松辽盆地富铀有机质建造发育特征及其对渗出型砂岩型铀矿的制约.pdf
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1、第 40 卷 第 1 期2024年 1月Uranium Geology铀矿地质Vol.40 No.1Jan.2024松辽盆地富铀有机质建造发育特征及其对渗出型砂岩型铀矿的制约邢作昌1,王君贤1,吴大坤2,宁君3,贾立城1,刘武生1,牟启博2,林效宾1,田明明1(1.核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室,北京 100029;2.核工业二四研究所,辽宁 沈阳 110032;3.核工业二四三大队,内蒙古 赤峰 024000)摘要 在采用渗出成矿新思路进行松辽盆地砂岩型铀矿勘查时,对盆地中提供铀源的黑色富铀有机质建造研究显得格外重要。文章在系统梳理松辽盆地烃源岩特征的基础上,对
2、松辽盆地富铀有机质建造的产出层位、分布规律与铀含量的研究发现:松辽盆地区域上分布上、中、下 3套富铀有机质建造,分别与下白垩统、青山口组底部、嫩江组底部烃源岩对应,其中上部富铀有机质建造对盆地中北部铀成矿作用的影响大,而盆地南部主要受下部富铀有机质建造的制约;松辽盆地铀工业孔空间多产于具有深大断裂沟通的富铀有机质建造铀含量高值中心区边缘,表明富铀有机质建造对松辽盆地砂岩型铀矿化具有明显的制约作用,推断黑色烃源岩不但为铀成矿提供了一定的还原物质,而且可能是砂岩型铀成矿作用的重要的潜在深部铀源。该研究可为以红杂色建造为主的姚家组、四方台组等主攻层位的渗出成矿预测提供“下黑”成矿要素的支持,更好地指
3、导松辽盆地渗出型砂岩型铀矿的勘查。关键词 烃源岩;富铀有机质建造;九佛堂组;沙海组;青山口组;嫩江组;松辽盆地文章编号 1000-0658(2024)01-0105-14 中图分类号 P619.14 文献标志码 A近年来,随着砂岩型铀矿勘查实践的持续渗入,烃源岩在砂岩型铀矿中的作用受到关注:刘继顺1对华南碳硅泥岩型铀矿床研究认为烃源岩中有机碳与铀的关系比较复杂;美国阿巴拉契亚盆地泥盆系烃源岩铀含量为 210-6810-6,其有机碳与铀丰度有很好的相关性2-3;美国 Pennsylvanian 黑色页岩中铀的含量为 210-63010-6,且铀含量增加与还原沉积环境有关4;秦艳等5基于鄂尔多斯长
4、 7 烃源岩电子探针、LA-ICP-MS、逐级化学提取、径迹蚀刻等方法的研究,提出烃源岩尤其是黑色有机质在铀的富集过程中起着很重要的作用5;张万良6通过收集中国重要综合能源盆地中的砂岩铀矿床文献资料,认为产铀盆地深部的烃源岩即是砂岩型铀矿的铀源岩;李子颖等7基于野外和室内、宏观和微观相结合,从野外观察、区域地质、构造学、沉积学、岩石学、矿物学、地球化学、地震解释和铀矿床学等角度阐明了二连盆地哈拉图矿床矿体、控矿灰色砂体和矿化特征,提出哈达图砂岩型铀矿床主要是渗出铀成矿作用形成的,并提出在红杂色沉积建造中寻找砂岩铀矿“上红下黑、上下连通、红中找灰、灰中找矿”预测评价的新思路。松辽盆地目前砂岩型铀
5、矿的主攻层位(姚家组、青二三段、四方台组)为典型的红杂色建造,其成矿作用除了经典的“层间氧化型”、“潜水氧化型”等渗入成矿找矿作用外,渗出成矿作用同样可能存在。在采用渗出成矿新思路进行砂岩型铀矿勘查时,对松辽盆地中提供铀源的黑色富铀有机质建造的识别、产出特征与分布规律等系列特征的系统总结,可为铀矿勘查的主攻层位(尤其是姚家组、四方台组等红杂色层位)渗出成矿预测提供“下黑”成矿要素的支持,更好邢作昌DOI:10.3969/j.issn.1000-0658.2024.40.009基金项目 中核集团集中研发项目“砂岩型铀矿多重耦合地质成矿作用与时空定位”(编号:中核科发 2021-143 号)资助。
6、收稿日期 2023-06-27 改回日期 2023-07-10作者简介 邢作昌(1988),男,博士,高级工程师,矿产普查与勘探专业,主要从事盆地分析与砂岩型铀矿地质研究。E-mail:铀 矿 地 质第 40 卷地指导松辽盆地渗出型砂岩型铀矿的勘查。1 区域地质背景松辽盆地为我国东北地区最大的中-新生代陆相含油-气-煤-铀的综合型能源沉积盆地8-10。从构造演化上看,松辽盆地经历了早中侏罗世热隆张裂期(前裂谷期)、晚侏罗世-早白垩世初期的伸展断陷期(裂谷期)、晚白垩世早中期的沉降坳陷期(后裂谷期)及晚白垩世幕式构造反转期(抬升萎缩期)四大阶段8-10,自底到顶盆地中北部依次沉积了火石岭组、营城
7、组、沙河子组、登楼库组、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组、大安组、依安组、泰康组、第四系8,而盆地南部(西南隆起区的开鲁盆地)则依次沉积了义县组、九佛堂组、沙海组、阜新组、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组、泰康组、第四系11,其中烃源岩层主要发育在中间两大构造阶段的湖盆扩张期。松辽盆地晚侏罗世-早白垩世初期的伸展断陷期主力烃源岩在盆地中北部主要为沙河子组,盆地西南部(开鲁盆地)主要为九佛堂组、沙海组;北部沙河子组为深灰色、灰黑色泥岩、灰白色砂岩、粉砂岩及少量凝灰岩,局部夹煤线,有机质类型以型居多,大都进入高成熟-过成熟阶段12,而西南部九佛堂组烃源岩系具有有
8、机质丰度高、干酪根类型多、有机质成熟度适中,页岩抽提物具有咸化湖盆的两高两低,即高饱和烃、低芳香烃,高非烃、低沥青质等特点,其有机质类型以1型为主。有机质来源以水生生物沉积为主,含有部分陆生生物,其 总 有 机 碳(TOC)介 于 0.05%8.41%,中 值 为4.37%,平均值为 3.58%,有机碳含量普遍偏高,页岩氯 仿 沥 青“A”含 量 介 于 0.087%1.13%,平 均 为0.43%。生 烃 潜 量(S1+S2)在 0.0863.94 mg/g 之间,平均为 20.62 mg/g13。其中陆西凹陷有机质类型 Tmax为 446452,氢指数大多为 200600 mg/g,九佛堂
9、组整体形成于缺氧超盐、水体分层的强还原盐湖环境13。松辽盆地晚白垩世沉降坳陷期经历了两次大的湖侵,主要发育青山口组和嫩江组两套暗色有机质建造:青山口组为松辽盆地重要的烃源岩层,其沉积期受全球缺氧事件影响下形成约 5104 km2的黑色页岩,是盆地中生界油藏的重要物质来源,形成了盆地 80%以上的石油资源14;其青一段为一套呈不等厚互层的灰黑色泥岩、油页岩与灰白色粉细砂岩,其区域标志层为底部深灰色、灰黑色泥页岩或油页岩,厚度约 25150 m,具有外凸三角星介标准化石15。目前青一段被认为是松辽盆地页岩油资源开发的主要前景层位16-18。嫩江组沉积时期是松辽湖盆的第二次兴盛期,也是由极盛向衰退的
10、转变期19,地层厚度变化小,呈现东厚西薄、北厚南薄特征,底部发育底超,向西、向南逐步上超20,上部主要发育灰色泥岩与粉砂质泥岩、粉砂岩互层,下部以细粒沉积为主,颜色多偏暗色,灰黑色或黑色泥岩与油页岩较为发育。其中嫩一段中部与嫩一段顶和嫩二段底部暗色泥岩为主力烃源岩,最大埋 深 2 000 m,最 大 厚 度 为 170 m,是 好 的 烃 源 岩层21;元素分析、岩石热解与显微组成均显示,嫩一段有机质类型最好,主要以1型为主,Ro变化在 0.588%0.79%之间,处于低熟-成熟阶段,其中绝大部分泥岩进入成熟阶段22。2 盆地富铀有机质建造产出特征2.1 富铀有机质建造的产出层位松辽盆地沉积充
11、填经历了断陷、坳陷、反转 3个构造演化阶段,盆地自底到顶对应形成了晚侏罗世-早白垩世断控多中心火山碎屑湖相、晚白垩世早期大型坳陷湖相、晚白垩世晚期-新生代湖盆萎缩河流相等 3种盆地沉积充填样式。断陷期湖盆具有受边界控断大断裂控制分割性强、多个湖盆中心、各湖盆连通性差等典型断陷湖盆特征,该时期半深湖-深湖相暗色细粒沉积烃源岩在松辽盆地中北部以沙海组最为特征,而盆地西南部(开鲁盆地)则以九佛堂组厚大灰黑色泥岩为特征;该阶段形成了盆地底部第一套潜在的暗色富铀有机质建造(图 1)。可见,盆地下部富铀有机质建造主要产于早白垩世地层。晚白垩世开始,随着盆地全盆范围的裂后热沉降,松辽盆地进入统一大湖盆演化期
12、8。该阶段湖盆发育青山口组早期和嫩江组早期两个湖盆鼎盛期(其中后者为晚白垩最大的湖泛期,其湖盆影响面积超过了全盆面积的八成以上8,且已有证据表明湖盆发育期具有海侵事件23-24),对应形成了盆地中部、上部两个潜在的富铀有机质建造(图 1)。这两个富铀有机质建造内部夹有数层薄层火山灰9,而火山灰作为富铀的主要岩石类型之一25,其可能是这两套建造本身富铀的重要因素之一。总之,松辽盆地存在上、中、下三套区域性分布 106邢作昌,等:松辽盆地富铀有机质建造发育特征及其对渗出型砂岩型铀矿的制约第 1期的巨厚层灰色富铀有机质建造:最下部富铀有机质建造为下白垩统断陷期烃源岩,在松辽盆地北部主要为沙河子组煤系
13、烃源岩,在松辽南部以九佛堂组烃源岩占优;中部富铀有机质建造对应青山口组底部主力生油烃源岩,上部富铀有机质建造为嫩江组底部生油烃源岩(图 1)。图 1 松辽盆地综合柱状图与富铀有机质建造产出层位Fig.1 Comprehensive column and position of three uranium-rich organic matter formation in Songliao Basin2.2 富铀有机质建造的空间分布松辽盆地下部富铀机质建造具有“北厚南薄、多中心分隔状分布、厚度受控于下白垩控断边界断裂”等特征(图2)。单个呈长15100 km,宽020 km条带状,绝大多数呈北东、
14、北北东向(少数近南北、北西向)分散片状产出;中部产出最为密集,其次为东南隆起区,西南部烃源岩零星分布,整体受下白垩统断陷范围限制、“北厚南薄”特征明显。下 107铀 矿 地 质第 40 卷部富有机质建造厚度在 02 000 m,平均厚度为8001 200 m 占优;在控断断裂附近烃源岩厚度最大,远离断裂厚度减小趋势明显,厚度分布受控边界断裂明显。需要注意的是,目前盆地西南部主要砂岩型铀矿产区钱家店断陷附近的下部富铀建造发育,而盆地东北部海伦-绥棱等主要铀矿勘查区北安断陷、明水-绥化断陷处同样发育规模可观的下部富铀建造。与下部建造特征明显不同(图 2),盆地中上部富铀有机质建造表现出“统一连片、
15、在盆地中北部集中分布”特征(图 3、4)。中部富铀有机质建造(青山口组底部烃源岩)在大庆哈尔滨长岭的三角带内集中展布,其厚度为 50500 m,平均为 200350 m,最厚大于 400 m,其中厚度大于 200 m 沉积中心有 3个,分别集中在齐家古龙南、长岭、三肇东南-长春岭背斜-登楼库背斜地区,是优势建造区(图 3)。上部富铀有机质建造(松辽盆地嫩一二段烃源岩)整体特征与中部富铀有机质建造特征类似,但其影响范围明显增大:其横向扩展至齐齐哈尔绥化长岭白城的四角带内集中展布,厚度为 100400 m,平均图 2 松辽盆地下部富铀有机质建造分布与厚度Fig.2 Distribution and
16、 thickness of the bottom uranium-rich organic matter formations in Songliao Basin1盆地边界;2边界断裂、一般断裂;3厚度等值线。注:中北部沙河子组烃源岩厚度据文献 26;张强地区、甘旗卡断陷烃源岩厚度据文献 27;昌图断陷烃源岩厚度据文献 28;钱家店断陷九佛堂组烃源岩厚度据文献 11;陆家堡断陷九佛堂组烃源岩厚度据文献 29。108邢作昌,等:松辽盆地富铀有机质建造发育特征及其对渗出型砂岩型铀矿的制约第 1期为250300 m,最厚处在大安北部(350 m),其中厚度大于200 m沉积中心有3个,集中在齐家古龙
17、南、长岭、三肇中部,是优势建造区(图4)。另外,垂向上,上、中、下三套富铀有机质建造厚度具有向上变薄的趋势,即下白垩统烃源岩最厚,青一二段烃源岩次之,嫩一二段烃源岩最薄。图 3 松辽盆地中部富铀有机质建造分布与厚度Fig.3 Distribution and thickness of uranium-rich organic matter formations in middle Songliao Basin1盆地边界;2剥蚀边界;3厚度等值线。注:大庆油区烃源岩厚度据文献 30;吉林油田烃源岩厚度据文献 31。3 富铀有机质建造铀含量预测笔者在嫩江组、青山口组上千个高有机质含量与铀含量统计的
18、基础上,利用总有机碳(TOC)与铀含量的统计得出来的正相关关系,并结合实际铀矿钻孔获取的铀含量微量实测数据,对松辽盆地中部富铀有机质建造(青一段)、上部富铀有机质建造(嫩一二段)的铀含量进行了预测(图 5、6)。松辽盆地中部富铀有机质建造铀含量预测等值线图表明(图 5),该有机质建造铀含量主体为(010)10-6,个别高达 25.910-6。地层高铀背景值区(大于 610-6)呈分散带状分布,集中在盆地西部的白城洮南、盆地西南部的长春德惠松原、盆地中部的肇东肇源安达一带、盆地东北部的海伦、盆地北西部的通南依安依龙等地区;从构造分区上看,地层中铀背景值区(310-6610-6)主要位于长岭凹陷边
19、部、三肇凹陷西南、大庆长垣南部。地层低铀背景值区(小于 310-6)呈土豆状,位于海伦市西南的望奎县永丰镇附近。松辽盆地上部富铀有机质建造铀含量预测等 109铀 矿 地 质第 40 卷图 4 松辽盆地上部富铀有机质建造分布与厚度Fig.4 Distribution and thickness of the uranium-rich organic matter in the top formations in Songliao Basin1盆地边界;2剥蚀边界;3厚度等值线。注:大庆油区厚度据文献 30;吉林油田烃源岩厚度据文献 31。值线图表明(图 6),该有机质建造铀含量主体在(010)1
20、0-6,个别高达 12.410-6。地层高铀背景值区(大于 710-6)呈 港 湾 状、云 朵 状 分 布,集中在盆地中北部的松原市肇东市、大庆市西北部的林甸县附近,构造上隶属于中央坳陷区的三肇凹陷、长岭凹陷中北部、齐家古龙凹陷。地层铀含量低值区(小于 410-6)呈孤岛状分布在盆地东北的海伦绥化一带。需要注意的是,地层铀含量中值区(410-6610-6)则主要位于盆地西南部。4 富铀有机质建造与盆地砂岩型铀成矿作用4.1 富铀有机质建造可能是松辽盆地砂岩型渗出铀成矿作用的重要深部铀源松辽盆地目前已发现的大中型铀矿床(钱、钱、钱、宝龙山矿床、大林矿床)主要位于松辽盆地西南部钱家店凹陷北部32-
21、33。钱家店凹陷下伏的钱家店断陷具有松辽盆地下部富铀有机质建造,其整体受控盆断裂控制,呈北东向带状展布,靠近控盆(断陷)断裂厚度最大,厚度中心(大于 1 400 m)在钱家店断陷北部的白音那高岭屯一带呈北东向展布,远离断裂厚度急剧减小;厚度为 02 100 m,主体厚度为 8001 200 m,最厚大于 1 800 m(图 7)。通过对矿区矿床平面投影与下部富铀有机质建造、深大断裂空间位置叠合,发现已发现的铀矿床、主要工业孔、矿化孔主要产于具有深大断裂沟通的减薄的下部富铀有机质建造中心或边部(图 7)。这种空间上的密切的配置关系,表明钱家店断陷下部富铀建造可 110邢作昌,等:松辽盆地富铀有机
22、质建造发育特征及其对渗出型砂岩型铀矿的制约第 1期能为其上覆晚白垩世姚家组、青山口组等主要赋矿层位提供深部铀源。另外,盆地中北部青山口组-姚家组铀矿化孔的产出多位于中部富铀有机质建造铀含量高值区的中心或边部(图 5),放射性异常孔多位于中部富铀有机质建造铀含量高值区向低值区过渡部位,表明盆地中北部青山口组-姚家组砂岩型铀矿的成矿作用明显受下伏中部富铀有机质建造密切制约。与之类似,盆地中北部四方台组-嫩五段工业铀矿化产于盆地上部富铀有机质建造的松原大安肇东铀含量预测高值区的西部减薄带之上,其铀矿化孔则产于上部富铀有机质建造铀含量预测高值区的中心或边部,而放射性异常则多集中在铀含量中值区向盆地内部
23、低值区过渡地区(图 6),表明盆地中北部四方台组-嫩五段砂岩型铀矿的成矿作用与其下伏上部富铀有机质建造密切相关。这些客观地质事实进一步表明下伏深部富铀有机质建造可能为其上覆赋铀目标层提供了部分深部铀源,即松辽盆地砂岩型铀矿的成矿作用可能确实有渗出铀成矿作用的参与。图 5 松辽盆地中部富铀有机质建造铀含量预测等值线图Fig.5 Contour map of predictive uranium content of uranium-rich organic matter formation in middle Songliao Basin注:图中铀工业孔、矿化孔的异常信息归属于姚家组,放射性石油
24、异常孔信息归属于姚家组、青二三段;铀工业孔、矿化孔据文献 34。111铀 矿 地 质第 40 卷4.2 富铀有机质建造对盆地主要产铀层位的制约根据盆地南北的地层对比与沉积充填、构造(断裂)发育、主力烃源岩与主攻目标层的空间产出等特征,盆地中北部上白垩统主要产铀层位(青山口组-姚家组、四方台组等)更易受到中部富铀有机质建造、上部富铀有机质建造的影响,而盆地南部(尤其是西南部)更易受到下部富铀有机质建造影响:中北部上白垩统的厚度等于或大于下白垩统厚度35,上白垩统红杂色建造(姚家组、青二三段、四方台组)距离下白垩统烃源岩垂向距离远;与之截然相反的是,盆地西南部上白垩统厚度远小于下白垩统厚度,上白垩
25、统红杂色建造(姚家组、青二三段、四方台组)距离下白垩统烃源岩垂向距离近(图8);南北上下白垩统的厚度差异表明,盆地南部上白垩统更易受到下白垩统流体的影响;从地层的沉积充填特征看,盆地中北部分隔下伏下白垩统富铀有机质建造,与上白垩统主要产铀层位之间的营城组、登楼库组均具有较好的盖层作用,营城组为图 6 松辽盆地上部富铀有机质建造铀含量预测等值线图Fig.6 Contour map of predictied uranium content of uranium-rich organic matter in the top formations of Songliao Basin注:图中铀工业孔、
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