東勝鈾礦床直羅組天然氣顯示與鈾礦化關系初探

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。烴主要由氣態烴和輕質油組成，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，鈾礦石形成在強還原環境下，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烴的重烴包裹體。另外鈾成礦時間與上古生界大規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。

關鍵詞：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。該鈾礦床主要產于中侏羅統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學者認為鈾礦化直接或間接與油氣有關，本文主要從直羅組天然氣顯示與鈾礦化的空間關系對此問題進行探討。

1. 區域地質概況

東勝鈾礦床位于鄂爾多斯盆地東北部，平均海拔1400m左右，處于盆內地勢最高處。大地構造處于中朝板塊西部塊鄂爾多斯斷塊，二級構造單元劃分屬于伊——陜單斜區中的東勝——靖邊單斜帶（王雙明），相當于石油系統劃分的伊盟隆起帶（圖1）。元古界結晶巖和古生界灰巖、陸相碎屑巖構成盆地雙重基底，蓋層主要由中新生代陸相碎屑巖組成。礦區構造活動較弱，礦區南部有一條近東西、北東向橫穿伊金霍洛旗的基底斷裂，大部分地區為地層向西南傾斜、傾角1～3°的單斜層，斷裂、褶皺不發育，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造。

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

延安組，區內廣泛發育，為含煤巖系。巖性為灰、淺灰色粉砂、粉砂質泥巖夾中粒砂巖，賦存多層可采煤層。由北向南巖層增厚，粒度變細，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天環拗陷；Ⅰ13伊陜單斜區；Ⅰ13-1東勝—靖邊單斜；Ⅰ13-2延安單斜；Ⅰ14渭北斷隆區；Ⅰ15河東斷褶帶；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正誼關偏關斷裂；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，是區內主含礦層位，與下覆延安組為連續沉積，根據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粉砂巖，泥巖夾蘭色砂質團塊；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、蘭綠色中細粒砂巖、粉砂巖、泥巖組合，下亞段主要為灰色含有機質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：在研究區大部分地段發育，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，泥質成分增多，中段見大型交錯層理。通過對礫石方向測定和泥質含量判定，當時沉積物源方向應為由東向西。

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進行過大量石油地質方面的研究工作，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。巖層中有機質鏡質體反射率為0.6%～1.7%，屬氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤煤階，多數地區有機質熱演化程度達到中等成熟度，以生成重烴天然氣和少量輕質油為主。一般認為該區母巖層從早侏羅世就已開始生烴，在燕山運動晚期達到生排烴高峰。烴類物質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，在直羅組巖層中發現有天然氣顯示，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，采取10cm長完整巖心柱，快速除去泥漿等雜質后迅速放入盛有飽和NaCL鹽水的搪瓷容器中密封保存，樣品在半個月內進行分析測試。

2.1.2自由氣體組成

在礦區內ZKA3-1（觀）鉆孔直羅組下巖性段綠色中細粒砂巖中，分別采集3個自由氣體樣進行烴類氣體分析（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體反射率R°演化關系（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鏡質體反射率R°為0.55%～1.5%的煤層氣范圍或者中國東部地區鏡質體反射率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體反射率R°為0.6%～1.7%范圍的煤層或與之對應的腐植型烴源層中，即熱演化程度相當于氣煤——焦煤煤階的煤層或煤系有機質。這與區內上古生界烴源層中有機質熱演化程度相同（鏡質體反率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%）。另外在該地區上古生界地下水中溶解的烴類氣體濕氣含量較高達（35%）以及在三疊系巖石中次生油氣包裹體以重烴天然氣包裹體為主，認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度和酸解吸附烴含量統計結果（表2），從中可以看出，綠色巖石各激發波長的熒光強度最高，峰值最高達809.13；灰綠色巖石次之；紫紅色巖石和藍綠色巖石熒光強度最低。因而綠色巖石中所含的烴物質較高，灰綠色、灰色巖石次之，紫紅色、藍綠色巖石較低。不同激發波長下，巖石的熒光強度變化規律相似（圖4），均在320nm～360nm波長處出現峰值，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油、天然氣的熒光特征相似，該地區烴類物質主要為氣態烴和輕質油。

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格，同一地區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，同一地區不同巖石中的酸解吸附烴含量變化較大，僅應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度高的綠色巖石的酸解烴含量較高，而熒光強度不高的灰綠色、灰色和藍綠色巖石中的酸解烴含量較高，這可能與灰綠色、藍綠色、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（C2+/總烴），可以看出綠色巖石中的（C2+/總烴）含量最高達45.2%，而灰色、藍綠色巖石次之，紫紅色和灰綠色巖石最低，同紫外熒光的分析結果基本相同。垂向上（C2+/總烴）變化規律同紫外熒光強度的變化規律基本相同，峰值出現在綠色巖石中（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系

3.1 綠色蝕變帶控制鈾礦體的空間展布

區內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、少數為復雜卷狀[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。

礦石中的鈾價態分析結果（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還原環境中形成。另外，在鈾礦石中發現有大量次生油氣包裹體，藍光激發下發淺藍色熒光屬富含天然氣的重烴包裹體[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[2][5]，即鈾礦化主要形成于燕山運動晚期與區內上古生界生油巖的大規模生排烴時間相吻合。

4. 結論

（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%，與有機質鏡質體反射率為0.6%～1.7%的煤層氣相同，烴類氣體可能來自上古生界有機質鏡質體反射率為0.5%～1.75%的煤系地層。

（3）紫外熒光和酸解吸附烴研究發現，直羅組綠色巖石的熒光強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、泥巖強度最高，說明該處含有較高的油氣物質，熒光頻譜特征反映油氣為輕質油或氣態烴，酸解烴研究也得出同樣的結果。

（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、不規則卷狀，近少數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%，反映出較強還原條件的鈾成礦環境。另外在鈾礦石發現大量富含天然氣的重烴次生包裹體，說明鈾與天然氣有關。鈾成礦年齡主要在70Ma～85Ma之間，同區內上古生界烴源層的大規模生排烴時間基本一致。

參考文獻：

[1] 工業208隊.2001.東勝地區2001年工作總結報告（內部資料）.

[2] 向衛東.2004.鄂爾多斯盆地東勝鈾礦床特征及成礦機理研究，多種能源973.2004年（內部交流）

[3] 陜西省地質局石油普查隊.1974.陜甘寧盆地石油普查地質成果總結報告.

[4] 歐光習.2003.鄂爾多斯盆地東北部勝砂巖型鈾礦流體特征及成礦機理研究.生產中科研.2003年度總結（內部資料）.

[5] 夏毓亮，林錦榮等.鄂爾多斯盆地東勝地區砂巖型鈾礦成礦作用同位素地球化學研究.2002.

[6] 方錫銜等.2002.鄂爾多斯盆地北部東勝砂巖型鈾礦物質成分研究.2002年度總結（內部資料）.

[7] 長慶油田地質志編寫組.1992.中國石油志（12卷）.北京：石油出版社

[8] 蘇現波、陳江峰.2001.煤層氣地質學與勘探開發.科學出版社年

[9] 肖新建，李子穎，陳安平.2004.東勝地區砂巖型鈾礦床后生蝕變礦物分帶特征初步研究.鈾礦地質，20（3）.

[10] 郭喜珠等.1∶20萬區調報告.抗棉旗，東勝幅.1979.

[11] 陳法正.2002.鄂爾多斯盆地北部古水文地質條件與鈾成礦前等分析鈾礦地質.

[12] 劉圣志、李景明等.2005.鄂爾多斯盆地蘇里格廟氣田成藏機理研究天然氣工業.

[13] 李賢慶等.2002.鄂爾多斯中部氣田、下古生界水溶氣田成因.石油與天然氣地質.

[14] 邸領軍、張東陽、王宏科.2003.鄂爾多斯盆地喜山期構造與油氣運動成藏.石油學報24（6）.

[15] 張更信.鄂爾多斯盆地新街地區直羅組地層鈾礦成礦環境分析[J].西部資源，2014（5）.