東勝鈾礦床直羅組天然氣顯示與鈾礦化關(guān)系初探

李有民　陳宏斌

摘要：東勝鈾礦床直羅組巖石中的自由氣體、紫外熒光、酸解吸附烴研究表明，直羅組綠色巖石中存在明顯的天然氣顯示，尤其是綠色砂巖頂板處的綠色粉砂巖、泥巖中烴含量最高。烴主要由氣態(tài)烴和輕質(zhì)油組成，濕氣含量較高，可能來自下古生界煤系地層。鈾礦化受綠色蝕變巖石帶與灰色巖石接觸帶的控制，鈾礦石形成在強(qiáng)還原環(huán)境下，4價鈾含量較高，鈾礦物以鈾石、鈦鈾礦為主，并含有大量富含氣態(tài)烴的重?zé)N包裹體。另外鈾成礦時間與上古生界大規(guī)模生排烴時間基本相同，因此東勝鈾礦床成因可能同天然氣的還原作用有關(guān)。

關(guān)鍵詞：東勝鈾礦床；自由氣體；天然氣顯示；紫外熒光；綠色蝕變巖石

東勝鈾礦床是我國一個大型的砂巖型鈾礦基地。該鈾礦床主要產(chǎn)于中侏羅統(tǒng)直羅組下巖性段的灰色、灰綠色砂巖中，與典型層間氧化帶型砂巖鈾礦化受黃色氧化帶與灰色還原帶的接觸帶（即氧化——還原過渡帶）控制不同，而是受綠色蝕變巖石帶與灰色巖石帶的控制，是一種新的鈾礦床類型。對于這種類型鈾礦的成因多數(shù)學(xué)者認(rèn)為鈾礦化直接或間接與油氣有關(guān)，本文主要從直羅組天然氣顯示與鈾礦化的空間關(guān)系對此問題進(jìn)行探討。

1. 區(qū)域地質(zhì)概況

東勝鈾礦床位于鄂爾多斯盆地東北部，平均海拔1400m左右，處于盆內(nèi)地勢最高處。大地構(gòu)造處于中朝板塊西部塊鄂爾多斯斷塊，二級構(gòu)造單元劃分屬于伊——陜單斜區(qū)中的東勝——靖邊單斜帶（王雙明），相當(dāng)于石油系統(tǒng)劃分的伊盟隆起帶（圖1）。元古界結(jié)晶巖和古生界灰?guī)r、陸相碎屑巖構(gòu)成盆地雙重基底，蓋層主要由中新生代陸相碎屑巖組成。礦區(qū)構(gòu)造活動較弱，礦區(qū)南部有一條近東西、北東向橫穿伊金霍洛旗的基底斷裂，大部分地區(qū)為地層向西南傾斜、傾角1～3°的單斜層，斷裂、褶皺不發(fā)育，僅在沿泊爾江海子——東勝一線分布近東西向的古隆起，在隆起兩側(cè)的中新生代地層均有不同程度的加厚，具備較為有利的油氣儲藏構(gòu)造。

區(qū)內(nèi)中新生代地層由老往新依次為三疊系、侏羅系、早白堊系、新生代上新統(tǒng)及第四系，其間缺失侏羅系上統(tǒng)、晚白堊系和老第三系。其中區(qū)內(nèi)鉆孔主要揭露地層為下侏羅統(tǒng)延安組、中侏羅統(tǒng)直羅組、下白堊統(tǒng)伊金霍洛組。

延安組，區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育，為含煤巖系。巖性為灰、淺灰色粉砂、粉砂質(zhì)泥巖夾中粒砂巖，賦存多層可采煤層。由北向南巖層增厚，粒度變細(xì)，煤層增多、變厚。

Ⅰ中朝大陸板塊；Ⅰ1鄂爾多斯斷塊，其中Ⅰ11西原褶皺沖斷帶；Ⅰ12天環(huán)拗陷；Ⅰ13伊陜單斜區(qū)；Ⅰ13-1東勝—靖邊單斜；Ⅰ13-2延安單斜；Ⅰ14渭北斷隆區(qū)；Ⅰ15河?xùn)|斷褶帶；Ⅰ16烏拉山—呼和浩特斷陷；Ⅰ17汾渭斷陷；Ⅰ2阿拉善斷塊；Ⅰ3陰山斷塊；Ⅰ4山西斷塊；Ⅰ5豫皖斷塊；Ⅱ興蒙褶皺帶；Ⅲ秦祁褶皺帶；①陰山斷裂；②河套盆地南界斷裂；③正誼關(guān)偏關(guān)斷裂；④青銅峽石家莊斷裂；⑤大河—華池斷裂；⑥固陽—富縣斷裂；⑦青銅峽固原斷裂；⑧臨汾—潼關(guān)斷裂；⑨離石斷裂。

直羅組，主要分布在哈什拉川、神山溝、黃鐵棉兔溝等地，是區(qū)內(nèi)主含礦層位，與下覆延安組為連續(xù)沉積，根據(jù)巖性特征可將直羅組劃分為上、下兩個巖性段，上巖性段主要為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖，泥巖夾蘭色砂質(zhì)團(tuán)塊；下巖性段又可分為上下兩個亞段：上亞段主要為綠色、灰綠色、蘭綠色中細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖組合，下亞段主要為灰色含有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦的中粒砂巖，鈾礦化主要位于上亞段與下亞段的過渡部位的灰綠色、灰色砂巖中。

伊金霍洛組：在研究區(qū)大部分地段發(fā)育，由北向南厚度明顯增大，巖性均為紫紅色——磚紅色的礫巖、砂巖及砂巖夾泥巖，由下往上碎屑粒度逐漸變細(xì)，泥質(zhì)成分增多，中段見大型交錯層理。通過對礫石方向測定和泥質(zhì)含量判定，當(dāng)時沉積物源方向應(yīng)為由東向西。

2. 東勝鈾礦床直羅組天然氣顯示

前人在鄂爾多斯盆地東北部地區(qū)進(jìn)行過大量石油地質(zhì)方面的研究工作，并取得了許多新的研究成果。研究表明該地區(qū)主要烴源層是上古生界海陸交互相煤層和暗色泥巖層，屬典型腐植型母巖類型。巖層中有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率為0.6%～1.7%，屬氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤煤階，多數(shù)地區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化程度達(dá)到中等成熟度，以生成重?zé)N天然氣和少量輕質(zhì)油為主。一般認(rèn)為該區(qū)母巖層從早侏羅世就已開始生烴，在燕山運動晚期達(dá)到生排烴高峰。烴類物質(zhì)主要由西南向北東方向運移即向伊盟隆起帶方向運移。筆者在東勝鈾礦床后生蝕變研究中，在直羅組巖層中發(fā)現(xiàn)有天然氣顯示，尤其是在綠色巖石中較為明顯。

2.1 自由氣體

2.1.1樣品采集方法

自由氣體是游離附存于巖石孔隙中的氣體，同石油系統(tǒng)通常所指的罐頂氣概念相同。樣品的采集是在鉆探巖心取出15分鐘內(nèi)，采取10cm長完整巖心柱，快速除去泥漿等雜質(zhì)后迅速放入盛有飽和NaCL鹽水的搪瓷容器中密封保存，樣品在半個月內(nèi)進(jìn)行分析測試。

2.1.2自由氣體組成

在礦區(qū)內(nèi)ZKA3-1（觀）鉆孔直羅組下巖性段綠色中細(xì)粒砂巖中，分別采集3個自由氣體樣進(jìn)行烴類氣體分析（見表1）。烴類氣體含量較高，其主要成分為甲烷16.067%～32.921%；乙烷0.023%～0.067%；丙烷8.698%～15.718%，以甲烷和丙烷為主，計算出烴類氣體的濕氣含量C2+為8.72%～15.79%，烴類氣體類型屬于濕氣。

由于本地地區(qū)的主要烴源層屬典型腐植型母巖層，按照煤層氣中濕氣含量與煤鏡質(zhì)體反射率R°演化關(guān)系（圖2、圖3），可以看出，東勝鈾礦床直羅組地層自由氣體中濕氣含量的投影點位于北美地區(qū)鏡質(zhì)體反射率R°為0.55%～1.5%的煤層氣范圍或者中國東部地區(qū)鏡質(zhì)體反射率R°為0.8%～1.7%的煤層氣范圍，也就是說礦床中自由氣體中烴類氣體可能來自鏡質(zhì)體反射率R°為0.6%～1.7%范圍的煤層或與之對應(yīng)的腐植型烴源層中，即熱演化程度相當(dāng)于氣煤——焦煤煤階的煤層或煤系有機(jī)質(zhì)。這與區(qū)內(nèi)上古生界烴源層中有機(jī)質(zhì)熱演化程度相同（鏡質(zhì)體反率R°0.55%～1.7%），以油氣兼生和生成濕氣為主。并非來自延安組以生物降解作用生成CH4、CO2為主的褐煤（R°<0.5%）。另外在該地區(qū)上古生界地下水中溶解的烴類氣體濕氣含量較高達(dá)（35%）以及在三疊系巖石中次生油氣包裹體以重?zé)N天然氣包裹體為主，認(rèn)為烴主要來自上古生界烴源層。

2.2 紫外熒光和酸解吸附烴

東勝礦床直羅組不同巖石的紫外熒光強(qiáng)度和酸解吸附烴含量統(tǒng)計結(jié)果（表2），從中可以看出，綠色巖石各激發(fā)波長的熒光強(qiáng)度最高，峰值最高達(dá)809.13；灰綠色巖石次之；紫紅色巖石和藍(lán)綠色巖石熒光強(qiáng)度最低。因而綠色巖石中所含的烴物質(zhì)較高，灰綠色、灰色巖石次之，紫紅色、藍(lán)綠色巖石較低。不同激發(fā)波長下，巖石的熒光強(qiáng)度變化規(guī)律相似（圖4），均在320nm～360nm波長處出現(xiàn)峰值，其中以320nm波長處峰值最高。對比不同石油類型的熒光波譜特征，巖石的熒光特征同輕質(zhì)油、天然氣的熒光特征相似，該地區(qū)烴類物質(zhì)主要為氣態(tài)烴和輕質(zhì)油。

酸解吸附烴是地面土壤油氣化探的主要方法之一，對土壤的時代和類型要求較為嚴(yán)格，同一地區(qū)不同時代和類型土壤的含量變化較大。由于巖石組成要比土壤更加復(fù)雜，其中的粘土礦物成分及含量、碎屑顆粒的大小、孔隙類型和大小以及碎樣分析粒度差別較大，同一地區(qū)不同巖石中的酸解吸附烴含量變化較大，僅應(yīng)用巖石中酸解吸附烴總量來確定地層中油氣含量很難對地層做出客觀的評價。從表3可以看出礦床中熒光強(qiáng)度高的綠色巖石的酸解烴含量較高，而熒光強(qiáng)度不高的灰綠色、灰色和藍(lán)綠色巖石中的酸解烴含量較高，這可能與灰綠色、藍(lán)綠色、灰色巖石以砂巖為主粘土含量較低，而綠色巖石中粘土含量較高造成。因此參照自由氣體分析方法以濕氣的含量與總烴含量比值作為參數(shù)（C2+/總烴），可以看出綠色巖石中的（C2+/總烴）含量最高達(dá)45.2%，而灰色、藍(lán)綠色巖石次之，紫紅色和灰綠色巖石最低，同紫外熒光的分析結(jié)果基本相同。垂向上（C2+/總烴）變化規(guī)律同紫外熒光強(qiáng)度的變化規(guī)律基本相同，峰值出現(xiàn)在綠色巖石中（圖5）。

紫外熒光及酸借烴垂向含量折線圖

綜上所述，東勝鈾礦床中綠色巖石中儲集有較高的上古生界天然氣，灰色巖石次之，紫紅色巖石最低，因而天然氣的還原作用可能是形成綠色蝕變巖石的主要原因之一。

3. 鈾礦化與天然氣的關(guān)系

3.1 綠色蝕變帶控制鈾礦體的空間展布

區(qū)內(nèi)鈾礦化主分布于綠色蝕變巖石與灰色巖石接觸帶的灰綠色、灰色砂巖中，礦體多呈板狀、透鏡狀、少數(shù)為復(fù)雜卷狀[1]（圖6）。分布在綠色蝕變巖石與灰色砂巖接觸部位的鈾礦體約占礦體總數(shù)的80%，即80%的鈾礦體受綠色——灰色單一界面控制。

1. 砂巖；2. 砂巖；3. 泥巖、粉砂巖；4. 煤；5. 鈾礦化；6. 巖石顏色；7. 綠色蝕變與灰色巖石界線；8. 紫紅色蝕變帶與綠色蝕變帶界線。

3.2 鈾的賦存形式及鈾礦石中油氣包裹體

礦石中鈾以吸附狀鈾和鈾礦物形式賦存，其中吸附狀鈾主要被礦石中粘土礦物、粉末狀黃鐵礦、炭化植物碎屑以及Ti、Fe氧化物所吸附。鈾礦物為鈾石、鈦鈾礦等，常與黃鐵礦、銳鈦礦等共生或伴生⑥。

礦石中的鈾價態(tài)分析結(jié)果（表4）表明，礦床鈾礦石中鈾主要以4價鈾形式存在，4價鈾含量一般大于92%，較吐哈盆地和伊犁盆地鈾礦石中50%—80%比例高，反映出鈾可能是在一種較強(qiáng)還原環(huán)境中形成。另外，在鈾礦石中發(fā)現(xiàn)有大量次生油氣包裹體，藍(lán)光激發(fā)下發(fā)淺藍(lán)色熒光屬富含天然氣的重?zé)N包裹體[4]。

東勝鈾礦床不同部位的鈾礦石，全巖U—Pb同位素等時線年齡結(jié)果顯示，該鈾礦床有4個成礦時段，分別為149Ma；120Ma；70Ma～85Ma；8Ma～20Ma，其中以70Ma～85Ma占多數(shù)[2][5]，即鈾礦化主要形成于燕山運動晚期與區(qū)內(nèi)上古生界生油巖的大規(guī)模生排烴時間相吻合。

4. 結(jié)論

（1）東勝鈾礦床直羅組地層存在天然氣顯示，尤其是在綠色、灰綠色巖石中的天然氣含量明顯高于紫紅色巖石和藍(lán)綠色巖石。

（2）自由氣體研究表明，直羅組巖石所含的烴類氣體類型為濕氣，濕氣含量8.72%～15.79%，與有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率為0.6%～1.7%的煤層氣相同，烴類氣體可能來自上古生界有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率為0.5%～1.75%的煤系地層。

（3）紫外熒光和酸解吸附烴研究發(fā)現(xiàn)，直羅組綠色巖石的熒光強(qiáng)度高于紫紅色巖石和灰色巖石，尤其是綠色砂巖頂板處的綠色粉砂巖、泥巖強(qiáng)度最高，說明該處含有較高的油氣物質(zhì)，熒光頻譜特征反映油氣為輕質(zhì)油或氣態(tài)烴，酸解烴研究也得出同樣的結(jié)果。

（4）鈾礦化主要受綠色蝕變巖石帶與灰色巖石帶接觸界面的控制，礦體呈板狀、透鏡狀、不規(guī)則卷狀，近少數(shù)鈾礦化分布于綠色砂巖中。

（5）鈾以吸附狀鈾和鈾礦物兩種形式賦存，其中鈾礦物主要為鈾石、鈦鈾礦，鈾礦石中.4價鈾含量較高，常大于92%，反映出較強(qiáng)還原條件的鈾成礦環(huán)境。另外在鈾礦石發(fā)現(xiàn)大量富含天然氣的重?zé)N次生包裹體，說明鈾與天然氣有關(guān)。鈾成礦年齡主要在70Ma～85Ma之間，同區(qū)內(nèi)上古生界烴源層的大規(guī)模生排烴時間基本一致。

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