松辽盆地四方台组砂岩层及铀成矿特征分析

运威旭，卢胜军，罗 敏，赵忠华

(核工业二四○研究所，辽宁 沈阳 110032)

地浸砂岩型铀矿床以产出规模大、易开采、环境污染小、经济效益高等特点，成为当今全球铀矿勘查的重点之一，也是中国主攻的找矿方向[1]。随着对松辽盆地研究的不断深入，铀矿找矿工作取得了重大突破，特别是松辽盆地南部钱家店特大型铀矿床的发现，掀起了砂岩型铀矿找矿的新高潮[2-3]。

相比于松辽盆地南部找矿的重大突破，对松辽盆地北部的砂岩型铀矿地球化学特征及成矿潜力分析研究较少，尤其是依安地区四方台组，工作程度很低，前人仅通过地表调查及少量的钻孔施工，确定拥有良好的砂体条件，就将目的层定为四方台组[4-5]。这些研究不够深入，尤其对地层砂体条件和岩石地球化学环境的研究薄弱，致使该地区砂岩型铀矿找矿工作一直未能取得突破[6-8]。为此，笔者以水成铀矿理论[9]为指导，借鉴前人关于松辽盆地北部基础地质研究的相关成果，采用地层砂体、元素含量等对比分析方法，对依安地区南部成矿潜力进行研究。

1 依安地区地质概况

1.1 大地构造位置

研究区位于松辽盆地北部的齐齐哈尔-克山一带，邻近依安县，如图1所示。依安地区次级构造发育，主要有依安凹陷、三兴背斜、克山依龙背斜、西部斜坡区。本区域地层变化大，为盆地基底倾没于中央坳陷处，地层倾角较小，整体构造形态较舒缓[10-14]。

1.2 地层特征

依安地区四方台组分布面积较广，层位厚度稳定，地层顶板埋深为120～560 m，地层厚度为50～170 m。地层岩性主要为黄色、灰绿色、灰黄色、灰色含砾粗砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩，夹褐红色、灰绿色、灰色、深灰色泥岩互层；上部以黄色、灰黄色和灰色中细砂岩为主，夹薄层褐红色、灰色泥岩和粉砂岩，整体粒级较细，粒级自上而下呈增大的趋势；下部以黄色、灰绿色、灰黄色和灰色含砾粗砂岩和粗砂岩为主，与薄层褐红色泥岩和粉砂岩互层，如图2～3所示。砂岩主要以灰色和淡黄互层，主要为灰黄色，褐铁矿和钙质砂岩发育。

图2 依安地段ZKY2-2孔四方台组综合柱状图Fig. 2 Comprehensive histogram of ZKY2-2 hole of Sifangtai Fm in Yi′an area

四方台组上部与明水组一段为连续沉积，底部与嫩江组为角度不整合接触，明水组、嫩江组厚层深灰色泥岩可作为铀成矿所必须的隔水层顶底板，与四方台组的砂岩层形成明显的泥-砂-泥二元结构，具备成矿潜力。四方台组砂岩层主要为辫状河沉积，具备成矿空间，且在该地区埋深较浅，易于钻探揭露，为该地区主要目的层位。

1—断层；2—一级构造单元；3—盆地界线；4—石油采油区。图1 松辽盆地北部断裂分布图Fig. 1 Fault distribution map of northern Songliao basin

1.3 构造特征

盆地内部的构造可分为盆地基底构造和盖层构造两大部分。基底构造受盆地所处的大地构造背景及其演化历史的制约，而盖层构造的发育又是基底构造进一步复活演化的结果。基底岩性主要由中深变质岩、浅变质岩和同期花岗岩组成，其分布具有“东西分带”的特点[15]。盆地边缘广泛分布加里东期、海西期和燕山期花岗岩及花岗闪长岩，分布面积约占基底面积的1/3;且分布具有一定的规律性，所发育的大范围稳定花岗岩体为松辽盆地提供大量物源和铀源，使得工作区岩体在成岩期就进行铀预富集，为成矿奠定了基础[16]。

基底构造主要受北东向、北西向、南北向和东西向4组深大断裂影响，其中以北东向、北西向断裂为主。南北向构造和东西向构造发育时期较早，形成于海西运动时期；北东向构造和北西向构造主要形成于三叠纪末的晚印支运动时期。北西方向的滨州断裂(图1中加粗红线)对该工作区四方台组具有重要影响，是松辽盆地北部地区横贯盆地的3条北西向大断裂之一，全长320 km。滨州断裂与基岩顶面等厚线展布方向具有良好的一致性，表明滨州断裂对中生代沉积具有一定的控制作用，它既控制了断陷的形态，也控制了还原物质的生成及聚集，影响着物质的分布；并对四方台组发生二次还原作用的S(Ⅱ)、Fe(Ⅱ)等还原物质提供运移通道，控制着四方台组砂体氧化还原环境、氧化还原前锋线位置，以及砂体后期改造程度。

2 四方台组岩石地球化学特征

2.1 砂体特征

从北向南方向，四方台组上部砂体粒度变化不大；下部砂体粒度逐渐变细，泥岩逐渐增多，但仍以砂岩为主。从西向东方向，四方台组为泥-砂-泥的转变，中部砂体最厚，向西和向东两侧泥岩厚度变大，砂体变薄，砂岩近似呈舌状沉积，如图4～5所示。

砂体被北部、北东部和北西部的氧化水所氧化。根据物探资料[17]，推测因被滨州断裂所带来的还原物质二次还原，使得砂体从北到南氧化逐渐减弱，颜色逐步加深。从西到东，四方台组先为褐红色泥岩，为洪泛沉积形成；随后出现砂体并逐步变粗，从细砂岩到砾岩变化；最后再次转变成褐红色和灰绿色泥岩沉积。边部砂体以灰色调为主，主要为洪泛沉积形成，未经后期氧化水改造作用，保留了原生砂岩特征；而中部砂体经过后期氧化水改造和二次还原物质作用后形成黄色、灰绿色和灰色砂体，并出现灰色砂体中有灰黄色砂体残留。

2.2 岩石地球化学特征

分析了本工作区采集的砂岩和泥岩样品，部分分析结果见表1，表中样品数据按从北到南钻孔顺序排列。可以看出，随样品颜色变深，灰色调加强，该地区砂岩中铀元素平均含量变大。褐红色泥岩的铀含量较高，因为泥岩的吸附能力较强，使得铀元素平均含量偏高。深灰色砂岩的w(U)最高为4.48×10-6，黄色砂岩的w(U)为1.45×10-6，深灰色砂岩的w(U)约为黄色砂岩w(U)的3倍，说明南部砂岩具备铀成矿潜力。

2.2.1 铀元素特征

表1 松辽盆地北部依安地区四方台组样品分析结果Table 1 Sample analysis results of Sifangtai Fm in Yi′an area, northern Songliao basin

从图6可看出，铀平均含量从北到南逐渐变大；而从西到东铀含量呈现先减少再增加的趋势。结合图5可知，泥岩中铀元素含量较高，砂体中铀元素含量较低。这也符合四方台组砂体特征，向南部方向，砂体颜色加深，以灰色、深灰色为主;同时铀元素含量也增高。这说明铀被氧化水从北部析出运移到南部，铀被二次还原沉淀，在岩体中含量增多，该趋势与地层特征变化非常吻合。

2.2.2 硫和铁元素特征

通过对依安地区S和Fe等还原指示元素的分析可知，Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)(指w(Fe(Ⅲ))/w(Fe(Ⅱ))，下同)从北到南逐渐变大(图7)，南部为3.963，北部为0.658，最大值约为最小值的6倍。w(S(Ⅱ))从北向南逐渐变小(图8)，北部为0.385，南部为0.002。Fe(Ⅱ)和S(Ⅱ)等还原介质变化范围较大，砂体经历过多次氧化还原作用，北部w(S(Ⅱ))较大，Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)较小；在南部低硫区中，局部存在中硫区和高硫区，中硫区局部存在高硫区。在南部高Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)，区局部存在中Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)区和低Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)区，中Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)区局部存在低Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)区。

推测原生砂体为水下还原环境沉积，后因从北部、东北和西北部氧化水流经，砂体被氧化，最后被从南部滨州断裂涌上的还原物质进行二次还原。砂体被还原消耗了还原物质，使得Fe(Ⅱ)和S(Ⅱ)等还原介质在南部减少，生成Fe(Ⅲ)；北部Fe(Ⅱ)和S(Ⅱ)含量大于南部含量，Fe(Ⅲ)含量小于南部。另外，前文论述的地层和砂体特征、钻孔岩心中灰色砂体局部残留黄色和灰黄色砂体，也证实了这一点。

2.3 南部钻孔验证

通过铀、硫和铁元素变化趋势的理论指导，对南部滨州断裂附近的泰康地段进行钻孔施工，发现铀矿化孔8个，铀异常孔3个，埋深多在450～640 m，铀元素含量较北部显著增多，效果良好。

在南部滨州断裂附近进行钻探施工(图9～10，图9中红线为伽马值，图10中黑线为图9剖面所处位置)，结果显示：砂体中铀平均含量从北到南逐渐增加，多个钻孔已达到矿化水准，伽马值约30 nC/(kg·h)。砂体以灰色调为主，为还原环境，多以细砂为主，粒度较北部变细，厚度变化不大，铀元素较多,S(Ⅱ)元素较多，Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)较小。钻探分析结果验证了前文推测的砂体北部氧化、南部二次还原铀富集趋势的正确性，该区域具备成矿潜力。

1—盆地边界；2—四方台组剥蚀界线；3—底板等值线。图10 依安地区南部四方台组钻孔分布Fig. 10 Borehole distribution of Sifangtai Fm in the southern Yi′an area

3 讨论

3.1 砂体后生蚀变改造因素

通过与其他铀矿床对比可知，一般砂岩型铀矿主成矿期在前，还原物质渗出改造作用在后，将早期形成的矿体保护起来，同时也将早期黄色氧化带二次还原成灰绿色或蓝色，使铀矿找矿更加复杂化[19]。如鄂尔多斯盆地东胜铀矿床矿化产于直罗组灰绿色砂岩与灰色砂岩之间的过渡带。这与本研究区情况十分相似，推测认为在南部地区也经历过类似的早期氧化作用和后期二次还原作用，形成大量灰绿色砂体。

3.2 砂体后生蚀变与铀矿化关系

还原物质的还原作用包括对砂体的还原和对铀的直接还原两种。

对砂体的还原作用包括对氧化砂体的二次还原作用以及增强弱还原性灰色砂体的还原能力。无论是对氧化砂体的二次还原(褪色化蚀变)，还是增强灰色砂体的还原能力，均为砂体中铀的沉淀富集准备了局部还原环境，如同本研究区砂体中局部形成的炭化植物碎屑(图11)。本区域成矿机理和松辽盆地南部钱家店特大型铀矿床相同。

图11 氧化砂体、弱氧化砂体、灰绿色砂体和炭化植物碎屑Fig. 11 Oxidized sand body, weakly oxidized sand body, grey-green sand body and carbonized plant debris

对铀的直接还原作用体现在还原物质既可存在于岩石裂隙或碎屑表面，也溶于含铀含氧水中，实现对含铀含氧水的直接还原。研究区内的淡黄色和灰色砂岩共存即为证据(图3)。

图3 依安地段ZKY2-2孔砂岩后生作用Fig. 3 Epigenesis of sandstone in hole ZKY2-2 in Yi′an area

3.3 铀成矿潜力分析

研究区的ΔEh和pH低，可能是还原作用降低了铀沉淀作用对ΔEh和pH条件的要求，使得ΔEh和pH低于一般成矿要求。值得注意的是，在铀成矿作用过程中，还原物质不仅起还原作用，还可能顺着通道把下部层位中的铀携带上升，并参与铀的成矿富集作用，为铀成矿奠定基础。

4 结论

松辽盆地北部依安地区的构造环境为形成富铀砂体和层间氧化带，提供了有利的成矿环境。北西方向的滨州断裂对工作区四方台组砂体和元素含量起着重要影响，可能提供运移通道，对还原物质的生成及聚集起着控制作用，影响着物质的分布，并控制着四方台组砂体的氧化还原环境，为层间氧化带含铀含氧层间水的迁移和聚集提供了良好的条件。

依安地区寻找砂岩型铀矿的有利目的层为该区南部上白垩统四方台组。通过铀、硫和铁元素分析和钻孔验证得知，在南部砂体中有着很高的铀元素含量，多个钻孔达到矿化水准。通过硫和铁指示元素分析，推测砂体可能经过原生沉积作用、后生氧化作用和在南部附近的二次还原作用，使得砂体中铀平均含量由北向南部逐渐增加，可能在南部形成铀矿床。通过与其他矿床对比，认为研究区的四方台组砂体成矿潜力类型属于与还原物质二次还原作用有密切关系的层间氧化带型。