东胜铀矿床直罗组天然气显示与铀矿化关系初探

李有民　陈宏斌

摘要：东胜铀矿床直罗组岩石中的自由气体、紫外荧光、酸解吸附烃研究表明，直罗组绿色岩石中存在明显的天然气显示，尤其是绿色砂岩顶板处的绿色粉砂岩、泥岩中烃含量最高。烃主要由气态烃和轻质油组成，湿气含量较高，可能来自下古生界煤系地层。铀矿化受绿色蚀变岩石带与灰色岩石接触带的控制，铀矿石形成在强还原环境下，4价铀含量较高，铀矿物以铀石、钛铀矿为主，并含有大量富含气态烃的重烃包裹体。另外铀成矿时间与上古生界大规模生排烃时间基本相同，因此东胜铀矿床成因可能同天然气的还原作用有关。

关键词：东胜铀矿床；自由气体；天然气显示；紫外荧光；绿色蚀变岩石

东胜铀矿床是我国一个大型的砂岩型铀矿基地。该铀矿床主要产于中侏罗统直罗组下岩性段的灰色、灰绿色砂岩中，与典型层间氧化带型砂岩铀矿化受黄色氧化带与灰色还原带的接触带（即氧化——还原过渡带）控制不同，而是受绿色蚀变岩石带与灰色岩石带的控制，是一种新的铀矿床类型。对于这种类型铀矿的成因多数学者认为铀矿化直接或间接与油气有关，本文主要从直罗组天然气显示与铀矿化的空间关系对此问题进行探讨。

1. 区域地质概况

东胜铀矿床位于鄂尔多斯盆地东北部，平均海拔1400m左右，处于盆内地势最高处。大地构造处于中朝板块西部块鄂尔多斯断块，二级构造单元划分属于伊——陕单斜区中的东胜——靖边单斜带（王双明），相当于石油系统划分的伊盟隆起带（图1）。元古界结晶岩和古生界灰岩、陆相碎屑岩构成盆地双重基底，盖层主要由中新生代陆相碎屑岩组成。矿区构造活动较弱，矿区南部有一条近东西、北东向横穿伊金霍洛旗的基底断裂，大部分地区为地层向西南倾斜、倾角1～3°的单斜层，断裂、褶皱不发育，仅在沿泊尔江海子——东胜一线分布近东西向的古隆起，在隆起两侧的中新生代地层均有不同程度的加厚，具备较为有利的油气储藏构造。

区内中新生代地层由老往新依次为三叠系、侏罗系、早白垩系、新生代上新统及第四系，其间缺失侏罗系上统、晚白垩系和老第三系。其中区内钻孔主要揭露地层为下侏罗统延安组、中侏罗统直罗组、下白垩统伊金霍洛组。

延安组，区内广泛发育，为含煤岩系。岩性为灰、浅灰色粉砂、粉砂质泥岩夹中粒砂岩，赋存多层可采煤层。由北向南岩层增厚，粒度变细，煤层增多、变厚。

Ⅰ中朝大陆板块；Ⅰ1鄂尔多斯断块，其中Ⅰ11西原褶皱冲断带；Ⅰ12天环拗陷；Ⅰ13伊陕单斜区；Ⅰ13-1东胜—靖边单斜；Ⅰ13-2延安单斜；Ⅰ14渭北断隆区；Ⅰ15河东断褶带；Ⅰ16乌拉山—呼和浩特断陷；Ⅰ17汾渭断陷；Ⅰ2阿拉善断块；Ⅰ3阴山断块；Ⅰ4山西断块；Ⅰ5豫皖断块；Ⅱ兴蒙褶皱带；Ⅲ秦祁褶皱带；①阴山断裂；②河套盆地南界断裂；③正谊关偏关断裂；④青铜峡石家庄断裂；⑤大河—华池断裂；⑥固阳—富县断裂；⑦青铜峡固原断裂；⑧临汾—潼关断裂；⑨离石断裂。

直罗组，主要分布在哈什拉川、神山沟、黄铁棉兔沟等地，是区内主含矿层位，与下覆延安组为连续沉积，根据岩性特征可将直罗组划分为上、下两个岩性段，上岩性段主要为紫红色泥质粉砂岩，泥岩夹兰色砂质团块；下岩性段又可分为上下两个亚段：上亚段主要为绿色、灰绿色、兰绿色中细粒砂岩、粉砂岩、泥岩组合，下亚段主要为灰色含有机质和黄铁矿的中粒砂岩，铀矿化主要位于上亚段与下亚段的过渡部位的灰绿色、灰色砂岩中。

伊金霍洛组：在研究区大部分地段发育，由北向南厚度明显增大，岩性均为紫红色——砖红色的砾岩、砂岩及砂岩夹泥岩，由下往上碎屑粒度逐渐变细，泥质成分增多，中段见大型交错层理。通过对砾石方向测定和泥质含量判定，当时沉积物源方向应为由东向西。

2. 东胜铀矿床直罗组天然气显示

前人在鄂尔多斯盆地东北部地区进行过大量石油地质方面的研究工作，并取得了许多新的研究成果。研究表明该地区主要烃源层是上古生界海陆交互相煤层和暗色泥岩层，属典型腐植型母岩类型。岩层中有机质镜质体反射率为0.6%～1.7%，属气煤、肥煤、焦煤和瘦煤煤阶，多数地区有机质热演化程度达到中等成熟度，以生成重烃天然气和少量轻质油为主。一般认为该区母岩层从早侏罗世就已开始生烃，在燕山运动晚期达到生排烃高峰。烃类物质主要由西南向北东方向运移即向伊盟隆起带方向运移。笔者在东胜铀矿床后生蚀变研究中，在直罗组岩层中发现有天然气显示，尤其是在绿色岩石中较为明显。

2.1 自由气体

2.1.1样品采集方法

自由气体是游离附存于岩石孔隙中的气体，同石油系统通常所指的罐顶气概念相同。样品的采集是在钻探岩心取出15分钟内，采取10cm长完整岩心柱，快速除去泥浆等杂质后迅速放入盛有饱和NaCL盐水的搪瓷容器中密封保存，样品在半个月内进行分析测试。

2.1.2自由气体组成

在矿区内ZKA3-1（观）钻孔直罗组下岩性段绿色中细粒砂岩中，分别采集3个自由气体样进行烃类气体分析（见表1）。烃类气体含量较高，其主要成分为甲烷16.067%～32.921%；乙烷0.023%～0.067%；丙烷8.698%～15.718%，以甲烷和丙烷为主，计算出烃类气体的湿气含量C2+为8.72%～15.79%，烃类气体类型属于湿气。

由于本地地区的主要烃源层属典型腐植型母岩层，按照煤层气中湿气含量与煤镜质体反射率R°演化关系（图2、图3），可以看出，东胜铀矿床直罗组地层自由气体中湿气含量的投影点位于北美地区镜质体反射率R°为0.55%～1.5%的煤层气范围或者中国东部地区镜质体反射率R°为0.8%～1.7%的煤层气范围，也就是说矿床中自由气体中烃类气体可能来自镜质体反射率R°为0.6%～1.7%范围的煤层或与之对应的腐植型烃源层中，即热演化程度相当于气煤——焦煤煤阶的煤层或煤系有机质。这与区内上古生界烃源层中有机质热演化程度相同（镜质体反率R°0.55%～1.7%），以油气兼生和生成湿气为主。并非来自延安组以生物降解作用生成CH4、CO2为主的褐煤（R°<0.5%）。另外在该地区上古生界地下水中溶解的烃类气体湿气含量较高达（35%）以及在三叠系岩石中次生油气包裹体以重烃天然气包裹体为主，认为烃主要来自上古生界烃源层。

2.2 紫外荧光和酸解吸附烃

东胜矿床直罗组不同岩石的紫外荧光强度和酸解吸附烃含量统计结果（表2），从中可以看出，绿色岩石各激发波长的荧光强度最高，峰值最高达809.13；灰绿色岩石次之；紫红色岩石和蓝绿色岩石荧光强度最低。因而绿色岩石中所含的烃物质较高，灰绿色、灰色岩石次之，紫红色、蓝绿色岩石较低。不同激发波长下，岩石的荧光强度变化规律相似（图4），均在320nm～360nm波长处出现峰值，其中以320nm波长处峰值最高。对比不同石油类型的荧光波谱特征，岩石的荧光特征同轻质油、天然气的荧光特征相似，该地区烃类物质主要为气态烃和轻质油。

酸解吸附烃是地面土壤油气化探的主要方法之一，对土壤的时代和类型要求较为严格，同一地区不同时代和类型土壤的含量变化较大。由于岩石组成要比土壤更加复杂，其中的粘土矿物成分及含量、碎屑颗粒的大小、孔隙类型和大小以及碎样分析粒度差别较大，同一地区不同岩石中的酸解吸附烃含量变化较大，仅应用岩石中酸解吸附烃总量来确定地层中油气含量很难对地层做出客观的评价。从表3可以看出矿床中荧光强度高的绿色岩石的酸解烃含量较高，而荧光强度不高的灰绿色、灰色和蓝绿色岩石中的酸解烃含量较高，这可能与灰绿色、蓝绿色、灰色岩石以砂岩为主粘土含量较低，而绿色岩石中粘土含量较高造成。因此参照自由气体分析方法以湿气的含量与总烃含量比值作为参数（C2+/总烃），可以看出绿色岩石中的（C2+/总烃）含量最高达45.2%，而灰色、蓝绿色岩石次之，紫红色和灰绿色岩石最低，同紫外荧光的分析结果基本相同。垂向上（C2+/总烃）变化规律同紫外荧光强度的变化规律基本相同，峰值出现在绿色岩石中（图5）。

紫外荧光及酸借烃垂向含量折线图

综上所述，东胜铀矿床中绿色岩石中储集有较高的上古生界天然气，灰色岩石次之，紫红色岩石最低，因而天然气的还原作用可能是形成绿色蚀变岩石的主要原因之一。

3. 铀矿化与天然气的关系

3.1 绿色蚀变带控制铀矿体的空间展布

区内铀矿化主分布于绿色蚀变岩石与灰色岩石接触带的灰绿色、灰色砂岩中，矿体多呈板状、透镜状、少数为复杂卷状[1]（图6）。分布在绿色蚀变岩石与灰色砂岩接触部位的铀矿体约占矿体总数的80%，即80%的铀矿体受绿色——灰色单一界面控制。

1. 砂岩；2. 砂岩；3. 泥岩、粉砂岩；4. 煤；5. 铀矿化；6. 岩石颜色；7. 绿色蚀变与灰色岩石界线；8. 紫红色蚀变带与绿色蚀变带界线。

3.2 铀的赋存形式及铀矿石中油气包裹体

矿石中铀以吸附状铀和铀矿物形式赋存，其中吸附状铀主要被矿石中粘土矿物、粉末状黄铁矿、炭化植物碎屑以及Ti、Fe氧化物所吸附。铀矿物为铀石、钛铀矿等，常与黄铁矿、锐钛矿等共生或伴生⑥。

矿石中的铀价态分析结果（表4）表明，矿床铀矿石中铀主要以4价铀形式存在，4价铀含量一般大于92%，较吐哈盆地和伊犁盆地铀矿石中50%—80%比例高，反映出铀可能是在一种较强还原环境中形成。另外，在铀矿石中发现有大量次生油气包裹体，蓝光激发下发浅蓝色荧光属富含天然气的重烃包裹体[4]。

东胜铀矿床不同部位的铀矿石，全岩U—Pb同位素等时线年龄结果显示，该铀矿床有4个成矿时段，分别为149Ma；120Ma；70Ma～85Ma；8Ma～20Ma，其中以70Ma～85Ma占多数[2][5]，即铀矿化主要形成于燕山运动晚期与区内上古生界生油岩的大规模生排烃时间相吻合。

4. 结论

（1）东胜铀矿床直罗组地层存在天然气显示，尤其是在绿色、灰绿色岩石中的天然气含量明显高于紫红色岩石和蓝绿色岩石。

（2）自由气体研究表明，直罗组岩石所含的烃类气体类型为湿气，湿气含量8.72%～15.79%，与有机质镜质体反射率为0.6%～1.7%的煤层气相同，烃类气体可能来自上古生界有机质镜质体反射率为0.5%～1.75%的煤系地层。

（3）紫外荧光和酸解吸附烃研究发现，直罗组绿色岩石的荧光强度高于紫红色岩石和灰色岩石，尤其是绿色砂岩顶板处的绿色粉砂岩、泥岩强度最高，说明该处含有较高的油气物质，荧光频谱特征反映油气为轻质油或气态烃，酸解烃研究也得出同样的结果。

（4）铀矿化主要受绿色蚀变岩石带与灰色岩石带接触界面的控制，矿体呈板状、透镜状、不规则卷状，近少数铀矿化分布于绿色砂岩中。

（5）铀以吸附状铀和铀矿物两种形式赋存，其中铀矿物主要为铀石、钛铀矿，铀矿石中.4价铀含量较高，常大于92%，反映出较强还原条件的铀成矿环境。另外在铀矿石发现大量富含天然气的重烃次生包裹体，说明铀与天然气有关。铀成矿年龄主要在70Ma～85Ma之间，同区内上古生界烃源层的大规模生排烃时间基本一致。

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