劉 倩

（荊州職業(yè)技術(shù)學院生物化工學院，湖北荊州 434023）

金屬鈾既是一種能源礦產(chǎn)，又是核工業(yè)的基本原料，因此被視為戰(zhàn)略資源而備受關(guān)注。我國鈾礦資源相對豐富，礦床類型較多，并且常與有機能源共生/存，如鄂爾多斯盆地、塔里木盆地等[1]。這些礦產(chǎn)共生富集可能受到有機-無機相互作用控制的問題已經(jīng)引起許多科學家的密切關(guān)注[2-5]，目前研究認為，鈾礦化過程中有機質(zhì)對鈾元素的絡(luò)合作用、吸附作用以及還原作用等較為顯著，主要表現(xiàn)為腐殖質(zhì)分子中腐殖酸和富里酸對鈾酰離子的絡(luò)合作用促進鈾的遷移，有機質(zhì)強烈的吸附作用和還原性有利于鈾的富集沉淀[3，5]，以及鈾的放射性對有機質(zhì)熱演化和微生物勃發(fā)的影響等[4，6]，這些相互作用對共生礦產(chǎn)的空間展布與時間序列具有一定的控制意義。但是，對于鈾礦化與有機質(zhì)內(nèi)在的動力學機理尚不清楚，尤其是鈾對有機質(zhì)成熟度的影響[4]。當前主要認為鈾礦化與油氣煤共生空間分布符合“烴類垂向運移微滲漏”模式[7，8]，但該模式忽略了環(huán)境的還原能力與流體勢之間的關(guān)系。因此，深刻理解有機-無機相互作用機理對于尋找油氣煤鈾共生礦產(chǎn)資源具有重要的指導意義。

1 鈾與有機質(zhì)的相互作用

鈾是天然放射性元素，在自然界中有三種同位素，分別為238U、235U 和234U，其核外的價電子層為5f36d17s2，可形成+3、+4、+5、+6 四種化合價態(tài)，自然界主要以+4 和+6 價的鈾穩(wěn)定存在[6]。金屬鈾的多價性導致其在成礦過程中對周圍環(huán)境變化敏感，從而易發(fā)生遷移與沉淀，導致局部貧化或富集。鈾以+6 價形式存在時具有良好的配位性能，能與許多配位體絡(luò)合形成配位化合物[6，9，10]。

自然界中存在腐泥型有機質(zhì)和腐殖型有機質(zhì)兩大類，其中腐殖質(zhì)分子的比表面積大、物理-化學結(jié)構(gòu)復雜、帶有多種活性基團，如羰基、羥基等，因此能與許多有機物、無機物等發(fā)生相互作用[3，11]，包括與鈾元素的相互作用。

1.1 有機質(zhì)對鈾的作用

有機質(zhì)良好的配位絡(luò)合作用、吸附作用和還原作用等參與了鈾元素的遷移、富集和沉淀，促進鈾礦的形成。而微生物較強的催化還原性，使其在鈾礦的形成過程中發(fā)揮著重要作用。

1.1.1 配位絡(luò)合作用 在有機-無機相互作用過程中，腐殖質(zhì)中的腐殖酸、富里酸一般都具有-COOH、-C=O、-NH2-等官能團，易與鈾發(fā)生配位絡(luò)合反應，表現(xiàn)出與鈾酰離子強結(jié)合的傾向，形成鈾酰有機配位絡(luò)合物如下[11-13]：

由此形成的鈾酰有機配位絡(luò)合物明顯提高了含鈾物質(zhì)的遷移性[14，15]，為鈾的富集成礦提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，是大型鈾礦形成的條件。

1.1.2 還原作用 自然界中鈾元素主要以+6 價的絡(luò)合物形式進行遷移[15]，使其能夠沉淀富集的兩個基本條件：一是具有高濃度的含鈾流體，保證充足的物質(zhì)來源；二是有能夠使金屬鈾沉淀的有利環(huán)境。地質(zhì)流體中+6 價的鈾只有被還原成+4 價才能沉淀下來，因此需要地球化學還原障為鈾的沉淀和富集提供有利的環(huán)境條件。大量研究表明，可作為鈾酰離子還原劑的物質(zhì)甚多，其中以有機質(zhì)及其產(chǎn)物最為常見[16]。在鈾與油氣煤共生的過程中，鈾酰離子被有機質(zhì)及其產(chǎn)物還原的作用機理如下：

有機質(zhì)在鈾的成礦過程中起到還原濃縮劑的作用，為鈾的富集提供了有利的還原環(huán)境。

1.1.3 吸附作用 有機質(zhì)具有強烈的吸附作用，能從溶液中吸附幾乎全部UO22+的能力[4]。在鈾元素被還原之前，有機質(zhì)通過吸附作用，加速鈾的預富集，同時經(jīng)過預富集的含鈾物質(zhì)又會被有機質(zhì)還原[11，17]。大量實驗證明，鈾的吸附量隨鈾的有機配合物的凝聚程度及外界環(huán)境條件的不同而不同，在pH=3.4 的酸性環(huán)境下，吸附量達到最大值[5，18]。

1.1.4 微生物作用 微生物具有個體小、比表面積大，吸附能力強的特點，可以吸附大量的重金屬、微量元素和有機質(zhì)，并且環(huán)境適應能力強，活動范圍廣，在某些反應中可以產(chǎn)生催化作用。在氧化-還原過渡帶，硫酸鹽還原菌將硫酸鹽還原為硫化氫，降低地下水的Eh 和pH，同時將+6 價鈾還原成+4 價鈾，如吐哈盆地十紅灘鈾礦床的形成過程中有機質(zhì)和微生物起到重要的催化還原作用[19，20]。

近來研究表明，微生物的活動及其代謝，一方面改變成礦環(huán)境的物理化學條件，促進金屬元素的遷移和富集；另一方面，微生物機體及其生命活動吸附某些成礦元素并使其礦化，在有利的成礦部位沉淀和富集[21，22]。

1.2 鈾對有機質(zhì)的作用

鈾對有機質(zhì)的作用體現(xiàn)在從有機質(zhì)形成烴源巖到形成油氣藏的全過程。

1.2.1 鈾對有機質(zhì)形成烴源巖的影響 有機質(zhì)含量是評價烴源巖的一個重要指標，而鈾的放射性能夠為生物提供能量，促使微生物快速繁殖，在某種程度上為油氣的生成提供了大量的有機物來源。

前人研究發(fā)現(xiàn)，地表2.8 km 下的巖石中存在豐富的細菌群，其主要依靠鈾的放射性使水分子轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃鈦慝@得有用的能量[23]。曾有調(diào)查研究報道，在廣島發(fā)生核爆炸后，生物的生長發(fā)育呈現(xiàn)出明顯的圈層分布特征，距核爆中心一定距離時生物異常繁盛[4]，說明鈾的放射性在一定程度上可以促使微生物生長，形成生物勃發(fā)現(xiàn)象。因此，富鈾的有機質(zhì)有利于形成高品質(zhì)的烴源巖，為有機能源的形成提供物質(zhì)來源。

1.2.2 鈾對烴源巖生烴演化的影響 據(jù)法國地球化學家Tissot 的有機質(zhì)熱降解生烴理論，只有當溫度達到有機質(zhì)的生烴門限時，有機質(zhì)才開始大量轉(zhuǎn)化為油氣。為探究鈾在烴源巖生烴演化過程中的作用，前人對不同類型的烴源巖做了一系列模擬實驗[4，24-26]，結(jié)果顯示鈾的放射熱能促使烴源巖有機質(zhì)的熱演化發(fā)生變化，有效降低生烴門限溫度，促使石油烴的提前生成[4]。當然，放射性衰變過程中產(chǎn)生的射線因具有極高的動能，當它們直接與有機質(zhì)發(fā)生碰撞時，也會導致碳鏈斷裂形成輕烴有機能源。

2 鈾與有機質(zhì)共生關(guān)系

金屬鈾礦與有機能源主要存在以下三種關(guān)系：（1）空間分布關(guān)系：鈾與有機質(zhì)在不同層位間的匹配分布；（2）統(tǒng)計關(guān)系：總有機碳含量與鈾含量之間具有良好的相關(guān)性；（3）地球化學分子關(guān)系：有機質(zhì)官能團與鈾元素之間化學鍵的相互作用[27]。

2.1 共生成礦模式

在鈾的礦化過程中有機質(zhì)既是良好的吸附劑，也是必要的還原劑，有機質(zhì)熱演化進程中，鈾是良好的催化劑，因此鈾與有機質(zhì)存在緊密的空間分布關(guān)系。據(jù)前人的研究[7]，鈾與有機質(zhì)遷移、富集、成礦（藏）模式（見圖1）。

在油氣藏圈閉范圍內(nèi)是油氣散失速率小于其聚集速率的相對封閉區(qū)域，垂向散失的油氣相對較少；而油氣藏圈閉以外是油氣散失速率大于或等于其聚集速率的非封閉區(qū)域，垂向散失的油氣相對多[7，8]。非封閉區(qū)上升的油氣及還原性氣體在近地表形成地球化學還原障，地層水中的+6 價鈾酰絡(luò)合離子被還原沉淀形成鈾礦。因此，一般在油氣藏的正上方形成鈾的相對虧損區(qū)，而在油氣藏周圍形成鈾的相對富集區(qū)。

雖然上述成礦模式解釋了鈾礦的形成過程及鈾礦賦存于油氣藏周圍的共生模式，但對賦存于油氣藏正上方的鈾礦共生現(xiàn)象并不能給予很好的解釋。

根據(jù)構(gòu)造應力學的基本原理，在油氣藏背斜圈閉中，核部裂隙一般較發(fā)育，翼部由于擠壓作用較為致密，故油氣在頂部的逸散速率應該相較翼部大；同時，根據(jù)油氣差異聚集原理，背斜圈閉中油氣水三者之間的空間分布一般表現(xiàn)為：氣在上、油次之、水在下，油氣藏中的還原性氣體不可能向下透過水層運移。為解決上述問題，在圖1 模式的基礎(chǔ)上進行修正，并建立新的共生成礦模式（見圖2）。

圖1 油氣藏與鈾遷移富集模式示意圖（據(jù)劉埃平等，1999）

對圈閉大小一定的油氣藏，當油氣藏底部存在油田水層時，油氣層中的氣體只能通過油氣藏核部發(fā)育的微毛細裂縫進行擴散上移。在圖2 中的B 區(qū)形成還原環(huán)境，含鈾的地下水運移至該處時，Eh 發(fā)生突變導致+6 價鈾被還原富集成鈾礦，此時鈾礦會賦存于油氣藏的正上方；反之，當油氣藏底部無水封存時，油氣層中的氣體主要通過圈閉的溢出點向外擴散，在圖2 中的A 區(qū)形成還原環(huán)境，此時形成的鈾礦賦存于油氣藏周圍。該模式較好地解釋了金屬鈾礦與有機能源礦產(chǎn)共生的不同空間分布關(guān)系。當然，這種空間關(guān)系還與含鈾流體勢差相關(guān)，一般情況下流體勢差越大，形成的金屬鈾礦越容易富集在油氣藏正上方；反之，則易富集在油氣藏周圍（見圖3）。

圖2 鈾礦與有機能源共生模式圖

圖3 鈾礦與油氣藏共生平面分布模式圖

2.2 鄂爾多斯盆地共生礦產(chǎn)

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西部，是重要的煤、石油、天然氣和鈾礦等多能源礦產(chǎn)共生的盆地[28-30]。受生烴凹陷、古風化殼、三角洲、古河道和古環(huán)境等多種因素的控制，盆地內(nèi)能源礦產(chǎn)的橫向空間賦存狀況表現(xiàn)為“全盆含煤、南油北氣、周緣為砂巖型鈾礦”的分布格局[31-34]。

盆地主要分布兩種鈾礦類型：一是東北、南部的古河道砂巖型鈾礦，二是西部層間氧化帶砂巖型鈾礦[32]。侏羅系礦化層中鈾含量與有機質(zhì)含量具有明顯的相關(guān)性[33]，說明有機質(zhì)可能參與了鈾礦化的形成。同時發(fā)現(xiàn)了大量高濃度鈾含量的油氣包裹體，通過鈾礦石中UPb 放射性同位素體系測得的礦床年齡與包裹體均一溫度測定的油氣藏年齡大致相同[33]，說明鈾礦體與有機物同沉積、同時期形成。通過巖相學觀察發(fā)現(xiàn)含鈾沉積巖中含有豐富有機質(zhì)、常見植物化石[34]，在掃描電鏡下可以觀察到鈾主要以吸附狀態(tài)存在于砂巖中[30，35]，說明鈾元素在富集、礦化過程中主要受到有機質(zhì)吸附作用的控制。蝕變圍巖多呈還原色調(diào)且具有較明顯的熒光效應[35]，礦體周圍賦存有黃鐵礦[34]，指示著良好的還原環(huán)境。

上述研究發(fā)現(xiàn)，鄂爾多斯盆地的鈾礦化過程可能伴隨著復雜的有機-無機相互作用。

3 應用與展望

油氣煤鈾能源共生的有機-無機相互作用機理及其成礦意義在資源勘探與開發(fā)、地質(zhì)構(gòu)造與成巖環(huán)境評價、環(huán)境污染治理以及節(jié)約經(jīng)濟成本等方面都具有重要的指導意義。

（1）能源勘探開發(fā)：利用共生能源的成礦（藏）模式預測油氣藏的有利分布區(qū)，指導油氣資源的有效勘探與合理開發(fā)。實踐中，根據(jù)鈾含量與有機質(zhì)含量的相關(guān)性，可以大致估算油氣藏的儲量；也可依據(jù)油氣藏周圍鈾的放射性異常大致圈定油氣藏的邊界。

（2）地質(zhì)構(gòu)造及成巖環(huán)境評價：若地表發(fā)現(xiàn)鈾的正異常，則地下深部可能存在封閉性較差的斷層或構(gòu)造裂隙；反之，地下地層的封閉性相對較好。根據(jù)金屬鈾還原富集成礦機理可以判斷成巖環(huán)境，若地下巖層中富含鈾，說明是還原性的成巖環(huán)境；若地下巖層中貧鈾，則說明是相對氧化性的成巖環(huán)境。

（3）環(huán)境污染治理：借鑒有機質(zhì)對鈾的強還原、吸附等作用，可以利用該原理治理環(huán)境污染問題。在工業(yè)廢水等有害物質(zhì)排放之前，利用植物（微生物）進行預處理，減少環(huán)境污染。

（4）節(jié)約經(jīng)濟成本：利用鈾異常預先確定油氣有利分布區(qū)，可提高油氣鉆井成功率，避免鉆空，節(jié)約成本。