陳新軍

(中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院， 北京 100083)

鄂爾多斯盆地內(nèi)蘊(yùn)藏著豐富的石油、天然氣、煤炭和鈾等礦產(chǎn)資源[1-2]，且砂巖型鈾礦與油氣在成因和空間分布上的密切聯(lián)系，為“油- 鈾”兼探提供了基礎(chǔ)條件。近年來(lái)，在盆地東北油氣富集區(qū)附近部先后發(fā)現(xiàn)了大營(yíng)、皂火壕、納嶺溝等一系列大、超大型砂巖鈾礦[3-4]，并且中國(guó)石化與中核集團(tuán)合作在杭錦旗東勝氣田附近基本落實(shí)了一個(gè)中型鈾礦床，表明在鄂爾多斯盆地進(jìn)行“油- 鈾”兼探，具有良好的勘探前景。在盆地東南緣雖然也發(fā)現(xiàn)了雙龍、建莊、焦坪、瑤曲、彬縣等一批礦床或礦化點(diǎn)[5-8]，但整體勘查成果和研究程度都相對(duì)較弱。為加強(qiáng)“油- 鈾”兼探，了解油氣礦權(quán)區(qū)內(nèi)砂巖型鈾礦的資源潛力，中國(guó)石化油田勘探開發(fā)事業(yè)部設(shè)立了《中國(guó)石化砂巖型鈾礦資源評(píng)價(jià)》專項(xiàng)基金。2016年中石化在盆地南緣X探區(qū)開展了以砂巖型鈾礦為勘查對(duì)象的老井復(fù)查工作，共復(fù)查油氣探井、開發(fā)井約400余口，并發(fā)現(xiàn)一批放射性高異常鉆井，表明該區(qū)具有一定的鈾資源潛力。筆者以該區(qū)放射性異常特征為出發(fā)點(diǎn)，在對(duì)其成礦地質(zhì)條件研究的基礎(chǔ)上，分析其成礦機(jī)理，希望對(duì)該地區(qū)的進(jìn)一步勘查開發(fā)提供幫助。

1 地質(zhì)背景

X探區(qū)構(gòu)造位置屬鄂爾多斯盆地南部的伊陜斜坡與渭北隆起的過渡區(qū)，整體呈西北低東南高的單斜構(gòu)造(圖1)。探區(qū)內(nèi)直羅組主要分布于西北部和中部，東南部大部已被剝蝕殆盡，整體表現(xiàn)為南東高、北西低，地層厚度由西北向東南逐漸減薄，西北部厚度最大可達(dá)100 m。直羅組底部埋深西北部約為200～400 m，中部約0～200 m，東南部要比北西部高約350 m左右。

1—第四系- 古近系；2—下白堊統(tǒng)； 3—中侏羅統(tǒng)直羅組；4—中侏羅統(tǒng)延安組； 5—中上三疊統(tǒng)；6—下三疊統(tǒng)；7—古生界；8—地層界線；9—不整合界線；10—斷層； 11—砂巖型鈾礦(化)點(diǎn)。圖1 研究區(qū)構(gòu)造地質(zhì)略圖Fig.1 The tectonic geological sketch of the study area

2 放射性異常特征

X探區(qū)油氣鉆井主要集中在西北部和中部，分布極不均勻。老井復(fù)查顯示，該區(qū)放射性高異常井多達(dá)幾十口，主體賦存層位為中侏羅統(tǒng)直羅組，主要為灰黃色、黃綠色塊狀砂巖夾雜色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖。本區(qū)沒有進(jìn)行相同井的石油自然伽馬測(cè)井和核工業(yè)定量伽馬測(cè)井對(duì)比試驗(yàn)，根據(jù)鄂爾多斯盆地北部杭錦旗地區(qū)相同井的石油自然伽馬測(cè)井和核工業(yè)定量伽馬測(cè)井對(duì)比試驗(yàn)，分析認(rèn)為大約980 API對(duì)應(yīng)于鈾礦專業(yè)放射性測(cè)井U含量0.01%邊界品位。因此，本探區(qū)暫用GR>490 API表示放射性異常段，GR>980 API表示放射性礦化段。

2.1 L地區(qū)

L地區(qū)位于X探區(qū)西北部，其北北東部和北東部是分別是兩個(gè)已發(fā)現(xiàn)的鈾礦床。區(qū)內(nèi)GR放射性異常井共8口，埋藏深度約200～400 m，主要發(fā)育于直羅組下部砂體中，GR最大值達(dá)到2 213 API。該異常區(qū)主體呈南西- 北東向展布，長(zhǎng)度約14 km，寬約12 km，面積約75 km2(圖2)。異常區(qū)最南部位于A井區(qū)，向北東方向展布，在A4井處分為兩支，一支向北東向斷續(xù)展布至A1井區(qū)，另一支向北西斷續(xù)展布至A3井區(qū)。南部A、A6井區(qū)鈾礦化強(qiáng)度最大，礦化平均值一般不超過1 400 API，單峰最大值可達(dá)2 088 API，平均品位約0.017 1%。北部A3井區(qū)礦化平均值為1 433 API，單峰最大值為1 632 API，平均品位約0.014 6，面積4.0 km2；東北部A1井區(qū)鈾礦化平均值僅1 088 API，單峰最大值為1 093 API，平均品位約0.011 1%，面積1.3 km2。

圖2 X探區(qū)西北部L地區(qū)放射性異常等值線Fig.2 The contour of natral gamma intensity in L sector, northwest of X exploration area

圖3 X探區(qū)中部T地區(qū)放射性異常等值線Fig.3 The contour of natral gamma intensity in T sector, central of X exploration area

本區(qū)鉆井密度較小，控制程度低，找礦空間相對(duì)較大，直羅組主要發(fā)育有層間氧化帶和潛水氧化帶，初步研究認(rèn)為具有形成中大型砂巖鈾礦床的資源潛力。

2.2 T地區(qū)

T地區(qū)位于X探區(qū)中部，區(qū)內(nèi)GR異常大于300 API有十幾口鉆井，埋藏深度約100～200 m，GR異常強(qiáng)度較強(qiáng)，大于490 API有11口鉆井，大于980 API有7口鉆井；單峰最大值達(dá)10 821 API。該GR放射性異常條帶在區(qū)內(nèi)分布并不連續(xù)，東西向長(zhǎng)約13 km，南北向?qū)捈s2.5 km，面積約26 km2，平面上顯示為東、中、西3個(gè)部分(圖3)。東部區(qū)域GR放射性異常分布面積最大，主要分布在B井區(qū)及其周圍，異常平均值一般不超過1 600 API，但B井GR異常平均值達(dá)到2 566 API，最高可達(dá)10 821 API，厚度達(dá)到4.63 m，平米鈾量3.04 kg/m2，達(dá)到工業(yè)鈾礦井標(biāo)準(zhǔn)。該井是X探區(qū)發(fā)現(xiàn)鈾礦化顯示最好的鉆井；中部GR放射性異常主要分布在B1井區(qū)、和B3井區(qū)和B4井區(qū)，GR放射性異常平均值一般在1 500 API以下；西部GR放射性異常主要分布在B5井周圍，面積非常小，異常強(qiáng)度平均值為556 API。

本區(qū)鉆井密度較大，控制程度相對(duì)較高，但找礦空間有限，按照現(xiàn)有鉆井資料推測(cè)出一條呈東西向展布的鈾礦化帶，初步研究具有形成小型砂巖鈾礦床的資源潛力，但是最有希望突破的區(qū)域。

2.3 K地區(qū)

K地區(qū)位于X探區(qū)東北部，區(qū)內(nèi)GR放射性異常井有5口，異常發(fā)育層位主要在上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組，屬于同沉積鈾礦化，礦化有2層，第一層位于延長(zhǎng)組長(zhǎng)7油層組，第二層在延長(zhǎng)組長(zhǎng)6油層組，礦化平均值約為500 API，平均品位約為0.005 3%，展布范圍有限，只分布在幾個(gè)井區(qū)，總體而言鈾資源潛力有限，意義不大。

3 成礦地質(zhì)條件

整體而言，研究區(qū)內(nèi)的鈾源、構(gòu)造、巖性巖相、古氣候、水文地質(zhì)、還原條件等鈾成礦地質(zhì)條件非常有利。分析認(rèn)為，區(qū)內(nèi)鈾富集成礦(鈾礦化)的主控制因素主要是層間氧化帶制約作用、水動(dòng)力控制作用和油氣還原抑制作用。

3.1 鈾源

鄂爾多斯盆地基底巖石為太古宇及下元古界變質(zhì)巖、混合巖、花崗片麻巖等。盆地南緣的秦嶺造山帶自太古代以來(lái)就經(jīng)歷了多次構(gòu)造熱事件改造，加里東期、海西期、印支期及燕山期富鈾花崗巖分布廣泛，其原始鈾含量最高可達(dá)10×10-6，形成了多個(gè)放射性高異常場(chǎng)[9-10]。探區(qū)位于華北板塊鄂爾多斯盆地南緣中新生代相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造斜坡帶，盆地南部周緣出露大量的變質(zhì)巖和花崗巖體，其酸性、中酸性巖石占有較大比例，鈾豐度較高[9-12]，提供了豐富的鈾源。

3.2 構(gòu)造

鄂爾多斯盆地晚侏羅世后發(fā)生的多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地層緩慢隆起抬升并遭受剝蝕改造。鄂南地區(qū)構(gòu)造相對(duì)比較簡(jiǎn)單，總體是一個(gè)平緩的單斜構(gòu)造，東南高、北西低，地層傾角一般小于10°，適宜于層間氧化帶的發(fā)育。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育NE和NW向兩組斷裂，斷裂帶一方面是地下水的局部排泄區(qū)，利于層間氧化帶的發(fā)育；另一方面也溝通了深部油氣，利于油氣逸散以及氧化- 還原作用的發(fā)育。研究表明，鄂南地區(qū)直羅組下段鈾礦化多數(shù)與油氣改造作用相關(guān)[13-15]。

3.3 巖性與古氣候

X探區(qū)直羅組上段以泥巖為主，下段砂體十分發(fā)育。全區(qū)共發(fā)育兩支規(guī)模巨大河流，呈南西- 北東向展布(圖4)。西部河流發(fā)育規(guī)模巨大，可進(jìn)一步細(xì)分為兩個(gè)分支，兩分支河流間沉積主要發(fā)育在A7井、A6井、A2井一帶，砂體厚度一般為20～40 m。其中西部分支河流主河道沿A8井-A3井展布，分布在工區(qū)西北部，寬度一般6～7 km，砂體厚度可達(dá)50 m以上，順河道方向砂體分布穩(wěn)定；東部分支河流主河道沿A9井-A1井展布，河道寬度一般6～10 km，砂體厚度大于50 m。東部河流發(fā)育規(guī)模略小，主要沿東部沉積剝蝕邊界展布，河道寬度9～10 km，砂體厚度一般不超過35 m，由于探區(qū)東南部抬升剝蝕嚴(yán)重，該河道南部和東部砂體已經(jīng)被剝蝕殆盡。直羅組下段辮狀河道砂巖分布穩(wěn)定，連通性和成層性較好，砂體孔隙發(fā)育，滲透率一般大于100×10-3μm2[16]，物性遠(yuǎn)優(yōu)于其下部的延長(zhǎng)、延安組，有利于含鈾流體的運(yùn)移。直羅組下伏延安組頂部為一套煤系地層，直羅組下段河道砂巖穩(wěn)定發(fā)育且具有良好的物性條件，直羅組上段河漫灘泥巖沉積相對(duì)較發(fā)育，這三者形成了“泥- 砂- 泥(煤)”結(jié)構(gòu)組合，為層間氧化帶型鈾礦發(fā)育提供了良好的地質(zhì)條件。

含礦層直羅組下段為辨狀- 曲流河相灰色砂巖，其沉積建造期為較溫濕的古氣候，適宜形成富含植物碎屑、炭屑及黃鐵礦等的還原性砂體。晚侏羅世的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，造成地層的抬升，使得直羅組暴露地表并長(zhǎng)期遭受風(fēng)化剝蝕，此時(shí)溫濕的古氣候轉(zhuǎn)變?yōu)楦珊? 半干旱，這對(duì)層間氧化帶的發(fā)育非常有利。

圖4 X探區(qū)直羅組下段砂體厚度等值線圖Fig.4 The thickness contour of sand body in the lower part of Zhiluo Formation in X exploration area

3.4 層間氧化帶

研究表明，鄂爾多斯盆地南緣發(fā)育有3期后生蝕變作用，中侏羅世晚期- 晚侏羅世的氧化蝕變，是最主要的氧化蝕變期。區(qū)內(nèi)層間氧化帶主要發(fā)育于直羅組下段的辮狀河- 曲流河沉積體系，是早期氧化蝕變作用形成的紅色或黃色氧化砂體，古水流由東南古隆起向北西低洼區(qū)方向滲濾，形成南西- 北東向的層間氧化帶，氧化帶巖石一般呈棕紅色、褐紅色、褐黃色等，標(biāo)志性礦物是褐鐵礦和赤鐵礦，后經(jīng)還原性油氣的后生還原作用形成大規(guī)模的綠色蝕變帶。層間氧化帶的前鋒線位于氧化還原過渡帶一側(cè)，主要位于氧化砂體的尖滅端或其下翼，鈾礦體在平面上主要分布于此，產(chǎn)于氧化還原過渡帶砂體尖滅部位及其相臨的砂體中(圖4)。因此，層間氧化帶舌狀體制約著鈾礦體的展布，而其前鋒線就是尋找富集礦體的有利部位。

3.5 水動(dòng)力條件

X探區(qū)中晚侏羅世和晚白堊世至今長(zhǎng)期處于緩慢隆升剝蝕改造階段，探區(qū)整體呈西北低東南高的單斜構(gòu)造，東南部缺失安定組和芬芳河組，使直羅組上段頂部直接暴露地表，大面積被剝蝕。由于盆地持續(xù)性掀傾，非常有利于探區(qū)東南緣含氧含鈾水體沿直羅組河道發(fā)育，并向盆地內(nèi)滲入，具有完整的補(bǔ)- 徑- 排古地理地下水系統(tǒng)，這對(duì)層間氧化帶的發(fā)育和鈾的富集非常有利。根據(jù)油氣鉆井資料統(tǒng)計(jì)，本區(qū)侏羅紀(jì)- 白堊紀(jì)沉積期古水流發(fā)現(xiàn)為自南向北，即東南蝕源區(qū)為地下水補(bǔ)給區(qū)，直羅組河道砂體為徑流，盆內(nèi)湖湘沉積區(qū)為排泄區(qū)。通過采集的地下水樣品可知，探區(qū)內(nèi)地下水呈弱堿性，pH值一般為7.2～8.0，鈾含量一般在5～10 μg/L，礦化度一般在0.6～1.2 g/L。這表明蝕源區(qū)(鈾含量一般在4×10-6～6×10-6)一定量的鈾在大氣水的氧化作用下進(jìn)入水中，由地表滲入地下經(jīng)砂體、不整合面等向盆地內(nèi)滲流，并連同直羅組砂巖自身賦存的鈾(鈾含量一般在3×10-6～4×10-6)在適宜部位富集。

3.6 油氣還原條件

三疊系延長(zhǎng)組是鄂南中生界的主力烴源巖，在湖侵、缺氧和富有機(jī)質(zhì)背景下發(fā)育有多套暗色泥頁(yè)巖，尤以長(zhǎng)7底部的張家灘頁(yè)巖為最[17-19]。X探區(qū)長(zhǎng)7烴源巖分布穩(wěn)定、有機(jī)質(zhì)豐度高、母質(zhì)類型好、熱演化程度高，具有很強(qiáng)的生烴潛力。鄂爾多斯盆地南部白堊世以來(lái)存在兩期重要的構(gòu)造事件，即早白堊世末燕山第5幕構(gòu)造抬升和古近紀(jì)以來(lái)的差異斷塊升降運(yùn)動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)了盆地南部的兩次生排烴高峰期[14]。本區(qū)長(zhǎng)7層段普遍存在異常超壓，最高可達(dá)20 MPa，說明其排烴動(dòng)力較大，這使得烴源巖生成的油氣沿垂向疊置的砂體向上覆和下伏地層運(yùn)移[19-20]。向上運(yùn)移的充沛的油氣資源沿?cái)嗔选⑾虑泻庸?、角度不整合等不斷向上滲入侏羅系直羅組，這大大增強(qiáng)了氧化砂體的還原能力。油氣還原改造主要發(fā)生在古近紀(jì)以來(lái)，且油氣活動(dòng)具有多期性和長(zhǎng)期性。在氧化- 還原作用成礦階段，隨著油氣等還原性流體的持續(xù)滲入，抑制了氧化作用的進(jìn)一步發(fā)展，層間氧化帶前鋒遇到向淺部運(yùn)移的油氣，發(fā)生氧化- 還原作用，活化遷移的鈾被固定下來(lái)富集成礦。

4 成礦機(jī)理

X地區(qū)鈾礦成因與盆地東北部杭錦旗地區(qū)的鈾礦床具有相似之處，但也有差別[16]。本區(qū)處于直羅組下段辮狀河道砂體的中部，較靠近上游，成礦過程整體可分為沉積預(yù)富集階段、古層間氧化作用成礦階段、氧化- 還原作用成礦保礦階段(圖5)。

1—基底；2—還原性砂體；3—層間氧化帶；4—氧化- 還原帶；5—鈾礦體；6—煤線；7—含氧含鈾流體運(yùn)移方向；8—還原性流體運(yùn)移方向；9—炭屑吸附的鈾。圖5 X探區(qū)鈾成礦示意圖Fig.5 The schematic diagram of uranium mineralization in X exploration area

4.1 沉積預(yù)富集

中侏羅統(tǒng)直羅組辮狀河道含鈾灰色砂體是鈾預(yù)富集的載體，砂體中含有大量的植物碎屑和腐植層，對(duì)鈾具有吸附作用，形成富鈾地層。樣品分析表明，直羅組灰綠色砂巖的鈾含量為(15×10-6～30×10-6)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于渭北隆起蝕源區(qū)的背景值[21]，且低品位鈾礦化砂體(鈾含量<0.010%)的沉積時(shí)代為中侏羅世。含礦層直羅組灰色砂巖建造期為溫濕的古氣候，有利于含有植物碎屑和腐植層等有機(jī)質(zhì)的砂體沉積，這對(duì)鈾具有一定的吸附作用，容易形成相對(duì)的富鈾砂體，即形成鈾的預(yù)富集。這也為后期鈾的搬運(yùn)和富集提供了一定量的鈾源。

4.2 古層間氧化作用成礦

4.3 氧化- 還原作用成礦

鄂爾多斯盆地晚侏羅世后的燕山晚期運(yùn)動(dòng)，使得渭北隆起形成了一系列的EW向復(fù)式背向斜，晚白堊世以來(lái)又經(jīng)歷了喜山運(yùn)動(dòng)，形成了部分?jǐn)嗔褬?gòu)造[22-23]，為后期的砂巖型鈾礦、油氣以及熱液流體提供了有利的富集場(chǎng)所和重要的運(yùn)移通道。另外，大量研究成果表明渭北隆起晚侏羅世- 早白堊世的巖漿活動(dòng)是晚古生代以來(lái)最重要的巖漿熱事件[24]，這對(duì)于本區(qū)油氣源巖的生排烴具有決定性的意義。

由于晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的部分?jǐn)嗔汛蚱屏嗽瓉?lái)的地下水動(dòng)力系統(tǒng)，古層間氧化作用得到抑制。同時(shí)，后期地層沉積厚度逐漸增大，受地層壓實(shí)作用的影響，降低了含氧水的補(bǔ)給與下滲能力，影響了層間氧化作用的發(fā)育。再者，古近紀(jì)以來(lái)，下層豐富的烴源巖大量生、排烴，大量的油氣不斷沿?cái)嗔?、不整合等向上滲入直羅組砂體，大大增強(qiáng)了砂體的還原能力，并在古層間氧化帶前部形成氧化- 還原帶。在過渡帶內(nèi)，由于在早期層間氧化蝕變階段黑云母蝕變形成水黑云母與水白云母，同時(shí)析出大量的K+和Fe3+，K+和流體中的CO2發(fā)生反應(yīng)，形成一種K2CO3強(qiáng)堿性溶液，與大量地下水相融后，形成一種弱堿性地下水環(huán)境。在這種弱堿性環(huán)境中，SiO2活度增大，部分石英熔融，并析出SiO2，進(jìn)入孔隙水中。同時(shí)，由于含氧水的補(bǔ)給相對(duì)減弱，而下部層位上升而來(lái)的還原性流體的作用相對(duì)增強(qiáng)，在蝕變?cè)颇附饫黹g形成球狀黃鐵礦。一方面，在氧化- 還原帶形成的酸性流體溶液，促使砂巖中的U6 +鈾酰離子被還原為U4+，并與水中的SiO2發(fā)生反應(yīng)，在黃鐵礦邊緣形成鈾礦物(鈾石)，其分布直接受蝕變黃鐵礦、黑云母控制；另一方面，隨著下層還原性氣體的持續(xù)性滲入，賦礦砂體被深部上溢的還原性流體二次還原，在堿性地下水環(huán)境中SiO2活度大增，使早期階段形成的瀝青鈾礦轉(zhuǎn)變?yōu)殁櫴?，并?duì)整個(gè)礦床具有保護(hù)作用。

5 結(jié) 論

1)X探區(qū)放射性高異常主要賦存層位為中侏羅統(tǒng)直羅組下段，位于探區(qū)西北部的L地區(qū)和中部的T地區(qū)，放射性異常特征明顯，分布范圍較廣，具有形成砂巖型鈾礦床的潛力。

2)總體來(lái)說，X探區(qū)砂巖型鈾成礦地質(zhì)條件非常有利。盆地南部周緣出露大量的變質(zhì)巖和花崗巖體，鈾源豐富；位于構(gòu)造斜坡帶，地層平緩；含礦層直羅組下段為辨狀- 曲流河相灰色砂巖，層間氧化帶非常發(fā)育；適宜的古氣候；具有完整的補(bǔ)- 徑- 排地下水系統(tǒng)；并且具有良好的還原條件。

3)通過細(xì)致分析，認(rèn)為探區(qū)鈾成礦過程整體可分為沉積預(yù)富集階段、古層間氧化作用成礦階段、氧化- 還原作用成礦保礦階段。在沉積預(yù)富集階段，中侏羅世溫濕的古氣候帶來(lái)了豐富的有機(jī)質(zhì)，對(duì)鈾元素具有一定的吸附作用，形成相對(duì)的富鈾砂體。在古層間氧化作用成礦階段，早白堊世晚期至古近紀(jì)長(zhǎng)期抬升剝蝕和干旱- 半干旱古氣候，非常有利于層間氧化帶發(fā)育，預(yù)富集的鈾疊合古層間氧化作用帶來(lái)的鈾，在層間氧化帶前鋒線附近的氧化- 還原過渡環(huán)境中部分被還原形成瀝青鈾礦沉淀下來(lái)。在氧化- 還原作用成礦保礦階段，由于古近紀(jì)以來(lái)還原性氣體持續(xù)滲入作用下，形成氧化- 還原過渡帶，一方面在過渡帶形成的酸性流體溶液，促使砂巖中的U6+鈾酰離子被還原為U4+，并與水中的SiO2發(fā)生反應(yīng)，在黃鐵礦邊緣形成鈾礦物，即鈾石；另一方面使早期階段形成的瀝青鈾礦轉(zhuǎn)變?yōu)殁櫴?，并?duì)整個(gè)礦床具有保護(hù)作用。