松辽盆地东北部拜泉地区姚家组砂岩型铀成矿条件与找矿方向探讨

张航，聂逢君，罗敏，赵忠华，张成勇，赵星博

（1.核工业二四〇研究所，辽宁 沈阳 110032；2.东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013；3.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013）

我国核地质单位在伊犁、鄂尔多斯、二连及松辽盆地南部等中、新生代沉积盆地内发现了一批具有一定规模的砂岩型铀矿床。松辽盆地处于北方砂岩型铀成矿带的东北部，是我国重要的产铀盆地之一［1-10］。20 世纪90 年代初期，石油部门在盆地北部施工大量油田井，部分钻孔存在铀异常［11］。近年来，中核集团结合煤田、油田资料进行科技攻关［9，12-13］，通过调查和勘探，对盆地内上白垩统砂岩型铀矿进行探索工作，但多数聚焦于盆地中央凹陷区及西部斜坡区［11，14-16］，未对东北部拜泉地区进行综合分析。本文以前人研究成果及野外实地调查为基础，结合钻孔资料和样品数据分析对松辽盆地拜泉地区姚家组砂岩型铀成矿条件进行综合研究，为该地区砂岩型铀矿找矿方向提供线索。

1 区域地质背景

松辽盆地位于我国东北部，可划分为西南隆起区、西部斜坡带、东北隆起区、北部倾没区、中央坳陷带及东南隆起区6 个一级构造单元［3-4］。拜泉地区位于东北隆起区西部和北部倾没区的东端交汇处，包括海伦隆起、绥棱背斜、乾元隆起、克山依龙背斜及依安凹陷5 个二级构造单元（图1）。

图1 松辽盆地北部构造单元划分图（据文献［3-4］修改）Fig.1 Structure units in the north of Songliao Basin（modified after reference［3-4］）

松辽盆地构造演化经历了热隆张裂期（前裂谷期）、伸展断陷期（裂谷期）、沉降坳陷期（后裂谷期）和构造反转期（抬升萎缩期）4 个阶段，自下而上形成了断陷、坳陷和反转3 个大的构造层［3-4，9］。区内主要保存了晚白垩世地层，自下而上依次为：泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组，由于反转期地层的抬升、剥蚀作用，使四方台组、明水组、古近系及新近系缺失，致使第四系直接覆盖在嫩江组之上［9］，其中姚家组是本文研究重点。研究区内姚家组与下覆地层为整合-平行不整合接触［7，9］，埋深为380～600 m，岩性以灰色、灰绿色细砂岩为主，夹棕红色泥岩、灰色泥岩及灰色粉砂岩。

2 成矿条件分析

2.1 构造条件

侏罗纪造山运动时形成的大兴安岭、小兴安岭和张广才岭环绕在松辽盆地北部，致使大量花岗岩、火山岩出露于地表［10，13，17］。燕山期和喜玛拉雅期的构造运动控制了区域上的构造-地貌演化［3，10］，进而影响了沉积体系内部砂体的平面分布规律，也影响了地下水的补-径-排体系，从而控制了砂岩型铀矿成矿作用［12，16-20］。这些构造运动造成的地层掀斜有利于水的流动和搬运作用。坳陷沉积期后，在“嫩江运动”作用下发生褶皱、抬升，致使嫩江组以上地层长时期遭受风化剥蚀，第四系直接覆盖于嫩江组之上，形成正向地形，也形成多个剥蚀天窗（图1）。这与松辽盆地南部地质特征较为相似［7，21-22］，“天窗”的形成可以做为白垩系含水层地下水的补给区，也可以作为排泄区，对铀成矿极其有利。

2.2 铀源条件

松辽盆地东北部蚀源区主要由小兴安岭和张广才岭的海西期、印支期及燕山早期花岗岩体等组成［7］。区内各花岗岩类U 含量较高，如表1 所示印支期各类花岗岩中U 含量在（2.90～7.63）×10-6之间，燕山早期花岗岩中U含量为（3.00～23.80）×10-6，各类花岗岩U 浸出率多大于20%；区内花岗岩U 平均含量为6.64×10-6，Th 平均含量为13.40×10-6，Th/U 值为多大于3，说明存在U的迁出，致使Th/U失衡。

前人也针对蚀源区U 含量进行了一系列研究［7，10-15］，经统计火山岩U含量为（3.3～8.7）×10-6，海西期的白岗质花岗岩和黑云母花岗岩的U 含量较高，为（2.25～22.30）×10-6，燕山期的花岗岩U 含量为（3.40～13.05）×10-6［7］。松辽盆地北部蚀源区迁入盆地的活化铀总量高达432×104t（表2）。北部蚀源区铀源条件较好，主要铀源体为印支期花岗岩和燕山期花岗岩，蚀源区岩石铀含量高，且浸出率高，为铀成矿提供丰富铀源。

表2 松辽盆地北部含铀花岗岩蚀源区汇入盆地活化铀总量计算表［14］Table 2 Calculated total amount of activated uranium of the source area to the north of Songliao Basin[14]

2.3 沉积相及砂体特征

通过对拜泉地区岩心观察、编录，收集统计研究区内相关钻孔资料，剔除一些无效数据后，选取保留了30 个钻孔数据进行分析认为（表3）：在研究区内，姚家组厚度多在80～200 m，砂体分布广泛，厚度在10～80 m 不等，其中在拜泉一带的S41 孔、S44 孔最为发育，单层最大厚度为54.65 m，砂体累计厚度为82.15 m，岩性为灰色细砂岩，连续性较好，炭屑较发育。区内姚家组总体上为红泥-灰砂组合，这与姚家组沉积时期干旱-半干旱的古气候相符，而灰色砂岩可能是由于成岩后水岩作用所形成的。

表3 拜泉地区姚家组钻孔数据统计一览表Table 3 Statistics on borehole data of Yaojia Formation in Baiquan area

单孔微相分析表明：姚家组自北向南的沉积亚相依次为辫状河相、曲流河相及三角洲相，其中包括：河床、泛滥平原、堤岸、河漫、三角洲平原、三角洲前缘亚相及滞留沉积、心滩、边滩、天然堤、河漫滩、水上分流河道等多个微相。从ZK-9 孔沉积微相上看（图2），姚家组在垂向上主要为曲流河沉积序列，表现为由多个正旋回沉积组成，由下至上粒度变细，电阻率曲线呈齿形-渐变式，自然电位曲线呈齿形-箱形，是典型的曲流河二元结构。区内河流相沉积物以灰色、灰绿色细砂岩为主，多见棕红色、红色泥岩。

图2 ZK-9 单孔沉积相分析图（据文献［23］修改）Fig.2 Single-hole sedimentary facies analysis of borehole ZK-9（modified after reference［23］）

钻孔剖面连井分析表明：姚家组发育两个砂组，多由灰色、灰绿色细砂夹红色泥岩组成。砂体疏松，连通性好，透水性强，由于东部为隆起带，自西向东地层及砂体厚度均变小并有所抬升（图3）。

通过北西向钻孔连井剖面发现（图3），砂体在拜泉一带较为发育，姚家组下部砂组稳定，砂体连续，厚度为20～25 m，岩性多为灰色、灰绿色细砂岩，已发现的砂带宽度约25 km；通过南北方向钻孔连井剖面发现（图4），姚家组上部砂组仅在ZK-5 至ZK-1 范围内存在一定规模，而下部砂组在整个剖面显示较为稳定，且在ZK-3 附近最为发育，单层最大厚度达22.49 m，已发现的砂带长度约60 km，宽25 km。从砂体的垂向分布特征上初步认为，姚家组砂体在拜泉一带较为发育，其中下部砂组较上部砂组更稳定，这为含矿流体的渗入，铀元素的富集、成矿提供良好的空间。

图3 拜泉地区姚家组北西向钻孔连井剖面图Fig.3 Geological section of neighbor boreholes in NW direction of Yaojia Formation in Baiquan area

图4 拜泉地区姚家组南北向钻孔连井剖面图Fig.4 Geological section of neighbor borehole between SN of Yaojia Formation in Baiquan area

平面上姚家组砂体集中产出于海伦隆起和乾元背斜西南侧的拜泉一带（图5），且受控于拜泉水系，发育在拜泉水系下游的三角洲沉积体系的姚家组含砂率为57%～75%，砂体规模较大。砂体上下发育泥岩隔水层，具有稳定的“泥-砂-泥”结构。

图5 拜泉地区姚家组含砂率等值线图Fig.5 Contour map of sandstone percentage of Yaojia Formation in Baiquan area

研究区内主要发育南北向拜泉水系，从姚家组沉积相图可以看出，区内姚家组自北向南主要发育冲积扇、辫状河、曲流河、三角洲等沉积体系（图6）。姚家组沉积时期，主要沉积物源仍来自于北部的拜泉水系，与此同时，东北蚀源区也对盆地进行填充，但东北向水系受限于河道继承性较差、水动力较弱，致使河道规模较小，砂体不连续。拜泉地区属于北部拜泉水系与北东向水系的汇集中心，相带处于曲流河与三角洲前缘交界处，砂体主要发育在三角洲前缘相中水下分流河道微相。

图6 拜泉地区姚家组沉积相图Fig.6 Sedimentary facies map of Yaojia Formation in Baiquan area

2.4 后生蚀变特征

研究区内姚家组的原生沉积气候是干旱-半干旱条件下形成的一套红色建造，北部和东北部以氧化为主，局部见有灰色岩系；西南部多为灰色细砂岩并多伴随炭屑等有机质同生沉积（图7a），岩心出现氧化残留体（图7b），这是由于原生沉积的红色建造在渗透性强的部位会被还原为灰色或灰绿色，而在渗透性较弱处仍为原色（图7c）。部分姚家组砂岩表现为红色砂岩与灰色砂岩互层（图7d），这也是由于原生沉积的红色砂岩经水岩作用，局部被还原为灰色。

对钻孔岩心样品进行取样及显微镜观察表明，姚家组砂岩主要为岩屑长石砂岩，砂岩主要成分为长石、石英、岩屑；分选一般，磨圆一般，呈次棱角状为主，少部分为次圆状（图8），推测其为中-远沉积距离的产物。长石为钾长石和少量斜长石，具高岭石化，斜长石表面绢云母化（图8a），局部见少量绿泥石化（图8b），绿泥石是长石经水解作用后产生的主要矿物，说明岩石中存在不同程度后生改造作用。石英主要为单晶石英，少数多晶石英，部分单晶石英可见次生加大边，粒内轻微波状消光（图8c），可推测石英在形成后存在一定程度的构造挤压作用。填隙物由黏土质杂基、铁质胶结物组成，孔隙式胶结，部分填隙物中可看见明显的褐铁矿化蚀变（图8d）。岩石属于颗粒支撑结构，这为成矿期含铀含氧流体的渗入及后生蚀变提供有利的空间。

图8 拜泉地区姚家组砂岩显微特征Fig.8 Microscopic characteristics of sandstone in Yaojia Formation in Baiquan area

3 找矿方向探讨

根据松辽盆地北部砂岩型铀成矿条件，并结合松辽盆地南部钱家店地区找矿突破成果，优选拜泉-三道镇一带为进一步工作有利地段，面积约1 600 km2（图6）。该地段邻近盆地东缘，东侧反转构造较发育，而反转构造作用使盆地内局部区域受到不同程度的隆升变为正向地形，形成剥蚀天窗，在构造强烈处抬升隆起幅度大，导致一些白垩纪地层直接裸露地表遭受剥蚀，造成了地层的掀斜，可使地下水从滞流状态变为循环状态，为层间氧化带型砂岩型铀矿提供较好的水文、地质条件。该地段姚家组以河流-三角洲相沉积为主，共发育两个砂组，其下部砂组横向连通性好，厚度适中，岩性多为细砂岩，且已发现长约60 km、宽25 km 的砂带，这为铀成矿提供良好的容矿空间。

该地段东侧和北侧发育一定规模氧化带，在盆地边缘的A23 孔中黄色砂岩的镜下观察发现部分石英、长石周边存在褐铁矿化蚀变（图8d），砂体明显发生过水岩作用；而在研究区东侧A20 孔中，部分姚家组砂岩表现为灰色细砂岩与红色细砂岩互层，这种“红灰互层”主要由于原生沉积的红色砂岩经水岩作用，被还原的不够不充分或不够均匀导致；在北部北安地区附近的A11 孔中，这种不均匀的还原作用更加明显，表现为姚家组的灰色细砂岩与红色细砂岩混杂（图7c）。在拜泉地区还发育一定规模还原带，砂体为灰色细砂岩，其中多见植物炭屑等还原物质（图7a），从显微镜下可以看出，砂岩中存在不同程度的绢云母化及绿泥石化（图8a、b），在ZK-2 孔砂体中见有灰色砂岩中存在红色斑块残留体（图7b）。根据研究区的氧化还原条件，结合砂体空间展布特征，初步推测拜泉-三道镇一带存在一条层间氧化带前锋线，长度约48 km（图6）。

4 结论

1）研究区主要找矿目的层为上白垩统姚家组，主要找矿类型以层间氧化带型为主，重点找矿地段为拜泉-三道镇一带。

2）研究区内构造断裂发育，地层存在一定程度的掀斜，剥蚀强烈，使含铀含氧水更容易渗入。

3）盆地东北部蚀源区主要由小兴安岭和张广才岭的花岗岩体组成，铀源丰富，且Th/U 值多大于3，说明大部分铀源已经被活化、迁移到盆内。

4）研究区位于古河道中下游，姚家组下段砂体发育属三角洲前缘相，已初步控制长约60 km、宽25 km 的砂带，砂体横向连通性好，厚度适中，为铀元素的赋存、运移及沉淀富集提供有利空间。

5）研究区内氧化还原条件较好，在东部发生小范围的氧化作用，由边缘向盆内的拜泉地区逐渐减弱，而在拜泉地区砂体中有机质丰富，多见植物炭屑等丰富的还原物质，还原能力强，且存在不同程度的蚀变，水岩作用明显。推测拜泉-三道镇地段发育层间氧化带前锋线，铀成矿潜力有待于进一步验证。