胡立飛， 劉小剛

（核工業(yè)二〇八大隊 內(nèi)蒙古 包頭 014010）

非均質(zhì)性的概念早期是由石油地質(zhì)學(xué)家提出的， 并應(yīng)用于石油工作中， 儲層的非均質(zhì)性是指儲層的基本性質(zhì)（巖性、 物性、 電性以及含油氣性）在三維空間上分布的不均一性［1-3］。 焦養(yǎng)泉等（2006）將此應(yīng)用于砂巖型鈾礦研究中［4］， 筆者通過多年在鄂爾多斯盆地的工作實踐和研究中發(fā)現(xiàn)， 這一特征也適用于砂巖型鈾礦找礦及成礦規(guī)律的總結(jié)中。

東勝鈾礦田（皂火壕、 納嶺溝和大營鈾礦床以及罕臺廟、 蘇臺廟和新勝等鈾礦產(chǎn)地）的落實， 標志著鄂爾多斯盆地蘊含豐富的鈾資源。 地質(zhì)工作者對每個礦床的研究非常深入，皂火壕和大營鈾礦床礦體產(chǎn)于區(qū)域古層間氧化帶前鋒線附近綠色古層間氧化帶上、 下翼的灰色砂巖中， 呈板狀或卷狀， 同時受橫向和垂向古層間氧化帶前鋒線控制作用明顯；而納嶺溝鈾礦床礦體產(chǎn)于遠離區(qū)域古層間氧化帶前鋒線的氧化-還原過渡帶內(nèi)， 且遠離頂?shù)装宓木G色砂巖與灰色砂巖過渡部位的灰色砂巖中， 呈板狀、 似層狀， 受垂向古層間氧化帶前鋒線控制［5-9］。 罕臺廟鈾礦產(chǎn)地位于區(qū)域古層間氧化帶前鋒線的北東部， 與其他礦床不同的是， 其前鋒線呈 “環(huán)狀” 展布， 而這一特征可能是由于砂體的非均質(zhì)性造成的［10-11］。 筆者選擇罕臺廟鈾礦產(chǎn)地的農(nóng)勝新地區(qū)開展精細研究， 以分析研究直羅組下段下亞段砂體非均質(zhì)性的外部和內(nèi)部幾何形態(tài)特征為基礎(chǔ)， 總結(jié)砂體非均質(zhì)性與鈾礦化的關(guān)系。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

農(nóng)勝新地區(qū)構(gòu)造上處于盆地北部的東勝-靖邊單斜上。 東勝-靖邊單斜為一由西向東、由北向南傾斜的大型斜坡帶， 并接受了延安組和直羅組的沉積， 尤其直羅組發(fā)育穩(wěn)定展布的河流相砂體， 為后期鈾成礦提供了良好的儲礦空間， 出露地層主要為： 三疊系、 侏羅系、 白堊系及第四系（圖1）。 直羅組是鄂爾多斯盆地北東部主要含礦層位， 根據(jù)沉積時的古氣候， 可分為上、 下兩段。 直羅組下段在漫長的沉積過程中， 由于沉積特點和巖性組合特征前后又不盡相同， 可劃分為上、 下兩個亞段。 其中下亞段砂體發(fā)育， 連續(xù)性好，存在有利后生成礦的 “泥-砂-泥” 巖性結(jié)構(gòu)，且砂體中發(fā)育大量的有機質(zhì)和黃鐵礦等還原介質(zhì)， 是研究區(qū)主要含礦層位， 也是本文重點研究的對象（圖2）。

在鄂爾多斯盆地東北部， 砂體和古層間氧化帶是砂巖型鈾礦找礦的關(guān)鍵。 砂巖的粒度分布范圍較廣， 從粗粒到細粒均有發(fā)育，自下而上發(fā)育多個由粗到細的正（半）韻律，部分砂體下部發(fā)育以泥礫或碳質(zhì)碎屑為特征的沖刷面， 巖性以灰色砂巖夾泥巖為主， 砂巖中發(fā)育大量的炭屑、 黃鐵礦等還原介質(zhì)，還原能力強。

圖1 鄂爾多斯盆地東北部地質(zhì)圖Fig. 1 Uranium geology map of the northeastern Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地北東部鉆孔綜合柱狀圖Fig. 2 Comprehensive stratigraphic column of boreholes in the northeast of Ordos Basin

鄂爾多斯盆地東北部直羅組下段下亞段砂體厚度的分布范圍是0～157.6 m， 總體表現(xiàn)為北西厚、 南東薄的特點。 砂體厚度高值區(qū)（厚度＞50 m）主要集中在蘇臺廟-大營-泊江海子-大成梁-康巴什以北， 河道中心位于納嶺溝-大成梁-合同廟-腦營溝一帶， 并向兩側(cè)發(fā)育多個較大的分支。 農(nóng)勝新地區(qū)位于主河道東北部的分支河道部位， 受沉積環(huán)境和沉積作用的影響， 河道頻繁分岔， 砂體非均質(zhì)性增強， 進而影響了綠色古層間氧化帶的形態(tài)和鈾礦化的富集（圖3）。

圖3 鄂爾多斯盆地東北部直羅組下段下亞段砂體厚度圖Fig. 3 Sand body thickness in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the northeast of Ordos Basin

2 砂體非均質(zhì)性特征

鄂爾多斯盆地北東部發(fā)育一種特殊的控礦的層間氧化帶——灰綠色古層間氧化帶。前人研究發(fā)現(xiàn)， 砂體非均質(zhì)性與古層間氧化作用有著密切的聯(lián)系， 焦養(yǎng)泉等（2005）認為砂體非均質(zhì)性是鈾成礦的關(guān)鍵因素之一［12］，而古層間氧化帶又是重要的控礦因素， 因此，砂體非均質(zhì)性在一定程度上控制鈾礦化的產(chǎn)出。 但前人對鄂爾多斯盆地東北部直羅組下段下亞段砂體非均質(zhì)性的研究非常少， 謝慧麗等（2016）對罕臺廟地區(qū)砂體非均質(zhì)性進行了詳細的研究， 并將非均質(zhì)性參數(shù)進行分類、歸納和 總 結(jié)［13］， 但由于研究范圍大， 且區(qū)內(nèi)的成礦帶距離較遠、 成礦作用不盡相同， 不能夠很好的指導(dǎo)找礦。

砂體非均質(zhì)性受多種參數(shù)的影響， 用單參數(shù)表征砂體非均質(zhì)性都具有片面性， 因此，對多種參數(shù)的綜合研究則尤為重要［14-15］。 筆者認為砂體非均質(zhì)性可進一步分為表象特征和內(nèi)在特征， 而表象特征可以通過砂分散體系來體現(xiàn)， 具體表現(xiàn)為砂體厚度和含砂率的變化特征；內(nèi)在特征則主要表現(xiàn)在泥巖隔擋層數(shù)量和累計厚度、 砂巖粒度、 沉積韻律等變化特征。

2.1 砂體非均質(zhì)性表象特征

1） 砂體厚度、 含砂率

通過對農(nóng)勝新地區(qū)63 個鉆孔資料的綜合整理、 對比和研究， 統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)直羅組下段下亞段砂體厚度為18.6～61.5 m， 平均為32.12 m，其中， 砂體厚度主要分布于20～40 m 之間，占總孔數(shù)的86.27%（圖4a）； 含砂率為64.16%～98.88%， 平均為82.71%， 其中， 含砂率70%～100%的鉆孔占94.12%， 70%～90%的鉆孔占74.51%（圖4b）。

2） 砂體形態(tài)及成因

研究區(qū)位于區(qū)域主河道的東部， 砂體厚度較?。▓D3）， 區(qū)內(nèi)直羅組下段下亞段砂體厚度總體由北西向南東方向發(fā)育， 并向兩側(cè)逐漸變薄， 從研究區(qū)沉積相圖可發(fā)現(xiàn)， 區(qū)內(nèi)共發(fā)育2 條分支河道， 分別分布位于農(nóng)勝新地區(qū)的南部和北部， 整體呈北西-南東向展布，并于東南部有匯集的趨勢（圖5、 6）。

2.2 砂體非均質(zhì)性內(nèi)在特征

1） 泥巖隔擋層層數(shù)及累計厚度

數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明， 農(nóng)勝新地區(qū)直羅組下段下亞段砂體中發(fā)育泥巖隔擋層層數(shù)為0～6 層。 其中， 發(fā)育小于等于3 層的鉆孔占比96.08%， 發(fā)育0 層的鉆孔占比17.65%， 發(fā)育1 層和2 層的鉆孔占比58.82%， 大于等于4 層的鉆孔占比3.92%（圖7a）； 泥巖隔擋層累計厚度為0～3.9 m， 平均為1.02 m， 其中， 主要發(fā)育厚度為0～2 m， 鉆孔數(shù)占比68.63%（圖7b）。

圖4 研究區(qū)直羅組下段下亞段砂體厚度（a）和含砂率（b）統(tǒng)計圖Fig. 4 Statistical histogram of sand body thickness （a） and sandstone percentage （b） in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study area

圖5 研究區(qū)直羅組下段下亞段砂體厚度（a）和含砂率（b）等值線圖Fig. 5 Contour map of sand body thickness （a） and sandstone percentage （b） in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

2） 砂巖粒度

研究中， 通過對農(nóng)勝新地區(qū)78 個粒度樣品（細砂巖27 個、 中 砂 巖29 個、 粗 砂 巖22個）分析結(jié)果中細粒、 中粒和粗粒的含量進行統(tǒng)計， 利用厚度加權(quán)法分別計算各粒級砂巖中的細粒、 中粒和粗粒的含量， 然后對每個鉆孔中細砂巖、 中砂巖和粗砂巖的厚度進行統(tǒng)計， 并再次運用厚度加權(quán)法計算每個鉆孔的細粒、 中粒和粗粒的百分含量， 最后得出該鉆孔砂巖中各粒級的百分含量， 以含量最高的定為該鉆孔的平均粒度。 最終根據(jù)所得的數(shù)據(jù)進行編圖。 統(tǒng)計結(jié)果顯示， 農(nóng)勝新地區(qū)的平均粒度以細粒和中粒為主， 占比96.61%， 其 中， 細 粒 占44.07%， 中 粒 占52.54%（圖8a）。

3） 砂體結(jié)構(gòu)及韻律

農(nóng)勝新地區(qū)直羅組下段下亞段砂體主要由三角洲的分支河道沉積構(gòu)成， 由不同粒級的砂巖構(gòu)成。 自上而下由多個砂體疊置而成，部分砂體下部發(fā)育以泥礫或碳質(zhì)碎屑為特征的沖刷面（圖9）。 每個砂體單元可作為一個小的沉積旋回， 表現(xiàn)為正韻律沉積特征。 單個鉆孔的沉積韻律為3～10 個， 平均為5.1 個，最多可見10 個正（半）韻律， 主要以5～9 個為主， 占總孔數(shù)的82.52%（圖8b）， 但發(fā)育沒有明顯的規(guī)律性， 韻律層的發(fā)育也具有一定的非均質(zhì)性。

綜上所述， 通過對砂體非均質(zhì)性各種影響因素的統(tǒng)計和編圖， 發(fā)現(xiàn)砂體厚度、 含砂率、 泥巖隔擋層及砂巖平均粒度之間存在著密切的聯(lián)系， 河道中心部位砂體厚度大、 含砂率高、 泥巖隔擋層不發(fā)育， 非均質(zhì)性弱； 而分流間灣則砂體厚度薄、 含砂率低、 泥巖隔擋層較發(fā)育， 砂體非均質(zhì)性明顯增強。

圖6 研究區(qū)直羅組下段下亞段沉積相圖Fig. 6 Distrobition of Sedimentary facies of the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

3 砂體非均質(zhì)性與鈾礦化的關(guān)系

3.1 砂體非均質(zhì)性表象特征與鈾礦化的關(guān)系

1） 通過數(shù)理統(tǒng)計顯示， 研究區(qū)砂體厚度為20～40 m 時， 成礦幾率高（成礦幾率， 即鉆孔發(fā)現(xiàn)鈾礦化、 異常的概率）， 尤其是砂體厚度為20～30 m 時， 成礦幾率最高， 且出現(xiàn)工業(yè)孔的比率也達到最高， 而砂體厚度小于20 m 或大于40 m 時， 成礦幾率則迅速降低（圖10a）； 含砂率70%～90%時， 成礦幾率較高， 含砂率70%～80%時， 成礦幾率最高， 且出現(xiàn)工業(yè)孔的比率也達到最高； 而含砂率小于70%時， 成礦幾率大大降低， 且無工業(yè)孔，含砂率大于90%時， 成礦幾率明顯降低， 尤其工業(yè)孔和礦化孔出現(xiàn)的幾率明顯降低（圖10b）。

圖7 研究區(qū)直羅組下段下亞段泥巖隔擋層層數(shù)（a）和累計厚度（b）統(tǒng)計圖Fig. 7 Diagrams showing the number （a） and the cumulative thickness （b） of mudstone barrier layer in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

圖8 研究區(qū)直羅組下段下亞段砂巖平均粒度（a）和韻律（b）統(tǒng)計圖Fig. 8 The average grain size （a） and rhythm number （b） of the sandstone in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

圖9 砂體底部沖刷面Fig. 9 The erosion surface at the bottom of sand body

圖10 研究區(qū)直羅組下段下亞段砂體厚度（a）和含砂率（b）與鈾成礦關(guān)系統(tǒng)計Fig. 10 Diagrams showing the relationship between sand body thickness （a）， sandstone percentage （b） and uranium mineralization in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

2） 從砂體形態(tài)、 成因分析， 研究區(qū)鈾礦化主要位于分支河道和分流間灣的邊緣部位，即砂體厚度、 含砂率突變的部位。 農(nóng)勝新地區(qū)主要表現(xiàn)為鈾礦化位于砂體厚度為30 m 和含砂率為80%的等值線附近， 即砂體厚度為20～40 m、 含砂率為70%～90%時， 成礦幾率最高。 從古層間氧化作用的角度分析， 古層間氧化帶的發(fā)育受砂體展布形態(tài)及沉積相變等因素的控制， 粒度較粗、 連續(xù)性好的砂體必然會遭受強烈的層間氧化作用， 而砂體由寬而厚向薄而窄的過渡部位， 是地下水能量發(fā)生變異的部位， 也是古層間氧化帶前鋒線發(fā)育和鈾礦化富集的有利部位。 從砂體的形成原因分析， 分流河道沉積的砂體往往分岔的比較頻繁。 砂體在沉積和成巖作用過程中伴隨著能量與強度的差異， 形成了一些滲透性很差的隔擋層， 從而造成了河道砂體內(nèi)部和相互間的連通性大大降低， 把砂體分割成一個個透鏡狀或半連通的單元。 河道分岔部位是地下水動力發(fā)生變異的部位， 也是古層間氧化帶發(fā)育的停滯區(qū)。 因此， 鈾礦化主要形成于河道的邊緣， 而河道中心由于遭受強烈的層間氧化作用， 不易形成鈾礦化（圖5、 6）。

3.2 砂體非均質(zhì)性內(nèi)在特征及其與鈾礦化的關(guān)系

1） 數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明， 研究區(qū)泥巖隔擋層層數(shù)為1 層和2 層時， 成礦幾率高， 尤其出現(xiàn)工業(yè)孔的幾率高， 而0 層或大于2 層時，成礦幾率明顯降低（圖11a）。 泥巖隔擋層累計厚度為0～2 m 時， 成礦幾率高， 尤其厚度為0～1 m 時， 成礦幾率最高， 出現(xiàn)工業(yè)孔的幾率也最高； 而累計厚度為0（不發(fā)育泥巖隔擋層）或累計鈾厚度大于2 m 時， 鈾成礦的概率則明顯降低（圖11b）。

通過對比泥巖隔擋層層數(shù)、 累計厚度和砂體厚度、 含砂率等值線圖， 筆者發(fā)現(xiàn)， 兩者具有一定的關(guān)聯(lián)性和相似性， 即不發(fā)育泥巖隔擋層的區(qū)域恰恰位于砂體厚度大、 含砂率高的部位， 即分支河道主流線部位； 而發(fā)育泥巖隔擋層較多的區(qū)域則位于砂體厚度小、含砂率低的部位， 即分流間灣或河道間沉積的部位。 這是由于河道中心水動力強， 泥巖隔擋層不容易保留， 而分流間灣和河道間水動力弱， 泥巖隔擋層容易保留的原因。 農(nóng)勝新地區(qū)鈾礦化主要位于泥巖隔擋層1 層和2層、 累計厚度為0～2 m 的區(qū)域， 同時泥巖隔擋層層數(shù)和累計厚度突變的區(qū)域鈾成礦幾率高； 而泥巖隔擋層為0 層或?qū)訑?shù)和累計厚度較大時， 則成礦幾率非常低。 從層間氧化作用的角度看， 具有 “泥-砂-泥” 巖性結(jié)構(gòu)的鉆孔更有利于層間氧化作用以及鈾的富集，可能是由于泥巖隔擋層不發(fā)育會造成砂體遭受強烈的氧化， 沒有合適的還原障， 鈾元素無法得到相應(yīng)的富集； 相反， 泥巖隔擋層過于發(fā)育， 造成砂體非均質(zhì)性太強， 層間氧化作用太弱， 影響了含氧含鈾水的運移和鈾的富集（圖12）。

圖11 研究區(qū)直羅組下段下亞段泥巖隔擋層層數(shù)（a）和累計厚度（b）與鈾成礦關(guān)系統(tǒng)計Fig. 11 Statistics on the relationship of uranium metallization probobility to the layer number （a）， cumulative thickness （b） of mudstone barrier layer in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

圖12 研究區(qū)直羅組下段下亞段泥巖隔擋層累計厚度（a）和層數(shù)（b）等值線圖Fig. 12 Contour map of cumulative thickness （a） and the number （b） of confined mudstone in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

2） 數(shù)理統(tǒng)計顯示， 砂巖平均粒度為中、細粒時， 成礦幾率較大， 尤其平均粒度為中粒時， 成礦幾率最大， 而工業(yè)孔和礦化孔的砂巖平均粒度也主要為中粒（圖13a）。 通過砂巖平均粒度圖與前面的砂體厚度、 含砂率及泥巖隔擋層圖件進行詳細對比， 筆者發(fā)現(xiàn)，砂體厚度大、 含砂率高、 泥巖隔擋層發(fā)育厚度少、 累計厚度小的區(qū)域也正是砂巖平均粒度大的區(qū)域。 這也說明， 砂巖粒度、 砂體厚度、 含砂率及泥巖隔擋層之間存在著相關(guān)性，河道中心部位水動力強， 砂體厚度大、 含砂率高、 砂巖平均粒度大、 泥巖隔擋層不發(fā)育，砂體非均質(zhì)性弱； 河道間和分流間灣則砂體厚度小、 含砂率低、 砂巖平均粒度小、 泥巖隔擋層較發(fā)育， 砂體非均質(zhì)性強（圖13b）。 砂體的沉積韻律對古層間氧化帶的發(fā)育特征具有控制作用， 即砂體的不同沉積韻律內(nèi)受砂體非均質(zhì)性的影響往往能形成多條層間氧化帶。 研究區(qū)成礦作用與砂體的沉積韻律有關(guān)， 砂體中發(fā)育5～7 個沉積韻律時， 對鈾成礦最為有利（圖13c）。 沉積韻律少， 有利于層間氧化帶向前穩(wěn)定發(fā)展， 但不利于鈾的沉淀富集； 沉積韻律過多， 砂體非均質(zhì)性太強， 空間上穩(wěn)定展布的均一的粒度較粗的砂體分布范圍有限， 含氧含鈾水的運移能力和層間氧化帶的穩(wěn)定延伸受到制約， 對鈾成礦不利。

4 結(jié)論

1） 砂體非均質(zhì)性影響層間氧化作用， 兩者呈強弱對立的關(guān)系， 從而砂體非均質(zhì)性對鈾礦化的形成具有控制作用。 研究區(qū)直羅組下段下亞段砂體厚度為20～30 m、 含砂率為70%～80%、 泥巖隔擋層層數(shù)為1 層和2 層、泥巖隔擋層累計厚度0～1 m、 沉積韻律為5～7 個時， 成礦幾率高。

圖13 研究區(qū)直羅組下段下亞段砂巖平均粒度、 韻律與鈾礦化關(guān)系圖Fig. 13 Diagrams showing the relationship between the average grain size， rhythm number and uranium metallization probability in the lower submember， lower member of Zhiluo Formation in the study region

2） 砂體非均質(zhì)性弱， 地下水動力及層間氧化作用強， 砂體必然會遭受強烈的層間氧化作用； 相反， 砂體非均質(zhì)性強， 則不易發(fā)生有利于鈾成礦的氧化帶作用。 而砂體非均質(zhì)性由弱到強的突變， 導(dǎo)致含氧含鈾水運移能力發(fā)生變化， 同時延長了砂體對鈾的吸附時間， 從而控制了鈾的富集成礦。