油气耗散作用及其成岩成矿效应: 进展、认识与展望

吴柏林，魏安军，胡亮，宋子升，张本浩，王海桐，王丹，寸小妮，孙莉，罗晶晶

大陆动力学国家重点实验室(西北大学)，西北大学地质学系，西安，710069

内容提要: 油气生成后发生运移，在途经的围岩环境中发生流—岩相互作用而损耗，以及分散于地下或暴露地表而损失，这一过程即为油气耗散。油气耗散主要特点为流—岩地质作用，在这一过程中将产生系列成岩蚀变，如氧化砂岩的绿色化、白色化，以及局部碳酸盐化等；导致一些成矿效应，如铀矿化、高岭土化等。从而在沉积盆地中构成有机与无机、金属与非金属矿产同存共荣于一盆，此即为沉积盆地成藏(矿)系统。因而油气耗散作用内容属于交叉学科方向，目前仅在鄂尔多斯盆地得到初步研究。在油气耗散成岩及成矿作用过程中，部分微量元素、有机地球化学参数、以及碳、氢、氧、硫、硅等稳定同位素可表现出一定的标志性特征。这在目前“油气—铀溶液—砂岩”相互作用模拟实验中也已得到初步的证实。当前，沉积盆地中油气耗散方向与规模、成岩与成矿效应的地球化学作用机理、有机—无机(如烃源岩—铀等无机元素)作用效应及对相关资源评价的影响、多种能源综合协同预测与勘探等方面是未来油气耗散作用学科领域的主要发展方向。

油气耗散作用是近年来对鄂尔多斯盆地进行多种能源同盆共存研究时强调和提出的一个概念。目前，在鄂尔多斯中北部上古生界不同层段中发现有乌审旗、榆林、米脂、苏里格、大牛地等多个大型气田和巨大的天然气储量。在盆地东北部的广阔范围，存在来自中部大气田上古生界天然气向东北、北部方向大规模运移及耗散的地质作用，形成了盆地北部乌兰格尔古隆起南坡的约45处白垩系油苗(刘友民，1982；马艳萍等，2007)。进一步研究表明，盆地北部天然气总体具有由南向北、并最终汇聚到东北部的运移特点。

对这种油气生成后发生的运移，并且与途经的流体—围岩相互作用而耗损和暴露地表或大气而损失，这一过程或地质作用称之为“油气耗散”。油气生成后发生运移的结果有三种，一是聚集成藏，现在鄂尔多斯东北部及周边的天然气勘探，应属这种二次聚集类型，其潜力不可忽视；二是散于地下的源岩和运移途径的围岩及流体中，目前在油气资源评价中，这一部分少有体现；三是与途经的流体—围岩相互作用而耗损和暴露地表或大气而损失，其中损耗的部分，其性质已经改变，油气与流体—围岩相互作用在一定条件下可形成各种蚀变现象，如本文要讨论的绿色蚀变，砂岩的白色化、碳酸盐化等；因此，这一部分既有消耗又有散失。前人对此现象也有“逸散”之称，然认为上述现象总体上称之为“油气耗散”似更确切(刘池洋等，2008)。

在盆地的后期改造中，油气耗散是普遍存在的地质现象；对全球350个大油田的统计研究，发现其中1/3的油田存在聚集成藏后遭破坏的证据(MacGregor，1996)；我国南方的麻江古油藏、准噶尔盆地西北缘、塔里木盆地中部隆起和柴达木盆地的油砂山，推断耗散的石油储量可达几亿吨到几十亿吨；尤其是塔里木盆地的志留系，在华力西运动早期损失的油气资源量估计可达133.17×108t(韩世庆等，1982；庞雄奇等，2002；吴元燕等，2002；张俊等，2004)。鄂尔多斯盆地的大气田属早期生烃成藏型，天然气在盆地后期改造中严重散失，气田的储量丰度最低，处于与隆起相邻的斜坡带和隆起区为油气长期运移的指向和散失区(王庭斌，2004)。

然目前对油气耗散尚缺乏专门、系统的研究；尤其是对耗散规模的确定难度颇大，是迄今国内外尚无重要进展的国际性研究难题；近年在对鄂尔多斯盆地北部油气煤铀多种能源共存研究中发现，在盆地北部的广阔地区，存在上古生界天然气向东北方向明显运移耗散的多种直接证据，如地表白垩系层位的油苗，浅表地层大范围分布的上二叠统气测显示。进一步的研究还发现，该耗散天然气与周邻流—岩作用形成了一些典型的还原蚀变现象，如东胜铀矿控矿的中下侏罗统绿色蚀变带，砂岩中透镜状碳酸盐化，延安组顶部大范围的砂岩白色化，以及伊盟隆起带铀的后期超常富集与保存现象等(图1)；表明是油气耗散作用研究的天然实验室。由于油气耗散作用及其成岩成矿效应、盆地多种能源矿产相互作用国内外研究薄弱、尚没有明显进展，认识尚不清楚，揭示例子更少。故而，本文以鄂尔多斯北部地区为实例，重点介绍上述各现象研究的最新认识成果与进展。以图通过典型实例的解剖，揭示该领域目前的最新进展和认识。

综上所述，油气耗散作用可能形成二次成藏的油气资源，也可能为形成金属能源矿产如砂岩铀矿提供后期富集叠加和保矿的还原环境。油气耗散的各种蚀变现象是寻找上述油气铀等能源资源的重要判识标志；同时也是部分非能源矿产，如延安组顶部由于砂岩白色化形成的高岭石矿床等资源的找矿线索。因而，将油气耗散的直接结果(如油气苗、沥青、稠油等)与其地质背景，尤其是与周邻流岩相互作用形成的各种还原蚀变及成矿产物(如铀矿等)相结合进行研究，有可能是探讨和解决油气耗散及其规模这一难题的重要途径；加强对油气耗散作用的研究，将为示踪、发现和预测盆地内多种能源矿产、以及相关的金属或非金属矿床提供重要的线索和标志；是油气和各类、各级资源研究和评价的重要内容之一。

沉积盆地的这种集多种有机和无机、金属与非金属矿产等共存于一盆，构成相对独立的矿产赋存单元和成藏(矿)大环境的巨型复杂系统构成了沉积盆地成藏(矿)系统(刘池洋等，2007；刘池洋，2008)。它作为一种独立的成矿系统，与造山带和地盾等成矿系统相并列，对其专门研究，为丰富和发展已有成矿理论体系，为盆地内多种能源矿产兼顾，科学高效和综合协同预测与勘探奠定了理论基础。其中油气耗散作用及其成岩成矿效应规律的揭示，是沉积盆地成藏(矿)系统研究的重要实例和内容。而油气耗散方向与规模、成岩与成矿效应的地球化学作用机理、有机—无机矿产作用效应及对相关资源评价的影响、多种能源综合协同勘探等方面是未来油气耗散作用学科方向的主要研究内容。

1 油气耗散方向与规模

1.1 油气耗散的方向

在鄂尔多斯盆地东北部地表发现了较多的白垩系油苗及上二叠统气测显示(图1)，这些现象可认为是盆地中部上古生界天然气向东北或北部运移耗散的直接证据。

另外，在北部乌兰格尔凸起东西长100km、南北宽13km面积约1300km2的范围内已发现的40多处白垩系油苗，从油砂物理性质、原油类异戊间二烯烷烃相对含量、碳同位素特征对比等，显示白垩系油苗(砂)与二叠系石盒子组及石千峰组下部的油砂相应的性质相似或相近，而与南部马岭油田中生界原油和河套盆地第三系原油特征相差甚远。由此可见，白垩系油苗为成熟度较高的煤型气所成的凝析油，油源不在本地，而是来自该区之南上古生界天然气向东北部及北部耗散所致(刘友民，1982；马艳萍等，2007；刘池洋等，2008；任战利等，2006)。

同时对盆地北部上古生界储层流体包裹体类型、均一温度、捕获压力及其变化特点进行研究，结果反映了该区之南上古生界天然气生成后由南向北运移，并最终汇聚到研究区的东北部(冯乔等，2004)。

1.2 油气耗散的规模

油气耗散规模的确定是非常困难的。目前仅从天然气聚集成藏期间及其之后包裹体捕获压力、体积的变化进行粗略的估计。对山西组储层砂岩石英加大边中的包裹体和裂缝脉中的包裹体序次、平均均一温度、捕获压力进行研究对比，根据理想气体状态方程计算统计不同成岩序列之间及构造运动期间(利用裂缝脉中的包裹体信息)天然气的散失量，认为相对于聚集成藏期，盆地北部天然气的散失量(体积)可达39.7%(冯乔等，2004)。这表明，该区之南上古生界天然气生成后约2/5已经散失，即盆地北部存在着规模十分巨大的天然气耗散的地质现象和地质背景特点。

图1鄂尔多斯盆地北部油气运移耗散与伊盟隆起北西向巨型铀矿矿集区平面分布示意图Fig. 1 The sketch map of hydrocarbon migration dissipation in the north of Ordos basin and the NW trending giant uranium deposits in Yimeng Uplifte

2 成岩蚀变与成矿效应

鄂尔多斯盆地含有丰富的能源资源，如油气、煤及金属矿产铀等。除了在盆地中部发现巨大的天然气储量外，还在盆地的东北部发现了我国目前最大的砂岩型铀矿即东胜超大型铀矿床。研究表明，该区油气等有机能源与铀等金属矿产的形成彼此作用、其产出和分布存在着密切的内在成因联系。

对盆地东北部东胜铀矿床的研究表明，在矿区浅表层直罗组、延安组发现了一些十分独特的的流—岩作用或成岩蚀变及成矿现象：在直罗组除了发现规模巨大的铀矿富集之外，还有大规模的控矿绿色砂岩蚀变带，以及含矿层砂岩内部广泛发育的不连续分布的透镜状钙质砂岩和一些“假钙化木”现象，紧邻含矿层之下的延安组顶部存在较大规模的砂岩白色化、有人称之为砂岩的“漂白现象”，并形成高岭土矿床。这些现象的集中出现，显得十分引人注目。这些成岩成矿现象均与本区的油气耗散作用有关(肖新建等，2004；向伟东等，2006；吴柏林等，2006b，2007；李子颖等，2007，2009；Wu Bolin et al.，2009a，2009b)。

在国外对油气耗散成岩蚀变与成矿效应的研究中不多见，但砂岩的白色化现象却研究得较多，有关现状见下面的相关叙述。

2.1 砂岩的绿色蚀变

在东胜铀矿区中侏罗统直罗组底部有一条规模宏大、呈弧形展布的绿色砂岩蚀变带，其长>300km，宽达2～35km；该蚀变带控制了东胜超大型砂岩铀矿床的分布，铀矿化严格沿砂岩的绿色砂岩蚀变带前锋线分布，成为当地找矿部门最主要的找矿标志。该绿色砂岩蚀变带的形成与该区油气耗散作用有关，它是早期层间氧化砂岩在油气耗散还原作用下形成的产物(吴柏林等，2006a，2006b，2007；李子颖等，2007)。其主要证据有：①其内部仍存有团块状的氧化砂岩残余，②化学成份上具有高的Fe2+/Fe3+比值，说明形成于还原环境，然而其总硫及有机炭的含量非常低，说明其前身为氧化带，是后期的还原作用形成了现在的还原性质的绿色化带；③在绿色蚀变砂岩碳酸盐胶结物中，包裹体的氢、氧同位素值与正常大气水相比明显偏高，认为是流体中水的氢氧同位素受到了油气成分的强烈混染所致。④绿色砂岩中的粘土矿物具有大量的后生还原性质的铁绿泥石矿物；⑤灰绿色砂岩中钍/铀比值高，说明其中铀曾在较强的氧化作用下导致了明显的迁出；同时，钇、锆和铌等偏碱性元素的偏高，应是砂岩后生绿色蚀变过程中碱性还原流体作用的结果，而“耗散天然气—地下水”的混合流体符合这一地球化学性质。

国外对与砂岩铀矿有关的氧化带砂岩再还原形成绿色蚀变带的系统研究不多见，仅见美国学者对得克萨斯州与油气有关的砂岩铀矿床的研究(Adams，et al.，1981；Goldhaber，et al.，1978)。

2.2 砂岩的白色化及其成矿效应

2.2.1 砂岩的白色化

在东胜铀矿区以及北东部，在东西长约120km范围内的中侏罗世延安组顶部，紧邻砂岩绿色化带之下位置存在规模宏大的砂岩(部分泥岩或泥质粉砂岩)白色化，不仅在露头，甚至在钻井岩心中均可见到这一现象。有的可见白色与红色砂岩相邻同存，或含有红色砂岩残留，说明其前身为氧化砂岩，但现在的岩石地球化学特点则表现为总铁含量及Fe3+/Fe2+比值都很低，说明其形成于还原性流体作用环境，并且原岩中的氧化铁因被还原后被大规模迁移而损失了。结合该区的油气耗散作用背景，认为这一现象是耗散天然气还原红色砂岩的结果，并称之为“砂岩漂白现象”(马艳萍，2006；刘池洋，2008；吴柏林等，2007)。

在国外，有关砂岩漂白现象在1922年就有过报道，认为这些红层漂白现象是由于氧化铁的化学还原作用造成的，这一红层指沿着Montana 含油背斜顶部发育的三叠系Chugwater红层(Moulton，1922)和沿Cement油田东部和西部背斜顶部发育的二叠系Rush Springs 红层砂岩(Reeves，1922)。其原理是由于在烃类还原性流体进入红层时，氧化铁中的Fe3+还原成Fe2+后易于迁移，造成铁的大量淋滤并从红层中移开的结果。并总结出烃类蚀变作用在土壤与沉积物中可能会形成微生物异常、矿物变异如形成方解石及黄铁矿、褪色或漂白等现象。从那以后，一些出版的文献对红层的漂白与岩石中的烃类运移空间关系给出了许多实例(Moulton，1922；Reeves，1922；Levandowski et al.，1973；Segal et al.，1986；Surdam et al.，1993； Kirkland et al.，1995；Schumacher，1996；Chan et al.，2000；Schumacher，2000； Beitler et al.，2003；魏俊浩等，2001)。对松辽盆地南部某油气田边缘一个油气显示井的磁性测量结果表明，油气藏聚集过程同时伴随了烃类蚀变作用的发生(刘庆生等，2002)。也有报道褪色现象(即白色化)与铀矿化有一定关系，为找矿标志之一(李细根等，2004；黄以，1997)；有的把此一现象作为油气运移的指向及油气勘探的重要指示信息(Fu Bihong，2007)。

研究区白色化砂岩其矿物学特点是含有大量的后生高岭石，表明蚀变流体的性质为酸性；对其中高岭石氢氧同位素的研究认为，其形成于低温热液的环境，而非风化作用成因(胡亮，2010)。这跟东胜矿床的形成曾受到低温热液作用为同一环境，而东胜矿床的形成经历了后期耗散天然气对铀的还原富集叠加及保矿作用，是“低温耗散天然气—地下水”形成的热液共同作用的产物；也就是说，东胜矿床形成的同时，也具备形成本区砂岩的白色化环境。因而，本区白色化砂岩的形成与铀矿形成的环境密切相关，也是耗散天然气对氧化砂岩还原作用的结果。另外，有机地球化学方面的证据也支持这一认识：在白色化砂岩底板的有机质条带其生物标志化合物特征显示存在相对丰富的重排甾烷，显示为外来的较高成熟度有机质特点，这与石炭—二叠系煤层热演化程度较高的特征相符(刘池洋，2008)。综上，该区规模宏大的砂岩白色化现象的形成，是由成熟度较高的上古生界煤成气向北耗散，将早期氧化砂岩中的Fe3+还原成Fe2+，而还原性的Fe2+在酸性环境下大规模迁出所致。

2.2.2 砂岩白色化的成矿效应——高岭土矿床的形成

由于该区延安组顶部大规模的砂岩白色蚀变作用，形成了盆地东北部的高岭土矿床。该矿床层位稳定，规模大，为大型高岭土矿床，矿石多数见于地表，便于开采。其岩石学特征为：碎屑物主要由石英、长石、岩屑、云母、重矿物及不透明矿物组成，其中重矿物有绿帘石、石榴子石、锆石等，以及黄铁矿、褐铁矿和钛铁矿等金属矿物，钛铁矿含量可达1%～2%。另可见一些砾石，主要是石英岩、燧石，磨圆度好。高岭石集合体的形态以蠕虫状、折扇状、碎片状等为主。 电子探针成分分析发现高岭石组成常含有少量的Fe、Ti等杂质成分。高岭石矿较为纯净，很少有其他粘土矿物(如伊利石、伊蒙混层等)的加入。高岭石在粘土矿物中占98%，伊利石占2%，表明该高岭土矿多数已达工业品位。前人研究一度认为东胜地区的高岭土矿是砂岩风化型成因，其矿层层位受燕山早期古构造运动面控制，原岩为含钾长石较高的长石石英砂岩；认为经长期风化淋滤及成岩作用后形成了成分单一，易分选的高岭土矿(毕先梅等，2000)。

正如上面已经谈到，对高岭石的氢氧同位素结果分析后认为，该高岭土矿的形成环境经历了低温热液作用，与东胜矿床形成的地质作用(早期常温地下水层间氧化作用成矿；晚期由于耗散天然气是低温的，导致形成的“油气耗散—地下水”构成的流体性质为低温热液，而具有铀富集与保矿作用)有一定的内在联系。结合该区存在大规模油气耗散作用的地质背景，本次研究认为该高岭土矿的成因为后期油气耗散的低温热液作用所致，当然后期不排除存在一定程度的风化作用的叠加。该白色化作用为油气耗散作用的重要指向和标志之一(马艳萍等，2006；刘池洋，2008；吴柏林等，2007)。

近年来进一步对对杭锦旗—东胜铀矿富矿石中的主要铀矿物铀石和砂岩中沉积成岩作用的粘土矿物、以及白色砂岩经过选矿分离之后的高岭石测定其中的硅同位素组成，来对比探讨铀富集效应与高岭石化的关系(魏安军，2014)。研究结果表明，铀石中δ30Si(NBS)均值为-1.0‰；砂岩中沉积成岩性质的粘土矿物中δ30Si(NBS)平均为-0.1‰，铀石和相对应的粘土中硅同位素组成相差较大，反映了不同的成因与来源。而白色砂岩中高岭石的δ30Si(NBS)均值为-1.18‰，与铀石中的硅同位素组成相近，两者存在物质上的一致性。另外，自然界中不同来源硅同位素组成对比表明与热作用相关的物质中硅同位素的组成偏负值，而与沉积环境下形成的物质中硅同位素组成偏正值，铀石和高岭石中硅同位素偏负值且数值相近的特征，也反映了它们的形成与热事件作用相关、有相同物质来源的特点。

综上所述，高岭石和铀石具有相同的硅同位素组成，表明它们具有相同的硅质来源，是同一热流体作用下的产物。同时，联系到氢氧同位素特点表明高岭石与铀富集同属热液成因，，而相同的硅同位素组成又说明了具有相同成因和物质来源的特点。这就进一步从成因定性和物质来源两方面证实了高岭石化和本区铀富集的成因背景相同，都是油气耗散热液作用大环境下形成的。

2.3 砂岩的碳酸盐化

在东胜矿区目标层直罗组砂岩地层露头可见较多的后生碳酸盐化，形成所谓的“钙质层”，其产状主要包括呈不连续分布的透镜状钙质砂岩团块、局部强烈碳酸盐化的“假钙化木”等现象。尤其是其中的“假钙化木”十分引人注目，特征是呈树干表观，中心未见年轮残留，见内部结晶好的方解石呈充填状，其部分中空，反映其形成于地层沉积之后的后生流体作用。这些后生碳酸盐化与成岩作用形成的钙质胶结砂岩特征不同，后者碳酸盐结晶较粗，晶形好，为亮晶；而前者多为细—微晶，色深。在分布特点上，前者局部可见；后者多呈区域性稳定分布。

经对上述后生碳酸盐化碳同位素的分析， 砂岩中方解石胶结物δ13CPDB和δ18OSMOW多集中在-23.62‰～-10.21‰。(平均-10.23‰。)和-17.13‰～-12.94‰(平均-13.22‰。)，认为方解石胶结物中碳的来源主要为有机碳；结合本区存在油气耗散地质背景的事实，以及碳酸盐化与各种可能来源油气煤等碳同位素数值的对比、微生物作用特点及硫同位素结果等综合认为(刘池洋，2008；胡亮，2010；杨晓勇等，2007；张文正等，2006，2007，2008；李宏涛等，2007；蔡春芳等，2008；Wu Bolin et al.，2009b)，盆地中部上古生界天然气耗散至此提供了碳源。

对其中独特的“假钙化木”中呈充填状的方解石晶体进行的流体包裹体观察和成份分析认为，包裹体类型多为单相，如气体和气态烃包裹体；可见少量气液两相包裹体。气相组份主要是CO2和CH4，液相成分则主要是水(胡亮，2010)。含有少量的H2S及部分N2等组分。这种多为气体包裹体或液体为纯水成份的包裹体特征，与成岩“钙质砂岩层”中亮晶方解石主要是盐水溶液的包裹体特征不同。说明“假钙化木”中充填的方解石晶体包裹体成分主要为天然气。其中的CH4、H2S等还原性气体，是对铀沉淀具重要意义的还原剂。“假钙化木”中方解石晶体包裹体测温，结果区间主要为140～180℃范围，说明流体性质为低温的气—水热液，这与东胜矿床形成的流体作用性质相似，说明“假钙化木”的形成与东胜铀矿床的形成具有一定的内在联系(Wu Bolin et al.，2012)。

单独对“假钙化木”方解石晶体碳同位素分析表明，其δ13CPDB分布范围为-8.18‰～-3.11‰，平均-5.082‰；δ18OSMOW为-12.31‰～-11.13‰，平均-11.55‰，说明方解石晶体形成所需的碳质来源与有机质有关。这些数据进一步与盆地石炭系—二叠系油气及白垩系油砂碳同位素相比，数据比较接近，而与中生界炭质泥岩及煤中有机质碳同位素特征相差甚远，进一步说明了“假钙化木”中方解石晶体形成的碳质来源与盆地中部上古生界天然气及北部的白垩系油苗是同出一源的(Wu Bolin et al.，2012)。

因此，本区存在的“假钙化木”现象是盆地北部油气耗散作用的重要标志之一，其成因也与东胜铀矿的后期富集与保存有关。

2.4 铀的超常富集:超大型铀矿床的形成

在鄂尔多斯盆地东北部发现了目前国内最大的砂岩铀矿——东胜超大型铀矿，它位于盆地北部重要的构造单元——伊盟隆起。目前的研究表明，那是盆地油气长期运移、耗散指向的(最)高部位。无独有偶，沿着伊盟隆起的西北方向(杭锦旗—泊江海子—东胜)一带，近年又发现了包括杭锦旗铀矿等大型砂岩铀矿床。因此，伊盟隆起可能构成世界级铀矿矿集区。究其原因，应与盆地北部这一油气耗散的大背景有关，大规模的油气耗散作用是该矿集区铀矿超常富集的主要原因(图1)，理由是：① 从东胜铀矿矿体形态、空间分布来看，其早期应属层间氧化带型成因，为常温地下水流体作用所致，其相应矿物包裹体氢氧同位素的结果也说明了这一点(吴柏林等，2006a；Wu BoLin et al.，2007)；然目前所见控矿蚀变带为绿色化带，属还原性质，前已述及，它为后期天然气耗散还原早期氧化带的产物；是“低温耗散天然气—地下水”构成的低温混合热液作用所致。② 有关实验证实，在含铀酰溶液中，注入天然气的主要组份甲烷，以及氢气、硫化氢气体等，可导致铀矿物的快速沉淀，证明它们是铀沉淀的有效还原剂(王驹等，1995；陈祖伊等，2007)；而黄铁矿、煤屑有机质虽也能起还原作用，但只在常温下效果明显，且速度极慢，效果较差。③ 东胜铀矿形成时代表明，其成矿具有多期多阶段特征，矿体卷头、两翼等均有多期矿化叠加(夏毓亮等，2003；刘汉彬等，2007；李子颖等，2009；肖新建等，2004)。说明早期(约J3～K)是层间氧化带主体矿化形成期，后期盆地北部改造抬升(K2～E)，伊盟隆起形成，导致中部天然气大规模向北部运移耗散，一方面使早期已形成的矿体得以保存(不至于氧化流失)，即起到保矿作用；另一方面，逸散的天然气作用于前锋线一带的含铀地下水，使铀矿进一步富集叠加；终于形成现今铀超常富集的超大型矿床。可见，还原剂十分丰富的耗散天然气是其中的关键因素。④ 对东胜铀矿含矿层不同岩性砂岩、泥质粉砂岩中的有机质地球化学参数测试中，检测出了含量非常高的脂肪酸甲酯系列化合物(妥进才等，2006)；在实验室的模拟实验中，将采集的鄂尔多斯盆地中部上古生界天然气注入到含有铀酰离子的溶液中，模拟天然气在铀成矿过程中的作用， 很快出现了铀矿物沉淀，得到的主要产物为UO2；实验产物通过气相色谱测试后，发现还同时生成了甲醇(CH3OH)产物(刘池洋，2008；妥进才等，2006)。甲醇与脂肪酸作用易于形成脂肪酸甲酯系列化合物。这一实验结果很好解释了东胜铀矿含矿层中存在大量脂肪酸甲酯系列化合物的事实。为了进一步验证天然气大规模的耗散和还原作用对铀的超常富集以及形成脂肪酸甲酯的特点，在盆地西部非油气耗散铀矿区采集了系列样品，进行同样的测试，在可检测范围内发现脂肪酸甲酯系列化合物含量为零。这说明，大规模油气耗散作用对东胜铀矿除了起到保矿作用外，还存在后期铀的叠加富集，从而形成超大型矿床。⑤ 近年在与东胜铀矿一样具有大规模油气耗散背景的伊盟隆起上相继又发现了杭锦旗铀矿，初步研究表明，其矿体形态及分布、控矿特征、成矿时代、矿床地质等诸特征均与东胜铀矿类似。这些事实进一步证明了大规模油气耗散对铀矿超常富集及保存的重要作用。

砂岩铀矿的成矿及富集，最重要的沉淀还原剂有黄铁矿等金属硫化物以及有机质(煤屑)、另外可能还有气体组分H2、CH4, H2S,CO等。但目前的热力学及实验研究均认为，气体还原剂是最有效的还原剂(几乎任何温度下均可将铀沉淀富集，另外反应速度快)。如以下各反应所示(赵凤民等，1986；王驹等，1995；蔡义各，2008)：

(1)

UO22++H2=UO2+2H+

(2)

4UO22++CH4+3H2O=HCO-+4UO2+9H+

(3)

UO22++2CO+H2+H2O=UO2+C+ HCO-+3H+

(4)

4UO22++H2S+10OH-=4UO2+SO42-+6H2O

(5)

上述5个反应方程式在不同温度下的自由能变化(ΔGT0，KJ/mol)如下：

温度(℃)反应(1)反应(2)反应(3)反应(4)反应(5) 127-7.444-95.874-153.732-l77.769-1001.670 227+1.954-109.723-198.119-144.160-1291.755 327+105.931-107.927-194.744-83.730-1582.090

因而，天然气中的主要组份CH4,以及H2、H2S、CO等在铀成矿中起到重要作用。有效还原剂越丰富，自然铀的富集量越大。而鄂尔多斯盆地北部存在大规模的油气耗散作用，对在北部的伊盟隆起一带形成大规模的铀矿化是十分有利的环境条件。

3 相关实验研究进展

油气耗散作用成岩蚀变及成矿效应，近年不仅在野外地质研究中被证实，而且在室内模拟实验中也已初步证明是客观存在的。目前的主要工作进展和认识有如下几方面。

3.1 气体组分、煤屑有机质等还原铀的实验

天然气中最主要的组分是甲烷等轻烃类气体，另外有的含较多CO2及少量的H2S、CO、H2等。前人曾对上述气体还原铀的性质进行过实验，结果表明，H2、CH4、 H2S、CO等气体是铀还原沉淀非常有效的还原剂，生成产物主要为UO2；然而黄铁矿等金属硫化物以及有机质(煤屑、微生物等)的还原效应则较为有限(王驹等，1995；权志高等，2002；杨殿忠等，2004；乔海明等，2006；蔡义各，2008；张景廉，2005；刘正义等，2008)。后继实验更进一步证明CH4、H2S 对含铀溶液中的Mo、Se、Re等砂岩铀矿中常见的伴生元素也具有很好的还原富集作用(刘正义等，2008)。

通过采集东胜铀矿容矿层中的有机质(煤屑)、上古生界天然气、中生界石油等样品，分别模拟铀还原沉淀的实验，结果表明，煤屑有机质除了具有吸咐作用外，还主要通过其中的腐殖酸与铀的络合及配位作用导致铀的迁移及沉淀；在低温条件下天然气(主要组分是甲烷)还原铀酰离子溶液得到的产物主要为UO2。石油馏分与铀酰离子溶液反应产物为混合价态的U3O8、U4O9和U3O7等(蔡义各，2008； 孙庆津等，2007；张维海等，2006； 杨殿忠等，2004；向伟东等，2000)。上述结果表明，油气在铀的富集成矿中作为还原剂起到重要的作用。

3.2 天然气还原氧化砂岩的模拟实验

3.2.1 概述

由于东胜铀矿具有典型的油气耗散作用成因，形成所谓砂岩绿色化带控矿的特点，而这是由于耗散天然气对早期氧化砂岩的还原作用所致。因此本项研究的实验中采集了矿区容矿层氧化砂岩、上古生界天然气等样品进行模拟实验(图2，图3)。不仅考察天然气对铀溶液，同时观察对氧化砂岩的还原蚀变影响。通过野外研究已获取了该区有关的物理化学环境参数，如流体组分、温度、压力等(吴柏林等，2007)；因此，在实验室可在一定程度上模拟自然界条件来重现这些自然形成的地质现象或过程。

图2 实验用的天然气样品：盆地中部上古生界气田，台3井，层位为山西组山2段Fig. 2 The gas sample for experiment collected from the gas field of the Upper Paleozoic in the central basin, Tai-3 well, the Shan-2 Member of the Shanxi Formation

3.2.2 实验过程

分两种类型样品和不同实验条件共三组实验情况来进行：样品均是来自于研究区直罗组，二类样品中一为氧化岩石(红色砂岩)，另一为原生灰色岩石(图3)，根据研究区地层地下水的实际情况配制水溶液(表1)，① 配制不富铀(据包裹体成分和现代地下水成分综合考虑，其浓度为U≤ μg/L)酸性的水溶液混合在氧化岩石中；② 配制不富铀碱性的水溶液混合在氧化岩石中；③ 配制富U(根据野外情况拟配制U≥50μg/L浓度)的水溶液混合在灰色岩石中，溶液为中性。实验在水热反应斧中进行；在天然气钢瓶中分别对这三组“水—岩”混合样品注入天然气，并有排出装置(整个实验装置示意图见图4)。观察在一定的时间之后可能出现的情况，包括作用前后样品颜色，常量、微量元素含量、砂岩粘土含量及类型、主要地球化学参数( U、Th、orgC、∑S )特征的对比等。

3.2.3 实验条件

(1)温度和压力：温度为80～100℃(据包裹体测温数据分布的主要区间)；压力为常压。

表1 东胜地区砂岩烃类蚀变实验研究中样品的水溶液成分配制Table 1 The aqoeous solution composition for the experiment of hydrocarbon alteration sandstone in Dongsheng area

图3实验用样品：均采自东胜矿床直罗组DWW27 ：浅灰色疏松中砂岩，ZKA 111-40 ；DWW50 ：紫红色砂岩，ZKB 4-56Fig. 3 The all sample for experiment collect from Zhiluo Formation in Dongsheng uranium deposits.DWW27:Light gray lossen sandstones, ZKA 111-4；DWW50: Purple-red sandstones, ZKB 4-56

(2)岩石样品：有直罗组红色氧化及原生灰色的正常样品(图3)；其实验前的矿物和岩石地球化学特征见表2。

(3)天然气样品：采自盆地中部上古生界气田台3井，层位为山西组山2段；每罐20 L，5.0 MPa(图2)。其成分经测试主要为甲烷(CH4)，占(V/V)95.248‰，另有少量CO2占2.192‰，N2占0.048‰，H2占0.014‰等。

(4)酸碱度条件：分三组，中性：原生灰色未蚀变的正常样品；红色氧化样品分酸性和碱性两种情况。

(5)水溶液成分配制：据包裹体及现代地下水成分资料综合配制；实验前溶液的离子浓度配制见表1。

3.2.4 实验结果

经三个月反应后，在常温下，发现天然气(主要组分为甲烷)作用于灰色含铀砂岩的该组溶液出现了颜色为黄色的沉淀，而其它两组中，其中在碱性溶液中的砂岩颜色变浅，而酸性溶液中的砂岩颜色变化不明显。经对反应前后样品的矿物组分及粘土含量、铀钍含量、溶液组分的变化测试对比(表2)，可以认为：

图4 实验装置示意图Fig. 4 The schematic diagram of experimental device

(1)天然气作用于含铀溶液后，出现的黄色沉淀为铀的沉淀物；生成物砂岩中明显变为黄色，其Th/U值大幅降低(表2)，证明岩石中铀的含量确实大大增加。

(2)在天然气作用后的砂岩矿物成分的检测中(表2)，主要造岩矿物变化不大，粘土矿物仍以蒙脱石为主，但却普遍检测出了蛭石矿物的出现，这说明天然气作用于砂岩，是可能造成粘土矿物的变化和转化的。且蛭石有可能是粘土矿物转化的过渡产物，如果组份合适或时间足够长，蛭石有可能继续演化为绿泥石或蒙脱石等。

(3) 实验后样品的Fe3+/Fe2+发生了明显的变化，如实验前氧化样品DWW50之Fe3+/Fe2+为2.35，实验后酸性溶液此组变为4.78，碱性溶液组变为4.23，原因是Fe3+转化为Fe2+后大量迁移至溶液中损失；这说明，在天然气作用下，环境变为还原条件，氧化砂岩已经向还原性组份的方向在变化。而原生灰色岩石此项指标变化不大。

(4)本实验中未能出现预期的明显的白色和绿色化现象，原因可能有三，一是实验时间太短，漂白和绿色化可能是长时间地质作用的产物；而实验模拟难于完全重演地质历史；二是有热液加温的叠加作用，正如前面分析所述，但本实验未能加以考虑此一因素；三是漂白和绿色化的重要特点是粘土矿物发生变化，粘土矿物的转化是一个渐变的过程，需要时间和环境的长时间演化。本项实验中检测出样品反应后出现的蛭石矿物也许就是这个过渡的中间产物。因为，蛭石为含铁镁钙等的铝硅酸盐矿物，蒙脱石为含钠的铝硅酸盐矿物，绿泥石为含铁镁等的铝硅酸盐矿物，高岭石为铝硅酸盐矿物；随着时间和环境的进一步演化，蛭石可能脱铁镁或钠类质同象置换钙，于是高岭石或绿泥石或蒙脱石等就有可能生成。应该说，本项实验中发现样品反应后出现较多的蛭石矿物这一现象是一个重要的发现。从一个侧面证明了天然气作用于砂岩在一定条件下可以导致粘土矿物类型的转变。这对于下一步加强该项实验工作具有重要的启发意义。

4 工作展望

油气耗散及成岩蚀变和成矿效应学科方向是沉积盆地多种能源研究的最重要内容之一。目前的研究地区主要局限于鄂尔多斯盆地，相关内容刚刚起步，然其研究意义却十分重大。它属于油气地质学与其它学科如地球化学和矿床学等之间的一个交叉学科。研究内容为多种能源与盆地成藏(矿)系统范畴，代表能源地质学的一个发展方向。目前及今后的研究应主要瞄准以下关键问题进行：

表2 实验样品反应前后有关地质地球化学参数的变化Table 2 The geological and geochemical parameters change of the experimental samples before and after reaction

(1)油气耗散的方向和规模: 这是该领域的一个基础性问题。只有确定油气运移耗散的方向和规模，才能进一步明确找矿方向，指导油气耗散形成的次生油气藏的勘探及潜力评价。该项研究难度颇大，主要体现在下面二个方面，一是耗散规模的精确确定，尚没有较好的方法；二是耗散的方向，其确定需要测定相关油气包裹体的捕获压力，目前的测试技术可能存在一定的精度问题。由于上述原因，对油气耗散研究较为薄弱，探索性强，是迄今国内外尚无重要进展的国际性研究难题。

(2)油气耗散成岩成矿效应的内在联系与形成过程的地球化学机理： 油气耗散作用及其成岩蚀变和成矿效应实质是“水—岩”地质作用问题，是“耗散油或气+地下水+其它可能的流体”与固态岩石在一定条件下相互作用的结果。在这个过程中，岩石学标志是什么？地球化学机理是什么？有迹象表明，作用过程中有关微量元素及碳、氢、氧、硫、硅稳定同位素的示踪有助于揭示这个过程的化学机理(张景廉，2005；吴柏林，2006a，2006b，2007；妥进才等，2006；蔡义各，2008；刘正义，2007，2008；胡亮等，2009；朱西养等，2004；Wu Bolin et al.，2009a，2009b)。然其中的规律及系统的微量元素和同位素的示踪判别仍需进一步进行探索。

(3)“烃源岩—铀等重金属无机元素”相互作用效应及机理问题： U、Mo、V、Mn、Cr等重金属无机元素对烃源岩生烃可能具有催化作用或积极的影响(刘池洋等，2013；毛光周等，2012a，2012b)。鄂尔多斯盆地长七烃源岩以富铀为特征(张文正等，2008)。我国西北许多盆地的地层既是烃源岩同时又是产铀层位，如柴达木盆地侏罗系同是J、E油藏的烃源岩，同时又是柴北缘砂岩铀矿的赋矿层位，也是赋煤层位。“油—铀—煤同存共荣”现象客观存在，但其间相互关系、彼此影响所知甚少。研究和认识这个问题，将对解释有些盆地油气资源超常丰富的内在原因及对油气资源进行正确的评价提供科学依据。

(4)油气耗散作用与多种能源协同勘探： 由于油气耗散作用产生相应的成矿效应，形成沉积盆地多能源及相关多资源矿产同存共荣的局面。因此，依据油气耗散作用特征与规律，开展多种能源整体研究、综合评价、协同勘探等具有重要的实际意义。如何依据相关资源的内在联系和时空分布规律进行勘探部署，同时管理上突破现行行业分工及各行其是的体制，是其中研究的重要内容。