松遼盆地東北緣慶安地區泉頭組沉積相與鈾礦找礦潛力

邢作昌，秦明寬，羅 敏，賈立城，李 研，郭 強，張 航

(1．核工業北京地質研究院，北京 100029；2．中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室，北京100029；3．核工業二四○研究所，遼寧沈陽 110032)

0 引言

砂巖型鈾礦作為鈾礦床的重要類型之一，近年來已成為鈾礦地質的研究熱點(張金帶等，2010;聶逢君等，2015;張金帶，2016;焦養泉等，2018；萬漢平等，2020；趙磊等，2021)。沉積建造是評價和篩選盆地砂巖型鈾礦有利區帶的基本評價判據之一(易超等，2020)。大規模鈾礦化也需要有成層性、滲透性、穩定性條件好的骨架砂體、穩定的泥-砂-泥巖性結構及良好的補給-徑流-排泄水動力條件等成礦條件(焦養泉等，2007;焦養泉等，2015;易超等，2020)。沉積相不僅直接控制著骨架砂體的規模和形態(韓效忠等，2020)，同時也制約著層間氧化帶發育的軌跡及里程(焦養泉等，2018)，是開展可地浸砂巖型鈾礦勘查的重點工作之一。

泉頭組作為松遼盆地鈾礦勘查的重要層位之一(趙忠華和賴天功，2018;李研等，2020)，目前盆地南部的砂巖型鈾成礦條件研究較為深入(于文斌，2009;白曉晗，2020)，且已發現了工業鈾礦化(宮文杰和張振強，2010)；而盆地北部的研究相對滯后(王帆，2018；邢作昌等，2021)，尤其是盆地東北緣內尚未見到泉頭組的沉積相與砂巖型鈾成礦條件的公開報道。本文依托現有的巖心、測井資料，運用沉積學、盆地分析等理論，對松遼盆地東北緣慶安地區的沉積相進行了精細分析，并結合砂巖型成礦理論，系統梳理了研究區砂巖型鈾礦的成礦條件及找礦前景。

1 地質背景

松遼盆地可分西南隆起區、西部斜坡區、東北隆起區、北部傾沒區、中央拗陷區及東南隆起區等六個構造單元(圖1a；Feng et al.，2010;邢作昌等，2021)，研究區位于東北隆起區東部慶安縣內的盆緣區(圖1b)。

從構造演化上看，松遼盆地經歷了早中侏羅世熱隆張裂期(前裂谷期)、晚侏羅世-早白堊世初期的伸展斷陷期(裂谷期)、晚白堊世早中期的沉降坳陷期(后裂谷期)及晚白堊世幕式構造反轉期(抬升萎縮期)四大階段(Feng et al.，2010;Wang et al.，2016；施立志等，2019)，其后裂谷期可進一步劃分出四個構造幕(馮有良等，2018)，但研究區只保存了前三幕的地層記錄(圖2)：自底到頂依次沉積了泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組等晚白堊世地層，缺失四方臺組-明水組(熱沉降四幕，晚白堊世頂部地層)、古近系及新近系，第四系直接覆蓋在嫩江組之上(圖2)。區內沉降拗陷期沉積的晚白堊世地層，在構造反轉期由于受到晚白堊世以來太平洋板塊的持斷擠壓并遭受剝蝕(Feng et al.，2010;楊承志，2014)，除頂部的四方臺組、明水組全部剝蝕外，泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組等在研究區內呈單斜構造自東向西依次出露(圖1b；邢作昌等，2021)。

圖1 松遼盆地慶安地區位置(a,構造單元劃分據Feng et al.(2010))及前第四系地質圖(b)

本文重點關注的泉頭組(K2q)，為熱沉降一幕的沉積響應，其底以T3區域不整合與下伏登樓庫組分隔(Feng et al.，2010)，頂以T2不整合與青山口組分開(馮有良等，2018)。泉頭組沉積期，松遼盆地整體呈現炎熱干旱的古氣候特征(張立平和王東坡，1994)，對應為一套紅雜色沉積建造(圖2)。前人根據巖性差異將泉頭組分為四段(張立平和王東坡，1994;王璞珺等，1995;Feng et al.，2010;黃清華等，2011;Wang et al.，2016;馮有良等，2018)。泉頭組一、二段受基底斷裂控制具多個沉積沉降中心特點，以各類河流沉積和分割的濱淺湖沉積交互出現為特點，巖性為棕紅、紫紅、紫褐色泥巖、砂質泥巖與灰綠、灰白、紫灰色砂巖、泥質粉砂巖(張順等，2011)。泉頭組三、四段進入盆地整體拗陷時期，沉積地層最大厚度達到600 m，以辮狀河、曲流河、網狀河及小型淺水三角洲沉積主(楊萬里，1985)。泉頭組四段除河流相沉積外，淺水三角州與湖泊相沉積較泉頭組三段明顯發育(侯啟軍等，2009)。

圖2 松遼盆地東北緣地層綜合柱狀圖(據邢作昌等，2021)

2 泉頭組沉積相

2.1 沉積相類型

2.1.1 沖積扇

沖積扇是指攜帶大量碎屑物質的間歇性河流流出山谷后，在山口地區形成的粗碎屑扇狀沉積體(林暢松，2016)。研究區該類沉積主要位于靠近盆緣的泉頭組底部，巖性表現為正旋回疊置的、底部厚層塊狀結構的、褐紅色、灰白色、灰綠色雜基支撐礫巖，向上變為較厚層粗砂巖、薄層紫紅色泥巖，整體表現出正粒序特征；對應測井曲線表現出鋸齒狀的鐘形、箱型，明顯鋸齒狀是其內泥質含量較多的測井響應(圖3)。該相可進一步分出扇根、扇中、扇端等亞相(圖3)，其中以泥石流微相最為典型(表1)。

表1 松遼盆地慶安地區泉頭組沉積相構成特征

①泥石流

巖性以巨厚層紫紅色礫巖、砂質礫巖、紅色泥巖混雜沉積為主；沉積物分選性差，礫石棱角狀-次棱角狀，雜基支撐，塊狀構造；自然電位曲線呈現劇烈的高鋸齒狀，表明其泥質含量高(圖3)。該微相整體具有近物源、粗碎屑發育、成分與母巖相近的特征。

2.1.2 扇三角洲

扇三角洲沉積體系是由沖積扇提供物質并沉積在活動扇與靜止水體分界面處的、全部或部分位于水下的沉積體(林暢松，2016)；是一種粗碎屑朵狀體，向盆地中心方向與湖泊沉積呈指狀交互，局部含炭質泥巖或薄煤層(冀華麗等，2020)。研究區內的扇三角洲體系包括扇三角洲平原組合、扇三角洲前緣組合、前扇角洲沉積三種亞相(表1)。

(1)扇三角洲平原組合

扇三角洲平原亞相為扇三角洲沉積的陸上部分(林暢松，2016)，砂礫互層，具不明顯交錯層理或平行層理，分選差，反映了粗碎屑砂礫巖沉積的陸上沖積和淺水氧化環境的巖性特征(冀華麗等，2020)。研究區內該亞相以灰白、灰黃粗砂巖、紅色粉砂巖-泥巖建造為特征(圖2、圖3)，可進一步細分出辮狀河道、洪泛平原兩種微相(表1)。

②辮狀河道

該微相以厚層紅色、灰綠色含礫砂巖、粗砂巖為主，砂巖普遍泥質含量高，磨圓一般，分選較差，疏松，底部沖刷面之上的底部滯留沉積可見顆粒支撐結構的砂質礫巖，礫石分選差，但有一定磨圓，顆粒支撐，塊狀構造(圖4b)，向上過渡為不明顯正粒序的含礫中粗砂巖(圖3、圖4f～g)；局部可見顯示明顯的正粒序、平行層理等構造(圖3照片57)；垂向見多個正旋回疊置，控制幾乎整個扇三角洲平原。

③洪泛平原

表現為中厚層紫紅色泥巖，塊狀構造，性脆，局部含少量礫石、團塊狀或姜塊狀鈣質結核(圖3，圖4b)。主要位于辮狀河道充填微相之上，并與之形成正旋回；在靠近河道中心部位，常常因后期河道沖刷侵蝕，較少保留。區域上是較好的隔水層，可與辮狀河道等滲透性砂體構成穩定的泥-砂-泥結構。

(2)扇三角洲前緣組合

為扇三角洲沉積的水下部分(林暢松，2016)，沉積物粒度整體較扇三角洲平原相細，但分選整體較好。發育水下分流河道、水下分流間灣、河口壩等沉積微相。

④水下分流河道

為陸上辮狀河道的水下延伸部分。研究區內該微相表現為中厚層灰色、灰白色、褐黃色平行層理或槽狀交錯層理灰白色中粗砂巖；巖心觀察可見其底部的明顯沖刷面，沖刷面之上可見正粒序層理(圖4h)、泥質條帶或塊狀構造中細砂巖(圖4c)；局部隱約可見蟲跡等生物化石構造(圖4e)；由于沉積物分選性有所提高，因此自然電位測井曲線振蕩幅度減小，丘形、箱型特征明顯(圖3)。需要注意的是，此微相底部碳屑(圖4e)的發現，表明該微相的還原容量相對平原相要高，是成礦的有利相帶類型。

圖3 松遼盆地慶安地區典型鉆孔A2泉頭組沉積相解譯

圖4 松遼盆地慶安地區泉頭組扇三角洲巖心特征

⑤水下分流間灣

為水下分流河道間相對低的細粒沉積區，巖性多為泥巖、粉砂巖、粉砂質泥巖等細粒沉積。研究區內扇三角洲前緣近端的此類沉積以綠色、灰綠色泥巖為主，其常以明顯沖刷面與上覆水下分流河道微相分開(圖4a)。

⑥河口壩

巖性較水下分流河道稍細，通常為中-薄層灰白色中細砂巖，砂巖內部見流水砂紋層理或脈狀層理，局部可見碳屑(圖4d)；垂向上該微相上與灰、灰黑色前扇角洲泥(或/和薄層席狀砂)構成反旋回結構，雖然測井曲線上表現不甚明顯，但巖性柱上卻非常直觀。這種反旋回與分流河道(或辮狀河道充填)的正旋回結構的伴生出現是確定研究區內扇三角洲沉積的重要依據之一(圖3)。

(3)前扇三角洲沉積

前扇三角洲作為扇三角洲前緣前方沉積最厚的地區。研究區內該亞相主要由巨厚層灰色、雜色泥巖、粉砂質泥巖組成，推測該微相在研究區西北部靠盆方向厚度更大。

2.1.3 濱淺湖

研究區該沉積相主要位于研究區西部靠近盆內、泉頭組頂部地層中，巖性以厚層灰綠色-灰色泥巖、局部夾薄層砂巖為特征(圖5)。可進一步分層湖泥和灘壩兩個亞相。其中湖泥巖性主要為厚層灰綠色泥巖、粉砂質泥巖，而灘壩砂體中可見大量細脈狀碳屑、局部可富集構成碳屑層,垂向上與湖泥微相伴生。

2.2 沉積序列演化

沉積序列一定程度上可反映研究區內的巖性組合特征和沉積環境(林暢松，2016)。研究區內泉頭組自下向上經歷了沖積扇-扇三角洲-濱淺湖-沖積扇-扇三角洲多個旋回的周期性變化(圖3)。由于物源遠近、構造活動、沉積期古地貌、古氣候等因素的差異，各井沉積序列異存在一定差異。如靠近盆緣的A1井泉頭組殘余厚度薄，僅顯示水進-水退的沉積旋回；而與之相鄰的A2井泉頭組則顯示三個水進-水退的沉積旋回；靠近盆內的A5井則顯示四個沉積旋回(圖4)，出現這種差異的原因除了與泉頭組沉積期的構造-沉積背景密不可分外，后期(嫩江組組末期)構造反轉造成盆緣地層遭受剝蝕從而使得盆緣地層出現缺失也是重要的原因之一。

就整個泉頭組而言，自底到頂大致經歷了四個水進-水退的沉積旋回(圖5)：第一旋回(對應泉一段)位于泉頭組最底部，其沉積范圍較其他期次最小，沉積厚度在A2、A3附近最厚，向盆內楔形減薄；沉積充填以大規模的沖積扇沉積為特征；第二旋回(泉二段)沉積范圍較第一期有擴大，其早期(底部)沖積扇規模開始后退萎縮，晚期向盆內方向開始廣泛發育扇三角洲沉積，中部發育厚層的湖侵沉積，頂部以開始發育扇三角洲結束。第三旋回(泉三段)的沉積充填特征與第二旋回類似，但其底部的扇三角洲的規模達到頂峰。第四旋回(泉四段)底部繼承性發育扇扇三角洲外，中部開始出現深部-半深湖相泥，頂部發育正常三角洲。整體來看，前三個旋回整體為規模更大級別的湖侵序列，而頂部第四旋回的中上部大致為一個湖退序列，即泉頭組為一個大的水進-水退沉積旋回，進一步可細分出四個次級旋回。顯而易見的是，整個泉頭組湖侵序列占優，沉積以大規模的沖積扇-扇三角洲充填為特色。

圖5 松遼盆地慶安地區泉頭組沉積旋回與沉積相充填

2.3 沉積相展布

目前，研究區內揭穿底部泉一段的鉆孔較少，加之泉一段整體以沖積扇為主，相帶簡單；而泉四段在盆緣多遭受剝蝕，殘余相帶多以湖相的細粒沉積為主。從砂巖型鈾成礦的有利相帶砂體條件出發，筆者重點對泉二段、泉三段的沉積相進行了恢復(圖6)。研究表明，沉積相帶大致沿北東-南西向、呈狹長的條帶狀展布，泉二段自盆緣到盆內依次發育沖積扇、扇三角洲平原、扇三角洲前緣、前扇三角洲-湖相，沉積相帶完整。而泉三段受后期(嫩江組末期以來)構造隆升剝蝕的影響，盆緣沖積扇相剝蝕殆盡，目前沉積以扇三角洲沉積為主。有意思的是，泉三段相圖西南側(A勘探線附近)扇三角洲前緣較泉二段有向盆緣后退(即湖侵)的趨勢；而泉三段東北側則有向盆內進積(湖退)的趨勢，其可能是局部物源供給、構造隆升不一致在局部耦合作用的綜合體現。

圖6 松遼盆地慶安地區泉頭組二段-泉頭組三段沉積相平面展布

3 鈾礦找礦前景

3.1 鈾源條件

研究區東部張廣才嶺蝕源區廣布風化破碎嚴重的晚古生代富鈾花崗巖，其可為盆地內富鈾地層、砂巖鈾礦的形成提供較豐富的鈾源。另外，泉二段砂巖鈾含量為(2.5～11.8)×10-6，平均6.8×10-6；泉三段砂巖鈾含量(4.3～11.4)×10-6，平均4.8×10-6，表明泉頭組砂體可能具有一定的初始鈾富集。綜合來看，區內鈾源條件良好。

3.2 構造條件

研究區為松遼盆地東北隆起區的慶安次級隆起帶一部分(邢作昌等，2021)。晚白堊世末-第三紀抬升剝蝕作用階段和第四紀差異升降作用階段(Feng et al.，2010;Wang et al.，2016)，使得區內晚白堊世地層隨蝕源區抬升而不斷掀斜，形成現今北西傾向的單斜(圖1b)。長期(>79 Ma)的掀斜抬升剝蝕造就了泉頭組具有含鈾含氧水滲入的窗口(邢作昌等，2021)，而適中的地層傾角不僅增強了含鈾含氧水的水動力條件，而且使得可能的水巖反應效率更高(易超等，2020)，從而加大了成礦的可能性。

需要注意是，研究區內可能存在少量斷裂，其限制了含鈾含氧水向盆內的滲入；斷裂可能在成礦期可能起到排泄作用，使得盆緣方向的含鈾含氧水到達斷裂時可能直接沿斷裂滲出，從而使得氧化蝕變集中發育在斷裂東南一側，而斷裂的西北側(下盤)的地層中未見明顯氧化蝕變(圖7)。但目前對這種斷裂的存在僅限于推斷，且其對區域成礦作用的研究較為薄弱，有待進一步深入探討。

圖7 松遼盆地慶安地區可能斷裂對砂巖型鈾礦后生改造條件的影響

3.3 沉積相與砂體條件

結構和規模適中的骨架砂體是砂巖型鈾礦評價的最基本因素(焦養泉等，2005)，因為“砂體既是鈾成礦流體的疏導通道，也是鈾成礦的儲集空間(于文卿等，2000;焦養泉等，2005)”，而沉積相和微相是控制砂巖型鈾礦儲集空間的關鍵因素(于文卿等，2000;何中波等，2018;聶逢君等，2018)。區內泉頭組沉積相以沖積扇、扇三角洲、前扇三角洲-湖相為主，且扇三角洲相占優(圖6)。扇三角洲平原-前緣砂體呈北東-南西向條帶狀展布，寬5～20 km，長50～70 km；累計砂體厚78.5～154.7 m，砂體規模相對較大。就單層砂體而言，其厚度變化大(0.5～18.4 m)，單砂體向盆內厚度減薄，隔夾層增多，但橫向延伸長度有限。目前鉆孔揭露的鈾異常集中在研究區中部靠西位置，泉二段鈾異常產于扇三角洲平原辮狀河道中、泉三段鈾礦化產于扇三角洲前緣的河口壩微相中(圖3)。鈾礦化(鈾異常)明顯受到扇三角洲中粗粒沉積微相的制約。目前鉆孔揭露泉頭組的鉆孔多集中在泉二段、泉三段扇三角洲平原亞相內，扇三角洲前緣鉆孔內少有揭露(圖5)。根據區內沉積相帶的展布規律，推斷研究區鉆孔天增鎮附近扇三角洲前緣砂體(泉二段)、扇三角洲平原砂體(泉三段)、鐵力西南的扇三角洲前緣砂體仍有較大的找礦空間。

3.4 后生改造條件與鈾礦化

區內泉二段、泉三段鉆孔均顯示了良好的后生改造條件：改造砂體發生褐黃色、黃色(褐鐵礦化)、白色(粘土化)蝕變，且蝕變強度以中等～強烈為主(圖8)，加之后生改造發生在多個砂層中，表明區內后生改造條件良好。區內已發現發現一個鈾礦化業孔(A2)、兩個鈾異常孔(A1、A3)：A2孔鈾礦化產于泉三段扇三角洲前緣亞相河口壩微相的灰綠色砂巖、泥巖中(106.55～107.95 m，厚1.4 m；圖3)，定量伽瑪最高為24.4 nc/kg.h，品位74.8×10-6；A1鈾孔異常產于泉二段底部灰綠色花崗巖風化破碎帶與肉紅色花崗巖接觸界面附近(107.8～109 m，厚1.2 m)，定量伽馬為24.7 nc/kg.h；A3鈾異常產于泉三段紅色建造中水下分流河道微相灰綠色粗砂巖中(202.5～203.00 m，厚0.5 m)，鈾9.7 nc/kg·h。這些發現證實了區內具備一定的砂巖型鈾礦找礦潛力。

3.5 砂巖型鈾礦勘查找礦方向

在鈾源、構造、沉積相與砂體條件、后生改造與鈾礦化等制約砂巖型鈾礦成礦地質因素綜合分析的基礎上，認為區內具備層間氧化型砂巖型鈾礦發育的基本條件，加之若干鈾礦化(異常)孔的發現(圖1b)，表明研究區具備一定的成礦潛力。區內泉頭組鈾源、構造、后生改造條件良好，而沉積充填以沖積扇-扇三角洲充填為主，其相帶砂體相對其他沉積相(比較辮狀河)的延伸距離有限且變化快(圖6)。考慮到容礦砂體的規模直接受控于沉積相(韓效忠等，2020)，故認為制約區內砂巖型鈾礦找礦的關鍵地質因素是沉積建造，即有利相帶砂體。研究區內的辮狀河道、水下分流河道、河口壩等有利相帶砂體呈北東-南西向大面積展布，但目前的鉆探集中區的東南、西北方向仍有較大面積未有鉆孔控制(圖9)，故區內仍有較大的找礦空間。區內找礦應堅持以尋找層間氧化型砂巖型鈾礦，兼顧其他類型(如潛水氧化型)。考慮到當前的鉆孔多集中在在靠近蝕源區的盆緣附近，且局限在盆緣附近的扇三角洲平原相帶內(圖9)，扇三角前緣相帶仍有較大的找礦空間。認為天增鎮附近、鐵力市西南這兩片地區可作為下一步工作的重點區加強探索(圖9)。

圖9 松遼盆地慶安地區砂巖型鈾礦有利勘查區

4 結論

(1)松遼盆地東北緣慶安地區泉頭組可識別出沖積扇、扇三角洲、濱淺湖三種沉積相，進一步可劃分出泥石流、辮狀河道、洪泛平原、水下分流河道、河口壩、水下分流間灣、前三角洲泥、濱淺湖泥、灘壩等九種微相。泉頭組為一個大的水進-水退沉積旋回，進一步可細分出四個次級旋回；整個泉頭組湖侵序列占優，沉積充填以大規模的沖積扇-扇三角洲體系為特色。

(2)松遼盆地東北緣慶安地區上白堊統泉頭組具備砂巖型鈾礦化的良好條件，辮狀河道砂體、水下分流河道砂體、河口壩砂體等有利相帶砂體的北東-南西向展布特征是制約研究區鈾礦勘查的主要控制因素。區內找礦應堅持以尋找層間氧化型砂巖型鈾礦，兼顧其他類型。天增鎮附近、鐵力市西南地區可作為下一步工作的重點區加強探索。

致謝：感謝核工業二四○研究所提供的資料支持及野外工作期間提供的無私幫助！感謝匿名審稿人及編輯部提出的寶貴修改意見！

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