鄂爾多斯盆地北部延安組沉積學特征與成礦潛力分析

張雪映,剡鵬兵,王貴

(核工業二〇八大隊,內蒙古 包頭 014010)

鄂爾多斯盆地是我國重要的能源盆地,也是重要的砂巖型鈾礦賦存盆地,近年來,發現許多特大型、超大型鈾礦床[1--2],中侏羅統直羅組是其主要賦鈾層位[3]。隨著研究及勘查工作的不斷深入,新的賦鈾層位中侏羅統延安組越發得到重視。延安組的鈾礦勘查和研究工作在2000年以后陸續開展,通過前人的工作,初步查明了延安組地層結構,并發現一定的鈾礦化線索[4--8],但對延安組的沉積學研究,特別是分層標志的建立以及沉積體系的分析方面仍然較為薄弱。本次研究主要目的在于建立延安組分層標志,分析其沉積體系特征,同時結合砂體、氧化帶發育特征,綜合評價延安組鈾成礦潛力,力求為鄂爾多斯盆地北部延安組的鈾礦勘查工作提供依據。

1 區域地質背景

鄂爾多斯盆地于中生代發育起來,是一個大型內陸坳陷盆地[9--10],太古宇、古元古界變質巖系為其結晶基底,并由中元古界和古生界的寒武系(C-)、奧陶系(O)、上石炭統(C2)、二疊系(P)組成[11--12]。鄂爾多斯盆地北部發育的蓋層包括第四系(Q)、新生界的新近系(N)、中生界的三疊系(T)、侏羅系(J)及下白堊統(K1)[13--14]。其中侏羅系(J)地表廣泛出露于四道柳川、罕臺川、清水川、柳溝一帶,包括下侏羅統富縣組(J1f)、中侏羅統延安組(J2y)、直羅組(J2z)、和安定組(J2a),缺失上侏羅統(圖1)。

圖1 鄂爾多斯盆地北部地質略圖Fig.1 Geologic map of the north Ordos Basin

鄂爾多斯盆地北部在中侏羅世—晚白堊世期間,處在構造穩定期,盆地北西高、南東低,環境總體處于溫曖潮濕向炎熱干旱轉變的氣候轉換期,含氧含鈾流體大規模進入直羅組下段辮狀河砂體中,并長期穩定運移,使砂體遭受廣泛發育的大規模氧化作用,區域性層間氧化帶發育形成,隨后,直羅組下段河道砂體在多期次后生蝕變作用下逐步被改造,特別是盆地深部含煤及含油氣地層生成大量的還原性烴類氣體,在斷裂構造的導通作用下不斷進入直羅組,使氧化帶發生大規模的后生還原作用。早期的氧化帶中黃色、紅色的氧化巖石被改造成現在的特征性的不同色調的綠色巖石,僅在膠結、固結程度較高的部位殘留了部分黃色、紅色古氧化殘留體。經過改造的氧化帶雖然顏色和物質成分發生較大變化,但氧化帶總體形態得以保留,這一經過改造的氧化帶就稱之為“古層間氧化帶”,古層間氧化帶對鄂爾多斯盆地北部鈾礦床的產出起到了直接的控制作用。

2 延安組沉積學特征

2.1 地層結構

延安組是鄂爾多斯盆地重要的含煤地層,上覆為主要產鈾層位直羅組[4,8]。關鍵界面、延安組含煤巖系及其內部的主要煤層是劃分和對比延安組的重要標志,依據不整合界面、6號煤層、5號煤層、4號煤層、3號煤層、2號煤層,將延安組自下而上劃分成Ⅰ～Ⅴ巖段(J2y1～J2y5),即5個成因地層單元[15](圖2)。

延安組與延長組之間有較為明顯的沖刷面,在延安組底部有底礫巖,可作為識別標志[15],定為延安組與延長組分界的關鍵界面(圖3)。

延安組Ⅰ、Ⅱ巖段的標志層位為6號煤層,界面之上以粗砂巖和礫巖為主,自下向上礫石直徑逐漸變小,可見黃鐵礦、植物碎屑和鏡煤條帶,界面之下為6號煤層,表示著一個沉積旋回的結束;Ⅱ、Ⅲ巖段的標志層為5號煤層,界面之上為較為明顯的沖刷面,局部發育交錯紋層;界面之下為5 號煤層,局部發育少量根土巖;Ⅲ、Ⅳ巖段的標志層為4號煤層,煤層頂部可見植物根,界面以上為中砂巖、細砂巖,可見較多的鏡煤條帶和黃鐵礦,屬于另一個沉積環境;Ⅳ、Ⅴ巖段的標志層為3號煤層,界面之下除了發育3號煤層外,還發育細粒沉積物,界面之上為大規模且均一的灰色中砂巖(圖2)。

直羅組與其下伏的延安組之間存在著不整合界面[16],由于直羅組底部有規模較大的砂體,所以更多的地方發育區域沖刷面,并在延安組頂部發育有風化殼(圖4)。

延安組總厚度為300 m 左右,并且分布穩定,其中Ⅰ成因地層單元厚度為40～120 m,變化幅度較大,Ⅱ成因地層單元厚度較薄。從北西向南東方向,延安組底界面埋深逐漸加大(圖5)。

圖2 鄂爾多斯盆地東北部侏羅紀地層結構圖Fig.2 Stratigraphic column of Jurassic in the northeastern Ordos Basin

2.2 沉積體系

圖3 鄂爾多斯盆地北部延安組與延長組的分界面沉積特征Fig.3 Sedimentary feature of the interface between Yan'an Formation and Yanchang Formation

通過研究分析鄂爾多斯盆地北部延安組各巖段砂體厚度、含砂率和煤層厚度等特征,結合砂巖粒度特征、地層測井曲線特征,進行系統的沉積編圖,在此基礎上,對延安組各巖段的沉積體系進行了重建[17](圖6)。

圖4 直羅組底部砂體對下伏延安組含煤巖系的沖刷現象及延安組頂白色的風化殼Fig.4 Outcrops showing the erosion and weathering shell between Yan'an Formation and Zhiluo Formation

圖5 鄂爾多斯盆地北部延安組北西--南東向地層對比剖面Fig.5 NW-SE stratigraphic profile of Yan'an Formation in the northeastern Ordos Basin

Ⅰ巖段發育一套較大規模的砂體,整體粒度普遍較粗,下部為礫巖與中砂巖互層,中部為粗砂巖與中砂巖互層,向上為泥質粉砂巖,頂部發育較厚的6號煤層,且含有較多的植物碎屑、鏡煤條帶和黃鐵礦滯留沉積物,為總體向上變細的河流層序,初步判斷其為河流沉積。Ⅱ巖段由兩個體系單元構成,下部與Ⅰ巖段類似,為曲流河沉積;底部為礫巖,向上為中砂巖與粗砂巖互層,偶見細砂巖,上部有粒度較細的連續的砂體與泥巖互層,局部出現倒粒序,初步判斷其為三角洲沉積與沼澤沉積,在泛濫平原湖充填部分或三角洲朵體間灣發育5號厚煤層。Ⅲ巖段發育十分完整的三角洲沉積體系,底部為細砂巖,偶見泥質粉砂巖夾層,中部為中砂巖,向上為泥巖及泥質粉砂巖,整體粒度總體比較細,整體上看可分為兩個正粒序,一個倒粒序,頂部為較厚的煤層,底部與Ⅱ巖段之間存在較為明顯的沖刷面[17]。Ⅳ巖段發育一套三角洲沉積體系,湖灣充填層序,整體為粗砂巖與中砂巖互層,偶見粉砂巖、泥質粉砂巖,局部可見交錯層理與黃鐵礦,植物碎屑含量較多且發育厚煤層,總體上為正粒序,局部發育兩個倒粒序。Ⅴ巖段也發育一套三角洲沉積體系,但總體以細粒沉積物為主,底部為中砂巖,向上為細砂巖與泥質粉砂巖互層,中部見厚層中砂巖,上部以泥巖為主,偶見中砂巖與含礫粗砂巖,并含有大量的植物碎屑,而黃鐵礦含量相對較少?？傮w上為正粒序,局部發育倒粒序。

圖6 鄂爾多斯盆地北部延安組典型沉積相柱狀圖Fig.6 Typical stratigraphic column of sedimentary face for Yan'an Formation in the northern Ordos Basin

2.3 沉積演化

通過典型鉆孔成因相分析,結合粒度分析對延安組進行了成因解釋,其中Ⅰ巖段和Ⅱ巖段下段為曲流河沉積體系,底部可見含大量滯留沉積物的沖刷面,沉積旋回為正旋回,粒度向上逐漸變細,搬運方式以跳躍和懸浮為主,識別出的成因相包括河道和泥炭沼澤。從Ⅱ巖段上段開始出現倒粒序,沉積物逐漸粒度變細,并發育交錯層理,搬運方式仍以懸浮和跳躍為主[18],其中懸浮方式所占的比例增加,表明水動力強度有所減弱。Ⅱ巖段上段到Ⅴ成巖段沉積環境演變為曲流河三角洲,識別出的成因相包括沼澤、分流河道、決口扇、河口壩和分流間灣等。每個成因地層單元頂部均為廢棄期發育的泥炭沼澤,形成延安組煤層。

3 延安組成礦潛力分析

3.1 砂體特征

鈾儲層是砂巖型鈾礦的成礦基礎[19--20],通過對鄂爾多斯盆地北部延安組砂體厚度特征的統計,發現延安組Ⅰ巖段沉積時期存在幾條規模較大的河道砂體,總體呈南北向展布,在大營南部開始合并,發育寬度超過30 km,長度近60 km(圖7),鉆孔揭遇厚度一般在50～80 m之間,最大厚度可達184 m。Ⅰ巖段砂體厚度大,粒度較粗,河流相互交叉發育,平面上形成泛連通狀的河道砂體,構成了有利鈾成礦的鈾儲層[21]。

圖7 延安組Ⅰ巖段砂體厚度圖Fig.7 The distribution of sand body thickness of Member I of Yan'an Formation

3.2 氧化帶特征

氧化帶是砂巖型鈾礦最直接的控礦因素[22--25],鄂爾多斯盆地北部延安組發育綠色古層間氧化帶(圖8),其與直羅組古層間氧化帶在巖性特征、礦物蝕變特征及環境指標參數特征方面具有很大的相似性[26]。平面上,完全氧化帶總體上為自北向南、自北東向南西發育[27](圖7),平均寬度約5 km,河道砂體規模大,氧化帶發育的距離也隨之較遠,氧化帶延伸距離最遠超過10 km;氧化--還原疊置帶規模較大,自東向西均有發育,南北向距離平均約5 km,最大處大于10 km。氧化帶前鋒線呈蛇曲狀,近東西向展布,長度近150 km。剖面上,延安組第Ⅰ巖段氧化帶為綠色古層間氧化帶,受地層傾向、厚度變化及砂體空間展布形態等因素控制[27],氧化--還原疊置帶中砂巖多呈“下綠上灰”(圖9)。氧化砂體一般為單層產出,綠色古氧化砂巖厚度自北向南、自北東向南西逐漸變薄[12],埋深加大,與地層產狀的變化趨勢大致相同。局部受河道分叉及砂巖非均質性的影響,氧化方向發生改變,見有多層氧化現象。

圖8 延安組氧化帶砂巖特征Fig.8 Characteristics of sandstone in oxidation zone of Yan'an Formation

圖9 宿亥圖地段地質剖面示意圖Fig.9 Schematic geologic section in Suhaitu region

3.3 鈾礦化特征

通過勘查工作,在延安組Ⅰ巖段發現大規模且集中發育的鈾異常,主體埋深550 m 左右,平均品位0.030%～0.014 3%,厚度0.40～6.90 m,含礦巖性為灰色含礫粗砂巖、粗砂巖及砂質礫巖,含礦砂巖中發育大量有機質及黃鐵礦(圖10),礦化受綠色古層間氧化帶控制明顯,在灰色砂體與綠色古氧化帶砂體界面上發育。通過對研究區早期煤田資料統計,也發現有較好的鈾異常顯示,累積厚度達10余米。

圖10 延安組含礦砂巖特征Fig.10 Characteristics of ore bearing sandstone of Yan'an Formation

總之,延安組Ⅰ巖段鈾成礦地質條件與直羅組下段相似,發育河流相砂體,巖性主要為含礫粗砂巖,構成對成礦有利的鈾儲層。砂體中發育控礦的綠色古層間氧化帶,已發現的鈾礦化異常產于綠色古層間氧化帶上翼。因此,鄂爾多斯盆地北部延安組顯示了巨大的鈾成礦潛力,Ⅰ巖段作為首要有利找礦層位,值得深入探索,重點突破。

4 結論

依據標志層和關鍵界面將鄂爾多斯盆地北部延安組劃分為5個巖段。通過典型鉆孔成因相分析,結合粒度分析對延安組進行了成因解釋,得出以下結論:

1)Ⅰ巖段和Ⅱ巖段下段為曲流河沉積體系。

2)Ⅱ巖段上段到Ⅴ巖段從曲流河沉積體系演變為三角洲沉積體系。

3)延安組Ⅰ巖段發育有利成礦的鈾儲層和控礦的古層間氧化帶,成礦潛力巨大。