松遼盆地南部中央凹陷區姚家組砂巖地球化學特征及沉積物源

張 森，劉 超，胡慧婷，李軍輝，石 蕾，布和巴特爾

1.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110034；2.黑龍江工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050；3.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318；4.大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江 大慶 163712

0 前言

松遼盆地為一個中新生代的陸相盆地，不僅富含豐富的油氣資源，隨著“主攻北方地浸砂巖型鈾礦”勘查戰略的實施，鈾礦找礦工作也取得重大突破，松遼盆地南部錢家店地區發現了超大型鈾礦床并實現高效開采［1-3］.松遼盆地南部中央凹陷區鉆井也揭示了放射性異常［4］，但對鈾礦的勘探尚處于普查階段.

砂巖型鈾礦的勘探涉及構造、沉積、儲層、鈾源、成礦作用等諸多研究環節，其中以制約沉積相帶、砂巖分布、儲層砂體本身的“再生鈾源”的沉積物源的研究最為基礎［5-7］.松遼盆地南部姚家組鈾源的研究比較薄弱，僅有少數學者采集了錢家店鈾礦姚家組砂巖樣品并對其可能的物源方向、母巖性質開展了研究.如，有研究認為姚家組物源主要來自盆緣的酸性火山巖以及基底結晶巖系和變質巖［8］；另有研究指出姚家組的主要物源是華北陸塊北緣的酸性火山巖及花崗巖［9］；此外，還有研究認為姚家組砂巖的物源為華北克拉通北緣燕山陸內造山帶發育的火山－沉積巖系［10］.可見，關于松遼盆地南部姚家組物源的認識還存在一定爭議，究其原因，一方面是由于以往缺少對錢家店以外區域姚家組物源的針對研究，另一個方面是由于精確的地球化學研究還比較薄弱.

本文以松遼盆地南部中央凹陷區為研究對象，采集姚家組未蝕變的灰色砂巖樣品37塊并開展系統的地球化學測試，結合風化程度、源巖性質和構造背景的分析及其錢家店地區的研究成果［10］，探討研究區的物源特征，旨在為鈾儲層預測及鈾礦床鈾源評價奠定基礎.

1 地質背景

松遼盆地是中國東北地區一個大型中—新生代陸相斷拗復合盆地，經歷了早白堊世斷陷、早白堊世末抬升剝蝕、晚白堊世拗陷及末期的構造反轉、抬升剝蝕四個階段［2］.研究區在大地構造上位于松遼盆地南部中央凹陷區，西鄰松遼盆地西斜坡，向南距錢家店地區約150 km（圖1）.早白堊世時期，研究區與錢家店地區分屬松遼盆地和開魯盆地，至白堊紀晚期，兩者形成統一的拗陷盆地.研究區自下而上發育上侏羅統火石嶺組，下白堊統沙河子組、營城組、登婁庫組、泉頭組，上白堊統泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組、明水組，古近系依安組，新近系大安組及泰康組.研究層系姚家組主要發育河流－泛濫平原－淺湖沉積，以細粒沉積為主，巖性包括灰（白）色、黃褐色、棕色細砂巖，灰色泥巖及粉砂質泥巖.

圖1 松遼盆地構造位置圖Fig.1 Tectonic location map of Songliao Basin

2 砂巖地球化學特征

2.1 主量元素特征

姚家組砂巖主量元素含量見表1.姚家組砂巖中SiO2含量最高（53.96%～74.57%，平均65.96%），其次是Al2O3（10.17%～19.91%，平均14.59%）、CaO（1.17%～14.59%，平均5.89%）、Fe2O3T（0.98%～9.09%，平均4.43%）、K2O（2.66%～4.37%，平均3.67%）、Na2O（1.40%～3.88%，平均2.84%）、MgO（0.36%～4.30%，平均1.97%），TiO2（0.22%～0.72%，平均0.52%）、P2O5（0.06%～0.26%，平均0.13%）、MnO（0.03%～1.02%，平均0.12%）含量均較低（圖2）.較高SiO2和Al2O3含量反映姚家組物源母質相對富含石英、長石礦物，但SiO2數值比錢家店地區（SiO2平均77.01%）略低［10］，反映碎屑成巖的成熟度偏低，這一結果也與后文對巖石類型和形成背景的認識相吻合.

表1 研究區姚家組砂巖常量元素含量Table 1 Major element contents in sandstone of Yaojia Formation in the study area

圖2 研究區姚家組砂巖樣品與錢家店地區主量元素含量對比Fig.2 Comparison of major element content in sandstone between Yaojia Formation in the study area and Qianjiadian area

2.2 微量元素和稀土元素特征

圖3a展示了典型樣品微量元素相對含量分布曲線（分析數據見表2）.姚家組砂巖具有與上地殼相似的高場強元素（如Th、U）和大離子親石元素（Ba），Rb、Zn元素相對于上地殼富集，Sr、Zr、Hf、Sc元素相對于上地殼虧損.稀土元素（分析數據見表3）總量介于160.12×10－6～253.74×10－6之間，平均值為221.61×10－6，高于上地殼稀土元素總量（146.37×10－6）.稀土元素配分曲線形態相似（圖3b），呈輕稀土元素富集、重稀土元素相對虧損的特征，LREE/HREE數值為8.94～12.18，平均值10.13；LaN/YbN數值為10.36～15.52，平均值12.59；GdN/YbN數值為1.89～2.29，平均值2.11.稀土元素配分曲線形態與后太古宙澳大利亞頁巖（PASS）和上地殼（UCC）相似，δEu（0.62～0.69，平均值0.66）介于PAAS（0.65）和UCC（0.70）之間，指示物源可能為花崗巖類等酸性巖且與上地殼相關.

圖3 姚家組砂巖微量元素和稀土元素標準化配分曲線Fig.3 UCC-normalized trace element diagram and chondrite-normalized REE patterns for sandstone of Yaojia Formation

表2 研究區姚家組砂巖微量元素含量Table 2 Trace element contents in sandstone of Yaojia Formation in the study area

表3 研究區姚家組砂巖稀土元素含量Table 3 REE contents in sandstone of Yaojia Formation in the study area

2.3 地球化學分類

主量元素的氧化物常用于砂巖的地球化學分類.依據（Fe2O3T＋MgO）－Na2O－K2O圖版［11］，研究區姚家組砂巖主要為巖屑砂巖，其次是長石砂巖和雜砂巖（圖4a）.lg（SiO2/Al2O3）－lg（Fe2O3/K2O）圖版［12］揭示研究區多數樣品為巖屑砂巖，部分樣品為長石砂巖（圖4b）.可能是受到泥質含量的影響，有10件樣品落在頁巖區域，但這一圖版判別結果與（Fe2O3T＋MgO）－Na2O－K2O圖版并不矛盾.綜上分析，認為研究區姚家組砂巖以巖屑砂巖為主，其次是長石砂巖.

圖4 姚家組砂巖類型的地球化學判別Fig.4 Geochemical discrimination diagrams for sandstone types of Yaojia Formation

3 砂巖形成環境

3.1 氣候環境

氣候影響古沉積物的風化程度［7］.依據古氣候判別圖版SiO2－（Al2O3＋K2O＋Na2O）［13］，姚家組砂巖碎屑形成于干旱—半干旱氣候，且成分成熟度低于錢家店地區（圖5a）.在古氣候判別圖版CIA－C中，C反映氣候的干燥或潮濕程度［14］，CIA反映物源區化學風化作用強度［15］，姚家組砂巖樣品多數落到半潮濕—干旱氣候和初始化學風化疊合區域，還有少數樣品落到干旱氣候區域，同樣反映姚家組砂巖形成于干旱—半干旱氣候，具有較低的化學風化程度（圖5b）.

圖5 姚家組砂巖形成的氣候背景Fig.5 Climate condition discrimination diagrams for sandstone deposition in Yaojia Formation

3.2 構造背景

碎屑物質從物源區向盆地搬運的過程中，具有協同變化特征的常量元素（如K、Na、Si）和抗風化能力強的微量元素（如Zr、Th、Sc、Co、Ti、La、Y）常被用于構建示蹤沉積母質來源的指標.前人［10］利用K、Si、Na、La、Sc、Th、Co、Zr等元素建立的版別圖解分析了松遼盆地南部錢家店地區姚家組的物源構造背景，為了便于比較，本研究也采用相應圖版開展物源構造背景研究.在SiO2－（K2O/Na2O）圖版［16］中，研究區所有樣品顯示出高度一致性，投影均落到主動大陸邊緣區域（圖6a）；在（K2O/Na2O）－（SiO2/Al2O3）圖版［17］中，研究區絕大多數樣品（30件）投影到主動大陸邊緣區域，少數樣品（7件）投影到被動大陸區域（圖6b）；在La－Th－Sc圖版中，研究區大多數（28件）樣品落在主動大陸被動大陸疊合區域，少數（8件）樣品投影到大陸島弧區域（圖6c）；在Th－Co－Zr/10圖版中，研究區多數（23件）樣品投影至主動大陸區域，其余（14件）樣品投影在緊鄰主動大陸邊緣的區域（圖6d）.為此，不難得知研究區姚家組砂巖源區的構造背景為主動大陸邊緣.

圖6 姚家組砂巖沉積物源構造背景Fig.6 Tectonic setting discrimination diagrams for sediment provenance of sandstone of Yaojia Formation

3.3 物源

在基于主量和微量元素判別沉積物源的圖版中，Rb－K2O和TiO2－Ni圖版應用相對廣泛，在松遼盆地南部錢家店地區姚家組物源的分析中已得到成功應用［10］.Rb－K2O圖版［18］表明姚家組砂巖富含酸性成分（圖7a），這一結果與TiO2－Ni圖解［19］的判別結果一致（圖7b），揭示物源區的母質為偏酸性成分的巖漿巖.與主量元素相比，稀土元素的活性一般更低，穩定性更高，在搬運、沉積和成巖過程中僅有微小變化，因此常被用于判別物源區巖石類型［20］.依據稀土元素（La/Th）－Hf圖版［18］，研究區樣品主要落在長英質源區、混合的長英質和基性巖區域及相鄰區域，揭示其母巖類型可能并不單一（圖7c）；由（Co/Th）-（La/Sc）圖解［21］可知，研究區樣品分布在長英質火山巖、花崗閃長巖、花崗巖區域，表明母巖為酸性火山巖，母巖可能為深層巖（花崗閃長巖和花崗巖），也可能是噴發巖（圖7d）；（Eu/Eu*）－（SiO2/Al2O3）圖解［20］表明，物源區母巖主要為英安巖（圖7e）.可見，研究區姚家組砂巖物源區源巖性質為酸性火山巖，巖石類型可能為花崗閃長巖、花崗巖和英安巖.

圖7 姚家組砂巖沉積物源判別圖Fig.7 Sediment provenance discrimination diagrams for sandstone of Yaojia Formation

前人對錢家店地區研究表明，姚家組物源主要為盆地南側燕山陸內構造帶，物源區構造背景為被動大陸邊緣，源巖主要為古老的沉積物及長英質火山巖（花崗片麻巖和花崗巖）［10］.研究區位于錢家店地區北側150 km，巖石地球化學分析表明其物源區構造背景為主動大陸邊緣，雖然源巖也為酸性的火山巖，但碎屑的成熟度更低、類型更復雜，具有近物源、多物源特征.松遼盆地南部西鄰興蒙海西褶皺帶，南鄰內蒙古地軸，東鄰張廣才嶺，盆地周緣出露大量的元古宙—二疊紀花崗巖和閃長巖，在姚家組時期均具有向盆地內提供酸性火山巖的可能［22-25］.基于研究區與錢家店地區物源構造背景和源巖性質的差異，即研究區在構造位置上更靠近西北和東南物源且砂巖的成熟度較錢家店地區低，推測研究區姚家組為西北物源或東南物源，且不排除混源的可能，這與前人［22］對松遼盆地南部沉積物源和沉積體系研究的認識基本一致.

4 結論

（1）松遼盆地南部中央凹陷區姚家組砂巖相對富含硅和鋁元素，巖石類型為巖屑砂巖和長石砂巖，砂巖樣品稀土配分曲線形態一致，呈輕稀土元素富集、重稀土元素貧乏、銪中度負異常特征，指示物源母質為花崗巖類等酸性巖且與上地殼相關.

（2）常量、微量和稀土元素綜合分析表明，松遼盆地南部中央凹陷區姚家組砂巖形成于干旱—半干旱氣候，物源區的構造背景為主動大陸邊緣，源巖性質屬于酸性火山巖.

（3）松遼盆地南部中央凹陷區與錢家店地區姚家組砂巖物源母質成分相近，但研究區姚家組砂巖成熟度更低，物源區構造背景與錢家店地區不同.姚家組砂巖的母源來自凹陷的西北或東南方向，母巖類型主要為花崗閃長巖和花崗巖.