直罗组整体连片分布于鄂尔多斯盆地内, 在盆地东北部, 东胜神山沟、囫梁沟、神木考考乌素沟等各大沟系均有出露; 在盆地腹地则深埋于地下, 埋深呈西深东浅之势。通过120余口井的分层资料和多处露头资料的统计制图表明, 研究区直罗组厚度一般在100~450, m之间, 呈西北厚、东南薄的变化趋势, 最厚处超过500, m, 位于苏里格庙和鄂托克前旗之间; 在鄂托克旗以西地区以及东胜— 杭锦旗之间, 直罗组厚度普遍大于250, m; 向东南部地区厚度减薄至150, m以下(图 1-b)。

对神木考考乌素沟, 东胜神山沟、囫梁沟露头剖面和杭锦旗矿区岩心观察表明, 直罗组主要是一套以灰白色、灰绿色、棕黄色砂岩及灰绿色、蓝灰色、紫红色泥岩组成的河流相沉积。研究区多数剖面垂向上可划分为2个由粗变细的正旋回(图 2-a)。下旋回的下部为黄绿色厚层块状中粗粒砂岩, 俗称“ 七里镇砂岩” , 区域上分布较为稳定, 底部常含砾石, 偶夹砾状砂岩或砾岩透镜体; 上部为浅灰、灰绿、蓝灰及少量暗紫色的杂色泥岩与粉、细砂岩互层, 部分地区可见多个薄煤层或煤线, 向旋回上部岩性变细。上旋回的下部为黄绿、灰黄色块状中— 细粒砂岩, 俗称“ 高桥砂岩” (陈庸勋等, 1981), 多呈透镜状, 横向分布不稳定; 上部为紫红、灰白等杂色泥岩夹中— 薄层粉、细砂岩。在研究区东北部东胜地区, 在上部旋回的上部还可见10~15, m厚的砂岩段, 前人据此对盆地东北部直罗组提出了三分方案(焦养泉等, 2005; 张字龙等, 2010)。但大量钻井剖面对比显示, 最上部砂岩段遭受过安定组沉积前的整体抬升剥蚀作用, 在区内不具有普遍性, 故文中采用直罗组下、上2段的划分对比方案(赵俊峰等, 2007; 易超等, 2014), 将顶部砂岩段和上部旋回合称为上段, 下部旋回归为下段(图 2-b)。

鉴于已发现铀矿化段主要分布于直罗组下段的下部砂体中, 为较准确刻画含铀砂体的空间分布特征, 对直罗组下段进行了亚段划分。采用沉积旋回、标志层(煤层、区域分布稳定的厚层砂岩)对比, 并参考厚度变化的原则, 将下段进一步划分为2个亚段。其中下亚段下部为区域稳定分布的巨厚层中粗粒砂岩, 上部为碳质泥岩、薄煤层或煤线夹薄层细砂岩、粉砂岩; 上亚段则以下段中部较厚层中粒砂岩为底界, 上部变为紫红、灰白色泥岩、粉砂岩夹薄层细砂岩(图 2-a, 2-b)。直罗组下段厚度一般为60~240, m, 西北部最厚达260, m; 上段厚度一般为60~220, m, 最厚达240, m, 各段厚度均呈西北大、东南小的特点。下段2个亚段的厚度分别为30~100, m。

2.1.1 砾质辫状河相

砾质辫状河相主要发育于杭锦旗东北、乌海东部地区直罗组下段下亚段中。杭锦旗东北(D15-1— D1-21井区)岩心资料显示, 直罗组下段下部以粗、中粒块状含砾砂岩发育为特征(图 3-a), 部分底部发育薄层砾岩(图 3-b, 3-c); 砂岩中可见冲刷面与交错层理(图 3-d), 夹大量炭屑(图 3-e)。自然电位曲线和自然伽马曲线呈箱型, 砂地比值高, 表现为典型的砂包泥特征, 解释为近物源的砾质辫状河沉积。

图 3

Fig.3

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	图 3 鄂尔多斯盆地北部侏罗系直罗组砾质辫状河沉积岩心特征 a— 含砾粗砂岩, D1-18井, 618.38, m; b— 砾岩, D15-13井, 646.33, m; c— 砾岩, D1-21井, 659.42, m; d— 砂岩中发育交错层理, D16-19井, 767.17, m; e— 含丰富炭屑的粗砂岩, D16-19井, 757.26, m; f— 粗砂岩, D15-13井, 654.73, mFig.3 Core characteristics of gravelly braided river deposits of the Jurassic Zhiluo Formation in northern Ordos Basin.

此外, 盆地西北部Y5井、Y8井的岩屑录井资料显示直罗组下段有3~5层厚度10~40, m的含砾粗砂岩发育。砾石以石英岩为主, 可见砾径2~5, mm, 呈次棱角状, 分选较差。自然伽马、自然电位测井响应也以高幅箱型为主, 夹有极薄的指状高值层(图 4-a), 具有辫状河沉积测井响应特征。

2.1.2 砂质辫状河相

砂质辫状河相主要发育于直罗组下段。在神木考考乌素沟(下段下亚段)、东胜神山沟和囫梁沟(下段上亚段)可见。下部为黄绿色中粗粒砂岩, 单个砂体呈板状, 彼此叠置形成巨厚层状(图 5-a), 累计厚度可达15~40, m, 横向上延伸较稳定; 砂岩底部可见明显的冲刷面(图 5-b), 其上有砾石和植物茎干等滞留沉积, 偶见炭屑(图 5-c), 砂岩内部发育大— 中型板状交错层理(图 5-d)和槽状交错层理(图 5-e)。上部为灰绿色、蓝灰色泥岩和薄层粉砂岩, 厚度一般小于10, m。“ 二元结构” 上部单元不太发育, 总体上具有辫状河道沉积的典型特征。在测井曲线上, 自然电位曲线和自然伽马曲线呈箱状凸起特点, 间夹指状高值薄层, 具有辫状河沉积的测井响应特征(图 4-b)。

图 4

Fig.4

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	图 4 鄂尔多斯盆地北部侏罗系直罗组不同河流相的典型测井响应特征 a— Y5井砾质辫状河测井响应; b— J58井砂质辫状河测井响应; c— S32井曲流河测井响应Fig.4 Characteristics of different fluvial facies on well logging data of the Jurassic Zhiluo Formation in northern Ordos Basin

图 5

Fig.5

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	图 5 鄂尔多斯盆地北部侏罗系直罗组砂质辫状河沉积露头特征(神木考考乌素沟剖面) a— 辫状河河道砂体; b— 河道底部冲刷面与滞留砾石; c— 炭屑; d— 板状交错层理; e— 槽状交错层理Fig.5 Outcrop characteristics of sandy braided river deposits of the Jurassic Zhiluo Formation in northern Ordos Basin

曲流河相主要发育在直罗组下段上亚段和上段。在神木考考乌素沟(下段上亚段)和东胜神山沟和囫梁沟(上段)可见。上部单元由灰紫色、蓝灰色泥岩和细砂岩、粉砂岩、泥岩薄互层组成, 发育沙纹层理和水平层理, 属天然堤、决口扇、河漫等洪泛平原沉积(图 6-a)。下部单元为灰绿色、灰白色中粒砂岩沉积, 砂体多呈透镜状, 厚1~3, m, 横向延伸3~10, m, 底部具明显的冲刷面。可见多期河道砂体的侧向叠置(图 6-b), 横向连续性较差。砂体下部发育大型槽状、板状交错层理, 向上变为小型槽状交错层理和平行层理, 层理规模逐渐变小, 整体具正旋回沉积特征。曲流河的下部、上部单元沉积完整, “ 二元结构” 发育典型。在测井曲线上, 自然电位、自然伽马曲线表现为厚度相近的钟型— 齿型组合特征, 具曲流河沉积的测井响应特征(图 4-c)。

图 6

Fig.6

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	图 6 鄂尔多斯盆地北部侏罗系直罗组曲流河沉积露头特征(神木考考乌素沟剖面) a— 薄层砂岩、泥岩互层组成的河漫滩沉积; b— 透镜体状河道砂体的侧向迁移与叠加Fig.6 Outcrop characteristics of meandering river deposits of the Jurassic Zhiluo Formation in northern Ordos Basin

2.3.1 辫状河三角洲平原亚相

辫状河三角洲平原亚相主要发育在盆地东北部东胜地区直罗组下段下亚段。下部地层岩性主要为灰色、灰绿色中粒长石砂岩。多期叠加的砂体呈巨厚层状(图 7-a), 且横向分布稳定; 内部发育大型板状、槽状交错层理(图 7-b), 可见大量炭屑(图 7-c), 具有辫状河道的沉积特点。砂体底部冲刷面起伏强烈, 可见大量钙化木等滞留沉积(图 7-d), 但未见砾石。上部地层主要为灰绿色、深灰色泥岩和碳质页岩, 并发育2层厚度0.8, m左右的薄煤层(图 7-e), 反映沉积时为安静的覆水环境, 是利于高等植物生长和有机质堆积的沼泽和小型湖泊环境。综合下部地层辫状河道的沉积特点, 认为东胜地区直罗组下段下亚段为辫状河三角洲平原沉积, 主要由辫状分流河道和分流间湾沉积组成。作者和焦养泉等(2006)实测的河道底部的钙化树干的优势排列方向均指示古水流优势方向为由北西指向南东方向。

2.3.2 辫状河三角洲前缘亚相

辫状河三角洲前缘亚相主要发育在神木西北部的大柳塔、高家畔地区。垂向上具有下细上粗的特点(图 8-a)。下部为灰绿色透镜状细砂岩、粉砂岩和泥岩薄互层(图 8-b); 中部以灰绿色泥岩为主(图 8-c), 夹灰绿色薄层砂岩, 发育小型沙纹层理和水平层理。上部为灰绿色巨厚层状中粒砂岩, 底部可见大量泥砾(图 8-d)和碳质页岩夹层(图 8-e); 砂体内部发育板状交错层理(图 8-f)、槽状交错层理。相比东胜地区的辫状河三角洲平原沉积, 神木高家畔地区直罗组泥质沉积物明显增多, 颜色主要为浅灰色、灰绿色等还原色, 缺少泥裂、钙质结核等暴露环境相标志和煤线、薄煤层等沼泽相标志, 垂向序列表现为反韵律特征, 故解释为辫状河三角洲前缘沉积。焦养泉等(2005)在神木石圪台— 大柳塔— 拧条塔一带多个露头剖面亦识别出反旋回沉积序列, 并见到鱼鳞、动物化石碎屑、湖相泥岩等较为典型的三角洲前缘沉积相标志, 进一步佐证该地区应为湖泊边缘的河口水下环境。

图 7

Fig.7

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	图 7 鄂尔多斯盆地北部侏罗系直罗组辫状河三角洲平原沉积露头特征(东胜神山沟剖面) a— 直罗组底部分流河道砂体; b— 槽状交错层理; c— 炭屑夹层; d— 顺层分布的钙化木; e— 灰色泥岩夹2层薄煤层Fig.7 Outcrop characteristics of braided river delta plain deposits of the Jurassic Zhiluo Formation in northern Ordos Basin

图 8

Fig.8

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	图 8 鄂尔多斯盆地北部侏罗系直罗组辫状河三角洲前缘沉积露头特征(神木高家畔剖面) a— 剖面沉积柱状图; b— 灰绿色细砂岩、粉砂岩和泥岩薄互层; c— 灰绿色泥岩; d— 砂岩底部泥砾; e— 碳质页岩夹层; f— 板状交错层理Fig.8 Outcrop characteristics of braided river delta front deposits of the Jurassic Zhiluo Formation in northern Ordos Basin

统计表明, 直罗组下段下亚段砂岩厚度主要在20~60, m之间, 与地层厚度分布类似, 总体呈西北厚、东南薄趋势。在杭锦旗和东胜, 乌海和鄂托克前旗之间砂岩厚度较大, 其他地区逐渐减小。下亚段砂地比值总体在0.5~0.8之间。在伊金霍洛旗西北、乌海东和鄂托克前旗以西大于0.8, 测井响应以厚层箱型为主。从杭锦旗、伊金霍洛旗至神木, 乌海东、乌审旗至榆林以及鄂托克前旗东南分布有3条北西— 南东向的砂地比值较大带, 大于0.6, 测井响应以箱型或箱型— 钟型叠加为主。分析认为, 盆地北部直罗组下亚段主要发育砂质辫状河沉积, 其中3条较厚砂带间砂地比值相对较低的地区, 测井响应以指型、齿化钟型为主, 推测为多期河漫滩和曲流河沉积叠加的结果。岩心和岩屑录井资料显示Y5— Y8井区、D15-13— D1-21井区直罗组底部广泛发育含砾砂岩和砾岩, 应为砾质辫状河沉积。盆地东北部东胜地区主要为辫状河三角洲平原沉积, 向南至大柳塔、高家畔等地逐渐变为辫状河三角洲前缘沉积(图 9)。

岩石学和野外古水流分析进一步佐证了上述相带划分和物源供给方向的判断。直罗组下段砂岩主要为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩, 岩屑成分主要包括沉积岩、浅变质岩和岩浆岩, 显示出近物源的特征(罗静兰等, 2005; 赵俊峰等, 2010; 吴兆剑等, 2013)。对东胜、神木及榆林直罗组砂岩样品岩石学特征的研究认为, 石英平均含量具有北低南高、西低东高的趋势; 长石平均含量分布趋势与石英相反(图 9)。对盆地东北部4处野外露头剖面的古水流测量也表明, 下亚段的物源来自于盆地北部及西部地区, 古水流优势方向以120 ° ~140 ° 为主, 指示物源方向由北西向南东方向(图 9)。现今鄂尔多斯盆地北部和西北部均为新生代断陷盆地环绕, 直罗组分布边界为断层改造边界, 目前残留盆地范围内未见到典型的边缘相。根据前人对直罗组砂岩碎屑锆石年龄分布特征和可能源岩的对比研究, 认为直罗组沉积物源主要来自其北部的阴山— 兴蒙褶皱带、西部的华北克拉通结晶基底以及海西期火成岩体等(王盟等, 2013; 张龙等, 2015, 2016; 罗伟等, 2016)。

直罗组下段上亚段砂岩厚度一般在10~50, m之间, 总体呈西北厚、东南薄趋势。上亚段砂地比值一般在0.4~0.6之间。乌海东、伊金霍洛旗以北以及鄂托克前旗西北地区砂地比值最大, 大于0.6, 测井响应多数为箱型和箱型— 钟型组合。鄂托克旗、苏里格至横山一带及鄂托克前旗西南、神木西北地区砂地比值大于0.5, 测井响应以钟型为主。3条砂带之间砂地比值较小, 小于0.4, 测井响应表现为齿型、指型特征。分析认为, 盆地北部直罗组上亚段以砂质辫状河和曲流河沉积为主, 乌海、杭锦旗、东胜等地砂地比值高于0.6, 且砾质沉积并不发育, 为砂质辫状河沉积, 鄂托克旗、鄂托克前旗、苏里格和神木等远离物源区的地区则为曲流河沉积。野外露头剖面实测的古水流优势方向以110 ° ~130 ° 为主, 指示物源方向为由北西向南东方向, 沉积体系的推进由北西指向南东。与下亚段沉积时相比, 上亚段砂岩含量明显降低, 泥岩沉积增多, 主要的沉积体系由辫状河演化为曲流河沉积, 指示盆地地势高差减小、物源后退、沉积范围进一步扩大的沉积背景(图 10)。

直罗组上段砂岩的较厚带与较薄带分布趋势与下段稍有不同, 在苏里格庙以西厚度达到最大, 总体上西厚东薄。上段砂地比值一般在0.3~0.6之间。其中东胜西北— 伊金霍洛旗北至杭锦旗一带砂地比值较高, 大于0.6, 测井响应以箱型— 钟型组合为主。乌海东— 苏里格至横山及东胜至神木一带砂地比值在0.5左右, 测井响应多数为微齿化钟型。周边砂地比值逐渐变小, 测井响应以指型、齿型为主。分析认为, 盆地北部直罗组上段以曲流河沉积为主, 仅在杭锦旗、东胜西北等近物源地区发育砂质辫状河沉积。与前期沉积时相比, 该时期盆地沉积范围更大, 物源区更远, 主要来自于盆地北部。西北部和西部的物源供给明显减弱(图 1)。