松遼盆地北部依安地區四方臺組砂巖地球化學特征及巖石成因意義

李研， 聶逢君， 嚴兆彬， 盧勝軍， 侯曉光

(1.東華理工大學地球科學學院， 南昌 330013； 2. 核工業二四○研究所，沈陽 110000)

鈾礦作為戰略資源是中國目前重要的勘查類型，尤其是砂巖型鈾礦，因環保、開采成本低而備受青睞。截至目前，中國北方中-新生代盆地內已經發現了多個大型砂巖鈾礦床：①吐哈盆地，其鈾礦含礦層為西山窯組、其河流流相砂體為主要的富礦砂體[1]；②鄂爾多斯盆地，其鈾礦含礦層為直羅組，鈾礦化主要產在直羅組下段上部雜色砂巖層與下部淺色砂巖層界面附近的下部[2]；③二連盆地，其鈾礦含礦層為賽漢組，鈾礦化主要產在曲流河沉積的砂體中[3]；④松遼盆地南部，其鈾礦含礦層為姚家組，鈾礦化主要產于辮狀河灰色砂體中[4-5]。除此之外，近年來，在松遼盆地北部四方臺組也已經陸續發現了多處鈾工業礦體，暗示該組具有較好的鈾成礦潛力[6-8]。前人對四方臺組的研究工作主要集中在構造蝕變、地下水的補-逕-排體系，而對地球化學和巖相學的研究卻幾乎未見報道。鑒于此，現對松遼盆地北部依安一帶的四方臺組砂巖進行系統地層綜合對比工作，并且對典型的鉆孔進行系統取樣，進行詳盡的地球化學和巖相學研究工作，旨在深化理解其母巖來源于地球動力學意義及沉積環境，進而為尋找砂巖型鈾礦奠定良好的理論基礎。

1 區域地質背景

松遼盆地大地構造位置位于中亞造山帶東段，是中-新生代大型陸相含油沉積盆地，其基底主要為古生代和前古生代變質巖系，由多個地塊拼接組成[9-11]；后期經過一系列伸展、擠壓、反轉構造等活動對白堊紀的沉積產生了重要影響[11-14]，也對鈾成礦具有重要的意義。松遼盆地可進一步劃分為6個一級構造單元(依次為部斜坡區、北部傾沒區、中央坳陷區、東北隆起區、東南隆起區和西南隆起區)和22個2級構造單元，面積約為26萬km2。

研究區位于松遼盆地北部傾沒區的依安凹陷內，其北部為嫩江階地，西側為富裕構造帶，東側為克山依龍背斜(圖1)。基底主要為花崗巖、火山巖及少量變質巖，深度大于3 000 m。中生代沉積蓋層自下至上發育火石嶺組(J3h)；沙河子組(K1sh)、營城組(K1y)、登婁庫組(K1d)；泉頭組(K2q)、青山口組(K2qn)、姚家組(K2y)、嫩江組(K2n)、四方臺組(K2s)、明水組(K2m)、泰康組(N2t)、依安組(E3y)和第四系(Q)。其中，目的層四方臺組自北向南向盆內依次發育沖積扇—辮狀河—三角洲—濱淺湖沉積，通過野外調查及鉆探揭露發現其砂巖主要以中-粗砂巖為主，氧化作用較為明顯[圖2(a)]，與鈾伴生的礦物主要為黃鐵礦和有機質，黃鐵礦主要為星點狀，有機質主要為植物炭屑，呈層狀[圖2(b)]。

2 樣品采集與分析方法

在具有代表性的鉆井中采集四方臺組砂巖樣品8個，巖性以灰色粗砂巖、黃色中-細砂巖為主，樣品分析測試由核工業二四○研究所與核工業北京地質研究院實驗室完成。樣品分析及測試結果見表1。

圖1 松遼盆地北部構造單元劃分圖Fig.1 Map of structure unit in the north of Songliao Basin

圖2 依安地區四方臺組砂巖特征Fig.2 Characteristics of sandstone of Sifangtai Formation in Yi’an area

表1 依安地區四方臺組碎屑巖地球化學分析結果Table 1 Geochemical analysis of clastic rocks of Sifangtai Formation in Yi’an area

3 分析測試結果

3.1 巖石學特征

通過對依安地區四方臺組砂巖鏡下鑒定表明，碎屑物成分主要以石英、長石和巖屑為主，可見少量云母和重礦物；其中石英含量介于50%～55%，長石含量介于25%～30%，巖屑含量介于20%～25%，云母及重礦物含量為1%～2%。長石主要以斜長石為主，在圖3(a)上也可得到驗證，而在圖3(b)上則落入到巖屑砂巖及亞長石砂巖區域內。結合野外觀察，認為依安地區的砂巖應為巖屑長石砂巖。

3.2 主量元素和稀土元素

依安地區四方臺組砂巖具有高硅(SiO2含量為78.09%～85.41%)、富鉀(Na2O/K2O=0.98～1.28)、鋁含量中等(Al2O3含量為7.34%～11.75%)、低鎂鈣(MgO含量為0.12%～0.20%、CaO含量為0.23%～0.78%)的特征。稀土元素總量較低(ΣREE=67.45×10-6～116.03×10-6)、輕稀土分餾系數(La/Sm)N介于4.72～5.61，重稀土分餾系數(Gd/Yb)N介于1.99～3.39，輕稀土分餾系數明顯高于重稀土，所有砂巖樣品的演化趨勢高度一致，均具有右傾型特征，Eu為微弱負異常(δEu=0.70～1.06)，殼源巖漿特征明顯(圖4)，在SiO2-K2O圖解中，四方臺組砂巖全部落入鈣堿性巖區[圖5(a)]；鋁飽和指數A/CNK變化于1.18～1.27，為弱過鋁質-過鋁質[圖5(b)]；其特征與東北地區報道的殼源巖漿特征高度一致[15-20]。

圖3 依安地區四方臺組砂巖命名圖解Fig.3 Nomenclature diagram of sandstone of Sifangtai Formation in Yi’an area

圖4 依安地區四方臺組砂巖稀土元素配分圖Fig.4 REE distribution map of sandstone of Sifangtai Formation in Yi’an area

圖5 依安地區四方臺組砂巖主量元素圖解Fig.5 Main elements diagram of sandstone of Sifangtai Formation in Yi’an area

4 討論

4.1 巖石成因與源區特征

堿性巖石是造山帶的重要組成部分，其巖石成因是揭示地殼形成，生長作用的重要指示劑。研究區內四方臺組砂巖為鈣堿性系列，鋁飽和指數A/CNK介于1.18～1.27，為弱過鋁質-過鋁質，巖石普遍具有高硅、鋁含量中等、富堿、貧鎂鈣特征，暗示研究區內砂巖的源區為殼源巖漿，形成于俯沖帶或者島弧環境。

此外，依安地區四方臺組SiO2含量變化較大，且周圍伴有中基性火山巖，所有砂巖樣品在Harker圖解上具有明顯的線性變化趨勢(圖6)，暗示源巖在巖漿演化過程中可能存在分離結晶作用。其中，砂巖中MgO、CaO、全鐵含量(TFe2O3)隨著SiO2升高而降低表明巖漿很可能經歷了角閃石分離結晶[圖6(b)、圖6(d)、圖6(e)]；SiO2與TiO2及P2O5的負相關變化規律[圖6(a)、圖6(f)]，暗示其磷灰石和Fe、Ti等氧化物也發生分離結晶作用；而SiO2與Al2O3的負相關變化規律及稀土元素中微弱的負Eu異常[圖4、圖6(b)]，表明源巖在巖漿演化過程中也經歷了斜長石分離結晶作用。

圖6 依安地區四方臺組砂巖Haker圖解Fig.6 Haker diagram of sandstone of Sifangtai Formation in Yi’an area

4.2 構造環境

依安地區四方臺組砂巖具有典型的俯沖帶的地球化學特征，主要表現在高硅、富鉀、鋁含量中等、低鎂鈣的特征及微弱的負Eu異常。同時在構造判別圖解中全部落入大陸邊緣區域內[圖7(a)、圖7(b)]，暗示可能形成活動大陸邊緣環境。

松遼盆地四面環山，其西側為大興安嶺，東側為張廣才嶺和小興安嶺。根據依安地區所處的位置，其物源區應主要為大興安嶺巖漿巖。另外根據前人資料顯示，整個松遼盆地的構造和巖漿活動十分頻繁，主要分為燕山和海西兩期，侵入巖種類繁多，以花崗巖最為發育，占基巖出露面積一半以上，其次為火山巖和變質巖[21-23]，這些都可以為四方臺組砂巖提供豐富的物質來源。

研究區內四方臺組砂巖地球化學特征是物源區復雜且漫長演化歷史的綜合產物，根據地球化學特征所得出的物源主要為殼源巖漿，且形成于活動大陸邊緣環境。而前人研究成果顯示，東北地區在海西期花崗巖上升侵位時為大陸邊緣環境的造山運動，火山弧巖漿，主要為蒙古-鄂霍茨克洋向南俯沖的產物[24];但燕山期巖漿巖形成的構造背景存在一定差異，多數學者對大興安嶺燕山期花崗巖、蒙古-鄂霍茨克縫合帶以南NE向巖漿弧研究表明，該時期的巖漿主要與環太平洋俯沖形成于活動大陸邊緣環境。因此松遼盆地北部依安地區四方臺組地層源巖的構造背景主體為大陸邊緣的島弧火山巖系。研究區碎屑巖地球化學參數所反映的源巖構造背景與盆地周邊源區構造背景相似，為環太平洋俯沖形成的活動大陸邊緣環境。

圖7 依安地區四方臺組砂巖構造圖解Fig.7 Structure diagram of sandstone of Sifangtai Formation in Yi’an area

5 結論

選取松遼盆地北部依安地區四方臺組砂巖作為研究對象，通過巖相學、地球化學進行系統研究，在此基礎上探討了巖石成因類型、構造環境、巖漿物質來源和地球動力學意義。主要有以下兩方面認識。

(1)依安地區四方臺組砂巖主要為長石巖屑砂巖，元素地球化學特征表明具有殼源巖漿的特征，并且在巖漿演化過程中經歷了明顯的分離結晶作用。

(2)依安地區四方臺組砂巖形成的構造背景與盆地周邊源區構造背景相似，為環太平洋俯沖形成的活動大陸邊緣環境。