鄂爾多斯盆地長7段富鈾烴源巖巖石學(xué)及地球化學(xué)特征研究

馬 曄，魏安軍，吳柏林 邊 飛，孟 展，吳春燕

(大陸動力學(xué)國家重點實驗室，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069)

鄂爾多斯盆地長7段富鈾烴源巖巖石學(xué)及地球化學(xué)特征研究

馬 曄，魏安軍，吳柏林 邊 飛，孟 展，吳春燕

(大陸動力學(xué)國家重點實驗室，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069)

鄂爾多斯盆地長7段烴源巖底部大量富集放射性元素鈾。結(jié)合該研究區(qū)地質(zhì)背景，對長7段富鈾烴源巖巖石學(xué)及地球化學(xué)特征進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：鈾含量與磷、硫、鐵、有機(jī)碳等的含量呈明顯的正相關(guān)性,并富含C、S、P、Cu、V、Pb等親生命元素;該優(yōu)質(zhì)烴源巖含豐富的黃鐵礦、膠磷礦及條紋狀有機(jī)質(zhì),表明鈾的富集與這些礦物的存在緊密相關(guān)；長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖底部鈾的大量富集是由火山活動、生物活動等綜合地質(zhì)作用的結(jié)果。

鄂爾多斯盆地；長7段烴源巖；鈾富集；地球化學(xué)

鄂爾多斯盆地屬于中國最穩(wěn)定塊體華北地臺的一部分，蘊藏著豐富的資源集油氣、煤、鈾等多種能源礦產(chǎn)為一體，其中延長組長7段構(gòu)成盆地的主力烴源巖。近年來,在長7段底部研究發(fā)現(xiàn)存在大范圍、厚度不等的放射性伽馬顯著正異常,伽馬正異常地層厚度分布10～40m之間,而伽馬正異常主要由鈾的正異常引起[1-2]。據(jù)統(tǒng)計,在這套優(yōu)質(zhì)烴源巖中含鈾量可達(dá)0.8×108t,面積達(dá)3.2×104km2，盆地中油氣-鈾相互作用,各自成藏(礦)和改造定位主要期次與盆地演化-改造的階段及主要地質(zhì)事件有明顯的響應(yīng)聯(lián)系和密切的耦合關(guān)系[3]。因此,研究長7段烴源巖的巖石學(xué)特征、地球化學(xué)特征及鈾富集的影響因素,對于探討其中鈾的形成機(jī)制及鈾-油相互作用具有重要意義。

1 長7段富鈾烴源巖礦物學(xué)特征

圖1 長7段烴源巖中膠磷礦手表本和掃描電鏡照片

研究樣品采自鄂爾多斯盆地延長組長7段底部富鈾的黑色泥頁巖,一部分為巖芯樣品,另一部分為華池、慶陽、銅川的野外露頭長7段底部樣品。長7段富鈾烴源巖主要粘土礦物是蒙脫石、伊利石、高嶺石，并且以含有植物碎屑、草莓狀黃鐵礦、有機(jī)質(zhì)紋層、凝灰?guī)r夾層和膠磷礦為特征。黃鐵礦在樣品中分布較廣泛,多呈草莓狀,含量很高,顆粒比較小,一般在10～20μm左右,多以圓狀的草莓狀集合體存在。

膠磷礦在掃描電鏡下可見透鏡狀膠磷礦、生物碎屑膠磷礦、實心球狀膠磷礦和結(jié)核狀膠磷礦,以透鏡狀居多。粒度一般在1mm左右,少數(shù)呈層塊狀在手表本上可見(如圖1)。生物碎屑膠磷礦橫切面呈同心圓狀(見圖2(a)),直徑在50μm左右,無機(jī)元素含量很低。管壁主要為膠磷礦,管芯為有機(jī)質(zhì)充填物。電子探針結(jié)果顯示,外壁膠磷礦中P2O5的含量為20.1%～34.5%,CaO的含量為41.3%～46.1%，管芯充填的有機(jī)質(zhì)碳含量高達(dá)90%以上。實心球狀膠磷礦橫切面呈圓形(見圖2(b)),直徑約100μm, P2O5的含量為25.3%～27.8%,CaO的含量為40.4%～44.9%，以上2種膠磷礦應(yīng)是在生物作用下形成。掃描電鏡下可見大量磷結(jié)核(見圖3)，結(jié)核的形狀呈球狀、橢球狀、透鏡形狀,粒徑變化范圍大,在30～250μm之間，由于層理在結(jié)核處彎曲,結(jié)核體不切穿層理,所以該結(jié)核為沉積過程中形成的同生結(jié)核。

圖2 生物碎屑膠磷礦和實心膠磷礦掃描電鏡圖像

2 巖石地球化學(xué)特征

2.1主量元素地球化學(xué)特征

圖3 長7段富鈾烴源巖中磷結(jié)核掃描電鏡特征

圖4 長7段富鈾烴源巖U與orgC、∑S相關(guān)性圖

X射線熒光光譜法測試結(jié)果表明，長7段富鈾烴源巖相對貧SiO2、Al2O3、TiO2、MgO、CaO、K2O和Na2O。SiO2含量31.81%～71.9%(平均49.72%)，Al2O3含量5.01%～18.23%(平均11.8%)，TiO2含量0.32%～0.85%(平均0.6%)，K2O平均含量為2.5%,Na2O平均含量為1.19%,MgO平均含量為1.47%, CaO含量0.82%～3.75%(平均2.2%)；長7段富鈾烴源巖相對富Fe、P2O5、有機(jī)碳和∑S,鐵的平均含量為4.261%,∑S的平均含量為0.012%(最大值可達(dá)到3%),并且富含orgC(有機(jī)碳)。其中,U與orgC、∑S呈正相關(guān)(見圖4)，與Al2O3、SiO2、CaO、MgO等主要造巖元素呈負(fù)相關(guān)(見圖5)。因此,U的富集與造巖礦物無關(guān),主要與有機(jī)質(zhì)、S、Fe等有關(guān)。

2.2微量元素地球化學(xué)特征

對測試結(jié)果進(jìn)行處理后發(fā)現(xiàn),微量元素Cu的平均含量為45.4×10-6,U的平均含量為96.96×10-6, V的平均含量為126.8×10-6, Pb的平均含量為26.4×10-6。長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖中生命元素Cu、V、Pb的富集,說明在缺氧還原環(huán)境下微生物的相對繁盛對元素富集具有重要意義。由于鈾與主要造巖元素呈負(fù)相關(guān)而與親生命元素C、S、P 、Cu(見圖6)和∑Fe(見圖7)呈明顯的正相關(guān)，因而長7段烴源巖鈾的富集與細(xì)菌等微生物生命活動密切相關(guān)。

圖5 長7段富鈾烴源巖中U與SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、MgO 、TiO2相關(guān)性圖

圖6 長7段富鈾烴源巖U與Cu元素相關(guān)性圖 圖7 長7段富鈾烴源巖中U與∑Fe的相關(guān)性圖 圖8 長7段烴源巖U與∑REE的相關(guān)性圖

2.3稀土元素特征

通常認(rèn)為在普通泥巖中∑REE(稀土元素)與U的相關(guān)性并不大,相關(guān)性趨勢線較為趨緩;而在含U礦物中,∑REE與U的相關(guān)性關(guān)系十分密切。長7段烴源巖中,∑REE與U呈現(xiàn)出不同于普通泥巖中的相關(guān)性(見圖8)。邱欣衛(wèi)[4]通過研究長7段凝灰?guī)r表明,凝灰?guī)r中的Eu呈現(xiàn)明顯負(fù)異常,而且烴源巖中U是來源于凝灰?guī)r中,受湖底熱液的影響，兩者之間存在元素的遷移。因此,長7烴源巖中的Eu負(fù)異常以及∑REE與U的相關(guān)性可能是由于受凝灰?guī)r的影響。

3 鈾富集的成因探討

研究長7段富鈾烴源巖中主、微量元素地球化學(xué)特征顯示,該層段烴源巖中的親生命元素C、S、P等均與鈾元素呈明顯的正相關(guān)關(guān)系,而Cu、V、Pb、Fe、Mo等親生命微量元素也與鈾等呈明顯的正相關(guān)關(guān)系,不僅反映了湖盆水體富無機(jī)營養(yǎng)鹽的特征,而且富營養(yǎng)的水體促進(jìn)了生物繁衍。水生生物對上述元素的吸收以及繁盛的微生物活動所造成的缺氧環(huán)境,使得上述元素在巖層中富集。因此,長7段烴源巖鈾的富集與微生物的生命活動密切相關(guān)。

觀察長7段烴源巖巖芯，發(fā)現(xiàn)長7段大范圍發(fā)育薄層凝灰?guī)r,單層最大厚度可達(dá)1～2m。在正8井、里57井每米巖芯中可識別出20～30多個凝灰?guī)r夾層,反映同期頻繁發(fā)生火山噴發(fā)。研究表明,凝灰?guī)r分布區(qū)與放射性異常高值區(qū)疊合,兩者具有較好的對應(yīng)關(guān)系[1]。對長7段烴源巖中凝灰?guī)r夾層的Pb同位素進(jìn)行研究并結(jié)合U-Pb演化體系(ΔU<0),表明長7段凝灰?guī)r中鈾發(fā)生了明顯的丟失遷移或虧損現(xiàn)象，而凝灰?guī)r上下的泥巖、頁巖中明顯存在鈾的異常(ΔU>0),表明這些泥頁巖發(fā)生過鈾的獲取[5]。因此,長7段凝灰?guī)r中鈾元素發(fā)生了明顯的遷移,大量的鈾有可能遷移到環(huán)境因素十分有利于鈾富集的長7段烴源層中,造成了長7段烴源巖中鈾的大量富集,而上述過程與同期頻繁發(fā)生的火山噴發(fā)活動密切相關(guān)。

[1]李瓊.鄂爾多斯盆地西南地區(qū)深部放射性異常及其對烴源巖演化的影響[D].西安：西北大學(xué)，2007.

[2]譚成仟,劉池洋,趙軍龍，等.鄂爾多斯盆地典型地區(qū)放射性異常特征及其地質(zhì)意義[J].中國科學(xué)D輯(地球科學(xué))，2007，37(4):147-156.

[3]劉池陽,吳柏林,邱欣衛(wèi).中東亞成礦域多種能源礦產(chǎn)同盆共存特征和其形成的動力學(xué)環(huán)境[J].中國科學(xué)D輯(地球科學(xué))：2007,37(增刊Ⅰ):1-15.

[4]邱欣衛(wèi).鄂爾多斯盆地延長組凝灰?guī)r夾層特征和形成環(huán)境[D]. 西安：西北大學(xué)，2008.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.06.008

TE122.1

A

1673-1409(2012)06-N024-03