-细砂岩，在局部地区夹有薄层状有机质、碳质碎屑，铀矿化亦多产在该层底部。界面之上为灰色、灰绿色厚层砂岩，发育交错层理，常对下部地层具有冲刷作用，有时因下切与苍溪组含矿段第一层砂体连为一起，使钻孔中含矿段第一层与第二层岩心较难区分。整体而言，苍溪组含矿段第一层与第二层在岩性、地层厚度、发育的沉积构造等方面较为相似。

图3 苍溪组含矿段充填演化序列与层序划分示意图Fig.3 Schematic column showing the filling succession and sequence of ore-bearing section in Cangxi Formation

F1：苍溪组初始洪泛面，位于SB2界面下部，研究区内部分地区由于含矿段第二层的侵蚀下切造成含矿段第二层与第一层连为一体，在矿区内不能对比。在局部地区，F1界面与SB2界面重合。

SB1：苍溪组与蓬莱镇组不整合面。苍溪组底部为灰色、灰绿色巨厚层状中-细砂岩，局部含灰色、灰黑色薄层状、透镜状砾岩层，强钙质胶结，局部含大量的细分散状碳质碎屑，是判别苍溪组最突出的标志。该区蓬莱镇组上部多为紫红色泥岩与粉砂岩互层。其次，苍溪组底部的砂体通常具有较大的规模，主砂体厚度一般在20～40 m，宽厚比极大，砂体中常发育大型槽状交错层理。此外该界面之下的蓬莱镇组顶部常发育浅灰绿色的泥岩、粉砂岩褪色带，也是识别该界面的重要标志。

3 基准面旋回

露头、剖面、岩心等资料是基准面旋回识别研究的基础［16，18］，通过分析，在研究区苍溪组含矿段中识别出两种基准面旋回：短期基准面旋回和中期基准面旋回。

3.1 短期基准面旋回的识别和叠加样式

短期基准面对砂体展布、砂体厚度等沉积特征具有一定的控制作用。短期基准面的识别是建立高分辨率层序地层及中期基准面旋回的基础，也是建立研究区层序地层格架及地层对比的前提。不同可容纳空间条件下发育的短期旋回在相序构成上有明显的差异。303 地区下白垩统苍溪组含矿段第一层以河流相沉积为主，沉积亚、微相主要有河道滞留沉积微相、心滩微相、泛滥平原亚相等，这些亚、微相以特定的相序或相组合构成不同的短期地层旋回，并在其相组合类型、旋回厚度、对称性等沉积学相应特征上存在着明显的差别。在进行短期层序对比时，由于河流相砂体的层序结构以及发育状况差异较大，在一定程度上会影响到层序对比的精度。因此，开展苍溪组含矿砂岩地层中期沉积旋回的沉积动力学条件、结构类型以及叠加样式研究，对河流相砂体的等时对比尤为重要。303 地区苍溪组含矿段层序结构类型及叠加样式存在如下几种情况：

3.1.1以上升为主的短期基准面旋回

图4 为低可容纳空间条件下的一套由加积到退积的河道砂体沉积图，该种以上升为主的基准面旋回主要发育在苍溪组含矿段，在研究区北部广泛分布，反映沉积物补给量等于或略小于基准面上升期可容空间增量（A/S≥1），沉积作用以加积方式进行，沉积层序由较厚的河道砂岩→洪泛平原泥岩→河道粉→细砂岩组成，为由上升半旋回为主的不完全对称型向对称型变化的叠加样式。

图4 ZK119－67 孔以上升半旋回为主短期旋回Fig.4 Short-term half cycle with priority to upward hemicycles in ZK119-67

主要特征：1）沉积记录以上升半旋回记录为主，下降半旋回多缺失；2）以砂岩底部的冲刷面为界，自下而上显示为正粒序，这种旋回类型在研究区最为发育；3）该层序类型多在物源供给供给充分、距物源较近条件下发育。

3.1.2以下降为主的短期基准面旋回

主要分布在研究区东南部，在303 地区苍溪组含矿段中亦有发育，岩性主要由泛滥平原及曲流河道等沉积的中-细砂岩、粉砂岩及泥岩组成（图5）。

图5 ZK119－66 孔以下降半旋回为主的短期旋回Fig.5 Short-term half cycle with priority to downward hemicycles in ZK119-66

该类旋回表示沉积物补给量远小于-小于可容纳空间增量（A/S＞＞1），沉积作用以进积方式进行。由于可容纳空间始终处在基准面大于沉积界面并缓慢减小的欠充满状态，一旦基准面下降便发生砂体近积，因而层序保存下降半旋回各期的沉积物，由砂体、泥岩整体互层状的层序组成，具有水体总体向上“变浅” 的沉积旋回叠加样式。

主要特征：1）沉积记录以下降半旋回为主，上升半旋回不太发育；2）从沉积间断面向上总体显示水体“变浅” 的沉积结构；3）多发育在物源供给逐渐增加的沉积背景下；4）代表地层沉积由加积向进积转化的过程。

3.1.3近对称性的短期基准面旋回

最大洪泛面的形成代表间歇河漫湖扩大的长期相转换面，之后 “洪泛面” 开始下降，沉积作用由退积转变为加积或弱进积作用，由河道砂岩→洪泛平原泥岩→河道粉-细砂岩组成近对称型旋回结构（图6）。

图6 ZK119－69 孔近对称性短期旋回的短期旋回Fig.6 Short-term half cycle with priority to near-symmetric hemi-cycles in ZK119-69

该类旋回中保留了较为完整的沉积记录，在研究区北部303 地区苍溪组含矿段中发育该类型沉积旋回，图5 显示辫状河发育晚期其上部沉积一套泛滥平原相沉积，之后水体“变浅” 的沉积记录。

通过研究区短期基准面对比，研究区发育上升半旋回、下降半旋回及近对称的3 种短期基准面旋回，通过短期基准面旋回的识别，可以确定短期基准面旋回旋回顶底界，是苍溪组铀矿含矿段等时对比格架建立的重要前提。

3.2 中期基准面旋回的识别及叠加样式

不同中期基准面旋回记录具有不同的沉积学响应特征，研究区苍溪组含矿段以发育辫状河沉积体系为主，代表了盆地开始进入强烈的充填和萎缩的沉积环境，盆地进入构造强烈期。单个中期旋回早期，侵蚀基准面下降，物源供给强烈增加，大量物源带入盆内，形成了横向连通性好的 “泛砂体”，单个中期旋回晚期，侵蚀基准面上升，形成以紫红色泥岩、粉砂岩为主的红层沉积。受中期基准面旋回控制的不整合面为层间氧化带提供了流体通道，单个中期旋回底部砂体为铀成矿提供了储矿空间。

通过对研究区苍溪组含矿段层序界面的识别，结合短期基准面旋回的叠加样式，在苍溪组含矿段中可识别出3 个中期旋回，自下而上将苍溪组含矿段划分为第一层、第二层和第三层，并根据层序地层学命名原则将其分别命名为MSC1、MSC2、MSC3。但不同地区，由于不同的沉积环境，其沉积旋回特征也略有不同。

4 层序格架建立与对比

在研究区选择了一条近平行物源方向（北东-南西向）的钻孔剖面，针对5 个钻孔的层序发育特征建立层序地层格架进行对比（图7）。

图7 303 地区ZK181-50～ZK8～9 井层序地层格架Fig.7 The sequence stratigraphic framework from ZK181-50 to ZK8-9

MSC1中期基准面旋回在303 地区可以较清楚地进行对比，而在整个川北地区的对比较难，因苍溪组含矿段第一层各砂体沉积不具有等时性，且川北地区砂体宽厚比一般较小，这一特征亦表明苍溪组含矿段第一层沉积期可容纳空间较小，指示该区距物源较近，沉积物供给充分，形成了辫状河相沉积充填特征。苍溪组底部的MSC1、MSC2两个中期旋回可对比性均较强，表明沉积环境在同期无明显变化。MSC3在303 地区的不同地段，表现出沉积环境有变化的特点。

MSC1底界为苍溪组、蓬莱镇组间平行不整合面，顶界为冲刷面。主要由上升半旋回构成，在研究区可进一步划分2～4 个短期基准面旋回。303 地区钻孔揭露最大厚度为41 m，底部发育厚约70 cm 的砾岩层，属砾质辫状河相沉积；研究区中部地层厚25～35 m，属辫状河流相沉积，上部为厚约几十厘米至两米左右的泥岩、泥质粉砂岩。范家山地区苍溪组含矿段第一层单层砂体厚度变薄，泥质含量增加的趋势。

MSC2底界为冲刷面，多见冲刷凹槽且岩性突变，顶界为冲刷面 （沉积相转换面）。该基准面旋回厚度较花台寺地区厚，沿范家山—花台寺—青岗一线，含矿段第二层有单层砂体厚度变薄，泥质含量增加的趋势。总体也为上升半旋回，该旋回可细分为2～7个短期基准面旋回。地层厚度较稳定，多为20～35 m。范家山地区含矿段第二层砂体厚度较花台寺地区厚，属于辫状河相沉积。

MSC3底界为冲刷面（沉积相转换面），顶界为含矿段与无矿段间的冲刷面。整体以上升半旋回为主，该基准面旋回在花台寺地区遭受剥蚀较严重，在范家山地区保存比较完整，可细分为3～6 个短期基准面旋回，厚度为40～55 m。地层厚度较MSC1、MSC2大，该旋回下部砂体以含砾砂岩、中-细砂岩为主，局部含薄泥岩层；上部砂体多以夹层出现，为泛滥平原相沉积。

总体上，MSC1发育为上升半旋回，砂地比值大，可容纳空间较小，砂体相互切割，厚度巨大，展布稳定，连通性好；MSC2也发育为上升半旋回，以辫状河、泛滥平原沉积为主，与MSC1相比较，地层结构上泥岩厚度加大，砂岩与泥岩互层，砂体变薄；MSC3发育为上升半旋回，下部以辫状河河道、心滩沉积为主，上部以泛滥平原沉积及曲流河小型河道沉积为主，砂体呈孤立状产出，尽管部分砂体具有一定的厚度，但是连通性差。

5 层序地层与铀成矿关系探讨

303 地区铀矿床发育于苍溪组、蓬莱镇组不整合面之上0～20 m 范围，为低可容纳空间下沉积于侵蚀基准面之上的砂岩型铀矿床，基准面的频繁变化控制了地层的叠加样式、砂体的形态、孔隙度、渗透率等特征。由冲刷作用形成的侵蚀凹槽古地形（深槽位）、沉积微相（河道转弯处）对铀矿化的富集具有十分重要的作用。具体表现在：

5.1 侵蚀凹槽对铀成矿的控制作用

低可容纳空间下沉积的厚层砂体具有良好的 “三性”（孔隙性、渗透性、连通性）条件，有利于地下水的径流。蓬莱镇组沉积后，盆缘及盆内地层经历长期侵蚀风化，有利于铀元素的浸出和迁移。不整合面之上凹槽古地形有利于地下水运移，有利于铀元素沿不整合面的迁移。侵蚀凹槽初始沉积内堆积了大量富含炭质、有机质透水性较好的砾岩、砂砾岩，有利于地下水的循环，铀被有机质、黄铁矿等还原沉淀下来。古侵蚀凹槽切割深、砂（砾）岩透镜体重叠交错地段，常形成较大的矿体，成为最有利的聚矿空间（图8）。

5.2 沉积微相对铀成矿的控制作用

对研究区含矿孔、无矿孔进行统计。花台寺矿床见矿孔（矿化孔）多产于河道滞留微相顶部、心滩微相底部，呈带状分布，与辫状河道展布较为一致（图9）。研究认为由于河道滞留沉积、心滩沉积时期水动力强，沉积砂体较厚、连通性好、透水性强，形成的砂体条件好，有利于后期含氧含铀流体改造。在河道分流、汇合及转弯处，水流速会下降，沉积物粒度变细，沉积大量细分散状的有机质，为后期的铀矿富集提供还原剂。

后期含氧含铀流体沿受层序地层控制的不整合面附近的高孔高渗带对砂体进行氧化改造时，在砂体、有机质及后期构造配置耦合较好的条件下，氧化带持续向前推进。当地层中水文情势发生变化时，氧化带不能向前推进，在氧化还原过渡带（前锋带）形成铀元素富集。因此，特定的沉积微相对铀成矿具有一定的控制作用。

图8 范家山铀矿床（3031）80 号矿化沉积相及矿体定位Fig.8 Sedimentary facies and spatial positioning of No.80 uranium ore body in Fanjiashan uranium deposit （3031）

图9 苍溪组含矿段MSC1 旋回沉积相示意图Fig.9 The relation of uranium-metallogenic and sedimentary facies of MSC1 middle cycle，Cangxi Formation

6 结论

1）在苍溪组含矿段识别出5 种层序界面，并将其进一步划分为5～8 个短期基准面旋回，3 个中期基准面旋回。建立了研究区的层序地层格架并进行了对比。MSC1、MSC2、MSC3均以发育上升半旋回为主，MSC1、MSC2砂体厚度大，展布稳定，连通性好；MSC3下部为辫状河道、心滩沉积为主，上部以曲流河相沉积为主，河道砂体总体呈 “泥包砂”形态产出，3 个中期旋回在研究区可以很好的进行对比。

2）对范家山矿床层序地层与铀成矿关系进行探讨，发现不整合面之上的古侵蚀凹槽、发育侧向加积的河道转弯处、分流、汇流处等沉积微相对铀富集带的空间展布具有重要的意义。侵蚀基准面的频繁变化控制了古地貌，侵蚀基准面之上可容纳空间小，砂体连通性好，特定的叠加样式使得砂体上下发育隔水层，层序地层的发育对铀成矿具有一定的控制作用，铀矿主要富集于侵蚀基准面之上的低水位体系域主河道砂体的展布方向上，发育于河道滞留沉积顶部、心滩微相底部。

3）303 地区铀矿床成矿期处于盆地构造强烈活动阶段，即层序界面的形成阶段。砂体为铀成矿提供了储矿空间，层序地层与铀成矿作用存在耦合关系。