松辽盆地南部地层结构及含矿段地层结构

肖菁，秦明宽，郭强，蔡煜琦，宁君，贾立城，刘鑫，严张磊

（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.核工业二四三大队，内蒙古 赤峰 024000）

松辽盆地是我国东北部中、新生代陆相沉积盆地，也是我国北方砂岩型铀矿勘查的重点盆地之一［1-2］。自20 世纪90 年代首次在盆地南部钱家店凹陷姚家组发现铀工业孔以来，勘探程度较高，已实现规模化工业开采［3-10］。近年来在已知矿区外围（宝龙山、大林、海力锦等）相继取得了重大找矿突破，初步控制了一条呈北北东向延伸近百千米的砂岩型铀矿带（图1）［11-14］。长期以来铀矿生产及科研单位一直将姚家组作为盆地南部铀矿找矿主攻层位［1-2］，随着勘查深度不断加大，下部层位也发现了工业铀矿化［15-18］，但是由于整体岩性与姚家组相似，均表现为一套红杂色层［1-2］，缺失标志层，层组划分困难，无法确定含矿层的归属。基于以上背景，肖菁等［19］采用钻井岩性、测井、古生物、重矿物等多种手段相结合分析的多重地层对比方法，对铀矿带内这套含铀红杂色层进行了重新划分与厘定，证明了该套红杂色层可以识别划分出泉头组、青山口组和姚家组，认为铀矿带内具有多个赋矿层位，上含矿层为姚家组，且以姚家组下段为主，下含矿层为泉头组和青山口组，并分析厘定了各个矿区含矿砂体特点及层位归属。

通过新的地层认识以及最新钻探揭露铀矿带外围地区的铀矿化孔和铀异常孔，表明铀矿带以外的盆地南部广大地区不同层位中（不仅受限于姚家组）同样具有良好的勘探前景。但是目前大部分铀矿研究主要聚焦于铀矿带范围内，对盆地南部整体研究程度较低，煤炭、石油系统也仅重点关注下白垩统，基础地质资料积累匮乏，对区域地层结构特征缺乏整体认识［20-22］。而大规模砂岩型铀矿化需要有成层性、渗透性、稳定性条件好的砂体、稳定的泥-砂-泥结构和良好的补-径-排水动力条件［23-24］。笔者从制约砂岩型铀矿关键基础地质要素之一的地层结构入手，以整个松辽盆地南部为研究对象，系统统计区内大量钻孔资料，结合前人研究成果，运用地层学和沉积学等理论，首次全面系统的解剖了松辽盆地南部不同地段的地层结构和充填特征，并结合砂岩型成矿理论探讨了砂岩型铀矿的有利地层结构及砂体类型，力求为松辽盆地南部砂岩型铀矿找矿工作的进一步开展提供思路。

1 地质背景

松辽盆地属于板内伸展断坳复合型内陆盆地，面积约26×104km2，产有煤、油、气、铀等多种能源矿产［25］，周边为丘陵和山脉所环绕，西部为大兴安岭山脉，东部为张广才岭山脉，北部为小兴安岭山脉、南部为康平-法库丘陵地带［26］。盆地可划分为7 个一级构造单元（图1a），即中央坳陷区、东北隆起区、东南隆起区、西南隆起区、开鲁坳陷、西部斜坡区、北部倾没区［27］。研究区为松辽盆地南部（北纬45°以南）（图1a），主体为西南隆起区和开鲁坳陷，面积约10.3 万km2（图1）。

图1 研究区构造位置（a）及钻井分布图（b）Fig.1 The map of the tectonic location（a）and boreholes distribution（b）of the study area

从构造演化上，松辽盆地可分为基底形成（前中生代）、裂谷断陷（侏罗纪—早白垩世）、坳陷沉降（晚白垩世早期）、坳陷隆升萎缩（晚白垩世晚期）、隆升剥蚀（古新世—始新世）和构造反转差异升降（渐新世—第四纪）六大阶段［26］。坳陷期沉积的晚白垩世地层是研究区的沉积主体，顶部四方台组和明水组在隆升阶段遭受剥蚀仅局部地区残留［25］，下伏嫩江组为区域性标志层，是一套覆盖范围广的暗色厚层稳定泥岩［5，28］，其下姚家组、青山口组和泉头组是一套干旱-半干旱气候下形成的红杂色沉积建造，埋藏深度变化较大，岩性特征与松辽盆地北部存在显著差异，为研究区主要含铀目的层（本文重点研究层位），沉积环境主要为曲流河、辫状河和辫状河三角洲［21，29］。另外持续的隆升剥蚀造成区内古近系和新近系缺失，局部地区零星发育泰康组。研究区大部分地区是第四系直接覆盖在嫩江组、姚家组、青山口组或泉头组之上［15］。

2 地层特征

松辽盆地南部白垩系具有明显的断陷层-坳陷层“二元结构”，断陷层充填的为下白垩统，坳陷层充填的为上白垩统。通过钻探揭露，研究区主要含铀目的层为上白垩统嫩江组下伏的姚家组、青山口组和泉头组，是一套红杂色沉积建造［26］，铀矿体主要赋存在红杂色层中的灰色薄层砂岩顶部、底部或居中，呈板状或透镜状（表现为大套红杂色层中夹杂较薄的灰色含矿层），灰色含矿层的深度及厚度在区域内变化很大。本文基于对该套含铀红杂色层重新划分与厘定的研究基础之上［19］，系统总结了研究区晚白垩世地层特征（图2）。

图2 研究区目的层地层特征［19］Fig.2 Characteristics of target strata in study area［19］

2.1 岩性组合特征

泉头组厚度变化较大（研究区内大部分钻孔未揭穿），一般为100～800 m，最厚可达上千米。岩性主要为紫红色砂质砾岩夹褐红色泥岩，分选磨圆较差、粒度较粗，测井曲线特征表现为指型，齿化强烈；孢粉化石组合以蕨类植物孢子占绝对优势，裸子植物花粉次之，被子植物花粉仅见少量的藜粉属；重矿物组合以锆石＋钛铁矿＋磷灰石＋石榴子石为主。

青山口组厚度一般为50～250 m，局部厚度可达300 m 以上，岩性分上、下部两段，中下部表现为紫红色、灰色细砂岩、泥质中-粗砂岩夹薄层紫红色泥岩，砂多泥少，测井曲线呈指状或钟型；上部岩性以大套紫红色泥岩为主，泥多砂少，测井曲线较平直；孢粉化石组合以蕨类植物孢子和裸子植物花粉为主，其中蕨类植物孢子更略占优势，基本没有被子植物花粉，重矿物组合以钛铁矿＋石榴子石＋重晶石＋锆石为主。

姚家组厚度一般为20～170 m，局部厚度可达200 m 以上，岩性也分上、下部两段，下部表现为紫红色、灰色中砂岩夹薄层泥岩和砂砾岩（与青山口组中下段岩性相似），但区域上变化较大（钱家店地区以灰色砂岩为主，其余地区为红杂色层）［19，22］，测井曲线为钟型或箱型，齿化强烈；上部岩性以紫红色泥岩与浅灰色钙质细砂岩互层为主，呈现“灰砂红泥”的二元结构，测井曲线为箱型，较光滑平直；孢粉化石组合以被子植物花粉和裸子植物花粉为主［19，30］，被子植物花粉最多，蕨类植物孢子仅零星可见，重矿物组合以锆石＋石榴子石＋白钛矿＋锐钛矿＋钛铁矿为主（图2）。

2.2 地层形态及充填样式

根据上述层位认识，选取全区89 口层位相对齐全的典型钻井，编制6 条骨架地层对比剖面，勾勒出区域整体地层形态及充填样式（图3）。如图所示，WE-1、WE-2、WE-3、WE-4 为东西向剖面，地层具有向南逐渐增厚、向西依次超覆减薄至尖灭的特点，最西侧为嫩江组直接覆盖于基底之上，表现为泉头组、青山口组、姚家组逐步填平补齐的沉积充填样式。其中WE-1、WE-2、WE-3剖面因受架玛吐隆起影响，呈现出凹隆相间的特点，尤其WE-2 剖面受影响最大，导致姚家组、青山口组直接覆盖于基底之上，且青山口组发育局限。SN-1、SN-2剖面为南北向剖面，青山口组、姚家组和嫩江组分布连续，整体表现中间薄、往两侧均变厚的特征，中间薄主要是受架玛吐隆起影响，青山口组或姚家组直接覆盖于基底之上。

图3 研究区地层充填样式Fig.3 The filling pattern of strata in the study area

松辽盆地南部晚白垩世时期地层明显受坳陷盆地结构的影响，呈现出由盆地边缘向盆地中心地层逐渐增厚的趋势；从泉头组、青山口组、姚家组至嫩江组存在着由东往西的超覆现象，代表了不同沉积期沉降中心由东往西迁移；受架玛吐隆起影响地区地层厚度变化较大，呈现凹隆相间的格局；嫩江组区域分布最稳定，姚家组分布较稳定且厚度偏薄，架玛吐地区可直接覆盖于基底之上，青山口组和泉头组区域分布稳定性较差且自东向西超覆特征明显。

3 地层结构和含矿段地层结构

3.1 地层结构

地层结构即地层在三维空间内的叠置样式［21］。由于研究区范围较大，且不同地段的地层结构差异较大，故本文基于南部大量钻孔资料，从南北向和东西向的两条地质结构剖面入手对研究区内不同地段地层结构特征进行总结（图4、5）。

图4 研究区南北向地层结构（剖面平面位置见图1）Fig.4 The north-south stratigraphic structure of the study area（the plane location of the section is shown in Fig.1）

图4 为南北向剖面，整体表现为中间薄、往两侧均变厚的特征，中间薄主要是受到架玛吐隆起的影响，为青山口组或姚家组直接覆盖于基底之上。从南部蚀源区至奈曼—芒汉—余粮堡是一个地形斜坡区，地层超覆特征明显；到了通辽地区，逐渐受到架玛吐隆起的影响，地层厚度减薄；过了架玛吐隆起，刚进入松辽盆地主体时，表现为一个大的斜坡-坡折带。从地层上来看，自下而上为前中生界、下白垩统、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、泰康组和第四系。基底岩性由前中生代变质岩、结晶灰岩和花岗岩组成［31-32］；下白垩统主要分布于各个断陷内；泉头组由架玛吐隆起分割，隆起区以南为超覆，隆起区不发育，为青山口组覆盖于基底之上，局部为姚家组甚至嫩江组直接覆盖于基底之上，隆起区以北地层厚度变大；青山口组超覆特征明显，也受架玛吐隆起影响，隆起两侧地层厚度相差较大，隆起区厚度最薄；姚家组整体厚度较薄，铀矿体主要发育在隆起的变化部位，钱家店矿体主要发育在隆起上的高部位，海力锦矿体主要发育在是隆起上的次凹部位，大林和双宝矿体主要发育在隆起以南的凹陷部位，见矿深度较大；姚家组以上为区域稳定发育的嫩江组，隆起区高部位嫩江组被剥蚀，为姚家组之上直接覆盖第四系；嫩江组之上为局部发育的四方台组和泰康组，地层稳定性较差；之上为第四系松散沉积。

图5 为东西向剖面，整体来看西部巴彦套海-腰林毛都地区呈现超覆特征，第四系之下发育泰康组，下伏为厚度较薄的四方台组，接着由嫩江组直接覆盖于基底之上。往东钱家店矿区方向逐渐出现姚家组，超覆特征明显，矿区内姚家组厚度较大，钱家店断陷区下伏为下白垩统，其余地区下伏直接接触基底，基底岩性为花岗岩或灰岩。由此可知，矿区范围内为沉积中心，应该是受到舍伯吐隆起和架玛吐隆起影响，形成一个小的古河道，且古河道被F1断裂构造抬起来，呈现为相对独立的沉积体系，河道深水洼地发育的灰色砂体为铀矿体主要富集区。过了架玛吐往东，地层表现为超覆特征，泉头组至四方台组依次自东向西超覆，泉头组厚度变化较大，往东部盆缘地区其上部地层均被抬升剥蚀，为泉头组直接出露于地表。

图5 研究区东西向地层结构（剖面平面位置见图1）Fig.5 The east-west stratigraphic structure of the study area（the plane location of the section is shown in Fig.1）

由上可知，松辽盆地南部地层展布受东抬西降构造背景的影响，西缘超覆东缘抬升剥蚀。泉头组超覆特征明显，东部地层厚度大，西部不接受沉积，东南部和南部被剥蚀，地层出露；青山口组东部、西部地层厚度差变小，也具超覆特征，西部陆家堡-舍伯吐地区不发育，由东部往中西部发育，双宝-余粮堡地区厚度最大，为沉积中心，往矿区钱家店-海力锦地区地层逐渐变薄（图6）；姚家组分布相对连续稳定，厚度整体较薄，西部具超覆特征，陆家堡-舍伯吐地区逐渐减薄尖灭，仅局部残留了薄的姚家组红色层，与青山口组有一定继承性，也是双宝-余粮堡地区地层厚度最大；嫩江组为区域分布稳定、覆盖广的标志层，西部为嫩江组直接覆盖于下白垩统阜新组或基底之上；上覆四方台组主要在西部沉积，残留特征明显。整体来说，松辽盆地南部地层结构与松辽盆地北部有很大的差别［33］（图6）：除东部抬升剥蚀区、西部超覆区、中部矿区受架玛吐隆起影响地层减薄外，南部区域上比较完整的地层结构以余粮堡地区为代表，泉头组为厚度较大的砂砾岩，往上为青山口组砂泥间互，姚家组以砂岩为主，局部相变以泥岩为主，嫩江组为厚度稳定连续的大套泥岩。

3.2 含矿段地层结构

基于地层结构认识，结合钻探揭露的铀矿体分布特征，本文总结了松辽盆地南部含铀地层结构，初步厘定了铀矿带内不同矿区（海力锦、钱家店-宝龙山、大林-双宝）及其外围（余粮堡地区）的含矿层位和矿化特点（图6）。

图6 地层结构和含矿段地层结构Fig.6 Stratigraphic configuration of the strata and the ore-bearing segment

分析认为研究区西部陆家堡-舍伯吐地区为弱沉积区，嫩江组以下地层基本不发育，中部海力锦-余粮堡地区为主沉积区，均为砂岩型铀矿化类型，但不同地区含矿层位和铀矿化特征不同：海力锦矿区含矿层位为姚家组，见矿深度一般在565～585 m 范围内，含矿岩性粒度较细，以灰白色细砂岩为主，主要呈板状分布，矿体形态较稳定、单一，上、下泥岩隔水层稳定，具备良好的泥-砂-泥结构，属于下红上灰式“泥-砂-泥”铀矿化结构；钱家店-宝龙山地区含矿层位以姚家组为主（钱Ⅳ块和钱Ⅴ块矿区具有多层氧化及多层铀矿化的特点，上套矿体属姚家组，下套矿体属青山口组），铀矿化受白兴吐构造天窗与架玛吐隆起影响，见矿深度较浅，多在300～350 m 左右，含矿岩性主要为灰色中-细砂岩夹砂质砾岩，多呈板状、透镜状分布，含矿层下伏多与基底接触，属于基底接触式“砂-泥”铀矿化结构；大林矿区含矿层位为青山口组，见矿深度多在550～600 m，含矿岩性粒度较粗，以灰、灰白色中-粗砂岩与砂砾岩为主；双宝矿床含矿层位为泉头组，见矿深度一般为720～750 m，含矿岩性以灰、灰白色中砂岩为主，大林-双宝矿床上、下氧化带红砂、红泥厚约20 m，矿体形态较为复杂，多呈板状和透镜状，均属于两红夹一灰的“泥-砂-泥”铀矿化结构；余粮堡地区表现为多层铀异常显示，在青山口组与泉头组局部砂泥岩突变接触面上见伽马高值，含矿岩性以灰色中砂岩为主，下部灰色或红色泥岩也见伽马高值，表示原生的同沉积铀富集，与松辽盆地北部相似，属于砂泥岩接触面型含铀地层结构。

4 结论

1）松辽盆地南部晚白垩世时期地层明显受坳陷盆地结构的影响，呈现出由盆地边缘向盆地中心地层逐渐增厚的趋势，且受架玛吐隆起影响，区域地层厚度变化较大，呈现凹隆相间的格局。

2）松辽盆地南部的地层展布受东抬西降构造背景的影响，西缘超覆东缘抬升剥蚀。泉头组和青山口组超覆特征明显，泉头组东部地层厚度大，西部不接受沉积，东南部和南部遭受剥蚀；青山口组东部、西部地层厚度差相对变小，由东部逐渐往中西部发育，在双宝-余粮堡地区厚度最大，表现为该时期的沉积中心。姚家组厚度整体较薄，西部具超覆特征，仅局部残留了薄的姚家组红色层。嫩江组为区域分布稳定、覆盖广的标志层，其上四方台组主要在西部沉积，残留特征明显。

3）总结了松辽盆地南部含铀地层结构，初步厘定了铀矿带内不同矿区（海力锦、钱家店-宝龙山、大林-双宝）及其外围（余粮堡地区）的含矿层位和矿化特点：海力锦矿区含矿层位为姚家组，属于下红上灰式“泥-砂-泥”铀矿化结构；钱家店-宝龙山地区含矿层位以姚家组为主，属于基底接触式“砂-泥”铀矿化结构；大林矿区含矿层位为青山口组，双宝矿床含矿层位为泉头组，均属于两红夹一灰的“泥-砂-泥”铀矿化结构；矿区外围余粮堡地区属于砂泥岩接触面型含铀地层结构。

致谢：感谢核工业二四〇研究所蔡建芳总工程师；核工业二四三大队宁君、王海涛、王常东三位分队长；张韶华、佟术敏、李继木、张亮亮、黄笑等项目负责人为论文撰写提供的基础资料以及钻孔岩心编录工作的大力支持和帮助，感谢审稿专家对本文提出的宝贵意见！