中-东亚能源矿产成矿域基本特征及其形成的动力学环境

中国科学D辑:地球科学2007年第37卷增刊Ⅰ:1~15收稿日期:2007-03-21;接受日期:2007-05-15国家重点基础研究发展计划项目(编号:2003CB214600)、教育部长江学者和“油气盆地”创新团队发展计划项目(编号:IRT0559)和国家自然科学基金项目(批准号:40372096)联合资助*E-mail:[e-mail]中-东亚能源矿产成矿域基本特征及其形成的动力学环境刘池洋*邱欣卫吴柏林赵红格(大陆动力学国家重点实验室,西北大学含油气盆地研究所,西安710069)摘要世界已探明的砂岩型铀矿床的82%以上与已经探明的油气田或煤田同盆共存,表明油、气、煤、铀多种能源矿产同盆共存富集存在普遍,其中尤以中-东亚地区诸能源盆地典型.中-东亚巨型能源矿产成矿域(简称为中-东亚成矿域)东起我国松辽盆地,西止里海,地跨中国、蒙古国和中亚诸国,东西连绵逾6000km.该成矿域诸盆地多种能源矿产的赋存和分布具有以下特点: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,表明其间有着密切的内在联系和统一的地球动力学背景.中-东亚成矿域外生铀成矿过程可以距今100,50±2,20±(2~4),8~5Ma为界划分为5个时期.各主要含铀盆地的主成矿期及其差异,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.从工业利用和商业开采考虑,油、气、煤、铀共存、成藏和定位及其相互作用的密切联系,主要发生在盆地演化晚(末)期和之后.综合分析和对比中亚和我国诸能源盆地的成藏(矿)环境认为,相对稳定的区域构造背景和适度(较弱)的构造变动,是大中型砂岩型铀矿床、油气田(区)和煤田形成、共存和保存的必要条件;适于油、气、煤、铀同盆共存成藏、且资源甚丰的盆地类型,主要为内克拉通盆地和中间地块盆地及其相关的改造盆地.关键词中-东亚能源矿产成矿域油-气-煤-砂岩型铀矿同盆共存成藏(矿)机理盆地动力学油气、煤和铀为当今世界上昀重要的4种不可再生能源;在世界各国的能源结构、政治、军事、经济发展、社会进步和国家安全等方面均处于十分重要的地位.世界各国对其高度重视[1].油、气、煤几乎完全赋存在沉积盆地中早已成为人们的共识,也业已被百余年的勘探和生产实践所证明.外生沉积型铀异常和铀矿虽发现较早,但在20世纪70年代之前,分布在表层的各类内生热液型铀矿床一直处主导地位.目前,主要产于中新生代盆地中的沉积型铀矿,特别是其中的砂岩型铀矿,已是世界上分布昀广、可经济利用和勘查的主要铀矿床类型.对世界铀矿床产出的主要类型按储量份额排序,砂岩型名列第一[2].若剔去在全球分布极少的元古界不整合面型和石英卵石砾岩型超大型铀矿床,在2000年,砂岩型铀矿的生产量已占铀生产总量的76%[1].可地浸砂岩型铀矿的开采成本低、环境污染少,随着地浸开采技术的进一步发展,其产量占铀生产总量的比例将会更大.2中国科学D辑地球科学第37卷我国铀矿勘查在20世纪80年代之后陆续转入以砂岩型为主,目前在北方诸中新生代盆地中,铀矿勘查已取得了一系列重要进展,并发现多个(特)大型可地浸砂岩型铀矿[3].随着砂岩型铀矿在铀矿资源中地位和重要性的迅速提高,油、气、煤和铀4种重要能源矿产主要赋存在沉积盆地中已成为不争的事实.值得注意的是,砂岩型铀矿常常与油、气、煤产在同一盆地中,其空间分布关系密切.据国际原子能机构(IAEA)2003年统计,世界已探明的砂岩型铀矿床共有333个,分布在94个盆地中[4].通过对这些盆地油气、煤勘探开发现状的调研和对比,发现其中有54个盆地274个砂岩型铀矿与已经探明的油气田或煤田同盆共存,分别占含铀盆地总数的57.4%、占铀矿床总数的82%.此调研对比没有统计已有不同形式油气显示、有望发现新的油气藏,或曾发生油气聚集成藏、然现已遭改造或破坏的盆地.这类盆地为数不少,若将其计算在内,多种能源矿产共存的盆地及其中的铀矿床所占的比例会更高.尚需指出,在这4种能源矿产同盆共存、富集成藏过程中,同时伴(共)生有多种其他能源和非能源、金属与非金属矿产,如油页岩[5]、沥青、铝土矿、锗矿、膏盐和黄铁矿等.新近在鄂尔多斯盆地北部准格尔煤田黑岱沟矿上石炭统太原组顶部6号巨厚煤层中,发现与煤共(伴)生的超大型镓矿床[6].镓属典型的分散元素,自然界中很难形成独立矿床.故该矿床的发现对分散赋存元素在沉积环境中高度富集成矿提供了难得的剖析实例,具有重要的科学意义和应用价值.所以,煤及油气(层)中伴(共)生的金属元素的富集或成矿是一个值得重视的研究领域和重要的研究方向.这些能源和非能源、金属和非金属矿产同盆共存,共同构成了矿产资源丰富、类型多样、相对独立的盆地成矿系统[7].本文重点论及盆地中油、气、煤、铀4种主要能源矿产的共存及其赋存环境,尽管已发现的砂岩型铀矿遍布全球,但其富集成矿区的集中分布却有明显的分区性.无论砂岩型铀矿床的数量,还是总资源量,北半球(北纬20°~50°)均占主导地位,其中以中-东亚分布昀为集中.在中-东亚成矿区,油、气、煤、铀同盆共存尤为普遍和典型;从而呈现出单个盆地多种能源矿产共存,诸多能源盆地复合构成宏伟的能源矿产成矿域(带).涂光炽院士[8]提出的“中亚成矿域”和戴金星院士等[9]论及的“中亚煤成气聚集域”的东界,分别大致在我国内蒙古西部和新疆东部.现已发现油气、煤、铀共存的二连、松辽盆地处于亚洲东部,故称其为中-东亚能源矿产成矿域,简称中-东亚成矿域.我国目前所发现的油、气、煤、铀富集共存的盆地绝大多数在北方,是中-东亚能源矿产成矿域的组成部分.本文拟探讨中-东亚成矿域多种能源矿产同盆共存的基本特征和其形成的动力学环境.1中-东亚成矿域与能源盆地分布中-东亚巨型能源矿产成矿域东起我国松辽盆地,西止里海,东西连绵逾6000km.在该成矿域分布有数十个(特)大型油田、气田、煤田和砂岩型铀矿;其中多数盆地这四种能源矿产共存富集(图1).根据大地构造特征、区域演化和成矿条件等方面的差异,自东而西将该成矿域划分为松辽-鄂尔多斯、阿拉善-河西走廊、新疆和中亚4个成矿区.前3个地区主体位于中国北方,向北跨入蒙古国境内.1.1中国北方能源盆地我国北方已不同程度发现油、气、煤和铀共存的盆地十多个.这些盆地已成为我国多种不可再生能源矿产重要的生产基地或资源接替区.其中油气年产量(石油当量)超过千万吨的有松辽、鄂尔多斯、准噶尔和塔里木等大型盆地,逾百万吨的有二连、酒泉、吐哈和柴达木等中小型盆地,达数十万吨的有海拉尔、三塘湖和焉耆等小型盆地.此外,在潮水、酒东、伊犁等盆地已有不同程度油气发现和显示.我国煤炭资源量和产量居世界第一位,其中80%以上主要分布在北方;产层主要为石炭—二叠系和侏罗系,少数盆地的三叠系和古近系亦含煤层.侏罗系煤系地层遍布我国北方,以中西部储量昀丰.在鄂尔多斯盆地,有石炭—二叠系、侏罗系及三叠系三大套数十层煤层.上述含油气盆地大多都产(含)煤,其中的天然气田(藏),特别是大型天然气田,主要为煤成气田[10].我国砂岩型铀矿的规模勘查起步较晚,尚处于勘探和发现的初期阶段.目前已发现的砂岩型铀矿床主要分布在北方这些含油气、煤盆地内.其中在鄂尔多斯、二连、吐哈、伊犁等盆地中已探明有(特)大型可地浸砂岩型铀矿床,并发现多处铀矿化和铀异增刊Ⅰ刘池洋等:中-东亚能源矿产成矿域基本特征及其形成的动力学环境3图1中-东亚成矿域能源盆地与多种能源矿产分布图盆地编号及名称:(1)根河,(2)北黄海,(3)乔巴山,(4)内尔金,(5)东戈壁,(6)沁水,(7)南襄,(8)江汉,(9)银根,(10)河套,(11)雅布赖,(12)潮水,(13)巴彦浩特,(14)武威,(15)六盘山,(16)渭河,(17)酒泉,(18)共和,(19)大湖,(20)三塘湖,(21)吐哈,(22)敦煌,(23)比如,(24)萨彦,(25)福海,(26)塔城,(27)阿拉科尔,(28)焉耆-库米什,(29)南巴尔喀什,(30)伊犁-阿拉木图,(31)措勤,(32)田吉兹,(33)费尔干纳,(34)卡塔瓦兹,(35)印度河,(36)卡玛-基内,(37)特里克-里海.图中划归中-东亚成矿域的盆地边用红色表示,盆内长方形柱体从左往右依次为油、气、煤和铀,柱体高低表示已发现资源的多少4中国科学D辑地球科学第37卷常点.在松辽、海拉尔、潮水、酒东、三塘湖、柴达木、准噶尔、塔里木和焉耆-库米什等盆地,发现有多个铀矿和众多铀矿化及铀异常点.1.2蒙古国境内有关盆地蒙古国有10个面积在(2~7)×104km2的中新生代盆地[11],东、西两个临国界的盆地分别为中国海拉尔盆地和三塘湖盆地的外延.在东南部于中(晚)侏罗世—早白垩世发育的张性断陷盆地群,蕴藏有较丰富的有机能源矿产.已在东南临近中国的东戈壁盆地和海拉尔(-塔穆察格)盆地发现商业油气田,储油气层主要为下白垩统和上侏罗统砂岩,主要烃源岩为下白垩统河-湖相泥岩.在东、南部乔巴山、内尔金、中戈壁等盆地发现油页岩和沥青.蒙古国有石炭系、二叠系、侏罗系和白垩系等多套含煤地层,其分布自老而新从西向东迁移.以下白垩统褐煤产量昀高,主要分布在东部,已发现380多个煤矿和矿点1).铀矿化的形成和铀异常富集与白垩系及侏罗系褐煤层联系密切.外生铀矿床和成矿远景区均分布在东南部中新生代盆地群中,与煤和油页岩及油气同盆共存;现已发现2个铀矿床、32个铀矿点和100多个铀矿化点1).目前探明的铀矿床主要有与潜水或层间氧化带有关的煤岩型和砂岩型两类.其中砂岩型铀矿床规模较大,在蒙古国各类铀矿床中昀具工业开采价值.该类铀矿床主要产于盆地(主要为K1上部和K2底部)和古河谷的砂岩中,矿化地段的砂岩富含有机质碎屑和沥青1).1.3中亚的能源盆地中国之西到里海的中亚地区油气资源极为丰富,据不完全统计,已发现500多个油气田[11].除该区东北少数中小盆地尚未发现商业油气藏外,均不同程度地发现规模油气,且多数盆地发现众多油气田和多个大型、特大型油气田.现已探明石油可采储量约42.8×108t[12],探明原始天然气可采储量约10.3×1012m3[11].10多个含油气盆地主要分布在哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦、吉尔吉斯坦和塔吉克斯坦五国(以下简称中亚五国),临国界盆地向南、东分别延入阿富汗和我国(图1,表1).其中滨里海、阿姆河盆地油气丰富世界著名,费尔干纳盆地以油气“小而富”著称.目前,中亚已成为全球油气勘探的热点和新的油气生产区,油气发现和储量增长快速.截至2007年1月1日,哈萨克斯坦的石油储量和产量分别名列世界第11,17位，除中东波斯湾盆地诸产油国外,在亚洲分别位居第一、第二(中国分别名列世界第13,5位);天然气储量土库曼斯坦和哈萨克斯坦并列世界第11位,位居中国(15位)之前,名列亚洲第一;乌兹别克斯坦天然气储量位居世界第17位[12].该区主要含油气盆地大多有侏罗系及石炭系煤层分布,丰富的天然气以煤成气为主[9,10].表1中亚地区能源矿产盆地基本特征要素表a)主要沉积岩发现油气田和主要储集岩外生沉积型铀矿床国别b)盆地名称面积/104km2时代厚度/m油气田时代岩性含煤层系铀矿区矿层哈南巴尔喀什7Pz2,Mz,Rz4000有油气显示J1-2J,K,E1哈伊犁-阿拉木图5(含中国)Pz2,Mz,Rz5000见少量天然气和油气显示J1-2伊犁J,K,E1乌、塔、吉费尔干纳4T—Q800050多个J,K,E,N碳酸盐岩,砂岩J1-2费尔干纳E哈田吉兹4Pz2,Rz5000///？哈楚-萨雷苏15Pz2,K,E—N800021个D—P砂岩,碳酸盐岩C,JK2,E,N哈锡尔河18Pz2,J,K,Rz5000西部有油气显示C,J东土伦K2,E,N哈图尔盖11(6)Pz2,Mz,Rz500013个J,K1,C陆源碎屑岩J,K,