二连盆地塔北凹陷反转构造特征与砂岩型铀矿之间的关系
Relationships between inverted structures and sandstone-hosted uranium deposits in the Tabei Sag, Erlian Basin
通讯作者: 李满根(1969-),男,博士,教授,主要从事矿产资源勘查、成矿预测与评价研究工作。Email:75363159@qq.com
第一作者:
责任编辑: 蒋实
收稿日期: 2023-10-26 修回日期: 2024-04-15
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Received: 2023-10-26 Revised: 2024-04-15
通过地震反射剖面和钻井等资料,厘定了二连盆地塔北凹陷反转构造类型和样式,进而探讨了构造反转成因机制及其与砂岩型铀矿之间的关系。结果显示:塔北凹陷东部和西部遭受了不同程度的正反转构造作用,东部发育典型的反转构造样式,西部巴彦乌拉、芒来等地区沿反转断层F1上盘的赛汉组被抬升,近乎被完全剥蚀,原有的反转构造几何形态被破坏。在早白垩世赛汉组晚期(113~98.9 Ma)及晚白垩世—古新世初(66~42 Ma),古太平洋板块俯冲方向由NW转为NWW向,二连盆地塔北凹陷应力状态由伸展转变为挤压反转,形成一系列压性、压扭性构造,赛汉组及上白垩统被抬升剥蚀,形成区域性的角度不整合。构造反转作用一方面造成塔北凹陷赛汉组沉积体系由湖相转变为河流相,另一方面导致赛汉组与上覆地层差异性升降并遭受不均衡剥蚀,形成剥蚀天窗,有利于含铀、含氧流体向深部深入和流动,控制了层间氧化带的形态和发育,促进了铀矿富集。
关键词:
Using seismic reflection profiles and drilling data, this study determined the types and styles of inverted structures in the Tabei Sag, Erlian Basin. Accordingly, this study explored the genetic mechanisms of the inverted structures and their relationships with sandstone-hosted uranium mines. The results indicate that the eastern and western parts of the Tabei Sag experienced different degrees of normal and inverted tectonism. As a result, the eastern part exhibits typical inverted structural styles. In contrast, in the western part, the Saihan Formation on the hanging wall of inverted fault F1 in the Bayanwula and Manglai area was uplifted and almost completely eroded, with the original geometries of inverted structures being destroyed. During the late depositional stage of the Early Cretaceous Saihan Formation (113~98.9 Ma) and from the Late Cretaceous to the Early Paleocene (66~42 Ma), the subduction direction of the Paleo-Pacific Plate shifted from NW to NWW. This change altered the stress regime in the Tabei Sag from extension to compressional inversion, leading to the formation of a series of compressional and compressional-torsional structures. Consequently, the Saihan Formation and the Upper Cretaceous strata were uplifted and eroded, resulting in the formation of regional angular unconformities. The structural inversion transformed the sedimentary system of the Saihan Formation in the Tabei Sag from lacustrine to fluvial facies. Meanwhile, it caused differential uplift and uneven erosion of the Saihan Formation and its overburden, leading to the formation of erosion windows. This facilitated the infiltration and migration of uranium- and oxygen-bearing fluids toward deep parts. These processes controlled the morphologies and development of interlayer oxidation zones, thereby promoting the enrichment of uranium deposits.
Keywords:
本文引用格式
陈念楠, 李满根, 宋志杰, 关宝文, 段建兵, 李西得, 刘武生, 范鹏飞, 刘颖.
CHEN Nian-Nan, LI Man-Gen, SONG Zhi-Jie, GUAN Bao-Wen, DUAN Jian-Bing, LI Xi-De, LIU Wu-Sheng, FAN Peng-Fei, LIU Ying.
0 引言
盆地由沉降沉积区向隆起侵蚀区转化,即由原始伸展构造向挤压构造发生转化的过程称为正反转构造作用[1]。近年来,砂岩型铀矿后生改造及成矿受构造正反转的影响已被各方学者重点关注,对反转构造的几何形态、样式及动力学等方面的认识已经成为研究砂岩型铀成矿的重要依据[2]。二连盆地在中—新生代经历了多期裂陷活动和挤压反转作用的交替演化,主要分为伸展(早—中侏罗世)、构造反转(晚侏罗世)、强烈伸展(早白垩世)、抬升反转(晚白垩世以来)4个阶段。赵贤正等[3]指出二连盆地在早白垩世发育过程中,盆地内不同凹陷反转活动的时间和期次不尽相同,部分凹陷在阿尔善组沉积末期、腾一段沉积末期以及腾二段末期的构造反转最为普遍。鲁超等[4]认为在腾格尔组沉积期至赛汉组沉积期内,塔北凹陷由断陷期转变为断坳转换期,其沉降速率明显降低,形成了多个正反转构造。刘武生等[5]也认为在赛汉组沉积末期塔北凹陷经历了构造抬升作用,并通过塔北凹陷北缘花岗岩磷灰石裂变径迹反演,认为赛汉组沉积末期以来抬升幅度达980 m。陈念楠等[6]根据2D地震资料进行平衡剖面恢复同样发现,在塔北凹陷腾格尔组沉积末期—赛汉组沉积期间,断陷作用基本结束,凹陷整体大幅度隆升,遭受强烈剥蚀。尤其是赛汉组沉积末期以来,古太平洋板块向欧亚板块俯冲方向由NW向转为NNW向,其导致的区域左旋压扭的应力环境使二连盆地发育了大量反转构造,造成塔北凹陷大部分区域缺失上白垩统及古新统地层。从磷灰石表观年龄测得二连盆地中部反转构造时间约为66~42 Ma,而塔北凹陷巴彦乌拉铀矿床铀成矿年龄为44±5 Ma,与这一期构造反转发生时间相对应[5],反映在赛汉组晚期后隆升并遭受剥蚀,从而发育广泛的层间氧化带和铀成矿作用。
1 大地构造背景
二连盆地位于蒙古—兴安裂谷系中部,是在海西期褶皱基底和侏罗纪残留盆地的基础上,经过强烈伸展作用形成的含铀陆相盆地[13]。受古太平洋板块、印度板块和西伯利亚板块的联合影响,区域内广泛发育NE向断裂和大量海西期、印支期花岗岩带,新生代受NW向断裂的影响,沿断裂发育有碱性玄武岩,向盆地内提供了丰富的物源。塔北凹陷位于二连盆地马尼特坳陷西南部,面积约1 682 km2,分别被苏尼特隆起、巴音宝力格隆起所夹持,主体构造线为NE向,为西断东超、北陡南缓的单断箕状结构[6](图1)。塔北凹陷基底主要为石炭—二叠纪二长花岗岩体、中—下侏罗统阿拉坦合力群凝灰质砾岩和上侏罗统兴安岭群凝灰质砂砾岩。下白垩统为主要的沉积盖层,自下而上分别为阿尔善组(K1a)杂色粗碎屑岩及泥岩建造、腾格尔组(K1t)细碎屑岩建造、赛汉组(K1s)灰色含煤粗碎屑岩建造以及古近系伊尔丁曼哈组(E2y)红色粗碎屑岩建造(图2)。
图1
图2
2 塔北凹陷反转构造样式及特征
2.1 东部构造反转样式及特征
图3
图4
2.2 西部构造反转样式及特征
塔北凹陷西部巴彦乌拉铀矿床地区(C-C')地震剖面显示,凹陷中部赛汉组呈亚平行结构上超充填相,赛汉组上段砂体发育在剖面中部F1和F5断层之间,与腾格尔组二段呈角度不整合接触。F1断层于晚白垩世发生构造反转后,赛汉组上段砂体分布范围及厚度相当局限,仅保留于剖面中部F1和F5断层之间,且向两侧逐渐尖灭。靠近凹陷边缘的BZK335-15钻孔中赛汉组埋深不足30 m,沿F1反转断层一侧的赛汉组被抬升,北西侧赛汉组上段近乎完全被剥蚀,缺失中部的粗砂岩段,保留下部的灰色细粒层及上部的红色细粒层。赛汉组沉积中心远离边界断层,仅在凹陷中部低洼地区有所分布(图5)。靠近F1断层的古近系同样受此影响遭受剥蚀减薄,反映F1断层同样对赛汉组上覆地层起到了控制作用。
图5
图5
塔北凹陷西部巴彦乌拉地区C-C'地震剖面及其对应的连井剖面
(地震反射剖面据彭云彪等[15]修改,连井柱状剖面据聂逢君等[16]修改,剖面位置见
Fig.5
C-C' seismic profile and its corresponding well connection section of Bayanwula area, west of Tabei Sag
(seismic retlection section is modified according to Peng et al.[15], and the well connection column section is modified according to Nie et al.[16]. the location of the profile is shown in
而塔北凹陷芒来铀矿床地震剖面(D-D')显示,赛汉组为亚平行结构反射连续席状相,反映了稳定盆地平原背景上的均匀沉积作用,为三角洲平原沉积。剖面中部赛汉组表现为亚平行—乱岗结构上超前积相,反映为侵蚀河谷(图6)。连井剖面展示出赛汉组下段埋深在北西部与中部存在明显差异,赛汉组沉积、沉降中心由边缘逐渐向中心迁移,地层厚度向南东逐渐加深。中部B831-197井顶界埋深接近162 m,北西边缘B12井则显示赛汉组下段接近出露地表,赛汉组上段被严重剥蚀。根据野外岩心编录,芒来铀矿床的铀矿化段下部普遍发现产于赛汉组下段的煤层,在剖面西部B12井该煤层最浅埋深约55 m,由于煤层的产生需要远大于55 m的埋深和地温条件,说明赛汉组在沉积后又经历了剧烈的构造抬升剥蚀,尤其是靠近F1反转断层上盘,赛汉组被剥蚀的厚度和规模更大、程度更为严重,造成了赛汉组与古近系之间的角度不整合,破坏了塔北凹陷西部原有的构造反转形态。
图6
图6
塔北凹陷西部芒来地区D-D'剖面及对应的连井剖面
(地震反射剖面据彭云彪等[15],连井柱状剖面据聂逢君等[16]修改,剖面位置见
Fig.6
D-D' seismic profile and its corresponding well connection section of Manglai area, west of Tabei Sag
(seismic reflection section is modified according to Peng et al.[15], and the well connection column section is modified according to Nie et al.[16], the location of the profile is shown in
3 二连盆地反转构造成因机制探讨
从地震平衡剖面的角度能够有效反演塔北凹陷沉积充填历史,通过对过巴彦乌拉矿区的C-C'地震剖面开展平衡剖面恢复表明(图7):在早白垩世阿尔善期(138~131 Ma),塔北凹陷在侏罗系基底之上形成断陷盆地;腾格尔组沉积时期(131~121 Ma),塔北凹陷边界断层活动持续性加强,凹陷持续沉降,在塔北凹陷F4~F5断层间形成较大的沉降中心,湖区面积达到顶峰,占凹陷总面积的50%~60%。赛汉组沉积早期(121~113 Ma),凹陷整体进入断—坳转换期,尽管塔北凹陷仍在沉降,但整体沉降幅度较小,大部分断裂活动基本停止于赛汉组界面以下,断陷基本上不对沉积起控制作用。赛汉组沉积晚期—晚白垩世初(113~98.9 Ma),塔北凹陷先后受到微弱的伸展作用和构造反转挤压,开始形成反转构造。在晚白垩世—古近纪期间(66~42 Ma),塔北凹陷在区域性左旋压—剪应力场的作用下产生了一系列压性及压扭性反转构造,缺失上白垩统和古新统地层,造成区域性的角度不整合,赛汉组遭受大面积剥蚀并形成多个构造天窗,同时在晚白垩世后期长期干旱的气候条件下,赛汉组上段持续受到风化剥蚀,有利于铀在氧化环境中迁移,为层间氧化带的形成和铀成矿作用提供了有利条件。进入新近纪后,地层的差异升降及填平补齐作用也对该区砂岩型铀矿的沉积起到了保护作用[6]。
图7
4 反转构造对砂岩型铀成矿的影响
4.1 构造反转控制沉积相分布及赋矿砂体发育
在赛汉组沉积后,二连盆地的古气候由干旱向半干旱转变,塔北凹陷由断陷湖盆转换为坳陷湖盆。在整体抬升的背景下,塔北凹陷由扇三角洲—湖泊沉积体系转变为河流沉积体系,赛汉组上段延续了赛汉组下段沉积地貌和古水流的方向。在凹陷的长轴方向形成河道,发育成层性、连通性好的辫状河沉积砂体,构成砂岩型铀矿的有利储层。受构造地貌的影响,在凹陷南北边缘发育洪泛沉积[16],在赛汉组上段内部形成多个隔水顶板,减弱了含铀含氧水流动的速度,使铀吸附沉淀,对铀矿体起到了保护作用。
4.2 构造反转控制含铀含氧流体运移
晚白垩世—古近纪构造反转事件导致塔北凹陷北西部边缘主干断层F1发生构造正反转,地层倾角发生1°~5°的变化,形成构造缓坡。在反转背斜核部,含矿目的层被抬升至地表,接受含铀含氧水的侧向或顺向渗入;而在反转背斜两侧,形成两个倾缓的斜坡,有助于含铀含氧水的侧向运移,形成层间氧化带型铀矿化。刘武生等[5]基于镜质体反射率及磷灰石裂变径迹计算塔北凹陷的剥蚀量和隆升幅度,认为在赛汉组沉积晚期巴彦乌拉地区抬升幅度达785~980 m,塔北低凸起和斜坡带剥蚀厚度约600~829 m。暴露地表的赛汉组受到剥蚀,形成剥蚀天窗,大气降水能沿着剥蚀天窗持续渗入,促进含铀含氧水形成通畅的 “补—径—排”体系,在赛汉组发育层间氧化带。
巴彦乌拉铀矿床土壤氡气测量能够进一步佐证构造反转控制含铀流体的迁移:当含铀含氧流体渗入砂岩层,会携带溶解的氡气,这时在主矿体北西侧斜坡氧化带中形成了第一个氡气高浓度区(5 000~6 500 Bq/m3)。当流体继续深入至赛汉组斜坡带的深部位或河道中心,纵向上被古近系厚度大、渗透性差的红色泥岩覆盖[22],氡气释放的速度减慢,深部地下氡气含量开始下降,导致地表检测到矿体所产生的放射性氡浓度值较低(4 000~4 750 Bq/m3)。而主矿体南东侧发育的断层可为含铀含氧流体提供排泄通道,在主矿体南东侧斜坡还原带中形成第二个氡气高浓度区(4 500~5 000 Bq/m3)。
图8
4.3 构造反转连通地层深部还原性物质
图9
5 结论
1)塔北凹陷自白垩统以来,东、西部的反转和隆升程度不同,东部呈现明显反转构造样式,而西部的巴彦乌拉、芒来铀矿床等地区受剥蚀程度大,破坏了原有的构造反转形态,反映西部构造反转规模和程度远大于东部。
2)二连盆地塔北凹陷在早白垩世晚期赛汉组沉积后开始发生构造正反转,至晚白垩世初,古太平洋板块俯冲方向由NW转向为NNW向的变化,导致东北亚地区的古构造应力场由伸展转化为挤压,形成塔北凹陷的压性、压扭性反转构造作用,局部赛汉组以及全部上白垩统被抬升剥蚀,形成区域性的角度不整合。
3)构造反转使塔北凹陷的沉积体系由湖相转变为河流相,为砂岩型铀矿提供容矿空间,靠近F1断层的赛汉组及其上覆地层产生差异性升降,形成剥蚀天窗,造成芒来、巴彦乌拉铀矿床持续受到剥蚀淋滤,有利于含铀含氧流体的深部渗入和流动。同时深部还原性物质上涌,叠加砂体中炭屑等有机质,并影响着控制了层间氧化带的形态发育,进一步促进铀的还原富集。
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[本文引用: 1]
二连盆地下白垩统充填在一系列NE—NNE向基底断层控制的地堑、半地堑断陷中,可以划分为5个坳陷和4个隆起。根据断陷及其主控断层的组合方式可以将复式断陷划分为串联式、并联式、斜列式和交织式等4个类别,每一类又可以分为同向半地堑复合、相向半地堑复合、地堑与半地堑复合和地堑与地堑复合等4种型式。复式断陷带(群)的分布主要受海西期基底软弱带控制,构成的5个坳陷的延伸方向各不相同。二连盆地下白垩统的含油气性与复式断陷结构、裂陷作用方式密切相关:正向裂陷作用形成以串联式、串联斜列式复合为主的复式断陷,有利于发育具有深洼槽的断陷湖盆,为烃源岩发育创造了条件;斜向裂陷作用形成的以斜列式、并联式复合为主的复式断陷,有利于发育具有宽缓斜坡、台地的断陷湖盆,发育斜坡相烃源岩;隆起上零星散布的断陷多是在刚性基底上发育的,边界断层陡倾且位移量大的断陷更利于形成发育烃源岩的深陷湖盆。
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