柴達(dá)木盆地西北緣新近系上油砂山組烴類流體特征與鈾成礦的關(guān)系

劉 陽 ，楊 帥，尹永鵬，王軍禮，郝關(guān)清

(1.中陜核工業(yè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710100;2.中陜核工業(yè)集團(tuán)地質(zhì)調(diào)查院有限公司，陜西 西安 710100)

柴達(dá)木盆地是我國典型的多能源富集盆地，蘊(yùn)藏著豐富的石油、天然氣、煤和鈾等多種能源，其盆地中多種能源礦產(chǎn)同盆共生或共存的特點(diǎn)越來越受到國內(nèi)地質(zhì)學(xué)者的關(guān)注(潘家偉等，2015;劉林等，2008;王丹等，2015;廉康等，2019)。隨著鈾礦地質(zhì)工作的深入，在柴達(dá)木盆地西北緣中下侏羅統(tǒng)、新近系上油砂山組和獅子溝組中發(fā)現(xiàn)了一批砂巖型鈾礦(化)點(diǎn)和異常點(diǎn)。通過研究認(rèn)為，中下侏羅統(tǒng)、新近系的上油砂山組和獅子溝組是砂巖型鈾礦賦存的有利層位。

研究區(qū)內(nèi)針對砂巖型鈾礦地質(zhì)找礦工作開展較早，但僅進(jìn)行了少量的地表物探工作，與砂巖型鈾成礦相關(guān)的研究工作尚未開展。國內(nèi)大量的研究表明，含油氣盆地中砂巖型鈾礦的形成與油氣作用關(guān)系密切(張振強(qiáng)等，2009;丁波等，2016;方維萱等，2016;趙興齊等，2016;湯超等，2017;黃少華等，2018)，但目前研究區(qū)未進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的研究工作，制約了鈾成礦作用的研究。

筆者主要依據(jù)新近系上油砂山組砂體中酸解烴組分特征來探討上油砂山組含鈾砂體中油氣的成因及來源，在此基礎(chǔ)上結(jié)合研究區(qū)鈾礦地質(zhì)特征探討砂巖型鈾礦與油氣相互作用關(guān)系，以期進(jìn)一步為該地區(qū)砂巖型鈾礦勘探突破提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

柴達(dá)木盆地位于青藏高原北部，南鄰昆侖山、北接祁連山、西北界為阿爾金山，在前侏羅紀(jì)柴達(dá)木地塊基礎(chǔ)上發(fā)育起來的中、新生代陸內(nèi)疊合沉積盆地。根據(jù)地質(zhì)發(fā)育特征，將盆地劃分為北部斷塊帶、西部坳陷區(qū)和東部坳陷區(qū)等3個(gè)一級構(gòu)造單元(圖1a，劉軍等，2016)。

研究區(qū)位于柴達(dá)木盆地西部坳陷區(qū)的西北部，主要發(fā)育七個(gè)泉、獅子溝、紅柳泉、油沙山等背斜構(gòu)造。從早侏羅世開始本區(qū)進(jìn)入盆地發(fā)展時(shí)期，接受了中、新生界的陸相碎屑巖沉積(圖1b)。新近系上油砂山組下部為鈾礦化賦存層位，巖性為灰綠色含礫粗砂巖、砂礫巖，多為長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖，分選差，磨圓度為次棱角，疏松。碎屑物80%以上，碎屑約占巖石的55%～90%，填隙物則為3%～44%;從礦物成分上看，主要為石英，含量為20%～50%，以正常消光及弱波狀消光的單晶石英為主，并含有少量的多晶石英，多晶石英呈巖屑;其次是長石，含量為5%～50%，多為斜長石和鉀長石，并見卡氏、卡鈉雙晶;巖屑含量為2%～30%，多為多晶石英、硅質(zhì)巖類和花崗巖類等;除此以外，還含有少量云母。填隙物主要泥質(zhì)物為水云母，充填于碎屑之間，并見碳酸鹽膠結(jié)物;支撐方式主要為孔隙式、顆粒式支撐，為點(diǎn)-線狀接觸。

2 樣品采集與分析方法

本次分析的樣品采集于花土溝地區(qū)新近系上油砂山組砂體鉆孔巖心。樣品處理過程為:先將樣品自然晾干、搗碎，然后過篩(40目)，混勻。稱取50 g樣品置于燒瓶中，加入鹽酸使樣品中碳酸鹽礦物發(fā)生分解，釋放出來的氣體中除去二氧化碳。待燒瓶中酸解完成后，抽取一定量的氣體，進(jìn)行烴類氣體組分含量測試。分析測試工作在陜西省地質(zhì)調(diào)查中心實(shí)驗(yàn)室完成，其中酸解烴組分分析測試儀器為SP3721氣相色譜儀，分析項(xiàng)目包括甲烷(C1)、乙烷(C2)、丙烷(C3)、正丁烷(nC4)、異丁烷(iC4)、正戊烷(nC5)和異戊烷(iC5)含量，分析誤差<5%，分析結(jié)果見表1。

3 烴類氣地球化學(xué)特征及來源探討

3.1 烴類氣地球化學(xué)特征

生物成因氣、油型氣和煤型氣是地層中烴類氣體的主要三種來源(柳廣第，2009)。通過對酸解烴組分特征研究認(rèn)為，可以利用C1/∑C、C1/C2+參數(shù)判識烴類氣體成因(戴金星等，1992)。研究區(qū)上油砂山組砂巖中的烴類氣體C1/∑C值為0.74～0.95、C1/C2+值為2.88～17.73。根據(jù)上述特征，建立了C1/∑C-C1/C2+關(guān)系判識烴類氣成因圖，樣品主要落入油型氣和混合氣范圍內(nèi)(圖2)，表明研究區(qū)上油砂山組砂巖中的烴類氣體主要為腐泥型母質(zhì)生成的油型氣和煤層中形成的煤型氣。C1/1-5值為0.70～0.90，干燥系數(shù)低，為典型的濕氣。

表1 柴達(dá)木盆地西北部酸解烴特征Table 1 Compositional characteristics of acidolysis hydrocarbon in the northwest Qaidam basin

進(jìn)一步研究認(rèn)為，C2/iC4、C2/C3參數(shù)與天然氣成熟度有很好的相關(guān)性，可作為天然氣成熟度的定性判識指標(biāo)。通過熱模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步提出干酪根裂解氣與原油裂解氣的C2/iC4、C2/C3界限值(Hill et al.，2003；張敏等，2008)。研究區(qū)上油砂山組砂巖中的烴類氣體C2/iC4值為7.10～29.87，平均值為20.65，C2/C3值為1.83～3.36，平均值為2.71，表明上油砂山組砂巖中的烴類氣體主要來源于深部熱演化程度較高的早期原油裂解氣和原油伴生氣組成的混合氣(圖3)。

根據(jù)iC4/nC4、iC5/nC5值可判別不同母質(zhì)來源的天然氣，當(dāng)iC4/nC4值小于0.9且iC5/nC5值小于0.85時(shí)，烴類氣體主要為原油裂解氣，反之則為干酪根初次裂解氣(王云鵬等，2007)；當(dāng)iC4/nC4值小于0.8時(shí)，烴類氣體為油型氣，反之則為煤型氣(高崗等，2003)。研究區(qū)上油砂山組砂巖中的烴類氣體iC4/nC4值為0.21～0.94，平均值為0.42，iC5/nC5值為0.12～1.50，平均值為0.77，樣品主要落入原油裂解氣中，少部分則落入干酪根初次裂解氣范圍內(nèi)(圖4)，表明砂體中的烴類氣體是早期形成的原油在后期隨地層溫度增加裂解形成的天然氣與干酪根初次裂解產(chǎn)生的原油伴生氣組成的混合氣。同時(shí)烴類氣組分中iC4/nC4值反映了砂體中的烴類氣體主要為油型氣，其成烴母質(zhì)應(yīng)來源于低等水生生物為主的腐泥型有機(jī)質(zhì)。

研究認(rèn)為，利用ln(C1/C2)和ln(C2/C3)的相關(guān)性可有效識別烴類氣體是干酪根初次裂解氣還是原油的二次裂解氣(Prinzholer et al.，1995；王云鵬等，2007)。當(dāng)烴類氣體的ln(C1/C2)值較ln(C2/C3)值變化大，在ln(C1/C2)與ln(C2/C3)關(guān)系圖中趨勢線趨于水平時(shí)，表明烴類氣體是干酪根初次裂解氣；反之則為原油的二次裂解氣。

研究區(qū)上油砂山組砂巖中的烴類氣體ln(C1/C2)值為1.69～3.31，ln(C2/C3)分布范圍為0.60～1.22，ln(C1/C2)值的變化比ln(C2/C3)值更大，在關(guān)系圖中趨勢線接近水平(圖5)，表明該區(qū)烴類氣體具有干酪根初次裂解氣的特征。

綜合以上研究認(rèn)為，柴達(dá)木盆地西北緣新近系上油砂山組烴類氣體應(yīng)為原油裂解氣與原油伴生氣的混合氣。

3.2 烴類氣體來源探討

柴達(dá)木盆地西北緣主要生烴層位為路樂河組(E1+2)和下干柴溝組(E3)的暗色泥質(zhì)巖，漸新世中期(E23)和中新世早期(N1)，路樂河組和下干柴溝組烴源巖分別進(jìn)入生烴門限(許浩等，2010)。古新世—中新世早期柴達(dá)木西北部經(jīng)歷了整體擠壓坳陷與局部拉分弱斷陷階段，此時(shí)烴源巖層及上部的泥巖層出現(xiàn)層面滑移縫，巖心上表現(xiàn)為構(gòu)造滑動(dòng)面(圖6a，b)。當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力到達(dá)一定程度時(shí)，受側(cè)向剪切力的作用，儲(chǔ)層砂巖和部分泥巖中出現(xiàn)垂直縫隙，垂直縫隙有時(shí)被砂巖充填(圖6c)，易形成疏導(dǎo)通道。水平滑動(dòng)面與垂直縫隙共同組成裂縫網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢輸導(dǎo)體系，深部各套烴源巖中成熟的烴類沿?cái)鄬泳W(wǎng)絡(luò)向上運(yùn)移并在上油砂山組疏松的儲(chǔ)層砂巖中混合聚集。

4 烴類流體與砂巖型鈾成礦關(guān)系探討

砂巖型鈾成礦與鈾儲(chǔ)層氧化-還原環(huán)境關(guān)系密切，鈾異常主要富集于氧化-還原過渡帶中(羅晶晶等，2018；魯超等，2018；焦養(yǎng)泉等，2018)，油氣可為氧化還原作用提供還原劑的作用。古新世—始新世，柴達(dá)木盆地處于相對濕潤的古氣候(賈艷艷等，2015)，研究區(qū)發(fā)育較為完整的湖相擴(kuò)張至消亡的沉積建造，路樂河組和下干柴溝組沉積了富含有機(jī)質(zhì)的湖相烴源巖層段。上油砂山組沉積期，亞洲季風(fēng)系統(tǒng)的加強(qiáng)和內(nèi)陸的干旱化加劇(賈艷艷等，2015)，加之靠近物源，研究區(qū)沉積了一套紅色砂礫巖建造，此時(shí)砂巖層處于氧化環(huán)境(圖6d，7a)。漸新世中期和中新世早期烴源巖開始進(jìn)入生烴門限，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得地層形成一系列斷層及層內(nèi)裂縫，從而使深部原油裂解氣與原油伴生氣的混合氣沿?cái)鄬蛹傲芽p上移進(jìn)入上油砂山組較疏松的砂巖層中(圖6e，g)，導(dǎo)致其環(huán)境發(fā)生明顯改變。油氣的還原作用使砂層中Fe3+還原為Fe2+，也使砂巖中的部分黑云母、長石及粘土礦物被綠泥石化，從而使巖石由紅色的氧化環(huán)境變?yōu)榛揖G色的還原環(huán)境。綠灰色的砂巖層具有了還原能力，成為潛在的鈾儲(chǔ)層(圖6f，7b)。第四紀(jì)喜山晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致研究區(qū)靠近物源區(qū)部分地段新近系直接出露地表，有利于含氧含鈾流體下滲進(jìn)入上油砂山組潛在鈾儲(chǔ)層中。當(dāng)含氧含鈾流體持續(xù)進(jìn)入潛在鈾儲(chǔ)層時(shí)，還原性強(qiáng)的烴類流體將活化的U6+鈾?；衔镞€原成穩(wěn)定的U4+鈾石，導(dǎo)致鈾沉淀富集成礦。同時(shí)烴類流體還可以形成較強(qiáng)的還原地球化學(xué)障，有利于鈾礦床的后期保存(圖7c，d)。由此可知，研究區(qū)砂巖型鈾礦的找礦標(biāo)志為灰綠色含礫粗砂巖、砂礫巖，找礦方向灰綠色砂巖層的古迎水面。

5 結(jié)論

通過對柴達(dá)木盆地西北緣上油砂山組烴類流體地球化學(xué)特征的研究，可得出以下結(jié)論：

(1)上油砂山組砂體中酸解烴中氣體組成特征參數(shù)C1/∑C值為0.74～0.95，C1/C2+值為2.88～17.73，C2/iC4值為7.10～29.87，C2/C3值為1.83～3.36，iC4/nC4值為0.21～0.94，iC5/nC5值為0.12～1.50，ln(C1/C2)值為1.69～3.31，ln(C2/C3)值為0.60～1.22。這些特征表明，新近系上油砂山組砂巖層中烴類氣體為有機(jī)成因的油型氣和煤型氣的混合氣。烴類氣主要處于成熟—高成熟階段，是原油裂解氣與原油伴生氣的混合氣，主要來源于路樂河組和下干柴溝組湖相腐泥型烴源巖。

(2)新近系上油砂山組砂巖層中的烴類氣體形成的原因主要是下部烴類氣體沿?cái)嗔?、微裂縫等運(yùn)移通道向上運(yùn)移到上油砂山組砂巖中，從而使巖石由紅色的氧化環(huán)境變?yōu)榛揖G色的還原環(huán)境，綠灰色的砂巖層具有了還原能力，成為潛在的鈾儲(chǔ)層。

(3)潛在鈾儲(chǔ)層中還原性強(qiáng)的烴類流體能將活化的U6+鈾酰化合物還原成穩(wěn)定的U4+鈾石，導(dǎo)致鈾沉淀富集成礦，同時(shí)烴類流體還可以形成較強(qiáng)的還原地球化學(xué)障，有利于鈾礦床的后期保存。研究區(qū)砂巖型鈾礦的找礦標(biāo)志為灰綠色砂巖，找礦方向灰綠色砂巖層的古迎水面。

致謝：本研究得到了中陜工業(yè)集團(tuán)公司李靠社教授級高級工程師、鄧盛波和曾獻(xiàn)文高級工程師及其他同事在工作中給予悉心指導(dǎo)和幫助，天津地質(zhì)調(diào)查中心湯超、魏佳琳、朱強(qiáng)等工程師在野外工作中提供了大量的幫助和支持，在此表示衷心的感謝!