松遼盆地北部海倫-望奎地區(qū)姚家組灰色砂巖地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

毛玉鋒，蔡建芳，李研

（核工業(yè)二四〇研究所，遼寧 沈陽 110000）

海倫-望奎地區(qū)位于松遼盆地北部，姚家組是該區(qū)重要的富鈾地層。隨著鈾礦勘查程度的不斷加深，在松遼盆地南部相繼發(fā)現(xiàn)了錢家店、海力錦和白興吐大型鈾礦床。前人已對南部姚家組成巖特征、地球化學(xué)特征、沉積體系及物源分析進行了大量的研究工作，并取得了如下成果：1）松遼盆地南部含鈾巖系姚家組砂巖可能來源于盆地周邊古隆起的酸性火山巖及花崗巖［1］；2）松遼盆地南部含鈾巖系姚家組沉積時期相帶發(fā)育齊全，主要為沖積扇-河流-三角洲-湖泊相沉積，其中河流相沉積與鈾成礦關(guān)系較為密切［2］；3）嫩江末期的反轉(zhuǎn)構(gòu)造作用致使松遼盆地形成一系列的剝蝕天窗，部分姚家組直接出露地表，天窗的形成與鈾礦關(guān)系較為密切［3-4］；4）姚家組砂巖物源區(qū)形成構(gòu)造環(huán)境為大陸邊緣環(huán)境，物源主要來源于華北克拉通北緣的火山-沉積巖系［1］。

然而，以上研究成果主要集中在松遼盆地南部，而在盆地東北部的海倫-望奎地區(qū)，其姚家組灰色砂巖也普遍發(fā)育，且沉積體系與構(gòu)造演化與南部基本一致，勘查程度則明顯偏低，在姚家組灰色砂巖中發(fā)現(xiàn)明顯的鈾礦化顯示，綜合分析具有較大的鈾成礦潛力。但是研究區(qū)內(nèi)缺乏針對姚家組的地球化學(xué)特征、沉積體系、物源分析及大地構(gòu)造背景的研究工作，嚴(yán)重制約了姚家組與松遼盆地北部大規(guī)模鈾成礦作用的認(rèn)識。鑒于此，本文以松遼盆地北部海倫-望奎地區(qū)姚家組為研究對象，對區(qū)內(nèi)6 個典型鉆孔內(nèi)22 件灰色砂巖進行巖石學(xué)和元素地球化學(xué)分析工作，結(jié)合區(qū)域演化歷史及已有的研究成果，對姚家組的元素地球化學(xué)特征、沉積體系、物源分析及大地構(gòu)造背景進行系統(tǒng)研究，以期為松遼盆地北部姚家組的沉積環(huán)境、構(gòu)造背景及鈾礦成礦潛力的前景分析提供重要的基礎(chǔ)資料，早日實現(xiàn)找礦突破。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

松遼盆地夾持于西伯利亞板塊和太平洋板塊的交界部位，地球動力學(xué)背景極其復(fù)雜，鈾礦及油氣資源十分豐富，是我國北方砂巖型鈾礦重要的產(chǎn)出盆地［5］。盆地四面環(huán)山，其北部為小興安嶺，東部為張廣才嶺，西部則為大興安嶺地區(qū)（圖1a），都可為盆地內(nèi)砂巖提供豐富的鈾源。構(gòu)造單元可依次劃分為東北隆起區(qū)、東南隆起區(qū)、北部傾沒區(qū)、西部斜坡區(qū)、中央坳陷區(qū)和西南隆起區(qū)6 個一級構(gòu)造單元，總面積約26 萬km2。

海倫-望奎地區(qū)位于松遼盆地北部的東北隆起區(qū)內(nèi)（圖1b），接近盆緣，主要包括海倫隆起、乾元背斜、綏棱背斜和明水階地，是隆起區(qū)-褶皺帶-階地的結(jié)合部位，也是整個松遼盆地北部構(gòu)造最為活躍的地區(qū)。盆地基底主要為元古宇-古生界的變質(zhì)巖，深度為300～2 000 m 不等。

圖1 松遼盆地北部地理位置（a）（據(jù)文獻［6］修改）和構(gòu)造單元劃分（b）（據(jù)文獻［3］修改）Fig.1 Geographical location（a）（modified after reference［6］）and structural units（b）（modified after reference［3］）of northern Songliao Basin

盆地上部沉積蓋層主要由中-新生代沉積巖組成（圖2），其中火石嶺組（K1h）、沙河子組（K1sh）、營城組（K1y）、登婁庫組（K1d）為伸展斷陷期，在這一時期，由于太平洋板塊俯沖導(dǎo)致上地幔物質(zhì)熱膨脹，盆地進入伸展沉降發(fā)展階段，形成了一組獨立擴張的半地塹型和地塹型沉降盆地；泉頭組（K2q）、青山口組（K2qn）、姚家組（K2y）、嫩江組（K2n）為坳陷期，在白堊紀(jì)登婁庫組沉積之后，火山活動明顯減弱，盆地沉降作用明顯；四方臺組（K2s）、明水組（K2m）是構(gòu)造反轉(zhuǎn)期，隨著太平洋板塊持續(xù)的擠壓作用，盆地中心不斷向西遷移，河流-三角洲相普遍發(fā)育，同時盆地東南部抬升剝蝕作用明顯，并不斷增強，在盆地內(nèi)部形成一系列呈北東向展布的剝蝕天窗（反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶），與區(qū)域內(nèi)鈾成礦關(guān)系較為密切；泰康組（N2t）、依安組（E3y）和第四系（Q）為差異沉降期，區(qū)域深大斷裂可為深部的低溫還原性流體滲出提供通道并擴散到滲透性較好的砂巖中，使晚白堊世末期及古近紀(jì)形成的鈾礦體處于還原環(huán)境，起到對鈾礦床的保護作用［4，7-9］。

圖2 松遼盆地北部地層簡圖Fig.2 Stratigraphic sketch of the northern Songliao Basin

姚家組砂巖主要呈灰色、灰綠色，以中-細(xì)砂巖為主，呈次棱角狀，其礦物組成主要為斜長石（20%～25%）、鉀長石（15%～20%）、石英（45%～50%）和巖屑（10%～15%），填隙物主要由黏土質(zhì)雜基、少量硅質(zhì)、鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)物組成，填隙狀分布。

2 樣品采集及分析

本次研究樣品均采集于松遼盆地東北部6 口典型鉆孔中，選取22 件新鮮灰色砂巖樣品進行地球化學(xué)分析和碎屑組分研究工作。樣品分析測試由核工業(yè)二四〇研究所實驗室完成，常量元素采用X衍射熒光光譜（XRF）分析，F(xiàn)eO 采用氫氟酸、硫酸溶樣、重鉻酸鉀滴定容量法，分析精度優(yōu)于2%；微量、稀土元素采用美國X seriesII型號ICPMS 等離子體質(zhì)譜儀進行測定，分析精度優(yōu)于5%。

3 分析測試結(jié)果

3.1 主量元素

研究區(qū)內(nèi)姚家組灰色砂巖中w（SiO2）變化較大（表1），介于51.48%～82.95%之間，平均值為73.07%，全堿含量較高，w（Na2O＋K2O）＝4.76%～7.21%，平均值為5.92%，富鋁（w（Al2O3）＝8.88%～18.30%，平均值為12.54%）。鎂鈣含量較低，其中w（MgO）變化于0.19%～2.83%之間，w（CaO）介于0.38%～8.80%之間，平均值為0.99%。在砂巖分類圖解中，主要落入長石砂巖和硬砂巖范圍內(nèi)（圖3）。

圖3 松遼盆地北部姚家組砂巖主量元素地球化學(xué)劃分圖解（底圖據(jù)文獻［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

海倫-望奎地區(qū)姚家組砂巖樣品的稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖顯示，所有樣品變化具有相同趨勢（圖4a），稀土元素ΣREE 介于（73.77～208.36）×10-6，平均值為124.02×10-6，LREE/HREE 介于7.06～14.34 之間，Eu 為微弱負(fù) 異常（δEu＝0.63～1.12，平均值為0.90），即輕稀土富集的右傾型特征，指示為殼源成因。輕稀土分餾系數(shù)LaN/SmN＝2.65～4.09，平均值為3.41，重稀土分餾系數(shù)GdN/YbN＝1.90～3.01，平均值為2.34，輕稀土分餾趨勢高于重稀土（表2）。

微量元素初始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖顯示，海倫-望奎地區(qū)所有砂巖樣品演化趨勢亦較為相似，均以富集LREE、Rb、Th、K，強烈虧損Sr、P、Ti、Nb 為特征，與源區(qū)長英質(zhì)巖石變化特征較為相似（表3，圖4b）。綜合以上研究認(rèn)為，研究區(qū)內(nèi)姚家組灰色砂巖物質(zhì)來源主要是上地殼長英質(zhì)巖石。

圖4 松遼盆地北部姚家組砂巖稀土元素配分模式（a）和微量元素蛛網(wǎng)圖（b）（底圖據(jù)文獻［11］，長英質(zhì)巖石據(jù)文獻［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 討論

4.1 沉積分選與再循環(huán)

稀土元素（Th、Sc、La 和Zr）在沉積旋回過程中較為穩(wěn)定，不易分餾，不溶于水，變質(zhì)作用對其影響可忽略不計，可作為判別物源區(qū)巖石類型的主要指標(biāo)。研究區(qū)內(nèi)姚家組w（Th）/w（Sc）值變化于0.78～2.50，平均值為1.66，略高于上地殼（UCC）（1.0）［16］。w（Zr）/w（Sc）值變化范圍較大，介于9.53～28.10 之間，平均值為17.96，與w（Th）/w（Sc）值呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖5），與沉積旋回明顯不平行，說明沉積分選影響很小，且成分比較均勻，很可能為初始沉積所形成。

圖5 松遼盆地北部姚家組砂巖w（Zr）/w（Sc）-w（Th）/w（Sc）圖解（底圖據(jù)文獻［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 源區(qū)風(fēng)化特征

為了確定物源區(qū)母巖的風(fēng)化程度，Nesbitt等［18］提出使用化學(xué)蝕變指數(shù)CIA 來判斷其風(fēng)化強度，其計算公式為CIA＝［（Al2O3）/（CaO*＋Na2O＋K2O＋Al2O3）］×100，其中各個氧化物均為摩爾質(zhì)量。CaO*指的硅酸鹽礦物中的CaO，首先應(yīng)該用P2O5剔除磷灰石中的CaO，其計算方式為CaO**＝CaO－10/3×P2O5（摩爾質(zhì)量），其次再計算CaO**/Na2O（摩爾質(zhì)量比）；若比值小于1，則CaO**替換CaO*（摩爾質(zhì)量），若比值大于1，則Na2O 替換CaO*（摩爾質(zhì)量）。本文中砂巖樣品比值均小于1，CIA 值除ZKSL1-9-9 樣品外，其余樣品均大于50，介于54.24～66.86 之間，平均值為56.46（表1），表明源區(qū)巖石風(fēng)化較弱。

除了CIA 數(shù)值，其斜長石蝕變指數(shù)PIA 的數(shù)值也可以反映源區(qū)風(fēng)化強度，其計算公式為PIA＝［（Al2O3－K2O）/（CaO*＋Na2O＋K2OAl2O3）］×100，其中各個氧化物均為摩爾質(zhì)量。當(dāng)PIA 值在50 左右時，表明源巖未經(jīng)過明顯的風(fēng)化作用；當(dāng)PIA 值接近100 時，表明源巖風(fēng)化作用相對強烈［19］。研究區(qū)內(nèi)姚家組砂巖樣品PIA 介于27.93～72.55 之間，平均值為59.51（表1），也進一步表明源區(qū)巖石風(fēng)化較弱。

然而為了區(qū)分物源區(qū)成分組成，Cox 等［20］提出了成分變異指數(shù)（ICV），其計算公式為ICV＝（TFe2O3＋K2O＋Na2O＋CaO＋MgO＋TiO2）/Al2O3，與PIA 和CIA 計算方法不一樣，其中ICV 中氧化物均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。ICV＞1 可能為初始沉積的產(chǎn)物，而ICV＜1 可能為再循環(huán)，或者源區(qū)巖石經(jīng)歷了風(fēng)化的初始旋回。研究區(qū)內(nèi)ICV 值介于0.73～1.92 之間，平均值為0.87（表1），接近1.0，在CIA與ICV 圖解中大多數(shù)樣品落入了弱風(fēng)化和新鮮花崗巖區(qū)域內(nèi)（圖6），結(jié)合w（Zr）/w（Sc）-w（Th）/w（Sc）圖解（圖5），認(rèn)為該地區(qū)姚家組砂巖為初始循環(huán)形成，源區(qū)巖石經(jīng)歷了明顯的弱風(fēng)化作用，其源巖可能為長英質(zhì)巖石，以花崗巖為主。

圖6 松遼盆地北部姚家組砂巖CIA-ICV（a）和ICV-CIA（b）圖解（底圖據(jù)文獻［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 物源區(qū)的成分特征

前已敘述，元素地球化學(xué)特征表明，研究區(qū)內(nèi)姚家組砂巖主要來源于上地殼，且主要為長英質(zhì)巖石，w（TiO2）介于0.14%～0.85%之間，平均值為0.38%，w（Al2O3）介于8.88%～18.30%之間，平均值為12.54%，w（Zr）變化于（47.83～252）×10-6，w（Rb）變化于（62.48～182）×10-6（表1、3），且在元素源巖屬性判別圖解上分別落入鈣堿性花崗巖（圖7a）、長英質(zhì)火成巖（圖7b、c）、中酸性巖石（圖7d）范圍內(nèi)，明顯遠(yuǎn)離基性巖石源區(qū)，與前文推斷結(jié)果較為一致。

圖7 松遼盆地北部姚家組砂巖主量-微量元素源巖屬性判別圖解Fig.7 Discriminant diagram of source rock properties by major and trace elements in Yaojia Formations in the northern Songliao Basin

此外，為了更好地確定源區(qū)的成分特征，本文采用w（Al2O3）/w（TiO2）值來判斷，當(dāng)其值小于14 時，其沉積物源區(qū)可能來自基性巖石；當(dāng)其值大于14 時，物源可能來源于花崗巖（也可能為流紋質(zhì)和安山質(zhì)）［21］。研究區(qū)內(nèi)的w（Al2O3）/w（TiO2）值變化于15.64～69.57之間，平均值為42.22，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于14，進一步證明巖石物源區(qū)主要為花崗巖類（長英質(zhì)巖石）。

4.4 古氣候特征

w（SiO2）/w（Al2O3）值大小可反映砂巖沉積時的古氣候特征，當(dāng)w（SiO2）/w（Al2O3）＜4 時，表明沉積時為潮濕環(huán)境，搬運距離較遠(yuǎn)；當(dāng)w（SiO2）/w（Al2O3）＞4 時，氣候為干旱-半干旱氣候，表現(xiàn)為近緣沉積的特點，風(fēng)化作用相對較弱［23，25］。研究區(qū)內(nèi)的姚家組灰色砂巖w（SiO2）/w（Al2O3）介于2.81～9.35 之間，平均值為6.12，22 個樣品中除了2 個樣品w（SiO2）/w（Al2O3）值小于4 以外，其余樣品的w（SiO2）/w（Al2O3）值全部大于4（表1），因此松遼盆地北部望奎-海倫地區(qū)姚家組的沉積環(huán)境為干旱-半干旱環(huán)境，表現(xiàn)為近緣沉積的特征。

w（Rb）/w（Sr）值可作為鑒別砂巖沉積時的古氣候特征［21，26］。研究區(qū)內(nèi)的w（Rb）/w（Sr）變化于0.27～0.59 之間，平均值為0.40，均大于0.10，進一步證明了姚家組沉積時期以干旱-半干旱為主。

在干旱和半干旱條件下，姚家組主要沉積紅色-雜色碎屑巖建造，在深水河道或局部低洼地段發(fā)育有灰色砂體。關(guān)于灰色砂體成因主要有兩種：一是原生灰色成因，二是油氣還原改造成因［27］。原生灰色砂體砂巖中常見炭化植物莖稈或沿層面分布的炭化植物碎屑，且植物莖稈吸附有分散狀細(xì)晶黃鐵礦。原生灰色砂體在沉積成巖過程中發(fā)生了鈾的初始預(yù)富集，鈾含量普遍增高，局部地段達(dá)到鈾的增高或鈾異常，為后期氧化改造形成富礦奠定了基礎(chǔ)。

在嫩江末期，由于太平洋板塊強烈向西俯沖擠壓，松遼盆地大面積抬升，在盆內(nèi)發(fā)生反轉(zhuǎn)作用。反轉(zhuǎn)作用使先存斷陷邊界斷裂再活動并使沉積蓋層發(fā)生褶皺，形成北東向反轉(zhuǎn)構(gòu)造背斜帶。反轉(zhuǎn)作用一方面使地層抬升，目的層埋深變淺形成剝蝕天窗，另一方面使深部還原性流體沿反轉(zhuǎn)斷裂上升進入到姚家組中，對姚家組進行還原改造使姚家組發(fā)育較大規(guī)模的灰色砂體，松遼南部的錢家店礦區(qū)大多數(shù)砂體是此成因。

本文中灰色砂體成因主要為原生灰色。砂巖中普遍見炭化植物莖稈，鈾含量普遍較高，局部鉆孔顯示可達(dá)鈾異常或礦化，是成礦有利砂體。

4.5 沉積環(huán)境

水體中的沉積特征可用w（Sr）/w（Ba）、w（Al2O3）/w（MgO）值大小進行討論，當(dāng)w（Sr）/w（Ba）＜1，200×10-6＜w（Sr）＜300×10-6時，為淡水環(huán)境；當(dāng)w（Sr）/w（Ba）＞1，300×10-6＜w（Sr）＜600×10-6時，為咸水環(huán)境［23，25］。本文研究區(qū)內(nèi)的w（Sr）介于（162～345）×10-6，平均值為241×10-6。w（Sr）/w（Ba）均小于1（0.18～0.71，平均為0.35），證明沉積環(huán)境為淡水環(huán)境。

主量元素中Al2O3親陸性和MgO 親海性特征可以建立w（Al2O3）/w（MgO）值來判別沉積水體的鹽度。當(dāng)w（Al2O3）/w（MgO）＜1 時，為咸水環(huán)境；當(dāng)1＜w（Al2O3）/w（MgO）＜10 時，為海陸過渡性沉積環(huán)境；當(dāng)10＜w（Al2O3）/w（MgO）＜500 時，為淡水環(huán)境［23，25］。研究區(qū)內(nèi)w（Al2O3）/w（MgO）大多數(shù)變化于11.48～53.19 之間，僅有2 個樣品數(shù)值介于1～10 之間（6.48、7.65）（表1），說明研究區(qū)內(nèi)砂巖沉積時以淡水環(huán)境為主。

4.6 構(gòu)造環(huán)境

砂巖中元素含量與源區(qū)的組分密切相關(guān)，Mc Lennan 等［16］采用PAAS 進行標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)現(xiàn)，不同構(gòu)造背景的δCe 值存在差異，顯著負(fù)δCe 異常表示洋脊擴張，中度負(fù)δCe 異常表示洋盆，弱負(fù)δCe 異常表示大陸邊緣帶。本地區(qū)砂巖樣品δCe 值為0.78～1.43，平均值為0.97（表2），表明該組為大陸邊緣沉積環(huán)境，且在w（K2O）/w（Na2O）-w（SiO2）和w（K2O）/w（Na2O）-w（TFe2O3＋MgO）圖解中（圖8），砂巖樣品落入大陸邊緣范圍內(nèi)，進一步證明姚家組砂巖形成環(huán)境為大陸邊緣的沉積環(huán)境。

圖8 松遼盆地北部姚家組砂巖構(gòu)造判別圖解Fig.8 Tectonic discrimination diagram of the sandstones of the Yaojia Formation in the northern Songliao Basin

以上推測也可從以下事實得到證明。研究區(qū)位于松遼盆地東北部，四面環(huán)山，共發(fā)育六大水系，是太平洋構(gòu)造體系和古亞洲洋構(gòu)造體系的疊加部位。中生代以來，發(fā)生強烈的構(gòu)造變形與造山作用。盆地邊緣的小興安嶺-張廣才嶺地區(qū)可為盆地內(nèi)部源源不斷的提供物質(zhì)來源，通過最新的鉆探勘查也已表明來源為拜泉和訥河水系。再者，前人通過對大興安嶺-張廣才嶺地區(qū)的巖石進行系統(tǒng)研究，認(rèn)為其主要發(fā)育一套火山-沉積巖系，主要為長英質(zhì)巖石，侵入巖則主要形成于晚三疊—早白堊世［30］。而通過前文研究也已表明，姚家組砂巖源巖主要為長英質(zhì)巖石，這也與大興安嶺-張廣才嶺地區(qū)所發(fā)育的巖系較為吻合。結(jié)合前文研究成果及元素地球化學(xué)特征，表明研究區(qū)內(nèi)姚家組砂巖形成構(gòu)造背景為大陸邊緣環(huán)境。

5 結(jié)論

1）姚家組灰色砂巖CIA 值變化于31.77～66.86 之間，ICV 值介于0.73～1.92 之間，PIA 值變化大（27.93～72.55，平均為57.64），整體反映了姚家組砂巖沉積時期為干旱-半干旱氣候背景下弱風(fēng)化作用。

2）w（Sr）/w（Ba）均小于1，w（Al2O3）/w（MgO）大多數(shù)變化于11.48～53.19 之間，反映了在姚家組沉積時期為的淡水環(huán)境。

3）在w（K2O）/w（Na2O）-w（SiO2）和w（TFe2O3＋MgO）-w（K2O）/w（Na2O）圖解上，樣品幾乎落入大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境范圍內(nèi)，結(jié)合區(qū)域演化史，綜合研究認(rèn)為物源應(yīng)為小興安嶺-張廣才嶺地區(qū)發(fā)育的長英質(zhì)巖石。