松辽盆地富铀有机质建造发育特征及其对渗出型砂岩型铀矿的制约

邢作昌，王君贤，吴大坤，宁君，贾立城，刘武生，牟启博，林效宾，田明明

（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；3.核工业二四三大队，内蒙古 赤峰 024000）

近年来，随着砂岩型铀矿勘查实践的持续渗入，烃源岩在砂岩型铀矿中的作用受到关注：刘继顺［1］对华南碳硅泥岩型铀矿床研究认为烃源岩中有机碳与铀的关系比较复杂；美国阿巴拉契亚盆地泥盆系烃源岩铀含量为2×10-6～8×10-6，其有机碳与铀丰度有很好的相关性［2-3］；美国Pennsylvanian 黑色页岩中铀的含量为2×10-6～30×10-6，且铀含量增加与还原沉积环境有关［4］；秦艳等［5］基于鄂尔多斯长7 烃源岩电子探针、LA-ICP-MS、逐级化学提取、径迹蚀刻等方法的研究，提出烃源岩尤其是黑色有机质在铀的富集过程中起着很重要的作用［5］；张万良［6］通过收集中国重要综合能源盆地中的砂岩铀矿床文献资料，认为产铀盆地深部的烃源岩即是砂岩型铀矿的铀源岩；李子颖等［7］基于野外和室内、宏观和微观相结合，从野外观察、区域地质、构造学、沉积学、岩石学、矿物学、地球化学、地震解释和铀矿床学等角度阐明了二连盆地哈拉图矿床矿体、控矿灰色砂体和矿化特征，提出哈达图砂岩型铀矿床主要是渗出铀成矿作用形成的，并提出在红杂色沉积建造中寻找砂岩铀矿“上红下黑、上下连通、红中找灰、灰中找矿”预测评价的新思路。松辽盆地目前砂岩型铀矿的主攻层位（姚家组、青二三段、四方台组）为典型的红杂色建造，其成矿作用除了经典的“层间氧化型”、“潜水氧化型”等渗入成矿找矿作用外，渗出成矿作用同样可能存在。在采用渗出成矿新思路进行砂岩型铀矿勘查时，对松辽盆地中提供铀源的黑色富铀有机质建造的识别、产出特征与分布规律等系列特征的系统总结，可为铀矿勘查的主攻层位（尤其是姚家组、四方台组等红杂色层位）渗出成矿预测提供“下黑”成矿要素的支持，更好地指导松辽盆地渗出型砂岩型铀矿的勘查。

1 区域地质背景

松辽盆地为我国东北地区最大的中-新生代陆相含油-气-煤-铀的综合型能源沉积盆地［8-10］。从构造演化上看，松辽盆地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［8-10］，自底到顶盆地中北部依次沉积了火石岭组、营城组、沙河子组、登楼库组、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组、大安组、依安组、泰康组、第四系［8］，而盆地南部（西南隆起区的开鲁盆地）则依次沉积了义县组、九佛堂组、沙海组、阜新组、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组、泰康组、第四系［11］，其中烃源岩层主要发育在中间两大构造阶段的湖盆扩张期。

松辽盆地晚侏罗世-早白垩世初期的伸展断陷期主力烃源岩在盆地中北部主要为沙河子组，盆地西南部（开鲁盆地）主要为九佛堂组、沙海组；北部沙河子组为深灰色、灰黑色泥岩、灰白色砂岩、粉砂岩及少量凝灰岩，局部夹煤线，有机质类型以Ⅲ型居多，大都进入高成熟-过成熟阶段［12］，而西南部九佛堂组烃源岩系具有有机质丰度高、干酪根类型多、有机质成熟度适中，页岩抽提物具有咸化湖盆的两高两低，即高饱和烃、低芳香烃，高非烃、低沥青质等特点，其有机质类型以Ⅰ～Ⅱ1型为主。有机质来源以水生生物沉积为主，含有部分陆生生物，其总有机碳（TOC）介于0.05%～8.41%，中值为4.37%，平均值为3.58%，有机碳含量普遍偏高，页岩氯仿沥青“A”含量介于0.087%～1.13%，平均为0.43%。生烃潜 量（S1+S2）在0.08～63.94 mg/g 之间，平均为20.62 mg/g［13］。其中陆西凹陷有机质类型Tmax为446～452 ℃，氢指数大多为200～600 mg/g，九佛堂组整体形成于缺氧超盐、水体分层的强还原盐湖环境［13］。

松辽盆地晚白垩世沉降坳陷期经历了两次大的湖侵，主要发育青山口组和嫩江组两套暗色有机质建造：青山口组为松辽盆地重要的烃源岩层，其沉积期受全球缺氧事件影响下形成约5×104km2的黑色页岩，是盆地中生界油藏的重要物质来源，形成了盆地80%以上的石油资源［14］；其青一段为一套呈不等厚互层的灰黑色泥岩、油页岩与灰白色粉细砂岩，其区域标志层为底部深灰色、灰黑色泥页岩或油页岩，厚度约25～150 m，具有外凸三角星介标准化石［15］。目前青一段被认为是松辽盆地页岩油资源开发的主要前景层位［16-18］。嫩江组沉积时期是松辽湖盆的第二次兴盛期，也是由极盛向衰退的转变期［19］，地层厚度变化小，呈现东厚西薄、北厚南薄特征，底部发育底超，向西、向南逐步上超［20］，上部主要发育灰色泥岩与粉砂质泥岩、粉砂岩互层，下部以细粒沉积为主，颜色多偏暗色，灰黑色或黑色泥岩与油页岩较为发育。其中嫩一段中部与嫩一段顶和嫩二段底部暗色泥岩为主力烃源岩，最大埋深2 000 m，最大厚度为170 m，是好的烃源岩层［21］；元素分析、岩石热解与显微组成均显示，嫩一段有机质类型最好，主要以Ⅰ～Ⅱ1型为主，Ro 变化在0.588%～0.79%之间，处于低熟-成熟阶段，其中绝大部分泥岩进入成熟阶段［22］。

2 盆地富铀有机质建造产出特征

2.1 富铀有机质建造的产出层位

松辽盆地沉积充填经历了断陷、坳陷、反转3 个构造演化阶段，盆地自底到顶对应形成了晚侏罗世-早白垩世断控多中心火山碎屑湖相、晚白垩世早期大型坳陷湖相、晚白垩世晚期-新生代湖盆萎缩河流相等3 种盆地沉积充填样式。

断陷期湖盆具有受边界控断大断裂控制分割性强、多个湖盆中心、各湖盆连通性差等典型断陷湖盆特征，该时期半深湖-深湖相暗色细粒沉积烃源岩在松辽盆地中北部以沙海组最为特征，而盆地西南部（开鲁盆地）则以九佛堂组厚大灰黑色泥岩为特征；该阶段形成了盆地底部第一套潜在的暗色富铀有机质建造（图1）。可见，盆地下部富铀有机质建造主要产于早白垩世地层。

图1 松辽盆地综合柱状图与富铀有机质建造产出层位Fig.1 Comprehensive column and position of three uranium-rich organic matter formation in Songliao Basin

晚白垩世开始，随着盆地全盆范围的裂后热沉降，松辽盆地进入统一大湖盆演化期［8］。该阶段湖盆发育青山口组早期和嫩江组早期两个湖盆鼎盛期（其中后者为晚白垩最大的湖泛期，其湖盆影响面积超过了全盆面积的八成以上［8］，且已有证据表明湖盆发育期具有海侵事件［23-24］），对应形成了盆地中部、上部两个潜在的富铀有机质建造（图1）。这两个富铀有机质建造内部夹有数层薄层火山灰［9］，而火山灰作为富铀的主要岩石类型之一［25］，其可能是这两套建造本身富铀的重要因素之一。

总之，松辽盆地存在上、中、下三套区域性分布的巨厚层灰色富铀有机质建造：最下部富铀有机质建造为下白垩统断陷期烃源岩，在松辽盆地北部主要为沙河子组煤系烃源岩，在松辽南部以九佛堂组烃源岩占优；中部富铀有机质建造对应青山口组底部主力生油烃源岩，上部富铀有机质建造为嫩江组底部生油烃源岩（图1）。

2.2 富铀有机质建造的空间分布

松辽盆地下部富铀机质建造具有“北厚南薄、多中心分隔状分布、厚度受控于下白垩控断边界断裂”等特征（图2）。单个呈长15～100 km，宽0～20 km条带状，绝大多数呈北东、北北东向（少数近南北、北西向）分散片状产出；中部产出最为密集，其次为东南隆起区，西南部烃源岩零星分布，整体受下白垩统断陷范围限制、“北厚南薄”特征明显。下部富有机质建造厚度在0～2 000 m，平均厚度为800～1 200 m 占优；在控断断裂附近烃源岩厚度最大，远离断裂厚度减小趋势明显，厚度分布受控边界断裂明显。需要注意的是，目前盆地西南部主要砂岩型铀矿产区钱家店断陷附近的下部富铀建造发育，而盆地东北部海伦-绥棱等主要铀矿勘查区北安断陷、明水-绥化断陷处同样发育规模可观的下部富铀建造。

图2 松辽盆地下部富铀有机质建造分布与厚度Fig.2 Distribution and thickness of the bottom uranium-rich organic matter formations in Songliao Basin

与下部建造特征明显不同（图2），盆地中上部富铀有机质建造表现出“统一连片、在盆地中北部集中分布”特征（图3、4）。中部富铀有机质建造（青山口组底部烃源岩）在大庆—哈尔滨—长岭的三角带内集中展布，其厚度为50～500 m，平均为200～350 m，最厚大于400 m，其中厚度大于200 m 沉积中心有3 个，分别集中在齐家古龙南、长岭、三肇东南-长春岭背斜-登楼库背斜地区，是优势建造区（图3）。上部富铀有机质建造（松辽盆地嫩一二段烃源岩）整体特征与中部富铀有机质建造特征类似，但其影响范围明显增大：其横向扩展至齐齐哈尔—绥化—长岭—白城的四角带内集中展布，厚度为100～400 m，平均为250～300 m，最厚处在大安北部（＞350 m），其中厚度大于200 m 沉积中心有3 个，集中在齐家古龙南、长岭、三肇中部，是优势建造区（图4）。另外，垂向上，上、中、下三套富铀有机质建造厚度具有向上变薄的趋势，即下白垩统烃源岩最厚，青一二段烃源岩次之，嫩一二段烃源岩最薄。

图3 松辽盆地中部富铀有机质建造分布与厚度Fig.3 Distribution and thickness of uranium-rich organic matter formations in middle Songliao Basin

图4 松辽盆地上部富铀有机质建造分布与厚度Fig.4 Distribution and thickness of the uranium-rich organic matter in the top formations in Songliao Basin

3 富铀有机质建造铀含量预测

笔者在嫩江组、青山口组上千个高有机质含量与铀含量统计的基础上，利用总有机碳（TOC）与铀含量的统计得出来的正相关关系，并结合实际铀矿钻孔获取的铀含量微量实测数据，对松辽盆地中部富铀有机质建造（青一段）、上部富铀有机质建造（嫩一二段）的铀含量进行了预测（图5、6）。

图5 松辽盆地中部富铀有机质建造铀含量预测等值线图Fig.5 Contour map of predictive uranium content of uranium-rich organic matter formation in middle Songliao Basin

松辽盆地中部富铀有机质建造铀含量预测等值线图表明（图5），该有机质建造铀含量主体为（0～10）×10-6，个别高达25.9×10-6。地层高铀背景值区（大于6×10-6）呈分散带状分布，集中在盆地西部的白城—洮南、盆地西南部的长春—德惠—松原、盆地中部的肇东—肇源—安达一带、盆地东北部的海伦、盆地北西部的通南—依安—依龙等地区；从构造分区上看，地层中铀背景值区（3×10-6～6×10-6）主要位于长岭凹陷边部、三肇凹陷西南、大庆长垣南部。地层低铀背景值区（小于3×10-6）呈土豆状，位于海伦市西南的望奎县—永丰镇附近。

松辽盆地上部富铀有机质建造铀含量预测等值线图表明（图6），该有机质建造铀含量主体在（0～10）×10-6，个别高达12.4×10-6。地层高铀背景值区（大于7×10-6）呈港湾状、云朵状分布，集中在盆地中北部的松原市—肇东市、大庆市西北部的林甸县附近，构造上隶属于中央坳陷区的三肇凹陷、长岭凹陷中北部、齐家古龙凹陷。地层铀含量低值区（小于4×10-6）呈孤岛状分布在盆地东北的海伦—绥化一带。需要注意的是，地层铀含量中值区（4×10-6～6×10-6）则主要位于盆地西南部。

图6 松辽盆地上部富铀有机质建造铀含量预测等值线图Fig.6 Contour map of predictied uranium content of uranium-rich organic matter in the top formations of Songliao Basin

4 富铀有机质建造与盆地砂岩型铀成矿作用

4.1 富铀有机质建造可能是松辽盆地砂岩型渗出铀成矿作用的重要深部铀源

松辽盆地目前已发现的大中型铀矿床（钱Ⅱ、钱Ⅲ、钱Ⅳ、宝龙山矿床、大林矿床）主要位于松辽盆地西南部钱家店凹陷北部［32-33］。钱家店凹陷下伏的钱家店断陷具有松辽盆地下部富铀有机质建造，其整体受控盆断裂控制，呈北东向带状展布，靠近控盆（断陷）断裂厚度最大，厚度中心（大于1 400 m）在钱家店断陷北部的白音那—高岭屯一带呈北东向展布，远离断裂厚度急剧减小；厚度为0～2 100 m，主体厚度为800～1 200 m，最厚大于1 800 m（图7）。通过对矿区矿床平面投影与下部富铀有机质建造、深大断裂空间位置叠合，发现已发现的铀矿床、主要工业孔、矿化孔主要产于具有深大断裂沟通的减薄的下部富铀有机质建造中心或边部（图7）。这种空间上的密切的配置关系，表明钱家店断陷下部富铀建造可能为其上覆晚白垩世姚家组、青山口组等主要赋矿层位提供深部铀源。另外，盆地中北部青山口组-姚家组铀矿化孔的产出多位于中部富铀有机质建造铀含量高值区的中心或边部（图5），放射性异常孔多位于中部富铀有机质建造铀含量高值区向低值区过渡部位，表明盆地中北部青山口组-姚家组砂岩型铀矿的成矿作用明显受下伏中部富铀有机质建造密切制约。与之类似，盆地中北部四方台组-嫩五段工业铀矿化产于盆地上部富铀有机质建造的松原—大安—肇东铀含量预测高值区的西部减薄带之上，其铀矿化孔则产于上部富铀有机质建造铀含量预测高值区的中心或边部，而放射性异常则多集中在铀含量中值区向盆地内部低值区过渡地区（图6），表明盆地中北部四方台组-嫩五段砂岩型铀矿的成矿作用与其下伏上部富铀有机质建造密切相关。这些客观地质事实进一步表明下伏深部富铀有机质建造可能为其上覆赋铀目标层提供了部分深部铀源，即松辽盆地砂岩型铀矿的成矿作用可能确实有渗出铀成矿作用的参与。

图7 松辽盆地钱家店凹陷下部富铀有机质建造与砂岩型铀矿化的空间叠置Fig.7 Superposition of bottom uranium-rich organic matter formation and sandstone type uranium mineralization in Qianjiadian depression，Songliao Basin

4.2 富铀有机质建造对盆地主要产铀层位的制约

根据盆地南北的地层对比与沉积充填、构造（断裂）发育、主力烃源岩与主攻目标层的空间产出等特征，盆地中北部上白垩统主要产铀层位（青山口组-姚家组、四方台组等）更易受到中部富铀有机质建造、上部富铀有机质建造的影响，而盆地南部（尤其是西南部）更易受到下部富铀有机质建造影响：①中北部上白垩统的厚度等于或大于下白垩统厚度［35］，上白垩统红杂色建造（姚家组、青二三段、四方台组）距离下白垩统烃源岩垂向距离远；与之截然相反的是，盆地西南部上白垩统厚度远小于下白垩统厚度，上白垩统红杂色建造（姚家组、青二三段、四方台组）距离下白垩统烃源岩垂向距离近（图8）；南北上下白垩统的厚度差异表明，盆地南部上白垩统更易受到下白垩统流体的影响；②从地层的沉积充填特征看，盆地中北部分隔下伏下白垩统富铀有机质建造，与上白垩统主要产铀层位之间的营城组、登楼库组均具有较好的盖层作用，营城组为一套火山岩-扇三角洲-湖泊相沉积［8，38］，而登楼库组为一套三角洲-湖泊相沉积［8］，两者区域上对下伏地层的分隔性良好，下部富铀有机质建造产出的成矿流体要穿过这两个厚层进而运移到中浅部产铀层位（青山口组-姚家组、四方台组）的难度太大；而盆地西南部上白垩统主力产铀目标层与下白垩统接触面上多个地区缺失地层，深大断裂与不整合形成的通道体系更加顺畅，加上南部下白垩统控盆断裂附近更易深湖-半深湖细粒沉积的发育，其下部富铀有机质建造厚度、质量都要较中北部好一些（图7）；③盆地南部上白垩统主要为一套河流相红杂色建造［39］，多数地区缺失中部富铀有机质建造和上部富铀有机制建造，而中北部上白垩统以灰色建造与红杂色建造交替出现为特征（即有机质建造层位与产铀层位互层）；④盆地西南部砂岩型铀矿主产区与中部、上部富铀有机质建造铀含量并无明显的空间叠置（图3、4），表明其产出位置与中部、上部富铀有机质建造空间关系相关性不大；盆地中北部青山口组-姚家组铀矿化孔多位于中部富铀有机质建造铀含量高值区的中心或边部（图5），放射性异常孔多位于中部富铀有机质建造铀含量高值区向低值区过渡部位，表明盆地中北部青山口组-姚家组砂岩型铀矿的成矿作用与其下伏中部富铀有机质建造密切相关；与之类似，盆地中北部四方台组-嫩五段工业铀矿化产于盆地上部富铀有机质建造的松原-大安-肇东铀含量预测高值区的西部减薄带之上，铀矿化孔产于上部富铀有机质建造铀含量预测高值区的中心或边部，而放射性异常则多集中在铀含量中值区向盆地内部低值区过渡地区（图6），表明盆地中北部四方台组-嫩五段砂岩型铀矿的成矿作用与其下伏上部富铀有机质建造密切相关。综合来看，盆地南部上白垩统主要产铀层位（青山口组-姚家组、四方台组等）更易受到下部富铀有机质建造的制约，而盆地中北部上白垩统姚家组-青二三段更易受到中部富铀有机质建造的制约，四方台组-嫩五段更易受到上部富铀有机质建造的制约。

5 结论

1）系统梳理了松辽盆地富铀有机质建造的产出特征：松辽盆地区域上分布上、中、下三套富铀有机质建造，分别为下白垩统、青一二段、嫩一二段富铀有机质建造；与盆地范围内的三套主要产油或产煤层位烃源岩层对应；上、中、下三套富铀有机质建造厚度具有向上变薄的趋势。

2）松辽盆地富铀有机质建造与铀矿化的空间产出关系密切：铀工业孔空间产出位置与烃源岩厚度中心、烃源岩类型、与烃源岩沟通的深大断裂等关系密切；工业孔、放射性异常孔产出位置多位于预测富铀烃源岩铀含量高值中心区边缘。这表明富铀有机质建造对松辽盆地砂岩型铀矿化具有明显的制约作用，推断黑色烃源岩不但为铀成矿提供了一定的还原物质，而且可能是砂岩型铀成矿作用的重要的潜在铀源。

3）上、中、下三套富铀有机质建造对主要产铀层位的制约具有明显的差异性：盆地南部上白垩统泉头组、青山口组、姚家组等主要产铀层位受盆地下部富铀有机质制约明显，而盆地中北部青山口组-姚家组砂岩型铀矿的成矿作用与中部富铀有机质建造密切相关，盆地中北部四方台组-嫩五段砂岩型铀矿的成矿作用受其下伏上部富铀有机质建造影响更大。

4）松辽盆地中三套富铀有机质建造的识别、产出特征与分布规律、铀含量预测等系统梳理，可为盆地以红杂色建造为主的姚家组、四方台组等主攻层位的渗出成矿预测提供“下黑”成矿要素的支持，更好地指导松辽盆地渗出型砂岩型铀矿的勘查。