沉積盆地有機礦產(油-氣-煤)對鈾成礦的作用機理及進展

吳柏林，劉池洋，楊松林，王 苗，李 琪，林周洋，張效瑞，李艷青，張婉瑩，劉明義，孫國權

(1.西北大學 地質學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069;2.遼河油田勘探開發研究院，遼寧 盤錦 124010)

油、氣、煤和鈾這4種當今世界上最重要的不可再生能源礦產，在各國政治、軍事、經濟和國家安全等方面均具有十分重要的地位和戰略意義，世界各國對其勘探開發、產銷、價格和去向均高度重視[1]。通過對國內外80多個盆地的調研和目前國內外的礦產勘查、開采、利用以及研究現狀的分析發現，主要賦存在沉積盆地中的油、氣、煤、鈾同盆共存，且具有普遍性和分區性[2-6]。

油、氣、煤同盆共存在沉積盆地中早已成為人們的共識，隨著砂巖型鈾礦在鈾礦資源中地位的迅速提升，資源量目前已位列第一位, 人們又逐漸認識到油、氣、煤、鈾同盆共存也已是事實。據國際原子能機構數據庫統計,截止2015年6月，全球已發現砂巖型鈾礦床共639個,分布在109個盆地中。通過對這些盆地多種能源的調研和對比,發現其中有85個盆地中的570個砂巖型鈾礦與已探明的油氣田或煤田同盆共存，占產鈾盆地總數的78%，占砂巖型鈾礦總數的89%。世界已發現的大型—超大型砂巖型鈾礦床幾乎全位于這85個多能源盆地之中，鈾的探明資源量約占全球砂巖型鈾礦總量的90%以上[2]。上述事實說明了油、氣、煤、鈾聯系密切，同盆共存普遍。

油、氣、煤、鈾多種能源同盆共存不僅普遍，且具有明顯的分區性，其總體分布在北半球(北緯20°～50°),其中尤以中亞—東亞地區分布最為集中。劉池洋稱之為中亞—東亞能源礦產成礦域。它東起松遼盆地,西止里海,東西連綿逾6 000 km。其中分布有數10個(特)大型油田、氣田、煤田和砂巖型鈾礦。其中多數盆地多種能源礦產同盆共存[3-5]。本文通過對中亞、鄂爾多斯、柴達木等多種能源共存盆地的解析，整體揭示了油、氣、煤、鈾多種能源同盆共存的特點與機理。

我國大陸多種能源礦產富集共存的盆地絕大多數在北方,是中亞—東亞能源礦產成礦域的組成部分。在我國北方諸多盆地及四川盆地，油氣和煤資源豐富，均不同程度地發現了具有一定規模的砂巖型鈾礦，已發現的大型—超大型砂巖型鈾礦床均在北方能源盆地中。然而在南方，蝕源區鈾源雖較為充分，但無(或貧)油氣、煤的盆地，很少發現砂巖型鈾礦床，即南方生鈾礦床為物源區的諸多中新生代盆地，鈾源豐富，但卻較少發現砂巖型鈾礦。這從反面佐證了各能源礦產同盆共存、富集成藏有著密切的內在聯系，有機礦產(油、氣、煤)對鈾成礦具有重要的作用。

油、氣、煤、鈾多種能源礦產之間在賦存、富集和分布等方面聯系密切。劉池洋等對中亞—東亞能源礦產成礦域諸盆地進行研究后認為，油、氣、煤、鈾空間分布復雜有序，含礦層位和地區聯系密切，成藏(礦)-定位時期相同或相近，賦存環境和成藏(礦)作用有機相關，并共具豐富的礦源物質背景，顯示出油、氣、煤、鈾多種能源礦產的成藏(礦)作用有著密切的內在聯系和統一的地球動力學背景，其中蘊含著深刻的科學內涵[1-8]。中亞—東亞成礦域各主要含鈾盆地和成礦區的主成礦期并不相同，其差異與所在盆地油氣的成藏-定位時期和期次基本一致，并與區域大地構造演化有明顯的響應關系,總體受區域地球動力學環境演變的控制。這些認識和學術思想，為能源礦產的形成和分布及其進一步勘探提供了新的理論體系和勘探思路。

沉積盆地有機礦產(油-氣-煤)對鈾成礦作用時，形成眾多的地質和地球化學標志。如綠色蝕變、漂白現象、H-O同位素及Si同位素異常[9-14]、脂肪酸甲脂有機化合物異常[15-16]、較多年輕的鈾成礦年齡[17]、煤屑有機質特征異常等[18-19]。深部烴源巖可以為淺部砂巖鈾礦提供部分鈾源[19-20]。鈾的富集或鈾礦的存在可以使烴源巖生烴量增多和液態烴生成門限溫度降低，這是鄂爾多斯盆地致密油氣為何如此豐富及富烴凹陷生成的重要原因之一[21-26]。

在沉積盆地中，除這4種能源礦產同盆共存，有機礦產(油-氣-煤)對鈾成礦具有明顯的作用外。同時伴(共)生有多種其他非能源礦產，如膏鹽、鋁土礦、鎵礦、黃鐵礦、稀有元素礦、高嶺石礦等。其中,有些礦產與煤及油氣(層)、鈾礦相伴(共)生。這些能源和非能源、金屬與非金屬礦產同盆共存,共同構成了礦產資源豐富、類型多樣、相對獨立的沉積盆地成礦系統[7-8]，是一個值得重視的新的研究領域和重要的找礦方向。

1 鄂爾多斯盆地天然氣大規模耗散與北部鈾的超常富集

1.1 盆地天然氣與砂巖鈾礦的分布特點

1.1.1 天然氣的分布 鄂爾多斯盆地天然氣資源豐富，資源量估計十多萬億方，探明率可能不足50%，資源潛力巨大，已發現十多個氣田[27-28]。

各氣田平面上主要分布在盆地北部和中部，南部近年來亦發現部分氣藏。具體集中在蘇里格、靖邊、榆林-子洲和盆地東部。規模較大的幾個氣田為蘇里格氣田、烏審旗氣田、靖邊氣田、大牛地氣田、子洲氣田、榆林氣田、神木氣田、米脂氣田等，其中前6個儲量大于1 000×108m3，蘇里格氣田為我國第一大氣田。

鄂爾多斯盆地縱向層位上發育18個氣層組，以古生界為主。上古生界集中在二疊系石盒子組和山西組，下古生界氣藏主要來自奧陶系馬家溝組，上述三組占總資源量的80%以上，其余氣藏多賦存于本溪組、太原組和石千峰組。除靖邊氣田主產層為馬家溝組外，盆內氣田產層主要集中在上古生界，西緣部分井位亦在下古生界有所發現，但產量和前景有待進一步勘探研究。

盆地西緣沖斷帶和南部亦發現部分中生界氣藏，如李莊子油田、馬家灘油田、直羅油田等在延安組和延長組發現天然氣，部分為油氣同產井。這類氣藏一般為氣頂氣或油層溶解氣。 近年來，延長組頁巖氣等亦成為勘探的重點對象，并有一定發現。

總體來看，盆地油氣資源的平面分布表現為滿盆氣、半盆油，大油氣田區呈現南油北氣的特點，在陜北和西緣地區存在油氣共生疊置區。縱向上表現為上油下氣，中生界以油為主，天然氣次之；古生界以天然氣為主，石油為輔。

1.1.2 砂巖鈾礦的分布 鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦化層位眾多，從上二疊統孫家溝組(P2s)、下三疊統劉家溝組(T1l)、下三疊統和尚溝組(T1h)、上三疊統延長組(T3y)、中侏羅統延安組(J2y)上段、中侏羅統直羅組(J2z)到下白堊統志丹群(六盤山群)華池-環河組、羅漢洞組和涇川組等均有鈾礦化產出。但鈾礦化在各層位中的分布十分不均勻，工業鈾礦化主要集中于中侏羅統直羅組，其次為中侏羅統延安組、下白堊統志丹群華池-環河組和涇川組。

鄂爾多斯盆地鈾礦化平面上主要圍繞盆地邊緣分布，區域上，鄂爾多斯盆地可劃分出六大礦化相對集中區，即東北緣的東勝—呼斯梁礦化區，西北緣的毛蓋圖—紅井礦化區，西緣的磁窯堡—惠安堡礦化區，南緣的國家灣—涇川礦化區、店頭—彬縣礦化區和白水—韓城礦化區。

1.2 盆地北部東勝—納嶺溝—大營鈾礦特征

1.2.1 一般特征 鈾礦化呈東西向展布，東西長100 km，寬30 km，面積3 000 km2。產有3個大型鈾礦床和數個中型鈾礦床(產于北緣東勝礦化集中區及杭錦旗地區)，并有礦點數十個和大量異常點分布。以砂巖型鈾礦化為主，礦化主要分布于中侏羅統直羅組中。該礦區是目前我國最大的砂巖鈾礦基地和礦集區。各大鈾礦化區中，目前對鄂爾多斯盆地北部鈾礦特征研究程度較高，認識也較為豐富[9-14,29-33]，典型礦床代表為東勝(皂火壕)特大型鈾礦床、杭錦旗地區的納嶺溝鈾礦床、大營鈾礦床。礦床成因為典型的受天然氣耗散作用的后期改造富集類型。

礦床含礦地層為中侏羅統直羅組下段，該套地層主要由辮狀河-辮狀河三角洲相組成。含礦巖性主要為灰色、淺灰綠色、灰綠色為主的中-粗粒砂巖夾細砂巖，分選性差，交錯層理發育，煤屑有機質豐富，含鈣化木和黃鐵礦。

礦區地處伊蒙隆起北東部，呈一大型緩傾斜坡帶，產狀平緩。根據物探、化探及遙感資料推斷，礦區內發育NWW向斷裂 ，位于礦區南部，可形成局部地下水排泄帶，有利于早期層間氧化帶和礦化的發育，后期也有利于油氣的滲出還原富集及疊加，北部的系列礦床均沿這條斷裂方向分布。

礦體在平面上呈不規則狀，剖面形態多數為板狀，很少見到卷狀，少數為不連續的透鏡狀。說明礦床流體的成礦作用為垂向的滲流機制，而不是類似中亞的“層間滲入型”礦床。礦石中鈾的存在形式主要為吸附狀態和鈾礦物。吸附態鈾主要與黏土礦物、粉未狀黃鐵礦、炭質碎屑密切相關，鈾礦物主要是鈾石和瀝青鈾礦。礦石中鈾的伴生資源主要有Mo、V、Se、Sc等，其中Sc元素達到工業利用價值，Se、Mo、V有潛在利用價值。

1.2.2 控礦綠色蝕變帶 研究區直羅組下部存在一條規模宏大的綠色蝕變帶，長度超過300 km，寬2～35 km，沿著盆地的東北部呈弧形展布。該前鋒線北側鉆孔揭露砂體大多是綠色，而該線南則基本上是灰色。該線兩側附近鉆孔揭露砂體為綠色與灰色砂巖的界線賦存鈾礦化。鉆井剖面垂向上也反映綠色蝕變控礦的特征(見圖1)。

灰綠色砂巖樣品呈綠色基調，基本上不含黃鐵礦及炭屑，局部可見遭受氧化的砂巖(主要呈黃色，部分紅色)團塊殘留。同時，顯微鏡下可見黃鐵礦化對早期褐鐵礦的交代，因此認為氧化砂巖形成早，灰綠色砂巖由氧化砂巖還原而來，且形成晚，是次生成因。眾多證據表明，其早期為大氣降水滲入氧化作用形成氧化帶，后來被熱-還原改造地質事件還原成了現今的綠色帶。在垂向上礦體受潛水氧化帶控制，形態呈板狀。但“潛水氧化帶”也是灰綠色砂巖。對砂巖全巖X射線衍射定量分析，綠泥石含量高是灰綠色砂巖呈綠色調的主要原因。在高倍鏡下觀察，造成巖石顯綠色調的是一些“懸浮狀”的后生“條帶狀”綠色黏土膠結物，經電子探針成份檢測并與綠泥石類型成份相比，證明主要是鐵鎂綠泥石，少量葉綠泥石。鐵鎂綠泥石其Fe2O3<4%，按綠泥石化學成分分類，應屬還原態的綠泥石。因此，可以認為該綠色化砂巖是在還原環境下形成的。另外，從系統礦物學可知，鐵鎂綠泥石形成溫度為217.64℃～248.05℃，說明綠色蝕變是在低溫環境條件下形成的。從巖石地球化學指標特征看，對研究區氧化(紅或黃色等)砂巖、綠色還原砂巖、原生灰色砂巖、礦化砂巖以及白色還原砂巖樣品有機碳(OrgC)、總硫、Fe2O3/FeO、TFe、Th/U等的測試對比認為，有機炭(OrgC)、總硫在綠色帶中均較低，說明綠色砂巖在還原之前是氧化(紅或黃等)的砂巖，后經還原轉變而來，所以繼承了地球化學的特點[12]。 Fe3+/Fe2+比值在氧化蝕變砂巖中數值最大，說明經歷過后生氧化的過程，綠色蝕變帶中最低，反映大部分Fe3+轉變為Fe2+，其巖石地球化學環境具較強的還原性。因此，巖石化學分析結果也支持本區綠色蝕變是氧化砂巖在強還原環境下被還原轉變而來的觀點。

圖1 某工業礦孔柱狀圖Fig.1 A columnar map of an industrial ore hole

1.2.3 成礦時代特征 對鄂爾多斯盆地北部砂巖鈾礦的測年，前人所做工作不少，數據也較多。較早的基本用的是全巖樣品的U-Pb法，得出的年齡大多較老，早晚白堊世的居多，甚至還有晚侏羅世[34-36]。

近年來，有的學者利用鈾礦物微區原位方法，即激光剝蝕等離子體質譜法(fs-LA-ICP-MS)，對東勝、納嶺溝和大營鈾礦等做了鈾礦測年工作，發現存在大量年輕的年齡數據(見表1)[17]。可以看出，利用鈾礦物的微區原位方法測年，其最大的年齡是晚白堊世末期，另有大量的古新世、漸新世、中新世甚至還有上新世和更新世的數據。但基本上集中于4期，即晚白堊世末期、始新世—漸新世(58～24 Ma)、中新世—上新世(24～2.5 Ma)、更新世(2.5～1 Ma)。其中，晚白堊世末期、始新世—漸新世均為早期的層間氧化帶型鈾礦形成期。依據盆地的動力學演化[37]，由于始新世—漸新世鄂爾多斯盆地邊部解體裂陷，但斜坡地層產狀總體仍未有改變，地層中的鈾源繼續造成鈾礦的形成富集，故仍應以晚白堊世末期為早期的主成礦期。中新世—上新世、更新世時盆地已構造反轉隆升，轉為西隆東坳的格局，此時以耗散天然氣造成的鈾礦超常疊加富集及保礦為主，故而晚期成礦應以中新世—上新世為主。

表1 鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦年齡數據統計表[17，35-37]Tab.1 Statistical table of age data of sandstone type uranium deposits in northern Ordos Basin[17，35-37]

從中亞及新疆砂巖鈾礦成礦時代特征看，其與新構造運動密切相關，新構造運動期往往就是鈾礦成礦與集中富集期。經研究，鄂爾多斯盆地北部新生代在40 Ma、20 Ma、8 Ma、4 Ma和1.6 Ma前后新構造運動明顯 。新構造運動造成天然氣藏的破壞，導致天然氣大規模耗散。這些時期均有成礦年齡與之呼應。因此，盆地北部砂巖鈾礦獲得大量年輕的成礦年齡數據并不是偶然的，與該地該時期的新構造運動相響應。

將盆地油氣耗散特征與鈾礦化的時間結合進行分析[14]，不難看出，鄂爾多斯盆地北部的天然氣耗散充注和鈾成礦年齡之間具有較為明顯的因果關系。天然氣耗散與盆地北部砂巖鈾礦的富集作用，無論是在理論、實驗、地球化學機理還是在時空耦合方面，均具有密切的關系。

1.3 鈾礦的天然氣大規模耗散成因

目前的勘查成果已證實，同屬層間氧化成礦作用的砂巖鈾礦類型，如我國吐哈盆地、伊犁盆地的砂巖型鈾礦僅為大型規模(萬噸級)，而研究區的砂巖型鈾礦床卻為特大型(至少大于3萬噸)或超大型(至少大于5萬噸)規模。如此大礦量鈾礦床的產生，除豐富的鈾源之外，還需要有大量、有效的還原劑。研究區砂巖型鈾礦床早期成礦屬層間氧化型，與吐哈盆地、伊犁盆地的砂巖型鈾礦類型和成礦過程基本一致，即還原劑以地層特別是鈾儲層中的固體有機質和黃鐵礦等為主，其他條件并無太大差別，若后期沒有別的地質事件影響，則礦量與前述新疆的類型應該相差無幾。但是，鈾礦床在早期層間氧化型鈾礦化形成之后，又經歷了盆地強烈的后期改造，造成了油氣大規模耗散這一特殊地質事件。正是該事件為研究區砂巖型鈾礦床鈾的后期疊加富集提供了大量有效的氣體還原劑，從而造就了盆地北部系列超大型鈾礦床的形成。因此，油氣耗散地質事件是盆地北部鈾礦床大規模富集的關鍵因素，而不僅僅是前期研究中曾有人認為的只是保礦因素。

根據中亞水成鈾礦成礦理論，在基本成礦條件能滿足的前提下，決定砂巖鈾礦超大規模成礦或超常富集最主要的因素有2個：①含鈾地下水系統氧化成礦過程時間足夠長，只有構造斜坡長期穩定才能符合這個要求。在這種情況下，不一定砂體規模要求很大(一般達到20～30 m厚就足夠了，太厚了反而不利)，也不一定鈾成礦還原劑十分有效(只要灰色地層中存在一定的黃鐵礦、煤屑有機質即可)。因為此方面的不足可通過成礦時間較長來“彌補”，最后也能形成大規模鈾礦床。此種典型實例如中亞西部的世界級砂巖鈾礦礦集區(哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦等)。②雖然長時間成礦的條件不能滿足或雖構造斜坡已形成，但后期構造或盆地改造較為強烈，造成水成礦系統的改變或調整，如果在較短時間內有大規模的有效氣體還原劑，也可以形成大型砂巖鈾礦或礦集區[38]。

據此，可以認為，鄂爾多斯盆地北部砂巖鈾礦可能屬于后一種情況。伊盟隆起斜坡帶水動力系統成礦穩定的時間很短，因而不存在類似中亞那種長時間地下水穩定作用形成區域性層間氧化帶的情況。該區白堊紀末成礦時間開啟后“好景”不長，古新世中晚期伊盟隆起之北河套斷陷盆地發育，沉積范圍進一步擴大，切割了伊盟隆起鈾成礦區北部和西北部物(礦)源，之后，伊盟隆起又發生一定程度的東西向隆坳反轉。后期活躍的構造運動如此“折騰”，豈能形成大礦。好在鄂爾多斯盆地獨特的地質背景，即短時間內存在大規模天然氣耗散作用，提供了足夠的有效氣體還原劑，從而也在短時間內形成了東勝、納嶺溝、大營等系列特大型、超大型鈾礦聚集，成為世界級砂巖鈾礦礦集區。

1.3.2 礦床成因及模式 盆地北部鈾礦床為受油氣后期疊加富集成礦的典型[32-33]，其形成模式具有以下特點(見圖2)：

1)盆地東北部存在天然氣大規模耗散的地質背景。在鄂爾多斯盆地中北部上古生界不同層段中，發現有烏審旗、榆林、米脂、蘇里格、大牛地等多個大型氣田和巨大的天然氣儲量。在盆地東北部的廣闊范圍，存在來自中部大氣田上古生界天然氣向東北、北部方向大規模耗散的證據。在盆地北部烏蘭格爾古隆起南坡東西長100 km、南北寬13 km的范圍內，已發現約45處白堊系油苗。據其各項地質特征綜合分析，油苗為來自該區南部上古生界煤系地層煤型氣運移耗散于此處地表所成的凝析油。盆地北部天然氣總體具有由南向北、最終匯聚到東北部的運移特點，在這個過程中，累計天然氣的散失量約占39.7%。而在盆地的東北部發現了我國目前最大的砂巖型鈾礦基地。研究表明，該區油氣等有機能源與鈾等金屬礦產的形成彼此作用，其產出和分布存在著密切的內在成因聯系。

鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦最大的成因特點，是自白堊世以來受到了大規模的上古生界天然氣耗散作用影響。這一事件導致早期形成的潛水和層間氧化帶型鈾礦在盆地的后期改造中得到有效的保護，并且伴有大規模鈾的后期疊加富集。盆地中部成熟煤型氣的持續向北運移并到達包括伊盟隆起在內的整個盆地北部地區，這是本區鈾超常富集的主控因素[38]。

2)盆地北部存在大規模天然氣耗散效應。在鈾礦區以北，形成眾多白堊系較高成熟度的冷析油油苗，砂巖綠色蝕變及延安組頂部大規模的白色砂巖等均是此還原性環境下形成的。礦體受綠色蝕變帶控制，且多呈板狀，明顯是受到垂向流體作用的古氧化-還原界面的控制，說明存在一次大規模還原性事件。成礦期黃鐵礦的硫同位素、方解石碳同位素等表明，有機質作用的特征明顯，且與上古生界天然氣的關系更為密切。

3)天然氣耗散造成鈾后期的大規模富集效應。實驗證明天然氣的主要組分如CH4、CO、H2、H2S等在地質環境內的任何溫度下，均是鈾的快速且有效的還原劑，礦層內檢測出天然氣和含鈾溶液反應生成脂肪酸甲酯的指示性有機化合物。礦體測年出現大量的古新世尤其是漸新世以來較新的年齡數據，天然氣耗散與鈾成礦存在較好的時代耦合關系，理論分析和勘查實踐證明，倘若不能滿足成礦時間足夠長的條件，但存在大量有效還原劑的情況下，也可以存在大規模鈾的超常富集作用。

圖2 鄂爾多斯盆地中北部上古生界天然氣大規模耗散圖Fig.2 Large scale dissipation of Upper Paleozoic natural gas in the central and northern Ordos Basin

4)“天然氣-水”混合流體具有低溫熱液的性質，這對北部鈾礦區來說是有利的鈾富集環境。其作用方向為“垂向滲流”，形成礦體形態多為板狀。相關成礦期產物包裹體測溫的低溫數據、礦石中低溫的礦石礦物組合、黑石頭溝地區存在晚白堊時期的玄武巖火山作用、使砂巖呈綠色原因的黏土礦物鐵鎂綠泥石為低溫還原性質、 漂白現象形成的高嶺石礦床的低溫熱液成因等，均可證明在低溫熱液作用下，鈾可加速富集。

綜上，可以看出，北部鈾礦床是一個以天然氣大規模耗散為主要特點的砂巖型鈾礦的成礦模式。其形成過程是，伊盟隆起是盆地中部石炭系-二疊系煤系地層生氣中心的天然氣長期向北運移的指向區。盆地中北部地區，由南向北、自深而淺依次有序分布C-P煤層系→大氣田區→氣異常區→鈾礦床和各類蝕變帶→油苗等，形成了多種能源同盆共存的天然示范區。盆地中部的成熟煤型氣向北運移，幾乎到達了包括伊盟隆起在內的整個盆地北部地區，使之整體具有與東勝鈾礦等類似的成礦條件，因此預測伊盟隆起具備世界級超大型砂巖型鈾礦礦集區。

2 柴達木盆地含鈾煤系烴源巖與頁巖氣

2.1 能源的總體分布

柴達木盆地位于青藏高原北緣青海省境內，面積12.1×104km2，是我國西部一個重要的中新生代大型陸相沉積盆地，資源量極為豐富，目前發現的能源礦產主要有石油、天然氣、煤和砂巖型鈾礦。

柴達木盆地含有豐富的能源礦產,在平面分布上,目前盆地發現的20多個油氣田中，石油大部分布在盆地的北緣和西部茫崖拗陷，天然氣中的生物氣分布在盆地東部三湖地區，煤型氣主要分布在北緣的伊北凹陷和魚卡凹陷，煤礦資源主要分布在柴北緣地區，有著著名的木里煤田(祁連山中)、尕斯煤田、賽什騰煤田、魚卡煤田、全吉煤田、德令哈煤田等。砂巖型鈾礦也主要分布在柴北緣地區，目前主要在北大灘、德令哈北、魚卡東部、冷湖三號地區發現了工業鈾礦或礦化孔。油砂礦主要分布于西部油砂山、以及阿爾金斷裂南側、冷湖和魚卡等地區。天然氣水合物分布于祁連山南緣多年凍土區木里地區。另外，盆地北緣為長年凍土區，也有天然氣水合物礦產存在的可能[21]。

在縱向上或地層層位分布上，石油賦存層位在柴北緣主要是古近系、新近系，還有部分侏羅系中下統層位，而烴源巖則主要是中下侏羅統。在柴西地區含油層位是N22-N2，而N11為主力源巖，另外還有E31、E3、E32儲層。在柴東地區天然氣層位和烴源巖均是第四系。另外，柴北緣侏羅系也是含氣層位之一，包括煤型氣、頁巖氣等。

在柴北緣，自西向東目前發現了十幾處煤礦(點)，賦存層位主要是中侏羅統大煤溝組和部分下侏羅統小煤溝組。砂巖鈾礦主要分布于中下侏羅統煤系地層的砂巖中，其次在冷湖地區的油氣藏頂部第三系砂巖層中也有所發現。

油砂礦賦存層位，主要在西部和北緣的油砂山組，阿爾金斷裂南側的上侏羅統地層中。天然氣水合物則主要在祁連山南緣130～400 m內的凍土層段中，賦存地層為中侏羅統江倉組。

2.2 含鈾煤系烴源巖與頁巖氣資源評價

柴達木盆地北緣侏羅系為含煤巖系和含鈾巖系,同時又是油氣重要烴源巖之一(見圖3)，石油及部分天然氣(油型氣、煤成氣)以侏羅系煤系地層為源巖。經微量元素及某些地球化學特征指標的測試分析發現，柴北緣中、下侏羅統含煤巖系烴源巖中,微量元素 U等元素含量明顯高于正常克拉克值。結合本區地質特征和礦產賦存背景,認為柴北緣侏羅系含煤巖系中的U元素對生烴產生了積極影響。進一步通過柴北緣烴源巖生烴模擬實驗發現，鈾的富集對烴源巖生烴有明顯的催化作用，表現為生烴量大幅度增加和生烴高峰提前，無機礦產鈾礦對有機的能源礦產油氣的生成具有明顯的催化作用。

圖3 侏羅系中烴源巖Fig.3 Oil shale and carbonaceous mudstone in Jurassic source rock

2.2.1 實驗條件和設計 首先將柴北緣烴源巖樣品進行酸化處理，然后取樣品油頁巖、碳質泥巖各100 mg進行分組實驗。第1組樣品不加任何礦物介質，另2組樣品分別加入10%和20%的UO2CO3溶液進行生烴模擬實驗。實驗溫度從200℃到800℃，每隔200℃取一個溫度點(100℃～200℃內的范圍變化值不是很明顯)，即選擇200℃、400℃、600℃、800℃ 4個溫度點，在每個溫度點恒溫30 min。

參照地幔巖包體氣體熱解質譜法，設計了質譜在線分析高溫熱解方法，各個溫度點收集相應氣體后，另外進行質譜分析，該方法具有較高靈敏度，可以測定高溫熱解生成的很少量的氣體組分。

實驗裝置如圖4所示，先將樣品放入管式電爐進行加熱，到預定溫度點恒溫30 min后，將生成的氣體通過冷阱送入到真空控制系統，并由MAT271質譜儀進行氣體組分分析，同時，氣體組分的峰值即在數據獲取系統顯示，最后經過數據處理即可獲取氣體組分含量。

本次實驗檢測的氣體有CO2、H2O、CO、N2、O2、H2、C4H10、C2H6、C3H8、CH4、Ar、SO2、H2S、HCl。實驗在中科院蘭州所油氣實驗室進行。

圖4 高溫熱解模擬實驗裝置圖Fig.4 High temperature pyrolysis simulation experiment device

2.2.2 結果與認識 模擬實驗結果表明，加UO2CO3在不同程度上影響了有機質的生烴率，表明存在明顯的催化作用。但具體的影響程度、氣體生成類型和產率(為累積產率，而不是分段產率)，又與有機質本身所處的巖石類型和溫度結點有很大的關系。

如圖5A所示，油頁巖在加熱時加入鈾元素，與未加元素相比，其總生烴(甲烷-丁烷)量明顯增加，尤其是在500℃以前，這一規律十分明顯。在400℃時生成量達到高峰，之后累計生烴量趨于平緩，這一現象在煤和油頁巖樣品的實驗中也很明顯。圖5B顯示加入鈾元素同樣對二氧化硫氣體的生成有促進作用，生氣量明顯增加，與未加元素相比，提前進入生氣高峰期，未加時是在800℃，而加入后提前到600℃；圖5C、D顯示加入鈾元素后，碳質泥巖樣品丙烷產氣量增加，相比未加元素，也提前進入生烴高峰，且對油頁巖有同樣的效果；圖5E、F顯示加入鈾元素，對碳質泥巖、油頁巖烴源巖丁烷產氣率有明顯促進作用，生成量增加幅度較大。

由上述模擬生烴結果可知，通過加入鈾元素，能使烴源巖的烴類氣體和非烴類還原性氣體的生成量增加，同時還使烴源巖生烴高峰提前。由此可以推斷，柴北緣地區侏羅紀地層中鈾的富集，可以促使該區低熟烴源巖生烴量增加，并提早進入生烴階段。而伴生生成的還原性氣體又反過來作用于含鈾物質，使其還原成礦,促使鈾的進一步富集。這一發現為我國低成熟度頁巖中為何具有豐富的油氣資源提供了科學依據。可見，在沉積盆地地下自然環境中，烴源巖的生烴過程不可能是一個簡單增溫增時的熱演化過程，其中可能參與的物質頗多，影響因素復雜。然這些可能參與的物質和影響因素又會因盆地地質環境的不同而有較大差異。這直接影響烴源巖的生烴過程和生烴量，通常所估算或評價的資源規模與實際情況相差頗大，這可能是其中較為重要的影響因素之一。

該項實驗發現為富含有機質且低成熟度的烴源巖催化提供了依據，地層溫度環境下烴源巖富鈾催化增加生烴量，這為我國柴達木盆地深部具豐富的低成熟度頁巖氣資源提供理論依據。

A 總生烴率;B 二氧化硫產氣率;C、D 丙烷產氣率;E、F丁烷產氣率圖5 柴達木盆地侏羅系烴源巖中加鈾對碳質泥巖、油頁巖烴源巖生烴的影響圖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 深部富鈾烴源巖為淺部砂巖鈾礦提供鈾源

盆地深部富鈾烴源巖是否為淺部砂巖鈾礦提供部分鈾源，答案是肯定的。盡管堅信傳統水成鈾礦理論的學者強烈反對這一觀點，認為砂巖鈾礦的鈾源是由造山帶蝕源區提供的。然而，近幾年作者的工作表明，深部烴源巖存在為淺部砂巖鈾礦提供鈾源的可能性[20]。

一般認為，砂巖鈾礦處于淺表層，成礦的流體為常溫的大氣降水，攜鈾流體富含氧，使得鈾元素氧化為六價狀態，從而大量溶解于溶液中，便于搬運遷移。遇到還原劑時被還原成四價鈾沉淀成UO2或瀝青鈾礦而成礦。這種情況在具有完整蝕源區及地下水徑流區系統時是存在的，中亞大規模層間氧化帶型鈾礦多是這一機制的典型。我國新疆境內天山造山帶許多山間盆地也具備這些條件形成砂巖鈾礦。這類水成鈾礦其鈾源終究是從造山帶或蝕源區而來。

然而，鄂爾多斯盆地北部的系列砂巖鈾礦存在大量晚白堊紀以后的、較為年輕的成礦年齡數據[17]。且在盆地的后期改造中，大約在56 Ma后，北部河套裂陷形成，切斷了北部和西北部的蝕源區物源，地下水系流向也發生了較大的變化，在這種情況下，那些大量的小于56 Ma的年輕的富鈾礦化其鈾源最有可能的來源則是盆地本身，即深部的富鈾烴源巖。新疆以東許多砂巖鈾礦多板狀礦體，流體機制以“垂向滲流”而非“層間滲入”為特征，均說明盆地在后期改造之后的鈾的疊加富集階段鈾源來自深部是可能的。

鄂爾多斯盆地南部長7段石油優質源巖以富鈾為特征,且鈾含量巨大。通過深部還原條件烴源巖中高溫高壓的模擬生烴實驗證明, 長7富鈾烴源巖在生排烴過程中也可以大量排出鈾元素,在合適的構造條件下，鈾可呈吸附態隨油氣-水流體遷移,可能為淺部的砂巖鈾礦提供鈾源[19]。

采集長7富鈾烴源巖樣品，模擬深部烴源巖的溫度、壓力和還原性環境等條件，進行了中高溫高壓條件下的模擬生烴實驗。結果表明:①在烴源巖生排烴的同時也可以大量排出鈾元素，且隨著溫度和壓力的增加，排鈾量也會增加，生烴量與鈾的攜出率呈明顯的正相關性，鈾的攜出率可達55%～75%;②在還原環境和中高溫高壓條件下，石油-水混合流體中排出的鈾元素既可呈四價又可呈六價形式， 且以UO2、 UO3及四價和六價的混合氧化物(U3O8、 U3O7及水合物UO3·H2O、 U6O7·H2O等)被吸附或呈水合物膠體形式遷移[19]。基于這一理論認識，認為鄂爾多斯盆地南部富鈾的長7烴源巖在生烴排烴的同時，既可釋放大量的鈾元素，同時還可在深部條件下被地下油田水流體所吸附或呈水合物膠體形式遷移，因此，在合適的地質構造環境下可為淺部提供鈾源。

惠安堡鈾礦位于鄂爾多斯盆地西南部或西緣斷褶帶的馬家灘段，其最大特點為處于不具備大型層間氧化帶鈾礦形成的穩定的構造斜坡帶、礦體分布較為獨立、形態并不是典型的卷型。容礦地層為淺部的直羅組。石油直接進入該套地層中，即含礦層直羅組本身同時也為油氣的儲層。直羅組砂巖具明顯的不連續碳酸鹽化及綠色蝕變等現象，與含油氣熱流體作用關系密切[20]。

4 判別油氣是否參與鈾成礦作用的地質地球化學標志

油氣耗散作用是近年來對鄂爾多斯盆地進行多種能源同盆共存研究時強調的一個概念。油氣生成后發生運移，并且與途經的流體-圍巖相互作用，耗損和暴露地表或大氣而損失，這一過程或地質作用稱之為“油氣耗散”[39]。目前，在鄂爾多斯盆地中北部上古生界不同層段中，發現了烏審旗、榆林、米脂、蘇里格、大牛地等多個大型氣田和巨大的天然氣儲量。在盆地東北部的廣闊范圍，存在來自中部大氣田上古生界天然氣向東北、北部方向大規模運移及耗散的地質作用,形成了盆地北部烏蘭格爾古隆起南坡約45處白堊系油苗[40-41]。進一步研究表明，盆地北部天然氣總體具有由南向北，并最終匯聚到東北部的運移特點(見圖6)。相對于聚集成藏期，盆地北部天然氣的散失量(體積)可達39.7%[42]。這表明，該區以南上古生界天然氣生成后約40%已經散失。該區油氣耗散的直接證據為地表白堊系層位的油苗以及淺表地層大范圍分布的上二疊統氣測顯示等。進一步的研究還發現，該耗散天然氣與周鄰流-巖作用形成了一些典型的還原蝕變現象，如東勝鈾礦的中下侏羅統綠色蝕變帶、砂巖中透鏡狀碳酸鹽化、延安組頂部大范圍的砂巖白色化、伊盟隆起帶鈾的后期超常富集與保存現象等。

4.1 砂巖的綠色蝕變

在東勝鈾礦區中侏羅統直羅組底部，有一條規模宏大的綠色砂巖蝕變帶，其長度超300 km,寬為2～35 km。該蝕變帶控制了東勝超大型砂巖鈾礦床的分布，鈾礦化嚴格沿砂巖的綠色砂巖蝕變帶前鋒線分布，成為當地找礦部門最主要的找礦標志。該綠色砂巖蝕變帶的形成與該區油氣耗散作用有關，它是早期層間氧化砂巖在油氣耗散還原作用下形成的產物[9-14,31-32]。主要證據有：①其內部仍存有團塊狀的氧化砂巖殘余；②化學成份上具有較高的Fe2+/Fe3+比值，說明形成于還原環境，然而，其總硫及有機炭的含量非常低，說明其前身為氧化帶，是后期的還原作用形成了現在的還原性質的綠色化帶；③在綠色蝕變砂巖碳酸鹽膠結物中，包裹體的氫、氧同位素值與正常大氣水相比明顯偏高，認為是流體中水的氫氧同位素受到了油氣成分的強烈混染所致；④綠色砂巖中的黏土礦物具有大量的后生還原性質的“條帶狀”鐵綠泥石礦物；⑤灰綠色砂巖中釷/鈾比值較高，說明其中鈾曾在較強的氧化作用下導致了明顯的遷出，同時，釔、鋯和鈮等偏堿性元素的偏高，應是砂巖后生綠色蝕變過程中堿性還原流體作用的結果，而“耗散天然氣-地下水”的混合流體符合這一地球化學性質。

因此，在砂巖鈾礦中，砂巖綠色化往往是油氣對早期氧化砂巖還原改造的蝕變標志。

4.2 砂巖的白色化

在東勝鈾礦區以及北東部，在東西長約120 km范圍內的中侏羅世延安組頂部，緊鄰砂巖綠色化帶之下位置，存在規模巨大的砂巖(部分泥巖或泥質粉砂巖)白色化，不僅在露頭，甚至在鉆井巖心中均可見到這一現象。有的可見白色與紅色砂巖相鄰共存，或含有紅色砂巖殘留，說明其前身為氧化砂巖，但現在的巖石地球化學特點則表現為總鐵含量及Fe3+/Fe2+比值都很低，說明其形成于還原性流體作用環境，并且原巖中的氧化鐵因被還原后大規模遷移而損失了。結合該區的油氣耗散作用背景，認為這一現象是耗散天然氣還原紅色砂巖的結果，并稱之為“砂巖漂白現象”。該區規模巨大的砂巖白色化現象的形成,是由成熟度較高的上古生界煤成氣向北耗散,將早期氧化砂巖中的Fe3+還原成Fe2+，而還原性的Fe2+在酸性環境下大規模遷出所致[39-41]。

圖6 鄂爾多斯盆地北部油氣運移耗散與伊盟隆起北西向鈾礦-天然氣共存富集區平面分布示意圖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

國外早就對紅色砂巖的油氣漂白現象有所研究[43-46]。對松遼盆地南部某油氣田邊緣一個油氣顯示井的磁性測量結果表明，油氣藏聚集過程同時伴隨了烴類蝕變作用的發生，也有研究發現褪色現象(即白色化)與鈾礦化有一定關系，為找礦標志之一[47-48]，有的把這一現象作為油氣運移的指向及油氣勘探的重要指示信息[49]。

4.3 部分不連續分布碳酸鹽化的廣泛分布

在東勝礦區目標層直羅組砂巖地層露頭可見較多的后生碳酸鹽化，形成所謂的“鈣質層”，其產狀主要呈不連續分布的透鏡狀鈣質砂巖團塊、局部強烈碳酸鹽化的“假鈣化木”等。尤其是其中的“鈣化木”十分引人注目，呈樹干表觀，中心未見年輪殘留，內部結晶好的方解石呈充填狀。這些后生碳酸鹽化與成巖作用形成的鈣質膠結砂巖特征不同，后者碳酸鹽結晶較粗，晶形好，為亮晶，而前者多為細-微晶，色深。在分布特點上，前者局部可見，后者多呈區域性穩定分布。經對上述后生碳酸鹽化碳同位素的分析,砂巖中方解石膠結物δ13C和δ18O特征顯示，方解石膠結物中碳的來源主要為有機碳。進一步與盆地石炭-二疊系油氣及白堊系油砂碳同位素相比，數據比較接近，而與中生界炭質泥巖及煤中有機質碳同位素特征相差甚遠，進一步說明了“鈣化木”中方解石晶體形成的碳質來源與盆地中部上古生界天然氣及北部的白堊系油苗同出一源[11]，盆地中部上古生界天然氣耗散至此提供了碳源。因此，本區存在的“假鈣化木”現象是盆地北部油氣耗散作用的重要標志之一，其成因也與東勝鈾礦的后期富集與保存有關。

4.4 流體包裹體H-O同位素異常標志

東勝鈾礦床成礦作用，主要是受到表生作用大氣降水與下部來源天然氣混合流體作用影響的結果，在這種有機-無機混合流體后生作用的蝕變產物和包裹體古流體中，必然要留下其相互作用的痕跡。利用穩定同位素以及包裹體流體(H2O)中氫氧等同位素的示蹤，是揭示這種有機-無機流體相互作用的有效途徑。如天然氣中的H2S氣體以及沉積地層煤中的硫源等，是形成后生黃鐵礦的重要硫源之一。砂巖碳酸鹽膠結物中的碳與CH4等有機烴類氣體及固體有機質中的碳質來源關系密切。包裹體水中的氫、氧等混染了天然氣中的CO、H2S、H2及CH4等有機烴類氣體中的相應氫和氧組分等，使得在流體作用產物的相應同位素值的變化上出現異常，這就是利用后生蝕變作用穩定同位素地球化學示蹤來研究砂巖鈾礦中有機-無機地質作用的理論依據[11-12]。

經對鄂爾多斯盆地北部鈾礦區J2z 地層鈣質膠結砂巖分離的碳酸鹽礦物進行熱爆-超聲波提取包裹體溶液的分析, 獲得了包裹體H、 O同位素組成的含量， 結果表明， 其δD為-31.6‰～-0.7‰，δ18O為12.31‰～30.99‰，而蝕源區δD為-54.6‰，δ18O為-0.15‰。依據地殼中不同類型或來源水的同位素組成規律分析，礦區成礦熱液的水溶液主要來自大氣降水。

在不同階段的蝕變產物H-O同位素組成中，成巖作用期→后生氧化蝕變→白色蝕變→綠色蝕變→礦化蝕變的流體演變過程中，δD和δ18O組成總體有逐漸增大趨勢，并在礦化蝕變中達到峰值。這說明在成礦階段存在還原性流體的改造活動，此時同位素分餾作用最為強烈。這種在礦化階段流體δD和δ18O組成達到最大值的特征，既可作為一種同位素地質學的找礦標志，還可認為是油氣作用的標志。這是因為，油氣中主要還原性氣體(如H2、H2S、CH4等)與大氣降水相遇發生同位素交換或分餾，促使地下水的δD值增高[50]。研究區礦化蝕變樣品δD值偏高與成礦階段具有豐富的油氣還原劑有關，表明天然氣在成礦中起到重要作用。

因此 ，古流體中氫、氧同位素異常可用來示蹤油氣等有機質流體參與鈾成礦作用。

4.5 白色蝕變的硅同位素異常

對鄂爾多斯盆地北部納嶺溝鈾礦礦石中鈾礦物的硅同位素、無礦原生沉積灰色砂巖黏土礦物以及白色砂巖中高嶺石的硅同位素進行對比，發現油氣作用的漂白砂巖與鈾礦物硅同位素一致，而與正常沉積物的相差甚遠(見圖7)。從而認為白色蝕變的硅同位素異常也是識別油氣參與作用的標志[10-11]。

硅同位素的測試采用丁悌平所提出的硅同位素組成測定方法，經過純化預處理之后，采用BrF5法測定硅同位素組成[51]。

對杭錦旗鈾礦富礦石中鈾石、 總黏土礦物以及漂白砂巖中的高嶺石選礦分離之后， 測定其中的硅同位素組成， 來探討鈾富集效應與高嶺石化的聯系。 測定結果顯示， 鈾石中δ30Si分布在-1.6‰～-0.4‰，均值為-1.0‰；黏土礦物中δ30Si分布在-0.4‰～0.2‰，平均為-0.1‰。可見，鈾石和黏土中硅同位素組成相差較大，反映了不同的成因與來源。而漂白砂巖中高嶺石的δ30Si分布在-1.8‰～-0.4‰之間，均值為-1.18‰，與鈾石中的硅同位素組成相一致，兩者存在物質上的一致性。從自然界中不同來源硅同位素的組成對比來看，與熱作用相關的物質中，硅同位素的組成偏負值，而低溫環境、沉積環境下形成的物質中硅同位素組成偏正值，鈾石和高嶺石中硅同位素偏負值的特征，可能也反映了它們的形成與熱事件作用相關。

綜上所述，高嶺石和鈾石具有相同的硅同位素組成，表明它們具有相同的硅質來源，是同一流體作用下形成。同時，前面也提到，高嶺石與鈾富集效應的成因相同，為同一期熱液作用下形成，而這里相同的硅同位素組成又為這一認識提供了更充分的證據，進一步從成因和物質兩方證實了高嶺石化和鈾富集效應的關系，說明它們的成因相同，都是油氣耗散作用下形成。

圖7 納嶺溝鈾礦白色砂巖、鈾礦石、正常沉積物以及自然界不同來源物質中硅同位素組成差異對比圖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 礦層有機質中的脂肪酸甲酯系列化合物

趙建社在實驗中證實了CH4對UO22+的還原作用，他將鄂爾多斯盆地的天然氣通入到含有鈾酰離子的溶液中，模擬天然氣在鈾成礦過程中的作用， 得到的主要產物為UO2。用Gaussian 03W程序對該實驗進行理論模型過渡態模擬和通過氣相色譜實驗測試，均發現并證實甲烷在還原UO22+的過程中同時生成了甲醇(CH3OH)。這一新發現在東勝礦床含礦層的有機地球化學測試中也得到證實[52]。

妥進才對東勝鈾礦區直羅組含鈾砂巖有機質中的芳烴餾分進行了檢測，從中檢出了豐富的脂肪酸甲酯系列化合物[15]。聯系到趙建社等的實驗結果可以發現，天然氣中的甲烷在還原UO22+的過程中同時生成了甲醇(CH3OH)，甲醇與地層中有機質產生的大量脂肪酸作用易于形成脂肪酸甲酯系列化合物，這就說明，天然氣作用于含鈾含氧的地下水，除可以導致鈾沉淀成礦外，還可以生成豐富的脂肪酸甲酯系列化合物的“副產品”。因此，上述分別獨立進行的實際測試、實驗室模擬實驗和理論計算彼此印證，從不同側面均證明，東勝鈾礦區在盆地的后期改造過程中，天然氣大規模的逸散和還原作用是東勝礦床鈾大規模后生疊加富集的重要因素。也就是說，該結果既證明了東勝礦區存在大規模油氣耗散作用，同時也證明了天然氣在鈾的富集成礦中的重要作用。

5 與油氣相關和無關砂巖鈾礦床容礦層中煤屑有機質的差異

當前，關于北方大型砂巖鈾礦床成因的認識中，有認為是類似中亞典型層間氧化帶型的，也有認為是與盆地后期改造和油氣耗散作用相關聯的。前者有伊犁盆地南緣的512礦床、吐哈盆地南緣的十紅灘礦床等，后者有鄂爾多斯盆地北部的東勝礦床、大營礦床等。其依據主要是控礦蝕變帶巖石礦物學、成礦環境、流體作用等。

而本研究則主要是從各礦床容礦層中煤屑有機質入手，對比分析了與油氣相關和無關的砂巖鈾礦床中容礦層煤屑有機質的差異。總體上，從煤屑有機質類型看，前者(即成因上與油氣相關的礦床)具有富腐泥組組分特點，其顯微組分具有強熒光現象，后者(即與油氣成因關系不大)多為富腐植質類型。從元素組成特點看，前者煤屑有機質形成于深埋后生的油氣生成階段，而后者為沉積成巖演化階段。從有機地球化學指標看，前者煤屑有機質有機地球化學為富含芳烴和瀝青質，其中的芳烴富含脂肪酸甲酯系列化合物，后者富含非烴。然而從兩者煤質的演化程度看，其煤屑有機質的成熟度均較低，且煤的演化均處于褐煤階段。因此，上述與油氣成因相關和無關的砂巖鈾礦床中煤屑有機質的差異并非是由于煤質的演化程度不同造成的。這種差別不是干酪根真正的生油作用造成，而是后生作用，即天然氣耗散作用于有機質細脈中形成了凝析油，并經微生物作用的假象結果。說明前者成礦作用中存在大規模油氣耗散作用，并對有機質煤屑的特點產生了重要的影響。

5.1 有機質類型不同

東勝礦床J2z(直羅組)地層及吐哈、伊犁盆地南緣鈾礦床J1-2sh(水西溝群)地層中，均可見到較多的有機質細脈(見圖8)。東勝礦床的“有機質細脈”鏡煤占90%左右，主要是還原條件下形成的鏡質組，瀝青質占2%～9%。據此，可稱其為“含腐泥質的鏡煤有機質脈”。

吐哈和伊犁盆地樣品幾乎全都是鏡質組成分(>98%)，局部見少量的殼質組分，鏡下極少見到瀝青質組分(<1%)，這個特征確實與東勝礦床有明顯的差別，作者稱之為“鏡煤有機質脈”。這反映了東勝礦床與吐哈、伊犁南緣鈾礦床相比，可能油氣作用的程度存在差異。

A 大營礦床；B 十紅灘礦床；C 東勝礦床圖8 含礦層位中的煤屑有機質脈Fig.8 Coal chip organic matter veins in ore bearing horizons

可見，組分的差別主要在于東勝礦床“有機質細脈”含“腐泥質”。而吐哈和伊犁礦區則未見到這一現象。而煤巖片的鑒定中還發現，大營鈾礦煤屑有機質細脈顯微組分顯示較強的熒光現象，也證明了煤屑有機質中含有天然氣耗散在其中形成的細微的凝析油[18]。

5.2 有機地球化學差異：演化環境

元素組成及比值是有機質的基本特征之一，也是判別有機質類型及環境的重要方面。對比相關礦區有機質的元素組成特征可以發現，有機質元素組成的特點是氧含量高，氫含量低，H/C原子數比值范圍小，O/C原子數比值范圍大。它們的母源來自于高等植物。

從鏡質體反射率看，東勝礦床Ro為0.441 0，吐哈礦區Ro為0.453，伊犁礦區Ro為0.482，總體演化程度均較低，處于低成熟階段，或相當于煤化作用早期的暗褐煤階段。因此，從各礦區有機質的Ro看，各礦床煤屑有機質細脈沒有差別，均處于未成熟階段，結合其他條件看，生油可能性不大。其中，東勝和大營鈾礦中的有機質演化的深埋后生階段(即油氣生成的重要階段)是一種假象(見圖9)，是由于天然氣耗散作用于煤屑有機質細脈中，形成了吸附狀細微的凝析油并經生物作用，從而形成生油階段的一種假象結果。這也說明了鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦成因與后生作用即天然氣耗散作用有關。

圖9 東勝鈾礦和伊犁盆地512礦床干酪根(有機質細脈)演變階段圖Fig.9 Diagram of evolution stages of kerogen (organic veinlets) in Dongsheng uranium deposit and Yili Basin 512 deposit

5.3 有機地球化學差異：有機抽提物

吐哈礦區樣品氯仿抽提物含量很低， 僅0.01%～0.03%，而在氯仿瀝青“A”組成中，非烴占優勢(>80%)，烴類很少(見圖10)，全部集中在非烴端點。這是因為樣品處于未成熟階段，無大量烴類生成。其中芳烴含量甚少，可謂是吐哈鈾礦區有機質抽提物的一大特征。

圖10 東勝礦床與十紅灘礦床煤屑有機質脈中氯仿瀝青“A”抽提組分三角圖解Fig.10 Triangular diagram of chloroform asphalt "A" extraction components in coal chip organic matter veins of Dongsheng and Shihongtan deposits

東勝礦床與吐哈礦區相比有很大的不同。樣品芳烴含量明顯較高，非烴含量相比較低，這也說明了東勝礦床有機質有少量烴存在。另外，東勝礦床有機抽提物也有自身的特點，綠色蝕變和礦石中的固體有機質抽提物中，一般芳烴比飽和烴含量明顯要高。這說明東勝礦床的鈾礦化作用、綠色蝕變作用與油氣作用的環境相關。

因此，從有機抽提物來看，與油氣相關的東勝礦床煤屑有機質富芳烴，而與油氣無關的十紅灘礦床煤屑有機質富非烴，且總烴含量也很低。這表明與油氣作用相關的鈾礦床煤屑有機質中含有一定量的輕質油，而與油氣作用無關的則沒有(芳烴含量低)。

5.4 原因分析

上述各砂巖型鈾礦床，在西北地區具有代表性,其特征不同,基本上可分為2組,一組以鄂爾多斯盆地北部東勝礦床為代表，另一組以吐哈、伊犁盆地南緣鈾礦床為代表。由上所述，它們在煤屑有機質方面的差異主要表現為：①前者煤屑雖以鏡煤為主，但仍含部分“腐泥質”(接近瀝青質成分，2%～9%)，這種鏡煤中含少量的“腐泥質”為油氣耗散充注作用的結果，而后者不存在這一現象；②前者顯微組分中的小孢子體及角質體具有強熒光現象，而后者沒有發現這個特征，這也是天然氣充注后的凝析油現象造成；③煤屑元素地球化學特征方面，前者有機質環境為深埋后生階段，后者為成巖作用階段，表現出有機質的演化階段不同；④煤屑的有機地球化學(抽提物)方面，前者烴含量高，非烴含量低，對芳烴進一步測試，發現芳烴中含較多的脂肪酸甲酯系列化合物，后者以非烴占優勢，芳烴含量較少。綜上，說明上述各礦床中煤屑有機質的差異特征是客觀存在的。結合該區前期的研究，形成差異原因為：

1)鄂爾多斯盆地北部存在大規模油氣耗散事件的地質背景

這一特征在前文已經有敘述。研究區上古生界天然氣大規模向北耗散，不僅產生了諸多地質效應或現象，如礦區直羅組的綠色化及附近的漂白現象，而且還在容礦層煤屑有機質顯微組分及后生碳酸鹽的膠結物中留下了凝析油[18]。可見，鄂爾多斯盆地上古生界天然氣大規模向北耗散，在直羅組鈾礦容礦層中充注，由于表層冷卻在局部形成凝析油，這一過程仍然是有跡可循的。

2)煤屑有機質成熟度(Ro)的證據

上文已經提到，伊犁、吐哈鈾礦區有機質的演化發生于沉積成巖階段，而東勝和大營鈾礦則發生于深埋后生階段，這是一個重要的差別。但實際上這只是一個表象或假象，因為它們的成熟度(Ro)特征沒有差別，均處于有機質的未成熟階段，生油可能性不大。造成這一假象的原因就是后期的天然氣耗散充注作用。東勝和大營鈾礦由于天然氣耗散作用于有機質細脈中形成了凝析油,并受細菌生物作用，從而形成了“生油”這么一種假象。這也說明了鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦成因與后生作用即天然氣耗散有關。

3)煤屑有機質中存在大量細菌微生物作用

已有大量的研究證明，鈾礦容礦層中煤屑有機質存在大量的細菌微生物。已報道發現的微生物類型及作用有：①吸附和還原六價鈾，有硫酸鹽還原菌(SRB)、鐵細菌(IB)；②改變環境pH和Eh值利于鈾成礦，有硫桿菌、硝化細菌、亞硝化細菌；③通過代謝作用，加快有機-無機物之間的轉換，創造有利的成礦環境，有反硝化細菌、芽孢桿菌等。SRB數量分布與鈾含量之間的正相關關系，可以為層間氧化帶分帶提供明顯的分帶指示標志[52-54]。

這些微生物以油、氣、煤等作為“食糧”，進行代謝作用，在此過程中，對鈾成礦產生作用。如對512礦床的研究發現，瀝青鈾礦富集在侏羅系砂巖植物碳屑的細胞腔內，富礦石中存在多種已鈾礦化的芽孢及藻類等微生物化石[55-56]。

也就是說，正因為煤屑有機質中存在大量細菌微生物，才使耗散的油或氣被微生物“捕獲”保存或被代謝降解，在這一過程中可能產生一些還原性氣體，從而對鈾成礦產生積極的影響。也正因為在煤屑有機質中存在較多種類的微生物作用，于是形成“腐泥質”組分。這就解釋了與油氣成因有關的東勝礦床中煤屑有機質含較多“腐泥質”組分的原因。

4)鈾礦容礦層中的煤屑有機質存在凝析油的有機地球化學證據

前期的研究中，東勝鈾礦礦石檢測出富12C的方解石包裹體“鼓包”中富“25-降蕾烷”，而這種“25-降蕾烷”有機物是凝析油存在的標志，證明凝析油大量存在，并被硫酸鹽還原菌降解。在這一微生物降解油氣的過程中，同時釋放H2S和CO2，這是大量黃鐵礦和方解石膠結物生成的硫源和碳源[57-59]。

6 結論

通過上述沉積盆地有機礦產(油-氣-煤)對鈾成礦作用機理的總結，可以得出以下結論：

1)關于多種能源同盆共存的時空關系方面，油氣往往分布在盆地的中心，而砂巖型鈾礦多數分布在盆地的邊部。油-氣-煤-鈾多種能源同盆共存普遍，其含礦層位聯系密切，成藏(礦)-定位時期相同或相近，油-氣-煤為成礦提供還原劑或還原性環境，鈾為生烴起到催化作用。這顯示出多種能源礦產的成藏(礦)作用有著密切的內在聯系和統一的地球動力學背景。

2)沉積盆地有機礦產(油-氣-煤)對鈾成礦的積極作用，天然氣規模性耗散是鈾后期疊加及超常富集的關鍵因素，鈾的存在對烴源巖生烴具有催化作用，深部油氣烴源巖可以為淺部砂巖鈾礦提供鈾源。油氣對鈾成礦作用的流體方向為“垂向滲流”，使礦體形態多呈板狀及鈾礦床成因具有低溫熱液作用的特點。油氣作用形成的礦床往往沒有典型的層間氧化帶，卻常具后期還原性蝕變帶(綠色蝕變或白色砂巖)控礦特點。

3)油-氣-煤對鈾成礦的積極作用存在許多可識別的地質地球化學標志。沿著油氣耗散方向的淺表層，存在明顯的系列油氣蝕變現象，如砂巖的綠色蝕變、漂白現象、透鏡狀“鈣質層”現象等。表現在地球化學特征上，則是包裹體流體的H-O同位素異常、白色砂巖Si同位素異常、有機地球化學指標如脂肪酸甲脂異常、容礦層煤屑有機質成分及有機地球化學指標異常等。所有這些構成了多種能源同盆共存的天然示范區，為超大型砂巖鈾礦的找礦提供方向。

4)鈾的存在可以使烴源巖生烴量增多和液態烴生成門限溫度降低。鄂爾多斯盆地長7石油烴源巖及柴達木盆地北緣侏羅系油氣烴源巖均具富鈾特點，解釋了鄂爾多斯盆地南部富烴凹陷的形成及盆地油氣豐富的原因。同時，也為我國柴達木盆地深部具豐富的低成熟度頁巖氣資源認識提供理論支撐。