加拿大不整合面型鈾礦勘查研究新進(jìn)展

章展銘，蔡煜琦，衣龍升，劉佳林

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

加拿大不整合面型鈾礦床主要發(fā)育在阿薩巴斯卡盆地東部，從20世紀(jì)初至今已發(fā)現(xiàn)Cluff Lake、Rabbit Lake、McArthur River和McClean Lake等礦床。盆地主要產(chǎn)鈾區(qū)的工作，在詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上開始向深部資源勘探發(fā)展，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)個(gè)埋藏較深的鈾礦床 （Dufferin Lake、 Millennium、 Phoenix及Centennial等）。對其中Dufferin Lake、Millennium和Phoenix等典型礦床有針對性地從成礦流體、蝕變礦物組合、含礦構(gòu)造和鈾成礦年齡的研究受到廣泛關(guān)注。筆者根據(jù)加拿大不整合面型鈾礦的最新勘查研究成果，選擇典型礦床進(jìn)行介紹，以期為我國鈾礦勘查工作提供參考。

1 阿薩巴斯卡盆地簡況

阿薩巴斯卡盆地是發(fā)育在加拿大克拉通內(nèi)的一個(gè)中元古代沉積盆地。盆地基底包括以花崗質(zhì)變質(zhì)巖為主的太古宙-古元古代基底和某些綠巖帶。在塔特森—塞隆構(gòu)造區(qū)與哈德森造山帶之間的基底上形成了一條NE-SW向的凹陷。凹陷中充填中元古代以來的沉積巖與火山巖，在后期的造山運(yùn)動(dòng)中發(fā)生了一系列的褶皺變形，組成盆地蓋層。加拿大主要不整合面型鈾礦床分布在阿薩巴斯卡盆地東部（圖1）。

2 鈾資源勘查項(xiàng)目概況

加拿大是世界鈾資源和鈾生產(chǎn)大國，也是世界上最早的鈾生產(chǎn)國之一，早在20世紀(jì)30年代就開始了鈾和鐳的開采和生產(chǎn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì) （加拿大自然資源網(wǎng)，2018），2016年加拿大鈾產(chǎn)量（不整合面型）占世界鈾產(chǎn)量的23%，位居世界第二，這些鈾產(chǎn)品全部來自薩斯喀徹溫省。目前加拿大國內(nèi)鈾資源勘查工作有兩類：一是依托第2期能源和礦產(chǎn)資源（金、銅、鈾為主）填圖（GEM）項(xiàng)目，從2013年到2020年共投入0.95億美元（表1），集中在加拿大北部地質(zhì)資料不充分的地區(qū)開展基礎(chǔ)性調(diào)查研究，旨在發(fā)現(xiàn)近地表的金屬礦床，主要面向初級開發(fā)者，不需要進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；二是依托第5期靶區(qū)地學(xué)倡議（TGI）項(xiàng)目，從2015到2020年共投入0.17億美元（表1），屬于國家級項(xiàng)目，集中在加拿大南部地質(zhì)資料較豐富、研究程度較高的地區(qū)開展攻深找盲及創(chuàng)新性研究等工作，旨在改進(jìn)原有近地表礦床的勘查開采模型、提高原有礦山土地利用效率以及增強(qiáng)加拿大本土礦業(yè)公司的全球競爭力，主要面向采礦者，要求有較好的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)?？梢?，加拿大針對鈾資源的勘查工作，在開拓新遠(yuǎn)景區(qū)的同時(shí)仍然對老礦區(qū)進(jìn)行更深入的勘探研究工作，保證其鈾資源產(chǎn)量處于世界領(lǐng)先地位。

2010—2015年完成的第4期靶區(qū)（TGI4）地學(xué)倡議項(xiàng)目旨在發(fā)展新知識(shí)和創(chuàng)新技術(shù)（地球物理化學(xué)手段與3D建模等），提高對深部埋藏鈾礦床（銅、金、鈾為主）的勘查效率。筆者綜合TGI-4項(xiàng)目阿薩巴斯卡盆地不整合面型鈾勘查成果，從成礦流體、含礦構(gòu)造、蝕變礦物及成礦機(jī)制方面介紹加拿大不整合面型鈾礦勘查的新進(jìn)展。

圖1 阿薩巴斯卡盆地及其鈾礦床分布簡圖（據(jù)Kotzer，1995修改）Fig.1 Distribution sketch of Athabasca Basin and uranium deposits（Modified after Kotzer，1995）

表1 近年來加拿大國家礦產(chǎn)資源勘查項(xiàng)目Table 1 Recent years national mineral resources exploration projects in Canada

3 不整合面型鈾礦床研究進(jìn)展

圖2 阿薩巴斯卡盆地不整合面型鈾礦床成礦模式（據(jù)Jefferson修改，2007 a）Fig.2 Unconformity-related uranium deposit model of Athabasca Basin（Modified after Jefferson，2007 a）

不整合面型鈾礦指位于太古宙-古元古代變質(zhì)基底與中元古代含礫砂巖之間（被復(fù)活斷層系所交切的區(qū)域不整合面上部、下部或橫跨區(qū)），呈豆莢狀、脈狀、角礫巖帶狀或半塊狀集合體形式分布的高品位鈾礦［1］（圖2）根據(jù)不同產(chǎn)出位置不整合面型鈾礦床可被劃分為滲入型（基底控制）與滲出型（砂巖控制）。該類型鈾礦床主要產(chǎn)于阿薩巴斯卡盆地。盆地總面積超過85 000 km2，而約96%已查明鈾資源沿盆地東緣的北東向斷裂分布［2］。根據(jù)Hoeve and Sibbald［3］的Rabbit Lake不整合面型鈾礦床經(jīng)典模型，發(fā)現(xiàn)了McArthur River和Cigar Laker礦床（圖1）。近年來在盆地深部不同地質(zhì)背景下也發(fā)現(xiàn)了新的鈾礦床，例如產(chǎn)于盆地基底內(nèi)部、深度650～750 m的Millennium礦床［4-5］以及深度800～830 m、無石墨伴生的Centennial礦床［6-8］等，并且對典型礦床進(jìn)行更深入的研究，獲得了成礦流體、含礦構(gòu)造、稀土與鐵同位素特征、蝕變礦物組合和鈾成礦年齡等信息。

3.1 成礦流體研究

3.1.1 成礦流體成分

普遍認(rèn)為，阿薩巴斯卡盆地不整合面型鈾礦床成礦流體是一種熱的（160～250℃）、氧化性質(zhì)的酸性流體［9-10］，包括不同成分 （富氯化鈣、 氯化鈉等）的盆地鹵水［11-12］，含氣體成分 （CO2，CH4，H2S等）［13］，pH值 呈弱 酸（5～6）至強(qiáng)酸性（2.5～4.5）［9-15］。Dufferin Lake地區(qū)穿插基底含石墨泥質(zhì)片巖的石英脈中廣泛存在富甲烷和氮?dú)獾葥]發(fā)分的流體包裹體［16］。該現(xiàn)象被看作成礦流體與石墨、云母和長石發(fā)生流-巖反應(yīng)的結(jié)果。石墨消解形成甲烷，云母和長石分解形成氮?dú)?，以上現(xiàn)象均能較好地證明深部含礦流體對上部地層的改造。

3.1.2 流體還原機(jī)制

早先的不整合面型鈾成礦模式指出［3］，盆地深部鹵水與石墨反應(yīng)生成二氧化碳和甲烷，甲烷又能將六價(jià)態(tài)的鈾還原沉淀。Alexandre［17］提出石墨被輻解可以直接還原六價(jià)鈾。然而，在阿薩巴斯卡盆地的Cluff Lake、Centennial等礦床，以及澳大利亞麥克阿瑟盆地Nabarlek礦床中［18-23］，含石墨的基底巖石跟礦體并沒有空間上的聯(lián)系?？梢娛c鈾成礦的關(guān)系是存在區(qū)域性差異的，而總體來說石墨是加拿大不整合面型鈾礦床勘查工作中極其重要的指示礦物。石墨與上升的深部流體發(fā)生流-巖反應(yīng)，揮發(fā)分產(chǎn)物的逸散致使流體沸騰作用而加速鈾成礦，因此筆者認(rèn)為石墨更大程度上可被視為催化劑。相比之下，流體的參與是成礦的關(guān)鍵。烴流體［24］，黃鐵礦分解形成硫化氫氣體［25］，黃鐵礦氧化、黑云母綠泥石化及角閃石的伊利石化釋放出二價(jià)態(tài)鐵［17］，富NaCl鹵水與富CaCl2鹵水的混合作用［14］等還原機(jī)制先后被提出來，富含還原劑的流體具有強(qiáng)烈的成礦作用，石墨的分解只能作為流-巖反應(yīng)的一個(gè)標(biāo)志［16］。Potter等［26］發(fā)現(xiàn)氧化性酸性鹵水從蝕變礦物中浸出鐵會(huì)導(dǎo)致鐵鎂元素明顯分異，同時(shí)Acevedo等［27］確定了可以指示與鈾沉淀相關(guān)的氧化還原作用的鐵同位素特征（δ56Fe值大于0.5‰）。

3.2 含礦構(gòu)造研究

盆地沉積巖成巖前、成巖期和成巖后的基底構(gòu)造在不整合面型鈾礦的成因分析和應(yīng)用勘查模型［1-2］中都被當(dāng)作一個(gè)整體來研究。阿薩巴斯卡盆地不整合面型鈾礦床有關(guān)的構(gòu)造活動(dòng)大致劃分為兩期：一是成礦前韌性構(gòu)造活動(dòng)，流體包裹體信息顯示為高溫高壓的變質(zhì)環(huán)境；二是成礦期和成礦后北東走向的脆性構(gòu)造活動(dòng)，流體包裹體存在氣相和氣液相，顯示為溫壓相對較低的環(huán)境。前者是盆地基底的高溫塑性變形，而后者則在盆地蓋層形成后與成礦作用密切相關(guān)。Pascal［16，28］等人分別在Dufferin Lake和Phoenix礦床近礦部位觀察到石墨發(fā)生貧化。前人發(fā)現(xiàn)石墨的分布與構(gòu)造通道、鈾礦物存在耦合關(guān)系，因此依據(jù)石墨導(dǎo)電的特性，利用電磁法來識(shí)別不整合面型鈾礦的含礦構(gòu)造。該技術(shù)對構(gòu)造含礦性的探索發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)重要的現(xiàn)象：一是由于蝕變（石墨的消解）引起的電磁特征中斷區(qū)很有可能是成礦遠(yuǎn)景區(qū)；二是石墨含量的不足同樣會(huì)導(dǎo)致電磁性的中斷，而該斷裂帶是否含礦則需要地球化學(xué)等其他輔助信息。

基于前人認(rèn)為可能存在含礦流體對流的現(xiàn)象，研究人員［29］運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬流體在構(gòu)造中活動(dòng)的過程，并且以斷層數(shù)量為變量，細(xì)化單個(gè)對流室的規(guī)模，構(gòu)建出流體-構(gòu)造模型，發(fā)現(xiàn)基底構(gòu)造控制流體室的發(fā)育，得出含礦流體是經(jīng)由基底上升的結(jié)論。

3.3 稀土元素與鐵同位素特征研究

基于Phoenix礦床上覆沉積層砂巖的地球化學(xué)數(shù)據(jù)，研究者［30］運(yùn)用主成分分析方法，指出U元素與稀土元素（HREE＋Y、LREE、Pb）具有相關(guān)性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在富稀土元素地區(qū)U與V，Cr，F(xiàn)e，Ni，Cu，Cd，Na，Li，Ba有著強(qiáng)烈的正相關(guān)性，與HREE＋Y相關(guān)性不強(qiáng)，甚至與LREE＋P呈反相關(guān)性。該地區(qū)存在磷釔礦、獨(dú)居石和含鋁磷酸、硫酸鹽礦物，這些含稀土元素的礦物分布在赤鐵礦化砂巖中。根據(jù)U與Fe元素的正相關(guān)關(guān)系［27，30］，推測U是由氧化性流體運(yùn)輸，而相同地區(qū)未成礦地帶則是有可能是流體中U含量較低或者缺少還原介質(zhì)。

在McArthur River礦床四號(hào)礦體，研究人員［27］對鐵同位素進(jìn)行了研究，認(rèn)為亞鐵離子很有可能自身作為還原介質(zhì)，促進(jìn)了高價(jià)態(tài)鈾的還原：

同時(shí)發(fā)現(xiàn)該過程會(huì)導(dǎo)致Fe同位素分餾，導(dǎo)致出現(xiàn)56Fe富集的現(xiàn)象。

3.4 蝕變礦物學(xué)研究

蝕變的礦物學(xué)評價(jià)較早應(yīng)用于阿薩巴斯卡盆地不整合面型鈾礦研究，采用的技術(shù)方法從早期的巖相學(xué)研究和X射線衍射技術(shù)［31］到黏土標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算［32］，再到后來廣泛應(yīng)用的短波紅外黏土識(shí)別技術(shù)［33］。伊利石、高嶺石、鎂-鐵電氣石及綠泥石等黏土蝕變相的組合與已知的不整合面型鈾礦化系統(tǒng)存在空間關(guān)系，但局部黏土礦物含量和種類的變化也顯示出一定的復(fù)雜性。在McArthur River礦床所在的P2斷層中，Adlakha［34］發(fā)現(xiàn)成礦期磷鋁鈰礦化學(xué)成分和蝕變組合中鎂鐵電氣石、綠泥石含量的變化，即近礦部位磷鋁鈰礦中的稀土元素和鈾元素更富集，鎂-鐵電氣石和綠泥石明顯增多。

在阿薩巴斯卡盆地大多數(shù)不整合面型鈾礦床中，普遍伴生赤鐵礦化，反映了礦床的形成伴隨著氧化還原過程。前人［26-27］研究了阿薩巴斯卡盆地和塞隆盆地中蝕變礦物的鐵鎂同位素，發(fā)現(xiàn)含鈾的伊利石化樣品和赤鐵礦化區(qū)域樣品均有較高的δ57Fe和δ26Mg值，并且明顯的δ57Fe高值則可以指示氧化還原作用。在含礦斷層中，遠(yuǎn)礦巖石含有較低的δ57Fe值，說明尚未經(jīng)過成礦作用?？梢姡g變礦物中57Fe的富集和貧化特征可被視為指示區(qū)域氧化還原作用程度高低與否的證據(jù)，對鈾資源勘查具有重大意義。

3.5 鈾成礦年齡

元古宙盆地原生的鈾礦化可以追溯到盆地成巖期，但是由于晶質(zhì)鈾礦的性質(zhì)比較活潑，即使低溫環(huán)境下也可能發(fā)生重結(jié)晶造成放射性鉛丟失，從而破壞了U-Pb同位素體系［17，35］。區(qū)域巖漿作用對成巖后的鈾再活化和沉淀作用有著極其重要的影響。據(jù)盆地晶質(zhì)鈾礦年代學(xué)與巖漿巖侵入事件的時(shí)間關(guān)系，揭示了明顯的成巖后的鈾再活化和沉淀作用［5，36-37］。盆 地 一 礦 床晶質(zhì) 鈾 礦 的U-Pb同位素年齡1 723±16、1 721±20 Ma［25］，與同地區(qū)輝鉬礦的Re-Os同位素年齡1 724±4.9 Ma［36］一致。結(jié)合盆地輝長巖脈侵入時(shí)間2 165～2 170 Ma［37］，得出成礦作用發(fā)生在盆地形成的450 Ma之后的結(jié)論。

數(shù)字化建模結(jié)果［38］表明盆地中元古代蓋層Douglas組的油氣遷移到了基底和不整合面型鈾礦床所在位置，可能是導(dǎo)致阿薩巴斯卡盆地高品位鈾礦形成和保存的一個(gè)因素。成礦之后，分別在1 176、900和300 Ma又經(jīng)歷了三次重要的油氣遷移事件。Wilson［39］認(rèn)為鈾礦中有一些烴類的形成晚于成礦作用，生物標(biāo)志物研究成果則表明它們來自于Douglas組。因此，根據(jù)致使鈾再活化和沉淀成因的不同，使得該區(qū)域鈾成礦可劃分為兩大階段：一是前期巖漿作用相關(guān)的鈾活化階段；二是后期油氣遷移使得鈾活化沉淀。

4 結(jié)論

1）對鈾礦勘查方向開始向深部延伸，用地球化學(xué)和地球物理手段探索深埋礦體與（近）地表異常的聯(lián)系。礦體上覆砂巖層的蝕變礦物鐵鎂同位素分析表明鈾富集在δ57Fe和δ26Mg較高值的區(qū)域，結(jié)合地球物理（電磁法）資料，可劃分遠(yuǎn)景區(qū)。

2）蝕變礦物組合與鈾礦的關(guān)系密切。發(fā)現(xiàn)在含礦構(gòu)造中以磷鋁鈰礦、含鎂電氣石和綠泥石為主的礦物組合隨著與礦體的接近而富集，同時(shí)磷鋁鈰礦和綠泥石化學(xué)成分也隨之改變。并且含鈾的黏土礦物和赤鐵礦化區(qū)域樣品有較高的δ57Fe和δ26Mg值，而貧鈾區(qū)域則無該現(xiàn)象。

3）數(shù)字化建模開始備受關(guān)注，研究人員通過建立水動(dòng)力模型，探究流體、含礦構(gòu)造和成礦的聯(lián)系?；谇叭苏J(rèn)為阿薩巴斯卡盆地成礦作用可能與流體對流有關(guān)的設(shè)想，研究人員進(jìn)一步確定了單個(gè)流體對流室的規(guī)模，并且模擬出以斷層數(shù)為變量的對流模式，提供了滲出型（砂巖控制）和滲入型（基底控制）鈾礦床流體的動(dòng)力學(xué)解釋。

4）除了黏土礦物中的鐵可以直接作為還原劑之外，盆地鹵水與石墨的反應(yīng)產(chǎn)物和金屬硫化物、石墨消解釋放的揮發(fā)分也可以促進(jìn)鈾的還原沉淀。

5）根據(jù)鈾礦物與輝鉬礦的年代學(xué)關(guān)系得出，巖漿活動(dòng)對鈾的再活化與沉淀具有較大的影響。并且，數(shù)字模擬結(jié)果顯示后期的油氣遷移也有利于鈾的活化與富集。