松辽盆地北部海伦-望奎地区姚家组灰色砂岩地球化学特征及地质意义

时间：2024-06-19

毛玉锋，蔡建芳，李研

（核工业二四〇研究所，辽宁沈阳 110000）

海伦-望奎地区位于松辽盆地北部，姚家组是该区重要的富铀地层。随着铀矿勘查程度的不断加深，在松辽盆地南部相继发现了钱家店、海力锦和白兴吐大型铀矿床。前人已对南部姚家组成岩特征、地球化学特征、沉积体系及物源分析进行了大量的研究工作，并取得了如下成果：1）松辽盆地南部含铀岩系姚家组砂岩可能来源于盆地周边古隆起的酸性火山岩及花岗岩［1］；2）松辽盆地南部含铀岩系姚家组沉积时期相带发育齐全，主要为冲积扇-河流-三角洲-湖泊相沉积，其中河流相沉积与铀成矿关系较为密切［2］；3）嫩江末期的反转构造作用致使松辽盆地形成一系列的剥蚀天窗，部分姚家组直接出露地表，天窗的形成与铀矿关系较为密切［3-4］；4）姚家组砂岩物源区形成构造环境为大陆边缘环境，物源主要来源于华北克拉通北缘的火山-沉积岩系［1］。

然而，以上研究成果主要集中在松辽盆地南部，而在盆地东北部的海伦-望奎地区，其姚家组灰色砂岩也普遍发育，且沉积体系与构造演化与南部基本一致，勘查程度则明显偏低，在姚家组灰色砂岩中发现明显的铀矿化显示，综合分析具有较大的铀成矿潜力。但是研究区内缺乏针对姚家组的地球化学特征、沉积体系、物源分析及大地构造背景的研究工作，严重制约了姚家组与松辽盆地北部大规模铀成矿作用的认识。鉴于此，本文以松辽盆地北部海伦-望奎地区姚家组为研究对象，对区内6 个典型钻孔内22 件灰色砂岩进行岩石学和元素地球化学分析工作，结合区域演化历史及已有的研究成果，对姚家组的元素地球化学特征、沉积体系、物源分析及大地构造背景进行系统研究，以期为松辽盆地北部姚家组的沉积环境、构造背景及铀矿成矿潜力的前景分析提供重要的基础资料，早日实现找矿突破。

1 区域地质背景

松辽盆地夹持于西伯利亚板块和太平洋板块的交界部位，地球动力学背景极其复杂，铀矿及油气资源十分丰富，是我国北方砂岩型铀矿重要的产出盆地［5］。盆地四面环山，其北部为小兴安岭，东部为张广才岭，西部则为大兴安岭地区（图1a），都可为盆地内砂岩提供丰富的铀源。构造单元可依次划分为东北隆起区、东南隆起区、北部倾没区、西部斜坡区、中央坳陷区和西南隆起区6 个一级构造单元，总面积约26 万km2。

海伦-望奎地区位于松辽盆地北部的东北隆起区内（图1b），接近盆缘，主要包括海伦隆起、乾元背斜、绥棱背斜和明水阶地，是隆起区-褶皱带-阶地的结合部位，也是整个松辽盆地北部构造最为活跃的地区。盆地基底主要为元古宇-古生界的变质岩，深度为300～2 000 m 不等。

图1 松辽盆地北部地理位置（a）（据文献［6］修改）和构造单元划分（b）（据文献［3］修改）Fig.1 Geographical location（a）（modified after reference［6］）and structural units（b）（modified after reference［3］）of northern Songliao Basin

盆地上部沉积盖层主要由中-新生代沉积岩组成（图2），其中火石岭组（K1h）、沙河子组（K1sh）、营城组（K1y）、登娄库组（K1d）为伸展断陷期，在这一时期，由于太平洋板块俯冲导致上地幔物质热膨胀，盆地进入伸展沉降发展阶段，形成了一组独立扩张的半地堑型和地堑型沉降盆地；泉头组（K2q）、青山口组（K2qn）、姚家组（K2y）、嫩江组（K2n）为坳陷期，在白垩纪登娄库组沉积之后，火山活动明显减弱，盆地沉降作用明显；四方台组（K2s）、明水组（K2m）是构造反转期，随着太平洋板块持续的挤压作用，盆地中心不断向西迁移，河流-三角洲相普遍发育，同时盆地东南部抬升剥蚀作用明显，并不断增强，在盆地内部形成一系列呈北东向展布的剥蚀天窗（反转构造带），与区域内铀成矿关系较为密切；泰康组（N2t）、依安组（E3y）和第四系（Q）为差异沉降期，区域深大断裂可为深部的低温还原性流体渗出提供通道并扩散到渗透性较好的砂岩中，使晚白垩世末期及古近纪形成的铀矿体处于还原环境，起到对铀矿床的保护作用［4，7-9］。

图2 松辽盆地北部地层简图Fig.2 Stratigraphic sketch of the northern Songliao Basin

姚家组砂岩主要呈灰色、灰绿色，以中-细砂岩为主，呈次棱角状，其矿物组成主要为斜长石（20%～25%）、钾长石（15%～20%）、石英（45%～50%）和岩屑（10%～15%），填隙物主要由黏土质杂基、少量硅质、钙质、铁质胶结物组成，填隙状分布。

2 样品采集及分析

本次研究样品均采集于松辽盆地东北部6 口典型钻孔中，选取22 件新鲜灰色砂岩样品进行地球化学分析和碎屑组分研究工作。样品分析测试由核工业二四〇研究所实验室完成，常量元素采用X衍射荧光光谱（XRF）分析，FeO 采用氢氟酸、硫酸溶样、重铬酸钾滴定容量法，分析精度优于2%；微量、稀土元素采用美国X seriesII型号ICPMS 等离子体质谱仪进行测定，分析精度优于5%。

3 分析测试结果

3.1 主量元素

研究区内姚家组灰色砂岩中w（SiO2）变化较大（表1），介于51.48%～82.95%之间，平均值为73.07%，全碱含量较高，w（Na2O＋K2O）＝4.76%～7.21%，平均值为5.92%，富铝（w（Al2O3）＝8.88%～18.30%，平均值为12.54%）。镁钙含量较低，其中w（MgO）变化于0.19%～2.83%之间，w（CaO）介于0.38%～8.80%之间，平均值为0.99%。在砂岩分类图解中，主要落入长石砂岩和硬砂岩范围内（图3）。

图3 松辽盆地北部姚家组砂岩主量元素地球化学划分图解（底图据文献［10］）Fig.3 Geochemical discrimination of the major elements of sandstones of Yaojia Formation in the northern Songliao Basin（base map after reference［10］）

3.2 稀土和微量元素

海伦-望奎地区姚家组砂岩样品的稀土元素球粒陨石标准化配分图显示，所有样品变化具有相同趋势（图4a），稀土元素ΣREE 介于（73.77～208.36）×10-6，平均值为124.02×10-6，LREE/HREE 介于7.06～14.34 之间，Eu 为微弱负异常（δEu＝0.63～1.12，平均值为0.90），即轻稀土富集的右倾型特征，指示为壳源成因。轻稀土分馏系数LaN/SmN＝2.65～4.09，平均值为3.41，重稀土分馏系数GdN/YbN＝1.90～3.01，平均值为2.34，轻稀土分馏趋势高于重稀土（表2）。

微量元素初始地幔标准化图显示，海伦-望奎地区所有砂岩样品演化趋势亦较为相似，均以富集LREE、Rb、Th、K，强烈亏损Sr、P、Ti、Nb 为特征，与源区长英质岩石变化特征较为相似（表3，图4b）。综合以上研究认为，研究区内姚家组灰色砂岩物质来源主要是上地壳长英质岩石。

图4 松辽盆地北部姚家组砂岩稀土元素配分模式（a）和微量元素蛛网图（b）（底图据文献［11］，长英质岩石据文献［12-15］）Fig.4 Chondrite-normalized REE pattern（a）and primitive mantle-normalized spidergram of trace elements（b）in Yaojia Formation sandstone in the northern Songliao Basin（base map after reference［11］，felsic rocks after reference［12-15］）

4 讨论

4.1 沉积分选与再循环

稀土元素（Th、Sc、La 和Zr）在沉积旋回过程中较为稳定，不易分馏，不溶于水，变质作用对其影响可忽略不计，可作为判别物源区岩石类型的主要指标。研究区内姚家组w（Th）/w（Sc）值变化于0.78～2.50，平均值为1.66，略高于上地壳（UCC）（1.0）［16］。w（Zr）/w（Sc）值变化范围较大，介于9.53～28.10 之间，平均值为17.96，与w（Th）/w（Sc）值呈显著正相关关系（图5），与沉积旋回明显不平行，说明沉积分选影响很小，且成分比较均匀，很可能为初始沉积所形成。

图5 松辽盆地北部姚家组砂岩w（Zr）/w（Sc）-w（Th）/w（Sc）图解（底图据文献［17］）Fig.5 w（Zr）/w（Sc）-w（Th）/w（Sc）diagram of sandstone of Yaojia Formation in northern Songliao Basin（base map after reference［17］）

4.2 源区风化特征

为了确定物源区母岩的风化程度，Nesbitt等［18］提出使用化学蚀变指数CIA 来判断其风化强度，其计算公式为CIA＝［（Al2O3）/（CaO*＋Na2O＋K2O＋Al2O3）］×100，其中各个氧化物均为摩尔质量。CaO*指的硅酸盐矿物中的CaO，首先应该用P2O5剔除磷灰石中的CaO，其计算方式为CaO**＝CaO－10/3×P2O5（摩尔质量），其次再计算CaO**/Na2O（摩尔质量比）；若比值小于1，则CaO**替换CaO*（摩尔质量），若比值大于1，则Na2O 替换CaO*（摩尔质量）。本文中砂岩样品比值均小于1，CIA 值除ZKSL1-9-9 样品外，其余样品均大于50，介于54.24～66.86 之间，平均值为56.46（表1），表明源区岩石风化较弱。

除了CIA 数值，其斜长石蚀变指数PIA 的数值也可以反映源区风化强度，其计算公式为PIA＝［（Al2O3－K2O）/（CaO*＋Na2O＋K2OAl2O3）］×100，其中各个氧化物均为摩尔质量。当PIA 值在50 左右时，表明源岩未经过明显的风化作用；当PIA 值接近100 时，表明源岩风化作用相对强烈［19］。研究区内姚家组砂岩样品PIA 介于27.93～72.55 之间，平均值为59.51（表1），也进一步表明源区岩石风化较弱。

然而为了区分物源区成分组成，Cox 等［20］提出了成分变异指数（ICV），其计算公式为ICV＝（TFe2O3＋K2O＋Na2O＋CaO＋MgO＋TiO2）/Al2O3，与PIA 和CIA 计算方法不一样，其中ICV 中氧化物均为质量分数。ICV＞1 可能为初始沉积的产物，而ICV＜1 可能为再循环，或者源区岩石经历了风化的初始旋回。研究区内ICV 值介于0.73～1.92 之间，平均值为0.87（表1），接近1.0，在CIA与ICV 图解中大多数样品落入了弱风化和新鲜花岗岩区域内（图6），结合w（Zr）/w（Sc）-w（Th）/w（Sc）图解（图5），认为该地区姚家组砂岩为初始循环形成，源区岩石经历了明显的弱风化作用，其源岩可能为长英质岩石，以花岗岩为主。

图6 松辽盆地北部姚家组砂岩CIA-ICV（a）和ICV-CIA（b）图解（底图据文献［20］）Fig.6 CIA-ICV（a）and ICV-CIA（b）diagram of sandstones of Yaojia Formation in the northern Songliao Basin（base map after reference［20］）

4.3 物源区的成分特征

前已叙述，元素地球化学特征表明，研究区内姚家组砂岩主要来源于上地壳，且主要为长英质岩石，w（TiO2）介于0.14%～0.85%之间，平均值为0.38%，w（Al2O3）介于8.88%～18.30%之间，平均值为12.54%，w（Zr）变化于（47.83～252）×10-6，w（Rb）变化于（62.48～182）×10-6（表1、3），且在元素源岩属性判别图解上分别落入钙碱性花岗岩（图7a）、长英质火成岩（图7b、c）、中酸性岩石（图7d）范围内，明显远离基性岩石源区，与前文推断结果较为一致。

图7 松辽盆地北部姚家组砂岩主量-微量元素源岩属性判别图解Fig.7 Discriminant diagram of source rock properties by major and trace elements in Yaojia Formations in the northern Songliao Basin

此外，为了更好地确定源区的成分特征，本文采用w（Al2O3）/w（TiO2）值来判断，当其值小于14 时，其沉积物源区可能来自基性岩石；当其值大于14 时，物源可能来源于花岗岩（也可能为流纹质和安山质）［21］。研究区内的w（Al2O3）/w（TiO2）值变化于15.64～69.57之间，平均值为42.22，远远大于14，进一步证明岩石物源区主要为花岗岩类（长英质岩石）。

4.4 古气候特征

w（SiO2）/w（Al2O3）值大小可反映砂岩沉积时的古气候特征，当w（SiO2）/w（Al2O3）＜4 时，表明沉积时为潮湿环境，搬运距离较远；当w（SiO2）/w（Al2O3）＞4 时，气候为干旱-半干旱气候，表现为近缘沉积的特点，风化作用相对较弱［23，25］。研究区内的姚家组灰色砂岩w（SiO2）/w（Al2O3）介于2.81～9.35 之间，平均值为6.12，22 个样品中除了2 个样品w（SiO2）/w（Al2O3）值小于4 以外，其余样品的w（SiO2）/w（Al2O3）值全部大于4（表1），因此松辽盆地北部望奎-海伦地区姚家组的沉积环境为干旱-半干旱环境，表现为近缘沉积的特征。

w（Rb）/w（Sr）值可作为鉴别砂岩沉积时的古气候特征［21，26］。研究区内的w（Rb）/w（Sr）变化于0.27～0.59 之间，平均值为0.40，均大于0.10，进一步证明了姚家组沉积时期以干旱-半干旱为主。

在干旱和半干旱条件下，姚家组主要沉积红色-杂色碎屑岩建造，在深水河道或局部低洼地段发育有灰色砂体。关于灰色砂体成因主要有两种：一是原生灰色成因，二是油气还原改造成因［27］。原生灰色砂体砂岩中常见炭化植物茎秆或沿层面分布的炭化植物碎屑，且植物茎秆吸附有分散状细晶黄铁矿。原生灰色砂体在沉积成岩过程中发生了铀的初始预富集，铀含量普遍增高，局部地段达到铀的增高或铀异常，为后期氧化改造形成富矿奠定了基础。

在嫩江末期，由于太平洋板块强烈向西俯冲挤压，松辽盆地大面积抬升，在盆内发生反转作用。反转作用使先存断陷边界断裂再活动并使沉积盖层发生褶皱，形成北东向反转构造背斜带。反转作用一方面使地层抬升，目的层埋深变浅形成剥蚀天窗，另一方面使深部还原性流体沿反转断裂上升进入到姚家组中，对姚家组进行还原改造使姚家组发育较大规模的灰色砂体，松辽南部的钱家店矿区大多数砂体是此成因。

本文中灰色砂体成因主要为原生灰色。砂岩中普遍见炭化植物茎秆，铀含量普遍较高，局部钻孔显示可达铀异常或矿化，是成矿有利砂体。

4.5 沉积环境

水体中的沉积特征可用w（Sr）/w（Ba）、w（Al2O3）/w（MgO）值大小进行讨论，当w（Sr）/w（Ba）＜1，200×10-6＜w（Sr）＜300×10-6时，为淡水环境；当w（Sr）/w（Ba）＞1，300×10-6＜w（Sr）＜600×10-6时，为咸水环境［23，25］。本文研究区内的w（Sr）介于（162～345）×10-6，平均值为241×10-6。w（Sr）/w（Ba）均小于1（0.18～0.71，平均为0.35），证明沉积环境为淡水环境。

主量元素中Al2O3亲陆性和MgO 亲海性特征可以建立w（Al2O3）/w（MgO）值来判别沉积水体的盐度。当w（Al2O3）/w（MgO）＜1 时，为咸水环境；当1＜w（Al2O3）/w（MgO）＜10 时，为海陆过渡性沉积环境；当10＜w（Al2O3）/w（MgO）＜500 时，为淡水环境［23，25］。研究区内w（Al2O3）/w（MgO）大多数变化于11.48～53.19 之间，仅有2 个样品数值介于1～10 之间（6.48、7.65）（表1），说明研究区内砂岩沉积时以淡水环境为主。

4.6 构造环境

砂岩中元素含量与源区的组分密切相关，Mc Lennan 等［16］采用PAAS 进行标准化发现，不同构造背景的δCe 值存在差异，显著负δCe 异常表示洋脊扩张，中度负δCe 异常表示洋盆，弱负δCe 异常表示大陆边缘带。本地区砂岩样品δCe 值为0.78～1.43，平均值为0.97（表2），表明该组为大陆边缘沉积环境，且在w（K2O）/w（Na2O）-w（SiO2）和w（K2O）/w（Na2O）-w（TFe2O3＋MgO）图解中（图8），砂岩样品落入大陆边缘范围内，进一步证明姚家组砂岩形成环境为大陆边缘的沉积环境。

图8 松辽盆地北部姚家组砂岩构造判别图解Fig.8 Tectonic discrimination diagram of the sandstones of the Yaojia Formation in the northern Songliao Basin

以上推测也可从以下事实得到证明。研究区位于松辽盆地东北部，四面环山，共发育六大水系，是太平洋构造体系和古亚洲洋构造体系的叠加部位。中生代以来，发生强烈的构造变形与造山作用。盆地边缘的小兴安岭-张广才岭地区可为盆地内部源源不断的提供物质来源，通过最新的钻探勘查也已表明来源为拜泉和讷河水系。再者，前人通过对大兴安岭-张广才岭地区的岩石进行系统研究，认为其主要发育一套火山-沉积岩系，主要为长英质岩石，侵入岩则主要形成于晚三叠—早白垩世［30］。而通过前文研究也已表明，姚家组砂岩源岩主要为长英质岩石，这也与大兴安岭-张广才岭地区所发育的岩系较为吻合。结合前文研究成果及元素地球化学特征，表明研究区内姚家组砂岩形成构造背景为大陆边缘环境。