松遼盆地富鈾有機質建造發育特征及其對滲出型砂巖型鈾礦的制約

邢作昌，王君賢，吳大坤，寧君，賈立城，劉武生，牟啟博，林效賓，田明明

（1.核工業北京地質研究院 中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室，北京 100029；2.核工業二四〇研究所，遼寧 沈陽 110032；3.核工業二四三大隊，內蒙古 赤峰 024000）

近年來，隨著砂巖型鈾礦勘查實踐的持續滲入，烴源巖在砂巖型鈾礦中的作用受到關注：劉繼順［1］對華南碳硅泥巖型鈾礦床研究認為烴源巖中有機碳與鈾的關系比較復雜；美國阿巴拉契亞盆地泥盆系烴源巖鈾含量為2×10-6～8×10-6，其有機碳與鈾豐度有很好的相關性［2-3］；美國Pennsylvanian 黑色頁巖中鈾的含量為2×10-6～30×10-6，且鈾含量增加與還原沉積環境有關［4］；秦艷等［5］基于鄂爾多斯長7 烴源巖電子探針、LA-ICP-MS、逐級化學提取、徑跡蝕刻等方法的研究，提出烴源巖尤其是黑色有機質在鈾的富集過程中起著很重要的作用［5］；張萬良［6］通過收集中國重要綜合能源盆地中的砂巖鈾礦床文獻資料，認為產鈾盆地深部的烴源巖即是砂巖型鈾礦的鈾源巖；李子穎等［7］基于野外和室內、宏觀和微觀相結合，從野外觀察、區域地質、構造學、沉積學、巖石學、礦物學、地球化學、地震解釋和鈾礦床學等角度闡明了二連盆地哈拉圖礦床礦體、控礦灰色砂體和礦化特征，提出哈達圖砂巖型鈾礦床主要是滲出鈾成礦作用形成的，并提出在紅雜色沉積建造中尋找砂巖鈾礦“上紅下黑、上下連通、紅中找灰、灰中找礦”預測評價的新思路。松遼盆地目前砂巖型鈾礦的主攻層位（姚家組、青二三段、四方臺組）為典型的紅雜色建造，其成礦作用除了經典的“層間氧化型”、“潛水氧化型”等滲入成礦找礦作用外，滲出成礦作用同樣可能存在。在采用滲出成礦新思路進行砂巖型鈾礦勘查時，對松遼盆地中提供鈾源的黑色富鈾有機質建造的識別、產出特征與分布規律等系列特征的系統總結，可為鈾礦勘查的主攻層位（尤其是姚家組、四方臺組等紅雜色層位）滲出成礦預測提供“下黑”成礦要素的支持，更好地指導松遼盆地滲出型砂巖型鈾礦的勘查。

1 區域地質背景

松遼盆地為我國東北地區最大的中-新生代陸相含油-氣-煤-鈾的綜合型能源沉積盆地［8-10］。從構造演化上看，松遼盆地經歷了早中侏羅世熱隆張裂期（前裂谷期）、晚侏羅世-早白堊世初期的伸展斷陷期（裂谷期）、晚白堊世早中期的沉降坳陷期（后裂谷期）及晚白堊世幕式構造反轉期（抬升萎縮期）四大階段［8-10］，自底到頂盆地中北部依次沉積了火石嶺組、營城組、沙河子組、登樓庫組、泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組、明水組、大安組、依安組、泰康組、第四系［8］，而盆地南部（西南隆起區的開魯盆地）則依次沉積了義縣組、九佛堂組、沙海組、阜新組、泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組、明水組、泰康組、第四系［11］，其中烴源巖層主要發育在中間兩大構造階段的湖盆擴張期。

松遼盆地晚侏羅世-早白堊世初期的伸展斷陷期主力烴源巖在盆地中北部主要為沙河子組，盆地西南部（開魯盆地）主要為九佛堂組、沙海組；北部沙河子組為深灰色、灰黑色泥巖、灰白色砂巖、粉砂巖及少量凝灰巖，局部夾煤線，有機質類型以Ⅲ型居多，大都進入高成熟-過成熟階段［12］，而西南部九佛堂組烴源巖系具有有機質豐度高、干酪根類型多、有機質成熟度適中，頁巖抽提物具有咸化湖盆的兩高兩低，即高飽和烴、低芳香烴，高非烴、低瀝青質等特點，其有機質類型以Ⅰ～Ⅱ1型為主。有機質來源以水生生物沉積為主，含有部分陸生生物，其總有機碳（TOC）介于0.05%～8.41%，中值為4.37%，平均值為3.58%，有機碳含量普遍偏高，頁巖氯仿瀝青“A”含量介于0.087%～1.13%，平均為0.43%。生烴潛 量（S1+S2）在0.08～63.94 mg/g 之間，平均為20.62 mg/g［13］。其中陸西凹陷有機質類型Tmax為446～452 ℃，氫指數大多為200～600 mg/g，九佛堂組整體形成于缺氧超鹽、水體分層的強還原鹽湖環境［13］。

松遼盆地晚白堊世沉降坳陷期經歷了兩次大的湖侵，主要發育青山口組和嫩江組兩套暗色有機質建造：青山口組為松遼盆地重要的烴源巖層，其沉積期受全球缺氧事件影響下形成約5×104km2的黑色頁巖，是盆地中生界油藏的重要物質來源，形成了盆地80%以上的石油資源［14］；其青一段為一套呈不等厚互層的灰黑色泥巖、油頁巖與灰白色粉細砂巖，其區域標志層為底部深灰色、灰黑色泥頁巖或油頁巖，厚度約25～150 m，具有外凸三角星介標準化石［15］。目前青一段被認為是松遼盆地頁巖油資源開發的主要前景層位［16-18］。嫩江組沉積時期是松遼湖盆的第二次興盛期，也是由極盛向衰退的轉變期［19］，地層厚度變化小，呈現東厚西薄、北厚南薄特征，底部發育底超，向西、向南逐步上超［20］，上部主要發育灰色泥巖與粉砂質泥巖、粉砂巖互層，下部以細粒沉積為主，顏色多偏暗色，灰黑色或黑色泥巖與油頁巖較為發育。其中嫩一段中部與嫩一段頂和嫩二段底部暗色泥巖為主力烴源巖，最大埋深2 000 m，最大厚度為170 m，是好的烴源巖層［21］；元素分析、巖石熱解與顯微組成均顯示，嫩一段有機質類型最好，主要以Ⅰ～Ⅱ1型為主，Ro 變化在0.588%～0.79%之間，處于低熟-成熟階段，其中絕大部分泥巖進入成熟階段［22］。

2 盆地富鈾有機質建造產出特征

2.1 富鈾有機質建造的產出層位

松遼盆地沉積充填經歷了斷陷、坳陷、反轉3 個構造演化階段，盆地自底到頂對應形成了晚侏羅世-早白堊世斷控多中心火山碎屑湖相、晚白堊世早期大型坳陷湖相、晚白堊世晚期-新生代湖盆萎縮河流相等3 種盆地沉積充填樣式。

斷陷期湖盆具有受邊界控斷大斷裂控制分割性強、多個湖盆中心、各湖盆連通性差等典型斷陷湖盆特征，該時期半深湖-深湖相暗色細粒沉積烴源巖在松遼盆地中北部以沙海組最為特征，而盆地西南部（開魯盆地）則以九佛堂組厚大灰黑色泥巖為特征；該階段形成了盆地底部第一套潛在的暗色富鈾有機質建造（圖1）?？梢?，盆地下部富鈾有機質建造主要產于早白堊世地層。

圖1 松遼盆地綜合柱狀圖與富鈾有機質建造產出層位Fig.1 Comprehensive column and position of three uranium-rich organic matter formation in Songliao Basin

晚白堊世開始，隨著盆地全盆范圍的裂后熱沉降，松遼盆地進入統一大湖盆演化期［8］。該階段湖盆發育青山口組早期和嫩江組早期兩個湖盆鼎盛期（其中后者為晚白堊最大的湖泛期，其湖盆影響面積超過了全盆面積的八成以上［8］，且已有證據表明湖盆發育期具有海侵事件［23-24］），對應形成了盆地中部、上部兩個潛在的富鈾有機質建造（圖1）。這兩個富鈾有機質建造內部夾有數層薄層火山灰［9］，而火山灰作為富鈾的主要巖石類型之一［25］，其可能是這兩套建造本身富鈾的重要因素之一。

總之，松遼盆地存在上、中、下三套區域性分布的巨厚層灰色富鈾有機質建造：最下部富鈾有機質建造為下白堊統斷陷期烴源巖，在松遼盆地北部主要為沙河子組煤系烴源巖，在松遼南部以九佛堂組烴源巖占優；中部富鈾有機質建造對應青山口組底部主力生油烴源巖，上部富鈾有機質建造為嫩江組底部生油烴源巖（圖1）。

2.2 富鈾有機質建造的空間分布

松遼盆地下部富鈾機質建造具有“北厚南薄、多中心分隔狀分布、厚度受控于下白堊控斷邊界斷裂”等特征（圖2）。單個呈長15～100 km，寬0～20 km條帶狀，絕大多數呈北東、北北東向（少數近南北、北西向）分散片狀產出；中部產出最為密集，其次為東南隆起區，西南部烴源巖零星分布，整體受下白堊統斷陷范圍限制、“北厚南薄”特征明顯。下部富有機質建造厚度在0～2 000 m，平均厚度為800～1 200 m 占優；在控斷斷裂附近烴源巖厚度最大，遠離斷裂厚度減小趨勢明顯，厚度分布受控邊界斷裂明顯。需要注意的是，目前盆地西南部主要砂巖型鈾礦產區錢家店斷陷附近的下部富鈾建造發育，而盆地東北部海倫-綏棱等主要鈾礦勘查區北安斷陷、明水-綏化斷陷處同樣發育規?？捎^的下部富鈾建造。

圖2 松遼盆地下部富鈾有機質建造分布與厚度Fig.2 Distribution and thickness of the bottom uranium-rich organic matter formations in Songliao Basin

與下部建造特征明顯不同（圖2），盆地中上部富鈾有機質建造表現出“統一連片、在盆地中北部集中分布”特征（圖3、4）。中部富鈾有機質建造（青山口組底部烴源巖）在大慶—哈爾濱—長嶺的三角帶內集中展布，其厚度為50～500 m，平均為200～350 m，最厚大于400 m，其中厚度大于200 m 沉積中心有3 個，分別集中在齊家古龍南、長嶺、三肇東南-長春嶺背斜-登樓庫背斜地區，是優勢建造區（圖3）。上部富鈾有機質建造（松遼盆地嫩一二段烴源巖）整體特征與中部富鈾有機質建造特征類似，但其影響范圍明顯增大：其橫向擴展至齊齊哈爾—綏化—長嶺—白城的四角帶內集中展布，厚度為100～400 m，平均為250～300 m，最厚處在大安北部（＞350 m），其中厚度大于200 m 沉積中心有3 個，集中在齊家古龍南、長嶺、三肇中部，是優勢建造區（圖4）。另外，垂向上，上、中、下三套富鈾有機質建造厚度具有向上變薄的趨勢，即下白堊統烴源巖最厚，青一二段烴源巖次之，嫩一二段烴源巖最薄。

圖3 松遼盆地中部富鈾有機質建造分布與厚度Fig.3 Distribution and thickness of uranium-rich organic matter formations in middle Songliao Basin

圖4 松遼盆地上部富鈾有機質建造分布與厚度Fig.4 Distribution and thickness of the uranium-rich organic matter in the top formations in Songliao Basin

3 富鈾有機質建造鈾含量預測

筆者在嫩江組、青山口組上千個高有機質含量與鈾含量統計的基礎上，利用總有機碳（TOC）與鈾含量的統計得出來的正相關關系，并結合實際鈾礦鉆孔獲取的鈾含量微量實測數據，對松遼盆地中部富鈾有機質建造（青一段）、上部富鈾有機質建造（嫩一二段）的鈾含量進行了預測（圖5、6）。

圖5 松遼盆地中部富鈾有機質建造鈾含量預測等值線圖Fig.5 Contour map of predictive uranium content of uranium-rich organic matter formation in middle Songliao Basin

松遼盆地中部富鈾有機質建造鈾含量預測等值線圖表明（圖5），該有機質建造鈾含量主體為（0～10）×10-6，個別高達25.9×10-6。地層高鈾背景值區（大于6×10-6）呈分散帶狀分布，集中在盆地西部的白城—洮南、盆地西南部的長春—德惠—松原、盆地中部的肇東—肇源—安達一帶、盆地東北部的海倫、盆地北西部的通南—依安—依龍等地區；從構造分區上看，地層中鈾背景值區（3×10-6～6×10-6）主要位于長嶺凹陷邊部、三肇凹陷西南、大慶長垣南部。地層低鈾背景值區（小于3×10-6）呈土豆狀，位于海倫市西南的望奎縣—永豐鎮附近。

松遼盆地上部富鈾有機質建造鈾含量預測等值線圖表明（圖6），該有機質建造鈾含量主體在（0～10）×10-6，個別高達12.4×10-6。地層高鈾背景值區（大于7×10-6）呈港灣狀、云朵狀分布，集中在盆地中北部的松原市—肇東市、大慶市西北部的林甸縣附近，構造上隸屬于中央坳陷區的三肇凹陷、長嶺凹陷中北部、齊家古龍凹陷。地層鈾含量低值區（小于4×10-6）呈孤島狀分布在盆地東北的海倫—綏化一帶。需要注意的是，地層鈾含量中值區（4×10-6～6×10-6）則主要位于盆地西南部。

圖6 松遼盆地上部富鈾有機質建造鈾含量預測等值線圖Fig.6 Contour map of predictied uranium content of uranium-rich organic matter in the top formations of Songliao Basin

4 富鈾有機質建造與盆地砂巖型鈾成礦作用

4.1 富鈾有機質建造可能是松遼盆地砂巖型滲出鈾成礦作用的重要深部鈾源

松遼盆地目前已發現的大中型鈾礦床（錢Ⅱ、錢Ⅲ、錢Ⅳ、寶龍山礦床、大林礦床）主要位于松遼盆地西南部錢家店凹陷北部［32-33］。錢家店凹陷下伏的錢家店斷陷具有松遼盆地下部富鈾有機質建造，其整體受控盆斷裂控制，呈北東向帶狀展布，靠近控盆（斷陷）斷裂厚度最大，厚度中心（大于1 400 m）在錢家店斷陷北部的白音那—高嶺屯一帶呈北東向展布，遠離斷裂厚度急劇減??；厚度為0～2 100 m，主體厚度為800～1 200 m，最厚大于1 800 m（圖7）。通過對礦區礦床平面投影與下部富鈾有機質建造、深大斷裂空間位置疊合，發現已發現的鈾礦床、主要工業孔、礦化孔主要產于具有深大斷裂溝通的減薄的下部富鈾有機質建造中心或邊部（圖7）。這種空間上的密切的配置關系，表明錢家店斷陷下部富鈾建造可能為其上覆晚白堊世姚家組、青山口組等主要賦礦層位提供深部鈾源。另外，盆地中北部青山口組-姚家組鈾礦化孔的產出多位于中部富鈾有機質建造鈾含量高值區的中心或邊部（圖5），放射性異?？锥辔挥谥胁扛烩櫽袡C質建造鈾含量高值區向低值區過渡部位，表明盆地中北部青山口組-姚家組砂巖型鈾礦的成礦作用明顯受下伏中部富鈾有機質建造密切制約。與之類似，盆地中北部四方臺組-嫩五段工業鈾礦化產于盆地上部富鈾有機質建造的松原—大安—肇東鈾含量預測高值區的西部減薄帶之上，其鈾礦化孔則產于上部富鈾有機質建造鈾含量預測高值區的中心或邊部，而放射性異常則多集中在鈾含量中值區向盆地內部低值區過渡地區（圖6），表明盆地中北部四方臺組-嫩五段砂巖型鈾礦的成礦作用與其下伏上部富鈾有機質建造密切相關。這些客觀地質事實進一步表明下伏深部富鈾有機質建造可能為其上覆賦鈾目標層提供了部分深部鈾源，即松遼盆地砂巖型鈾礦的成礦作用可能確實有滲出鈾成礦作用的參與。

圖7 松遼盆地錢家店凹陷下部富鈾有機質建造與砂巖型鈾礦化的空間疊置Fig.7 Superposition of bottom uranium-rich organic matter formation and sandstone type uranium mineralization in Qianjiadian depression，Songliao Basin

4.2 富鈾有機質建造對盆地主要產鈾層位的制約

根據盆地南北的地層對比與沉積充填、構造（斷裂）發育、主力烴源巖與主攻目標層的空間產出等特征，盆地中北部上白堊統主要產鈾層位（青山口組-姚家組、四方臺組等）更易受到中部富鈾有機質建造、上部富鈾有機質建造的影響，而盆地南部（尤其是西南部）更易受到下部富鈾有機質建造影響：①中北部上白堊統的厚度等于或大于下白堊統厚度［35］，上白堊統紅雜色建造（姚家組、青二三段、四方臺組）距離下白堊統烴源巖垂向距離遠；與之截然相反的是，盆地西南部上白堊統厚度遠小于下白堊統厚度，上白堊統紅雜色建造（姚家組、青二三段、四方臺組）距離下白堊統烴源巖垂向距離近（圖8）；南北上下白堊統的厚度差異表明，盆地南部上白堊統更易受到下白堊統流體的影響；②從地層的沉積充填特征看，盆地中北部分隔下伏下白堊統富鈾有機質建造，與上白堊統主要產鈾層位之間的營城組、登樓庫組均具有較好的蓋層作用，營城組為一套火山巖-扇三角洲-湖泊相沉積［8，38］，而登樓庫組為一套三角洲-湖泊相沉積［8］，兩者區域上對下伏地層的分隔性良好，下部富鈾有機質建造產出的成礦流體要穿過這兩個厚層進而運移到中淺部產鈾層位（青山口組-姚家組、四方臺組）的難度太大；而盆地西南部上白堊統主力產鈾目標層與下白堊統接觸面上多個地區缺失地層，深大斷裂與不整合形成的通道體系更加順暢，加上南部下白堊統控盆斷裂附近更易深湖-半深湖細粒沉積的發育，其下部富鈾有機質建造厚度、質量都要較中北部好一些（圖7）；③盆地南部上白堊統主要為一套河流相紅雜色建造［39］，多數地區缺失中部富鈾有機質建造和上部富鈾有機制建造，而中北部上白堊統以灰色建造與紅雜色建造交替出現為特征（即有機質建造層位與產鈾層位互層）；④盆地西南部砂巖型鈾礦主產區與中部、上部富鈾有機質建造鈾含量并無明顯的空間疊置（圖3、4），表明其產出位置與中部、上部富鈾有機質建造空間關系相關性不大；盆地中北部青山口組-姚家組鈾礦化孔多位于中部富鈾有機質建造鈾含量高值區的中心或邊部（圖5），放射性異?？锥辔挥谥胁扛烩櫽袡C質建造鈾含量高值區向低值區過渡部位，表明盆地中北部青山口組-姚家組砂巖型鈾礦的成礦作用與其下伏中部富鈾有機質建造密切相關；與之類似，盆地中北部四方臺組-嫩五段工業鈾礦化產于盆地上部富鈾有機質建造的松原-大安-肇東鈾含量預測高值區的西部減薄帶之上，鈾礦化孔產于上部富鈾有機質建造鈾含量預測高值區的中心或邊部，而放射性異常則多集中在鈾含量中值區向盆地內部低值區過渡地區（圖6），表明盆地中北部四方臺組-嫩五段砂巖型鈾礦的成礦作用與其下伏上部富鈾有機質建造密切相關。綜合來看，盆地南部上白堊統主要產鈾層位（青山口組-姚家組、四方臺組等）更易受到下部富鈾有機質建造的制約，而盆地中北部上白堊統姚家組-青二三段更易受到中部富鈾有機質建造的制約，四方臺組-嫩五段更易受到上部富鈾有機質建造的制約。

5 結論

1）系統梳理了松遼盆地富鈾有機質建造的產出特征：松遼盆地區域上分布上、中、下三套富鈾有機質建造，分別為下白堊統、青一二段、嫩一二段富鈾有機質建造；與盆地范圍內的三套主要產油或產煤層位烴源巖層對應；上、中、下三套富鈾有機質建造厚度具有向上變薄的趨勢。

2）松遼盆地富鈾有機質建造與鈾礦化的空間產出關系密切：鈾工業孔空間產出位置與烴源巖厚度中心、烴源巖類型、與烴源巖溝通的深大斷裂等關系密切；工業孔、放射性異?？桩a出位置多位于預測富鈾烴源巖鈾含量高值中心區邊緣。這表明富鈾有機質建造對松遼盆地砂巖型鈾礦化具有明顯的制約作用，推斷黑色烴源巖不但為鈾成礦提供了一定的還原物質，而且可能是砂巖型鈾成礦作用的重要的潛在鈾源。

3）上、中、下三套富鈾有機質建造對主要產鈾層位的制約具有明顯的差異性：盆地南部上白堊統泉頭組、青山口組、姚家組等主要產鈾層位受盆地下部富鈾有機質制約明顯，而盆地中北部青山口組-姚家組砂巖型鈾礦的成礦作用與中部富鈾有機質建造密切相關，盆地中北部四方臺組-嫩五段砂巖型鈾礦的成礦作用受其下伏上部富鈾有機質建造影響更大。

4）松遼盆地中三套富鈾有機質建造的識別、產出特征與分布規律、鈾含量預測等系統梳理，可為盆地以紅雜色建造為主的姚家組、四方臺組等主攻層位的滲出成礦預測提供“下黑”成礦要素的支持，更好地指導松遼盆地滲出型砂巖型鈾礦的勘查。