放射性元素在地质中的应用——以楚雄盆地为例

刘金帅，杨 飞，章学刚，周 舟，周 倩，龚伟成

(1. 长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430100； 2. 长江大学 地球物理与石油资源学院， 湖北 武汉 430100； 3. 长江大学 工程技术学院，湖北 荆州 434000)

0 前 言

由于自然界中放射性元素整体上分布无规律性，且获取相关资料成本较高，在石油地质领域中很少受到学者的重视。近年来，随着勘探目标的不断加深，研究领域的不断扩大，放射性元素得到学者广泛关注。由于铀、钍、钾三种元素含量较多，目前可以通过仪器检测到的天然放射性元素主要是这三种元素[1]。通过对沉积岩中所含的铀、钍、钾三元素进行研究,可以对地层的物质来源进行判断，可以获知地层沉积的沉积环境，可以获知地层中稀有气体和地热状态等方面的信息，而且对于寻找沉积型自然放射性元素也具有重大的参考价值[2]。

1 区域地质背景

楚雄盆地三叠纪地层位于前寒武纪基底上面，三叠纪地层岩石粒度自下而上变化规律明显，呈现出逐渐变粗的变化趋势，反映出由海相逐渐过渡到陆相的沉积环境。拉丁—卡尼期盆地处于深水沉积环境，沉积地层多以薄层状为主，岩性主要为灰色泥质粉砂岩以及粉砂质泥岩。诺利期早期由于构造作用影响，盆地发育两个沉降中心，盆地中的华坪隆起作为两个沉降中心的边界，起着重要的控制作用。在华坪隆起以西的推覆体上部，该套地层为广海陆架相的沉积地层，细碎屑岩沉积、远源浊积岩沉积为其沉积特征。华坪隆起以东为局限环境下沉积的地层，地层沉积特征以细碎屑岩沉积夹浊积岩为主。诺利期晚期则是三角洲发育期和成煤期最主要的时期。楚雄盆地中发育有大量的三角洲和煤，且发育有大规模的下超复合体，复合体由三角洲前缘砂体组成。楚雄盆地古地理格局为其分为两个带：东部带和西部带，且整体上两个带所处的位置呈对称分布，在盆地西部主要为陆相、海陆过渡相沉积地层，盆地中部主要为海相沉积地层[3]。

2 实测剖面和样品信息

2.1 实测剖面信息

实测6条剖面分别是米甸剖面1，米甸剖面2，德苴剖面，一平浪剖面1，一平浪剖面2，一平浪剖面3。其具体地理坐标如表1所示。

表1 楚雄盆地野外实测剖面统计

2.2 样品放射性元素含量

对采集到的样品的岩性和铀、钍、钾三种放射性元素含量进行了分析。岩石样品大致分为以下几类：a灰黑色泥页岩，占岩石样品比例较多；b黄绿、灰绿、灰黑色中或细砂岩，所占比例少于灰黑色泥页岩；c灰绿、灰黄、黄绿色泥页岩；d其他少数不能集中体现颜色特征的样品，将他们归并称为“其他”。通过分析和计算，可以得出他们的平均含铀量依次为：3.69、3.31、3.57、2.82，其大小关系为：a>c>b>d。

在三种放射性元素中，钾在岩石中的分布是较为广泛和均匀的，其值集中分布在3.1～3.8之间，平均为3.3。

3 放射性元素在地质中的应用

3.1 铀与有机质的关系

为更加直观说明铀与有机质的关系问题，作出U-Th/U交汇分析图(图1)。

图1 楚雄盆地野外岩石样品U-Th/U交汇分析图

从图1可以看到灰黑色泥页岩集中带的铀含量值明显高于其他三类，这与四类岩石铀含量的平均值之间的大小关系也能很好的吻合。若岩石样品呈灰黑色或暗色，其代表了一种缺氧环境下的沉积环境。图1中还可以看到绝大部分岩石样品的Th/U值在2～7之间。放射性元素钍和铀在岩石中较常见，两者一般是共同存在的，钍铀比值可以判断地层沉积环境[4]。海外专家已经研究证明，利用Th/U值可以对沉积环境作出判断，主要依靠以下判别标准：a当岩石的Th/U值小于2时，代表了海相沉积地层，沉积环境为还原环境；b当岩石的Th/U值大于7时，代表了陆相沉积地层，沉积环境为氧化环境；c当岩石的Th/U值介于2～7之间时，反映了其沉积环境为从还原环境到氧化环境的过渡阶段[5]。楚雄盆地晚三叠世地层大多数岩石样品的Th/U值在2～7之间，属于上面第三类，由此说明楚雄盆地晚三叠世地层的沉积环境为从还原环境到氧化环境的过渡阶段。放射性元素铀在外生作用过程中可氧化成铀酰离子，其在水中有很好的溶解度。在还原环境下可以从溶液中沉淀出来[6]。从图1和分析的数据中可以看出，有机质和放射性元素，特别是铀，在沉积岩中存在正相关的关系。这种关系主要取决于沉积环境中的有机质，因为水介质中的铀可以被有机质吸附，溶解度大的铀可以被水介质中的有机质还原，还原成溶解度较低的铀，可见具备丰富的有机质是使沉积环境成为还原环境的重要条件之一[7]。鉴于所取的样品并不是在垂向深度上，而是在横向剖面上取的样品，文中埋深对有机质含量的影响没有进行讨论，此外表面的风化作用也可能对结果造成干扰，但这并不影响对有机质与铀含量关系的宏观认识。有机质与自然放射性元素关系密切，两者呈正相关的关系，其中有机质丰富是因，铀富集是果。

3.2 钾与粘土矿物的关系

钾是地壳中含量较高的造岩元素之一，属典型的亲石元素[8]。钾的天然同位素有：39K、40K和41K，而其放射性同位素只有40K，也是本次研究的对象之一。钾具有易溶于水的特性，在不同类型的水中都能够检测到钾的存在。钾相比于其他元素而言其离子半径和极化率都较大，由于这两种特性的存在，粘土矿物对钾元素的吸收显得相对简单，所以在陆地上的钾含量较高，而带入海里面的钾含量仅有0.038%[9]。

3.3 钍钾比的地质意义

目前通过自然伽马能谱测井来判别粘土矿物成分，人们普遍都是用斯伦贝谢公司的粘土矿物分析图版(图2)来进行判别[10]，该图版在油气地质勘察领域中的判别效果很明显。他采用的方法是在不考虑他们单位的情况下，求取所测得钍和钾的Th/K值来对岩石的粘土矿物成分进行判别。在Th-K图版中，当Th/K值超过12时，粘土矿物主要为高岭石粘土；当Th/K值介于3.5～12之间时，粘土矿物主要为伊蒙混层；当Th/K值介于2～3.5之间时，粘土矿物主要为伊利石粘土；当Th/K比值介于1～2之间时，粘土矿物主要为云母型粘土[11]。

图2 自然伽马能谱测井定量计算粘土

根据楚雄盆地野外岩石样品的伽马能谱仪所测数据，编制岩石样品的Th-K交汇分析图(图3)。

图3 楚雄盆地野外样品Th-K交会分析图

从图上可以看到样品的含钾量在2.5%～4%之间，Th/K值集中在3.5～6之间。结合图版得出结论：楚雄盆地晚三叠世地层野外采集岩石样品的粘土矿物类型为伊利石与蒙脱石混层矿物。

4 结 论

1)楚雄盆地晚三叠世地层中含有丰富的有机质。放射性元素铀与有机质关系密切，两者呈正相关，构成因果关系，有机质丰富是因，铀富集是果。

2)放射性元素钾作为地壳中含量较高的造岩元素之一，在地层中分布较广泛和均匀，是典型的亲石性元素。

3)放射性元素钍和铀的比值可以作为评判地层沉积环境的指标之一。楚雄盆地晚三叠世地层岩石样品中钍和铀的比值在2～7之间，指示其沉积环境属于还原到氧化环境的过渡阶段。

4)放射性元素钍和钾的比值可以用来判断粘土矿物类型。楚雄盆地晚三叠世岩石样品中钍和铀的比值在3.5～6之间，判断其粘土矿物类型为伊利石与蒙脱石混层。

文中提到的放射性元素在地质中的应用具有一定的实用性和可操作性，限于样品的表层风化和仪器的精度，判断的结果可能与真实情况有所偏差，但不影响文中的定性分析。