“雞與蛋之爭”——油與鈾富集之謎

■ 激 揚(yáng)

勘探開發(fā)

“雞與蛋之爭”——油與鈾富集之謎

■ 激 揚(yáng)

在自然科學(xué)，尤其是在生物學(xué)中，“先有雞”還是“先有蛋”是一個(gè)讓人百思不得其解的古老謎題。其實(shí)，雞與雞蛋無非是一個(gè)循環(huán)中的兩個(gè)不同元素，少了其中任何一個(gè)這種循環(huán)都無法繼續(xù)存在，因此雞與雞蛋不存在孰先孰后的問題。受進(jìn)化論的啟發(fā)，科學(xué)界將這種看似“風(fēng)馬牛不相及”但又相互依存的自然現(xiàn)象比喻為“雞與蛋”的關(guān)系。

自20世紀(jì)80年代以來，中國北方一些中—新生代盆地的鈾礦勘查工作取得了較快的進(jìn)展和重要成果，如在伊犁、吐哈、鄂爾多斯、二連和松遼等盆地相繼發(fā)現(xiàn)了一些大型/超大型砂巖型鈾礦床。這些產(chǎn)鈾盆地多為油氣、煤等有機(jī)礦藏產(chǎn)出的沉積盆地，且處于中—東亞成礦帶內(nèi)。學(xué)者們對此現(xiàn)象感到困惑——究竟是石油“吸附”了鈾元素，還是鈾“富集”了石油？這也成為一個(gè)“先有雞”還是“先有蛋”的命題。

費(fèi)解的時(shí)空配置現(xiàn)象

遼河油田因在松遼盆地開魯坳陷的某些油井發(fā)現(xiàn)鈾異常，從而由點(diǎn)及面進(jìn)行鈾礦勘探，發(fā)現(xiàn)了錢家店鈾礦床。近期鄂爾多斯盆地大營超大型砂巖型鈾礦床的發(fā)現(xiàn)則是以煤炭資料為基礎(chǔ)。據(jù)此，地質(zhì)工作者們提出了包括“鈾—煤兼探”“鈾—油兼探”在內(nèi)的多種能源礦藏（產(chǎn)）協(xié)同勘探的找礦新思路。

世界范圍內(nèi)超過80%的產(chǎn)鈾盆地兼有油氣、煤產(chǎn)出，多種能源礦產(chǎn)同盆成藏已被廣泛認(rèn)同。在我國，西起里海、東止于松遼盆地長達(dá)6000千米的中—東亞成礦帶，在特定的地質(zhì)背景影響下，有機(jī)—無機(jī)礦產(chǎn)（藏）廣泛富集產(chǎn)出。北緯30°附近的中—東亞成礦帶是世界上油氣、煤資源的主要產(chǎn)出區(qū)域之一，同時(shí)也蘊(yùn)含豐富的鈾礦資源。

我國已探明的砂巖型鈾礦床主要分布在北方的沉積盆地內(nèi)，盡管云南滇西盆地及四川盆地等地也發(fā)現(xiàn)了該類型的鈾礦床（點(diǎn)），但與北方發(fā)現(xiàn)的該類型鈾礦床相比較，不論從鈾礦床產(chǎn)出的數(shù)量還是鈾的儲(chǔ)量都無法相比。

在這些產(chǎn)鈾/已發(fā)現(xiàn)鈾異常信息的盆地中，鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)格爾盆地及塔里木盆地都是年產(chǎn)油氣量大于10噸的大型/超大型盆地，二連、吐哈以及海拉爾等盆地也有油氣產(chǎn)出，而伊犁盆地發(fā)現(xiàn)了油氣信息。我國北方盆地蘊(yùn)含豐富的煤炭資源，主要產(chǎn)于石炭紀(jì)—二疊紀(jì)、侏羅紀(jì)地層中。產(chǎn)煤盆地（尤其是西北的盆地）多見鈾資源產(chǎn)出。

油氣、煤、鈾因各自成礦（藏）機(jī)理不同，在平面上礦產(chǎn)（藏）產(chǎn)出的位置也各有特點(diǎn)。砂巖型鈾礦多表現(xiàn)出近源成礦的特點(diǎn)。伊犁盆地南緣產(chǎn)出系列鈾礦床，成為由達(dá)拉地、蒙其古爾、扎吉斯坦、烏庫爾其、庫捷爾太、洪海溝及肯爾扎特等數(shù)個(gè)鈾礦床及一些鈾礦點(diǎn)、礦化點(diǎn)組成的礦集區(qū)，形成了東西長80千米的鈾成礦帶，而盆地北部發(fā)現(xiàn)較多鈾異常點(diǎn)有待進(jìn)一步勘探。鄂爾多斯盆地產(chǎn)出的鈾礦床分布在盆地周緣，二連盆地巴彥烏拉鈾礦位于巴彥寶力格隆起帶附近。但也有例外，錢家店鈾礦床產(chǎn)出在松遼盆地開魯坳陷內(nèi)的隆起附近，前人研究認(rèn)為錢家店鈾礦床屬復(fù)合成因砂巖型鈾礦成礦類型。

油氣、煤與鈾成藏（礦）于同一沉積盆地，砂巖型鈾礦與油氣、煤的空間分布密切關(guān)聯(lián)，其聯(lián)系在垂向的賦存層位上表現(xiàn)得尤為密切。前人對鄂爾多斯盆地乃至我國北方主要產(chǎn)鈾盆地油氣、煤、鈾賦存層位進(jìn)行綜合對比研究。從新疆伊犁盆地、吐哈盆地等諸盆地，經(jīng)鄂爾多斯盆地、二連盆地，到東北的松遼盆地，產(chǎn)于同一盆地的油氣、煤、鈾的賦存層位具有相同、相鄰或彼此相間的特征。

二連盆地巴彥烏拉鈾礦床位于馬尼特坳陷內(nèi)塔北次級凹陷西部。據(jù)鉆孔揭露資料，礦床自下而上揭遇地層有：下白堊統(tǒng)賽漢組下段、賽漢組上段及古近系伊爾丁曼哈組。其中，賽漢組上段砂體是主要賦礦砂體，賽漢組下段以泥巖和粉砂巖為主，砂巖不發(fā)育，且鈾礦區(qū)部分鉆井揭露賽漢組下段泥巖明顯炭化。地處巴彥烏拉鈾礦床東部的芒來煤礦產(chǎn)出層位就是賽漢組下段。努和廷鈾礦床位于吉格森油田頂部和邊部，鈾礦床賦鈾層位上白堊統(tǒng)二連組埋藏深度在100米以內(nèi)，而吉格森油田主要含油氣層系騰格爾組騰一段、阿爾善組頂部埋藏深度超過1000米，二者埋藏層位深度差大。油氣賦存于鼻狀構(gòu)造、長短軸背斜等的核部，這些局部構(gòu)造進(jìn)一步隆升剝蝕，形成構(gòu)造天窗，構(gòu)造天窗的翼部是砂巖型鈾礦的有利產(chǎn)出位置。

配置之謎

我國北方中—西部諸盆地主要賦鈾層位為侏羅紀(jì)地層，容礦砂體的形成時(shí)代同樣是煤炭資源廣泛發(fā)育的時(shí)代。中—西北（尤其是西北）產(chǎn)鈾盆地鈾礦區(qū)及附加多見煤炭產(chǎn)出。伊犁盆地南緣鈾礦與煤炭層在垂向上相互夾持，二連盆地巴彥烏拉鈾礦床底板泥巖隔水層即是煤炭產(chǎn)出的層位。煤炭層在溫暖潮濕的古氣候環(huán)境下形成，古氣候的細(xì)微變動(dòng)造就了賦礦砂體，并使賦礦砂體中含大量有機(jī)質(zhì)（如炭屑、黃鐵礦等）。在這種情況下形成的有機(jī)質(zhì)與含鈾砂體是同期形成的，若不考慮油氣的滲入、煤層氣的產(chǎn)生，有機(jī)質(zhì)的含量及生成位置固定不變。后期含氧含鈾流體的滲入具有長期性，隨著含氧含鈾流體的持續(xù)滲入，地層從外界接受的氧和鈾不斷增加，含氧流體氧化地層中的有機(jī)質(zhì)，使得氧化前鋒線向遠(yuǎn)離蝕源區(qū)方向推進(jìn)。其作用的結(jié)果是沉淀后再氧化已沉淀的鈾，匯入不斷推移的氧化—還原過渡帶中。該過程持續(xù)的時(shí)間越長，砂巖中鈾的含量增加，礦體規(guī)模越大。

賦礦層位及鄰近地層包括容礦砂巖及其鄰近與鈾成礦有關(guān)的地層。容礦砂巖是砂巖型鈾礦的賦存場所，其分布特征、巖性—巖相變化明顯控制著鈾的富集，關(guān)系到鈾成礦規(guī)模及鈾礦體的空間展布情況。賦礦砂體發(fā)育于溫暖潮濕的古氣候，鈾賦存在辮狀河、扇三角洲沉積的砂體中居多。溫暖潮濕的古氣候環(huán)境形成的砂體富含有機(jī)質(zhì)（黃鐵礦、炭屑等），為后期氧化—還原過渡帶的形成及鈾的沉淀富集提供還原劑。

鈾能在容礦砂巖中保留下來需要頂、底板的存在，頂、底板多為溫暖潮濕環(huán)境下形成的湖相泥巖沉積，有些鈾礦床的頂、底板泥巖因炭質(zhì)含量較高，具有明顯炭化現(xiàn)象。伊犁盆地南緣系列鈾礦床賦礦砂體與煤炭層相互疊置，煤炭層充當(dāng)了賦礦砂體的頂、底板，底板作為隔水層，頂板阻隔外界氧的滲入并提供還原環(huán)境，起到保礦作用。

鈾礦本身為金屬礦產(chǎn)，但鈾易被氧化溶于流體中而遷移。在沉積盆地，含鈾流體受重力作用滲入砂體中，運(yùn)移至氧化—還原過渡帶富集成礦。這一成礦過程在一定程度上與流體礦藏成藏特性類似，決定了砂巖型鈾礦的成礦與油氣成藏對某些地質(zhì)事件有共同的響應(yīng)。

砂巖型鈾礦的成礦過程始于盆地演化過程中的一些地質(zhì)事件，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（如次造山運(yùn)動(dòng)）引起盆地邊緣抬升或盆地內(nèi)部隆起，打破了盆內(nèi)地塊結(jié)構(gòu)、地溫及壓力等的平衡，促使盆內(nèi)元素的再分配。盆地邊緣或盆內(nèi)隆起富鈾巖體風(fēng)化剝蝕，鈾受氧化被流體浸出，向盆內(nèi)運(yùn)移。地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的改變同樣對礦藏的空間展布及規(guī)模產(chǎn)生影響，其中，以流體有關(guān)的礦藏受影響尤甚。一般情況下，鈾礦的成礦年齡較新，鈾礦化多發(fā)生在新生代，而油氣、煤的成藏（礦）時(shí)間相對更早。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是鈾成礦作用開始的誘發(fā)因素，同樣可能引起成藏（礦）于同一盆地油氣藏的聚散以及煤質(zhì)、煤級的變化。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，含氧含鈾流體滲入到容礦砂體中與還原介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成氧化—還原過渡帶。目前，已發(fā)現(xiàn)的還原介質(zhì)可分無機(jī)和有機(jī)兩類。其中，無機(jī)礦物以黃鐵礦為主，有機(jī)介質(zhì)有油氣、煤、炭屑。其中，黃鐵礦的形成也是受有機(jī)還原介質(zhì)影響。各有機(jī)還原介質(zhì)對鈾富集還原作用的主次具有較為明顯的分區(qū)性。研究表明，鈾礦成礦年齡與天然氣充注最早年齡相近，二者對盆地構(gòu)造抬升事件響應(yīng)明顯。盆地構(gòu)造事件對促發(fā)鈾成礦作用以及油氣的運(yùn)聚具有同時(shí)性。含氧含鈾流體中的氧與油氣等還原劑相互作用，共同控制著氧化—還原過渡帶的規(guī)模及空間展布，進(jìn)而決定鈾礦床礦體的規(guī)模、空間展布情況。

砂巖型鈾礦具有漸進(jìn)成礦的特點(diǎn)，聚集成礦需要比較漫長的時(shí)間。構(gòu)造事件之后，相對穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境，由溫暖潮濕向干旱轉(zhuǎn)變的古氣候有利于鈾的緩慢富集沉淀。此時(shí)，油氣運(yùn)聚可能致使深部的油氣藏消耗，甚至消耗殆盡或在淺部形成新的油氣藏。此過程煤炭的煤質(zhì)、煤級可能改變。

在已探明的煤礦及鄰近區(qū)域，若伽馬測井在煤炭層的鄰近地層中有鈾異常反映，可分析該鈾異常段及上下地層的巖性—巖相變化特征，查找有利于鈾賦存的辮狀河、扇三角洲砂體存在與否以及空間展布情況。結(jié)合盆地構(gòu)造演化、鈾異常段與可能鈾源區(qū)的位置關(guān)系等。分析砂巖型鈾礦成礦潛力，指導(dǎo)下一步鈾礦勘探工作。

向上運(yùn)移的油氣與滲入的含氧含鈾流體在砂體中隨時(shí)間推移均呈動(dòng)態(tài)增加，二者形成兩股“力量”，即含氧含鈾流體的氧化“力量”、油氣等還原劑的還原“力量”。兩股“力量”在砂體中相互作用，充分反應(yīng)，促使鈾沉淀富集而成礦。與煤相比較，油氣與鈾的時(shí)空配置、對鈾聚集沉淀作用表現(xiàn)得不是十分明顯。目前，在鈾礦層及其附近并未發(fā)現(xiàn)油氣藏的存在。松遼盆地錢家店鈾礦床產(chǎn)出在油氣勘探的外圍，鄂爾多斯盆地東勝鈾礦床附近也未發(fā)現(xiàn)油氣田，這些與油氣作用成礦有關(guān)的鈾礦床只在鈾礦層及其附近發(fā)現(xiàn)油氣信息。二連盆地努和廷鈾礦床分布位于油田頂部和邊部，但含鈾層位與油氣藏埋藏深度相差千米。

找礦新思路

鈾是地殼中高度分散的金屬元素，其成礦作用所需的地質(zhì)條件十分特殊。我國北方多數(shù)砂巖型鈾礦床的成礦與油氣、煤有關(guān)。目前我國地質(zhì)科技人員已經(jīng)探明了眾多的此類礦產(chǎn)資源。有理論認(rèn)為，鈾可以大量存在于生物體內(nèi)，而生物體形成的有機(jī)質(zhì)是形成石油的基本物質(zhì)，當(dāng)然自然界中復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)也是不可缺少的重要因素，這也可以為尋找更多的鈾礦和石油提供了依據(jù)。

以松遼盆地北部為例，大慶長垣和西部斜坡區(qū)深部/淺部大量產(chǎn)出油氣，并發(fā)現(xiàn)在該區(qū)域大量油氣井中存在鈾異常，但僅有為數(shù)不多的井達(dá)到高鈾異常，未能形成具有工業(yè)意義的鈾礦體，且鈾礦化砂體處于還原環(huán)境中。大慶長垣屬盆內(nèi)隆起，地層遭受剝蝕形成構(gòu)造天窗，與錢家店鈾礦床所在隆起類似。而西部斜坡為自西向東緩單傾的斜坡，與伊犁盆地南緣頗有相似之處。松遼盆地白堊紀(jì)末期及后期經(jīng)歷構(gòu)造反轉(zhuǎn)，西部斜坡整體傾斜，大慶長垣背斜隆起。使油氣順斷裂向上運(yùn)移，在淺部形成新的油氣藏或逸散，還原運(yùn)移途經(jīng)的砂體同時(shí)促發(fā)了鈾的運(yùn)移、沉淀富集，但此時(shí)并未形成鈾礦床。因還原“因素”占上風(fēng)，氧化砂體被還原，氧化—還原帶向盆緣推進(jìn)，形成大片的鈾礦化。而二連盆地努和廷鈾礦床位于油氣田上部和邊部，但因埋藏深度差大，深部油氣藏可能難以為淺部含鈾砂體提供大量的油氣還原介質(zhì)，鈾得以富集成礦。

砂巖型鈾礦與油氣、煤成礦（藏）于同一盆地現(xiàn)象普遍。鈾與油氣、煤具有特殊的時(shí)空配置，存在一定的規(guī)律。鈾礦分布于盆地邊緣/盆內(nèi)隆起，煤在盆內(nèi)廣泛發(fā)育。鈾與煤在平面上產(chǎn)出位置相同或鄰近、垂向上賦存層位相鄰或相間。鈾礦區(qū)及其附近多未發(fā)現(xiàn)油氣藏，但存在油氣信息。即便探明在鈾礦區(qū)下部地層中有油氣藏存在，二者成礦（藏）的深度差較大。

溫暖潮濕的古氣候條件形成煤炭層、泥巖及富含有機(jī)質(zhì)的容礦砂體，為后期鈾元素的沉淀聚集提供還原劑和頂、底板。依據(jù)鈾和煤賦存空間位置相鄰、煤炭層和容礦砂體成因的關(guān)系，在煤炭層的鄰近地層查找鈾異常，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，分析鈾異常段及上下地層的成礦潛力，指導(dǎo)下一步鈾礦勘探工作。

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、油氣的運(yùn)聚以及鈾元素的成礦具有同時(shí)性。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)打破了盆內(nèi)地塊結(jié)構(gòu)、溫壓平衡，趨使盆內(nèi)元素的再分配。促發(fā)鈾元素的浸出、遷移，同時(shí)形成/活化深部斷裂，使深埋地下的油氣順著斷裂向上運(yùn)移。