油氣耗散作用及其成巖成礦效應(yīng): 進展、認識與展望

吳柏林，魏安軍，胡亮，宋子升，張本浩，王海桐，王丹，寸小妮，孫莉，羅晶晶

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

內(nèi)容提要: 油氣生成后發(fā)生運移，在途經(jīng)的圍巖環(huán)境中發(fā)生流—巖相互作用而損耗，以及分散于地下或暴露地表而損失，這一過程即為油氣耗散。油氣耗散主要特點為流—巖地質(zhì)作用，在這一過程中將產(chǎn)生系列成巖蝕變，如氧化砂巖的綠色化、白色化，以及局部碳酸鹽化等；導(dǎo)致一些成礦效應(yīng)，如鈾礦化、高嶺土化等。從而在沉積盆地中構(gòu)成有機與無機、金屬與非金屬礦產(chǎn)同存共榮于一盆，此即為沉積盆地成藏(礦)系統(tǒng)。因而油氣耗散作用內(nèi)容屬于交叉學(xué)科方向，目前僅在鄂爾多斯盆地得到初步研究。在油氣耗散成巖及成礦作用過程中，部分微量元素、有機地球化學(xué)參數(shù)、以及碳、氫、氧、硫、硅等穩(wěn)定同位素可表現(xiàn)出一定的標(biāo)志性特征。這在目前“油氣—鈾溶液—砂巖”相互作用模擬實驗中也已得到初步的證實。當(dāng)前，沉積盆地中油氣耗散方向與規(guī)模、成巖與成礦效應(yīng)的地球化學(xué)作用機理、有機—無機(如烴源巖—鈾等無機元素)作用效應(yīng)及對相關(guān)資源評價的影響、多種能源綜合協(xié)同預(yù)測與勘探等方面是未來油氣耗散作用學(xué)科領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。

油氣耗散作用是近年來對鄂爾多斯盆地進行多種能源同盆共存研究時強調(diào)和提出的一個概念。目前，在鄂爾多斯中北部上古生界不同層段中發(fā)現(xiàn)有烏審旗、榆林、米脂、蘇里格、大牛地等多個大型氣田和巨大的天然氣儲量。在盆地東北部的廣闊范圍，存在來自中部大氣田上古生界天然氣向東北、北部方向大規(guī)模運移及耗散的地質(zhì)作用，形成了盆地北部烏蘭格爾古隆起南坡的約45處白堊系油苗(劉友民，1982；馬艷萍等，2007)。進一步研究表明，盆地北部天然氣總體具有由南向北、并最終匯聚到東北部的運移特點。

對這種油氣生成后發(fā)生的運移，并且與途經(jīng)的流體—圍巖相互作用而耗損和暴露地表或大氣而損失，這一過程或地質(zhì)作用稱之為“油氣耗散”。油氣生成后發(fā)生運移的結(jié)果有三種，一是聚集成藏，現(xiàn)在鄂爾多斯東北部及周邊的天然氣勘探，應(yīng)屬這種二次聚集類型，其潛力不可忽視；二是散于地下的源巖和運移途徑的圍巖及流體中，目前在油氣資源評價中，這一部分少有體現(xiàn)；三是與途經(jīng)的流體—圍巖相互作用而耗損和暴露地表或大氣而損失，其中損耗的部分，其性質(zhì)已經(jīng)改變，油氣與流體—圍巖相互作用在一定條件下可形成各種蝕變現(xiàn)象，如本文要討論的綠色蝕變，砂巖的白色化、碳酸鹽化等；因此，這一部分既有消耗又有散失。前人對此現(xiàn)象也有“逸散”之稱，然認為上述現(xiàn)象總體上稱之為“油氣耗散”似更確切(劉池洋等，2008)。

在盆地的后期改造中，油氣耗散是普遍存在的地質(zhì)現(xiàn)象；對全球350個大油田的統(tǒng)計研究，發(fā)現(xiàn)其中1/3的油田存在聚集成藏后遭破壞的證據(jù)(MacGregor，1996)；我國南方的麻江古油藏、準噶爾盆地西北緣、塔里木盆地中部隆起和柴達木盆地的油砂山，推斷耗散的石油儲量可達幾億噸到幾十億噸；尤其是塔里木盆地的志留系，在華力西運動早期損失的油氣資源量估計可達133.17×108t(韓世慶等，1982；龐雄奇等，2002；吳元燕等，2002；張俊等，2004)。鄂爾多斯盆地的大氣田屬早期生烴成藏型，天然氣在盆地后期改造中嚴重散失，氣田的儲量豐度最低，處于與隆起相鄰的斜坡帶和隆起區(qū)為油氣長期運移的指向和散失區(qū)(王庭斌，2004)。

然目前對油氣耗散尚缺乏專門、系統(tǒng)的研究；尤其是對耗散規(guī)模的確定難度頗大，是迄今國內(nèi)外尚無重要進展的國際性研究難題；近年在對鄂爾多斯盆地北部油氣煤鈾多種能源共存研究中發(fā)現(xiàn)，在盆地北部的廣闊地區(qū)，存在上古生界天然氣向東北方向明顯運移耗散的多種直接證據(jù)，如地表白堊系層位的油苗，淺表地層大范圍分布的上二疊統(tǒng)氣測顯示。進一步的研究還發(fā)現(xiàn)，該耗散天然氣與周鄰流—巖作用形成了一些典型的還原蝕變現(xiàn)象，如東勝鈾礦控礦的中下侏羅統(tǒng)綠色蝕變帶，砂巖中透鏡狀碳酸鹽化，延安組頂部大范圍的砂巖白色化，以及伊盟隆起帶鈾的后期超常富集與保存現(xiàn)象等(圖1)；表明是油氣耗散作用研究的天然實驗室。由于油氣耗散作用及其成巖成礦效應(yīng)、盆地多種能源礦產(chǎn)相互作用國內(nèi)外研究薄弱、尚沒有明顯進展，認識尚不清楚，揭示例子更少。故而，本文以鄂爾多斯北部地區(qū)為實例，重點介紹上述各現(xiàn)象研究的最新認識成果與進展。以圖通過典型實例的解剖，揭示該領(lǐng)域目前的最新進展和認識。

綜上所述，油氣耗散作用可能形成二次成藏的油氣資源，也可能為形成金屬能源礦產(chǎn)如砂巖鈾礦提供后期富集疊加和保礦的還原環(huán)境。油氣耗散的各種蝕變現(xiàn)象是尋找上述油氣鈾等能源資源的重要判識標(biāo)志；同時也是部分非能源礦產(chǎn)，如延安組頂部由于砂巖白色化形成的高嶺石礦床等資源的找礦線索。因而，將油氣耗散的直接結(jié)果(如油氣苗、瀝青、稠油等)與其地質(zhì)背景，尤其是與周鄰流巖相互作用形成的各種還原蝕變及成礦產(chǎn)物(如鈾礦等)相結(jié)合進行研究，有可能是探討和解決油氣耗散及其規(guī)模這一難題的重要途徑；加強對油氣耗散作用的研究，將為示蹤、發(fā)現(xiàn)和預(yù)測盆地內(nèi)多種能源礦產(chǎn)、以及相關(guān)的金屬或非金屬礦床提供重要的線索和標(biāo)志；是油氣和各類、各級資源研究和評價的重要內(nèi)容之一。

沉積盆地的這種集多種有機和無機、金屬與非金屬礦產(chǎn)等共存于一盆，構(gòu)成相對獨立的礦產(chǎn)賦存單元和成藏(礦)大環(huán)境的巨型復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)成了沉積盆地成藏(礦)系統(tǒng)(劉池洋等，2007；劉池洋，2008)。它作為一種獨立的成礦系統(tǒng)，與造山帶和地盾等成礦系統(tǒng)相并列，對其專門研究，為豐富和發(fā)展已有成礦理論體系，為盆地內(nèi)多種能源礦產(chǎn)兼顧，科學(xué)高效和綜合協(xié)同預(yù)測與勘探奠定了理論基礎(chǔ)。其中油氣耗散作用及其成巖成礦效應(yīng)規(guī)律的揭示，是沉積盆地成藏(礦)系統(tǒng)研究的重要實例和內(nèi)容。而油氣耗散方向與規(guī)模、成巖與成礦效應(yīng)的地球化學(xué)作用機理、有機—無機礦產(chǎn)作用效應(yīng)及對相關(guān)資源評價的影響、多種能源綜合協(xié)同勘探等方面是未來油氣耗散作用學(xué)科方向的主要研究內(nèi)容。

1 油氣耗散方向與規(guī)模

1.1 油氣耗散的方向

在鄂爾多斯盆地東北部地表發(fā)現(xiàn)了較多的白堊系油苗及上二疊統(tǒng)氣測顯示(圖1)，這些現(xiàn)象可認為是盆地中部上古生界天然氣向東北或北部運移耗散的直接證據(jù)。

另外，在北部烏蘭格爾凸起東西長100km、南北寬13km面積約1300km2的范圍內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的40多處白堊系油苗，從油砂物理性質(zhì)、原油類異戊間二烯烷烴相對含量、碳同位素特征對比等，顯示白堊系油苗(砂)與二疊系石盒子組及石千峰組下部的油砂相應(yīng)的性質(zhì)相似或相近，而與南部馬嶺油田中生界原油和河套盆地第三系原油特征相差甚遠。由此可見，白堊系油苗為成熟度較高的煤型氣所成的凝析油，油源不在本地，而是來自該區(qū)之南上古生界天然氣向東北部及北部耗散所致(劉友民，1982；馬艷萍等，2007；劉池洋等，2008；任戰(zhàn)利等，2006)。

同時對盆地北部上古生界儲層流體包裹體類型、均一溫度、捕獲壓力及其變化特點進行研究，結(jié)果反映了該區(qū)之南上古生界天然氣生成后由南向北運移，并最終匯聚到研究區(qū)的東北部(馮喬等，2004)。

1.2 油氣耗散的規(guī)模

油氣耗散規(guī)模的確定是非常困難的。目前僅從天然氣聚集成藏期間及其之后包裹體捕獲壓力、體積的變化進行粗略的估計。對山西組儲層砂巖石英加大邊中的包裹體和裂縫脈中的包裹體序次、平均均一溫度、捕獲壓力進行研究對比，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計算統(tǒng)計不同成巖序列之間及構(gòu)造運動期間(利用裂縫脈中的包裹體信息)天然氣的散失量，認為相對于聚集成藏期，盆地北部天然氣的散失量(體積)可達39.7%(馮喬等，2004)。這表明，該區(qū)之南上古生界天然氣生成后約2/5已經(jīng)散失，即盆地北部存在著規(guī)模十分巨大的天然氣耗散的地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)背景特點。

圖1鄂爾多斯盆地北部油氣運移耗散與伊盟隆起北西向巨型鈾礦礦集區(qū)平面分布示意圖Fig. 1 The sketch map of hydrocarbon migration dissipation in the north of Ordos basin and the NW trending giant uranium deposits in Yimeng Uplifte

2 成巖蝕變與成礦效應(yīng)

鄂爾多斯盆地含有豐富的能源資源，如油氣、煤及金屬礦產(chǎn)鈾等。除了在盆地中部發(fā)現(xiàn)巨大的天然氣儲量外，還在盆地的東北部發(fā)現(xiàn)了我國目前最大的砂巖型鈾礦即東勝超大型鈾礦床。研究表明，該區(qū)油氣等有機能源與鈾等金屬礦產(chǎn)的形成彼此作用、其產(chǎn)出和分布存在著密切的內(nèi)在成因聯(lián)系。

對盆地東北部東勝鈾礦床的研究表明，在礦區(qū)淺表層直羅組、延安組發(fā)現(xiàn)了一些十分獨特的的流—巖作用或成巖蝕變及成礦現(xiàn)象：在直羅組除了發(fā)現(xiàn)規(guī)模巨大的鈾礦富集之外，還有大規(guī)模的控礦綠色砂巖蝕變帶，以及含礦層砂巖內(nèi)部廣泛發(fā)育的不連續(xù)分布的透鏡狀鈣質(zhì)砂巖和一些“假鈣化木”現(xiàn)象，緊鄰含礦層之下的延安組頂部存在較大規(guī)模的砂巖白色化、有人稱之為砂巖的“漂白現(xiàn)象”，并形成高嶺土礦床。這些現(xiàn)象的集中出現(xiàn)，顯得十分引人注目。這些成巖成礦現(xiàn)象均與本區(qū)的油氣耗散作用有關(guān)(肖新建等，2004；向偉東等，2006；吳柏林等，2006b，2007；李子穎等，2007，2009；Wu Bolin et al.，2009a，2009b)。

在國外對油氣耗散成巖蝕變與成礦效應(yīng)的研究中不多見，但砂巖的白色化現(xiàn)象卻研究得較多，有關(guān)現(xiàn)狀見下面的相關(guān)敘述。

2.1 砂巖的綠色蝕變

在東勝鈾礦區(qū)中侏羅統(tǒng)直羅組底部有一條規(guī)模宏大、呈弧形展布的綠色砂巖蝕變帶，其長>300km，寬達2～35km；該蝕變帶控制了東勝超大型砂巖鈾礦床的分布，鈾礦化嚴格沿砂巖的綠色砂巖蝕變帶前鋒線分布，成為當(dāng)?shù)卣业V部門最主要的找礦標(biāo)志。該綠色砂巖蝕變帶的形成與該區(qū)油氣耗散作用有關(guān)，它是早期層間氧化砂巖在油氣耗散還原作用下形成的產(chǎn)物(吳柏林等，2006a，2006b，2007；李子穎等，2007)。其主要證據(jù)有：①其內(nèi)部仍存有團塊狀的氧化砂巖殘余，②化學(xué)成份上具有高的Fe2+/Fe3+比值，說明形成于還原環(huán)境，然而其總硫及有機炭的含量非常低，說明其前身為氧化帶，是后期的還原作用形成了現(xiàn)在的還原性質(zhì)的綠色化帶；③在綠色蝕變砂巖碳酸鹽膠結(jié)物中，包裹體的氫、氧同位素值與正常大氣水相比明顯偏高，認為是流體中水的氫氧同位素受到了油氣成分的強烈混染所致。④綠色砂巖中的粘土礦物具有大量的后生還原性質(zhì)的鐵綠泥石礦物；⑤灰綠色砂巖中釷/鈾比值高，說明其中鈾曾在較強的氧化作用下導(dǎo)致了明顯的遷出；同時，釔、鋯和鈮等偏堿性元素的偏高，應(yīng)是砂巖后生綠色蝕變過程中堿性還原流體作用的結(jié)果，而“耗散天然氣—地下水”的混合流體符合這一地球化學(xué)性質(zhì)。

國外對與砂巖鈾礦有關(guān)的氧化帶砂巖再還原形成綠色蝕變帶的系統(tǒng)研究不多見，僅見美國學(xué)者對得克薩斯州與油氣有關(guān)的砂巖鈾礦床的研究(Adams，et al.，1981；Goldhaber，et al.，1978)。

2.2 砂巖的白色化及其成礦效應(yīng)

2.2.1 砂巖的白色化

在東勝鈾礦區(qū)以及北東部，在東西長約120km范圍內(nèi)的中侏羅世延安組頂部，緊鄰砂巖綠色化帶之下位置存在規(guī)模宏大的砂巖(部分泥巖或泥質(zhì)粉砂巖)白色化，不僅在露頭，甚至在鉆井巖心中均可見到這一現(xiàn)象。有的可見白色與紅色砂巖相鄰?fù)?，或含有紅色砂巖殘留，說明其前身為氧化砂巖，但現(xiàn)在的巖石地球化學(xué)特點則表現(xiàn)為總鐵含量及Fe3+/Fe2+比值都很低，說明其形成于還原性流體作用環(huán)境，并且原巖中的氧化鐵因被還原后被大規(guī)模遷移而損失了。結(jié)合該區(qū)的油氣耗散作用背景，認為這一現(xiàn)象是耗散天然氣還原紅色砂巖的結(jié)果，并稱之為“砂巖漂白現(xiàn)象”(馬艷萍，2006；劉池洋，2008；吳柏林等，2007)。

在國外，有關(guān)砂巖漂白現(xiàn)象在1922年就有過報道，認為這些紅層漂白現(xiàn)象是由于氧化鐵的化學(xué)還原作用造成的，這一紅層指沿著Montana 含油背斜頂部發(fā)育的三疊系Chugwater紅層(Moulton，1922)和沿Cement油田東部和西部背斜頂部發(fā)育的二疊系Rush Springs 紅層砂巖(Reeves，1922)。其原理是由于在烴類還原性流體進入紅層時，氧化鐵中的Fe3+還原成Fe2+后易于遷移，造成鐵的大量淋濾并從紅層中移開的結(jié)果。并總結(jié)出烴類蝕變作用在土壤與沉積物中可能會形成微生物異常、礦物變異如形成方解石及黃鐵礦、褪色或漂白等現(xiàn)象。從那以后，一些出版的文獻對紅層的漂白與巖石中的烴類運移空間關(guān)系給出了許多實例(Moulton，1922；Reeves，1922；Levandowski et al.，1973；Segal et al.，1986；Surdam et al.，1993； Kirkland et al.，1995；Schumacher，1996；Chan et al.，2000；Schumacher，2000； Beitler et al.，2003；魏俊浩等，2001)。對松遼盆地南部某油氣田邊緣一個油氣顯示井的磁性測量結(jié)果表明，油氣藏聚集過程同時伴隨了烴類蝕變作用的發(fā)生(劉慶生等，2002)。也有報道褪色現(xiàn)象(即白色化)與鈾礦化有一定關(guān)系，為找礦標(biāo)志之一(李細根等，2004；黃以，1997)；有的把此一現(xiàn)象作為油氣運移的指向及油氣勘探的重要指示信息(Fu Bihong，2007)。

研究區(qū)白色化砂巖其礦物學(xué)特點是含有大量的后生高嶺石，表明蝕變流體的性質(zhì)為酸性；對其中高嶺石氫氧同位素的研究認為，其形成于低溫?zé)嵋旱沫h(huán)境，而非風(fēng)化作用成因(胡亮，2010)。這跟東勝礦床的形成曾受到低溫?zé)嵋鹤饔脼橥画h(huán)境，而東勝礦床的形成經(jīng)歷了后期耗散天然氣對鈾的還原富集疊加及保礦作用，是“低溫耗散天然氣—地下水”形成的熱液共同作用的產(chǎn)物；也就是說，東勝礦床形成的同時，也具備形成本區(qū)砂巖的白色化環(huán)境。因而，本區(qū)白色化砂巖的形成與鈾礦形成的環(huán)境密切相關(guān)，也是耗散天然氣對氧化砂巖還原作用的結(jié)果。另外，有機地球化學(xué)方面的證據(jù)也支持這一認識：在白色化砂巖底板的有機質(zhì)條帶其生物標(biāo)志化合物特征顯示存在相對豐富的重排甾烷，顯示為外來的較高成熟度有機質(zhì)特點，這與石炭—二疊系煤層熱演化程度較高的特征相符(劉池洋，2008)。綜上，該區(qū)規(guī)模宏大的砂巖白色化現(xiàn)象的形成，是由成熟度較高的上古生界煤成氣向北耗散，將早期氧化砂巖中的Fe3+還原成Fe2+，而還原性的Fe2+在酸性環(huán)境下大規(guī)模遷出所致。

2.2.2 砂巖白色化的成礦效應(yīng)——高嶺土礦床的形成

由于該區(qū)延安組頂部大規(guī)模的砂巖白色蝕變作用，形成了盆地東北部的高嶺土礦床。該礦床層位穩(wěn)定，規(guī)模大，為大型高嶺土礦床，礦石多數(shù)見于地表，便于開采。其巖石學(xué)特征為：碎屑物主要由石英、長石、巖屑、云母、重礦物及不透明礦物組成，其中重礦物有綠簾石、石榴子石、鋯石等，以及黃鐵礦、褐鐵礦和鈦鐵礦等金屬礦物，鈦鐵礦含量可達1%～2%。另可見一些礫石，主要是石英巖、燧石，磨圓度好。高嶺石集合體的形態(tài)以蠕蟲狀、折扇狀、碎片狀等為主。 電子探針成分分析發(fā)現(xiàn)高嶺石組成常含有少量的Fe、Ti等雜質(zhì)成分。高嶺石礦較為純凈，很少有其他粘土礦物(如伊利石、伊蒙混層等)的加入。高嶺石在粘土礦物中占98%，伊利石占2%，表明該高嶺土礦多數(shù)已達工業(yè)品位。前人研究一度認為東勝地區(qū)的高嶺土礦是砂巖風(fēng)化型成因，其礦層層位受燕山早期古構(gòu)造運動面控制，原巖為含鉀長石較高的長石石英砂巖；認為經(jīng)長期風(fēng)化淋濾及成巖作用后形成了成分單一，易分選的高嶺土礦(畢先梅等，2000)。

正如上面已經(jīng)談到，對高嶺石的氫氧同位素結(jié)果分析后認為，該高嶺土礦的形成環(huán)境經(jīng)歷了低溫?zé)嵋鹤饔茫c東勝礦床形成的地質(zhì)作用(早期常溫地下水層間氧化作用成礦；晚期由于耗散天然氣是低溫的，導(dǎo)致形成的“油氣耗散—地下水”構(gòu)成的流體性質(zhì)為低溫?zé)嵋海哂锈櫢患c保礦作用)有一定的內(nèi)在聯(lián)系。結(jié)合該區(qū)存在大規(guī)模油氣耗散作用的地質(zhì)背景，本次研究認為該高嶺土礦的成因為后期油氣耗散的低溫?zé)嵋鹤饔盟?，?dāng)然后期不排除存在一定程度的風(fēng)化作用的疊加。該白色化作用為油氣耗散作用的重要指向和標(biāo)志之一(馬艷萍等，2006；劉池洋，2008；吳柏林等，2007)。

近年來進一步對對杭錦旗—東勝鈾礦富礦石中的主要鈾礦物鈾石和砂巖中沉積成巖作用的粘土礦物、以及白色砂巖經(jīng)過選礦分離之后的高嶺石測定其中的硅同位素組成，來對比探討鈾富集效應(yīng)與高嶺石化的關(guān)系(魏安軍，2014)。研究結(jié)果表明，鈾石中δ30Si(NBS)均值為-1.0‰；砂巖中沉積成巖性質(zhì)的粘土礦物中δ30Si(NBS)平均為-0.1‰，鈾石和相對應(yīng)的粘土中硅同位素組成相差較大，反映了不同的成因與來源。而白色砂巖中高嶺石的δ30Si(NBS)均值為-1.18‰，與鈾石中的硅同位素組成相近，兩者存在物質(zhì)上的一致性。另外，自然界中不同來源硅同位素組成對比表明與熱作用相關(guān)的物質(zhì)中硅同位素的組成偏負值，而與沉積環(huán)境下形成的物質(zhì)中硅同位素組成偏正值，鈾石和高嶺石中硅同位素偏負值且數(shù)值相近的特征，也反映了它們的形成與熱事件作用相關(guān)、有相同物質(zhì)來源的特點。

綜上所述，高嶺石和鈾石具有相同的硅同位素組成，表明它們具有相同的硅質(zhì)來源，是同一熱流體作用下的產(chǎn)物。同時，聯(lián)系到氫氧同位素特點表明高嶺石與鈾富集同屬熱液成因，，而相同的硅同位素組成又說明了具有相同成因和物質(zhì)來源的特點。這就進一步從成因定性和物質(zhì)來源兩方面證實了高嶺石化和本區(qū)鈾富集的成因背景相同，都是油氣耗散熱液作用大環(huán)境下形成的。

2.3 砂巖的碳酸鹽化

在東勝礦區(qū)目標(biāo)層直羅組砂巖地層露頭可見較多的后生碳酸鹽化，形成所謂的“鈣質(zhì)層”，其產(chǎn)狀主要包括呈不連續(xù)分布的透鏡狀鈣質(zhì)砂巖團塊、局部強烈碳酸鹽化的“假鈣化木”等現(xiàn)象。尤其是其中的“假鈣化木”十分引人注目，特征是呈樹干表觀，中心未見年輪殘留，見內(nèi)部結(jié)晶好的方解石呈充填狀，其部分中空，反映其形成于地層沉積之后的后生流體作用。這些后生碳酸鹽化與成巖作用形成的鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖特征不同，后者碳酸鹽結(jié)晶較粗，晶形好，為亮晶；而前者多為細—微晶，色深。在分布特點上，前者局部可見；后者多呈區(qū)域性穩(wěn)定分布。

經(jīng)對上述后生碳酸鹽化碳同位素的分析， 砂巖中方解石膠結(jié)物δ13CPDB和δ18OSMOW多集中在-23.62‰～-10.21‰。(平均-10.23‰。)和-17.13‰～-12.94‰(平均-13.22‰。)，認為方解石膠結(jié)物中碳的來源主要為有機碳；結(jié)合本區(qū)存在油氣耗散地質(zhì)背景的事實，以及碳酸鹽化與各種可能來源油氣煤等碳同位素數(shù)值的對比、微生物作用特點及硫同位素結(jié)果等綜合認為(劉池洋，2008；胡亮，2010；楊曉勇等，2007；張文正等，2006，2007，2008；李宏濤等，2007；蔡春芳等，2008；Wu Bolin et al.，2009b)，盆地中部上古生界天然氣耗散至此提供了碳源。

對其中獨特的“假鈣化木”中呈充填狀的方解石晶體進行的流體包裹體觀察和成份分析認為，包裹體類型多為單相，如氣體和氣態(tài)烴包裹體；可見少量氣液兩相包裹體。氣相組份主要是CO2和CH4，液相成分則主要是水(胡亮，2010)。含有少量的H2S及部分N2等組分。這種多為氣體包裹體或液體為純水成份的包裹體特征，與成巖“鈣質(zhì)砂巖層”中亮晶方解石主要是鹽水溶液的包裹體特征不同。說明“假鈣化木”中充填的方解石晶體包裹體成分主要為天然氣。其中的CH4、H2S等還原性氣體，是對鈾沉淀具重要意義的還原劑。“假鈣化木”中方解石晶體包裹體測溫，結(jié)果區(qū)間主要為140～180℃范圍，說明流體性質(zhì)為低溫的氣—水熱液，這與東勝礦床形成的流體作用性質(zhì)相似，說明“假鈣化木”的形成與東勝鈾礦床的形成具有一定的內(nèi)在聯(lián)系(Wu Bolin et al.，2012)。

單獨對“假鈣化木”方解石晶體碳同位素分析表明，其δ13CPDB分布范圍為-8.18‰～-3.11‰，平均-5.082‰；δ18OSMOW為-12.31‰～-11.13‰，平均-11.55‰，說明方解石晶體形成所需的碳質(zhì)來源與有機質(zhì)有關(guān)。這些數(shù)據(jù)進一步與盆地石炭系—二疊系油氣及白堊系油砂碳同位素相比，數(shù)據(jù)比較接近，而與中生界炭質(zhì)泥巖及煤中有機質(zhì)碳同位素特征相差甚遠，進一步說明了“假鈣化木”中方解石晶體形成的碳質(zhì)來源與盆地中部上古生界天然氣及北部的白堊系油苗是同出一源的(Wu Bolin et al.，2012)。

因此，本區(qū)存在的“假鈣化木”現(xiàn)象是盆地北部油氣耗散作用的重要標(biāo)志之一，其成因也與東勝鈾礦的后期富集與保存有關(guān)。

2.4 鈾的超常富集:超大型鈾礦床的形成

在鄂爾多斯盆地東北部發(fā)現(xiàn)了目前國內(nèi)最大的砂巖鈾礦——東勝超大型鈾礦，它位于盆地北部重要的構(gòu)造單元——伊盟隆起。目前的研究表明，那是盆地油氣長期運移、耗散指向的(最)高部位。無獨有偶，沿著伊盟隆起的西北方向(杭錦旗—泊江海子—東勝)一帶，近年又發(fā)現(xiàn)了包括杭錦旗鈾礦等大型砂巖鈾礦床。因此，伊盟隆起可能構(gòu)成世界級鈾礦礦集區(qū)。究其原因，應(yīng)與盆地北部這一油氣耗散的大背景有關(guān)，大規(guī)模的油氣耗散作用是該礦集區(qū)鈾礦超常富集的主要原因(圖1)，理由是：① 從東勝鈾礦礦體形態(tài)、空間分布來看，其早期應(yīng)屬層間氧化帶型成因，為常溫地下水流體作用所致，其相應(yīng)礦物包裹體氫氧同位素的結(jié)果也說明了這一點(吳柏林等，2006a；Wu BoLin et al.，2007)；然目前所見控礦蝕變帶為綠色化帶，屬還原性質(zhì)，前已述及，它為后期天然氣耗散還原早期氧化帶的產(chǎn)物；是“低溫耗散天然氣—地下水”構(gòu)成的低溫混合熱液作用所致。② 有關(guān)實驗證實，在含鈾酰溶液中，注入天然氣的主要組份甲烷，以及氫氣、硫化氫氣體等，可導(dǎo)致鈾礦物的快速沉淀，證明它們是鈾沉淀的有效還原劑(王駒等，1995；陳祖伊等，2007)；而黃鐵礦、煤屑有機質(zhì)雖也能起還原作用，但只在常溫下效果明顯，且速度極慢，效果較差。③ 東勝鈾礦形成時代表明，其成礦具有多期多階段特征，礦體卷頭、兩翼等均有多期礦化疊加(夏毓亮等，2003；劉漢彬等，2007；李子穎等，2009；肖新建等，2004)。說明早期(約J3～K)是層間氧化帶主體礦化形成期，后期盆地北部改造抬升(K2～E)，伊盟隆起形成，導(dǎo)致中部天然氣大規(guī)模向北部運移耗散，一方面使早期已形成的礦體得以保存(不至于氧化流失)，即起到保礦作用；另一方面，逸散的天然氣作用于前鋒線一帶的含鈾地下水，使鈾礦進一步富集疊加；終于形成現(xiàn)今鈾超常富集的超大型礦床?？梢姡€原劑十分豐富的耗散天然氣是其中的關(guān)鍵因素。④ 對東勝鈾礦含礦層不同巖性砂巖、泥質(zhì)粉砂巖中的有機質(zhì)地球化學(xué)參數(shù)測試中，檢測出了含量非常高的脂肪酸甲酯系列化合物(妥進才等，2006)；在實驗室的模擬實驗中，將采集的鄂爾多斯盆地中部上古生界天然氣注入到含有鈾酰離子的溶液中，模擬天然氣在鈾成礦過程中的作用， 很快出現(xiàn)了鈾礦物沉淀，得到的主要產(chǎn)物為UO2；實驗產(chǎn)物通過氣相色譜測試后，發(fā)現(xiàn)還同時生成了甲醇(CH3OH)產(chǎn)物(劉池洋，2008；妥進才等，2006)。甲醇與脂肪酸作用易于形成脂肪酸甲酯系列化合物。這一實驗結(jié)果很好解釋了東勝鈾礦含礦層中存在大量脂肪酸甲酯系列化合物的事實。為了進一步驗證天然氣大規(guī)模的耗散和還原作用對鈾的超常富集以及形成脂肪酸甲酯的特點，在盆地西部非油氣耗散鈾礦區(qū)采集了系列樣品，進行同樣的測試，在可檢測范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)脂肪酸甲酯系列化合物含量為零。這說明，大規(guī)模油氣耗散作用對東勝鈾礦除了起到保礦作用外，還存在后期鈾的疊加富集，從而形成超大型礦床。⑤ 近年在與東勝鈾礦一樣具有大規(guī)模油氣耗散背景的伊盟隆起上相繼又發(fā)現(xiàn)了杭錦旗鈾礦，初步研究表明，其礦體形態(tài)及分布、控礦特征、成礦時代、礦床地質(zhì)等諸特征均與東勝鈾礦類似。這些事實進一步證明了大規(guī)模油氣耗散對鈾礦超常富集及保存的重要作用。

砂巖鈾礦的成礦及富集，最重要的沉淀還原劑有黃鐵礦等金屬硫化物以及有機質(zhì)(煤屑)、另外可能還有氣體組分H2、CH4, H2S,CO等。但目前的熱力學(xué)及實驗研究均認為，氣體還原劑是最有效的還原劑(幾乎任何溫度下均可將鈾沉淀富集，另外反應(yīng)速度快)。如以下各反應(yīng)所示(趙鳳民等，1986；王駒等，1995；蔡義各，2008)：

(1)

UO22++H2=UO2+2H+

(2)

4UO22++CH4+3H2O=HCO-+4UO2+9H+

(3)

UO22++2CO+H2+H2O=UO2+C+ HCO-+3H+

(4)

4UO22++H2S+10OH-=4UO2+SO42-+6H2O

(5)

上述5個反應(yīng)方程式在不同溫度下的自由能變化(ΔGT0，KJ/mol)如下：

溫度(℃)反應(yīng)(1)反應(yīng)(2)反應(yīng)(3)反應(yīng)(4)反應(yīng)(5) 127-7.444-95.874-153.732-l77.769-1001.670 227+1.954-109.723-198.119-144.160-1291.755 327+105.931-107.927-194.744-83.730-1582.090

因而，天然氣中的主要組份CH4,以及H2、H2S、CO等在鈾成礦中起到重要作用。有效還原劑越豐富，自然鈾的富集量越大。而鄂爾多斯盆地北部存在大規(guī)模的油氣耗散作用，對在北部的伊盟隆起一帶形成大規(guī)模的鈾礦化是十分有利的環(huán)境條件。

3 相關(guān)實驗研究進展

油氣耗散作用成巖蝕變及成礦效應(yīng)，近年不僅在野外地質(zhì)研究中被證實，而且在室內(nèi)模擬實驗中也已初步證明是客觀存在的。目前的主要工作進展和認識有如下幾方面。

3.1 氣體組分、煤屑有機質(zhì)等還原鈾的實驗

天然氣中最主要的組分是甲烷等輕烴類氣體，另外有的含較多CO2及少量的H2S、CO、H2等。前人曾對上述氣體還原鈾的性質(zhì)進行過實驗，結(jié)果表明，H2、CH4、 H2S、CO等氣體是鈾還原沉淀非常有效的還原劑，生成產(chǎn)物主要為UO2；然而黃鐵礦等金屬硫化物以及有機質(zhì)(煤屑、微生物等)的還原效應(yīng)則較為有限(王駒等，1995；權(quán)志高等，2002；楊殿忠等，2004；喬海明等，2006；蔡義各，2008；張景廉，2005；劉正義等，2008)。后繼實驗更進一步證明CH4、H2S 對含鈾溶液中的Mo、Se、Re等砂巖鈾礦中常見的伴生元素也具有很好的還原富集作用(劉正義等，2008)。

通過采集東勝鈾礦容礦層中的有機質(zhì)(煤屑)、上古生界天然氣、中生界石油等樣品，分別模擬鈾還原沉淀的實驗，結(jié)果表明，煤屑有機質(zhì)除了具有吸咐作用外，還主要通過其中的腐殖酸與鈾的絡(luò)合及配位作用導(dǎo)致鈾的遷移及沉淀；在低溫條件下天然氣(主要組分是甲烷)還原鈾酰離子溶液得到的產(chǎn)物主要為UO2。石油餾分與鈾酰離子溶液反應(yīng)產(chǎn)物為混合價態(tài)的U3O8、U4O9和U3O7等(蔡義各，2008； 孫慶津等，2007；張維海等，2006； 楊殿忠等，2004；向偉東等，2000)。上述結(jié)果表明，油氣在鈾的富集成礦中作為還原劑起到重要的作用。

3.2 天然氣還原氧化砂巖的模擬實驗

3.2.1 概述

由于東勝鈾礦具有典型的油氣耗散作用成因，形成所謂砂巖綠色化帶控礦的特點，而這是由于耗散天然氣對早期氧化砂巖的還原作用所致。因此本項研究的實驗中采集了礦區(qū)容礦層氧化砂巖、上古生界天然氣等樣品進行模擬實驗(圖2，圖3)。不僅考察天然氣對鈾溶液，同時觀察對氧化砂巖的還原蝕變影響。通過野外研究已獲取了該區(qū)有關(guān)的物理化學(xué)環(huán)境參數(shù)，如流體組分、溫度、壓力等(吳柏林等，2007)；因此，在實驗室可在一定程度上模擬自然界條件來重現(xiàn)這些自然形成的地質(zhì)現(xiàn)象或過程。

圖2 實驗用的天然氣樣品：盆地中部上古生界氣田，臺3井，層位為山西組山2段Fig. 2 The gas sample for experiment collected from the gas field of the Upper Paleozoic in the central basin, Tai-3 well, the Shan-2 Member of the Shanxi Formation

3.2.2 實驗過程

分兩種類型樣品和不同實驗條件共三組實驗情況來進行：樣品均是來自于研究區(qū)直羅組，二類樣品中一為氧化巖石(紅色砂巖)，另一為原生灰色巖石(圖3)，根據(jù)研究區(qū)地層地下水的實際情況配制水溶液(表1)，① 配制不富鈾(據(jù)包裹體成分和現(xiàn)代地下水成分綜合考慮，其濃度為U≤ μg/L)酸性的水溶液混合在氧化巖石中；② 配制不富鈾堿性的水溶液混合在氧化巖石中；③ 配制富U(根據(jù)野外情況擬配制U≥50μg/L濃度)的水溶液混合在灰色巖石中，溶液為中性。實驗在水熱反應(yīng)斧中進行；在天然氣鋼瓶中分別對這三組“水—巖”混合樣品注入天然氣，并有排出裝置(整個實驗裝置示意圖見圖4)。觀察在一定的時間之后可能出現(xiàn)的情況，包括作用前后樣品顏色，常量、微量元素含量、砂巖粘土含量及類型、主要地球化學(xué)參數(shù)( U、Th、orgC、∑S )特征的對比等。

3.2.3 實驗條件

(1)溫度和壓力：溫度為80～100℃(據(jù)包裹體測溫數(shù)據(jù)分布的主要區(qū)間)；壓力為常壓。

表1 東勝地區(qū)砂巖烴類蝕變實驗研究中樣品的水溶液成分配制Table 1 The aqoeous solution composition for the experiment of hydrocarbon alteration sandstone in Dongsheng area

圖3實驗用樣品：均采自東勝礦床直羅組DWW27 ：淺灰色疏松中砂巖，ZKA 111-40 ；DWW50 ：紫紅色砂巖，ZKB 4-56Fig. 3 The all sample for experiment collect from Zhiluo Formation in Dongsheng uranium deposits.DWW27:Light gray lossen sandstones, ZKA 111-4；DWW50: Purple-red sandstones, ZKB 4-56

(2)巖石樣品：有直羅組紅色氧化及原生灰色的正常樣品(圖3)；其實驗前的礦物和巖石地球化學(xué)特征見表2。

(3)天然氣樣品：采自盆地中部上古生界氣田臺3井，層位為山西組山2段；每罐20 L，5.0 MPa(圖2)。其成分經(jīng)測試主要為甲烷(CH4)，占(V/V)95.248‰，另有少量CO2占2.192‰，N2占0.048‰，H2占0.014‰等。

(4)酸堿度條件：分三組，中性：原生灰色未蝕變的正常樣品；紅色氧化樣品分酸性和堿性兩種情況。

(5)水溶液成分配制：據(jù)包裹體及現(xiàn)代地下水成分資料綜合配制；實驗前溶液的離子濃度配制見表1。

3.2.4 實驗結(jié)果

經(jīng)三個月反應(yīng)后，在常溫下，發(fā)現(xiàn)天然氣(主要組分為甲烷)作用于灰色含鈾砂巖的該組溶液出現(xiàn)了顏色為黃色的沉淀，而其它兩組中，其中在堿性溶液中的砂巖顏色變淺，而酸性溶液中的砂巖顏色變化不明顯。經(jīng)對反應(yīng)前后樣品的礦物組分及粘土含量、鈾釷含量、溶液組分的變化測試對比(表2)，可以認為：

圖4 實驗裝置示意圖Fig. 4 The schematic diagram of experimental device

(1)天然氣作用于含鈾溶液后，出現(xiàn)的黃色沉淀為鈾的沉淀物；生成物砂巖中明顯變?yōu)辄S色，其Th/U值大幅降低(表2)，證明巖石中鈾的含量確實大大增加。

(2)在天然氣作用后的砂巖礦物成分的檢測中(表2)，主要造巖礦物變化不大，粘土礦物仍以蒙脫石為主，但卻普遍檢測出了蛭石礦物的出現(xiàn)，這說明天然氣作用于砂巖，是可能造成粘土礦物的變化和轉(zhuǎn)化的。且蛭石有可能是粘土礦物轉(zhuǎn)化的過渡產(chǎn)物，如果組份合適或時間足夠長，蛭石有可能繼續(xù)演化為綠泥石或蒙脫石等。

(3) 實驗后樣品的Fe3+/Fe2+發(fā)生了明顯的變化，如實驗前氧化樣品DWW50之Fe3+/Fe2+為2.35，實驗后酸性溶液此組變?yōu)?.78，堿性溶液組變?yōu)?.23，原因是Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+后大量遷移至溶液中損失；這說明，在天然氣作用下，環(huán)境變?yōu)檫€原條件，氧化砂巖已經(jīng)向還原性組份的方向在變化。而原生灰色巖石此項指標(biāo)變化不大。

(4)本實驗中未能出現(xiàn)預(yù)期的明顯的白色和綠色化現(xiàn)象，原因可能有三，一是實驗時間太短，漂白和綠色化可能是長時間地質(zhì)作用的產(chǎn)物；而實驗?zāi)M難于完全重演地質(zhì)歷史；二是有熱液加溫的疊加作用，正如前面分析所述，但本實驗未能加以考慮此一因素；三是漂白和綠色化的重要特點是粘土礦物發(fā)生變化，粘土礦物的轉(zhuǎn)化是一個漸變的過程，需要時間和環(huán)境的長時間演化。本項實驗中檢測出樣品反應(yīng)后出現(xiàn)的蛭石礦物也許就是這個過渡的中間產(chǎn)物。因為，蛭石為含鐵鎂鈣等的鋁硅酸鹽礦物，蒙脫石為含鈉的鋁硅酸鹽礦物，綠泥石為含鐵鎂等的鋁硅酸鹽礦物，高嶺石為鋁硅酸鹽礦物；隨著時間和環(huán)境的進一步演化，蛭石可能脫鐵鎂或鈉類質(zhì)同象置換鈣，于是高嶺石或綠泥石或蒙脫石等就有可能生成。應(yīng)該說，本項實驗中發(fā)現(xiàn)樣品反應(yīng)后出現(xiàn)較多的蛭石礦物這一現(xiàn)象是一個重要的發(fā)現(xiàn)。從一個側(cè)面證明了天然氣作用于砂巖在一定條件下可以導(dǎo)致粘土礦物類型的轉(zhuǎn)變。這對于下一步加強該項實驗工作具有重要的啟發(fā)意義。

4 工作展望

油氣耗散及成巖蝕變和成礦效應(yīng)學(xué)科方向是沉積盆地多種能源研究的最重要內(nèi)容之一。目前的研究地區(qū)主要局限于鄂爾多斯盆地，相關(guān)內(nèi)容剛剛起步，然其研究意義卻十分重大。它屬于油氣地質(zhì)學(xué)與其它學(xué)科如地球化學(xué)和礦床學(xué)等之間的一個交叉學(xué)科。研究內(nèi)容為多種能源與盆地成藏(礦)系統(tǒng)范疇，代表能源地質(zhì)學(xué)的一個發(fā)展方向。目前及今后的研究應(yīng)主要瞄準以下關(guān)鍵問題進行：

表2 實驗樣品反應(yīng)前后有關(guān)地質(zhì)地球化學(xué)參數(shù)的變化Table 2 The geological and geochemical parameters change of the experimental samples before and after reaction

(1)油氣耗散的方向和規(guī)模: 這是該領(lǐng)域的一個基礎(chǔ)性問題。只有確定油氣運移耗散的方向和規(guī)模，才能進一步明確找礦方向，指導(dǎo)油氣耗散形成的次生油氣藏的勘探及潛力評價。該項研究難度頗大，主要體現(xiàn)在下面二個方面，一是耗散規(guī)模的精確確定，尚沒有較好的方法；二是耗散的方向，其確定需要測定相關(guān)油氣包裹體的捕獲壓力，目前的測試技術(shù)可能存在一定的精度問題。由于上述原因，對油氣耗散研究較為薄弱，探索性強，是迄今國內(nèi)外尚無重要進展的國際性研究難題。

(2)油氣耗散成巖成礦效應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系與形成過程的地球化學(xué)機理： 油氣耗散作用及其成巖蝕變和成礦效應(yīng)實質(zhì)是“水—巖”地質(zhì)作用問題，是“耗散油或氣+地下水+其它可能的流體”與固態(tài)巖石在一定條件下相互作用的結(jié)果。在這個過程中，巖石學(xué)標(biāo)志是什么？地球化學(xué)機理是什么？有跡象表明，作用過程中有關(guān)微量元素及碳、氫、氧、硫、硅穩(wěn)定同位素的示蹤有助于揭示這個過程的化學(xué)機理(張景廉，2005；吳柏林，2006a，2006b，2007；妥進才等，2006；蔡義各，2008；劉正義，2007，2008；胡亮等，2009；朱西養(yǎng)等，2004；Wu Bolin et al.，2009a，2009b)。然其中的規(guī)律及系統(tǒng)的微量元素和同位素的示蹤判別仍需進一步進行探索。

(3)“烴源巖—鈾等重金屬無機元素”相互作用效應(yīng)及機理問題： U、Mo、V、Mn、Cr等重金屬無機元素對烴源巖生烴可能具有催化作用或積極的影響(劉池洋等，2013；毛光周等，2012a，2012b)。鄂爾多斯盆地長七烴源巖以富鈾為特征(張文正等，2008)。我國西北許多盆地的地層既是烴源巖同時又是產(chǎn)鈾層位，如柴達木盆地侏羅系同是J、E油藏的烴源巖，同時又是柴北緣砂巖鈾礦的賦礦層位，也是賦煤層位?！坝汀櫋和婀矘s”現(xiàn)象客觀存在，但其間相互關(guān)系、彼此影響所知甚少。研究和認識這個問題，將對解釋有些盆地油氣資源超常豐富的內(nèi)在原因及對油氣資源進行正確的評價提供科學(xué)依據(jù)。

(4)油氣耗散作用與多種能源協(xié)同勘探： 由于油氣耗散作用產(chǎn)生相應(yīng)的成礦效應(yīng)，形成沉積盆地多能源及相關(guān)多資源礦產(chǎn)同存共榮的局面。因此，依據(jù)油氣耗散作用特征與規(guī)律，開展多種能源整體研究、綜合評價、協(xié)同勘探等具有重要的實際意義。如何依據(jù)相關(guān)資源的內(nèi)在聯(lián)系和時空分布規(guī)律進行勘探部署，同時管理上突破現(xiàn)行行業(yè)分工及各行其是的體制，是其中研究的重要內(nèi)容。