放射性元素在地質(zhì)中的應(yīng)用
——以楚雄盆地為例

劉金帥，楊 飛，章學(xué)剛，周 舟，周 倩，龔偉成

(1. 長(zhǎng)江大學(xué) 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100； 2. 長(zhǎng)江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院， 湖北 武漢 430100； 3. 長(zhǎng)江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434000)

0 前 言

由于自然界中放射性元素整體上分布無(wú)規(guī)律性，且獲取相關(guān)資料成本較高，在石油地質(zhì)領(lǐng)域中很少受到學(xué)者的重視。近年來(lái)，隨著勘探目標(biāo)的不斷加深，研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，放射性元素得到學(xué)者廣泛關(guān)注。由于鈾、釷、鉀三種元素含量較多，目前可以通過(guò)儀器檢測(cè)到的天然放射性元素主要是這三種元素[1]。通過(guò)對(duì)沉積巖中所含的鈾、釷、鉀三元素進(jìn)行研究,可以對(duì)地層的物質(zhì)來(lái)源進(jìn)行判斷，可以獲知地層沉積的沉積環(huán)境，可以獲知地層中稀有氣體和地?zé)釥顟B(tài)等方面的信息，而且對(duì)于尋找沉積型自然放射性元素也具有重大的參考價(jià)值[2]。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

楚雄盆地三疊紀(jì)地層位于前寒武紀(jì)基底上面，三疊紀(jì)地層巖石粒度自下而上變化規(guī)律明顯，呈現(xiàn)出逐漸變粗的變化趨勢(shì)，反映出由海相逐漸過(guò)渡到陸相的沉積環(huán)境。拉丁—卡尼期盆地處于深水沉積環(huán)境，沉積地層多以薄層狀為主，巖性主要為灰色泥質(zhì)粉砂巖以及粉砂質(zhì)泥巖。諾利期早期由于構(gòu)造作用影響，盆地發(fā)育兩個(gè)沉降中心，盆地中的華坪隆起作為兩個(gè)沉降中心的邊界，起著重要的控制作用。在華坪隆起以西的推覆體上部，該套地層為廣海陸架相的沉積地層，細(xì)碎屑巖沉積、遠(yuǎn)源濁積巖沉積為其沉積特征。華坪隆起以東為局限環(huán)境下沉積的地層，地層沉積特征以細(xì)碎屑巖沉積夾濁積巖為主。諾利期晚期則是三角洲發(fā)育期和成煤期最主要的時(shí)期。楚雄盆地中發(fā)育有大量的三角洲和煤，且發(fā)育有大規(guī)模的下超復(fù)合體，復(fù)合體由三角洲前緣砂體組成。楚雄盆地古地理格局為其分為兩個(gè)帶：東部帶和西部帶，且整體上兩個(gè)帶所處的位置呈對(duì)稱(chēng)分布，在盆地西部主要為陸相、海陸過(guò)渡相沉積地層，盆地中部主要為海相沉積地層[3]。

2 實(shí)測(cè)剖面和樣品信息

2.1 實(shí)測(cè)剖面信息

實(shí)測(cè)6條剖面分別是米甸剖面1，米甸剖面2，德苴剖面，一平浪剖面1，一平浪剖面2，一平浪剖面3。其具體地理坐標(biāo)如表1所示。

表1 楚雄盆地野外實(shí)測(cè)剖面統(tǒng)計(jì)

2.2 樣品放射性元素含量

對(duì)采集到的樣品的巖性和鈾、釷、鉀三種放射性元素含量進(jìn)行了分析。巖石樣品大致分為以下幾類(lèi)：a灰黑色泥頁(yè)巖，占巖石樣品比例較多；b黃綠、灰綠、灰黑色中或細(xì)砂巖，所占比例少于灰黑色泥頁(yè)巖；c灰綠、灰黃、黃綠色泥頁(yè)巖；d其他少數(shù)不能集中體現(xiàn)顏色特征的樣品，將他們歸并稱(chēng)為“其他”。通過(guò)分析和計(jì)算，可以得出他們的平均含鈾量依次為：3.69、3.31、3.57、2.82，其大小關(guān)系為：a>c>b>d。

在三種放射性元素中，鉀在巖石中的分布是較為廣泛和均勻的，其值集中分布在3.1～3.8之間，平均為3.3。

3 放射性元素在地質(zhì)中的應(yīng)用

3.1 鈾與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系

為更加直觀(guān)說(shuō)明鈾與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系問(wèn)題，作出U-Th/U交匯分析圖(圖1)。

圖1 楚雄盆地野外巖石樣品U-Th/U交匯分析圖

從圖1可以看到灰黑色泥頁(yè)巖集中帶的鈾含量值明顯高于其他三類(lèi)，這與四類(lèi)巖石鈾含量的平均值之間的大小關(guān)系也能很好的吻合。若巖石樣品呈灰黑色或暗色，其代表了一種缺氧環(huán)境下的沉積環(huán)境。圖1中還可以看到絕大部分巖石樣品的Th/U值在2～7之間。放射性元素釷和鈾在巖石中較常見(jiàn)，兩者一般是共同存在的，釷鈾比值可以判斷地層沉積環(huán)境[4]。海外專(zhuān)家已經(jīng)研究證明，利用Th/U值可以對(duì)沉積環(huán)境作出判斷，主要依靠以下判別標(biāo)準(zhǔn)：a當(dāng)巖石的Th/U值小于2時(shí)，代表了海相沉積地層，沉積環(huán)境為還原環(huán)境；b當(dāng)巖石的Th/U值大于7時(shí)，代表了陸相沉積地層，沉積環(huán)境為氧化環(huán)境；c當(dāng)巖石的Th/U值介于2～7之間時(shí)，反映了其沉積環(huán)境為從還原環(huán)境到氧化環(huán)境的過(guò)渡階段[5]。楚雄盆地晚三疊世地層大多數(shù)巖石樣品的Th/U值在2～7之間，屬于上面第三類(lèi)，由此說(shuō)明楚雄盆地晚三疊世地層的沉積環(huán)境為從還原環(huán)境到氧化環(huán)境的過(guò)渡階段。放射性元素鈾在外生作用過(guò)程中可氧化成鈾酰離子，其在水中有很好的溶解度。在還原環(huán)境下可以從溶液中沉淀出來(lái)[6]。從圖1和分析的數(shù)據(jù)中可以看出，有機(jī)質(zhì)和放射性元素，特別是鈾，在沉積巖中存在正相關(guān)的關(guān)系。這種關(guān)系主要取決于沉積環(huán)境中的有機(jī)質(zhì)，因?yàn)樗橘|(zhì)中的鈾可以被有機(jī)質(zhì)吸附，溶解度大的鈾可以被水介質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)還原，還原成溶解度較低的鈾，可見(jiàn)具備豐富的有機(jī)質(zhì)是使沉積環(huán)境成為還原環(huán)境的重要條件之一[7]。鑒于所取的樣品并不是在垂向深度上，而是在橫向剖面上取的樣品，文中埋深對(duì)有機(jī)質(zhì)含量的影響沒(méi)有進(jìn)行討論，此外表面的風(fēng)化作用也可能對(duì)結(jié)果造成干擾，但這并不影響對(duì)有機(jī)質(zhì)與鈾含量關(guān)系的宏觀(guān)認(rèn)識(shí)。有機(jī)質(zhì)與自然放射性元素關(guān)系密切，兩者呈正相關(guān)的關(guān)系，其中有機(jī)質(zhì)豐富是因，鈾富集是果。

3.2 鉀與粘土礦物的關(guān)系

鉀是地殼中含量較高的造巖元素之一，屬典型的親石元素[8]。鉀的天然同位素有：39K、40K和41K，而其放射性同位素只有40K，也是本次研究的對(duì)象之一。鉀具有易溶于水的特性，在不同類(lèi)型的水中都能夠檢測(cè)到鉀的存在。鉀相比于其他元素而言其離子半徑和極化率都較大，由于這兩種特性的存在，粘土礦物對(duì)鉀元素的吸收顯得相對(duì)簡(jiǎn)單，所以在陸地上的鉀含量較高，而帶入海里面的鉀含量?jī)H有0.038%[9]。

3.3 釷鉀比的地質(zhì)意義

目前通過(guò)自然伽馬能譜測(cè)井來(lái)判別粘土礦物成分，人們普遍都是用斯倫貝謝公司的粘土礦物分析圖版(圖2)來(lái)進(jìn)行判別[10]，該圖版在油氣地質(zhì)勘察領(lǐng)域中的判別效果很明顯。他采用的方法是在不考慮他們單位的情況下，求取所測(cè)得釷和鉀的Th/K值來(lái)對(duì)巖石的粘土礦物成分進(jìn)行判別。在Th-K圖版中，當(dāng)Th/K值超過(guò)12時(shí)，粘土礦物主要為高嶺石粘土；當(dāng)Th/K值介于3.5～12之間時(shí)，粘土礦物主要為伊蒙混層；當(dāng)Th/K值介于2～3.5之間時(shí)，粘土礦物主要為伊利石粘土；當(dāng)Th/K比值介于1～2之間時(shí)，粘土礦物主要為云母型粘土[11]。

圖2 自然伽馬能譜測(cè)井定量計(jì)算粘土

根據(jù)楚雄盆地野外巖石樣品的伽馬能譜儀所測(cè)數(shù)據(jù)，編制巖石樣品的Th-K交匯分析圖(圖3)。

圖3 楚雄盆地野外樣品Th-K交會(huì)分析圖

從圖上可以看到樣品的含鉀量在2.5%～4%之間，Th/K值集中在3.5～6之間。結(jié)合圖版得出結(jié)論：楚雄盆地晚三疊世地層野外采集巖石樣品的粘土礦物類(lèi)型為伊利石與蒙脫石混層礦物。

4 結(jié) 論

1)楚雄盆地晚三疊世地層中含有豐富的有機(jī)質(zhì)。放射性元素鈾與有機(jī)質(zhì)關(guān)系密切，兩者呈正相關(guān)，構(gòu)成因果關(guān)系，有機(jī)質(zhì)豐富是因，鈾富集是果。

2)放射性元素鉀作為地殼中含量較高的造巖元素之一，在地層中分布較廣泛和均勻，是典型的親石性元素。

3)放射性元素釷和鈾的比值可以作為評(píng)判地層沉積環(huán)境的指標(biāo)之一。楚雄盆地晚三疊世地層巖石樣品中釷和鈾的比值在2～7之間，指示其沉積環(huán)境屬于還原到氧化環(huán)境的過(guò)渡階段。

4)放射性元素釷和鉀的比值可以用來(lái)判斷粘土礦物類(lèi)型。楚雄盆地晚三疊世巖石樣品中釷和鈾的比值在3.5～6之間，判斷其粘土礦物類(lèi)型為伊利石與蒙脫石混層。

文中提到的放射性元素在地質(zhì)中的應(yīng)用具有一定的實(shí)用性和可操作性，限于樣品的表層風(fēng)化和儀器的精度，判斷的結(jié)果可能與真實(shí)情況有所偏差，但不影響文中的定性分析。