鄂尔多斯盆地直罗组聚煤规律及其对古气候和铀成矿环境的指示意义

焦养泉，吴立群，荣 辉，张 帆

(1.中国地质大学(武汉) 资源学院，湖北 武汉 430074; 2.中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉 430074)

在鄂尔多斯盆地，针对侏罗纪含煤岩系的研究，以往把重点放在了具有煤炭开采价值的延安组，而自从直罗组发现了大规模的铀矿床之后，直罗组微弱的聚煤作用研究才得到了真正的重视[1-3]。这主要是因为，直罗组微弱聚煤作用的产物直接制约了砂岩型铀矿的超常富集，被认为是一种新的找矿标志[3,4-6]。研究发现，鄂尔多斯盆地侏罗纪含煤岩系不仅限于延安组，还应包括富县组[7-8]和直罗组[5,8-9]，即侏罗纪聚煤作用始于富县组沉积末期的Toarcian晚期，于延安组沉积期的Aalenian-Bajocian期达到鼎盛，结束于直罗组沉积早中期的Bathonian期[10-11]。最近20 a来，在鄂尔多斯盆地北部实施“煤铀兼探”过程中，积累了丰富的直罗组含煤-含铀岩系的地质资料[2-3,6,12]。大区域地层对比发现，侏罗纪含煤岩系的完整演化周期被纪录于鄂尔多斯盆地东北部、西北部和盆地南部，其聚煤规律与延安组相似，聚煤区围绕盆地沉降中心呈环带状展布，只是聚煤作用相对较弱而已，这一聚煤事件还可以直接追踪对比到盆地外围的贺兰山和巴彦浩特盆地。

针对鄂尔多斯盆地直罗组微弱聚煤作用的研究，其目的不在于阐明煤炭资源的丰度，更重要的是在于通过揭示其空间分布与演化规律，阐明侏罗纪含煤岩系基本结构，重塑古气候的变迁历史，并借以预测铀成矿的远景区。众所周知，原地形成的煤层通常被充当潮湿古气候判别的重要标志[13-17]。当含煤岩系中发生次生氧化作用的骨架砂体与煤层相邻时，可迁移的溶解铀(U6+)便会被煤层或者由煤层形成的还原地质体吸附-还原形成铀矿床[4,18]。所以，煤层不仅是古气候的重要识别标识，而当含煤岩系具备砂岩型铀成矿的条件时，它同时又是制约铀矿化的关键因素之一，还可以作为重要的找矿标志。

笔者通过区域野外露头调查和钻孔资料分析，系统总结了鄂尔多斯盆地直罗组的聚煤规律，以聚煤事件及其迁移规律为依据恢复了区域古气候的变迁历史，从含煤岩系为相邻铀储层砂体提供还原介质的角度探讨了聚煤作用对铀成矿的制约关系，同时指出了远景找矿方向。

1 侏罗纪含煤岩系基本结构

鄂尔多斯盆地是印支运动使中国大陆处于板内构造体制之后，座落于华北克拉通西部的侏罗—白垩纪盆地，存在4个阶段的世代演替，即:早侏罗世晚期至中侏罗世早期聚煤盆地;中侏罗世中期—晚期直罗组和安定组冲积体系充填;晚侏罗世盆地萎缩消亡阶段的芬芳河组砾质扇充填;早白垩世早期的冲积-风成体系充填[19]，其中侏罗纪聚煤作用从第1世代延续到了第2世代(图1)。在鄂尔多斯盆地东北部，侏罗纪聚煤作用的发展演化周期相对最为完整，共由7个煤层组组成。其中，最初的聚煤作用(初始发生阶段)被记录于富县组的沉积末期[7-8]，由于不含工业煤层，所以未给予编号。至延安组沉积期，聚煤作用达到了鼎盛发育阶段[20-22]，形成了5个工业煤层组，自下而上分别被命名为6号煤层组～2号煤层组。至直罗组沉积早期，聚煤作用处于衰退消亡阶段，发育1个煤层组(被命名为1号煤层组)，聚煤作用相对较弱，以发育薄煤层、煤线和碳质泥岩为特征[5,8-9](图2)。

图1 鄂尔多斯盆地构造格架及其资料点位置Fig.1 Structural framework and location of data points in Ordos Basin

2 盆地东北部直罗组聚煤规律

在盆地东北部，直罗组聚煤作用主要产出于直罗组的下段，最典型的露头区位于东胜神山沟—黄铁棉图一带。在神山沟，直罗组下段的聚煤作用具有较大范围的可追踪对比性，煤层位于直罗组下段下亚段顶部，由两层薄煤层构成(即1号煤层组)[1,23](图2)。在黄铁棉图一带，1号煤层组具有多个分层，反映了聚煤事件经历了多次中断与重复繁衍的复杂演化过程(图3)。1号煤层组从露头区可以直接对比到覆盖区的钻孔中，具有大范围的可比性——遍布东胜铀矿田(图4)。但是，1号煤层组的发育具有明显的不均衡性。地层和煤层对比发现，研究区中东部聚煤作用层位较低，即位于下亚段顶部(图2,3,4(a)～(c));而在研究区西部，特别是大营铀矿区，聚煤作用持续到了上亚段顶部(图4(d))。这种现象说明，直罗组聚煤作用终结的时间，东部较西部更早。

煤层(线)和碳质泥岩都是泥炭沼泽演化的产物。在鄂尔多斯盆地北部，直罗组下段隶属于辫状河-辫状河三角洲平原、曲流河-曲流河三角洲平原沉积[1,23]，这为泥炭沼泽的发育奠定了良好的沉积背景。那些未受到同沉积事件干扰、发育时间较长、品质优良的泥炭沼泽，通过泥炭化作用和煤化作用形成煤层(线)，反之就有可能成为碳质泥岩。通过对众多钻孔的统计，笔者分别编制了煤层等厚度图和与煤层相关的暗色泥岩等厚度图，用以表征直罗组泥炭沼泽发育的规模和分布规律(图5,6)。

统计与编图发现，在鄂尔多斯盆地北部直罗组下段聚煤作用具有四大特点:① 聚煤作用相对较弱，全区上、下亚段煤层的平均厚度仅为0.05和0.18 m，最厚3.98 m(表1);② 聚煤单元规模较小，连续性差，但是可以借助沉积韵律进行区域对比(图5,6);③ 聚煤作用不均衡，在研究区西部大营铀矿区聚煤作用相对最强(局部发育可采煤层)，而且发育时间最长，一直延续到了上亚段沉积末期。而在研究区东部柴登铀矿产地、农胜新—罕台庙铀矿床、皂火壕铀矿床、神山沟—黄铁棉图露头区一带，聚煤作用相对较弱，而且聚煤作用结束较早——下亚段沉积末期。比较而言，位于中部纳岭沟铀矿床聚煤作用最弱(图5～7)，这可能受控于沉积体系对聚煤作用的影响，该区恰好位于乌拉山大型物源-沉积朵体的中心轴部区域[5,14,24]。④ 无论是分布面积还是发育厚度，代表泥炭沼泽发育信息的暗色泥岩均大于煤层。全区下亚段煤层厚度与暗色泥岩厚度平均值分别为0.18和4.48 m，而上亚段远远不及下亚段，平均值分别仅为0.05和2.76 m(表1，图5～7)。

表1 鄂尔多斯盆地东北部直罗组下段煤层与暗色泥岩发育程度统计Table 1 Development degree statistics of coal seams and dark mudstone in lower member of Zhiluo Formation,Northeast Ordos Basin

图5 鄂尔多斯北部直罗组下段下亚段聚煤规律Fig.5 Coal accumulation regularity of the lower sub-member of lower member of Zhiluo Formation in Northern Ordos Basin

图6 鄂尔多斯北部直罗组下段上亚段聚煤规律Fig.6 Coal accumulation regularity of the upper sub-member of lower member of Zhiluo Formation in Northern Ordos Basin

3 直罗组聚煤作用的大区域追踪对比

多年的地质勘查和野外露头调查发现，除了鄂尔多斯盆地中东部无聚煤以外，在盆地西部和南部，乃至贺兰山北段以及巴彦浩特盆地均可以追踪到直罗组聚煤作用的痕迹，这有助于在更大范围内进行聚煤规律的总结。

3.1 鄂尔多斯盆地西部

在盆地西部的一些煤田和石油钻孔中揭露了直罗组的聚煤作用。鸳鸯湖—碎石井一带直罗组下段的薄煤层较为常见。例如，鸳鸯湖煤田ZK802孔中59.31 m处和ZK703孔中85 m处，可见煤层夹于粗砂岩之中;碎石井煤田ZK1904钻孔中，可见煤层呈透镜状产出。石沟驿一带的直罗组下部也有碳质泥岩和煤线产出，植物化石丰富[8]。在一些油气钻孔中，例如，位于鄂托克旗西北的纳参6井和伊8井，位于杭锦旗以南鸡探1井、以西的伊7和伊5井，位于定边北东方向的定探1井，也都发现了直罗组的薄煤层(表2)。需要注意的是，这些薄煤层除了产出于直罗组下段外，还有的产出于直罗组中段，预示着聚煤层位进一步向西北方向抬升。

表2 鄂尔多斯盆地中西部直罗组聚煤作用信息Table 2 Coal accumulation information of Zhiluo Formation in Central and Western Ordos Basin

3.2 鄂尔多斯盆地南部

在鄂尔多斯盆地南缘，铀矿地质工作者曾记载，焦坪地区直罗组下段具有2层薄煤线。笔者在下石节煤矿进行露头调查时，也发现了与薄煤线相对应的碳质泥岩(图8)。此处的薄煤线和碳质泥岩可以作为该地区直罗组下段上下亚段地层划分的标志，并且能与全盆地进行对比。

图7 鄂尔多斯盆地北部煤层及暗色泥岩分区统计Fig.7 Statistics of coal seams and dark mudstone divisions in Northern Ordos Basin

图8 鄂尔多斯盆地南部焦坪下石节煤矿直罗组下段下亚段顶部发育的碳质泥岩Fig.8 Carbonaceous mudstone developed at the top of the lower sub-member of lower member of Zhiluo Formation in Xiashijie Coal Mine,Jiaoping,Southern Ordos Basin

3.3 鄂尔多斯盆地中东部

在鄂尔多斯盆地中东部，由于沉积环境的原因直罗组无聚煤作用发生。从已有全盆地残留砂分散体系的编图[2,11,23,25]以及原型盆地恢复[19,26-29]来看，盆地中东部的榆林—延安一带是直罗组砂体汇集的末端，处于沉积期盆地腹地的湖泊区域[29-30]，不具备成煤的地质条件。

3.4 贺兰山以及巴彦浩特盆地

位于鄂尔多斯盆地西部外围的贺兰山北段木葫芦沟[8]和二道岭[31]地区，野外露头调查和钻探勘查工作证实直罗组中上段含有可采煤层1～2层。煤层累计平均厚度为1.25 m，最厚可达6.6 m，含煤系数为0.59%，预测可采煤层分布面积达30 km2(图9)，煤炭远景资源量约5 000万t[31]。在贺兰山南段青铜峡以西的科学山毛土坑地区，直罗组底部见一厚度30 cm的灰黑色泥岩。甚至在贺兰山以西的巴彦浩特盆地，巴参1井直罗组底部夹两层薄煤层[32]。

图9 贺兰山北段二道岭地区直罗组中上段可采煤层预测[31]Fig.9 Prediction of mineable coal seams in the middle and upper members of Zhiluo Formation in Erdaoling area,Northern Helan Mountain[31]

4 泛鄂尔多斯盆地直罗组聚煤规律

综上所述，鄂尔多斯盆地侏罗纪聚煤作用，特别是处于其演化末期的直罗组聚煤作用，具有一定的时空演化规律。从时间演变的角度看，侏罗纪聚煤事件具有由弱渐强再减弱的趋势，反映了一个完整的聚煤作用演化周期。直罗组沉积期属于该聚煤事件演化的衰退消亡期。从空间发育的角度看，处于衰退消亡期的直罗组聚煤事件，在下段下亚段沉积期具有与延安组相似的分布规律——聚煤区围绕盆地沉降中心呈环带状展布，而且可以追踪对比到盆地西部的外围地区。然而到了直罗组下段上亚段乃至中段和上段沉积期，聚煤作用在盆地东北部(更偏东地区)、中部、南部和西南部地区已大面积消亡，而仅在盆地北部杭锦旗(大营铀矿)—鄂托克旗—贺兰山二道岭一带发育，长约300 km，而且总体具有自东向西逐渐衰退的迁移和演化趋势。即在东部的东胜神山沟—皂火壕铀矿床一带，于直罗组下段下亚段沉积末期终止，聚煤作用结束的时间相对较早;至大营铀矿床一带，结束时间延迟于直罗组下段上亚段沉积末期;至盆地西北部，延迟至直罗组中段沉积期结束;至贺兰山二道岭一带，最晚记录于直罗组中上段沉积期(图7，10，表3)。

表3 直罗组聚煤作用的区域发育规律和时空迁移规律Table 3 Regional development and spatiotemporal migration of coal accumulation in Zhiluo Formation

5 直罗组聚煤作用的地质意义

直罗组微弱的、连续性差的区域聚煤事件，反映了直罗组已经处于侏罗纪含煤岩系发育演化的末期，Bathonian期的古气候已由潮湿开始向干旱转换。而直罗组聚煤作用的时空迁移演化规律，不仅能揭示Bathonian期的古气候迁移的细节，而且对新区特别是鄂尔多斯盆地西北部地区铀成矿预测具有指导意义。

5.1 古气候变迁的指示意义

煤的形成离不开湿润的气候，这是因为植物对气候十分敏感[33]。所以，宏观的煤层及其分布规律、植物化石和孢粉化石、煤岩组分，以及含煤岩系特色沉积物及其地球化学特征，都能够成为古气候类型判别和古气候迁移演化的重要标志。

(1)实验测试信息表征的古气候及其演化历史。一些学者依据煤层、煤岩组分、黏土矿物、植物化石(含孢粉)等，重塑了鄂尔多斯盆地北部早、中侏罗世的古气候。认为富县组沉积时，区域应为亚热带半湿润气候;延安组沉积期，区域总体呈亚热带-暖温带湿润气候特征，但延安组早期要相对比较干燥，中期显著湿润，而后期气候的干燥化则颇明显;直罗组沉积期，区域气候是亚热带-暖温带半湿润到半干旱气候，直罗组沉积早期要比后期湿润;安定组沉积时期，区域呈亚热带半干早或干早气候[8]。而另一些学者利用煤岩成分对神木煤田5-1,3-1和1-1煤层的研究表明，延安期古气候为北温带半潮湿气候，且具有从半潮湿—潮湿—半潮湿的演化趋势[34]。有意思的是，还有人利用煤中惰性组分以及多环芳烃(PAHs)类化合物等，系统研究了中国西北地区中侏罗世古野火发生的频率，发现神东矿区煤层发育期野火发生频率具有先降低后增高的趋势[35]，这进一步佐证了延安组古气候的细微演化规律。系统的孢粉研究，发现鄂尔多斯盆地在中侏罗世早期总体上呈现亚热带湿润气候特征，但延安组早、中期显著潮湿，而后期相对比较炎热干燥[36]。从延安组向直罗组，总体经历了从温暖潮湿的亚热带向半干旱-干旱炎热的古气候转变事件[37]。甚至还发现在我国西北地区中侏罗世晚期到晚侏罗世末存在一次最为明显的升温事件[38]，该事件终止了侏罗纪的聚煤作用。对微量元素和稀土元素等地球化学特征的研究表明，延安组沉积期气候温暖潮湿、还原环境为主，而直罗组沉积期气候炎热干旱、氧化环境为主[39]。延安期至直罗期古气候总体经历了温暖潮湿—干湿交替—干旱—半干旱的转变过程[40]。这些方法的相互印证，有力支撑了含煤岩系特别是聚煤规律作为宏观古气候判别的重要标志。

(2)宏观聚煤规律指示的古气候演变历史。直罗组聚煤作用虽然较微弱，但是具有良好的迁移规律，这是借以精细刻画和恢复鄂尔多斯盆地Bathonian期古气候变迁的最好标志。

比较而言，直罗组沉积期聚煤作用发育的规模远远不及延安组，预示着鄂尔多斯盆地Bathonian早期的古气候已经处于由潮湿向干旱的转换过程之中(图11)。在直罗组下段下亚段沉积期，聚煤作用在全盆地大部分地区都有发育，指示Bathonian早期的古气候已经演变为半潮湿-半干旱型(图11(a))。至直罗组下段上亚段沉积期，全盆地除北部及其西部外，相当大的区域已经接受了杂色细粒碎屑岩沉积(东胜神山沟为典型代表)，聚煤作用终止，预示着干旱古气候已经统治了鄂尔多斯盆地的中部、东部和南部地区(图11(b))。

然而，在盆地北部和西北部直罗组的聚煤作用持续发育，预示着鄂尔多斯盆地Bathonian期由潮湿向干旱演变的古气候“时钟”并不同步。在直罗组下段上亚段沉积期，当盆地南部、中部和东部已经被干旱古气候控制时，在盆地北部和西北部，乃至贺兰山地区仍然发生聚煤作用，古气候仍属于半潮湿-半干旱的转换类型(图11(b))。不仅如此，直罗组聚煤层位还具有向西和西北方向逐渐抬升的趋势，即自东胜神山沟—杭锦旗—鄂托克旗—贺兰山二道岭，在东西方向约350 km内，聚煤层位由下段下亚段依次抬升至上亚段、中段和中上段(图10)，这预示着沿东南到西北方向(鄂尔多斯盆地东南部到贺兰山二道岭地区)，是Bathonian期区域古气候变迁的主要途径(图11(c))。也就是说，在超出鄂尔多斯盆地的大区域范围内，盆地东南部干旱古气候来得较早，并持续向西北方向迁移，最后抵达贺兰山二道岭地区。从另一角度来说，在鄂尔多斯盆地由Toarcian晚期开始形成的潮湿古气候，经历Aalenian-Bajocian期和Bathonian期的持续演化，最终从贺兰山二道岭地区退出而被干旱古气候所取代(图10,11)。

图10 鄂尔多斯盆地东北部-贺兰山二道岭一带侏罗纪含煤岩系发育演化规律Fig.10 Development and evolution of Jurassic coal measures in Erdaoling area,Helan Mountain,Northeastern Ordos Basin

图11 鄂尔多斯盆地直罗组沉积期(Bathonian期)古气候演变迁移规律Fig.11 Evolution and migration of paleoclimate of Zhiluo Formation (Bathonian stage) in Ordos Basin

5.2 砂岩型铀矿的成矿环境意义

鄂尔多斯盆地直罗组下段的骨架砂体是砂岩型铀矿的储层，简称铀储层[1]，其中蕴含了以大营铀矿、纳岭沟铀矿、皂火壕铀矿为代表的世界级规模铀矿田[6]。它们产出于侏罗纪含煤岩系之中，因此是含煤岩系重要的伴生矿产资源[5,11,18,41]。

大量的研究表明，当含煤岩系具备砂岩型铀矿的成矿条件时，无论是煤层(线)还是碳质泥岩均可以大大地增强含铀岩系的还原能力，对铀成矿特别是层间氧化带的发育具有重要的控制作用。位于直罗组下段铀储层砂体顶、底板的煤层(线)和碳质泥岩，实际上充当了铀成矿的外部还原介质[4]。在国内外，被煤层吸附成矿的典型实例是巴尔喀什—伊犁铀成矿区的下伊犁矿床[42]和达拉地矿床[43-44]，铀矿化通常位于煤层顶部或底部，厚度几十厘米至几米，其中最重要的地球化学环境是后生氧化带砂岩与煤层相接触。

由微弱聚煤作用构成外部还原介质从而制约铀成矿的典型实例非大营铀矿莫属(图10)。长期以来，鄂尔多斯盆地直罗组铀矿化层位通常都形成于直罗组下段下亚段[1,45]，但是大营铀矿的勘查却首次在新的层位发现了主力含矿层——直罗组下段上亚段[3,12]。大营铀矿的发现，促使人们寻求更好的地质理论来解释铀矿的成因。回顾鄂尔多斯盆地北部东胜铀矿田的勘查历史和成矿规律就会发现，无论是直罗组下段下亚段还是上亚段，铀成矿作用总是与相邻的薄煤层或碳质泥岩相伴而出现，微弱聚煤作用与铀矿化的耦合产出具有区域性和普遍性规律(图4)。分析认为，直罗组薄煤层和碳质泥岩从外部还原介质的角度，制约了相邻铀储层砂体中的铀成矿作用，2者存在成因联系。更重要的是，聚煤作用也限制了铀矿化的产出层位，聚煤作用的终结意味着铀矿化失去了必要的成矿环境。因此，直罗组微弱的聚煤作用被认为是鄂尔多斯盆地北部最重要的区域性找矿标志之一，并据此总结了“微弱聚煤作用制约下的古层间氧化带成矿模式”[3-4,6]。

微弱聚煤作用制约下的古层间氧化带型铀成矿模式，是对东胜铀矿田“古层间氧化带型”砂岩铀成矿模式[46-48]的进一步丰富和拓展，其重点在于揭示了微弱聚煤作用以外部还原介质形式整体增强了铀储层的还原能力，这不仅制约了古层间氧化带的形成发育和大规模的铀成矿作用，而且还充当了铀成矿终结之后区域2次还原作用和保矿的重要角色。侏罗纪的聚煤作用自始至终都参与到了东胜铀矿田复杂的铀成矿的全过程中，具体表现为在鄂尔多斯盆地北部“煤层(线)-铀矿-煤线”具有严格的空间配置关系，特别是直罗组下段最顶部煤线的发育层位限制了铀成矿发育的空间。具体的制矿作用在于:① 同沉积期微弱聚煤作用导致铀储层外部还原介质的形成;② 同沉积期微弱聚煤作用通过冲刷作用等为铀储层提供了充足的内部还原介质;③ 成岩期-成矿期-成矿期后，有机质的煤化作用为铀储层砂体输入了足量的含烃流体[4]。

既然，大营铀矿由于直罗组下段上亚段有了聚煤才有了铀矿化，那么在鄂尔多斯盆地西北部新区通过深入开展直罗组的聚煤作用研究，也有可能为直罗组下段甚至中上段的砂岩型铀矿找矿提供重要的地质预测依据。

6 结 论

(1)在鄂尔多斯盆地，侏罗纪含煤岩系不仅限于延安组，还应包括富县组和直罗组。其始于富县组沉积末期的Toarcian晚期，于延安组沉积期的Aalenian-Bajocian期达到鼎盛，结束于直罗组沉积早中期的Bathonian期。

(2)在侏罗纪聚煤演化周期中，直罗组的聚煤作用处于衰退消亡阶段，以发育薄煤层、煤线和碳质泥岩为特征。在鄂尔多斯盆地，直罗组聚煤作用发育极不均衡且具有复杂的演化过程。在直罗组下段下亚段沉积期，聚煤作用继承了延安组的特点，聚煤区围绕盆地沉降中心呈环带状展布，但是聚煤作用大大减弱。至直罗组下段上亚段沉积时期，聚煤作用仅限于盆地北部和西部，以及盆地外围的贺兰山地区和巴彦浩特盆地。不仅如此，在区域上由盆地东南部向西北部以及贺兰山二道岭地区，聚煤层位由直罗组下段下亚段向上亚段、中段和中上段逐渐抬升，表现了明显的迁移规律性。

(3)直罗组的聚煤特征和演化规模为恢复Bathonian期区域古气候变迁的细节提供了充分的沉积学依据。在鄂尔多斯盆地及其外围地区，Bathonian期总体处于由潮湿向干旱转换的古气候背景中，但是其演化具有不均衡性。在直罗组下段下亚段沉积期，盆地大部分地区的古气候已经演变为半潮湿-半干旱型。至直罗组下段上亚段沉积期，盆地南部、中部和东部已经演变为干旱型古气候，唯有盆地西北部为半潮湿-半干旱型。进一步的区域演化途径，沿盆地西北部向贺兰山二道岭一带发展，半潮湿古气候最终从贺兰山二道岭地区退出而被干旱古气候取代。

(4)直罗组下段既是含煤岩系也是含铀岩系，聚煤作用以铀储层外部还原介质的形式直接参与到了铀成矿的全过程中。直罗组微弱聚煤作用的产物——煤层或碳质泥岩被认定为东胜铀矿田的重要找矿标志之一，因此重视盆地西北部直罗组聚煤作用研究对于直罗组下段乃至中段或上段(新层位)铀矿勘查具有借鉴意义。