黑色岩系铀－气共探可行性及勘探开发前景

徐国苍，张德华，张红建

（核工业航测遥感中心，铀资源地球物理勘查技术中心重点实验室，河北 石家庄050002）

页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，是一种清洁、高效的能源资源。近年来，随着页岩气勘探开发技术的不断突破，产量快速增长，效益日趋显著，对国际天然气市场及世界能源格局产生了重大影响，世界主要资源国都加大了对页岩气的勘探开发力度。中国页岩气资源十分丰富，据专家估算，可采资源量约为2.6×1013m3[1]，资源潜力可达1×1014m3[2]。经过近10年的工作，我国油气勘探开发在川、滇、黔、内蒙等地已取得可喜成果。油气地质理论与工程技术方面也有了突破性进展。

我国典型的海相碳硅泥岩主要形成于晚震旦世－早二叠世。在碳硅泥岩沉积建造和中生代陆相 （湖相、沼泽相、湖沼相）沉积盆地含煤碎屑沉积建造等黑色岩系中，铀－有机质含量普遍较高，铀丰度值一般为 （10～40）×10－6，最高超过100×10－6，是我国碳硅泥岩型铀矿和油气藏的主要源岩[3]。我国陆地上 “黑色含铀－气岩系”分布广泛，在滇、黔、川、桂、湘、鄂、赣、豫、陕、甘、宁、蒙、新等地均有分布 （图1）。

我们在分析对比 “页岩”和 “黑色含铀岩系”沉积建造中，铀－气存在形式、铀－气与有机质的相关性、矿 （藏）分布特征及成矿（藏）控制因素等方面情况，得出的结论是：黑色岩系中铀－气 （油）实质上是同源、同生、同储的整装共体。它们既是碳硅泥岩型铀成矿的矿源层，也是形成页岩气的烃源层，具有铀气共同开发的基本前提。

铀、气共同开发，不仅可以降低勘探开发成本，更为重要的是能大幅提高我国核能、燃气资源的潜在资源量，从而改变我国能源结构现状。因此，铀－气共探对我囯能源资源开发具有划时代意义。

1 碳硅泥岩黑色含铀岩系与页岩气同具5个典型特征

1.1 两者具有时空分布的一致性

我国黑色沉积建造形成时代跨度漫长，从晚震旦世至古近纪各个地质发展阶段皆有分布。以晚震旦世－早寒武世、志留纪、石炭－二叠纪海相碳硅泥沉积建造和中新生代含煤碎屑岩建造最为发育，在已发现的页岩气藏中，页岩气和铀与黑色沉积建造同层现象普遍存在，层控性十分明显。

我国黑色沉积建造在空间分布上，具有由南向北、由西向东呈由老变新的变化趋势。均受陆缘、陆块边缘、陆块裂谷等负向构造的控制 （图1）。

1.1.1 晚震旦世－古生代海相含有机质碳硅泥岩型含铀沉积建造

中国碳硅泥岩型铀矿大多产在晚震旦世—古生代海相黑色页岩系含铀沉积建造中，这种含铀沉积建造按其形成环境可分为 “陆缘裂谷带中的含铀建造、陆缘裂陷带中的含铀建造、陆块边缘盆地中的含铀建造、陆缘活动带中的含铀建造”4种类型[4]（表1）。赋矿主岩时代主要为元古代－古生代 （表2）。

图1 中国陆上黑色页岩系分布示意图Fig.1 Distribution map of black shale rock series in China continent

表1 海相碳硅泥岩含铀沉积建造形成环境和建造类型Table 1 Types and forming environment of marine uraniferous carbonaceous－siliceos－argillaceos formation

表2 中国碳硅泥赋矿主岩时代Table 2 Hosting rock age of carbonaceous－siliceous－pelitic uranium deposit in China

1.1.2 中－新生代产铀盆地陆相黑色沉积建造（Mz－Cz）

（1）晚二叠世－白垩纪（P2－K）盆地：发育在天山褶皱带中及其南北两侧古陆块上，包括准噶尓、吐哈、伊犁和塔里木等大中型陆相含煤碎屑沉积盆地，盆地基底为前寒武纪老地块。盆地规模大，沉积相带稳定，含煤碎屑岩系厚度大，含矿层以侏罗系含煤岩系为主，其次为白垩系。

（2）三叠－侏罗－白垩纪（T－J－K）盆地：包括发育于华北陆块前寒武纪地块之上的鄂尔多斯和扬子陆块上的四川、楚雄、思茅等大中型盆地，盆地基底为古生代陆表海沉积地层，含矿层以侏罗系－白垩系含煤岩系为主。

（3）侏罗－白垩纪（J－K）盆地：主要发育于天山、昆仑山、河西走廊一带，大体呈近东西向展布，均为中、小型山间或山前盆地。

（4）白垩－古近纪（K－E）盆地：主要发育于北部边境一带及我国东南部地区。前者为一近东西向弧形伸展的盆地带，如松辽、海拉尔、二连、巴音戈壁等盆地，皆为大、中型断陷－坳陷盆地，盆地基底以古生界为主；后者分布于我国东南部，受深断裂或大断裂控制，呈北东向展布。大多为小型地堑式盆地。

上述盆地中发现的铀矿床（化）、油－气藏的形成都与富有机质地层、含煤系地层密切相关。

1.2 含铀－气源岩岩石建造的一致性

含铀－气沉积岩石建造均为含有机质的页岩、砂岩、碳酸盐岩和硅质岩。

铀、气丰度与有机质含量呈正相关，有机质丰度高，含铀、含气亦高。因此，铀成矿区（带）与页岩气的成矿区带应一致，铀潜力资源量大的地区，也是气资源潜力大的地区。前人工作预测的碳硅泥岩型铀成矿远景区（带）和找矿靶区，均可作为页岩气勘探开发的选区依据。

1.3 成矿成藏的层控一致性

铀－页岩气成矿成藏受Pz、Mz－Cz盆地含有机质煤岩系地层控制。

铀、煤、天然气、页岩气等矿产资源存在同盆性已经成为共识，铀－页岩气与黑色岩系中富有机质烃源层密切相关，具同层共储的特点。

1.4 铀－气存在形式的类同性

有机碳为有机质丰度的基础指标之一。刘继顺对赣北、桂北上震旦统—下寒武统碳硅泥岩有机碳和铀含量分析统计结果表明，有机碳和铀含量呈明显的正相关关系[5]（图2）。Ross等人对页岩总有机碳含量与含气量关系的研究发现，页岩对气的吸附能力与页岩的总有机碳含量之间存在正相关关系[6]（图3）。苟学敏等对湘黔下古生界黑色岩系有机碳样品分析结果（表3）表明，我国南方下寒武统黑色岩系有机碳含量较高，黑色岩系中有机质主要来源于浅水台地边缘的藻类和菌类生物。郭庆银等对鄂尔多斯盆地东北缘侏罗系黑色泥岩研究结果显示，“同生－成岩介质中有机质腐酸含量约为24%～35%，极易形成有机质黏土复合物，有利于有机质对铀的吸附作用”，其中铀与有机质正相关。大量矿源岩研究结果表明，铀－气在黑色岩系中，大多呈有机质－泥质吸附和部分游离形式存在，迄今发现的常规天然气和碳硅泥岩型铀矿，大多数铀－气游离物质沿开放性（有利空间）构造裂隙迁移再聚集，而大量吸附态铀和气却仍然保存于源岩中，而成为待开发的铀－气资源。

1.5 铀－气勘探开发技术的通用性

富有机质页岩系铀－气同生共储及它们都以泥质有机质吸附和游离形式存在，因此，当前页岩气勘探开发中所使用的页岩气地质、地球物理、地球化学、钻探完井和压裂技术等方法，在页岩系铀－气整体勘探开发中基本上都是实用的。唯一的差别在于铀、气解吸和提取方式有所不同，黑色页岩中气体分子大部分以物理吸附状态存在，在压裂条件下气体分子随着温度、压力环境改变，脱离了吸附体的引力制约，由吸附相变为游离相，并以气态方式沿裂隙聚集直接形成页岩气藏；而黑色页岩系中的铀，大部分以离子吸附形式存在（酪酰离子），在压裂条件下，可以用加酸或碱的化学溶浸的解吸方式通过液态浓缩（类似于地浸法）来提取。因此，页岩气开发中的压裂技术（清水、重复、同步、多级、缝网等压裂方法），为黑色页岩铀－气共同开发奠定了基础。

图2 上震旦统—下寒武统中铀含量与有机碳含量的关系（据刘继顺，1992）Fig.2 Content correlation between uranium and organic carbon in Upper Sinian and Lower Cambrian（After LIU Jishun，1992）

图3 吸附气含量与总有机碳含量的关系（据Ross D J K，et al，2007）Fig.3 Correlation between gas content and total organic carbon（After Ross D J K，et al，2007）

表3 黑色岩系有机碳和有机硫含量Table 3 Contents of organic carbon and sulphur of the Lower Cambrian black shale series in Guizhou and Hunan

2 铀－气共勘开发前景

我国碳硅泥岩 （页岩）分布甚广，古生界海相沉积富有机质页岩分布面积约 （100～150）×104km2，中新生代页岩面积约 （60～100）×104km2，页岩气潜在资源量很大 （表4），其远景资源量期望值约为100×1012m3，是能源勘探开发的重要目标，尤其是随着页岩气勘探开发技术——水平井多级水压裂与重复压裂技术及低品位铀地浸提取技术的成熟和配套使用，无疑将进一步飙升铀、气资源工业资源量，提高资源保证度和促进能源生产结构变革，为我囯提供大量经济有效的清洁能源。

（1）由于含U （P）碳硅泥沉积建造与页岩气 （油）为同源、同生、同储的整装共体，因此，铀成矿区带即是页岩气成藏区 （带）。在页岩气勘探开发过程中，可以充分利用铀勘探开发资料及铀资源潜力评价区 （带）及远景预测资料，以加速页岩中铀、气的共同勘发进程。

（2）数十年的铀矿勘查工作，积累了大量的航磁、航放、地面物化探 （地震、电磁法）和勘探工程 （钻、槽、井、坑道）等资料，在页岩气勘探中进行二次开发利用，对深化和充实页岩气藏选区依据将起到重要作用。

表4 中国页岩气资源预测Table 4 Forecast of shale gas resource in China

（3）页岩气勘探开发技术，特别是 “水压裂技术”、“水平完孔技术”，从理论上说应适用于碳硅泥岩型铀的地浸提取，二者之间的差异，仅仅表现为气相和液相分离浓集方式。该项技术的应用，不仅能降低勘探成本，而且铀－气共勘将大幅度提升铀、气资源保证量，为推进我国能源的结构变革作出重大贡献。

3 结论与建议

从现有资料对比分析得出，黑色岩系碳硅泥岩型铀矿与页岩气在空间分布、源岩岩石建造、成矿成藏控制因素以及存在形式等方面是相同或类似的，它们是同源、同生、同储的整装共体。在勘探和开发方面，将二者有机地结合起来，实现同探同采，其方法可行、前景广阔。据此，为更好地做好该项工作，特提出如下建议：

（1）为加速全国页岩气区域大调查和重点勘查区选区工作，应该充分利用多年来我国碳硅泥型铀矿普查、勘探的成果和全国铀资源潜力评价成果，参考铀矿资源潜力评价远景区划，通过地面物化探和航磁航放解释成果，查明盆地、铀－气整装地质体的三度空间分布，优选富有机质－富铀沉积建造发育地区，开展铀－气共同勘探开发工作。

（2）铀－气共探是一项涉及多学科 （地、物、化）、多部门的新课题，在国土资源部统一协调下，科研院校等部门需要通力合作，明确分工，攻克难关，才能取得突破性的进展。

（3）中核集团地矿事业部应积极参与多部门协作，开展我国铀－气资源评价选区工作，按照优选程度制定规划，首选铀－气共勘试验区，先试验再普及分阶段逐步推进。

（4）晚古生代 （C－P）海相沉积盆地和中生代 （T－J－K）陆相含煤沉积盆地中，铀、油、气、煤多种能源矿产同盆共存，在我国秦岭—昆仑一线以北地区普遍存在 （图4），因此，在油气煤勘探开发过程中应兼顾页岩气和低品位铀的勘发。

（5）加速铀－气共勘技术引进、开发、创新。加强压裂地浸采铀法、铀－气分离技术的研究。

图4 中国北方主要盆地多种能源矿产同盆共存含矿层位对比 （据吴朝东等，1999）Fig.4 Basins and strata producing different energy and mineral resource coexisted in northern China（After WU Chaodong，et al，1999）

（6）“页岩气”勘发尚处于起步阶段，铀－气共探还处在探索之中，涉及的困难很多，如部门之间的合作协调、矿权申报、勘发资金等，都有待于囯家在政策和资金方面给予扶持。

致谢：孟祥宝、朱琳、宁媛丽等同志为本文资料收集、整理，做了大量工作，深表谢意。

[1]李延钧，刘 欢，刘家霞，等 .页岩气地质选区及资源潜力评价方法 [J].西南石油大学学报，2011，33 （2）：29－34.

[2]董大忠，邹才能，李建忠，等 .页岩气资源潜力与勘探开发前景 [J].地质通报，2011，30（2～3）：324－335.

[3]赵凤民 .中国碳硅泥岩型铀矿地质工作回顾与发展对策 [J].铀矿地质，2009，25 （2）：91－97.

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[5]刘继顺 .华南碳硅泥岩型铀矿床的地质特征分析[J].地质找矿论丛，1992，7 （1）：103－105.

[6]Ross D J K，Bustin R M.Shale gas potential of the Lower Jurassic Gordondale Member，northeastern British Colunbia，Canada [J].AAPG Bulletin，2007，55 （1）：51－75.