柴達木盆地北緣油氣與砂巖型鈾礦化關(guān)系研究

王繼斌, 廉 康, 陳 擎, 王 剛

(核工業(yè)二〇三研究所,陜西 西安 710086)

柴達木盆地北緣位于祁連山造山帶前緣,屬山前構(gòu)造變形區(qū),是柴達木地體和祁連山地體的構(gòu)造邊界(陸松年等,2002)。靠近盆緣以發(fā)育逆沖疊瓦構(gòu)造、雙重構(gòu)造為主,向盆內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)為沖斷褶皺帶,主要發(fā)育對沖構(gòu)造、沖起構(gòu)造和斷層相關(guān)褶皺,馬仙等走滑斷裂附近發(fā)育似花狀構(gòu)造(王大華等,2016)。柴北緣廣泛分布的新生界是油氣的儲集層,也是鈾礦化的主要賦存層位。近年來,隨著“新區(qū)、新類型、新層系”鈾礦找礦工作的開展,在柴達木盆地油氣區(qū)附近發(fā)現(xiàn)了諸多鈾礦化,初步認識到油氣為鈾礦化的形成提供了還原劑?；诖苏J識,已在柴達木盆地西緣咸水泉、七個泉、躍進、英東等油氣區(qū)發(fā)現(xiàn)了多個鈾工業(yè)礦孔和礦化孔,初步落實了七個泉、躍進等礦產(chǎn)地,取得了較好的鈾礦找礦成果(陳擎等,2020)。柴達木盆地北緣油氣資源也較為豐富,有馬海、南八仙、魚卡等油氣田,但對區(qū)內(nèi)新近系鈾礦勘查工作投入相對較少,僅開展了大范圍的調(diào)查評價工作,在油氣田外圍新近系中初步發(fā)現(xiàn)了一些與油氣還原相關(guān)的砂巖型鈾礦化線索。根據(jù)發(fā)現(xiàn)的鈾礦化線索,前人對構(gòu)造與鈾礦化關(guān)系、鈾礦化特征等做了較多的研究(劉林等,2008;權(quán)志高,2011;廉康等,2019;張淼等,2021),對柴達木盆地侏羅系中的煤、鈾、油氣的成藏(礦)特征、時空分布規(guī)律也進行了系統(tǒng)性研究(王丹,2015),但對新近系中鈾礦化的分布及鈾富集成礦過程與油氣的時空關(guān)系研究相對欠缺。因此,筆者在歸納分析柴北緣鈾源、鈾儲層、構(gòu)造及水動力體系等鈾成礦地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,總結(jié)柴北緣油氣分布和運聚、放射性異常分布特征,分析鈾礦化與構(gòu)造、油氣的時空關(guān)系,探討與油氣還原相關(guān)的砂巖型鈾礦成礦機理,有助于成礦遠景預(yù)測,為鈾礦勘查工作提供理論依據(jù)。

1 鈾成礦地質(zhì)背景

1.1 鈾源

柴達木盆地北緣基底主要由達肯達坂群高級變質(zhì)巖、全集群碎屑巖夾玄武巖、上奧陶統(tǒng)灘間山群淺變質(zhì)巖和不同時代的侵入巖體組成。柴達木山和綠梁山侵入巖體分布廣泛(圖1),主要為花崗質(zhì)糜棱巖、糜棱巖化花崗巖、眼球狀花崗巖、偉晶巖等(陸松年等,2002),是柴北緣主要的鈾源。前人通過采樣分析,達肯達坂群變質(zhì)巖中U含量為(3.49～3.40)×10-6,Th含量為(20.29～14.50)×10-6,Th/U為5.95～4.26(1)劉林,2008.青海省柴達木盆地北緣1∶25萬鈾資源區(qū)域評價[R].西安:核工業(yè)二〇三研究所.;柴達木山巖體中的眼球狀花崗巖U含量為(4.74～12.30)×10-6,Th含量為(25.00～55.90)×10-6,Th/U平均值為4.90;綠梁山花崗閃長巖U含量為(2.10～2.63)×10-6,Th含量為(4.70～10.80)×10-6,Th/U平均值為3.17。變質(zhì)巖及侵入巖體的Th/U均大于3,U淋濾流失嚴重,為柴北緣地區(qū)提供了豐富的鈾源。

圖1 柴達木盆地北緣油氣及鈾礦化分布圖

1.2 鈾儲層

柴達木盆地北緣蓋層由中生界、新生界組成。新生界從下至上依次為古-始新統(tǒng)路樂河組(E1-2l)、漸新統(tǒng)下干柴溝組(E3g)、中新統(tǒng)上干柴溝組(N1g)、上新統(tǒng)上油砂山組(N2sy)、下油砂山組(N2xy)、獅子溝組(N2s)、更新統(tǒng)七個泉組(Q1q)和全新統(tǒng)(Q4)。其中,新近系上干柴溝組、上油砂山組、下油砂山組目前已發(fā)現(xiàn)較好鈾礦化和鈾異常顯示,是柴北緣主要的砂巖型鈾礦找礦目的層。

中新世至上新世早期,柴北緣處于喜馬拉雅運動早期弱擠壓坳陷階段,馬海-大紅溝凸起、小柴旦-紅山凹陷及綠梁山前地帶以沉積為主。其中上干柴溝組發(fā)育辮狀河三角洲平原、前緣及濱淺湖相沉積,巖性主要為淺棕紅色泥巖、雜色泥巖、淺灰白色粉砂巖與淺灰色、淺黃綠色中粗砂巖,河流相砂體中板狀交錯層理發(fā)育(圖2a),泥-砂-泥結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。下油砂山組發(fā)育辮狀河三角洲前緣相沉積,巖性主要為淺紅色、灰黃色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾灰色砂巖(圖2b)。

圖2 柴達木盆地北緣上干柴溝組和下油砂山組巖性特征

上新世晚期,柴北緣整體開始緩慢抬升,致使局部地段上油砂山組缺失,區(qū)內(nèi)上油砂山組整體發(fā)育辮狀河相、辮狀河三角洲平原和前緣相沉積。山前巖性以厚層礫巖為主,向盆內(nèi)逐漸變?yōu)楹駥訙\紅色、黃綠色泥巖,夾淺灰色中、粗砂巖。綜上所述,柴北緣新近系整體發(fā)育三角洲沉積體系,分流河道砂體發(fā)育,地層泥-砂-泥結(jié)構(gòu)發(fā)育,具備形成層間氧化帶型砂巖型鈾礦的地層條件。

1.3 構(gòu)造及水動力體系

柴北緣由北向南,由盆緣向盆內(nèi),可劃分為祁連山斷褶帶、賽什騰山-大煤溝逆沖推覆構(gòu)造帶、冷湖-小柴旦前陸滑脫拆離帶和前陸盆地低應(yīng)變區(qū)(王夏濤等,2008)。在前陸滑脫拆離帶內(nèi),古-新近統(tǒng)受晚喜山期構(gòu)造運動的影響,由北向南形成一系列呈NW-SE走向的背馱式逆沖斷裂構(gòu)造,在魚卡-大柴旦、尕西、馬海-大紅溝一帶形成一些長條狀或短軸狀的背斜構(gòu)造,同時,受阿爾金造山作用的影響,形成一些切錯區(qū)域逆沖斷裂的近NE-SW向逆沖走滑斷裂(馬仙斷裂)和派生的NW-SE向次級雁列式逆沖斷裂(圖1)。這些由古-新近統(tǒng)發(fā)生擠壓變形的褶皺構(gòu)造是油氣的良好圈閉,而斷裂構(gòu)造不僅是油氣的運移通道,也是地下水的補給和排泄窗口。

柴北緣地勢具有北高南低,東西兩端高,中間低的特征,根據(jù)地下水補徑排體系,研究區(qū)西部可劃分為馬海和魚卡兩個水文地質(zhì)亞區(qū)①。馬海水文地質(zhì)亞區(qū)北高南低,古-新近統(tǒng)整體向南傾斜,賽什騰山、綠梁山逆沖推覆帶是主要的補給區(qū),馬海-大紅溝前陸滑脫拆離帶是徑流區(qū),陵間斷裂以南低應(yīng)變區(qū)為排泄區(qū),形成了完整的補-徑-排體系。魚卡水文地質(zhì)亞區(qū)南北兩端高,中間低,北部柴達木山和南部綠梁山逆沖推覆構(gòu)造帶是主要的補給區(qū),魚卡-大柴旦凹陷是徑流區(qū),伊克柴達木湖和區(qū)內(nèi)大的斷裂構(gòu)造是主要的排泄區(qū),也具備完整的補-徑-排水動力體系。馬海徑流區(qū)地下水中U含量為3.27～40.1 μg/L,平均為14.51 μg/L,顯示徑流區(qū)水體中鈾含量偏高。綜合說明柴北緣地區(qū)具備形成砂巖型鈾礦的構(gòu)造和地下水動力條件。

2 油氣及鈾礦化分布特征

2.1 油氣分布和運聚

柴北緣油氣資源較為豐富,中-下侏羅統(tǒng)暗色泥巖、厚層頁巖和油頁巖是主要的烴源巖,分布在魚卡-大柴旦、小柴旦-紅山凹陷中。柴北緣新生界主要發(fā)育沖積扇、河流、三角洲和湖泊相,新生界底部路樂河組和下干柴溝組下段主要以礫巖、砂礫巖為主,砂體成熟度較低,中上部干柴溝和油砂山組砂體以中、細砂巖為主,砂體成熟度較高,主要為巖屑長石砂巖,是柴北緣主要的油氣儲集層(王玉華,2002)。柴北緣已發(fā)現(xiàn)南八仙-馬海油氣田,在北陵丘-東陵丘、魚卡斷陷、紅山斷陷和北極星-無柴溝一帶新生界中也發(fā)現(xiàn)有小規(guī)模油氣區(qū)。

柴北緣漸新世末期到中新世早期(E32—N11),在古-始新統(tǒng)和漸新統(tǒng)下段粗碎屑巖層中形成了早期原生油氣藏。在上新世晚期(N22),中新統(tǒng)和上新統(tǒng)下部中、細碎屑巖層中形成了次生油氣藏(王玉華,2002)。次生油氣藏主要是烴源巖層和原生油氣藏中的油氣在構(gòu)造作用力下經(jīng)斷層、不整合面和高滲透砂體,沿斷裂構(gòu)造傾向向上運移到馬海、南八仙等背斜構(gòu)造圈閉中形成(李宏義等,2006),這些控制油氣分布的背斜構(gòu)造圈閉主要位于前陸滑脫拆離帶地下水徑流區(qū),構(gòu)造樣式以斷背斜為主。

2.2 放射性異常分布特征

柴北緣新近系中已發(fā)現(xiàn)了諸多的鈾礦化、鈾異常信息,主要分布在魚卡-大柴旦凹陷、小柴旦-紅山凹陷和馬海-大紅溝凸起一帶,異常的賦存層位以中新統(tǒng)上干柴溝組、上新統(tǒng)上-下油砂山組為主。如綠梁山前和馬海地段鉆孔和地表新近系上干柴溝組砂體中發(fā)現(xiàn)的鈾異常(表1),氧化砂體中見有褐鐵礦化、高嶺土化,在還原砂體中見有炭屑、炭化植物碎屑、次生黃鐵礦等,部分砂體有油氣味或經(jīng)油氣還原漂白呈灰白色。

表1 柴北緣砂巖型鈾礦化表

油氣田邊緣多會形成放射性異常環(huán)形暈圈,在油氣田的上方多形成負值異常,而在油氣田的周緣形成放射性高值異常,主要體現(xiàn)在鈾的衰變子體鐳和氡含量的增高。馬海地段活性炭面積測量顯示,沿馬海背斜兩翼分布兩條氡異常帶,背斜東北翼氡濃度平均值為5 105.4 Bq/m3,最大值為6 504.4 Bq/m3,西南翼氡濃度平均值為4 259.6 Bq/m3,最大值為10 248.9 Bq/m3。橫穿馬海背斜的能譜剖面測量和土壤酸解烴分析顯示,馬海背斜兩翼當(dāng)量鈾含量呈增高趨勢,背斜核部多呈現(xiàn)背景值或較低值,酸解烴分析顯示背斜兩翼和核部均有甲烷高值異常(圖3)。油氣田周緣鈾、氡、甲烷異常的主要原因是含鈾含氧地下水在油氣藏附近因還原而富集。隨著新構(gòu)造運動,背斜兩翼容易產(chǎn)生背沖斷裂,背斜核部產(chǎn)生扇形張性節(jié)理,鈾的放射性子體氡隨地下水通過斷裂滲移到地表,形成放射性異常。油氣中的甲烷等氣體不僅通過斷裂向上逸散,而且能夠通過圈閉核部的張性節(jié)理逸散,形成圈閉兩側(cè)及核部甲烷高值異常。

圖3 柴北緣馬海背斜油氣、構(gòu)造與放射性異常空間關(guān)系圖(劉建軍等,2005)

3 鈾礦化與油氣、構(gòu)造的關(guān)系

3.1 鈾礦化與構(gòu)造

柴北緣新近系中發(fā)現(xiàn)的鈾礦化主要分布在逆沖推覆構(gòu)造帶下盤斜坡構(gòu)造帶(綠草山前ZKLC0-1、ZKLC0-2、ZKLC35-1)和滑脫拆離帶的背斜構(gòu)造翼部(綠梁山前ZKL35-1、ZKL35-2、ZKL0-2和ZKMB0-1)。斜坡構(gòu)造帶和滑脫拆離帶是地下水的徑流區(qū),也是新近系三角洲平原和前緣相的主要展布區(qū),具有較好的泥-砂-泥結(jié)構(gòu)(廉康等,2019),受造山帶隆起掀斜作用影響,地層整體向盆內(nèi)傾斜,有利于層間氧化帶的發(fā)育。新近系長期處于干旱、半干旱環(huán)境,地層中膏鹽含量較高,局部發(fā)育膏鹽層。膏鹽層在構(gòu)造擠壓作用下,容易發(fā)生塑性變形而滑脫,在前陸滑脫拆離帶形成淺表斷裂,這些淺表斷裂切錯透水層,造成地下水的越流甚至排泄,改變水勢能方向,使得地下水向斷裂構(gòu)造匯聚,促進了垂直斷裂走向的層間氧化帶的發(fā)育。

鈾礦化的形成與柴北緣新生代區(qū)域構(gòu)造演化關(guān)系密切。喜馬拉雅早期伸展斷坳階段是成礦砂體的沉積成巖階段,整個柴北緣處于填平補齊期,中生代侏羅系含煤富鈾層遭受剝蝕發(fā)生二次沉積,不僅為新生界提供了鈾源,而且提供了還原介質(zhì)。喜馬拉雅晚期擠壓反轉(zhuǎn)階段,周緣山體快速抬升,山前新生界掀斜產(chǎn)生向盆內(nèi)傾斜的單斜構(gòu)造和斷裂構(gòu)造,形成了完整的補-徑-排體系,在單斜構(gòu)造上發(fā)育的背斜構(gòu)造減緩了水體的流速,有利于層間氧化帶的形成。

3.2 鈾礦化與油氣

基于油氣還原導(dǎo)致鈾富集的理論基礎(chǔ),在柴達木盆地西緣咸水泉地段上干柴溝組中發(fā)現(xiàn)了與油氣還原密切相關(guān)的鈾工業(yè)礦體,賦礦砂體中見有石油浸染和石油沿孔隙、裂隙充注的現(xiàn)象,斷裂和系列破碎構(gòu)造是油氣上升的主要通道(圖4)。

在柴北緣馬北地區(qū),鉆孔ZKMB0-1淺褐黃色中砂巖中可見深褐色油氣浸染現(xiàn)象(圖5a),顯微鏡下,沿砂體孔隙可見黑色瀝青質(zhì)和褐鐵礦化(圖5b),說明砂體經(jīng)歷了油氣沿孔隙的充注還原和含氧水體的滲入氧化改造作用。通過對區(qū)內(nèi)主要鈾礦化、鈾異常鉆孔巖芯鈾含量和甲烷含量的分析對比,發(fā)現(xiàn)具有較高鈾含量的巖芯甲烷含量也較高,但甲烷含量高時鈾含量并不一定很高(圖6),說明鈾的富集與油氣關(guān)系較密切。

圖5 馬北地區(qū)ZKMB0-1鉆孔中油氣還原與后生氧化

圖6 柴北緣主要鉆孔巖芯鈾含量與甲烷含量關(guān)系圖

4 油氣區(qū)砂巖型鈾礦成礦機制淺析

近年來,在鄂爾多斯、松遼盆地中發(fā)現(xiàn)了與油氣還原密切相關(guān)的砂巖型鈾礦床。柴達木盆地油氣資源豐富,古-新近系是油氣的主要儲集層,油氣提升了古-新近系的還原容量,彌補了卸鈾能力不足的缺陷(王丹,2015)。油氣和鈾的聚集與區(qū)域構(gòu)造演化息息相關(guān),構(gòu)造作為媒介將油氣和鈾在時間和空間上聯(lián)系起來,形成了動態(tài)化、系統(tǒng)化的成礦體系。

弱斷陷和凹陷期為盆內(nèi)主要的沉積期,是烴源巖和鈾礦成礦目的層的形成期。擠壓隆升期為主要的構(gòu)造變形期,在區(qū)域構(gòu)造作用下,沉積地層變形形成背斜、斷背斜等構(gòu)造圈閉,伴隨擠壓作用,油氣沿斷裂構(gòu)造向上述構(gòu)造圈閉低壓區(qū)發(fā)生二次運移,在背斜圈閉中形成油氣藏。同時,擠壓造山作用增大了盆山高程差,山前逆沖推覆斷層下盤掀斜發(fā)育斜坡構(gòu)造,形成完整的補-徑-排體系,利于含鈾含氧水的補入和層間氧化帶的形成①,如圖7所示。

圖7 油氣、構(gòu)造、鈾時空關(guān)系圖

在空間關(guān)系上,油氣由深向淺、自盆內(nèi)向盆緣逸散聚集,層間含鈾含氧水由淺至深、自盆緣向盆內(nèi)運移排泄,在構(gòu)造圈閉外圍形成層間氧化和油氣還原的接觸界面,因此造成油氣在下、鈾礦在上,油氣在內(nèi)、鈾礦在外的空間關(guān)系(劉建軍等,2005)。油氣通過還原消耗了層間含鈾含氧水中的氧,將鈾酰離子中的U6+還原為U4+而富集成礦。

與近NW-SE向背斜構(gòu)造同時形成,走向與背斜軸向平行的逆沖斷裂,或形成于晚期且斜切背斜的NE-SW向,或近S-N向斷裂構(gòu)造是油氣向淺部運移的主要通道。斷裂交錯部位和斷裂切錯背斜圈閉的部位是整個背斜構(gòu)造的低壓分布區(qū),深部油氣和層間含氧含鈾水體在壓力差的作用下向該區(qū)匯聚,形成氧化-還原過渡帶,易于鈾礦體的形成。在柴西緣系列平行展布的背斜翹起端發(fā)現(xiàn)的鈾礦化,多受背斜軸向斷裂和橫向斷裂的控制,而馬海-馬北一帶背斜構(gòu)造和斜切背斜構(gòu)造的馬仙斷裂控制了油氣的分布,并在馬仙斷裂附近發(fā)現(xiàn)有放射性異常。

綜上所述,在橫切或斜切油氣聚集的背斜構(gòu)造的斷裂附近是油氣逸散區(qū),也是承壓水排泄區(qū),易于氧化-還原過渡帶的形成,具有這種空間構(gòu)造組合位置有利于古-新近系中油氣還原型鈾礦化的發(fā)育。

5 結(jié)論

(1)構(gòu)造是連通油氣和層間含氧水的重要媒介,油氣通過斷裂構(gòu)造向淺部運移,并在斷裂和背斜形成的圈閉中成藏。同時,具有承壓性質(zhì)的含氧水通過斷裂排泄,油氣和含鈾含氧水在斷裂附近交匯,促進了氧化-油氣還原型鈾礦化的形成。

(2)柴北緣新近系中的鈾礦化主要受含油氣的背斜構(gòu)造和斜切或橫切背斜的斷裂構(gòu)造聯(lián)合控制,油氣還原與層間含鈾含氧地下水共同作用是形成鈾礦化的關(guān)鍵。