加拿大鈾礦資源時空分布規(guī)律

陳念楠，李滿根，王 恬，聶逢君，蔡煜琦，劉 穎

（1.東華理工大學地球科學學院，南昌 330013；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

核能作為一種高效、經(jīng)濟、清潔的能源，也是一個國家改善能源布局和結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。加拿大位于北美克拉通，是前寒武紀地層和巖漿巖主要發(fā)育地區(qū)，賦存十分豐富的礦產(chǎn)資源，尤其是鈾、銅、鐵、鎳、金、鋅等金屬礦產(chǎn)，資源儲量和產(chǎn)量在世界礦產(chǎn)資源分布和供求關(guān)系上占有較大的比例。筆者對加拿大鈾資源的時空分布規(guī)律進行了歸納、總結(jié)，同時能為我國鈾礦勘查開發(fā)“走出去”戰(zhàn)略提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

加拿大地盾位于北美克拉通內(nèi)，元古宇時期可分為三個階：阿非比亞、赫利基亞和哈得賴尼亞階。阿非比亞階既是太古宇之上的克拉通覆蓋（碎屑沉積物），又是地槽沉積，其最底部是在缺氧的條件下沉積的，具有巨厚的含鈾黃鐵礦石英卵石礫巖層（如埃利奧特湖），在最大的鈾礦床鄰近地帶已發(fā)現(xiàn)酸性火山活動中心［1］。

哈德遜造山運動發(fā)生在阿非比亞晚期（1 850～1 650 Ma），加拿大地盾中鈾礦床的分布在空間上與阿非比亞-赫利基亞階不整合面有關(guān)。赫利基亞階主要由哈德遜造山帶之上的蓋層組成。它出現(xiàn)在丘吉爾構(gòu)造省（如阿薩巴斯卡盆地、塞倫板塊）、貝爾和南部構(gòu)造省（如蘇必利爾湖盆地）。在西部的奈因省，赫利基亞斜長巖體的侵入遍布整個埃爾森造山帶（約1 370 Ma）；格倫維爾成礦省的赫利基亞因格倫維爾造山運動（約955 Ma）而受影響。與埃爾森和格倫維爾造山運動有關(guān)的鈾礦床主要具有花崗巖的深熔特征，在造山運動后期，侵入的一些碳酸鹽雜巖中也含有鈾［1］。

而哈得賴尼亞階整體由下部的泥質(zhì)巖和砂屑巖、中部的粒狀礫石（含厚泥質(zhì)巖層、部分石英巖和碳酸鹽巖）以及上部的泥質(zhì)礫巖組成。這樣一系列的碎屑沉積為主的地層，鈾礦化在哈得賴尼亞階并不常見［2］。

2 鈾資源類型特征

2.1 鈾資源類型劃分

礦床分類是認識和闡明自然界種類繁多、形態(tài)各異、規(guī)模懸殊的各種礦床間的內(nèi)在聯(lián)系和共同規(guī)律的方法。不同時期的礦床分類，在一定程度上代表了人們對礦床的研究程度和認識水平。1965至1970年鈾勘查“熱潮”之后，出現(xiàn)了許多鈾礦床的新資料，而且發(fā)現(xiàn)了如脈型、侵入巖型和鈣質(zhì)礫巖型礦床；1974年，Ziegler提出鈾與釷的初始分布與硅鋁質(zhì)地殼的構(gòu)造歷史密切相關(guān)，認為鈾優(yōu)先與大陸地殼某些結(jié)構(gòu)元素伴生，并按成礦等級和主要構(gòu)造元素將鈾礦床分為15類［3］；1978年，Dahlkamp根據(jù)賦礦巖石與地層關(guān)系劃分，劃分出19種礦床類型［4］，其中6種類型具備經(jīng)濟價值，即：碎屑石英卵石礫巖、砂巖、鈣質(zhì)結(jié)礫巖、侵入巖、熱液脈和似脈型；1989年，Tarkhanov和Poluarshinov介紹了古地臺、地盾區(qū)內(nèi)前寒武紀礦床的大地構(gòu)造位置、年齡和形成條件特征的研究結(jié)果，并提出了含鈾大地構(gòu)造元素的新分類［5］；1989年，國際原子能機構(gòu)（IAEA）根據(jù)鈾礦床的含礦巖性、構(gòu)造、蝕變礦物共生組合、形成年代和空間分布等特點，分為15種主要鈾礦床類型，17種亞類［6］；1999年，Plant等人為了確認鈾礦床群之間的共同地質(zhì)背景，將IAEA列出的類型重新歸納成三個組合：巖漿巖/火山巖、變質(zhì)作用及沉積物/沉積盆地組合［7］；2013年，IAEA參考Dahlkamp等人的分類方法，將鈾礦床分為15種主要類型，36種亞類［8-9］。具體分類如表1所示：

表1 鈾礦床類型的一般分類標準［10］Table 1 General classification standard of uranium deposittypes[10]

2.2 鈾礦床數(shù)目及資源量特征

采用國際原子能機構(gòu)（IAEA）2013年的分類方法［11-12］，經(jīng)統(tǒng)計，截至2020年6月，加拿大總計發(fā)現(xiàn)鈾礦床160個，其中超大型礦床（資源量≥50 000 t）6個，占加拿大可統(tǒng)計鈾礦床總數(shù)的3.75%；大型礦床（10 000～50 000 t）37個，占23.125%；中型礦床（2 500～10 000 t）50個，占31.25%；小 型 礦 床（500～2 500 t）65個，占40.625%；未知規(guī)模礦床2個，占1.25%。主要包括元古宙不整合面型、古石英卵石礫巖型、侵入巖型、火山巖型、砂巖型、花崗巖型、變質(zhì)巖型、交代巖型和黑色頁巖型鈾礦床（圖1）。區(qū)內(nèi)總資源量約287萬噸，不整合面型鈾礦床共72個，資源量約185萬噸，占62%；其次為古石英卵石礫巖型（24個）和侵入巖型（29個），資源量分別約77萬噸和10萬噸，占26%和3%，其他類型鈾資源量約15萬噸，占5.2%（圖2）。

圖1 加拿大鈾資源成礦規(guī)律與成礦區(qū)劃圖Fig.1 Metallogenic pattern and zonation of uranium resources in Canada

圖2 加拿大鈾資源量與礦床類型頻數(shù)圖Fig.2 Numbers and resources of deposit types in Canada

3 鈾資源的空間分布特征

由于鈾礦形成的大地構(gòu)造背景的區(qū)別，使鈾礦在空間分布上呈現(xiàn)不均一性。不同礦床類型由于其形成的地質(zhì)背景的差異，加拿大鈾礦床主要聚集在3個鈾成礦省、9個鈾成礦帶。具體成礦區(qū)帶及典型礦床見表2。

表2 加拿大鈾成礦區(qū)帶及簡要特征Table 2 Uranium metallogenic zone and brief characteristics in Canada

阿薩巴斯卡盆地鈾成礦省是發(fā)育在加拿大克拉通內(nèi)的一個中元古代沉積盆地。盆地基底包括以花崗變質(zhì)巖為主的太古宙-古元古代基底和某些綠巖帶［13］，盆地內(nèi)部構(gòu)造復雜，有很多與正向基底構(gòu)造單元有關(guān)的北東向斷裂和剪切帶［14］。鈾礦床多與中元古代紅色碎屑巖建造和古元古代石墨質(zhì)片巖-片麻巖建造組合相關(guān)，這些眾多礦床分布于阿薩巴斯卡盆地邊緣，不整合覆蓋在阿薩巴斯卡群之上，如東阿薩巴斯卡、東南阿薩巴斯卡鈾成礦帶等。

布蘭德河—埃利奧特湖鈾成礦?。˙lind River-Elliot Lake）位于加拿大地盾南緣的安大略省南部的休倫統(tǒng)超群中，其中埃利奧特湖地區(qū)邊緣形成一系列的構(gòu)造盆地和地槽，鈾礦化發(fā)生在以石英和長石為主的馬汀內(nèi)達組（Matinenda）礫巖中［10］，即石英卵石礫巖型鈾礦床。這類鈾礦床分布于克拉通盆地內(nèi)或克拉通邊緣坳陷區(qū)，該區(qū)基底強烈褶皺、變質(zhì)，礦化層位為輕微變質(zhì)的礫巖層。主要賦存在Elliot Lake成礦帶上。

格林維爾是加拿大地盾東南翼上的一條晚元古代造山帶，格林維爾鈾成礦省控制成礦的偉晶巖建造形成于格林維爾運動（1 050～850 Ma）［15］。鈾礦和其他鈾釷礦物產(chǎn)于新元古代-古生代花崗巖、正長偉晶巖帶下部和副片麻巖的接觸帶中，呈脈狀、透鏡狀及不規(guī)則狀產(chǎn)出［16］，鈾礦床主要分布于Bancroft鈾成礦帶、格林維爾鈾成礦帶和Mont Laurier鈾成礦帶。

4 鈾資源成礦時代特征

鈾成礦作用在地球演化的各個地質(zhì)時期中分布是不均衡的，鈾礦床較多而相對集中出現(xiàn)的地質(zhì)時期，通常稱為鈾礦的成礦時代。通過對鈾礦時代的厘定，對認識鈾成礦、尋找鈾礦具有十分重要的意義，為深化認識整個地球以及地殼演化歷史和階段劃分提供了依據(jù)。根據(jù)加拿大鈾礦床成礦作用特點及分布，加拿大鈾礦床主要形成于太古宙晚期-古元古代早期、古元古代、中元古代、中-新元古代、古生代5個成礦時期。

4.1 太古宙晚期-古元古代早期鈾成礦期（2 600～2 500 Ma）

形成于太古宙晚期-古元古代早期的古石英卵石礫巖型鈾礦床分布于安大略省南部埃利奧特湖區(qū)（Elliot Lake），該地區(qū)礦床賦存于長石石英基質(zhì)中，最主要的含鈾礦物是瀝青鈾礦和鈦鈾礦，伴生礦物如黃鐵礦、鋯石和獨居石等［16］。如布蘭德河-埃利奧特湖（Elliot Lake）礦床，屬于鈾-稀土元素石英卵石礫巖型鈾礦床，通過對礫巖中晶質(zhì)鈾礦定年，測得年齡大約2 550±50 Ma［15］。同樣成礦于該時期的還有Apple礦床，成礦時間大約為2 605 Ma。

4.2 古元古代鈾成礦期（2 500～1 600 Ma）

產(chǎn)于該時期的變質(zhì)長石砂巖、鈣硅酸鹽中的元古宙不整合面型鈾礦床主要分布于東阿薩巴斯卡盆地中，該階段經(jīng)歷了陸核增長演化過程，發(fā)育了活動帶，堆積富有機質(zhì)的泥質(zhì)、砂質(zhì)和鈣質(zhì)沉積物，盆地封閉后發(fā)生變質(zhì)作用形成了具有石墨層和富鈾的構(gòu)造地層。如比弗洛支（Beaverlodge）礦床，成礦時間約1 740 Ma?；模↘itts）礦床成礦時間約1 777±9 Ma。米切林（Michelin）礦床成礦時間約1 806 Ma。

4.3 中元古代鈾成礦期（1 600～1 200 Ma）

該時期所形成的鈾礦床是最具有工業(yè)經(jīng)濟價值的，因為古元古代活動帶封閉后形成穩(wěn)定的古地臺［15］。阿薩巴斯卡盆地此時經(jīng)過兩個階段，早期隆起風化剝蝕，經(jīng)受了亞熱帶氣候紅土風化，晚期轉(zhuǎn)入克拉通盆地沉積，盆地底部為干旱環(huán)境下的紅色碎屑巖建造，盆地頂部有少量的海相沉積地層［16］。在此期間形成了一大批產(chǎn)于石英質(zhì)、泥質(zhì)片麻巖、石英砂巖中的不整合面型鈾礦床。形成于該時期的礦床主要有：拉比特湖（Rabbit Lake）礦床，經(jīng)過對礦床中瀝青鈾礦U-Pb同位素分析表明，成礦時間約1 281±11 Ma。麥克阿瑟河（McArthur River）礦床成礦時間約1 521±8 Ma。道恩湖（Dawn Lake）成礦時間約1 349±15 Ma。雪茄湖（Cigar Lake）礦床主要存在四個礦化年齡：1 500、1 300、900和300 Ma。這些礦床U品位普遍較高（0.1%～21.5%），資源儲量大。

4.4 中-新元古代鈾成礦期（1 200～650 Ma）

由于魯?shù)夏醽喅箨懓l(fā)生了全球性裂解作用［15］，該時期的礦床局限于造山帶內(nèi)，花崗偉晶巖體中也有鈾產(chǎn)出。主要類型為侵入巖型鈾礦床，大地構(gòu)造上處于環(huán)加拿大地盾邊緣褶皺帶的格林維爾鈾成礦帶的南部，這些巖層均受到了復雜的褶皺作用和區(qū)域變質(zhì)作用［10］。如格林維爾鈾成礦省的班克羅夫特（Bancroft）礦床，成礦時間約1 000 Ma。同時期，阿薩巴斯卡盆地出現(xiàn)了多期構(gòu)造活化，產(chǎn)生切割基底和蓋層的剪切帶，充填輝綠巖，導致盆地內(nèi)瀝青鈾礦呈現(xiàn)多期次特征。例如凱湖礦床（Key Lake），經(jīng)過U-Pb同位素分析表明，存在4個主要礦化年齡：1 228～1 160、960～918、370和250～107 Ma，說明凱湖地區(qū)的鈾礦化的延續(xù)時間長，具有長期性和多階段的特點［15］。

4.5 古生代鈾成礦期（542～251 Ma）

產(chǎn)于火成巖和變質(zhì)巖中的浸染型礦床，如雷克斯帕爾礦床（Rexspar），通過對礦床中氟金云母進行K/Ar同位素分析，認為成礦時間在236±8 Ma之前，鈾礦主要分布在晚古生代粗面凝灰?guī)r、角礫巖中，礦化帶中含有細粒晶質(zhì)鈾礦，局部有螢石。

5 結(jié)論

加拿大鈾礦床主要包括9種類型，分別為元古宙不整合面、古石英卵石礫巖、侵入巖、火山巖、砂巖、花崗巖、變質(zhì)巖、交代巖和黑色頁巖型。其中元古宙不整合面、古石英卵石礫巖和侵入巖型為區(qū)內(nèi)主要鈾礦床類型，礦床資源量分別占全區(qū)總資源量的62%、26%和3%。

加拿大鈾礦床主要聚集在3個鈾成礦省、9個鈾成礦帶。阿薩巴斯卡盆地鈾成礦省主要發(fā)育不整合面型鈾礦床，這些鈾礦床主要分布盆地邊緣，不整合覆蓋于阿薩巴斯卡群之上；Blind River-Elliot Lake鈾成礦省主要發(fā)育古石英卵石礫巖型鈾礦床，這些鈾礦床分布于克拉通盆地內(nèi)或克拉通邊緣坳陷區(qū)，主要賦存在Elliot Lake成礦帶上；格林維爾鈾成礦省的鈾礦床類型為侵入巖型鈾礦為主，鈾礦床主要分布于Bancroft、格林維爾和Mont Laurier鈾成礦帶。

加拿大鈾礦床成礦時代集中于太古宙晚期-古元古代早期、古元古代、中元古代、中-新元古代、古生代。其中太古代晚期-古元古代早期是石英卵石礫巖型鈾礦床發(fā)育的主要時期；元古宙是不整合面型鈾礦床發(fā)育的重要時期，產(chǎn)于該時期的鈾礦床普遍規(guī)模較大，品位較高，最具有工業(yè)經(jīng)濟價值；新元古代-古生代是侵入巖型鈾礦床主要發(fā)育的時期。