柴北缘绿草山上干柴沟组沉积--构造特征及与铀矿化关系

张淼 ,廉康 ,郭倩怡 ,邵恒博

(1.核工业二〇三研究所,陕西 咸阳 712000;2.陕西省地质调查院水工环中心,陕西 西安 710068)

柴达木盆地是我国重要的能源矿产沉积盆地,随着“一带一路”相关战略发展,为支持中国资源开发、加大后备资源储备等方面的需求,近年来各科研院所相继在柴达木盆地开展工作。自20世纪50年代中期开始,前人针对地表铀矿化信息开展了航空能谱、航磁、地表异常查证及部分地段的钻探查证工作,取得了许多重要成果及认识,在柴北缘发现了一批砂岩型铀矿点、矿化点及铀异常点和异常带,表明柴北缘地区具备砂岩型铀成矿的基本地质条件[1--4]。

相较于近些年吐哈盆地、鄂尔多斯盆地、松辽盆地等在铀矿找矿及成矿机理研究方面取得突破[5--7],柴达木盆地虽然发现了多个铀矿工业孔和矿化孔,但均未发现有规模性的工业铀矿床[8--11]。笔者在系统总结与分析前人大量研究资料的基础上,选取柴达木盆地北缘绿草山地段作为研究对象,通过野外地质调查、钻孔验证及镜下显微观察,利用层序地层学的基本方法,结合层间氧化带砂岩型铀矿成矿理论,对区内上干柴沟组(N1g)的沉积特征、构造演化进行了详细的调查研究,以求在新层位新地段寻求突破[12--15]。

1 研究区概况

研究区东起大煤沟,西至小柴旦电厂,南部以锡铁山为界,北部至大柴达木山;构造位置处于大柴旦凹陷东北部,红山凸起西南部,地表被第四系沉积的冲--洪积物覆盖,厚度为200～300 m,下部发育有较完整的上干柴沟组,厚度为400～600 m(图1)。

图1 研究区地质及(a)大地构造位置示意图(b)Fig.1 Geology map(a)and tectonic location(b)of the study area

绿草山地段上干柴沟组沉积期,正处于喜山构造作用的静宁期,在绿草山地段沉积了一套厚层三角洲＋冲积扇陆源碎屑沉积组合,北部大柴达木山为一套富铀花岗岩体[16],U 含量为(3.0～7.8)×10－6,Th为(12.5～64.1)×10－6,Th/U 为4.17～8.22,表明蚀源区岩体中铀大量的迁出,可为铀成矿提供较丰富的铀源[17]和稳定良好的构造环境。在新近系沉积后,受中--晚喜山构造作用,形成一系列北西走向的逆冲推覆构造,在北部形成红山凸起,分别不同程度的出露古近系--新近系,呈条带状分布;向南为一稳定的斜坡带,受后期断裂控制及改造作用,呈断块状且发生不均匀沉降作用,地表被第四系巨厚层冲--洪积物覆盖。

2 地层沉积特征

柴北缘绿草山地区地层岩性特征及粒度变化均较为明显,具有明显的韵律旋回性和沉积环境指向性,对构造演化和气候变化具有良好的指示性。

2.1 沉积特征及标识

通过对绿草山地区施工的5个钻孔进行现场岩心观察和测井资料的综合分析,结合对野外大量实测剖面观察研究,明确了绿草山上干柴沟组不同沉积环境的沉积相标志。

沉积物的颜色是反映沉积环境最为直接和醒目的标志之一[18],它能反应沉积介质的物理化学特征和古气候条件。在钻孔岩心观察过程中,上干柴沟组泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩主要以棕红色、褐黄色为主,局部可见青灰色、灰色泥岩、粉砂质泥岩等细粒沉积物,并且呈现出由西向东、由北到南逐步增加的特征;砂体呈现出西部山前粒度较粗,为褐黄色、浅黄色含砾粗砂岩、含砾中砂岩,可见少量细砾岩,向南东方向逐步变细,为浅褐黄色、浅灰色、灰色粗砂岩、细砂岩等(图2)。反应了沉积环境由氧化环境向弱氧化--弱还原环境逐步过渡,并间接指示了古水流的径流--排泄方向。

绿草山地区上干柴沟组具有丰富的沉积构造类型,主要包括块状构造、平行层理,板状交错层理、槽状交错层理,波状砂纹层理,冲刷面等。在岩心观察过程中在棕红色、褐黄色泥岩、泥质粉砂岩中可见有大量生物潜穴发育,为河漫滩、泛滥平原沉积,局部发育有灰色、灰黑色泥岩、泥质粉砂岩,并可见有大量植物炭屑,为岸后沼泽沉积。根据钻测井资料和岩心观察描述,将绿草山地区沉积构造类型分类统计见表1。

图2 绿草山地区砂岩钻孔岩心Fig.2 Sandstone drilling cores in Lucaoshan area

表1 绿草山地区上干柴沟组沉积构造类型Table 1 Sedimentary structure types of Shangganchaigou Formation in Lucaoshan area

2.2 岩石学特征

通过镜下岩石薄片分析(图3),绿草山地区砂岩类型主要以岩屑石英砂岩为主,石英平均含量为68%,长石平均含量为6%,岩屑含量为20%,成分成熟度中等,且碎屑颗粒多呈次棱角--次圆状,分选较差,碎屑颗粒之间多呈点接触关系,为颗粒支撑类型,岩石整体固结较差,成岩度低,结构成熟度较差,均发育有较明显的褐铁矿化,长石风化程度较高,发育有大量高岭石化。填隙物以黏土矿物及褐铁矿为主,在浅黄色砂岩中有部分碳酸盐岩,云母发育有大量挠曲变形构造,反映了后期中--晚喜山运动的改造作用。

砂岩中岩屑以花岗岩、变质岩岩屑为主,碎屑含量基本一致,具有良好的继承性和稳定的水动力条件。通过对砂岩粒度分析比较,研究区内砂体呈现出明显的由北西向南东方向碎屑颗粒成熟度增高的情况,说明碎屑物的物源较近,水动力较强,具有明显的冲积扇--三角洲沉积相特征,且砂体整体较为疏松易碎,发育有大量孔隙,连通性较好,为含铀含矿水提供了良好的物质来源及运移通道。

2.3 沉积相与沉积层序

地层层序的研究可以较为准确的反映出研究区内岩相古地理的演变,同时也是构造背景和沉积演化研究的重要手段。通过对野外露头及钻孔岩心观察,结合岩石颜色、沉积相标志,测井曲线分析及镜下薄片研究,绿草山地区上干柴沟组可划分为3个沉积层序,底部为一套干旱环境下水进体系域沉积的冲积扇;中部为干旱--半干旱环境下水进体系域沉积的辫状河三角洲与扇三角洲,具有稳定、良好的沉积物源和水补给条件;顶部为干旱环境下水退体系域沉积的冲积扇。对研究区内3个钻孔进行了单井沉积相分析,共划分为3个沉积体系,5个沉积亚相和6个沉积微相(表2,图4)。

图3 绿草山地区砂岩碎屑镜下显微特征Fig.3 Photograph of thin section of sandstones in Lucaoshan area

绿草山地区上干柴沟组顶部和底部均发育冲积扇沉积体系,在钻孔岩心及野外露头的观察过程中可看到砾质辫状河道沉积及洪漫沉积,主要为扇中亚相沉积,岩石岩性以厚层--巨厚层棕红色砾岩为主,夹有厚层--中厚层浅灰色、褐黄色砂砾岩、含砾粗砂岩;局部发育有厚层岩棕红色泥质粉砂岩、含砾泥质粉砂岩等,并可见有少量生物扰动及潜穴发育。岩石以块状层理为主,局部可见有交错层理,小型砂纹层理,野外可见有定向排列的砾石,呈叠瓦状。

上干柴沟组中部可划分为两个沉积体系,由上到下分别为扇三角洲沉积和辫状河三角洲沉积。

表2 绿草山地区地层结构及沉积体系划分Table 2 Stratigraphic texture and sedimentary system division in Lucaoshan area

图4 绿草山上干柴沟组单井相分析(由左向右依次为ZKLC12-1、ZKCL0-2、ZKLC35-1)Fig.4 Single well facies analysis of Shangganchaigou Formation in Lucaoshan area

扇三角洲沉积体系中主要见有前缘及平原沉积两个亚相,扇三角洲前缘主要为褐黄色、浅黄色、棕红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩,可见有大量生物扰动发育,岩石以块状层理为主,在粉砂岩中可见有少量砂纹层理,并发育有薄层--中厚层褐黄色含砾中砂岩、含砾细砂岩;扇三角洲平原主要为一套厚层--巨厚层褐黄色、浅灰色细砾岩,含砾粗砂岩、含砾中砂岩、中砂岩,局部灰色砂体中含有大量植物炭屑,可以明显的识别出正粒序的沉积序列,为辫状水道沉积,并夹有灰色、灰黑色、青灰色泥岩、粉砂质泥岩,为沼泽相沉积,并发育有大量的植物炭屑,为砂体提供了良好的还原物质。

辫状河三角洲是介于正常三角洲和扇三角洲之间的沉积体系,绿草山地区辫状河三角洲可以识别出两个沉积亚相,分别为三角洲平原和三角洲前缘。前缘亚相中褐黄色、灰色、棕红色泥岩、泥质粉砂岩等细粒沉积物,以块状层理、水平层理构造为主,发育有大量生物潜穴及扰动,灰色泥岩、粉砂质泥岩中普遍发育有植物碳屑,为沼泽相沉积;砂体为褐黄色、灰色中砂岩、含砾细砂岩,可见有河道滞留沉积堆积的含砾粗砂岩、含砾中砂岩、细砾岩,在砂体中可以识别出交错层理、粒序层理、斜层理等为河道沙坝沉积,并且在灰色砂体中普遍发育有有大量植物碳屑。三角洲平原中细粒沉积物以棕红色泥岩、泥质粉砂岩等为主,发育有多期河道充填砂体,以褐黄色为主,多呈块状层理和平行层理,局部可见有灰色砂体发育。

通过单井沉积相分析(图4)和剖面分析(图5),绿草山地区上干柴沟组沉积期可划分为4个沉积层序。层序1为上干柴沟组底部棕红色砾岩,砾石成分以花岗岩和变质岩为主,通过野外古水流测定和砾石岩性分析,该时期物源方向为大柴达木山,主要径流方向为南东,该沉积体系呈现出下粗上细的沉积序列,为干旱环境水进条件下沉积的一套冲积扇沉积;层序2为辫状河三角洲沉积,由下向上依次发育有三角洲平原、三角洲前缘,为一套干旱--半干旱环境水进条件下的沉积体系;层序3为一套扇三角洲沉积体系,下部发育扇三角洲平原,上部为扇三角洲前缘沉积,呈现较明显的正沉积旋回,在该层序底部可见明显的相变特征,为一套干旱--半干旱环境水进条件下的沉积体系;层序4与层序1具有相同的沉积物源特征和相反的粒度特征,为干旱环境水退条件下的冲积扇沉积。结合钻孔中三角洲相砂岩样品地球化学分析,结果表明上干柴沟组层序3 中Th/U 具有明显的北西向南东沉积环境变化特征(表3),反映了该时期沉积环境由氧化--还原过渡带逐步向还原带过渡。

图5 研究区剖面图(东--西,南--北)Fig.5 Sectional view of the study area

表3 绿草山地区U、Th值及沉积环境Table 3 Content of U,Th and sedimentary environment in Lucaoshan area

三角洲沉积体系介于沉积盆地氧化--还原过渡带,是沉积物质的主要堆积场所和含氧含铀水的主要径流区,在沉积演化过程中是铀成矿的有利区域。层序2和3发育有多期河道充填作用,且该时期正处于喜山运动的构造静宁期,沉积环境为干旱--半干旱,雪山融水和裂隙水提供了大量的含铀水,均为铀成矿的有利层位。在上干柴沟组三角洲河道边部多发育有岸后含碳沼泽沉积,该沉积具有较好的还原性,为后期的铀成矿提供了良好的物质条件。

3 沉积--构造耦合关系及铀成矿作用

绿草山地区中新世的地貌形态主要决定于晚白垩世燕山运动,而在古近纪--上新世早期的早喜山运动期该地区长期处于弱挤压状态,这一时期,没有新的构造运动形成,只是对燕山末期构造的继承和加强。通过对钻孔和野外露头的分析绿草山上干柴沟组沉积期,研究区内主要经历了弱挤压期—较稳定期—弱挤压期,形成了冲积扇--三角洲--冲积扇的沉积序列。

图6 绿草山斜坡带沉积模式图Fig.6 Deposition model of slope zone in Lucaoshan area

3.1 构造演化特征与沉积演变的耦合关系

绿草山地区上干柴沟组沉积期的地貌地形特征是在晚燕山运动的基础上形成的,燕山运动晚期受控于祁连山和昆仑山的挤压作用,盆地边缘发生强烈的挤压作用,在绿草山地区形成了赛南凹陷和红山凹陷,并向盆内快速堆积了大量粗碎屑沉积物,形成冲积扇--三角洲沉积,该时期在绿草山地区进行了填平补齐作用,形成了稳定的斜坡带。

中新统上干柴沟组沉积期正处于晚燕山运动与早喜山运动的构造静宁期,该时期绿草山地区未受到较强的构造改造作用,总体构造改造作用较弱,从而形成了一套冲积扇--辫状河三角洲--扇三角洲--冲积扇的沉积序列,地层结构稳定,具有良好稳定的补--径--排条件,为铀成矿提供了天然有利的场所。在上干柴沟组中部三角洲沉积时期(图6),此时晚燕山运动作用对绿草山地区的作用已经停止,而早喜山运动的构造作用还没有进入高峰期,在此时干旱的沉积环境下,大量的含铀氧化水由柴达木山沿着区内稳定的斜坡带进行径流,向南东--南南东方向排泄,从而向上形成两套稳定的水进体系域下的三角洲沉积。

上新世—第四纪,中--晚喜山运动确定了绿草山现今的地貌特征(图7),受北东--南西和北西--南东两期构造挤压作用,形成各种大型的冲断构造、逆冲推覆构造、冲起构造等样式。如图7中,上干柴沟组底层在绿草山地区展布特征主要受中--晚喜山运动形成的断层控制,可以看到地层的沉积序列发生明显的错断和位移,从而形成断块式的展布特征。

图7 中--晚喜山运动构造演化连井剖面Fig.7 Cross-well section of structural evolution in the Middle-Late Himalayan

3.2 铀成矿作用

通过对绿草山地区施工的4个钻孔进行综合分析,结合矿化异常段的赋存位置、沉积相带、岩性接触关系等,对绿??草山地区的成矿潜力进行了预测。

含铀氧化水与还原物质的耦合关系是铀成矿的主要条件之一[19],通过ZKLC35--1 和ZKLC0--2两个铀矿化钻孔,我们进一步厘定绿草山地区还原剂与含铀水的赋存关系。如图8中,在扇三角洲沉积体系中,发现有一段矿化,一段异常,而在与定量伽马异常接触的部位均存在含有大量炭屑等还原物质的沼泽相沉积,并且在砂体中也发育有大量的炭屑;在辫状河三角洲沉积体系中见有两段铀矿化异常,上部矿化发育在褐黄色氧化砂体与含碳沼泽接触的砂体中,下部矿化发育有在含碳沼泽与灰色砂体的接触部位,并具有更高的异常值。

图8 铀矿化岩石组合特征Fig.8 RT,SP,CAL feature of uranium mineralization

绿草山地区含碳沼泽的发育与含铀氧化水具有良好的耦合关系,同过钻孔的验证结果表明,在绿草山上干柴沟组中部沉积时期,干旱--半干旱的环境下大量的地表水的补给、较为稳定的构造斜坡带,使该时期三角洲中普遍发育有大量的沼泽相沉积,从而为沉积后期的铀成矿提供大量的还原物质,并形成各种小型条带状、板状矿体的展布模式。

4 结论

1)绿草山地区在上干柴沟组沉积期发育了一套冲积扇--三角洲--冲积扇沉积序列,分别对应水进--水进--水退的周期性湖泊演化,该时期柴达木盆地整体处于凹陷阶段,周期性湖泊控制着研究区内碎屑物可容空间和发育展布特征。

2)晚燕山运动以后,绿草山地区整体处于弱挤压--弱变形阶段,此时稳定的地层结构和构造作用,使该时期三角洲相极为发育,沉积了良好的河道砂体,并发育大量的含碳沼泽,为后期含铀氧化水的进入和成矿提供了有力的储层条件和还原介质。

3)综合分析认为,渐新统上干柴沟组可作为绿草山地区砂岩型铀矿找矿的新目标层位,其中扇三角洲和辫状河三角洲中分流河道微相与泛滥沼泽微相接触带是有利的成矿部位,砂体中的含铀氧化水与含碳沼泽具有良好的耦合关系。