鄂尔多斯盆地长7段富铀烃源岩岩石学及地球化学特征研究

马 晔，魏安军，吴柏林 边 飞，孟 展，吴春燕

(大陆动力学国家重点实验室，西北大学地质学系,陕西 西安 710069)

鄂尔多斯盆地长7段富铀烃源岩岩石学及地球化学特征研究

马 晔，魏安军，吴柏林 边 飞，孟 展，吴春燕

(大陆动力学国家重点实验室，西北大学地质学系,陕西 西安 710069)

鄂尔多斯盆地长7段烃源岩底部大量富集放射性元素铀。结合该研究区地质背景，对长7段富铀烃源岩岩石学及地球化学特征进行了分析。研究结果表明：铀含量与磷、硫、铁、有机碳等的含量呈明显的正相关性,并富含C、S、P、Cu、V、Pb等亲生命元素;该优质烃源岩含丰富的黄铁矿、胶磷矿及条纹状有机质,表明铀的富集与这些矿物的存在紧密相关；长7段优质烃源岩底部铀的大量富集是由火山活动、生物活动等综合地质作用的结果。

鄂尔多斯盆地；长7段烃源岩；铀富集；地球化学

鄂尔多斯盆地属于中国最稳定块体华北地台的一部分，蕴藏着丰富的资源集油气、煤、铀等多种能源矿产为一体，其中延长组长7段构成盆地的主力烃源岩。近年来,在长7段底部研究发现存在大范围、厚度不等的放射性伽马显著正异常,伽马正异常地层厚度分布10～40m之间,而伽马正异常主要由铀的正异常引起[1-2]。据统计,在这套优质烃源岩中含铀量可达0.8×108t,面积达3.2×104km2，盆地中油气-铀相互作用,各自成藏(矿)和改造定位主要期次与盆地演化-改造的阶段及主要地质事件有明显的响应联系和密切的耦合关系[3]。因此,研究长7段烃源岩的岩石学特征、地球化学特征及铀富集的影响因素,对于探讨其中铀的形成机制及铀-油相互作用具有重要意义。

1 长7段富铀烃源岩矿物学特征

图1 长7段烃源岩中胶磷矿手表本和扫描电镜照片

研究样品采自鄂尔多斯盆地延长组长7段底部富铀的黑色泥页岩,一部分为岩芯样品,另一部分为华池、庆阳、铜川的野外露头长7段底部样品。长7段富铀烃源岩主要粘土矿物是蒙脱石、伊利石、高岭石，并且以含有植物碎屑、草莓状黄铁矿、有机质纹层、凝灰岩夹层和胶磷矿为特征。黄铁矿在样品中分布较广泛,多呈草莓状,含量很高,颗粒比较小,一般在10～20μm左右,多以圆状的草莓状集合体存在。

胶磷矿在扫描电镜下可见透镜状胶磷矿、生物碎屑胶磷矿、实心球状胶磷矿和结核状胶磷矿,以透镜状居多。粒度一般在1mm左右,少数呈层块状在手表本上可见(如图1)。生物碎屑胶磷矿横切面呈同心圆状(见图2(a)),直径在50μm左右,无机元素含量很低。管壁主要为胶磷矿,管芯为有机质充填物。电子探针结果显示,外壁胶磷矿中P2O5的含量为20.1%～34.5%,CaO的含量为41.3%～46.1%，管芯充填的有机质碳含量高达90%以上。实心球状胶磷矿横切面呈圆形(见图2(b)),直径约100μm, P2O5的含量为25.3%～27.8%,CaO的含量为40.4%～44.9%，以上2种胶磷矿应是在生物作用下形成。扫描电镜下可见大量磷结核(见图3)，结核的形状呈球状、椭球状、透镜形状,粒径变化范围大,在30～250μm之间，由于层理在结核处弯曲,结核体不切穿层理,所以该结核为沉积过程中形成的同生结核。

图2 生物碎屑胶磷矿和实心胶磷矿扫描电镜图像

2 岩石地球化学特征

2.1主量元素地球化学特征

图3 长7段富铀烃源岩中磷结核扫描电镜特征

图4 长7段富铀烃源岩U与orgC、∑S相关性图

X射线荧光光谱法测试结果表明，长7段富铀烃源岩相对贫SiO2、Al2O3、TiO2、MgO、CaO、K2O和Na2O。SiO2含量31.81%～71.9%(平均49.72%)，Al2O3含量5.01%～18.23%(平均11.8%)，TiO2含量0.32%～0.85%(平均0.6%)，K2O平均含量为2.5%,Na2O平均含量为1.19%,MgO平均含量为1.47%, CaO含量0.82%～3.75%(平均2.2%)；长7段富铀烃源岩相对富Fe、P2O5、有机碳和∑S,铁的平均含量为4.261%,∑S的平均含量为0.012%(最大值可达到3%),并且富含orgC(有机碳)。其中,U与orgC、∑S呈正相关(见图4)，与Al2O3、SiO2、CaO、MgO等主要造岩元素呈负相关(见图5)。因此,U的富集与造岩矿物无关,主要与有机质、S、Fe等有关。

2.2微量元素地球化学特征

对测试结果进行处理后发现,微量元素Cu的平均含量为45.4×10-6,U的平均含量为96.96×10-6, V的平均含量为126.8×10-6, Pb的平均含量为26.4×10-6。长7段优质烃源岩中生命元素Cu、V、Pb的富集,说明在缺氧还原环境下微生物的相对繁盛对元素富集具有重要意义。由于铀与主要造岩元素呈负相关而与亲生命元素C、S、P 、Cu(见图6)和∑Fe(见图7)呈明显的正相关，因而长7段烃源岩铀的富集与细菌等微生物生命活动密切相关。

图5 长7段富铀烃源岩中U与SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、MgO 、TiO2相关性图

图6 长7段富铀烃源岩U与Cu元素相关性图 图7 长7段富铀烃源岩中U与∑Fe的相关性图 图8 长7段烃源岩U与∑REE的相关性图

2.3稀土元素特征

通常认为在普通泥岩中∑REE(稀土元素)与U的相关性并不大,相关性趋势线较为趋缓;而在含U矿物中,∑REE与U的相关性关系十分密切。长7段烃源岩中,∑REE与U呈现出不同于普通泥岩中的相关性(见图8)。邱欣卫[4]通过研究长7段凝灰岩表明,凝灰岩中的Eu呈现明显负异常,而且烃源岩中U是来源于凝灰岩中,受湖底热液的影响，两者之间存在元素的迁移。因此,长7烃源岩中的Eu负异常以及∑REE与U的相关性可能是由于受凝灰岩的影响。

3 铀富集的成因探讨

研究长7段富铀烃源岩中主、微量元素地球化学特征显示,该层段烃源岩中的亲生命元素C、S、P等均与铀元素呈明显的正相关关系,而Cu、V、Pb、Fe、Mo等亲生命微量元素也与铀等呈明显的正相关关系,不仅反映了湖盆水体富无机营养盐的特征,而且富营养的水体促进了生物繁衍。水生生物对上述元素的吸收以及繁盛的微生物活动所造成的缺氧环境,使得上述元素在岩层中富集。因此,长7段烃源岩铀的富集与微生物的生命活动密切相关。

观察长7段烃源岩岩芯，发现长7段大范围发育薄层凝灰岩,单层最大厚度可达1～2m。在正8井、里57井每米岩芯中可识别出20～30多个凝灰岩夹层,反映同期频繁发生火山喷发。研究表明,凝灰岩分布区与放射性异常高值区叠合,两者具有较好的对应关系[1]。对长7段烃源岩中凝灰岩夹层的Pb同位素进行研究并结合U-Pb演化体系(ΔU<0),表明长7段凝灰岩中铀发生了明显的丢失迁移或亏损现象，而凝灰岩上下的泥岩、页岩中明显存在铀的异常(ΔU>0),表明这些泥页岩发生过铀的获取[5]。因此,长7段凝灰岩中铀元素发生了明显的迁移,大量的铀有可能迁移到环境因素十分有利于铀富集的长7段烃源层中,造成了长7段烃源岩中铀的大量富集,而上述过程与同期频繁发生的火山喷发活动密切相关。

[1]李琼.鄂尔多斯盆地西南地区深部放射性异常及其对烃源岩演化的影响[D].西安：西北大学，2007.

[2]谭成仟,刘池洋,赵军龙，等.鄂尔多斯盆地典型地区放射性异常特征及其地质意义[J].中国科学D辑(地球科学)，2007，37(4):147-156.

[3]刘池阳,吴柏林,邱欣卫.中东亚成矿域多种能源矿产同盆共存特征和其形成的动力学环境[J].中国科学D辑(地球科学)：2007,37(增刊Ⅰ):1-15.

[4]邱欣卫.鄂尔多斯盆地延长组凝灰岩夹层特征和形成环境[D]. 西安：西北大学，2008.

[编辑] 李启栋

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.06.008

TE122.1

A

1673-1409(2012)06-N024-03