0.   引　　言

中国北方中生代盆地是典型的油气、煤炭及煤系砂岩型铀矿资源叠加发育的能源盆地^[1]。近几十年的煤、铀勘查实践表明，尽管这些中生代盆地含煤、铀地层时代差异较大，如中西部准噶尔、伊犁、鄂尔多斯等盆地含煤、铀地层为侏罗系，东部如二连、松辽等盆地含煤、铀地层为白垩系，但不管是侏罗纪还是白垩纪含煤、铀地层，煤系地层和铀储层均毫无例外地表现为特征的“下煤上铀”的空间叠置关系^[1–7]。

前人对煤、铀紧密共伴生机理，特别是聚煤作用产生的有机质对后生蚀变流体中铀的还原富集的制约^[5,8–11]等开展了大量研究。如刘正邦等^[2]通过鄂尔多斯盆地东胜地区铀储层酸解烃的分析，认为煤及煤层气是铀矿物沉淀富集的重要还原剂，煤层及煤层厚度变化可作为该区砂岩型铀矿勘查的重要标志；罗晶晶^[10]通过对大营铀矿煤屑有机质的分析，指出煤屑有机质中的腐殖酸能通过还原、吸附、阳离子交换和配位、微生物降解等作用，导致铀的富集成矿。这些研究聚焦于煤层有机质在铀的还原富集等方面的作用和机理，但尚未解释煤铀共生为何几乎总是呈现出“下煤上铀”的地层结构。

同时，前人也认识到铀储层自身的沉积是铀成矿的基础，并对盆地铀储层沉积特征开展了大量工作，提出了“铀储层砂体非均质性制约铀的沉淀富集”^[12–16]，“辫状河道亚相、辫状河三角洲平原亚相、三角洲平原或前缘亚相的分流河道微相等是砂岩型铀成矿的优势沉积相”^{[1,14,17–20]}等一系列观点。但总体而言，前人主要从有利于后生流体改造的角度来刻画铀储层自身沉积特征，较少将煤系地层与有利铀成矿的储层作为一个整体来考虑其沉积演化过程及沉积制约机理。

近年来，相关单位在准噶尔盆地东部准东煤田及其邻区发现了喀木斯特、帐篷沟等一系列铀矿床(点)，为研究“下煤上铀”地层结构沉积机理积累了丰富素材。据此，在地层对比划分和等时地层格架构建的基础上，精细刻画准东煤田及其邻区八道湾组–齐古组的沉积特征，详尽解析煤系地层和含铀岩系整体的沉积演变规律，深入探讨“下煤上铀”空间配置的内在驱动力，以期为其他含煤盆地的铀成矿远景预测，特别是对铀成矿新区新层位的识别提供理论依据。

1.   地层特征

1.1   地层结构

新疆准东煤田位于准噶尔盆地东部(图1a)，是我国最大的整装煤田，蕴含巨量的煤炭资源^[21–22]，区内煤系地层主要为西山窑组，其次为八道湾组。铀矿勘查发现，煤田区内存在多套铀矿(化)层(图1b)，主要为以帐篷沟铀矿点为典型代表的八道湾组铀矿层(图1c)和以喀木斯特铀矿床为典型代表的头屯河组铀矿层(图1d)，同时在部分地段西山窑组顶部砂岩层中也发现了伽马异常显示(图1e)。总体而言，该区发育“八道湾组煤−八道湾组铀”“西山窑组煤−头屯河组铀”两套“下煤上铀”地层结构。

图  1  准噶尔盆地东部煤、铀平面分布及垂向分布

Figure  1.  Plane and vertical distribution characteristics of coal and uranium in eastern Junggar Basin

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1.2   层序界面识别

层序界面的识别是地层对比和等时地层格架构建的基础。削截、顶超、上超、下超等地震标志可用于地震层序界面的识别，古风化壳、河床滞留沉积(冲刷面)、岩性岩相突变面、沉积旋回、凝缩段等地质或电性标志则可用于沉积地质界面的识别^[24–25]。

1.2.1   地震层序界面

地震剖面揭示了准东煤田区侏罗系内部及其顶底的3个地震层序界面：①T/J界面，可见八道湾组底界面对应相对弱振幅的波峰反射，界面上可见上超现象(图2a)；②J₂x/ J₂t界面，西山窑组顶界面对应相对弱振幅的波峰反射，界面上覆地层中可见下超现象(图2b)；③J₃/K₁界面，在白垩系吐谷鲁群(K₁tg)底部可见明显的削截现象(图2c)。

图  2  准噶尔盆地东部2019–SN07地震剖面^[31]

Figure  2.  Seismic profile 2019–SN07 in eastern Junggar Basin^[31]

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1.2.2   地质层序界面

地震层序界面一般为良好的地质层序界面，如下侏罗统八道湾组上超面，对应巨厚砾岩层和下伏三叠系砂泥岩间的岩性突变面，但并非所有地质层序界面均能在地震剖面上显示。通过对喀木斯特和帐篷沟地区侏罗系钻孔岩心编录和电测曲线的分析，识别出3个地质层序界面：①头屯河组底部砂砾岩与下伏西山窑组含煤泥岩层间的突变面(图3a)；②西山窑组底部砂体与三工河组泥岩之间的突变面(图3b)；③三工河组内部砂砾岩与下伏泥岩层间的突变面(图3c)。

图  3  典型地质层序界面

Figure  3.  Typical geological interfaces

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1.3   等时地层格架构建

在前人等时地层格架和地层划分方案基础上^[26–29]，综合准东煤田及其邻区地震层序界面和沉积地质层序界面的发育特征，在盆地东部侏罗系及顶底共识别出5个层序界面，分别为SB1–SB5，划分出4个3级层序(表1)。其中SB1、SB5为2级层序界面，对应区域上稳定发育的地震不整合面，为受区域构造运动控制的沉积旋回；SB2、SB3、SB4为3级层序界面，主要对应局部发育的河道冲刷面等，界面上下岩性、电性等表现出明显突变，为受局部构造运动控制的沉积旋回。

表  1  准噶尔盆地东部层序地层划分方案

Table  1.  Sequence stratigraphic division scheme in eastern Junggar Basin

传统地层划分方案				层序地层划分方案
系	组(群)	段		二级层序	三级层序	层序界面
白垩系	吐谷鲁群					SB5
侏罗系	奇古组			Sq-sets	SQ4
	头屯河组	上段
		下段				SB4
	西山窑组	上段			SQ3
		中段
		下段				SB3
	三工河组	上段			SQ2
		中段				SB2
		下段			SQ1
	八道湾组	上段
		中段
		下段				SB1
三叠系

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2.   沉积演化分析

2.1   沉积相类型

沉积相分析在等时地层格架的约束下进行。利用钻井岩心、测井等资料，综合分析了准噶尔盆地卡拉麦里山前带侏罗纪不同沉积期的典型沉积特征，确定该区侏罗系的主要沉积相类型(图4和表2)。其中辫状河三角洲平原亚相以发育厚层的砾质或含砾砂质辫状河道为主，顶部发育粉砂岩和泥岩，砾石次棱角−次圆状，分选差，与冲积扇相扇中亚相特征较为相似，但辫状河道厚度相对较小，旋回数量也较少，电测曲线为齿化明显的钟状(图4a)；辫状河三角洲前缘亚相广泛存在，典型特征为向上变粗的反韵律旋回，沉积微相包括水下分流河道、分流间湾、河口坝等(图4b)；曲流河三角洲平原也发育向上变粗的反韵律旋回，但沉积粒度整体偏细，常见煤系地层，主要发育分流河道、分流间湾、泥炭沼泽等微相(图4c)；辫状河沉积相呈多个向上变细的正韵律旋回，其中心滩砂体电测曲线形态为箱形，辫状河道为钟形，而泛滥平原泥岩、粉砂岩电测曲线为低值的齿状(图4d)；曲流河沉积表现为向上变细的正韵律旋回，以砂地比极小、垂向加积厚层泛滥平原为典型特征，包括滞留沉积、边滩、泛滥平原微相等(图4e)；滩坝微相和滨浅湖泥多见波状层理和水平层理，有机质含量一般较高，垂向上以加积为主，电测曲线为低且平缓的微齿状，地震剖面上表现为强振幅、内部平行的席状体；而湖沼微相多见炭质泥岩夹煤层，为滨浅湖淤积背景下的低能环境沉积，电测曲线上煤层以低伽玛、高电阻的特征与上下地层明显区分。

图  4  准噶尔盆地东部不同类型沉积相特征

Figure  4.  Characteristics of different sedimentary facies in eastern Junggar Basin

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表  2  准噶尔盆地东部侏罗系沉积相类型

Table  2.  Sedimentary facies of Jurassic in eastern Junggar Basin

沉积相		亚相	微相	主要地层
三角洲相	辫状河三角洲	辫状三角洲平原	砾质砂质分流河道、分流间湾、河漫沼泽	J1b, J1s
		辫状三角洲前缘	水下分流河道、分流间湾、河口坝、席状砂坝、远砂坝
		前三角洲	前三角洲泥
	曲流河三角洲	三角洲平原	分流河道、分流河道间、河漫沼泽	J2x
		三角洲前原	水下分流河道、河口坝、席状砂坝、远砂坝
		前三角洲	前三角洲泥
河流相	辫状河		辫状河道、心滩	J1b, J2t
			天然堤、决口扇、泛滥平原/沼泽
	曲流河		滞留沉积、边滩
			泛滥平原
湖泊		滨浅湖	砂坝、泥坪、滨湖沼泽	J1b, J1s
		深湖–半深湖	黑色泥岩、薄层粉砂质泥

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2.2   沉积演化规律

在明确沉积相类型的基础上，通过帐篷沟铀矿点和喀木斯特铀矿床典型钻孔连井剖面的对比研究，深入探讨八道湾组−齐古组的沉积演变规律。

2.2.1   SQ1沉积期

据帐篷沟地区402–103连井剖面(图5)可知，SQ1表现进积−退积的3级沉积序列，但在2级沉积序列中整体处于退积环境。其中八道湾组下段为扇三角洲−辫状河三角洲粗碎屑沉积；随着可容纳空间的增大，八道湾组中段演变为辫状河三角洲前缘−滨浅湖细粒沉积；之后湖退进积，随着可容纳空间减小，八道湾组上段转换为湖泊沼泽−三角洲平原沉积；随着可容纳空间的再次增大，三工河组下段再次演变为三角洲前缘−滨浅湖细粒沉积。

图  5  帐篷沟地区八道湾组连井沉积相特征

Figure  5.  Sedimentary facies characteristics of Badaowan Formation in Zhangpenggou area

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2.2.2   SQ2沉积期

据帐篷沟地区ZKU10−ZKU09连井剖面(图6)可知，SQ2表现为进积−退积的3级沉积序列，在2级旋回体系中整体处于退积环境。其中三工河组中段为磨圆较好的中砾岩和细砾岩沉积，在垂向上见多个呈正韵律的砂体叠加，具有典型的辫状河河道和心滩沉积特征；随着可容纳空间的迅速增大，三工河晚期形成最大湖泛面，厚层的泥岩−粉砂岩中自下而上常见爬升层理或波状层理和水平层理发育，指示前三角洲−滨浅湖沉积向半深湖沉积转变。

图  6  帐篷沟地区三工河组连井沉积相图

Figure  6.  Sedimentary facies characteristics of Sangonghe Formation in Zhangpenggou area

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2.2.3   SQ3沉积期

在三工河组最大湖泛面形成之后，由于可容纳空间的减小和沉积物供给的增多，SQ3表现为进积−退积的3级沉积序列，但在2级旋回体系表现为进积(图7)。在西山窑组早期，由于进积作用湖盆开始淤积，靠近盆地边缘开始出现辫状河道−分流河道粗碎屑沉积，且见薄煤层的发育，远离盆地边缘则以厚层泥岩，夹薄层细砂岩为主，由盆地边缘向中心整体表现为三角洲平原−三角洲前缘−前三角洲沉积；在西山窑组中期，可容纳空间增大，湖进退积，靠近盆地边缘细粒沉积中可见少量细砂岩夹层，可能为水下分流河道沉积，远离盆地边缘则以细粒沉积为主，指示由盆地边缘向中心整体表现为前三角洲−滨浅湖沉积。在西山窑组晚期，可容纳空间减小，物质供给充足，湖泊迅速淤积，发育分流河道、分流间湾和厚煤层，指示前三角洲−滨浅湖相向三角洲平原−湖沼快速转变。

图  7  喀木斯特地区西山窑组连井沉积相图

Figure  7.  Sedimentary facies characteristics of Xishanyao Formation in Kamusite area

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2.2.4   SQ4沉积期

西山窑组沉积期后的构造抬升运动^[30–31]导致河流回春，因而头屯河组下段发育厚层的辫状河粗碎屑沉积物，由盆地边缘向盆地中心可见砂体厚度变薄，粒径减小；随着可容纳空间的持续减小，河流下切作用逐渐减弱，头屯河组上段和齐古组以曲流河−洪泛平原沉积为主(图8)。

图  8  准东喀木斯地区头屯河组连井相

Figure  8.  Sedimentary facies characteristics of Toutunhe Formation in Kamusite area

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3.   “下煤上铀”的沉积机理

砂岩型铀矿床是典型的后生矿床，含氧含铀流体改造铀储层砂体成矿的第1性原理是，流体中易迁移的U⁶⁺发生氧化还原反应生成难溶解的U⁴⁺。因而砂体厚度和规模、砂体孔隙度和渗透率、砂体自身还原容量、还原剂类型和来源等是制约铀成矿的主要因素。吴兆剑等^[1]将铀成矿过程划分为铀储层砂体沉积和流体改造两个阶段。基于此，煤、铀共生的成因机理研究，也应聚焦于煤系地层与铀储层砂体沉积关系、煤系地层对铀的还原作用两个方面。有关煤及煤层气等有机质对铀的还原机理已有较多研究，文中着重从沉积角度探讨，煤系地层上覆规模较大、泛连通性和渗透性较好、具备一定还原容量的沉积砂体的原因。

3.1   沉积演化对聚煤作用的制约

3.1.1   八道湾组和西山窑组聚煤作用

在3级沉积序列框架内分析八道湾组的沉积特征可知，八道湾组下段→八道湾组上段可容纳空间经历了由增大→减小的转变，沉积过程则对应退积→进积的演变(图5、图9)。在八道湾组下段→八道湾组中段转换的退积阶段，尽管发育泥炭沼泽环境，但由于可容纳空间持续增大，水体逐渐变深，不有利于泥炭堆积，下段仅发育薄煤层。在八道湾组中段→八道湾组上段转换期间，同样发育泥炭沼泽环境，但由于可容纳空间开始减小，湖退进积，有利于泥炭的堆积，因而八道湾组上段煤层的发育强度明显大于下段。即聚煤作用发生于沉积环境的转化阶段，但在进积阶段具有更大的规模。相似的退积→进积的3级旋回同样出现于西山窑沉积期，进积阶段的西山窑组上段煤层的发育强度明显大于退积阶段的下段煤层(图7、图9)。

图  9  准东煤田及邻区沉积旋回

Figure  9.  Depositional cycle of Jundong coalfield and adjacent areas

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3.1.2   沉积旋回对聚煤作用的制约

整体而言，西山窑组的聚煤作用远远强于八道湾组。若在2级沉积序列框架内审视八道湾组和西山窑组沉积演化特征，则两者聚煤作用差异的原因显而易见(图9)。2级沉积序列内可容纳空间相似地经历了增大→减小的转变，沉积过程也对应退积→进积的演变。在SQ1→SQ2转换期间的泥炭沼泽环境，由于基准面急剧下降、可容纳空间快速增大，陆缘碎屑供给不足，不利于泥炭的堆积，因而在2级沉积序列退积环境下沉积的八道湾组煤层规模较小；而在SQ2→SQ3转换时，由于陆缘碎屑供给充足，随着加积作用的进行，可容纳空间减小，湖泊淤积，有利于泥炭的堆积，故而在2级沉积序列进积环境下沉积的西山窑组煤层规模较大。这进一步表明，不管3级沉积序列还是2级沉积序列，聚煤作用均发生于沉积环境的转化阶段。但进积阶段相比退积阶段具有更大的聚煤强度，且3级序列服从2级序列。

因此，在煤田勘查勘查实践中，大范围或区域尺度的聚煤作用的预测，需在2级序列框架内开展。

3.2   沉积演化对铀储层的制约

前文已述，中国北方中生代盆地中“辫状河道亚相、辫状河三角洲平原亚相、三角洲平原或前缘亚相的分流河道、河口坝微相”等沉积相是有利于砂岩型铀矿发育的优势相。因此沉积相的分析可用于铀储层的优选。在3级沉积序列框架内，八道湾组下段主要为冲积扇相，分选较差，不是最优良的沉积砂体；而八道湾组中段→八道湾组上段转换期间，可容纳空间减小，沉积过程以进积为主，滨浅湖−三角洲前缘沉积环境会向三角洲平原转换，发育分流河道、河口坝等有利铀成矿的沉积砂体。西山窑组表现相似的沉积演变规律，但西山窑组下段和上段均为曲流河三角洲平原或前缘沉积，尽管发育分流河道、河口坝沉积，但泥岩夹层较多，相对不利于铀成矿。

但若在2级沉积序列的框架内讨论整个侏罗系的沉积特征则可发现，八道湾组顶部的三角洲分流河道等有利铀成矿砂体，在2级沉积序列内处于退积的旋回中，制约了其规模化发育。而在西山窑组聚煤作用的晚期，由于陆缘碎屑供给充足，处于2级沉积序列进积阶段的头屯河组，随着可容纳空间的减小，水体变浅，河流回春，发育了厚大的辫状河、辫状河三角洲相的有铀储层砂体。

同理，尽管3级沉积序列和2级沉积序列均可见有利铀成矿的储层砂体发育，但3级序列服从2级序列。这表明，在铀矿勘查实践中，大范围或区域尺度的铀储层识别或预测工作，需在2级序列框架内开展。

3.3   “下煤上铀”地层结构的沉积机理

将煤系地层与铀储层作为一个整体考虑，在3级沉积序列中，受3级退积→进积旋回的制约，八道湾组发育湖相→湖沼相→三角洲分流河道亚相的转变，在八道湾组顶部形成“下煤上铀”的地层结构；在2级沉积序列中，受2级退积→进积旋回的制约，侏罗系发育湖相→湖沼相或三角洲相→河流相的转变，西山窑组和头屯河组共同形成了“下煤上铀”的地层结构。因此，从沉积演化的角度来看，噶尔盆地东部侏罗系发育两套“下煤上铀”地层结构的驱动力可能源于盆地沉积演化的旋回性，可容纳空间的变化，控制了煤系地层与铀储层的叠加发育(图9)。

4.   结　　语

准噶尔盆地东部准东煤田及其邻区侏罗系的沉积演化具有明显的旋回性，是一个顶、底面为区域性不整合面所限，由多个退积−进积的3级沉积旋回组成的完整2级沉积序列。退积–进积的沉积旋回是“下煤上铀”地层结构出现的主要机理，通过可容纳空间变化控制了沉积环境的转变和物质的空间配置。一方面，进积较之退积导致更强的聚煤作用和更适宜的铀储层砂体的叠置发育；另一方面，高级别的沉积旋回具备更强的强迫性，制约了在2级旋回中处于退积环境的八道湾组的“下煤上铀”规模远小于处于进积环境的西山窑–头屯河组。

上述成果认识，对其他中国北方中生代盆地煤铀兼探特别是砂岩型铀矿新区新层位的勘查工作具有一定指示意义。

致　谢 感谢新疆油田公司提供地震剖面等基础资料，感谢评审专家和编辑老师的专业审稿意见。