柴北緣綠草山上干柴溝組沉積
--構造特征及與鈾礦化關系

張淼 ,廉康 ,郭倩怡 ,邵恒博

(1.核工業二〇三研究所,陜西 咸陽 712000;2.陜西省地質調查院水工環中心,陜西 西安 710068)

柴達木盆地是我國重要的能源礦產沉積盆地,隨著“一帶一路”相關戰略發展,為支持中國資源開發、加大后備資源儲備等方面的需求,近年來各科研院所相繼在柴達木盆地開展工作。自20世紀50年代中期開始,前人針對地表鈾礦化信息開展了航空能譜、航磁、地表異常查證及部分地段的鉆探查證工作,取得了許多重要成果及認識,在柴北緣發現了一批砂巖型鈾礦點、礦化點及鈾異常點和異常帶,表明柴北緣地區具備砂巖型鈾成礦的基本地質條件[1--4]。

相較于近些年吐哈盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地等在鈾礦找礦及成礦機理研究方面取得突破[5--7],柴達木盆地雖然發現了多個鈾礦工業孔和礦化孔,但均未發現有規模性的工業鈾礦床[8--11]。筆者在系統總結與分析前人大量研究資料的基礎上,選取柴達木盆地北緣綠草山地段作為研究對象,通過野外地質調查、鉆孔驗證及鏡下顯微觀察,利用層序地層學的基本方法,結合層間氧化帶砂巖型鈾礦成礦理論,對區內上干柴溝組(N1g)的沉積特征、構造演化進行了詳細的調查研究,以求在新層位新地段尋求突破[12--15]。

1 研究區概況

研究區東起大煤溝,西至小柴旦電廠,南部以錫鐵山為界,北部至大柴達木山;構造位置處于大柴旦凹陷東北部,紅山凸起西南部,地表被第四系沉積的沖--洪積物覆蓋,厚度為200～300 m,下部發育有較完整的上干柴溝組,厚度為400～600 m(圖1)。

圖1 研究區地質及(a)大地構造位置示意圖(b)Fig.1 Geology map(a)and tectonic location(b)of the study area

綠草山地段上干柴溝組沉積期,正處于喜山構造作用的靜寧期,在綠草山地段沉積了一套厚層三角洲＋沖積扇陸源碎屑沉積組合,北部大柴達木山為一套富鈾花崗巖體[16],U 含量為(3.0～7.8)×10－6,Th為(12.5～64.1)×10－6,Th/U 為4.17～8.22,表明蝕源區巖體中鈾大量的遷出,可為鈾成礦提供較豐富的鈾源[17]和穩定良好的構造環境。在新近系沉積后,受中--晚喜山構造作用,形成一系列北西走向的逆沖推覆構造,在北部形成紅山凸起,分別不同程度的出露古近系--新近系,呈條帶狀分布;向南為一穩定的斜坡帶,受后期斷裂控制及改造作用,呈斷塊狀且發生不均勻沉降作用,地表被第四系巨厚層沖--洪積物覆蓋。

2 地層沉積特征

柴北緣綠草山地區地層巖性特征及粒度變化均較為明顯,具有明顯的韻律旋回性和沉積環境指向性,對構造演化和氣候變化具有良好的指示性。

2.1 沉積特征及標識

通過對綠草山地區施工的5個鉆孔進行現場巖心觀察和測井資料的綜合分析,結合對野外大量實測剖面觀察研究,明確了綠草山上干柴溝組不同沉積環境的沉積相標志。

沉積物的顏色是反映沉積環境最為直接和醒目的標志之一[18],它能反應沉積介質的物理化學特征和古氣候條件。在鉆孔巖心觀察過程中,上干柴溝組泥巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖主要以棕紅色、褐黃色為主,局部可見青灰色、灰色泥巖、粉砂質泥巖等細粒沉積物,并且呈現出由西向東、由北到南逐步增加的特征;砂體呈現出西部山前粒度較粗,為褐黃色、淺黃色含礫粗砂巖、含礫中砂巖,可見少量細礫巖,向南東方向逐步變細,為淺褐黃色、淺灰色、灰色粗砂巖、細砂巖等(圖2)。反應了沉積環境由氧化環境向弱氧化--弱還原環境逐步過渡,并間接指示了古水流的徑流--排泄方向。

綠草山地區上干柴溝組具有豐富的沉積構造類型,主要包括塊狀構造、平行層理,板狀交錯層理、槽狀交錯層理,波狀砂紋層理,沖刷面等。在巖心觀察過程中在棕紅色、褐黃色泥巖、泥質粉砂巖中可見有大量生物潛穴發育,為河漫灘、泛濫平原沉積,局部發育有灰色、灰黑色泥巖、泥質粉砂巖,并可見有大量植物炭屑,為岸后沼澤沉積。根據鉆測井資料和巖心觀察描述,將綠草山地區沉積構造類型分類統計見表1。

圖2 綠草山地區砂巖鉆孔巖心Fig.2 Sandstone drilling cores in Lucaoshan area

表1 綠草山地區上干柴溝組沉積構造類型Table 1 Sedimentary structure types of Shangganchaigou Formation in Lucaoshan area

2.2 巖石學特征

通過鏡下巖石薄片分析(圖3),綠草山地區砂巖類型主要以巖屑石英砂巖為主,石英平均含量為68%,長石平均含量為6%,巖屑含量為20%,成分成熟度中等,且碎屑顆粒多呈次棱角--次圓狀,分選較差,碎屑顆粒之間多呈點接觸關系,為顆粒支撐類型,巖石整體固結較差,成巖度低,結構成熟度較差,均發育有較明顯的褐鐵礦化,長石風化程度較高,發育有大量高嶺石化。填隙物以黏土礦物及褐鐵礦為主,在淺黃色砂巖中有部分碳酸鹽巖,云母發育有大量撓曲變形構造,反映了后期中--晚喜山運動的改造作用。

砂巖中巖屑以花崗巖、變質巖巖屑為主,碎屑含量基本一致,具有良好的繼承性和穩定的水動力條件。通過對砂巖粒度分析比較,研究區內砂體呈現出明顯的由北西向南東方向碎屑顆粒成熟度增高的情況,說明碎屑物的物源較近,水動力較強,具有明顯的沖積扇--三角洲沉積相特征,且砂體整體較為疏松易碎,發育有大量孔隙,連通性較好,為含鈾含礦水提供了良好的物質來源及運移通道。

2.3 沉積相與沉積層序

地層層序的研究可以較為準確的反映出研究區內巖相古地理的演變,同時也是構造背景和沉積演化研究的重要手段。通過對野外露頭及鉆孔巖心觀察,結合巖石顏色、沉積相標志,測井曲線分析及鏡下薄片研究,綠草山地區上干柴溝組可劃分為3個沉積層序,底部為一套干旱環境下水進體系域沉積的沖積扇;中部為干旱--半干旱環境下水進體系域沉積的辮狀河三角洲與扇三角洲,具有穩定、良好的沉積物源和水補給條件;頂部為干旱環境下水退體系域沉積的沖積扇。對研究區內3個鉆孔進行了單井沉積相分析,共劃分為3個沉積體系,5個沉積亞相和6個沉積微相(表2,圖4)。

圖3 綠草山地區砂巖碎屑鏡下顯微特征Fig.3 Photograph of thin section of sandstones in Lucaoshan area

綠草山地區上干柴溝組頂部和底部均發育沖積扇沉積體系,在鉆孔巖心及野外露頭的觀察過程中可看到礫質辮狀河道沉積及洪漫沉積,主要為扇中亞相沉積,巖石巖性以厚層--巨厚層棕紅色礫巖為主,夾有厚層--中厚層淺灰色、褐黃色砂礫巖、含礫粗砂巖;局部發育有厚層巖棕紅色泥質粉砂巖、含礫泥質粉砂巖等,并可見有少量生物擾動及潛穴發育。巖石以塊狀層理為主,局部可見有交錯層理,小型砂紋層理,野外可見有定向排列的礫石,呈疊瓦狀。

上干柴溝組中部可劃分為兩個沉積體系,由上到下分別為扇三角洲沉積和辮狀河三角洲沉積。

表2 綠草山地區地層結構及沉積體系劃分Table 2 Stratigraphic texture and sedimentary system division in Lucaoshan area

圖4 綠草山上干柴溝組單井相分析(由左向右依次為ZKLC12-1、ZKCL0-2、ZKLC35-1)Fig.4 Single well facies analysis of Shangganchaigou Formation in Lucaoshan area

扇三角洲沉積體系中主要見有前緣及平原沉積兩個亞相,扇三角洲前緣主要為褐黃色、淺黃色、棕紅色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖,可見有大量生物擾動發育,巖石以塊狀層理為主,在粉砂巖中可見有少量砂紋層理,并發育有薄層--中厚層褐黃色含礫中砂巖、含礫細砂巖;扇三角洲平原主要為一套厚層--巨厚層褐黃色、淺灰色細礫巖,含礫粗砂巖、含礫中砂巖、中砂巖,局部灰色砂體中含有大量植物炭屑,可以明顯的識別出正粒序的沉積序列,為辮狀水道沉積,并夾有灰色、灰黑色、青灰色泥巖、粉砂質泥巖,為沼澤相沉積,并發育有大量的植物炭屑,為砂體提供了良好的還原物質。

辮狀河三角洲是介于正常三角洲和扇三角洲之間的沉積體系,綠草山地區辮狀河三角洲可以識別出兩個沉積亞相,分別為三角洲平原和三角洲前緣。前緣亞相中褐黃色、灰色、棕紅色泥巖、泥質粉砂巖等細粒沉積物,以塊狀層理、水平層理構造為主,發育有大量生物潛穴及擾動,灰色泥巖、粉砂質泥巖中普遍發育有植物碳屑,為沼澤相沉積;砂體為褐黃色、灰色中砂巖、含礫細砂巖,可見有河道滯留沉積堆積的含礫粗砂巖、含礫中砂巖、細礫巖,在砂體中可以識別出交錯層理、粒序層理、斜層理等為河道沙壩沉積,并且在灰色砂體中普遍發育有有大量植物碳屑。三角洲平原中細粒沉積物以棕紅色泥巖、泥質粉砂巖等為主,發育有多期河道充填砂體,以褐黃色為主,多呈塊狀層理和平行層理,局部可見有灰色砂體發育。

通過單井沉積相分析(圖4)和剖面分析(圖5),綠草山地區上干柴溝組沉積期可劃分為4個沉積層序。層序1為上干柴溝組底部棕紅色礫巖,礫石成分以花崗巖和變質巖為主,通過野外古水流測定和礫石巖性分析,該時期物源方向為大柴達木山,主要徑流方向為南東,該沉積體系呈現出下粗上細的沉積序列,為干旱環境水進條件下沉積的一套沖積扇沉積;層序2為辮狀河三角洲沉積,由下向上依次發育有三角洲平原、三角洲前緣,為一套干旱--半干旱環境水進條件下的沉積體系;層序3為一套扇三角洲沉積體系,下部發育扇三角洲平原,上部為扇三角洲前緣沉積,呈現較明顯的正沉積旋回,在該層序底部可見明顯的相變特征,為一套干旱--半干旱環境水進條件下的沉積體系;層序4與層序1具有相同的沉積物源特征和相反的粒度特征,為干旱環境水退條件下的沖積扇沉積。結合鉆孔中三角洲相砂巖樣品地球化學分析,結果表明上干柴溝組層序3 中Th/U 具有明顯的北西向南東沉積環境變化特征(表3),反映了該時期沉積環境由氧化--還原過渡帶逐步向還原帶過渡。

圖5 研究區剖面圖(東--西,南--北)Fig.5 Sectional view of the study area

表3 綠草山地區U、Th值及沉積環境Table 3 Content of U,Th and sedimentary environment in Lucaoshan area

三角洲沉積體系介于沉積盆地氧化--還原過渡帶,是沉積物質的主要堆積場所和含氧含鈾水的主要徑流區,在沉積演化過程中是鈾成礦的有利區域。層序2和3發育有多期河道充填作用,且該時期正處于喜山運動的構造靜寧期,沉積環境為干旱--半干旱,雪山融水和裂隙水提供了大量的含鈾水,均為鈾成礦的有利層位。在上干柴溝組三角洲河道邊部多發育有岸后含碳沼澤沉積,該沉積具有較好的還原性,為后期的鈾成礦提供了良好的物質條件。

3 沉積--構造耦合關系及鈾成礦作用

綠草山地區中新世的地貌形態主要決定于晚白堊世燕山運動,而在古近紀--上新世早期的早喜山運動期該地區長期處于弱擠壓狀態,這一時期,沒有新的構造運動形成,只是對燕山末期構造的繼承和加強。通過對鉆孔和野外露頭的分析綠草山上干柴溝組沉積期,研究區內主要經歷了弱擠壓期—較穩定期—弱擠壓期,形成了沖積扇--三角洲--沖積扇的沉積序列。

圖6 綠草山斜坡帶沉積模式圖Fig.6 Deposition model of slope zone in Lucaoshan area

3.1 構造演化特征與沉積演變的耦合關系

綠草山地區上干柴溝組沉積期的地貌地形特征是在晚燕山運動的基礎上形成的,燕山運動晚期受控于祁連山和昆侖山的擠壓作用,盆地邊緣發生強烈的擠壓作用,在綠草山地區形成了賽南凹陷和紅山凹陷,并向盆內快速堆積了大量粗碎屑沉積物,形成沖積扇--三角洲沉積,該時期在綠草山地區進行了填平補齊作用,形成了穩定的斜坡帶。

中新統上干柴溝組沉積期正處于晚燕山運動與早喜山運動的構造靜寧期,該時期綠草山地區未受到較強的構造改造作用,總體構造改造作用較弱,從而形成了一套沖積扇--辮狀河三角洲--扇三角洲--沖積扇的沉積序列,地層結構穩定,具有良好穩定的補--徑--排條件,為鈾成礦提供了天然有利的場所。在上干柴溝組中部三角洲沉積時期(圖6),此時晚燕山運動作用對綠草山地區的作用已經停止,而早喜山運動的構造作用還沒有進入高峰期,在此時干旱的沉積環境下,大量的含鈾氧化水由柴達木山沿著區內穩定的斜坡帶進行徑流,向南東--南南東方向排泄,從而向上形成兩套穩定的水進體系域下的三角洲沉積。

上新世—第四紀,中--晚喜山運動確定了綠草山現今的地貌特征(圖7),受北東--南西和北西--南東兩期構造擠壓作用,形成各種大型的沖斷構造、逆沖推覆構造、沖起構造等樣式。如圖7中,上干柴溝組底層在綠草山地區展布特征主要受中--晚喜山運動形成的斷層控制,可以看到地層的沉積序列發生明顯的錯斷和位移,從而形成斷塊式的展布特征。

圖7 中--晚喜山運動構造演化連井剖面Fig.7 Cross-well section of structural evolution in the Middle-Late Himalayan

3.2 鈾成礦作用

通過對綠草山地區施工的4個鉆孔進行綜合分析,結合礦化異常段的賦存位置、沉積相帶、巖性接觸關系等,對綠??草山地區的成礦潛力進行了預測。

含鈾氧化水與還原物質的耦合關系是鈾成礦的主要條件之一[19],通過ZKLC35--1 和ZKLC0--2兩個鈾礦化鉆孔,我們進一步厘定綠草山地區還原劑與含鈾水的賦存關系。如圖8中,在扇三角洲沉積體系中,發現有一段礦化,一段異常,而在與定量伽馬異常接觸的部位均存在含有大量炭屑等還原物質的沼澤相沉積,并且在砂體中也發育有大量的炭屑;在辮狀河三角洲沉積體系中見有兩段鈾礦化異常,上部礦化發育在褐黃色氧化砂體與含碳沼澤接觸的砂體中,下部礦化發育有在含碳沼澤與灰色砂體的接觸部位,并具有更高的異常值。

圖8 鈾礦化巖石組合特征Fig.8 RT,SP,CAL feature of uranium mineralization

綠草山地區含碳沼澤的發育與含鈾氧化水具有良好的耦合關系,同過鉆孔的驗證結果表明,在綠草山上干柴溝組中部沉積時期,干旱--半干旱的環境下大量的地表水的補給、較為穩定的構造斜坡帶,使該時期三角洲中普遍發育有大量的沼澤相沉積,從而為沉積后期的鈾成礦提供大量的還原物質,并形成各種小型條帶狀、板狀礦體的展布模式。

4 結論

1)綠草山地區在上干柴溝組沉積期發育了一套沖積扇--三角洲--沖積扇沉積序列,分別對應水進--水進--水退的周期性湖泊演化,該時期柴達木盆地整體處于凹陷階段,周期性湖泊控制著研究區內碎屑物可容空間和發育展布特征。

2)晚燕山運動以后,綠草山地區整體處于弱擠壓--弱變形階段,此時穩定的地層結構和構造作用,使該時期三角洲相極為發育,沉積了良好的河道砂體,并發育大量的含碳沼澤,為后期含鈾氧化水的進入和成礦提供了有力的儲層條件和還原介質。

3)綜合分析認為,漸新統上干柴溝組可作為綠草山地區砂巖型鈾礦找礦的新目標層位,其中扇三角洲和辮狀河三角洲中分流河道微相與泛濫沼澤微相接觸帶是有利的成礦部位,砂體中的含鈾氧化水與含碳沼澤具有良好的耦合關系。