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“雞與蛋之爭”——油與鈾富集之謎

在自然科學,尤其是在生物學中,“先有雞”還是“先有蛋”是一個讓人百思不得其解的古老謎題。其實,雞與雞蛋無非是一個循環中的兩個不同元素,少了其中任何一個這種循環都無法繼續存在,因此雞與雞蛋不存在孰先孰后的問題。受進化論的啟發,科學界將這種看似“風馬牛不相及”但又相互依存的自然現象比喻為“雞與蛋”的關系。

自20世紀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現了一些大型/超大型砂巖型鈾礦床。這些產鈾盆地多為油氣、煤等有機礦藏產出的沉積盆地,且處于中—東亞成礦帶內。學者們對此現象感到困惑——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“先有雞”還是“先有蛋”的命題。

費解的時空配置現象

遼河油田因在松遼盆地開魯坳陷的某些油井發現鈾異常,從而由點及面進行鈾礦勘探,發現了錢家店鈾礦床。近期鄂爾多斯盆地大營超大型砂巖型鈾礦床的發現則是以煤炭資料為基礎。據此,地質工作者們提出了包括“鈾—煤兼探”“鈾—油兼探”在內的多種能源礦藏(產)協同勘探的找礦新思路。

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

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,盡管云南滇西盆地及四川盆地等地也發現了該類型的鈾礦床(點),但與北方發現的該類型鈾礦床相比較,不論從鈾礦床產出的數量還是鈾的儲量都無法相比。

在這些產鈾/已發現鈾異常信息的盆地中,鄂爾多斯盆地、準格爾盆地及塔里木盆地都是年產油氣量大于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出,而伊犁盆地發現了油氣信息。我國北方盆地蘊含豐富的煤炭資源,主要產于石炭紀—二疊紀、侏羅紀地層中。產煤盆地(尤其是西北的盆地)多見鈾資源產出。

油氣、煤、鈾因各自成礦(藏)機理不同,在平面上礦產(藏)產出的位置也各有特點。砂巖型鈾礦多表現出近源成礦的特點。伊犁盆地南緣產出系列鈾礦床,成為由達拉地、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個鈾礦床及一些鈾礦點、礦化點組成的礦集區,形成了東西長80千米的鈾成礦帶,而盆地北部發現較多鈾異常點有待進一步勘探。鄂爾多斯盆地產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,錢家店鈾礦床產出在松遼盆地開魯坳陷內的隆起附近,前人研究認為錢家店鈾礦床屬復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聯,其聯系在垂向的賦存層位上表現得尤為密切。前人對鄂爾多斯盆地乃至我國北方主要產鈾盆地油氣、煤、鈾賦存層位進行綜合對比研究。從新疆伊犁盆地、吐哈盆地等諸盆地,經鄂爾多斯盆地、二連盆地,到東北的松遼盆地,產于同一盆地的油氣、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塔北次級凹陷西部。據鉆孔揭露資料,礦床自下而上揭遇地層有:下白堊統賽漢組下段、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,砂巖不發育,且鈾礦區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二連組埋藏深度在100米以內,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。油氣賦存于鼻狀構造、長短軸背斜等的核部,這些局部構造進一步隆升剝蝕,形成構造天窗,構造天窗的翼部是砂巖型鈾礦的有利產出位置。

配置之謎

我國北方中—西部諸盆地主要賦鈾層位為侏羅紀地層,容礦砂體的形成時代同樣是煤炭資源廣泛發育的時代。中—西北(尤其是西北)產鈾盆地鈾礦區及附加多見煤炭產出。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出的層位。煤炭層在溫暖潮濕的古氣候環境下形成,古氣候的細微變動造就了賦礦砂體,并使賦礦砂體中含大量有機質(如炭屑、黃鐵礦等)。在這種情況下形成的有機質與含鈾砂體是同期形成的,若不考慮油氣的滲入、煤層氣的產生,有機質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質,使得氧化前鋒線向遠離蝕源區方向推進。其作用的結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。該過程持續的時間越長,砂巖中鈾的含量增加,礦體規模越大。

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,關系到鈾成礦規模及鈾礦體的空間展布情況。賦礦砂體發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境形成的砂體富含有機質(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、底板泥巖因炭質含量較高,具有明顯炭化現象。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境,起到保礦作用。

鈾礦本身為金屬礦產,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事件有共同的響應。

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

實驗證實,含氧含鈾流體滲入到容礦砂體中與還原介質發生反應,形成氧化—還原過渡帶。目前,已發現的還原介質可分無機和有機兩類。其中,無機礦物以黃鐵礦為主,有機介質有油氣、煤、炭屑。其中,黃鐵礦的形成也是受有機還原介質影響。各有機還原介質對鈾富集還原作用的主次具有較為明顯的分區性。研究表明,鈾礦成礦年齡與天然氣充注最早年齡相近,二者對盆地構造抬升事件響應明顯。盆地構造事件對促發鈾成礦作用以及油氣的運聚具有同時性。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—還原過渡帶的規模及空間展布,進而決定鈾礦床礦體的規模、空間展布情況。

砂巖型鈾礦具有漸進成礦的特點,聚集成礦需要比較漫長的時間。構造事件之后,相對穩定的構造環境,由溫暖潮濕向干旱轉變的古氣候有利于鈾的緩慢富集沉淀。此時,油氣運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、煤級可能改變。

在已探明的煤礦及鄰近區域,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。結合盆地構造演化、鈾異常段與可能鈾源區的位置關系等。分析砂巖型鈾礦成礦潛力,指導下一步鈾礦勘探工作。

向上運移的油氣與滲入的含氧含鈾流體在砂體中隨時間推移均呈動態增加,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,促使鈾沉淀富集而成礦。與煤相比較,油氣與鈾的時空配置、對鈾聚集沉淀作用表現得不是十分明顯。目前,在鈾礦層及其附近并未發現油氣藏的存在。松遼盆地錢家店鈾礦床產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現油氣田,這些與油氣作用成礦有關的鈾礦床只在鈾礦層及其附近發現油氣信息。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條件十分特殊。我國北方多數砂巖型鈾礦床的成礦與油氣、煤有關。目前我國地質科技人員已經探明了眾多的此類礦產資源。有理論認為,鈾可以大量存在于生物體內,而生物體形成的有機質是形成石油的基本物質,當然自然界中復雜的化學反應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。

以松遼盆地北部為例,大慶長垣和西部斜坡區深部/淺部大量產出油氣,并發現在該區域大量油氣井中存在鈾異常,但僅有為數不多的井達到高鈾異常,未能形成具有工業意義的鈾礦體,且鈾礦化砂體處于還原環境中。大慶長垣屬盆內隆起,地層遭受剝蝕形成構造天窗,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。松遼盆地白堊紀末期及后期經歷構造反轉,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移,在淺部形成新的油氣藏或逸散,還原運移途經的砂體同時促發了鈾的運移、沉淀富集,但此時并未形成鈾礦床。因還原“因素”占上風,氧化砂體被還原,氧化—還原帶向盆緣推進,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,鈾得以富集成礦。

砂巖型鈾礦與油氣、煤成礦(藏)于同一盆地現象普遍。鈾與油氣、煤具有特殊的時空配置,存在一定的規律。鈾礦分布于盆地邊緣/盆內隆起,煤在盆內廣泛發育。鈾與煤在平面上產出位置相同或鄰近、垂向上賦存層位相鄰或相間。鈾礦區及其附近多未發現油氣藏,但存在油氣信息。即便探明在鈾礦區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、泥巖及富含有機質的容礦砂體,為后期鈾元素的沉淀聚集提供還原劑和頂、底板。依據鈾和煤賦存空間位置相鄰、煤炭層和容礦砂體成因的關系,在煤炭層的鄰近地層查找鈾異常,結合區域地質背景,分析鈾異常段及上下地層的成礦潛力,指導下一步鈾礦勘探工作。

構造運動、油氣的運聚以及鈾元素的成礦具有同時性。構造運動打破了盆內陸塊結構、溫壓平衡,趨使盆內元素的再分配。促發鈾元素的浸出、遷移,同時形成/活化深部斷裂,使深埋地下的油氣順著斷裂向上運移。

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