鄂爾多斯盆地店頭地區(qū)直羅組流體包裹體特征及油氣與鈾成礦關(guān)系

張字龍， 賀 鋒， 邱林飛， 范洪海， 蔡煜琦， 衣龍升， 劉紅旭， 賈 翠

(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

店頭鈾礦床(店頭—雙頭鈾礦床的統(tǒng)稱)是鄂爾多斯盆地東南緣目前發(fā)現(xiàn)的唯一鈾礦床。該礦床具有賦礦巖體成巖度高、礦石品位高、礦體較分散等特征。眾多學(xué)者針對(duì)盆地東南緣和店頭鈾礦床開(kāi)展了系列研究，主要包括鈾成礦地質(zhì)條件和遠(yuǎn)景預(yù)測(cè)(李文輝，2004；魯寶龍，2013；王仲鐸，2015；李曉翠等，2014；張字龍等，2016；劉宗斌，2018；于宏偉，2018)、直羅組沉積相和成巖特征(邢秀娟等，2008；劉陽(yáng)等，2015)、礦床地質(zhì)特征和鈾礦化特征(陳宏斌等，2006；邢秀娟等，2006；彭小華等，2018；曹惠鋒等，2018；徐陽(yáng)，2019)、賦礦巖石學(xué)特征和有機(jī)質(zhì)特征(張字龍等，2016；李平，2017)、鈾成礦作用(張字龍，2018)等，取得了顯著的研究成果。但鄂爾多斯盆地東南緣鈾成礦過(guò)程中還存在油氣等還原流體作用，在這種成巖度較高的賦礦砂巖中，成巖作用、油氣充注作用與鈾成礦的關(guān)系研究還不夠深入，鈾成礦機(jī)理還需要進(jìn)一步深化研究。因此，筆者在研究區(qū)采集代表性樣品，通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查、薄片鑒定、掃描電鏡及電子探針?lè)治?，研究賦礦砂巖巖相學(xué)特征、流體包裹體特征和鈾礦化特征，旨在闡明該礦床鈾成礦作用、油氣與鈾成礦關(guān)系等關(guān)鍵問(wèn)題，以期進(jìn)一步豐富和發(fā)展我國(guó)砂巖型鈾成礦理論。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

店頭鈾礦床大地構(gòu)造位于鄂爾多斯盆地東南緣陜北斜坡帶和渭北隆起的過(guò)渡部位(圖1)。區(qū)內(nèi)主要出露上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組(T)、中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)和直羅組(J2z)、下白堊統(tǒng)志丹群(K1z)。礦區(qū)內(nèi)中新生代蓋層主要缺失下侏羅統(tǒng)富縣組(J1f)、上侏羅統(tǒng)芬芳河組(J3f)和上白堊統(tǒng)(K2)。含礦目的層為直羅組下段，地層產(chǎn)狀近于水平，西傾，傾角一般小于5°。

礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)較弱，以小規(guī)模的褶皺為主，斷裂構(gòu)造發(fā)育不明顯。礦區(qū)構(gòu)造總體受廟彬褶皺帶北端控制，褶皺帶為舒緩開(kāi)闊的、軸部呈北東向的小型褶曲，褶皺帶中從東至西發(fā)育有南峪口背斜、花家莊向斜、圪嶗寺背斜、雙龍向斜(圖1)。店頭礦區(qū)受褶皺帶影響發(fā)育有次級(jí)隆起與洼陷構(gòu)造，其中沮水、廟溝腦和塔里梁等洼陷控制了鈾礦化段，礦床主礦體均分布在沮水洼陷中。

盆地東南緣鈾礦化信息較豐富，北部店頭地區(qū)發(fā)育有店頭鈾礦床，礦床東部發(fā)育有南峪口礦點(diǎn)和寺灣礦點(diǎn)，礦床南部發(fā)育有焦坪礦點(diǎn)和廟灣礦點(diǎn)，地表還出露有多個(gè)礦化點(diǎn)和異常點(diǎn)。鈾礦化主要賦存于直羅組下段中上部淺色砂巖層中，小型沖刷構(gòu)造發(fā)育處常含有煤線、煤屑、有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦等還原介質(zhì)，是鈾礦化富集的主要部位。另外，直羅組上段和延安組頂部泥巖與直羅組下段砂巖組成了很好的“泥-砂-泥”結(jié)構(gòu)，為直羅組下段砂體內(nèi)鈾成礦創(chuàng)造了良好的條件。

據(jù)前人研究成果顯示，鈾成礦期次主要有125.2～98 Ma、(51.0±5.8)～(41.8±9.3) Ma(李文輝，2004；陳宏斌等，2006；劉潤(rùn)川等，2019；曹惠鋒等，2019)等兩個(gè)階段，大體相當(dāng)于早白堊中晚期—晚白堊早期和始新世。由于褶皺隆起，造成區(qū)內(nèi)地層多次缺失，該時(shí)期古氣候炎熱、干旱，有利于含鈾、含氧水進(jìn)入含礦目的層，在氧化-還原過(guò)渡帶、有機(jī)質(zhì)相對(duì)富集的區(qū)域，鈾還原沉淀富集成礦。

2 樣品的采集與分析

2.1 樣品采集

采集的樣品主要是地表露頭和鉆孔巖心賦礦砂巖。采集地點(diǎn)為店頭鈾礦床和崔家溝煤礦。采集方式主要利用伽瑪輻射儀篩選鈾含量大于200×10-6的賦礦樣品，之后進(jìn)行鏡下觀察和分析。

2.2 樣品分析

(1) 鏡下觀察。挑選具有代表性賦礦砂巖磨制成厚約0.03 mm的光薄片，然后利用偏光顯微鏡(Leica HM500S)，觀察巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、巖石中的礦物特征、巖石的后生蝕變特征，圈定出鈾礦物區(qū)域，為下一步的電子探針和掃描電鏡分析做好準(zhǔn)備。

(2) 電子探針?lè)治?。?duì)圈定有鈾礦物的薄片進(jìn)行鍍碳，利用Jeor JXA-8100型電子探針，研究鈾礦物和包裹體顯微特征。

(3) 掃描電鏡分析。采用掃描電鏡-能譜儀(儀器型號(hào)：Nova Nano SEM450TESCAN-VEGALMU掃描電子顯微鏡和LINK-ISISX射線能譜儀)對(duì)樣品進(jìn)行觀測(cè)、礦物鑒定。

(4) 流體包裹體分析。包裹體觀察使用Leica顯微鏡；成分測(cè)定儀器為英國(guó)產(chǎn)的Linkam_THMS600冷熱臺(tái)(測(cè)溫范圍為-196～+600 ℃)，儀器精度為±0.1 ℃；本次實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)樣對(duì)冷熱臺(tái)進(jìn)行溫度標(biāo)定后進(jìn)行測(cè)試，升溫速率和數(shù)據(jù)控制的精度總體為：<100 ℃時(shí)，速率為10 ℃/min，精度±0.5 ℃；>100 ℃時(shí)，速率為5 ℃/min，精度±1 ℃；快均一時(shí)升溫速率采用2～3 ℃/min。測(cè)試溫度的總體精度控制在1 ℃以內(nèi)。

(5) 激光拉曼分析。將光薄片在顯微鏡下圈出需要分析的未知礦物，采用拉曼光譜儀LabRAM HR Evolution，依據(jù)Burke(2001)方法測(cè)試。

3 巖石礦物學(xué)特征

研究區(qū)南部崔家溝地區(qū)直羅組下段的巖相組合從上到下的特征如圖2所示。頂部為黃綠色含油細(xì)砂巖(圖2a, b)，巖石成分為石英、長(zhǎng)石、巖屑及云母，膠結(jié)物為方解石，碎屑顆粒呈棱角-次棱角狀，碎屑含量分別為石英約65%，長(zhǎng)石約15%，巖屑約10%，云母和方解石約5%；其下為紫紅色泥巖夾薄層紫紅色粉砂巖。中部為中厚層塊狀的灰白色粗砂巖(圖2c)。中下部為淺灰白色砂礫巖、礫巖(圖2d)，礫石以石英巖為主，粒度約2～3 mm，含少量黃鐵礦和黑色有機(jī)質(zhì)。下部為深灰色砂礫巖(圖2e-h)，巖屑以石英礫巖為主，粒度約2～3 mm，砂巖中發(fā)育約5%的黃鐵礦，可見(jiàn)微量鋯石和方鉛礦；砂巖膠結(jié)物中約有地瀝青(10%)，方解石(2%)和伊蒙混層(1%)。崔家溝地區(qū)的砂巖成分主要以石英和硅質(zhì)巖屑為主，且?guī)r石主量分析Si的含量約49.59%～87.51%，平均值為70.3%。

研究區(qū)深灰色砂礫巖中的地瀝青在手標(biāo)本上可見(jiàn)油脂光澤(圖3)，且經(jīng)激光拉曼測(cè)試得出其成分為碳質(zhì)(圖4)。

4 鈾礦化特征

研究區(qū)鈾礦化主要賦存于直羅組下段，礦體空間展布受古層間氧化帶控制，垂向受控于古氧化-還原成巖的灰綠色、灰白色砂體與原生灰色砂體的過(guò)渡部位；礦體產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀基本一致，呈北北東走向，傾向北西西向；鈾礦體形態(tài)呈透鏡狀、似層狀、不規(guī)則蛇曲狀；礦體埋深一般90～350 m，長(zhǎng)度400～800 m，寬度200～400 m，厚度0.95～5.8 m；礦化連續(xù)性較差；礦石品位一般為0.049%～0.949%，鈾量一般為1.23～23.10 kg/m2，最大值為30.19 kg/m2(張字龍，2018)。鈾主要賦存在堅(jiān)硬致密的淺灰色、灰白色中粗、中細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖或長(zhǎng)石石英砂巖中(張字龍等，2016)，呈孔隙式-接觸式膠結(jié)，膠結(jié)物有泥質(zhì)、鈣質(zhì)、硅鐵質(zhì)等，礦石密度較大(一般>2.2 g/cm3)，滲透率低(一般<10×10-6μm2)。

我國(guó)中新生帶盆地中鈾礦物類型主要有鈾石、水硅鈾礦、瀝青鈾礦、鈦鈾礦、凌鈣鈾礦、鈾釷礦(劉杰等，2013)。鄂爾多斯盆地東南部礦體中鈾的存在形式，主要為瀝青鈾礦和鈾石(表1)，在地表氧化礦石中有少量硅鈣鈾礦等次生鈾礦物。瀝青鈾礦無(wú)固定晶體形態(tài)，常呈星點(diǎn)狀、膠狀、細(xì)條帶狀，賦存于有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦和泥質(zhì)膠結(jié)物中(張字龍，2018)，鈾礦物粒徑約0.5～10 μm(圖5a, b)。鈾石以單顆粒短柱狀、紡錘狀和柱狀集合體狀產(chǎn)出(圖5c, d)，部分鈾石與瀝青鈾礦同步產(chǎn)出，并賦存于瀝青鈾礦表面。二者呈吸附狀態(tài)存在(圖5e，f)，鈾主要被疑似為地瀝青的黑色有機(jī)質(zhì)吸附，其次吸附于黃鐵礦周邊，鈾、黃鐵礦均包裹于地瀝青之中。另外，鈾還被膠結(jié)物所吸附，呈分散狀分布于泥質(zhì)膠結(jié)物周邊。

5 流體包裹體特征

5.1 包裹體巖相學(xué)及成分特征

研究區(qū)所測(cè)包裹體樣品均為直羅組賦礦砂巖，研究對(duì)象為沿切穿石英顆粒及其加大邊的微裂隙中分布的包裹體。通過(guò)對(duì)店頭地區(qū)直羅組賦礦砂巖油氣包裹體研究，發(fā)現(xiàn)砂巖中明顯存在1～2期的油氣包裹體，包裹體主要以液態(tài)油、氣液烴包裹體和氣烴+鹽水包裹體為主，天然氣(氣烴)包裹體僅占10%左右(張字龍，2018)，這與充注于鄂爾多斯盆地北部直羅組中以氣烴占主導(dǎo)的包裹體不同。僅從直羅組包裹體成分特征，就充分體現(xiàn)了鄂爾多斯盆地“南油北氣”的顯著特點(diǎn)。

表1 店頭礦床鈾礦石電子探針?lè)治鲡櫟V物類型表

研究發(fā)現(xiàn)，賦礦砂巖部分石英碎屑顆粒邊緣發(fā)育I～I(xiàn)I級(jí)次生加大邊(圖6a, b),通常情況下II級(jí)加大邊規(guī)模大于I級(jí)加大邊。在賦礦砂巖的碎屑顆粒間還充填有輕質(zhì)油和瀝青，瀝青主要呈現(xiàn)出褐色、暗色，輕質(zhì)油呈現(xiàn)出淡黃色。他們均顯示出較強(qiáng)的熒光，其中輕質(zhì)油顯示出淺綠色、淺藍(lán)色熒光(圖6c, d)，瀝青顯示出褐色的熒光(圖6e, f)。經(jīng)過(guò)鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，直羅組賦礦砂巖中主要發(fā)育2期油氣包裹體。第1期包裹體呈帶狀分布于石英加大邊的內(nèi)側(cè)，說(shuō)明該期包裹體發(fā)育于I級(jí)石英加大早期。包裹體發(fā)育豐度為1%～8%。成分主要為液態(tài)烴和瀝青，顏色呈現(xiàn)深褐色、褐色；第2期包裹體呈帶狀分布于切穿石英顆粒I級(jí)或II級(jí)加大邊的微裂隙中(圖6g, h)。包裹體發(fā)育豐度為4%～6%。包裹體成分中氣烴占10%左右，氣液烴約占10%～30%，液烴約占60%～80%(張字龍，2018)。富含瀝青的液烴顏色呈現(xiàn)為深褐色和褐色，氣液烴顏色呈褐色和淡黃色，顯示淺藍(lán)色的熒光或無(wú)熒光顯示，氣烴包裹體顏色呈現(xiàn)灰色，無(wú)熒光顯示。

5.2 流體包裹體顯微測(cè)溫

包裹體測(cè)溫結(jié)果顯示，第1期均一溫度為105～114 ℃，鹽度為23.18 wt%(該期僅獲得一個(gè)數(shù)據(jù))；第2期均一溫度和鹽度均分布較廣，其中均一溫度集中于75～80 ℃、90～105 ℃、110～120 ℃和140 ℃四個(gè)溫度區(qū)間，鹽度分布于0.53 wt%～23.18 wt%之間，平均值為14.1 wt%。包裹體均一溫度為75～80 ℃,與盆地東南緣直羅組埋藏深度的正常溫度相匹配，均一溫度為110～120 ℃和140 ℃的值遠(yuǎn)高于正常沉積埋藏溫度的最高值，表明后期有構(gòu)造擠壓或熱液流體改造作用。包裹體顯示的古流體鹽度也遠(yuǎn)高于地表流體鹽度和現(xiàn)今海水的鹽度(李子穎等，2019)。

6 討論

6.1 油氣與鈾成礦的時(shí)空關(guān)系

通過(guò)鏡下觀察和電子探針發(fā)現(xiàn)，充注于賦礦砂巖碎屑顆粒間及其微裂隙中的油氣，其成分以液態(tài)烴(富含瀝青)和氣液烴為主，且明顯充注有2期油氣。其中早期油氣充注發(fā)生在石英顆粒次生加大邊之前，后期油氣充注發(fā)生在石英顆粒次生加大邊I～I(xiàn)I級(jí)之后(圖7)。電子探針能譜顯示，在顆粒間的孔隙中充填了瀝青，瀝青中含有瀝青鈾礦、黃鐵礦和方鉛礦(圖7)，黃鐵礦與石英顆粒間及長(zhǎng)石與石英顆粒間的裂隙中充填有鈾石和細(xì)小顆粒的黃鐵礦。在碎屑顆粒間和切穿石英顆粒次生加大邊或II級(jí)加大邊的微裂隙中，同時(shí)發(fā)育有鈾礦物和油氣包裹體，鈾礦物以瀝青鈾礦為主，包裹體主要呈淡黃色氣液烴包裹體(圖8)。

綜上觀察和研究可知，研究區(qū)賦礦砂巖存在明顯兩期成巖壓實(shí)作用，造成石英顆粒形成II級(jí)次生加大邊；油氣充注作用也明顯存在2期，而且第2期油氣充注作用要晚于石英顆粒形成II級(jí)次生加大邊的時(shí)期。第2期油氣充注作用過(guò)程中伴隨有鈾成礦作用，同期含油氣和鈾質(zhì)的古流體，充填碎屑顆粒間或充填于切穿石英及其次生加大邊的裂隙中，即油氣充注作用與鈾成礦作用可同期存在于同一容礦空間中。

6.2 油氣流體與鈾成礦關(guān)系

店頭鈾成礦年齡為125.2～98 Ma、(52.4±0.7) Ma、(51.0±5.8) Ma、(41.8±9.3) Ma、(47.2±0.7) Ma(李文輝，2004；陳宏斌等，2006；劉潤(rùn)川等，2019；曹惠鋒等，2019)，鈾成礦作用主要發(fā)生在早白堊中晚期—晚白堊早期和古近紀(jì)。鄂爾多斯盆地東南部主要發(fā)育三套烴源巖(陳建平等，1997；楊華等，2005；李彥恒，2007；徐漢梁，2015)，其中上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組7、8段最為重要。三疊系烴源巖從中侏羅世開(kāi)始生烴，到早白堊世中晚期生烴和排烴能力達(dá)到最高峰(于強(qiáng)，2009；劉潤(rùn)川等，2019)，油氣充注作用貫穿古近紀(jì)和新近紀(jì)，并一直持續(xù)至今。早白堊世既是主要鈾成礦期又是烴源巖主要排烴期，油氣充注期伴隨有鈾成礦作用，隨著油氣的持續(xù)充注，鈾成礦作用也隨之持續(xù)發(fā)生，可見(jiàn)油氣與鈾成礦關(guān)系密切。

分析與鈾成礦相關(guān)的包裹體測(cè)溫結(jié)果顯示，店頭地區(qū)成礦溫度為72～141 ℃，平均為103.5 ℃，與埋藏壓實(shí)作用的成礦溫度相比明顯偏高；成礦流體鹽度為0.53 wt%～23.18 wt%，平均為14.1 wt%，明顯高于地表流體鹽度和現(xiàn)今海水的鹽度。店頭地區(qū)成礦流體溫度與鹽度均偏高，說(shuō)明成礦過(guò)程中可能因構(gòu)造擠壓或外來(lái)熱液作用，導(dǎo)致鈾成礦過(guò)程中有熱液的作用參與其中。

綜上所述，鄂爾多斯盆地東南部直羅組賦礦砂巖成巖度高，巖石中石英碎屑顆粒有明顯的I～I(xiàn)I級(jí)次生加大邊，而且在直羅組賦礦砂體中，既有多期油氣充注作用，又有多階段鈾成礦作用。早期的油氣充注于I級(jí)石英加大邊形成之前，該時(shí)期也是鈾成礦的主要形成期；中晚期的油氣充注于II級(jí)或更高級(jí)石英加大邊形成之后，該時(shí)期含U、S、Fe等多種元素的油氣充填于碎屑顆粒間，或充填于切穿石英II級(jí)次生加大邊的微裂隙中，隨著油氣的分解和凝固，瀝青鈾礦和黃鐵礦等金屬礦物也隨之形成?？傊蜌馀c鈾成礦關(guān)系較密切，油氣既可以保礦，又可以促進(jìn)鈾成礦作用。自早白堊世油氣充注以來(lái)，鈾成礦作用和油氣充注作用持續(xù)同期發(fā)生，期間可能還伴隨有熱液的改造作用，導(dǎo)致礦體不斷疊加富集。

7 結(jié)論

(1)通過(guò)鏡下和包裹體特征研究，認(rèn)為店頭地區(qū)直羅組賦礦砂巖明顯有2期油氣充注作用，充注的油氣主要為富含瀝青的液態(tài)烴和氣液烴，明顯有別于盆地北部的氣烴；發(fā)現(xiàn)直羅組巖石碎屑中，石英顆粒至少存在II級(jí)次生加大邊，這是造成直羅組賦礦砂巖成巖度高的直接原因。

(2)通過(guò)分析油氣充注作用、成巖作用和鈾成礦關(guān)系，認(rèn)為在直羅組較強(qiáng)的成巖作用之后，油氣流體充注作用與鈾成礦作用仍同時(shí)發(fā)生于直羅組砂體中，該過(guò)程中伴隨有熱液的疊加作用，含油氣流體不僅可以保礦，還可以進(jìn)一步促進(jìn)鈾成礦作用。