鄂爾多斯盆地南部彬州地區(qū)直羅組鈾儲層粒度特征與古水動力學(xué)意義

王奇輝，周偉，武正乾，馮博，趙友東，王曉鵬

（核工業(yè)二〇三研究所，陜西西安 710000）

近年來，隨著鄂爾多斯盆地北部一系列大型、超大型砂巖型鈾礦的發(fā)現(xiàn)，與北部鈾成礦條件相似的盆地南部已經(jīng)成為相關(guān)地質(zhì)單位和學(xué)者關(guān)注的焦點。鄂爾多斯盆地南部作為近年來砂巖型鈾礦勘查的重點區(qū)域，勘探實踐表明，彬州地區(qū)目前已落實中型礦產(chǎn)地一處，具有較好的成礦潛力。前人對該地區(qū)的研究成果，為該區(qū)內(nèi)的找礦工作奠定了基礎(chǔ)［1-4］。鈾儲層不僅能提供鈾成礦流體的運移空間，同時也為鈾礦的存儲提供了空間［5-6］，但目前針對該區(qū)鈾儲層空間分布與古水動力學(xué)研究程度偏低，成為制約該地區(qū)鈾礦勘查工作取得突破的關(guān)鍵問題。因此，針對鈾儲層的粒度特征與古水動力學(xué)意義的研究顯得尤為重要。

本文以彬州地區(qū)直羅組下段鈾儲層為研究對象，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)鉆孔資料，通過統(tǒng)計學(xué)原理，對中侏羅統(tǒng)直羅組下段鈾儲層砂體厚度進(jìn)行統(tǒng)計并繪圖，明確研究區(qū)鈾儲層的空間分布特征，依據(jù)野外露頭、鉆孔巖心等資料，對鈾儲層沉積環(huán)境進(jìn)行初步識別，應(yīng)用激光粒度分析儀法對直羅組鈾儲層進(jìn)行粒度分析，以C-M圖、累積概率曲線圖、頻率直方圖、粒度參數(shù)散點圖為主要依據(jù)，探討沉積物的搬運方式、水動力條件和沉積環(huán)境等，并進(jìn)一步分析了古水動力特征，為該地區(qū)鈾成礦沉積條件和鈾礦找礦工作提供一定幫助。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部陜西旬邑縣-彬州-長武縣一帶，行政上隸屬陜西省咸陽市管轄，涉及陜西省旬邑、彬州、長武等縣區(qū)。

構(gòu)造上，研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部渭北隆起西北部與陜北斜坡的接觸過渡區(qū)，中生界蓋層總體構(gòu)成向北西緩傾的大型單斜構(gòu)造，在此單斜之上存在一些寬緩而不連續(xù)的褶皺，褶皺大多以背斜形式出現(xiàn)，背斜在彬州一帶呈近東西向，南翼較緩，一般為5°～10°，北翼較陡，一般在15°～20°。構(gòu)造環(huán)境總體較為穩(wěn)定，斷裂及巖漿巖不發(fā)育，與盆地北緣東勝產(chǎn)鈾地區(qū)構(gòu)造環(huán)境相類似。區(qū)內(nèi)地層由古生代基底和中新生代蓋層構(gòu)成，其中古生代基底主要為寒武系、奧陶系、石炭系、志留系、二疊系，中新生代地層主要由三疊系、侏羅系、白堊系、新近系以及第四系陸相粗碎屑沉積組成，鉆孔自上而下主要揭露第四系、新近系、白堊系環(huán)河組、洛河組、宜君組、侏羅系安定組、直羅組、延安組、富縣組、三疊系延長組等地層［7-8］，其中中侏羅統(tǒng)直羅組為區(qū)內(nèi)主要鈾儲層（圖1）。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖（a）和鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元分布圖（b）Fig.1 Geological map of the study area（a）and its location in of Ordos basin（b）

2 樣品采集與處理

研究區(qū)內(nèi)直羅組鈾成礦條件較好，根據(jù)多年來鉆探查證發(fā)現(xiàn)了大面積鈾礦化和異常。鑒于此，選擇區(qū)內(nèi)成礦效果較好的鉆孔，結(jié)合鉆孔分層信息和野外地質(zhì)編錄情況進(jìn)行取樣研究。共計采取研究區(qū)鉆孔粒度樣品33 件，樣品基本涵蓋了彬州地區(qū)鈾儲層的空間分布特征。

樣品的處理和測試工作委托北京遠(yuǎn)洋環(huán)宇石油技術(shù)有限公司完成，實驗過程主要包括樣品預(yù)處理、樣品制備等，具體不作詳細(xì)論述，本測試采用激光法與篩分法相結(jié)合的方法對碎屑巖樣品進(jìn)行粒度測試。對于粒徑小于2 000 微米的顆粒，采用激光法；對于粒徑大于2 000 微米的巖石顆粒，采用篩分法進(jìn)行分析。測試儀器為激光粒度儀MS2000，并以我國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5434—2018《碎屑巖粒度分析方法》作為檢測依據(jù)，通過Grapher 3軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出直方圖和累計概率曲線，并計算出粒度參數(shù)：平均粒徑（Mz），標(biāo)準(zhǔn)偏差（σ），偏度（Sk），峰度（KG），本文采用Fork的粒度參數(shù)公式，通過相關(guān)參數(shù)對鈾儲層粒度特征進(jìn)行分析。

3 沉積-巖石學(xué)特征

直羅組下段鈾儲層巖性以灰色、淺灰綠色粗砂巖、含礫粗砂巖為主，底界面一般發(fā)育較明顯的沖刷面，一般發(fā)育底礫巖、含礫粗砂巖，其內(nèi)部以含粗大的植物碎屑、炭屑、泥礫和發(fā)育大型槽狀交錯層理為主要特征（圖2a、b、c），局部夾泥巖細(xì)粒沉積物（圖2d）。砂巖礦物碎屑成分以石英為主、長石次之，并含少量云母，巖屑以變質(zhì)巖類、花崗巖類為主。礫石成分以細(xì)-粗礫的石英顆粒為主；分選性以中等為主，碎屑顆粒磨圓度呈次棱角狀-次圓狀，碳酸鹽含量一般為Ⅰ級，巖石固結(jié)程度較疏松；孔隙度介于5.02%～24.78%之間，多數(shù)大于15%，為中高孔隙度。滲透率變化范圍較大，最小值0.001 mD，最大值54.33 mD，平均值7.94 mD，屬中低滲透率。綜上分析，直羅組下段鈾儲層具有河流沉積特征。

圖2 研究區(qū)直羅組下段鈾儲層沉積-巖石學(xué)特征Fig 2 Sedimentary structural characteristics of uranium reservoir in the lower member of Zhiluo formation in study area

4 粒度特征分析

粒度分析很早就被廣泛應(yīng)用于沉積學(xué)的研究，特別是近年來，逐漸發(fā)展成為沉積環(huán)境研究的重要方法之一［9-14］。G.S.Visher［15］對現(xiàn)代和古代不同沉積環(huán)境的砂和砂巖的粒度概率曲線進(jìn)行了研究，取得了各種環(huán)境的典型曲線，為沉積分析提供了豐富的資料。通過沉積物粒度分析，不僅推斷其搬運介質(zhì)、搬運方式的變化，而且還可判斷沉積物的來源，解釋沉積分異作用，判別古沉積相和環(huán)境。沉積物的粒度與水動力條件有著密切的關(guān)系，粒度大小是受流水作用應(yīng)力強度控制的，與沉積物形成的環(huán)境關(guān)系極為密切。因此，粒度分析的資料，廣泛用來研究沉積巖的成因，作為研究沉積環(huán)境的方法之一［16-17］。樣品粒度參數(shù)與沉積物的形成環(huán)境有很好的相關(guān)性。經(jīng)常使用的粒度參數(shù)有粒度平均值、分選系數(shù)、偏度及峰態(tài)。粒度平均值反映沉積物粒度分布的中心趨勢和沉積介質(zhì)的平均動能；標(biāo)準(zhǔn)偏差反映樣品粒級的分散和集中情況及代表樣品相對平均粒徑的分散程度，用來定量地解釋樣品的分選性；偏度反映中樞的相對位置偏度與沉積環(huán)境有一定的關(guān)系，構(gòu)成懸浮體細(xì)粒部分的變化對粒度分布的偏度有很大影響；峰度反映曲線峰的寬窄和尖銳程度，是頻率曲線尾部展開度與中部展開度之比，在剖面或區(qū)域上系統(tǒng)地研究粒度平均值的變化情況，可以了解物質(zhì)來源和沉積環(huán)境的變化。

4.1 鈾儲層粒度參數(shù)特征

直羅組下段樣品的粒度參數(shù)特征為：平均粒徑（Mz）范圍為1.450～3.725；標(biāo)準(zhǔn)偏差（σ）范圍為1.631～5.458，分選為差-極差；偏度（Sk）為0.256～0.622，主要以正偏態(tài)-很正偏態(tài)為主，變化范圍較大，頻率直方圖以馬鞍形為主，峰度（KG）在0.696～1.543 之間，變化較大，均證明其沉積期物源多樣（圖3）。

圖3 直羅組下段鈾儲層典型粒度頻率直方圖Fig.3 Histogram of typical particle size frequency of uranium reservoir in the lower member of Zhiluo formation

樣品粒度參數(shù)特征表明彬州地區(qū)在中侏羅統(tǒng)直羅組下段鈾儲層具較為典型的河流沉積物特征，其樣品多以分選差-極差表明直羅組鈾儲層沉積期物源多樣，同時堆積埋藏速度快，且具有靠近物源、水流能量較高的特點，而受河水沖刷改造小，因此粒度變化大、分選差，由于河流砂礫中常摻有黏土、粉砂等懸浮物，故河流一般為正偏，峰度變化也比較大。

4.2 鈾儲層概率曲線特征

研究區(qū)直羅組下段樣品共計33 件，其中概率曲線基本為典型的“三段式”或“二段式”，在“三段式”概率曲線中，最為發(fā)育的為滾動總體（40%～60%），跳躍總體（20%～30%）和懸浮總體（10%～30%）為次總體，跳躍總體和懸浮總體緩慢過渡而無明顯轉(zhuǎn)折點，整體呈圓緩上拱的弧形，在“二段式”概率曲線中，最為發(fā)育的為懸浮總體（約60%），跳躍總體（約40%）為次總體，反映了直羅組下段鈾儲層砂體具牽引流的基本粒度特征（圖4）。

圖4 直羅組下段鈾儲層典型粒度概率累積曲線圖Fig.4 Cumulative probability curve of typical particle size of uranium reservoir in the lower member of Zhiluo formation

圖5 鄂爾多斯盆地南部彬州地區(qū)直羅組下段古水動力圖Fig.5 Paleo-hydrodynamic map of the low member of Zhiluo formation in Binzhou area，southern Ordos basin

5 沉積體系與古水動力特征及空間分布規(guī)律

5.1 沉積體系類型及空間分布規(guī)律

通過沉積-巖石學(xué)特征及粒度分析，結(jié)合野外露頭觀察、鉆孔巖心編錄、沉積編圖等工作，表明直羅組下段沉積期，盆地周緣地貌高差較大，古氣候繼承了延安組沉積時期溫暖濕潤的古氣候環(huán)境，來自南部及西南部的沉積物源供應(yīng)充足，沉積粒度較粗。河道充填以河道底部滯留沉積和河道多期次沖刷為特色。對直羅組下段單孔垂向序列進(jìn)行分析，垂向上表現(xiàn)為4-5 層正韻律砂體的多期次疊置，粒度以含礫粗砂巖、細(xì)礫巖為主。泛濫平原發(fā)育規(guī)模有限，主要分布于河道兩側(cè)地勢低洼的地帶，往往和決口扇以及越岸沉積共生，沉積物以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖或者粉砂巖為主，有機質(zhì)含量較高。研究區(qū)直羅組下段鈾儲層沉積體系類型為辮狀河沉積體系。

對研究區(qū)收集的煤田及鈾礦項目鉆孔資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，明確彬州地區(qū)直羅組下段（J2z1）鈾儲層砂體空間分布規(guī)律。彬州-長武地區(qū)直羅組下段砂體厚度1.8～42.60 m，平均厚度17.20 m，變化浮動較大，變化系數(shù)0.59，說明砂體穩(wěn)定性略差。平面上，砂體自南東向北西呈不規(guī)則帶狀展布，砂體厚度南側(cè)厚北側(cè)薄，兩個高值區(qū)（砂體厚度大于20 m）呈長條帶狀由南東向北西方向延伸，厚度逐漸變薄，在中部朱家山偏西部位連通后再次分岔繼續(xù)向近北方向展布；中西部、東北部、東南部3個低值區(qū)（砂體厚度小于10 m）分布不連續(xù)，被高值區(qū)所分隔，另有數(shù)個呈孤島狀展布的低值區(qū)發(fā)育在高值區(qū)內(nèi)。彬州地區(qū)直羅組下段鈾儲層砂體廣泛發(fā)育，寬度10～20 km，長度大于50 km，景家河以南水口-胡家河地區(qū)發(fā)育近南北向鈾儲層砂體，該段可細(xì)分為水口-鴨河灣、朱家山-鴨河灣兩部分，皆從南東向北西方向延伸。在研究區(qū)北部景家河地段存在自西向東展布的連續(xù)厚大砂體（砂體厚度大于20 m）。由此，將研究區(qū)鈾儲層分為水口-胡家河地區(qū)近南北向鈾儲層砂體和景家河地段東西向鈾儲層砂體。

5.2 古水動力特征分析及沉積環(huán)境指示意義

直羅組下段樣品的C-M 圖存在PQ 段和QR 段，主要集中于QR 段上部，缺少RS 段，反映了辮狀河道的C-M 特征，沉積物主要是呈跳躍方式搬運的，少量呈滾動方式搬運（圖6）。其中，PQ 段C 值在?2 到?1.5 之間，反映C 值?。ɑ蛄６却螅?，說明水流速度快，牽引力大，代表河床底部沉積；QR 段C 值在0.5 到?1 之間，并與M值呈比例變化，代表河道砂壩沉積；RS 段不發(fā)育可能是由于水流作用強，細(xì)粒懸浮難以下沉，表明直羅組下段時期，河流的水動力為中等，這些特征和前述概率圖是吻合的。就河道而言，底部的水動力要強于河道上部，并沿主流線向兩側(cè)開始減弱。

圖6 直羅組下段鈾儲層C-M 圖Fig.6 C-M diagram of uranium reservoir in lower member of Zhiluo formation

結(jié)合研究區(qū)直羅組下段鈾儲層空間分布特征，對研究區(qū)粒度參數(shù)特征及概率曲線特征進(jìn)一步分析可得出彬州地區(qū)直羅組下段鈾儲層沉積期古水動力圖（圖5），結(jié)合圖3 分析，樣品位置自南向北分別為ZK128-1、ZK36-1、ZK0-1、ZK251-1，根據(jù)頻率直方圖可看出，水口-胡家河鈾儲層砂體自南向北樣本細(xì)粒成分占比逐漸增大，證明彬州地區(qū)水口-胡家河鈾儲層砂體沉積時水動力自南向北逐漸有減弱趨勢。由圖4 可見，景家河鈾儲層砂體東側(cè)ZK180-1 較西側(cè)ZK251-1 懸浮總體增多，表明景家河鈾儲層砂體水動力自西向東有減弱趨勢，南北向鈾儲層（ZK1-1、ZK3-1）以“三段式”為主，景家河地區(qū)東西向鈾儲層（ZK251-1、ZK180-1）以“二段式”為主，總體相比，景家河地區(qū)鈾儲層較水口-胡家河鈾儲層沉積期懸浮總體增多，跳躍總體減少，牽引總體消失，佐證了南北向水口-胡家河鈾儲層砂體形成期河流搬運能力要高于東西向景家河地區(qū)鈾儲層河流。

6 結(jié)論

1）鄂爾多斯盆地南部彬州地區(qū)直羅組下段鈾儲層分為近南北向水口-胡家河鈾儲層砂體和東西向景家河鈾儲層砂體。其中水口-胡家河鈾儲層砂體可細(xì)分為水口-鴨河灣、朱家山-鴨河灣兩部分，皆從南東向北西方向延伸。

2）直羅組下段鈾儲層具牽引流的基本粒度特征，水口-胡家河、景家河鈾儲層砂體為辮狀河沉積體系，沉積期河流的水動力為中等。

3）直羅組下段鈾儲層砂體水口-胡家河鈾儲層砂體沉積時古水動力自南向北逐漸有減弱趨勢，景家河鈾儲層砂體沉積時古水動力自西向東有減弱趨勢，水口-胡家河地區(qū)南北向形成期河流搬運能力要高于景家河地區(qū)東西向河流。