中国北方砂岩型铀矿中铀的储集空间类型探讨

2013-11-02陈路路聂逢君严兆彬殷栋法杨冰彬李晓东李剑琦

沉积与特提斯地质 2013年4期

陈路路，聂逢君，严兆彬，殷栋法，杨冰彬，李晓东，李剑琦，刘杰

(1.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室培育基地，江西南昌 330013;2.核工业270研究所，江西南昌 330000;3.湖南核工业地质调查院，湖南长沙 410000;4.甘肃省地矿局第二地质矿产勘察院，甘肃兰州 730020)

自20世纪50年代开始，美国等国家开始致力于砂岩型铀矿的研究及勘探。到了80年代，由于国际铀价低迷，铀矿开发遭受重创。我国对砂岩型铀矿的研究起始于90年代，虽然起步较晚，但由于国际铀矿价格回暖和对国外先进勘查及开采技术的引进和发展，为中国砂岩型铀矿的研究工作带来了新的机遇。

中国的砂岩型铀矿大多分布在北方的中、新生代沉积盆地里，且这些盆地多为煤-铀沉积建造、油气-铀沉积建造或煤-油-铀沉积建造。近年来，国内外学者对伊犁盆地、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地、二连盆地、松辽盆地5个砂岩型铀矿基地目的层的沉积体系和成矿模式做了大量的分析，并从岩石学和铀赋存的角度提出铀储层的概念。铀储层即是砂岩型铀矿的储集层，焦养泉等(2007)认为铀储层是砂岩型铀矿地质学的新概念，储层中的孔隙不仅能提供铀成矿流体的运移通道，还能为铀成矿提供储存空间［1］。由于国内对铀储层研究较少，且多是从宏观角度分析其孔隙度及物性特征，或者是仅对铀矿物赋存共生关系进行研究，没有系统地对铀矿物的赋存空间类型进行划分和总结。因此，对于铀储层的储集空间类型的研究具有重要的意义。

1 砂岩铀储层的空间类型划分

铀储层是一个新概念。焦养泉等(2006)从沉积学角度对吐哈盆地和鄂尔多斯盆地的铀储层进了全面的阐述，认为砂岩型铀矿的成矿作用实质上是在铀储层的多孔介质中完成的，并定性、定量地阐述了铀储层孔隙结构的复杂性和规律性［2］，认为铀储层孔隙类型微观上分为4种，分别是原生粒间孔、残余粒间孔、粒内溶孔和微裂缝。李思田等(1991)对鄂尔多斯盆地砂岩的孔隙结构及成岩作用进行了阐述，认为孔隙类型可划分为5种类型，分别是粒间孔隙、残留粒间孔隙、溶蚀孔隙、胶结物晶间孔隙和裂缝孔隙，其中溶蚀孔隙又包括溶孔、铸模孔、颗粒内溶孔和胶结物内溶孔等［3］。因为中国北方盆地大多为含油气-铀沉积建造，研究者常根据油气储层进行孔隙类型划分，将孔隙类型划分为原生粒间孔、缩小粒间孔、溶蚀扩大粒间孔、颗粒溶孔、粘土矿物晶间微孔、胶结物溶孔、微裂缝等。杨威等、唐海发等(2006)也对油气储层的孔隙结构类型做了相似的划分［4，5］。

本文综合上述分类，并结合前人对各盆地砂岩型铀矿中铀矿物赋存关系的研究结果，对铀储层的储集空间类型进行了新的划分。笔者认为铀储层的储集空间主要包括原生孔隙(主要是炭屑)、缩小(残留)粒间孔隙、次生溶蚀孔隙、晶间孔隙及微裂缝，在这里把炭屑看作成可内部充填的颗粒。下面将分别详述几种孔隙类型特征及与铀矿物赋存的关系。

2 原生孔隙

原生孔隙包括原生粒间孔和原生粒内孔。原生粒间孔隙通常指在成岩前期由于压实作用和胶结作用而形成的粒间孔隙，与后期的溶蚀蚀变无关［2］，其镜下铸体薄片多呈三角形或多边形。在成岩后生阶段，由于复杂的地质作用，岩石的原生粒间孔隙多已损失殆尽了。原生粒内孔主要是成岩作用期的颗粒内部存在的孔隙，在这里主要是指植物炭屑。

人们对于有机质与铀成矿关系的研究由来已久。李盛富等(2004)认为有机质还原沉淀铀的过程是一个复杂的物理化学过程，包括对铀的还原、吸附等作用［8］。一般认为有机质主要与SO42-反应生成重要还原剂H2S，参与铀的沉淀过程。而吸附作用主要表现在有机质深埋过程中产生腐植酸，与UO22+络合形成铀酰有机络合物。

松辽盆地宝龙山地区含矿砂岩B03-2和B05-1的背散射电子图像中显示铀矿物产于炭屑条带中(图1A、1B)。在图1A中发现有黄铁矿交代炭屑，且黄铁矿与铀矿物赋存共生于炭屑的内部或边缘。徐喆(2011)认为黄铁矿还原铀矿物，炭屑的存在为黄铁矿的形成发挥了作用［9］。

3 缩小粒间孔隙

缩小粒间孔隙也叫残留粒间孔隙，指原生粒间孔隙由于自生矿物(如自生高岭石、石英、方解石)占据了孔隙的一部分空间，使孔隙缩小后剩余的孔隙空间［7］。经填隙物局部改造后，粒间孔隙形状不规则且大小不一。一般在砂岩储层中，缩小粒间孔隙是铀矿物最主要的孔隙类型之一，占孔隙总数的20% ～30%，大小约在20～90μm之间变化。

在缩小粒间孔隙中的铀矿物又有多种共生关系和赋存空间，如绕黄铁矿紧密共生、与碳酸盐类胶结物共生或被粘土矿物吸附在表面等。在松辽盆地南部宝龙山地区采取的姚家组含矿砂体B06-1样品中，背散射图像显示在灰色细砂岩中发育大量莓状黄铁矿，其存在于碎屑颗粒的粒间孔隙中，铀矿物(主要是铀石)围绕莓状黄铁矿紧密共生，呈团块状聚集，周围被碳酸盐矿物胶结(图1C)。样品B15-1背散射电子图像显示灰色细砂岩中铀矿物(沥青铀矿)呈粒状或微脉状赋存于碎屑颗粒与铁白云石胶结物中。

4 次生溶蚀孔隙

次生溶蚀孔隙指在酸性或碱性条件下导致不稳定碎屑颗粒内部和粒间孔隙中的某些易溶组分被部分溶蚀后所形成的孔隙空间。这类孔隙的大小变化很大，个别长石或岩屑颗粒大部或完全被溶蚀掉成为特大孔隙，可达200μm。次生孔隙的成因是成岩后生阶段在CO2及水(包括大气渗水和反应水)或有机酸作用下因岩石组分发生溶解而形成的，中期多为溶蚀孔隙，后期多为裂缝［11，12］。

在致密低渗透砂岩储层中溶蚀作用比较重要。刘志武等(2008)认为若伴有次生孔隙、储集物性其渗透率可得到极大改观。溶蚀作用不仅能在储层中产生空隙，还能沟通相邻的孔隙，它是含铀流体主要的运移通道和存储空间［4］。

根据次生溶蚀孔隙的成因及对北方各盆地目的层的铀矿物赋存共生关系的研究，认为次生溶蚀孔隙又可分为粒间溶孔、颗粒(长石、岩屑等)内溶孔、胶结物内溶孔等。

一般认为次生溶蚀粒间孔隙是在缩小粒间孔隙和原生粒间孔隙的基础上溶蚀扩大空间，并沟通附近孔隙。宝龙山地区灰色含矿细砂岩B05-1和B03-3样品的背散射电子图像显示，铀矿物和黄铁矿在孔隙中整体上呈巨脉状赋存共生，溶蚀作用扩大并连通了附近孔隙中的铀矿物组合，具后期热液成因的特点(图1E、F)。

图1 含矿砂岩中赋存铀的孔隙类型及特征背散射电子图象Fig.1 The backscattered electron images showing uranium occurrence and pore types in the uranium-bearing sandstone samples

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粒内溶孔在含矿砂岩中比较常见。不稳定组分如长石岩屑及部分石英在pH＞9.8时，会出现SiO2的溶解［12］。在二连盆地2081铀矿化地区B399-101钻井中发现铀钍石与黄铁矿共生在大粒的石英空洞中，且铀钍石产于黄铁矿边缘位置(图1G)。图1H是二连盆地2082地区铀矿化砂体背散射电子图像，显示菱钙铀矿产生于钾长石或石英孔隙中［13］。宝龙山地区含矿砂岩B04-9样品的背散射电子图像显示显微粒状的铀石产于岩屑溶蚀孔隙中(1I)。在碱性水介质条件下，石英、长石等颗粒溶蚀或部分溶解形成小的空洞或颗粒边缘呈锯齿状，且长石颗粒表面多发生高岭土化或绢云母化等蚀变，蚀变后体积变小，留出空隙，且能生成的次生自生矿物具有一定数量晶间孔隙。而后期含铀流体经过因外界还原因素和孔隙结构的不均一性而流速减缓，溶蚀孔隙的存在为铀成矿提供了一种空间上的突变界面，使铀得以在此还原富集成矿。

胶结物溶孔数量一般很少，主要为铁质胶结物内溶孔(图1J)和少量碳酸盐胶结物内溶孔(图1D)。

5 晶间孔隙

指杂基和自生粘土矿物晶粒之间的孔隙，它是孔隙系统中最小的孔隙，一般在背散射电子图像中不易发现，但它的数量较多，且对孔隙连通的贡献较大。一般的晶间孔隙存在于由长石或杂基蚀变成的自生粘土矿物中，由于晶形差、个体小，排列无规则，晶间孔隙发育。而由孔隙水沉淀成的自生矿物，晶形发育好，结晶粗大，所以晶间孔隙不发育［3］。

6 微裂缝

微裂缝一般数量极少、孔隙体积有限，但其能起到连通的作用。随着埋藏深度增加，地层压力、温度的升高，成岩作用相应加强，岩石的脆性会更加明显。微裂缝与储集体往往形影相随，如长石受挤压沿双晶破裂形成连通性好的裂缝孔隙，岩石因构造挤压而产生相对明显较大的缝隙。

张虎军(2011)在研究伊犁盆地蒙其古尔铀矿床含矿砂体的背散射电子像时也发现，沥青铀矿呈显微粒状分布于岩石裂缝中(图1 K)［15］。宝龙山含矿样品B04-4的背散射图像显示，铀石与黄铁矿紧密共生，并沿岩石裂隙呈脉分布(图1L)。邢秀娟等(2006)在研究鄂尔多斯盆地店头地区铀矿物赋存关系时发现黑云母解理缝中存在铀矿化现象［16］。