松辽盆地东北部铁力地区姚家组沉积相与铀矿找矿前景

邢作昌，秦明宽，张杨，郭强，李研，贾立城，肖菁

（1.核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029；2.核工业二四〇研究所，辽宁 沈阳 110032）

松辽盆地作为我国重要的产铀盆地之一，目前铀矿的找矿突破集中于盆地西南隆起区的开鲁凹陷内［1］，已发现了钱家店、宝龙山、大林、金宝屯等一批中大型矿床［2-7］，但盆地中北部的找矿工作仍在爬坡。盆地北缘四方台组等工业矿化孔［8］及大量铀矿化点异常点［9-10］的发现，表明盆地北部同样具有巨大的勘探前景。位于松辽盆地东北部的铁力地区，由于地处盆地边缘，以往较少受到煤炭、石油系统的关注，基础地质积累缺乏，其铀源条件、沉积环境、后生改造条件等铀矿地质研究相对薄弱［9］。另外，砂岩型铀矿中的铀赋存于成层性、渗透性、稳定性条件好的砂体中的氧化-还原过渡带及其附近［11-12］，且必须具备“泥-砂-泥”沉积建造和补给-径流-排泄水动力条件，研究控制砂体形成的沉积相工作，是开展可地浸砂岩型铀矿勘查的重点工作［9］。故本文从制约砂岩型铀矿关键地质要素之一的沉积建造入手，以松辽盆地东北铁力地区姚家组典型的冲积扇-扇三角洲体系为研究对象，在解剖其沉积微相、沉积期次、平面展布等特征的基础上，探讨了砂岩型铀矿成矿的有利砂体类型及找矿方向，力求为研究区内砂岩型铀矿找矿工作的进一步开展提供思路。

1 地质背景

松辽盆地可分西南隆起区、西部斜坡区、东北隆起区、北部倾没区、中央坳陷区及东南隆起区等6 个构造单元［8，13］，研究区位于东北隆起区东侧盆缘附近的铁力地区（图1a）。从构造演化上看，研究区经历了早中侏罗世热隆张裂期（前裂谷期）、晚侏罗世—早白垩世初期的伸展断陷期（裂谷期）、晚白垩世早中期的沉降坳陷期（后裂谷期）及晚白垩世幕式构造反转期（抬升萎缩期）四大阶段［13-14］。沉降坳陷期沉积的晚白垩世地层，在构造反转期由于受到晚白垩世以来太平洋板块的持断挤压并遭受剥蚀［13］，除顶部的四方台组、明水组全部剥蚀外，泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组等在研究区内呈单斜构造自东向西依次出露［15］（图1b）；另外，持续的隆升剥蚀作用造成区内古近系、新近系缺失，第四系直接覆盖在泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组之上［15］。本文重点关注的姚家组（K2y），岩性在全盆变化大，盆中主要为黑色泥岩，南部和东部则为灰色泥岩占多数，北部和西部以砂泥互层为主［16］；垂向上，下部为由一套灰绿、紫红色泥岩和灰白色钙质粉细砂岩组成；上部区域上以棕红色泥岩为主，夹灰绿色粉砂质泥岩，局部地段发育厚层状细砂岩层［17］。

图1 研究区位置（据Feng 等，2010）［13］（a）及前第四系地质简图（b）Fig.1 Structure location（a）and Pre-Quaternary geological map（b）of the study area

2 姚家组沉积相

2.1 沉积相类型

研究区姚家组垂向上整体为一套杂色沉积建造，底部为厚层砂砾岩夹砖红色泥岩，中上部以棕红色泥岩为主，间夹灰绿色泥岩和薄层介形虫岩，垂向显示多个正韵律；平面上靠近盆缘物源区方向为紫红、棕红或浅红等红色粗碎屑沉积，向盆地逐渐过渡为灰绿、灰白色细粒沉积。通过钻孔岩心观察、测井相的综合分析，认为研究区姚家组沉积相为冲积扇-扇三角洲沉积体系，且扇三角洲相占优。

2.1.1 冲积扇

冲积扇（alluvial fan）是指携带大量碎屑物质的间歇性河流流出山谷后，在山口地区形成的粗碎屑扇状沉积体［18-19］。区内该类沉积主要位于盆缘深大断裂附近，以W248 钻孔姚家组顶部揭示的该类沉积最为典型，表现为大套厚层块状结构的紫红色杂基支撑砾岩。进一步可识别出扇根泥石流微相（表1）。

表1 铁力地区冲积扇-扇三角洲沉积相构成特征Table 1 Sedimentary facies feature of alluvial fan to fan-delta in Tieli area

泥石流：岩性以巨厚层紫红色砾岩、砂质砾岩混杂沉积为主，砾石以花岗岩岩屑、浅变质岩碎屑为主；沉积物分选性差，杂基支撑，块状构造；视电阻率曲线和自然电位曲线的对应关系较差，表现为视电阻率曲线特征差异较大，有时呈现剧烈的高幅振荡，有时会出现小幅波动低平形，而自然伽马曲线反映不明显（图2a）。该微相整体具有近物源、粗碎屑发育、成分与母岩相近的特征。

其他相带因与扇三角洲体系中的相带交互发育，且不易区分，为了研究方便，本文将其归为扇三角洲平原部分讨论。

2.1.2 扇三角洲

扇三角洲沉积体系是由冲积扇提供物质并沉积在活动扇与静止水体分界面处的、全部或部分位于水下的沉积体［18］，是一种粗碎屑朵状体，向盆地中心方向与湖泊沉积呈指状交互，局部含碳质泥岩或薄煤层［20］。研究区内的扇三角洲体系包括扇三角洲平原组合、扇三角洲前缘组合、前扇三角洲沉积3 种亚相（表1）。

1）扇三角洲平原组合

扇三角洲平原亚相为扇三角洲沉积的陆上部分［18］，砂砾互层，具不明显交错层理或平行层理，分选差，反映了粗碎屑砂砾岩沉积的陆上冲积和浅水氧化环境的岩性特征［20］。研究区内该亚相以红色-紫红色、局部夹灰绿色-黄色的杂色粗粒建造、多个正旋回叠置发育为特征（图2、3），可进一步细分出辫状河道和洪泛平原两种微相（表1）。

图2 铁力地区冲积扇-扇三角洲体系岩性-测井相特征Fig.2 Lithologic and logging facies characteristics of alluvial fan to fan-delta system in Tieli area

辫状河道：以厚层红色中粗含砾砂岩、粗砂岩为主，砂岩普遍泥质含量高，磨圆一般，分选差，疏松，部分底部冲刷面之上的底部滞留沉积可见颗粒支撑结构的砂质砾岩，向上过渡为不明显正粒序的紫红色含砾中粗砂岩；部分冲刷面之上可见叠瓦状砾石，向上冲刷交错层理构造、平行层理、正递变粒序层理等构造，垂向见多个正旋回叠置（图3）；视电阻率曲线和自然电位曲线变化幅度受沉积物质组分影响较大，砾石含量、粒径和泥质含量变化使视电阻率、自然电位曲线有较大幅度的波动，光滑程度很低，二者有一定的对应关系。曲线形态多为高幅齿化的箱形、钟形组合等（图2b）。该微相是扇三角洲平原的骨架相，几乎控制了整个扇三角洲平原沉积（表1，图3）。

图3 铁力地区扇三角洲平原-扇三角洲前缘沉积特征Fig.3 Sedimentary characteristics of fan-delta plain and fan-delta front in Tieli area

洪泛平原：表现为中厚层紫红色泥岩，块状构造，性脆，局部见少量砾石（图3）。主要位于辫状河河道充填微相之上，并与之形成正旋回；在靠近河道中心部位，常常因后期河道冲刷侵蚀，较少保留。区域上是较好的隔水层，可与辫状河河道等渗透性砂体构成稳定的“泥-砂-泥”结构（图2b）。

2）扇三角洲前缘组合

扇三角洲前缘相为扇三角洲沉积的水下部分［18］，沉积物粒度整体较扇三角洲平原相细，但分选整体较好。发育水下分流河道、水下分流间湾、河口坝等沉积微相。

水下分流河道：为陆上辫状河河道的水下延伸部分。研究区内该微相表现为中厚层平行层理或槽状交错层理灰白色中细砂岩；岩心观察可见其底部的明显冲刷面，冲刷面之上可见正粒序层理、交错层理或块状构造中细砂岩，垂向上可见多个正旋回叠置（表1，图3）；由于沉积物分选性有所提高，因此测井曲线振荡幅度减小，视电阻率曲线和自然电位曲线有良好的对应关系，多为顶底突变的加积式箱形、钟形测井相（图2c）。

水下分流间湾：为水下分流河道间相对低的细粒沉积区［18］，岩性多为泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩等细粒沉积。研究区内扇三角洲前缘近端的此类沉积以绿色、灰绿色泥岩为主，其常以明显冲刷面与水下分流河道微相分开（图3）；向盆地方向的远端泥岩颜色变深为灰色、灰黑色（图2c）。

河口坝：岩性较水下分流河道稍细，通常为中-薄层灰白色细砂岩；垂向上该微相上与灰、灰黑色前扇三角洲泥（或和薄层席状砂）构成反旋回结构，虽然测井曲线上表现不甚明显，但岩性柱上却非常直观。这种反旋回与分流河道（或辫状河河道充填）的正旋回结构的伴生出现是确定研究区内扇三角洲沉积的重要依据之一（图2c）。

3）前扇三角洲沉积

前扇三角洲作为扇三角洲前缘前方沉积最厚的地区［18］，研究区内该亚相主要由巨厚层灰色、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩组成（图2c），推测该亚相在研究区西部靠盆方向厚度更大。

2.2 沉积序列演化

沉积序列一定程度上可反映研究区内的岩性组合特征和沉积环境［19］。研究区内姚家组自下向上经历了扇三角洲平原—扇三角洲前缘—扇三角洲平原的多个旋回的周期性变化。由于距离物源远近、构造活动、沉积期古地貌、古气候等因素的差异，各井沉积序列存在一定差异。如靠近盆缘的W248 井中下部以扇三角洲平原辫状河道充填相占优，向上变为泥石流相占优，单井这种垂向进积的叠置样式（图2a、图4），表明研究区物源供给能力不断增强、扇三角洲由盆缘不断向盆地进积的趋势；而靠近盆地方向的W128、W122 井自底到顶显示3 个次一级的沉积旋回，各次级旋回均呈现退积-进积的完整旋回（图5）。

图4 铁力地区横切物源方向姚家组沉积相展布（连井平面位置见图1b）Fig.4 Cross provenance sedimentary facies of Yaojia Formation，Tieli area

图5 铁力地区顺物源方向姚家组沉积相展布（连井平面位置见图1b）Fig.5 Tracing provenance sedimentary facies of Yaojia Formation，Tieli area

研究区内横切物源方向、顺物源方向连井剖面的综合分析表明，铁力地区冲积扇-扇三角洲体系在横切物源方向表现为顶平底凹的碗状（沉积中心靠近W248 一侧，图4），而顺物源方向则表现为地层厚度向盆地方向减薄的楔形（图5）。该体系内部可进一步识别出次一级的3 个沉积期次（图4、5）。各期次平面上由盆缘向盆内依次沉积冲积扇、扇三角洲平原、扇三角洲前缘及前扇三角洲沉积，垂向上均有退积-进积的垂向地层叠置样式（虽然其时空分布及规模大小存在一定差异）。3 个期次差别较大的部分为扇三角洲平原部分：底部第一期次冲积扇泥石流沉积最接近盆缘，但扇三角洲平原组合中的辫状河道充填却较中部第二期次更加发育；顶部第三期次由于后期（晚白垩世幕式构造反转期）的掀斜剥蚀，造成缺失粗粒的泥石流沉积（图5）。现今的这种沉积叠置样式的差异使得研究区内扇三角洲的第一期次整体的粗粒沉积较其他期次更为发育，是研究区内早期沉积作用与后期构造隆升剥蚀综合作用的产物。需要注意的，研究区内断裂发育，使得断裂下盘沉积厚度增大（图4）。整体来看，3 个期次整体表现为不断进积的总趋势，反映出可容纳空间不断的向盆迁移，是物源区沉积物供给增加和区内构造沉降速率减小耦合作用的沉积响应。

2.3 沉积相展布

笔者在岩心观察、单井相-连井相分析的基础上，统计了研究区内姚家组的含砂（包括砾岩）率，依据“含砂率＞50%的区域作为扇三角洲平原组合区，50%＞含砂率＞25%的区域作为扇三角洲前缘组合区，含砂率＜25%的区域作为前扇三角洲沉积区”的划分原则，在地层厚度与含砂率等值线图的基础上勾画了铁力地区姚家组冲积扇-扇三角洲体系平面展布范围（图6）。研究区内钻孔稀疏，无法准确定位冲积扇与扇三角洲平原的界线，故本文笼统的将两者放在一起进行讨论。扇主体沉积位于铁力市-庆安县-上集镇-四海店镇四角口袋内，主体伸入盆地长约32 km、宽约37 km，面积约1 100 km2；整体走向呈北东向展布，表明扇体受控于研究区盆缘北西西-北西向的盆缘深大断裂，总体不断自东北向西南推进入湖。具体来看，扇三角洲平原组合相沿盆缘断裂近南北向呈长条形分布，从平面展布上看其明显受盆缘断裂控制；而扇三角洲前缘组合相明显分叉，由两个相对独立的次级物源体系构成，表明铁力地区的扇三角洲体系内部存在两个次一级的水下分流河道-河口坝-席状砂-分流间湾构成的扇三角洲前缘体系（图6）。考虑到连井剖面显示总体进积的趋势（图5），认为研究区内的扇三角洲体系的沉积相带也具有总体不断向盆内迁移的趋势。需要注意的是，研究区姚家组受晚白垩世以来构造抬升剥蚀的影响，在东南部形成近南北向长条形的后期剥蚀区（图6）。

图6 铁力地区姚家组沉积相平面展布Fig.6 Sedimentary face distribution of Yaojia Formation in Tieli area，northeastern Songliao Basin

3 铀矿找矿前景

3.1 成矿有利条件

研究区紧靠松辽盆地东北蚀源区，受晚白垩世以来的构造掀斜、隆升剥蚀作用［13］的影响，东部形成单斜构造及姚家组的构造天窗（图5），为后期含铀含氧水的渗入创造了有利的构造条件。姚家组沉积期，研究区处于半干旱-半干温的气候转折期［21］，特殊的古气候条件有利于铀矿化的发育［22］。加之研究区姚家组扇三角洲整体的粗粒沉积，且砂岩含有一定量的植物根茎化石等还原介质（图7a），含铀沉积建造条件良好。区内可见黄色、黄褐色褐铁矿化蚀变氧化砂体（图7 b、c、d），如W310 孔见多层氧化、同层砂体具有上部粒度细者还原、下部粒度粗者氧化的特点，表明姚家组可能受到一定程度的含铀含氧水的渗入改造作用。另外，分析测试表明，姚家组铀含量为（2.0～8.3）×10-6，平均值为4.74×10-6，具备一定的初始铀预富集。综合来看，研究区姚家组具备砂岩型铀成矿的较好条件。

图7 铁力地区姚家组砂岩岩心特征Fig.7 Photos of sandstone core of Yaojia Formation in Tieli area，northeastern Songliao Basin

3.2 有利砂体类型与找矿方向

控制砂岩型铀矿形成的地质因素多种多样，但结构和规模适中的骨架砂体是最基本的因素［23］，因为“砂体既是铀成矿流体的疏导通道，也是铀成矿的储集空间”［23-24］，而沉积相和微相是控制砂岩型铀矿储集空间的关键因素［24-26］。铁力地区姚家组砂岩为岩屑长石砂岩或长石杂砂岩，其中石英为20%～45%，长石为20%～40%，岩屑为15%～45%，具有近物源、低石英含量、较高长石含量、高岩屑含量的特征；基底-孔隙式胶结，分选中等-好，磨圆度中等、多为次棱角状，泥铁质含量为15%左右；砂岩后生蚀变作用较强，表现为长石高岭石化、褐铁矿化（图7）。姚家组整体砂体相对发育，砂体最厚可达174 m，一般为10～48 m，单砂层厚度＞10 m 者居多。单就岩石类型和砂体厚度来看，研究区内姚家组砂岩具备砂岩型铀矿成矿的基本条件。但就具体微相来看，不同微相砂体空间分布、渗透性、岩性组合、还原剂容量等特征差别较大。在以上特征的综合分析的基础上，认为研究区内有利的砂体类型有两类：扇三角洲平原亚相中的辫状河道充填砂体和扇三角洲前缘相中的水下分流河道砂体（表2）。

表2 铁力地区姚家组不同微相砂体特征对比表Table 2 Comparison of sand bodies features of Yaojia Formation in Tieli area,northeastern Songliao Basin

辫状河道充填砂体有利的成矿条件为沉积物粒度粗且厚度大（主要为厚层红色含砾砂岩、中粗砂岩等），砂体垂向和横向延伸均较广且具有一定规模；砂体结构疏松、孔渗性相对较好，且具有较好的连通性。不利条件为该微相砂体内的黄铁矿、植物炭屑等还原性物质较少。考虑到该类型砂体靠近物源、易发育沉积间断面且顶部缺乏有效的泥岩隔水层，其潜水氧化的可能性较大。故综合考虑认为，该微相砂体的找矿工作应重点寻找潜水氧化型砂岩型铀矿，主攻地区可放在W310—W128—W102一线的附近地区。

水下分流河道砂体主要为一套中厚层灰白色中细砂岩，虽然其粒度较辫状河砂体稍细，但其成熟度较高，孔隙度和渗透性更好、还原性物质相对更高；钻孔中可见多层不均匀淡黄色氧化砂体，单层氧化厚度可达12 m，具备良好的后生改造条件。盆地西南缘钱家店矿床中的铀矿化多产出于厚层暗色泥岩迎水面一侧，这些厚层泥岩中的分散有机质更易保存且能形成碳质泥岩，且能够为潜在铀储层提供一定的还原剂［7］。这种机制有效地弥补了相对干旱的气候背景下含矿建造还原能力不足的先天缺陷，使得大规模铀矿化成为可能。研究区内水下分流河道砂体前方或侧缘与厚层的水下分流间湾泥或前扇三角洲泥岩紧邻，这种沉积相的空间配置关系决定了该类砂体类型的还原剂容量相对较高，从而增大了其发生大型铀矿化的概率。考虑到该类型砂体与间湾泥或浅湖泥可构成稳定的“泥-砂-泥”结构，且研究区东侧具有单斜渗入的构造天窗，该类型砂体层间渗入氧化成矿的可能性较大。建议针对此微相砂体可主攻潜水氧化型砂岩型铀矿，主攻地区可放在上集镇—庆安县—W102—W122 孔围绕的四角口袋内厚层泥岩的迎水侧，勘探线沿北西-南西向布置。

4 结论

1）松辽盆地东北部铁力地区岩心、测井资料的综合分析表明，区内姚家组主要为“近源、浅水”的扇三角洲沉积相，可划分出扇三角洲平原组合、扇三角洲前缘组合、前扇三角洲三种亚相及泥石流、辫状河、洪泛平原、水下分流分流河道、河口坝、席状砂及水下分流间湾7 种微相；垂向上自底到顶大致分为3 个沉积期次，平面上具有不断向西南进积的总趋势。

2）铁力地区上白垩统姚家组冲积扇-扇三角洲体系具备砂岩型铀矿成矿的较好条件，其中具备砂岩型铀矿勘探潜力的砂体有两类：辫状河道充填砂体可作为寻找潜水氧化带型砂岩型铀矿的重点类型，而水下分流河道砂体是作为寻找层间氧化型砂岩型铀矿的主攻类型。