沉积盆地有机矿产(油-气-煤)对铀成矿的作用机理及进展

吴柏林，刘池洋，杨松林，王 苗，李 琪，林周洋，张效瑞，李艳青，张婉莹，刘明义，孙国权

(1.西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069;2.辽河油田勘探开发研究院，辽宁 盘锦 124010)

油、气、煤和铀这4种当今世界上最重要的不可再生能源矿产，在各国政治、军事、经济和国家安全等方面均具有十分重要的地位和战略意义，世界各国对其勘探开发、产销、价格和去向均高度重视[1]。通过对国内外80多个盆地的调研和目前国内外的矿产勘查、开采、利用以及研究现状的分析发现，主要赋存在沉积盆地中的油、气、煤、铀同盆共存，且具有普遍性和分区性[2-6]。

油、气、煤同盆共存在沉积盆地中早已成为人们的共识，随着砂岩型铀矿在铀矿资源中地位的迅速提升，资源量目前已位列第一位, 人们又逐渐认识到油、气、煤、铀同盆共存也已是事实。据国际原子能机构数据库统计,截止2015年6月，全球已发现砂岩型铀矿床共639个,分布在109个盆地中。通过对这些盆地多种能源的调研和对比,发现其中有85个盆地中的570个砂岩型铀矿与已探明的油气田或煤田同盆共存，占产铀盆地总数的78%，占砂岩型铀矿总数的89%。世界已发现的大型—超大型砂岩型铀矿床几乎全位于这85个多能源盆地之中，铀的探明资源量约占全球砂岩型铀矿总量的90%以上[2]。上述事实说明了油、气、煤、铀联系密切，同盆共存普遍。

油、气、煤、铀多种能源同盆共存不仅普遍，且具有明显的分区性，其总体分布在北半球(北纬20°～50°),其中尤以中亚—东亚地区分布最为集中。刘池洋称之为中亚—东亚能源矿产成矿域。它东起松辽盆地,西止里海,东西连绵逾6 000 km。其中分布有数10个(特)大型油田、气田、煤田和砂岩型铀矿。其中多数盆地多种能源矿产同盆共存[3-5]。本文通过对中亚、鄂尔多斯、柴达木等多种能源共存盆地的解析，整体揭示了油、气、煤、铀多种能源同盆共存的特点与机理。

我国大陆多种能源矿产富集共存的盆地绝大多数在北方,是中亚—东亚能源矿产成矿域的组成部分。在我国北方诸多盆地及四川盆地，油气和煤资源丰富，均不同程度地发现了具有一定规模的砂岩型铀矿，已发现的大型—超大型砂岩型铀矿床均在北方能源盆地中。然而在南方，蚀源区铀源虽较为充分，但无(或贫)油气、煤的盆地，很少发现砂岩型铀矿床，即南方生铀矿床为物源区的诸多中新生代盆地，铀源丰富，但却较少发现砂岩型铀矿。这从反面佐证了各能源矿产同盆共存、富集成藏有着密切的内在联系，有机矿产(油、气、煤)对铀成矿具有重要的作用。

油、气、煤、铀多种能源矿产之间在赋存、富集和分布等方面联系密切。刘池洋等对中亚—东亚能源矿产成矿域诸盆地进行研究后认为，油、气、煤、铀空间分布复杂有序，含矿层位和地区联系密切，成藏(矿)-定位时期相同或相近，赋存环境和成藏(矿)作用有机相关，并共具丰富的矿源物质背景，显示出油、气、煤、铀多种能源矿产的成藏(矿)作用有着密切的内在联系和统一的地球动力学背景，其中蕴含着深刻的科学内涵[1-8]。中亚—东亚成矿域各主要含铀盆地和成矿区的主成矿期并不相同，其差异与所在盆地油气的成藏-定位时期和期次基本一致，并与区域大地构造演化有明显的响应关系,总体受区域地球动力学环境演变的控制。这些认识和学术思想，为能源矿产的形成和分布及其进一步勘探提供了新的理论体系和勘探思路。

沉积盆地有机矿产(油-气-煤)对铀成矿作用时，形成众多的地质和地球化学标志。如绿色蚀变、漂白现象、H-O同位素及Si同位素异常[9-14]、脂肪酸甲脂有机化合物异常[15-16]、较多年轻的铀成矿年龄[17]、煤屑有机质特征异常等[18-19]。深部烃源岩可以为浅部砂岩铀矿提供部分铀源[19-20]。铀的富集或铀矿的存在可以使烃源岩生烃量增多和液态烃生成门限温度降低，这是鄂尔多斯盆地致密油气为何如此丰富及富烃凹陷生成的重要原因之一[21-26]。

在沉积盆地中，除这4种能源矿产同盆共存，有机矿产(油-气-煤)对铀成矿具有明显的作用外。同时伴(共)生有多种其他非能源矿产，如膏盐、铝土矿、镓矿、黄铁矿、稀有元素矿、高岭石矿等。其中,有些矿产与煤及油气(层)、铀矿相伴(共)生。这些能源和非能源、金属与非金属矿产同盆共存,共同构成了矿产资源丰富、类型多样、相对独立的沉积盆地成矿系统[7-8]，是一个值得重视的新的研究领域和重要的找矿方向。

1 鄂尔多斯盆地天然气大规模耗散与北部铀的超常富集

1.1 盆地天然气与砂岩铀矿的分布特点

1.1.1 天然气的分布 鄂尔多斯盆地天然气资源丰富，资源量估计十多万亿方，探明率可能不足50%，资源潜力巨大，已发现十多个气田[27-28]。

各气田平面上主要分布在盆地北部和中部，南部近年来亦发现部分气藏。具体集中在苏里格、靖边、榆林-子洲和盆地东部。规模较大的几个气田为苏里格气田、乌审旗气田、靖边气田、大牛地气田、子洲气田、榆林气田、神木气田、米脂气田等，其中前6个储量大于1 000×108m3，苏里格气田为我国第一大气田。

鄂尔多斯盆地纵向层位上发育18个气层组，以古生界为主。上古生界集中在二叠系石盒子组和山西组，下古生界气藏主要来自奥陶系马家沟组，上述三组占总资源量的80%以上，其余气藏多赋存于本溪组、太原组和石千峰组。除靖边气田主产层为马家沟组外，盆内气田产层主要集中在上古生界，西缘部分井位亦在下古生界有所发现，但产量和前景有待进一步勘探研究。

盆地西缘冲断带和南部亦发现部分中生界气藏，如李庄子油田、马家滩油田、直罗油田等在延安组和延长组发现天然气，部分为油气同产井。这类气藏一般为气顶气或油层溶解气。 近年来，延长组页岩气等亦成为勘探的重点对象，并有一定发现。

总体来看，盆地油气资源的平面分布表现为满盆气、半盆油，大油气田区呈现南油北气的特点，在陕北和西缘地区存在油气共生叠置区。纵向上表现为上油下气，中生界以油为主，天然气次之；古生界以天然气为主，石油为辅。

1.1.2 砂岩铀矿的分布 鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿化层位众多，从上二叠统孙家沟组(P2s)、下三叠统刘家沟组(T1l)、下三叠统和尚沟组(T1h)、上三叠统延长组(T3y)、中侏罗统延安组(J2y)上段、中侏罗统直罗组(J2z)到下白垩统志丹群(六盘山群)华池-环河组、罗汉洞组和泾川组等均有铀矿化产出。但铀矿化在各层位中的分布十分不均匀，工业铀矿化主要集中于中侏罗统直罗组，其次为中侏罗统延安组、下白垩统志丹群华池-环河组和泾川组。

鄂尔多斯盆地铀矿化平面上主要围绕盆地边缘分布，区域上，鄂尔多斯盆地可划分出六大矿化相对集中区，即东北缘的东胜—呼斯梁矿化区，西北缘的毛盖图—红井矿化区，西缘的磁窑堡—惠安堡矿化区，南缘的国家湾—泾川矿化区、店头—彬县矿化区和白水—韩城矿化区。

1.2 盆地北部东胜—纳岭沟—大营铀矿特征

1.2.1 一般特征 铀矿化呈东西向展布，东西长100 km，宽30 km，面积3 000 km2。产有3个大型铀矿床和数个中型铀矿床(产于北缘东胜矿化集中区及杭锦旗地区)，并有矿点数十个和大量异常点分布。以砂岩型铀矿化为主，矿化主要分布于中侏罗统直罗组中。该矿区是目前我国最大的砂岩铀矿基地和矿集区。各大铀矿化区中，目前对鄂尔多斯盆地北部铀矿特征研究程度较高，认识也较为丰富[9-14,29-33]，典型矿床代表为东胜(皂火壕)特大型铀矿床、杭锦旗地区的纳岭沟铀矿床、大营铀矿床。矿床成因为典型的受天然气耗散作用的后期改造富集类型。

矿床含矿地层为中侏罗统直罗组下段，该套地层主要由辫状河-辫状河三角洲相组成。含矿岩性主要为灰色、浅灰绿色、灰绿色为主的中-粗粒砂岩夹细砂岩，分选性差，交错层理发育，煤屑有机质丰富，含钙化木和黄铁矿。

矿区地处伊蒙隆起北东部，呈一大型缓倾斜坡带，产状平缓。根据物探、化探及遥感资料推断，矿区内发育NWW向断裂 ，位于矿区南部，可形成局部地下水排泄带，有利于早期层间氧化带和矿化的发育，后期也有利于油气的渗出还原富集及叠加，北部的系列矿床均沿这条断裂方向分布。

矿体在平面上呈不规则状，剖面形态多数为板状，很少见到卷状，少数为不连续的透镜状。说明矿床流体的成矿作用为垂向的渗流机制，而不是类似中亚的“层间渗入型”矿床。矿石中铀的存在形式主要为吸附状态和铀矿物。吸附态铀主要与黏土矿物、粉未状黄铁矿、炭质碎屑密切相关，铀矿物主要是铀石和沥青铀矿。矿石中铀的伴生资源主要有Mo、V、Se、Sc等，其中Sc元素达到工业利用价值，Se、Mo、V有潜在利用价值。

1.2.2 控矿绿色蚀变带 研究区直罗组下部存在一条规模宏大的绿色蚀变带，长度超过300 km，宽2～35 km，沿着盆地的东北部呈弧形展布。该前锋线北侧钻孔揭露砂体大多是绿色，而该线南则基本上是灰色。该线两侧附近钻孔揭露砂体为绿色与灰色砂岩的界线赋存铀矿化。钻井剖面垂向上也反映绿色蚀变控矿的特征(见图1)。

灰绿色砂岩样品呈绿色基调，基本上不含黄铁矿及炭屑，局部可见遭受氧化的砂岩(主要呈黄色，部分红色)团块残留。同时，显微镜下可见黄铁矿化对早期褐铁矿的交代，因此认为氧化砂岩形成早，灰绿色砂岩由氧化砂岩还原而来，且形成晚，是次生成因。众多证据表明，其早期为大气降水渗入氧化作用形成氧化带，后来被热-还原改造地质事件还原成了现今的绿色带。在垂向上矿体受潜水氧化带控制，形态呈板状。但“潜水氧化带”也是灰绿色砂岩。对砂岩全岩X射线衍射定量分析，绿泥石含量高是灰绿色砂岩呈绿色调的主要原因。在高倍镜下观察，造成岩石显绿色调的是一些“悬浮状”的后生“条带状”绿色黏土胶结物，经电子探针成份检测并与绿泥石类型成份相比，证明主要是铁镁绿泥石，少量叶绿泥石。铁镁绿泥石其Fe2O3<4%，按绿泥石化学成分分类，应属还原态的绿泥石。因此，可以认为该绿色化砂岩是在还原环境下形成的。另外，从系统矿物学可知，铁镁绿泥石形成温度为217.64℃～248.05℃，说明绿色蚀变是在低温环境条件下形成的。从岩石地球化学指标特征看，对研究区氧化(红或黄色等)砂岩、绿色还原砂岩、原生灰色砂岩、矿化砂岩以及白色还原砂岩样品有机碳(OrgC)、总硫、Fe2O3/FeO、TFe、Th/U等的测试对比认为，有机炭(OrgC)、总硫在绿色带中均较低，说明绿色砂岩在还原之前是氧化(红或黄等)的砂岩，后经还原转变而来，所以继承了地球化学的特点[12]。 Fe3+/Fe2+比值在氧化蚀变砂岩中数值最大，说明经历过后生氧化的过程，绿色蚀变带中最低，反映大部分Fe3+转变为Fe2+，其岩石地球化学环境具较强的还原性。因此，岩石化学分析结果也支持本区绿色蚀变是氧化砂岩在强还原环境下被还原转变而来的观点。

图1 某工业矿孔柱状图Fig.1 A columnar map of an industrial ore hole

1.2.3 成矿时代特征 对鄂尔多斯盆地北部砂岩铀矿的测年，前人所做工作不少，数据也较多。较早的基本用的是全岩样品的U-Pb法，得出的年龄大多较老，早晚白垩世的居多，甚至还有晚侏罗世[34-36]。

近年来，有的学者利用铀矿物微区原位方法，即激光剥蚀等离子体质谱法(fs-LA-ICP-MS)，对东胜、纳岭沟和大营铀矿等做了铀矿测年工作，发现存在大量年轻的年龄数据(见表1)[17]。可以看出，利用铀矿物的微区原位方法测年，其最大的年龄是晚白垩世末期，另有大量的古新世、渐新世、中新世甚至还有上新世和更新世的数据。但基本上集中于4期，即晚白垩世末期、始新世—渐新世(58～24 Ma)、中新世—上新世(24～2.5 Ma)、更新世(2.5～1 Ma)。其中，晚白垩世末期、始新世—渐新世均为早期的层间氧化带型铀矿形成期。依据盆地的动力学演化[37]，由于始新世—渐新世鄂尔多斯盆地边部解体裂陷，但斜坡地层产状总体仍未有改变，地层中的铀源继续造成铀矿的形成富集，故仍应以晚白垩世末期为早期的主成矿期。中新世—上新世、更新世时盆地已构造反转隆升，转为西隆东坳的格局，此时以耗散天然气造成的铀矿超常叠加富集及保矿为主，故而晚期成矿应以中新世—上新世为主。

表1 鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿年龄数据统计表[17，35-37]Tab.1 Statistical table of age data of sandstone type uranium deposits in northern Ordos Basin[17，35-37]

从中亚及新疆砂岩铀矿成矿时代特征看，其与新构造运动密切相关，新构造运动期往往就是铀矿成矿与集中富集期。经研究，鄂尔多斯盆地北部新生代在40 Ma、20 Ma、8 Ma、4 Ma和1.6 Ma前后新构造运动明显 。新构造运动造成天然气藏的破坏，导致天然气大规模耗散。这些时期均有成矿年龄与之呼应。因此，盆地北部砂岩铀矿获得大量年轻的成矿年龄数据并不是偶然的，与该地该时期的新构造运动相响应。

将盆地油气耗散特征与铀矿化的时间结合进行分析[14]，不难看出，鄂尔多斯盆地北部的天然气耗散充注和铀成矿年龄之间具有较为明显的因果关系。天然气耗散与盆地北部砂岩铀矿的富集作用，无论是在理论、实验、地球化学机理还是在时空耦合方面，均具有密切的关系。

1.3 铀矿的天然气大规模耗散成因

目前的勘查成果已证实，同属层间氧化成矿作用的砂岩铀矿类型，如我国吐哈盆地、伊犁盆地的砂岩型铀矿仅为大型规模(万吨级)，而研究区的砂岩型铀矿床却为特大型(至少大于3万吨)或超大型(至少大于5万吨)规模。如此大矿量铀矿床的产生，除丰富的铀源之外，还需要有大量、有效的还原剂。研究区砂岩型铀矿床早期成矿属层间氧化型，与吐哈盆地、伊犁盆地的砂岩型铀矿类型和成矿过程基本一致，即还原剂以地层特别是铀储层中的固体有机质和黄铁矿等为主，其他条件并无太大差别，若后期没有别的地质事件影响，则矿量与前述新疆的类型应该相差无几。但是，铀矿床在早期层间氧化型铀矿化形成之后，又经历了盆地强烈的后期改造，造成了油气大规模耗散这一特殊地质事件。正是该事件为研究区砂岩型铀矿床铀的后期叠加富集提供了大量有效的气体还原剂，从而造就了盆地北部系列超大型铀矿床的形成。因此，油气耗散地质事件是盆地北部铀矿床大规模富集的关键因素，而不仅仅是前期研究中曾有人认为的只是保矿因素。

根据中亚水成铀矿成矿理论，在基本成矿条件能满足的前提下，决定砂岩铀矿超大规模成矿或超常富集最主要的因素有2个：①含铀地下水系统氧化成矿过程时间足够长，只有构造斜坡长期稳定才能符合这个要求。在这种情况下，不一定砂体规模要求很大(一般达到20～30 m厚就足够了，太厚了反而不利)，也不一定铀成矿还原剂十分有效(只要灰色地层中存在一定的黄铁矿、煤屑有机质即可)。因为此方面的不足可通过成矿时间较长来“弥补”，最后也能形成大规模铀矿床。此种典型实例如中亚西部的世界级砂岩铀矿矿集区(哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦等)。②虽然长时间成矿的条件不能满足或虽构造斜坡已形成，但后期构造或盆地改造较为强烈，造成水成矿系统的改变或调整，如果在较短时间内有大规模的有效气体还原剂，也可以形成大型砂岩铀矿或矿集区[38]。

据此，可以认为，鄂尔多斯盆地北部砂岩铀矿可能属于后一种情况。伊盟隆起斜坡带水动力系统成矿稳定的时间很短，因而不存在类似中亚那种长时间地下水稳定作用形成区域性层间氧化带的情况。该区白垩纪末成矿时间开启后“好景”不长，古新世中晚期伊盟隆起之北河套断陷盆地发育，沉积范围进一步扩大，切割了伊盟隆起铀成矿区北部和西北部物(矿)源，之后，伊盟隆起又发生一定程度的东西向隆坳反转。后期活跃的构造运动如此“折腾”，岂能形成大矿。好在鄂尔多斯盆地独特的地质背景，即短时间内存在大规模天然气耗散作用，提供了足够的有效气体还原剂，从而也在短时间内形成了东胜、纳岭沟、大营等系列特大型、超大型铀矿聚集，成为世界级砂岩铀矿矿集区。

1.3.2 矿床成因及模式 盆地北部铀矿床为受油气后期叠加富集成矿的典型[32-33]，其形成模式具有以下特点(见图2)：

1)盆地东北部存在天然气大规模耗散的地质背景。在鄂尔多斯盆地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、北部方向大规模耗散的证据。在盆地北部乌兰格尔古隆起南坡东西长100 km、南北宽13 km的范围内，已发现约45处白垩系油苗。据其各项地质特征综合分析，油苗为来自该区南部上古生界煤系地层煤型气运移耗散于此处地表所成的凝析油。盆地北部天然气总体具有由南向北、最终汇聚到东北部的运移特点，在这个过程中，累计天然气的散失量约占39.7%。而在盆地的东北部发现了我国目前最大的砂岩型铀矿基地。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。

鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿最大的成因特点，是自白垩世以来受到了大规模的上古生界天然气耗散作用影响。这一事件导致早期形成的潜水和层间氧化带型铀矿在盆地的后期改造中得到有效的保护，并且伴有大规模铀的后期叠加富集。盆地中部成熟煤型气的持续向北运移并到达包括伊盟隆起在内的整个盆地北部地区，这是本区铀超常富集的主控因素[38]。

2)盆地北部存在大规模天然气耗散效应。在铀矿区以北，形成众多白垩系较高成熟度的冷析油油苗，砂岩绿色蚀变及延安组顶部大规模的白色砂岩等均是此还原性环境下形成的。矿体受绿色蚀变带控制，且多呈板状，明显是受到垂向流体作用的古氧化-还原界面的控制，说明存在一次大规模还原性事件。成矿期黄铁矿的硫同位素、方解石碳同位素等表明，有机质作用的特征明显，且与上古生界天然气的关系更为密切。

3)天然气耗散造成铀后期的大规模富集效应。实验证明天然气的主要组分如CH4、CO、H2、H2S等在地质环境内的任何温度下，均是铀的快速且有效的还原剂，矿层内检测出天然气和含铀溶液反应生成脂肪酸甲酯的指示性有机化合物。矿体测年出现大量的古新世尤其是渐新世以来较新的年龄数据，天然气耗散与铀成矿存在较好的时代耦合关系，理论分析和勘查实践证明，倘若不能满足成矿时间足够长的条件，但存在大量有效还原剂的情况下，也可以存在大规模铀的超常富集作用。

图2 鄂尔多斯盆地中北部上古生界天然气大规模耗散图Fig.2 Large scale dissipation of Upper Paleozoic natural gas in the central and northern Ordos Basin

4)“天然气-水”混合流体具有低温热液的性质，这对北部铀矿区来说是有利的铀富集环境。其作用方向为“垂向渗流”，形成矿体形态多为板状。相关成矿期产物包裹体测温的低温数据、矿石中低温的矿石矿物组合、黑石头沟地区存在晚白垩时期的玄武岩火山作用、使砂岩呈绿色原因的黏土矿物铁镁绿泥石为低温还原性质、 漂白现象形成的高岭石矿床的低温热液成因等，均可证明在低温热液作用下，铀可加速富集。

综上，可以看出，北部铀矿床是一个以天然气大规模耗散为主要特点的砂岩型铀矿的成矿模式。其形成过程是，伊盟隆起是盆地中部石炭系-二叠系煤系地层生气中心的天然气长期向北运移的指向区。盆地中北部地区，由南向北、自深而浅依次有序分布C-P煤层系→大气田区→气异常区→铀矿床和各类蚀变带→油苗等，形成了多种能源同盆共存的天然示范区。盆地中部的成熟煤型气向北运移，几乎到达了包括伊盟隆起在内的整个盆地北部地区，使之整体具有与东胜铀矿等类似的成矿条件，因此预测伊盟隆起具备世界级超大型砂岩型铀矿矿集区。

2 柴达木盆地含铀煤系烃源岩与页岩气

2.1 能源的总体分布

柴达木盆地位于青藏高原北缘青海省境内，面积12.1×104km2，是我国西部一个重要的中新生代大型陆相沉积盆地，资源量极为丰富，目前发现的能源矿产主要有石油、天然气、煤和砂岩型铀矿。

柴达木盆地含有丰富的能源矿产,在平面分布上,目前盆地发现的20多个油气田中，石油大部分布在盆地的北缘和西部茫崖拗陷，天然气中的生物气分布在盆地东部三湖地区，煤型气主要分布在北缘的伊北凹陷和鱼卡凹陷，煤矿资源主要分布在柴北缘地区，有着著名的木里煤田(祁连山中)、尕斯煤田、赛什腾煤田、鱼卡煤田、全吉煤田、德令哈煤田等。砂岩型铀矿也主要分布在柴北缘地区，目前主要在北大滩、德令哈北、鱼卡东部、冷湖三号地区发现了工业铀矿或矿化孔。油砂矿主要分布于西部油砂山、以及阿尔金断裂南侧、冷湖和鱼卡等地区。天然气水合物分布于祁连山南缘多年冻土区木里地区。另外，盆地北缘为长年冻土区，也有天然气水合物矿产存在的可能[21]。

在纵向上或地层层位分布上，石油赋存层位在柴北缘主要是古近系、新近系，还有部分侏罗系中下统层位，而烃源岩则主要是中下侏罗统。在柴西地区含油层位是N22-N2，而N11为主力源岩，另外还有E31、E3、E32储层。在柴东地区天然气层位和烃源岩均是第四系。另外，柴北缘侏罗系也是含气层位之一，包括煤型气、页岩气等。

在柴北缘，自西向东目前发现了十几处煤矿(点)，赋存层位主要是中侏罗统大煤沟组和部分下侏罗统小煤沟组。砂岩铀矿主要分布于中下侏罗统煤系地层的砂岩中，其次在冷湖地区的油气藏顶部第三系砂岩层中也有所发现。

油砂矿赋存层位，主要在西部和北缘的油砂山组，阿尔金断裂南侧的上侏罗统地层中。天然气水合物则主要在祁连山南缘130～400 m内的冻土层段中，赋存地层为中侏罗统江仓组。

2.2 含铀煤系烃源岩与页岩气资源评价

柴达木盆地北缘侏罗系为含煤岩系和含铀岩系,同时又是油气重要烃源岩之一(见图3)，石油及部分天然气(油型气、煤成气)以侏罗系煤系地层为源岩。经微量元素及某些地球化学特征指标的测试分析发现，柴北缘中、下侏罗统含煤岩系烃源岩中,微量元素 U等元素含量明显高于正常克拉克值。结合本区地质特征和矿产赋存背景,认为柴北缘侏罗系含煤岩系中的U元素对生烃产生了积极影响。进一步通过柴北缘烃源岩生烃模拟实验发现，铀的富集对烃源岩生烃有明显的催化作用，表现为生烃量大幅度增加和生烃高峰提前，无机矿产铀矿对有机的能源矿产油气的生成具有明显的催化作用。

图3 侏罗系中烃源岩Fig.3 Oil shale and carbonaceous mudstone in Jurassic source rock

2.2.1 实验条件和设计 首先将柴北缘烃源岩样品进行酸化处理，然后取样品油页岩、碳质泥岩各100 mg进行分组实验。第1组样品不加任何矿物介质，另2组样品分别加入10%和20%的UO2CO3溶液进行生烃模拟实验。实验温度从200℃到800℃，每隔200℃取一个温度点(100℃～200℃内的范围变化值不是很明显)，即选择200℃、400℃、600℃、800℃ 4个温度点，在每个温度点恒温30 min。

参照地幔岩包体气体热解质谱法，设计了质谱在线分析高温热解方法，各个温度点收集相应气体后，另外进行质谱分析，该方法具有较高灵敏度，可以测定高温热解生成的很少量的气体组分。

实验装置如图4所示，先将样品放入管式电炉进行加热，到预定温度点恒温30 min后，将生成的气体通过冷阱送入到真空控制系统，并由MAT271质谱仪进行气体组分分析，同时，气体组分的峰值即在数据获取系统显示，最后经过数据处理即可获取气体组分含量。

本次实验检测的气体有CO2、H2O、CO、N2、O2、H2、C4H10、C2H6、C3H8、CH4、Ar、SO2、H2S、HCl。实验在中科院兰州所油气实验室进行。

图4 高温热解模拟实验装置图Fig.4 High temperature pyrolysis simulation experiment device

2.2.2 结果与认识 模拟实验结果表明，加UO2CO3在不同程度上影响了有机质的生烃率，表明存在明显的催化作用。但具体的影响程度、气体生成类型和产率(为累积产率，而不是分段产率)，又与有机质本身所处的岩石类型和温度结点有很大的关系。

如图5A所示，油页岩在加热时加入铀元素，与未加元素相比，其总生烃(甲烷-丁烷)量明显增加，尤其是在500℃以前，这一规律十分明显。在400℃时生成量达到高峰，之后累计生烃量趋于平缓，这一现象在煤和油页岩样品的实验中也很明显。图5B显示加入铀元素同样对二氧化硫气体的生成有促进作用，生气量明显增加，与未加元素相比，提前进入生气高峰期，未加时是在800℃，而加入后提前到600℃；图5C、D显示加入铀元素后，碳质泥岩样品丙烷产气量增加，相比未加元素，也提前进入生烃高峰，且对油页岩有同样的效果；图5E、F显示加入铀元素，对碳质泥岩、油页岩烃源岩丁烷产气率有明显促进作用，生成量增加幅度较大。

由上述模拟生烃结果可知，通过加入铀元素，能使烃源岩的烃类气体和非烃类还原性气体的生成量增加，同时还使烃源岩生烃高峰提前。由此可以推断，柴北缘地区侏罗纪地层中铀的富集，可以促使该区低熟烃源岩生烃量增加，并提早进入生烃阶段。而伴生生成的还原性气体又反过来作用于含铀物质，使其还原成矿,促使铀的进一步富集。这一发现为我国低成熟度页岩中为何具有丰富的油气资源提供了科学依据。可见，在沉积盆地地下自然环境中，烃源岩的生烃过程不可能是一个简单增温增时的热演化过程，其中可能参与的物质颇多，影响因素复杂。然这些可能参与的物质和影响因素又会因盆地地质环境的不同而有较大差异。这直接影响烃源岩的生烃过程和生烃量，通常所估算或评价的资源规模与实际情况相差颇大，这可能是其中较为重要的影响因素之一。

该项实验发现为富含有机质且低成熟度的烃源岩催化提供了依据，地层温度环境下烃源岩富铀催化增加生烃量，这为我国柴达木盆地深部具丰富的低成熟度页岩气资源提供理论依据。

A 总生烃率;B 二氧化硫产气率;C、D 丙烷产气率;E、F丁烷产气率图5 柴达木盆地侏罗系烃源岩中加铀对碳质泥岩、油页岩烃源岩生烃的影响图Fig.5 Diagram of influence of uranium addition in Jurassic source rocks in Qaidam Basin on hydrocarbon generation of carbonaceous mudstone and oil shale source rocks

3 深部富铀烃源岩为浅部砂岩铀矿提供铀源

盆地深部富铀烃源岩是否为浅部砂岩铀矿提供部分铀源，答案是肯定的。尽管坚信传统水成铀矿理论的学者强烈反对这一观点，认为砂岩铀矿的铀源是由造山带蚀源区提供的。然而，近几年作者的工作表明，深部烃源岩存在为浅部砂岩铀矿提供铀源的可能性[20]。

一般认为，砂岩铀矿处于浅表层，成矿的流体为常温的大气降水，携铀流体富含氧，使得铀元素氧化为六价状态，从而大量溶解于溶液中，便于搬运迁移。遇到还原剂时被还原成四价铀沉淀成UO2或沥青铀矿而成矿。这种情况在具有完整蚀源区及地下水径流区系统时是存在的，中亚大规模层间氧化带型铀矿多是这一机制的典型。我国新疆境内天山造山带许多山间盆地也具备这些条件形成砂岩铀矿。这类水成铀矿其铀源终究是从造山带或蚀源区而来。

然而，鄂尔多斯盆地北部的系列砂岩铀矿存在大量晚白垩纪以后的、较为年轻的成矿年龄数据[17]。且在盆地的后期改造中，大约在56 Ma后，北部河套裂陷形成，切断了北部和西北部的蚀源区物源，地下水系流向也发生了较大的变化，在这种情况下，那些大量的小于56 Ma的年轻的富铀矿化其铀源最有可能的来源则是盆地本身，即深部的富铀烃源岩。新疆以东许多砂岩铀矿多板状矿体，流体机制以“垂向渗流”而非“层间渗入”为特征，均说明盆地在后期改造之后的铀的叠加富集阶段铀源来自深部是可能的。

鄂尔多斯盆地南部长7段石油优质源岩以富铀为特征,且铀含量巨大。通过深部还原条件烃源岩中高温高压的模拟生烃实验证明, 长7富铀烃源岩在生排烃过程中也可以大量排出铀元素,在合适的构造条件下，铀可呈吸附态随油气-水流体迁移,可能为浅部的砂岩铀矿提供铀源[19]。

采集长7富铀烃源岩样品，模拟深部烃源岩的温度、压力和还原性环境等条件，进行了中高温高压条件下的模拟生烃实验。结果表明:①在烃源岩生排烃的同时也可以大量排出铀元素，且随着温度和压力的增加，排铀量也会增加，生烃量与铀的携出率呈明显的正相关性，铀的携出率可达55%～75%;②在还原环境和中高温高压条件下，石油-水混合流体中排出的铀元素既可呈四价又可呈六价形式， 且以UO2、 UO3及四价和六价的混合氧化物(U3O8、 U3O7及水合物UO3·H2O、 U6O7·H2O等)被吸附或呈水合物胶体形式迁移[19]。基于这一理论认识，认为鄂尔多斯盆地南部富铀的长7烃源岩在生烃排烃的同时，既可释放大量的铀元素，同时还可在深部条件下被地下油田水流体所吸附或呈水合物胶体形式迁移，因此，在合适的地质构造环境下可为浅部提供铀源。

惠安堡铀矿位于鄂尔多斯盆地西南部或西缘断褶带的马家滩段，其最大特点为处于不具备大型层间氧化带铀矿形成的稳定的构造斜坡带、矿体分布较为独立、形态并不是典型的卷型。容矿地层为浅部的直罗组。石油直接进入该套地层中，即含矿层直罗组本身同时也为油气的储层。直罗组砂岩具明显的不连续碳酸盐化及绿色蚀变等现象，与含油气热流体作用关系密切[20]。

4 判别油气是否参与铀成矿作用的地质地球化学标志

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的一个概念。油气生成后发生运移，并且与途经的流体-围岩相互作用，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”[39]。目前，在鄂尔多斯盆地中北部上古生界不同层段中，发现了乌审旗、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约45处白垩系油苗[40-41]。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(见图6)。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%[42]。这表明，该区以南上古生界天然气生成后约40%已经散失。该区油气耗散的直接证据为地表白垩系层位的油苗以及浅表地层大范围分布的上二叠统气测显示等。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、伊盟隆起带铀的后期超常富集与保存现象等。

4.1 砂岩的绿色蚀变

在东胜铀矿区中侏罗统直罗组底部，有一条规模宏大的绿色砂岩蚀变带，其长度超300 km,宽为2～35 km。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[9-14,31-32]。主要证据有：①其内部仍存有团块状的氧化砂岩残余；②化学成份上具有较高的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绿色砂岩中的黏土矿物具有大量的后生还原性质的“条带状”铁绿泥石矿物；⑤灰绿色砂岩中钍/铀比值较高，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。

因此，在砂岩铀矿中，砂岩绿色化往往是油气对早期氧化砂岩还原改造的蚀变标志。

4.2 砂岩的白色化

在东胜铀矿区以及北东部，在东西长约120 km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，存在规模巨大的砂岩(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共存，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”。该区规模巨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[39-41]。

图6 鄂尔多斯盆地北部油气运移耗散与伊盟隆起北西向铀矿-天然气共存富集区平面分布示意图Fig.6 Plane distribution of oil and gas migration dissipation in northern Ordos Basin and NW uranium natural gas coexistence and enrichment areas in Yimeng Uplift

国外早就对红色砂岩的油气漂白现象有所研究[43-46]。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，也有研究发现褪色现象(即白色化)与铀矿化有一定关系，为找矿标志之一[47-48]，有的把这一现象作为油气运移的指向及油气勘探的重要指示信息[49]。

4.3 部分不连续分布碳酸盐化的广泛分布

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。尤其是其中的“钙化木”十分引人注目，呈树干表观，中心未见年轮残留，内部结晶好的方解石呈充填状。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δ13C和δ18O特征显示，方解石胶结物中碳的来源主要为有机碳。进一步与盆地石炭-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“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同出一源[11]，盆地中部上古生界天然气耗散至此提供了碳源。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。

4.4 流体包裹体H-O同位素异常标志

东胜铀矿床成矿作用，主要是受到表生作用大气降水与下部来源天然气混合流体作用影响的结果，在这种有机-无机混合流体后生作用的蚀变产物和包裹体古流体中，必然要留下其相互作用的痕迹。利用稳定同位素以及包裹体流体(H2O)中氢氧等同位素的示踪，是揭示这种有机-无机流体相互作用的有效途径。如天然气中的H2S气体以及沉积地层煤中的硫源等，是形成后生黄铁矿的重要硫源之一。砂岩碳酸盐胶结物中的碳与CH4等有机烃类气体及固体有机质中的碳质来源关系密切。包裹体水中的氢、氧等混染了天然气中的CO、H2S、H2及CH4等有机烃类气体中的相应氢和氧组分等，使得在流体作用产物的相应同位素值的变化上出现异常，这就是利用后生蚀变作用稳定同位素地球化学示踪来研究砂岩铀矿中有机-无机地质作用的理论依据[11-12]。

经对鄂尔多斯盆地北部铀矿区J2z 地层钙质胶结砂岩分离的碳酸盐矿物进行热爆-超声波提取包裹体溶液的分析, 获得了包裹体H、 O同位素组成的含量， 结果表明， 其δD为-31.6‰～-0.7‰，δ18O为12.31‰～30.99‰，而蚀源区δD为-54.6‰，δ18O为-0.15‰。依据地壳中不同类型或来源水的同位素组成规律分析，矿区成矿热液的水溶液主要来自大气降水。

在不同阶段的蚀变产物H-O同位素组成中，成岩作用期→后生氧化蚀变→白色蚀变→绿色蚀变→矿化蚀变的流体演变过程中，δD和δ18O组成总体有逐渐增大趋势，并在矿化蚀变中达到峰值。这说明在成矿阶段存在还原性流体的改造活动，此时同位素分馏作用最为强烈。这种在矿化阶段流体δD和δ18O组成达到最大值的特征，既可作为一种同位素地质学的找矿标志，还可认为是油气作用的标志。这是因为，油气中主要还原性气体(如H2、H2S、CH4等)与大气降水相遇发生同位素交换或分馏，促使地下水的δD值增高[50]。研究区矿化蚀变样品δD值偏高与成矿阶段具有丰富的油气还原剂有关，表明天然气在成矿中起到重要作用。

因此 ，古流体中氢、氧同位素异常可用来示踪油气等有机质流体参与铀成矿作用。

4.5 白色蚀变的硅同位素异常

对鄂尔多斯盆地北部纳岭沟铀矿矿石中铀矿物的硅同位素、无矿原生沉积灰色砂岩黏土矿物以及白色砂岩中高岭石的硅同位素进行对比，发现油气作用的漂白砂岩与铀矿物硅同位素一致，而与正常沉积物的相差甚远(见图7)。从而认为白色蚀变的硅同位素异常也是识别油气参与作用的标志[10-11]。

硅同位素的测试采用丁悌平所提出的硅同位素组成测定方法，经过纯化预处理之后，采用BrF5法测定硅同位素组成[51]。

对杭锦旗铀矿富矿石中铀石、 总黏土矿物以及漂白砂岩中的高岭石选矿分离之后， 测定其中的硅同位素组成， 来探讨铀富集效应与高岭石化的联系。 测定结果显示， 铀石中δ30Si分布在-1.6‰～-0.4‰，均值为-1.0‰；黏土矿物中δ30Si分布在-0.4‰～0.2‰，平均为-0.1‰。可见，铀石和黏土中硅同位素组成相差较大，反映了不同的成因与来源。而漂白砂岩中高岭石的δ30Si分布在-1.8‰～-0.4‰之间，均值为-1.18‰，与铀石中的硅同位素组成相一致，两者存在物质上的一致性。从自然界中不同来源硅同位素的组成对比来看，与热作用相关的物质中，硅同位素的组成偏负值，而低温环境、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的特征，可能也反映了它们的形成与热事件作用相关。

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，是同一流体作用下形成。同时，前面也提到，高岭石与铀富集效应的成因相同，为同一期热液作用下形成，而这里相同的硅同位素组成又为这一认识提供了更充分的证据，进一步从成因和物质两方证实了高岭石化和铀富集效应的关系，说明它们的成因相同，都是油气耗散作用下形成。

图7 纳岭沟铀矿白色砂岩、铀矿石、正常沉积物以及自然界不同来源物质中硅同位素组成差异对比图Fig.7 Comparison diagram of silicon isotopic composition difference between white sandstone, uranium ore and normal sediment of Nalinggou uranium mine and materials from different sources in nature

4.6 矿层有机质中的脂肪酸甲酯系列化合物

赵建社在实验中证实了CH4对UO22+的还原作用，他将鄂尔多斯盆地的天然气通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， 得到的主要产物为UO2。用Gaussian 03W程序对该实验进行理论模型过渡态模拟和通过气相色谱实验测试，均发现并证实甲烷在还原UO22+的过程中同时生成了甲醇(CH3OH)。这一新发现在东胜矿床含矿层的有机地球化学测试中也得到证实[52]。

妥进才对东胜铀矿区直罗组含铀砂岩有机质中的芳烃馏分进行了检测，从中检出了丰富的脂肪酸甲酯系列化合物[15]。联系到赵建社等的实验结果可以发现，天然气中的甲烷在还原UO22+的过程中同时生成了甲醇(CH3OH)，甲醇与地层中有机质产生的大量脂肪酸作用易于形成脂肪酸甲酯系列化合物，这就说明，天然气作用于含铀含氧的地下水，除可以导致铀沉淀成矿外，还可以生成丰富的脂肪酸甲酯系列化合物的“副产品”。因此，上述分别独立进行的实际测试、实验室模拟实验和理论计算彼此印证，从不同侧面均证明，东胜铀矿区在盆地的后期改造过程中，天然气大规模的逸散和还原作用是东胜矿床铀大规模后生叠加富集的重要因素。也就是说，该结果既证明了东胜矿区存在大规模油气耗散作用，同时也证明了天然气在铀的富集成矿中的重要作用。

5 与油气相关和无关砂岩铀矿床容矿层中煤屑有机质的差异

当前，关于北方大型砂岩铀矿床成因的认识中，有认为是类似中亚典型层间氧化带型的，也有认为是与盆地后期改造和油气耗散作用相关联的。前者有伊犁盆地南缘的512矿床、吐哈盆地南缘的十红滩矿床等，后者有鄂尔多斯盆地北部的东胜矿床、大营矿床等。其依据主要是控矿蚀变带岩石矿物学、成矿环境、流体作用等。

而本研究则主要是从各矿床容矿层中煤屑有机质入手，对比分析了与油气相关和无关的砂岩铀矿床中容矿层煤屑有机质的差异。总体上，从煤屑有机质类型看，前者(即成因上与油气相关的矿床)具有富腐泥组组分特点，其显微组分具有强荧光现象，后者(即与油气成因关系不大)多为富腐植质类型。从元素组成特点看，前者煤屑有机质形成于深埋后生的油气生成阶段，而后者为沉积成岩演化阶段。从有机地球化学指标看，前者煤屑有机质有机地球化学为富含芳烃和沥青质，其中的芳烃富含脂肪酸甲酯系列化合物，后者富含非烃。然而从两者煤质的演化程度看，其煤屑有机质的成熟度均较低，且煤的演化均处于褐煤阶段。因此，上述与油气成因相关和无关的砂岩铀矿床中煤屑有机质的差异并非是由于煤质的演化程度不同造成的。这种差别不是干酪根真正的生油作用造成，而是后生作用，即天然气耗散作用于有机质细脉中形成了凝析油，并经微生物作用的假象结果。说明前者成矿作用中存在大规模油气耗散作用，并对有机质煤屑的特点产生了重要的影响。

5.1 有机质类型不同

东胜矿床J2z(直罗组)地层及吐哈、伊犁盆地南缘铀矿床J1-2sh(水西沟群)地层中，均可见到较多的有机质细脉(见图8)。东胜矿床的“有机质细脉”镜煤占90%左右，主要是还原条件下形成的镜质组，沥青质占2%～9%。据此，可称其为“含腐泥质的镜煤有机质脉”。

吐哈和伊犁盆地样品几乎全都是镜质组成分(>98%)，局部见少量的壳质组分，镜下极少见到沥青质组分(<1%)，这个特征确实与东胜矿床有明显的差别，作者称之为“镜煤有机质脉”。这反映了东胜矿床与吐哈、伊犁南缘铀矿床相比，可能油气作用的程度存在差异。

A 大营矿床；B 十红滩矿床；C 东胜矿床图8 含矿层位中的煤屑有机质脉Fig.8 Coal chip organic matter veins in ore bearing horizons

可见，组分的差别主要在于东胜矿床“有机质细脉”含“腐泥质”。而吐哈和伊犁矿区则未见到这一现象。而煤岩片的鉴定中还发现，大营铀矿煤屑有机质细脉显微组分显示较强的荧光现象，也证明了煤屑有机质中含有天然气耗散在其中形成的细微的凝析油[18]。

5.2 有机地球化学差异：演化环境

元素组成及比值是有机质的基本特征之一，也是判别有机质类型及环境的重要方面。对比相关矿区有机质的元素组成特征可以发现，有机质元素组成的特点是氧含量高，氢含量低，H/C原子数比值范围小，O/C原子数比值范围大。它们的母源来自于高等植物。

从镜质体反射率看，东胜矿床Ro为0.441 0，吐哈矿区Ro为0.453，伊犁矿区Ro为0.482，总体演化程度均较低，处于低成熟阶段，或相当于煤化作用早期的暗褐煤阶段。因此，从各矿区有机质的Ro看，各矿床煤屑有机质细脉没有差别，均处于未成熟阶段，结合其他条件看，生油可能性不大。其中，东胜和大营铀矿中的有机质演化的深埋后生阶段(即油气生成的重要阶段)是一种假象(见图9)，是由于天然气耗散作用于煤屑有机质细脉中，形成了吸附状细微的凝析油并经生物作用，从而形成生油阶段的一种假象结果。这也说明了鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿成因与后生作用即天然气耗散作用有关。

图9 东胜铀矿和伊犁盆地512矿床干酪根(有机质细脉)演变阶段图Fig.9 Diagram of evolution stages of kerogen (organic veinlets) in Dongsheng uranium deposit and Yili Basin 512 deposit

5.3 有机地球化学差异：有机抽提物

吐哈矿区样品氯仿抽提物含量很低， 仅0.01%～0.03%，而在氯仿沥青“A”组成中，非烃占优势(>80%)，烃类很少(见图10)，全部集中在非烃端点。这是因为样品处于未成熟阶段，无大量烃类生成。其中芳烃含量甚少，可谓是吐哈铀矿区有机质抽提物的一大特征。

图10 东胜矿床与十红滩矿床煤屑有机质脉中氯仿沥青“A”抽提组分三角图解Fig.10 Triangular diagram of chloroform asphalt "A" extraction components in coal chip organic matter veins of Dongsheng and Shihongtan deposits

东胜矿床与吐哈矿区相比有很大的不同。样品芳烃含量明显较高，非烃含量相比较低，这也说明了东胜矿床有机质有少量烃存在。另外，东胜矿床有机抽提物也有自身的特点，绿色蚀变和矿石中的固体有机质抽提物中，一般芳烃比饱和烃含量明显要高。这说明东胜矿床的铀矿化作用、绿色蚀变作用与油气作用的环境相关。

因此，从有机抽提物来看，与油气相关的东胜矿床煤屑有机质富芳烃，而与油气无关的十红滩矿床煤屑有机质富非烃，且总烃含量也很低。这表明与油气作用相关的铀矿床煤屑有机质中含有一定量的轻质油，而与油气作用无关的则没有(芳烃含量低)。

5.4 原因分析

上述各砂岩型铀矿床，在西北地区具有代表性,其特征不同,基本上可分为2组,一组以鄂尔多斯盆地北部东胜矿床为代表，另一组以吐哈、伊犁盆地南缘铀矿床为代表。由上所述，它们在煤屑有机质方面的差异主要表现为：①前者煤屑虽以镜煤为主，但仍含部分“腐泥质”(接近沥青质成分，2%～9%)，这种镜煤中含少量的“腐泥质”为油气耗散充注作用的结果，而后者不存在这一现象；②前者显微组分中的小孢子体及角质体具有强荧光现象，而后者没有发现这个特征，这也是天然气充注后的凝析油现象造成；③煤屑元素地球化学特征方面，前者有机质环境为深埋后生阶段，后者为成岩作用阶段，表现出有机质的演化阶段不同；④煤屑的有机地球化学(抽提物)方面，前者烃含量高，非烃含量低，对芳烃进一步测试，发现芳烃中含较多的脂肪酸甲酯系列化合物，后者以非烃占优势，芳烃含量较少。综上，说明上述各矿床中煤屑有机质的差异特征是客观存在的。结合该区前期的研究，形成差异原因为：

1)鄂尔多斯盆地北部存在大规模油气耗散事件的地质背景

这一特征在前文已经有叙述。研究区上古生界天然气大规模向北耗散，不仅产生了诸多地质效应或现象，如矿区直罗组的绿色化及附近的漂白现象，而且还在容矿层煤屑有机质显微组分及后生碳酸盐的胶结物中留下了凝析油[18]。可见，鄂尔多斯盆地上古生界天然气大规模向北耗散，在直罗组铀矿容矿层中充注，由于表层冷却在局部形成凝析油，这一过程仍然是有迹可循的。

2)煤屑有机质成熟度(Ro)的证据

上文已经提到，伊犁、吐哈铀矿区有机质的演化发生于沉积成岩阶段，而东胜和大营铀矿则发生于深埋后生阶段，这是一个重要的差别。但实际上这只是一个表象或假象，因为它们的成熟度(Ro)特征没有差别，均处于有机质的未成熟阶段，生油可能性不大。造成这一假象的原因就是后期的天然气耗散充注作用。东胜和大营铀矿由于天然气耗散作用于有机质细脉中形成了凝析油,并受细菌生物作用，从而形成了“生油”这么一种假象。这也说明了鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿成因与后生作用即天然气耗散有关。

3)煤屑有机质中存在大量细菌微生物作用

已有大量的研究证明，铀矿容矿层中煤屑有机质存在大量的细菌微生物。已报道发现的微生物类型及作用有：①吸附和还原六价铀，有硫酸盐还原菌(SRB)、铁细菌(IB)；②改变环境pH和Eh值利于铀成矿，有硫杆菌、硝化细菌、亚硝化细菌；③通过代谢作用，加快有机-无机物之间的转换，创造有利的成矿环境，有反硝化细菌、芽孢杆菌等。SRB数量分布与铀含量之间的正相关关系，可以为层间氧化带分带提供明显的分带指示标志[52-54]。

这些微生物以油、气、煤等作为“食粮”，进行代谢作用，在此过程中，对铀成矿产生作用。如对512矿床的研究发现，沥青铀矿富集在侏罗系砂岩植物碳屑的细胞腔内，富矿石中存在多种已铀矿化的芽孢及藻类等微生物化石[55-56]。

也就是说，正因为煤屑有机质中存在大量细菌微生物，才使耗散的油或气被微生物“捕获”保存或被代谢降解，在这一过程中可能产生一些还原性气体，从而对铀成矿产生积极的影响。也正因为在煤屑有机质中存在较多种类的微生物作用，于是形成“腐泥质”组分。这就解释了与油气成因有关的东胜矿床中煤屑有机质含较多“腐泥质”组分的原因。

4)铀矿容矿层中的煤屑有机质存在凝析油的有机地球化学证据

前期的研究中，东胜铀矿矿石检测出富12C的方解石包裹体“鼓包”中富“25-降蕾烷”，而这种“25-降蕾烷”有机物是凝析油存在的标志，证明凝析油大量存在，并被硫酸盐还原菌降解。在这一微生物降解油气的过程中，同时释放H2S和CO2，这是大量黄铁矿和方解石胶结物生成的硫源和碳源[57-59]。

6 结论

通过上述沉积盆地有机矿产(油-气-煤)对铀成矿作用机理的总结，可以得出以下结论：

1)关于多种能源同盆共存的时空关系方面，油气往往分布在盆地的中心，而砂岩型铀矿多数分布在盆地的边部。油-气-煤-铀多种能源同盆共存普遍，其含矿层位联系密切，成藏(矿)-定位时期相同或相近，油-气-煤为成矿提供还原剂或还原性环境，铀为生烃起到催化作用。这显示出多种能源矿产的成藏(矿)作用有着密切的内在联系和统一的地球动力学背景。

2)沉积盆地有机矿产(油-气-煤)对铀成矿的积极作用，天然气规模性耗散是铀后期叠加及超常富集的关键因素，铀的存在对烃源岩生烃具有催化作用，深部油气烃源岩可以为浅部砂岩铀矿提供铀源。油气对铀成矿作用的流体方向为“垂向渗流”，使矿体形态多呈板状及铀矿床成因具有低温热液作用的特点。油气作用形成的矿床往往没有典型的层间氧化带，却常具后期还原性蚀变带(绿色蚀变或白色砂岩)控矿特点。

3)油-气-煤对铀成矿的积极作用存在许多可识别的地质地球化学标志。沿着油气耗散方向的浅表层，存在明显的系列油气蚀变现象，如砂岩的绿色蚀变、漂白现象、透镜状“钙质层”现象等。表现在地球化学特征上，则是包裹体流体的H-O同位素异常、白色砂岩Si同位素异常、有机地球化学指标如脂肪酸甲脂异常、容矿层煤屑有机质成分及有机地球化学指标异常等。所有这些构成了多种能源同盆共存的天然示范区，为超大型砂岩铀矿的找矿提供方向。

4)铀的存在可以使烃源岩生烃量增多和液态烃生成门限温度降低。鄂尔多斯盆地长7石油烃源岩及柴达木盆地北缘侏罗系油气烃源岩均具富铀特点，解释了鄂尔多斯盆地南部富烃凹陷的形成及盆地油气丰富的原因。同时，也为我国柴达木盆地深部具丰富的低成熟度页岩气资源认识提供理论支撑。