柴達木盆地北緣油氣與砂巖型鈾礦化關系研究

王繼斌, 廉 康, 陳 擎, 王 剛

(核工業二〇三研究所,陜西 西安 710086)

柴達木盆地北緣位于祁連山造山帶前緣,屬山前構造變形區,是柴達木地體和祁連山地體的構造邊界(陸松年等,2002)?？拷杈壱园l育逆沖疊瓦構造、雙重構造為主,向盆內逐漸轉為沖斷褶皺帶,主要發育對沖構造、沖起構造和斷層相關褶皺,馬仙等走滑斷裂附近發育似花狀構造(王大華等,2016)。柴北緣廣泛分布的新生界是油氣的儲集層,也是鈾礦化的主要賦存層位。近年來,隨著“新區、新類型、新層系”鈾礦找礦工作的開展,在柴達木盆地油氣區附近發現了諸多鈾礦化,初步認識到油氣為鈾礦化的形成提供了還原劑?；诖苏J識,已在柴達木盆地西緣咸水泉、七個泉、躍進、英東等油氣區發現了多個鈾工業礦孔和礦化孔,初步落實了七個泉、躍進等礦產地,取得了較好的鈾礦找礦成果(陳擎等,2020)。柴達木盆地北緣油氣資源也較為豐富,有馬海、南八仙、魚卡等油氣田,但對區內新近系鈾礦勘查工作投入相對較少,僅開展了大范圍的調查評價工作,在油氣田外圍新近系中初步發現了一些與油氣還原相關的砂巖型鈾礦化線索。根據發現的鈾礦化線索,前人對構造與鈾礦化關系、鈾礦化特征等做了較多的研究(劉林等,2008;權志高,2011;廉康等,2019;張淼等,2021),對柴達木盆地侏羅系中的煤、鈾、油氣的成藏(礦)特征、時空分布規律也進行了系統性研究(王丹,2015),但對新近系中鈾礦化的分布及鈾富集成礦過程與油氣的時空關系研究相對欠缺。因此,筆者在歸納分析柴北緣鈾源、鈾儲層、構造及水動力體系等鈾成礦地質條件的基礎上,總結柴北緣油氣分布和運聚、放射性異常分布特征,分析鈾礦化與構造、油氣的時空關系,探討與油氣還原相關的砂巖型鈾礦成礦機理,有助于成礦遠景預測,為鈾礦勘查工作提供理論依據。

1 鈾成礦地質背景

1.1 鈾源

柴達木盆地北緣基底主要由達肯達坂群高級變質巖、全集群碎屑巖夾玄武巖、上奧陶統灘間山群淺變質巖和不同時代的侵入巖體組成。柴達木山和綠梁山侵入巖體分布廣泛(圖1),主要為花崗質糜棱巖、糜棱巖化花崗巖、眼球狀花崗巖、偉晶巖等(陸松年等,2002),是柴北緣主要的鈾源。前人通過采樣分析,達肯達坂群變質巖中U含量為(3.49～3.40)×10-6,Th含量為(20.29～14.50)×10-6,Th/U為5.95～4.26(1)劉林,2008.青海省柴達木盆地北緣1∶25萬鈾資源區域評價[R].西安:核工業二〇三研究所.;柴達木山巖體中的眼球狀花崗巖U含量為(4.74～12.30)×10-6,Th含量為(25.00～55.90)×10-6,Th/U平均值為4.90;綠梁山花崗閃長巖U含量為(2.10～2.63)×10-6,Th含量為(4.70～10.80)×10-6,Th/U平均值為3.17。變質巖及侵入巖體的Th/U均大于3,U淋濾流失嚴重,為柴北緣地區提供了豐富的鈾源。

圖1 柴達木盆地北緣油氣及鈾礦化分布圖

1.2 鈾儲層

柴達木盆地北緣蓋層由中生界、新生界組成。新生界從下至上依次為古-始新統路樂河組(E1-2l)、漸新統下干柴溝組(E3g)、中新統上干柴溝組(N1g)、上新統上油砂山組(N2sy)、下油砂山組(N2xy)、獅子溝組(N2s)、更新統七個泉組(Q1q)和全新統(Q4)。其中,新近系上干柴溝組、上油砂山組、下油砂山組目前已發現較好鈾礦化和鈾異常顯示,是柴北緣主要的砂巖型鈾礦找礦目的層。

中新世至上新世早期,柴北緣處于喜馬拉雅運動早期弱擠壓坳陷階段,馬海-大紅溝凸起、小柴旦-紅山凹陷及綠梁山前地帶以沉積為主。其中上干柴溝組發育辮狀河三角洲平原、前緣及濱淺湖相沉積,巖性主要為淺棕紅色泥巖、雜色泥巖、淺灰白色粉砂巖與淺灰色、淺黃綠色中粗砂巖,河流相砂體中板狀交錯層理發育(圖2a),泥-砂-泥結構穩定。下油砂山組發育辮狀河三角洲前緣相沉積,巖性主要為淺紅色、灰黃色泥巖、砂質泥巖夾灰色砂巖(圖2b)。

圖2 柴達木盆地北緣上干柴溝組和下油砂山組巖性特征

上新世晚期,柴北緣整體開始緩慢抬升,致使局部地段上油砂山組缺失,區內上油砂山組整體發育辮狀河相、辮狀河三角洲平原和前緣相沉積。山前巖性以厚層礫巖為主,向盆內逐漸變為厚層淺紅色、黃綠色泥巖,夾淺灰色中、粗砂巖。綜上所述,柴北緣新近系整體發育三角洲沉積體系,分流河道砂體發育,地層泥-砂-泥結構發育,具備形成層間氧化帶型砂巖型鈾礦的地層條件。

1.3 構造及水動力體系

柴北緣由北向南,由盆緣向盆內,可劃分為祁連山斷褶帶、賽什騰山-大煤溝逆沖推覆構造帶、冷湖-小柴旦前陸滑脫拆離帶和前陸盆地低應變區(王夏濤等,2008)。在前陸滑脫拆離帶內,古-新近統受晚喜山期構造運動的影響,由北向南形成一系列呈NW-SE走向的背馱式逆沖斷裂構造,在魚卡-大柴旦、尕西、馬海-大紅溝一帶形成一些長條狀或短軸狀的背斜構造,同時,受阿爾金造山作用的影響,形成一些切錯區域逆沖斷裂的近NE-SW向逆沖走滑斷裂(馬仙斷裂)和派生的NW-SE向次級雁列式逆沖斷裂(圖1)。這些由古-新近統發生擠壓變形的褶皺構造是油氣的良好圈閉,而斷裂構造不僅是油氣的運移通道,也是地下水的補給和排泄窗口。

柴北緣地勢具有北高南低,東西兩端高,中間低的特征,根據地下水補徑排體系,研究區西部可劃分為馬海和魚卡兩個水文地質亞區①。馬海水文地質亞區北高南低,古-新近統整體向南傾斜,賽什騰山、綠梁山逆沖推覆帶是主要的補給區,馬海-大紅溝前陸滑脫拆離帶是徑流區,陵間斷裂以南低應變區為排泄區,形成了完整的補-徑-排體系。魚卡水文地質亞區南北兩端高,中間低,北部柴達木山和南部綠梁山逆沖推覆構造帶是主要的補給區,魚卡-大柴旦凹陷是徑流區,伊克柴達木湖和區內大的斷裂構造是主要的排泄區,也具備完整的補-徑-排水動力體系。馬海徑流區地下水中U含量為3.27～40.1 μg/L,平均為14.51 μg/L,顯示徑流區水體中鈾含量偏高。綜合說明柴北緣地區具備形成砂巖型鈾礦的構造和地下水動力條件。

2 油氣及鈾礦化分布特征

2.1 油氣分布和運聚

柴北緣油氣資源較為豐富,中-下侏羅統暗色泥巖、厚層頁巖和油頁巖是主要的烴源巖,分布在魚卡-大柴旦、小柴旦-紅山凹陷中。柴北緣新生界主要發育沖積扇、河流、三角洲和湖泊相,新生界底部路樂河組和下干柴溝組下段主要以礫巖、砂礫巖為主,砂體成熟度較低,中上部干柴溝和油砂山組砂體以中、細砂巖為主,砂體成熟度較高,主要為巖屑長石砂巖,是柴北緣主要的油氣儲集層(王玉華,2002)。柴北緣已發現南八仙-馬海油氣田,在北陵丘-東陵丘、魚卡斷陷、紅山斷陷和北極星-無柴溝一帶新生界中也發現有小規模油氣區。

柴北緣漸新世末期到中新世早期(E32—N11),在古-始新統和漸新統下段粗碎屑巖層中形成了早期原生油氣藏。在上新世晚期(N22),中新統和上新統下部中、細碎屑巖層中形成了次生油氣藏(王玉華,2002)。次生油氣藏主要是烴源巖層和原生油氣藏中的油氣在構造作用力下經斷層、不整合面和高滲透砂體,沿斷裂構造傾向向上運移到馬海、南八仙等背斜構造圈閉中形成(李宏義等,2006),這些控制油氣分布的背斜構造圈閉主要位于前陸滑脫拆離帶地下水徑流區,構造樣式以斷背斜為主。

2.2 放射性異常分布特征

柴北緣新近系中已發現了諸多的鈾礦化、鈾異常信息,主要分布在魚卡-大柴旦凹陷、小柴旦-紅山凹陷和馬海-大紅溝凸起一帶,異常的賦存層位以中新統上干柴溝組、上新統上-下油砂山組為主。如綠梁山前和馬海地段鉆孔和地表新近系上干柴溝組砂體中發現的鈾異常(表1),氧化砂體中見有褐鐵礦化、高嶺土化,在還原砂體中見有炭屑、炭化植物碎屑、次生黃鐵礦等,部分砂體有油氣味或經油氣還原漂白呈灰白色。

表1 柴北緣砂巖型鈾礦化表

油氣田邊緣多會形成放射性異常環形暈圈,在油氣田的上方多形成負值異常,而在油氣田的周緣形成放射性高值異常,主要體現在鈾的衰變子體鐳和氡含量的增高。馬海地段活性炭面積測量顯示,沿馬海背斜兩翼分布兩條氡異常帶,背斜東北翼氡濃度平均值為5 105.4 Bq/m3,最大值為6 504.4 Bq/m3,西南翼氡濃度平均值為4 259.6 Bq/m3,最大值為10 248.9 Bq/m3。橫穿馬海背斜的能譜剖面測量和土壤酸解烴分析顯示,馬海背斜兩翼當量鈾含量呈增高趨勢,背斜核部多呈現背景值或較低值,酸解烴分析顯示背斜兩翼和核部均有甲烷高值異常(圖3)。油氣田周緣鈾、氡、甲烷異常的主要原因是含鈾含氧地下水在油氣藏附近因還原而富集。隨著新構造運動,背斜兩翼容易產生背沖斷裂,背斜核部產生扇形張性節理,鈾的放射性子體氡隨地下水通過斷裂滲移到地表,形成放射性異常。油氣中的甲烷等氣體不僅通過斷裂向上逸散,而且能夠通過圈閉核部的張性節理逸散,形成圈閉兩側及核部甲烷高值異常。

圖3 柴北緣馬海背斜油氣、構造與放射性異?？臻g關系圖(劉建軍等,2005)

3 鈾礦化與油氣、構造的關系

3.1 鈾礦化與構造

柴北緣新近系中發現的鈾礦化主要分布在逆沖推覆構造帶下盤斜坡構造帶(綠草山前ZKLC0-1、ZKLC0-2、ZKLC35-1)和滑脫拆離帶的背斜構造翼部(綠梁山前ZKL35-1、ZKL35-2、ZKL0-2和ZKMB0-1)。斜坡構造帶和滑脫拆離帶是地下水的徑流區,也是新近系三角洲平原和前緣相的主要展布區,具有較好的泥-砂-泥結構(廉康等,2019),受造山帶隆起掀斜作用影響,地層整體向盆內傾斜,有利于層間氧化帶的發育。新近系長期處于干旱、半干旱環境,地層中膏鹽含量較高,局部發育膏鹽層。膏鹽層在構造擠壓作用下,容易發生塑性變形而滑脫,在前陸滑脫拆離帶形成淺表斷裂,這些淺表斷裂切錯透水層,造成地下水的越流甚至排泄,改變水勢能方向,使得地下水向斷裂構造匯聚,促進了垂直斷裂走向的層間氧化帶的發育。

鈾礦化的形成與柴北緣新生代區域構造演化關系密切。喜馬拉雅早期伸展斷坳階段是成礦砂體的沉積成巖階段,整個柴北緣處于填平補齊期,中生代侏羅系含煤富鈾層遭受剝蝕發生二次沉積,不僅為新生界提供了鈾源,而且提供了還原介質。喜馬拉雅晚期擠壓反轉階段,周緣山體快速抬升,山前新生界掀斜產生向盆內傾斜的單斜構造和斷裂構造,形成了完整的補-徑-排體系,在單斜構造上發育的背斜構造減緩了水體的流速,有利于層間氧化帶的形成。

3.2 鈾礦化與油氣

基于油氣還原導致鈾富集的理論基礎,在柴達木盆地西緣咸水泉地段上干柴溝組中發現了與油氣還原密切相關的鈾工業礦體,賦礦砂體中見有石油浸染和石油沿孔隙、裂隙充注的現象,斷裂和系列破碎構造是油氣上升的主要通道(圖4)。

在柴北緣馬北地區,鉆孔ZKMB0-1淺褐黃色中砂巖中可見深褐色油氣浸染現象(圖5a),顯微鏡下,沿砂體孔隙可見黑色瀝青質和褐鐵礦化(圖5b),說明砂體經歷了油氣沿孔隙的充注還原和含氧水體的滲入氧化改造作用。通過對區內主要鈾礦化、鈾異常鉆孔巖芯鈾含量和甲烷含量的分析對比,發現具有較高鈾含量的巖芯甲烷含量也較高,但甲烷含量高時鈾含量并不一定很高(圖6),說明鈾的富集與油氣關系較密切。

圖5 馬北地區ZKMB0-1鉆孔中油氣還原與后生氧化

圖6 柴北緣主要鉆孔巖芯鈾含量與甲烷含量關系圖

4 油氣區砂巖型鈾礦成礦機制淺析

近年來,在鄂爾多斯、松遼盆地中發現了與油氣還原密切相關的砂巖型鈾礦床。柴達木盆地油氣資源豐富,古-新近系是油氣的主要儲集層,油氣提升了古-新近系的還原容量,彌補了卸鈾能力不足的缺陷(王丹,2015)。油氣和鈾的聚集與區域構造演化息息相關,構造作為媒介將油氣和鈾在時間和空間上聯系起來,形成了動態化、系統化的成礦體系。

弱斷陷和凹陷期為盆內主要的沉積期,是烴源巖和鈾礦成礦目的層的形成期。擠壓隆升期為主要的構造變形期,在區域構造作用下,沉積地層變形形成背斜、斷背斜等構造圈閉,伴隨擠壓作用,油氣沿斷裂構造向上述構造圈閉低壓區發生二次運移,在背斜圈閉中形成油氣藏。同時,擠壓造山作用增大了盆山高程差,山前逆沖推覆斷層下盤掀斜發育斜坡構造,形成完整的補-徑-排體系,利于含鈾含氧水的補入和層間氧化帶的形成①,如圖7所示。

圖7 油氣、構造、鈾時空關系圖

在空間關系上,油氣由深向淺、自盆內向盆緣逸散聚集,層間含鈾含氧水由淺至深、自盆緣向盆內運移排泄,在構造圈閉外圍形成層間氧化和油氣還原的接觸界面,因此造成油氣在下、鈾礦在上,油氣在內、鈾礦在外的空間關系(劉建軍等,2005)。油氣通過還原消耗了層間含鈾含氧水中的氧,將鈾酰離子中的U6+還原為U4+而富集成礦。

與近NW-SE向背斜構造同時形成,走向與背斜軸向平行的逆沖斷裂,或形成于晚期且斜切背斜的NE-SW向,或近S-N向斷裂構造是油氣向淺部運移的主要通道。斷裂交錯部位和斷裂切錯背斜圈閉的部位是整個背斜構造的低壓分布區,深部油氣和層間含氧含鈾水體在壓力差的作用下向該區匯聚,形成氧化-還原過渡帶,易于鈾礦體的形成。在柴西緣系列平行展布的背斜翹起端發現的鈾礦化,多受背斜軸向斷裂和橫向斷裂的控制,而馬海-馬北一帶背斜構造和斜切背斜構造的馬仙斷裂控制了油氣的分布,并在馬仙斷裂附近發現有放射性異常。

綜上所述,在橫切或斜切油氣聚集的背斜構造的斷裂附近是油氣逸散區,也是承壓水排泄區,易于氧化-還原過渡帶的形成,具有這種空間構造組合位置有利于古-新近系中油氣還原型鈾礦化的發育。

5 結論

(1)構造是連通油氣和層間含氧水的重要媒介,油氣通過斷裂構造向淺部運移,并在斷裂和背斜形成的圈閉中成藏。同時,具有承壓性質的含氧水通過斷裂排泄,油氣和含鈾含氧水在斷裂附近交匯,促進了氧化-油氣還原型鈾礦化的形成。

(2)柴北緣新近系中的鈾礦化主要受含油氣的背斜構造和斜切或橫切背斜的斷裂構造聯合控制,油氣還原與層間含鈾含氧地下水共同作用是形成鈾礦化的關鍵。