砂巖型鈾礦的礦體形態(tài)特征及其成因探討

封志兵，聶逢君，夏菲，李滿根，江麗，張虎軍，嚴(yán)兆彬，張成勇，張鑫

（1.東華理工大學(xué) 江西省放射性地學(xué)大數(shù)據(jù)技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；3.東華理工大學(xué) 地球物理與測控技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013；4.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013；5.核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830011）

20 世紀(jì)80 年代初，中國學(xué)習(xí)并引進(jìn)了前蘇聯(lián)的“水成鈾礦理論”和美國的“卷狀鈾成礦理論”［1-2］。根據(jù)理論，存在2 類典型的砂巖型鈾礦成礦模式，即形成卷狀鈾礦體的層間氧化型、形成板狀鈾礦體的潛水氧化型［3-4］。然而，隨著我國砂巖型鈾礦勘探與研究的持續(xù)深入，發(fā)現(xiàn)此類鈾礦床的鈾礦體形態(tài)多樣且分布具有一定區(qū)域性［4-5］。這一現(xiàn)象已極大地困擾著鈾礦勘探和研究人員。

鈾礦體形態(tài)是砂巖型鈾礦成礦作用的表征之一。辨析不同鈾礦體形態(tài)的形成機(jī)制能夠?qū)ι皫r型鈾礦成礦作用的研究帶來重要啟示，且對砂巖型鈾礦勘探和后期采冶方案的確定和實(shí)施具有重要指導(dǎo)意義。為此，文章從砂巖型鈾礦鈾礦體形態(tài)特征差異出發(fā)，結(jié)合地質(zhì)背景和鈾礦床特征，深入剖析其形成機(jī)制，以期為此類鈾礦床成因的深入研究提供有益借鑒。

1 中國砂巖型鈾礦床分布及礦體特征

目前，除云南滇西盆地、四川盆地已探明少數(shù)中-小型砂巖型鈾礦床之外，其他砂巖型鈾礦床都分布在我國北方中新生代沉積盆地（圖1）。這些產(chǎn)鈾盆地所處位置不同，產(chǎn)出的鈾礦體形態(tài)也有所差別（表1）。

表1 中國北方典型砂巖型鈾礦特征一覽表Table 1 Characteristics of typical sandstone-type uranium deposits in North China

圖1 中國北方沉積盆地與砂巖型鈾礦床分布略圖（據(jù)陳路路等，2014［6］，有修改）Fig.1 Distribution map of sandstone-type uranium deposits and sedimentary basins in North China

新疆伊犁盆地和吐哈盆地探明的砂巖型鈾礦床皆位于盆地南緣，鈾礦體形態(tài)多呈卷狀。賦礦砂巖碎屑物粒度較大，與煤層相鄰或同屬于同一層位，富含有機(jī)炭屑和黏土礦物［7-8］。塔木素鈾礦床是巴音戈壁盆地探明的唯一大型鈾礦床。該鈾礦床的賦礦砂巖碎屑物粒度變化較大，但整體偏小，以細(xì)砂巖、泥巖為主［9］。賦礦砂巖與圍巖發(fā)育大量鈣質(zhì)膠結(jié)，這一現(xiàn)象明顯有別于我國已探明的其他此類鈾礦床，其鈾礦體呈板狀，多產(chǎn)出在三角洲前緣砂體與前扇三角洲泥巖的過渡部位。鄂爾多斯盆地是煤、油氣與鈾同盆成藏的沉積盆地［10］。賦礦層位多有油氣作用的跡象，同樣也富含有機(jī)炭屑［11-12］。該區(qū)鈾礦化與古層間氧化帶有關(guān)，并廣泛發(fā)育灰綠色砂巖。另外，還在一些鈾礦床（如東勝鈾礦床）發(fā)現(xiàn)有熱流體活動的跡象。該盆地揭示的鈾礦體形態(tài)以板狀為主，僅在大營鈾礦床的古層間氧化帶中揭遇少許卷狀鈾礦體。二連盆地探明了多個成礦類型不一的砂巖型鈾礦床［13］。這些鈾礦床都產(chǎn)于盆地西部古河道砂巖中，且賦礦砂巖結(jié)構(gòu)疏松、富含有機(jī)炭屑。巴彥烏拉鈾礦床位于巴音寶力格隆起邊部，與芒來煤礦毗鄰，其賦礦砂體較厚且?guī)r性均一，鈾礦體呈板狀、卷狀［14］。哈達(dá)圖鈾礦床位于烏蘭察布坳陷的中部，產(chǎn)出的鈾礦體呈板狀，其賦礦層位的還原砂體不發(fā)育，賦礦砂體被黃色氧化砂體包圍，鈾礦體看似懸浮在黃色氧化砂體當(dāng)中。松遼盆地探明的錢家店、寶龍山鈾礦床的鈾礦體形態(tài)呈板狀、透鏡狀以及雞窩狀等，未揭遇呈卷狀的鈾礦體，賦礦層位顏色多呈灰色、灰白色，有機(jī)質(zhì)含量較低［15］。鈾礦床位于開魯坳陷寶龍山隆起的邊部，與遼河油田毗鄰。

2 鈾礦體形態(tài)差異的制約因素

2.1 構(gòu)造活動的期次性及其效應(yīng)

“次造山運(yùn)動”是砂巖型鈾礦成礦的驅(qū)動力。因“次造山運(yùn)動”的發(fā)生，盆地邊緣抬升，富鈾巖體裸露地表遭受風(fēng)化剝蝕，鈾被氧化后隨大氣降水流向地勢低洼處并滲入到地層中，進(jìn)而聚集成礦［16］。砂巖型鈾礦的富集成礦是一個緩慢漸進(jìn)的過程。與中亞、澳大利亞和美國等產(chǎn)鈾礦大國曾長期處于穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境不同，我國大部區(qū)域自中生代以來經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化歷史，且不同區(qū)域所遭受的構(gòu)造驅(qū)動力不盡相同。產(chǎn)于我國西北地區(qū)（新疆伊犁盆地南緣、吐哈盆地等地）的砂巖型鈾礦床的成礦驅(qū)動力主要來自印度板塊向歐亞板塊俯沖形成的擠壓應(yīng)力；產(chǎn)于東北地區(qū)（松遼盆地南部、二連盆地等）的砂巖型鈾礦的成礦驅(qū)動力主要來自太平洋板塊向亞歐板塊俯沖形成的拉張應(yīng)力；而中北地區(qū)（鄂爾多斯盆地等）鈾成礦驅(qū)動力更趨復(fù)雜，除了受到古特提斯洋閉合的影響外，還受到來自西部印度板塊和東部太平洋板塊向亞歐板塊俯沖的遠(yuǎn)程效應(yīng)的影響［17-20］。在西部構(gòu)造擠壓區(qū)，含鈾含氧流體從發(fā)生擠壓隆升的盆地邊緣向低地勢地層滲入，易發(fā)生層間氧化作用，形成卷狀鈾礦體。在東部構(gòu)造拉張區(qū)，拉張斷陷形成古河谷地貌。古河谷內(nèi)堆積的辮狀河砂體為鈾的富集提供有利空間。倘若古河谷兩側(cè)有充足的鈾源供給，可發(fā)生層間氧化作用并形成卷狀鈾礦體；也可在砂巖的沉積期發(fā)生潛水氧化作用，歷經(jīng)較長時間的積累形成板狀鈾礦體。這可能是二連盆地巴-賽-齊古河谷內(nèi)形成多類型鈾礦床的原因。在中部構(gòu)造復(fù)合區(qū)，因不同時期經(jīng)歷復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境，發(fā)生的鈾成礦作用方式往往不一，形成的鈾礦體的形態(tài)亦更趨多樣化。

在間歇性發(fā)生和多源性構(gòu)造活動的驅(qū)動下，礦床區(qū)及鄰近區(qū)域經(jīng)歷多期次的地質(zhì)變動，鈾成礦具有“幕式”成礦的特點(diǎn)。倘若多期次、多源性構(gòu)造活動并未改變地表水和地下水的流向，在盆地邊緣適宜地區(qū)成礦，形成的鈾礦體多呈卷狀。以伊犁盆地為例，受印度板塊俯沖的影響，天山造山帶中的山間盆地——伊犁盆地自西南向東北方向的多期次構(gòu)造擠壓應(yīng)力作用下，成礦流體的流向并未發(fā)生明顯改變，使得多期流體疊加形成卷狀鈾礦體且平均品位高于我國已探明的其他大多數(shù)砂巖型鈾礦床。然而，多期次、多源性構(gòu)造活動往往會改變成礦流體的流向，如此可能導(dǎo)致早期富集的鈾礦化中斷，也可能改造原本形成的鈾礦體。以二連盆地哈達(dá)圖鈾礦床為例，現(xiàn)有勘探成果表明，該鈾礦床的北部在白堊紀(jì)末期曾發(fā)生構(gòu)造抬升，致使原本自西南向東北方向的地下水流向發(fā)生倒轉(zhuǎn)。原本層間氧化作用形成的鈾礦體遭受改造，使得鈾礦床呈板狀［21-22］。

2.2 賦礦層位的非均質(zhì)性

2.2.1巖性、沉積相的差異

目前，我國已探明的中-大型砂巖型鈾礦床的賦礦砂巖多形成于辮狀河、辮狀河三角洲沉積環(huán)境。這是因?yàn)檗p狀河、辮狀河三角洲形成的砂巖往往厚度大，且橫向聯(lián)通性好、分布范圍廣，有利于地下水的徑流，并易于形成較大規(guī)模的鈾礦體。然而，曲流河因形成的砂體聯(lián)通性差且規(guī)模小，難以形成一定規(guī)模的砂巖型鈾礦床。同一沉積環(huán)境形成的砂體在不同位置因沉積微相的差別，粒度也會有所差別。對比各鈾礦床可知，鈾礦化對砂巖的粒度無選擇性，在不同粒度的砂巖乃至泥巖中皆可產(chǎn)出鈾礦化。但著眼于單個鈾礦床會發(fā)現(xiàn)，鈾礦化多存在于賦礦砂巖粒度相對較小或黏土礦物/泥質(zhì)含量增加的部位［23］。在此處孔滲性也較小，地下水徑流速度減慢，含鈾流體與還原劑充分反應(yīng)。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)出卷狀鈾礦的賦礦砂巖往往具有厚度大、粒度粗且?guī)r性均一、孔滲透性較好的特點(diǎn)。然而，產(chǎn)出板狀、透鏡狀鈾礦體的賦礦砂體多為中-細(xì)粒且粒度變化大，孔滲性較差。

2.2.2有機(jī)質(zhì)、黏土礦物含量的均一性

有機(jī)質(zhì)作為還原劑將氧化態(tài)的U6+轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原態(tài)的U4+。也有學(xué)者研究表明，有機(jī)質(zhì)對鈾的富集起到吸附作用［24］。有機(jī)質(zhì)包括有機(jī)炭屑、石油、天然氣以及煤層氣等［25-28］。在沉積地層中，有機(jī)質(zhì)往往是非均勻分布的，這就決定了地層中還原能力通常存在較大差異。伊犁盆地南緣系列鈾礦床、二連盆地哈達(dá)圖鈾礦床等的含鈾品位較高，其賦礦層位即為含煤層位或與煤層相鄰，賦礦層位富含有機(jī)炭屑、植物碎屑。工業(yè)礦段多呈深灰、灰黑色，顏色越深的礦段鈾異常高。此外，松遼盆地南部大林鈾礦床的含鈾品位相對低，其賦礦層位顏色多呈淺灰色、灰白色，少有肉眼可見的有機(jī)質(zhì)。與γ 測井和γ 編錄曲線對比，該區(qū)同樣也是有機(jī)質(zhì)含量越高的礦段，鈾異常越高。這表明，賦礦層位有機(jī)質(zhì)含量的多少，在一定程度上決定了鈾的富集程度，即含鈾品位的高低。在同一產(chǎn)鈾區(qū)，賦礦層位會因沉積相的變化、與有機(jī)質(zhì)源區(qū)距離的遠(yuǎn)近，使得有機(jī)質(zhì)分布不均。如此導(dǎo)致不同位置對鈾的還原和吸附能力不一，可能會在一定程度上影響鈾礦體的形態(tài)。另外，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，與煤層相鄰或與煤層處于同一層位的賦礦砂巖形成卷狀鈾礦體的可能性較大。上述賦礦層位不僅富含有機(jī)質(zhì)，而且有機(jī)質(zhì)分布范圍較廣且相對均勻，如此容易形成具有一定規(guī)模的卷狀鈾礦體。

油氣參與砂巖型鈾礦成礦作用的鈾礦床多位于我國中-東北部。這是因?yàn)樵搮^(qū)域的拉張環(huán)境易形成深大斷裂，油氣通過斷裂從深部向上部賦礦砂巖運(yùn)移。然而，這種通過區(qū)域/局部斷裂運(yùn)移至賦礦層位的油氣往往難以營造均勻分布的還原環(huán)境，故形成卷狀鈾礦體的可能性相對小。

砂巖型鈾礦床的賦礦層位普遍富含黏土礦物。前人研究表明，黏土礦物對鈾有一定吸附作用。以二連盆地哈達(dá)圖鈾礦床為例，60%以上的鈾以吸附鈾的形式存在于賦礦層位的黏土礦物表面［24］。大量黏土礦物的存在也會減緩地下水的流動，有利于水-巖相互作用，進(jìn)而促使鈾的沉淀富集。由此可見，倘若賦礦層位黏土礦物非均勻分布，則會影響水-巖相互作用和對鈾的吸附量的多寡，進(jìn)而在一定程度上影響鈾礦體形態(tài)。

2.2.3泥-砂-泥結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定

傳統(tǒng)砂巖型鈾礦成礦理論認(rèn)為：砂巖型鈾礦的形成需要有穩(wěn)定的泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，其中泥巖作為頂、底板起到隔水層的作用。目前，已探明的大多數(shù)鈾礦床的賦礦層位具備相對穩(wěn)定的泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，但在局部區(qū)域也有個例，以伊犁盆地南緣蒙其古爾鈾礦床為例，該鈾礦床同樣具有較穩(wěn)定的泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，但實(shí)際勘探發(fā)現(xiàn)局部地段的泥巖底板缺失。泥巖底板之下的地下水的水勢大于其上的地下水的水勢，下部的地下水進(jìn)入上部的賦礦層位，形成該區(qū)走向完全相反的卷狀鈾礦體和一些非卷狀的鈾礦體，康勇和王冰［29］據(jù)此構(gòu)建了“越流補(bǔ)給”的鈾成礦模式（圖2）。

圖2 伊犁盆地蒙其古爾鈾礦床層間水越流補(bǔ)給示意圖（據(jù)康勇和王冰，2010［29］，有修改）Fig.2 Schematic section of cross-flow recharge of interlayer water in Mengqiguer uranium deposit，Ili Basin

2.3 賦礦層位化學(xué)性質(zhì)的差異

鈾的聚集成礦本身是水-巖相互作用的結(jié)果［30］。與鈾成礦相關(guān)的賦礦層位化學(xué)性質(zhì)差異主要表現(xiàn)在成礦流體方面。成礦流體來源復(fù)雜，可以包括大氣降水、層間原生流體和深源流體。這些流體在賦礦層位混合并相互作用，同時還與所處位置的巖石礦物發(fā)生反應(yīng)并伴隨著元素的進(jìn)出。這也決定了成礦流體的化學(xué)性質(zhì)極易受周邊環(huán)境影響。因此，賦礦層位的非均質(zhì)性、成礦流體來源不同都可使得不同位置成礦流體化學(xué)成分、Eh 及pH 值等存在較大差異。丁波等研究發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地北緣砂巖型鈾礦的鈾礦體呈板狀與早期上覆泥巖經(jīng)壓實(shí)形成酸性流體和后期偏堿性含鈾含氧大氣降水長期相互作用有關(guān)［31］。該盆地納嶺溝鈾礦床的板狀礦體形成于Eh-pH 突變界面上［32］。由此可知，賦礦層位成礦流體的化學(xué)性質(zhì)、運(yùn)移方向及空間分布都可制約鈾礦體的空間展布。

2.4 多因素疊加成礦

近年來，越來越多學(xué)者發(fā)現(xiàn)砂巖型鈾礦的形成往往并非由單一因素形成，多因素疊加成礦的研究成果愈加多見報道。有學(xué)者根據(jù)二連盆地巴彥烏拉鈾礦床的賦礦砂體特征、鈾成礦年齡以及鈾礦體形態(tài)特征，提出該鈾礦床經(jīng)歷了潛水轉(zhuǎn)層間氧化的疊加成礦作用［33］。松遼盆地西南部錢家店、寶龍山鈾礦區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育輝綠巖，且賦礦層位多見熱流體蝕變現(xiàn)象［15］。另外，有學(xué)者在鄂爾多斯盆地東勝鈾礦床、非洲尼日爾鈾礦床也發(fā)現(xiàn)大量熱流體蝕變的現(xiàn)象［34-35］，并與上述區(qū)域張裂的構(gòu)造背景相聯(lián)系，提出深部熱流體參與了砂巖型鈾礦的成礦，即熱流體疊加成礦［15］。還有學(xué)者對鄂爾多斯盆地東勝鈾礦床的研究發(fā)現(xiàn)，其賦礦層位多見綠色砂巖，鈾礦化產(chǎn)于綠色與灰色砂巖的邊界的灰色砂巖中。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，綠色砂巖的普遍發(fā)育與深部油氣的滲入有關(guān)［36］。深部油氣作用于鈾礦床區(qū)，起到改造和保礦的作用。筆者認(rèn)為，因缺少氧化流體和水勢的參與，通過深部斷裂運(yùn)移至賦礦層位的熱流體、油氣更有可能形成板狀、透鏡狀以及其他不規(guī)則形狀的鈾礦體。

2.5 人為因素

2.5.1工業(yè)鈾礦體劃定標(biāo)準(zhǔn)與自然成礦結(jié)果不符

依據(jù)有關(guān)規(guī)范，我國砂巖型鈾礦床的工業(yè)鈾礦體的邊界品位為0.1 ‰；另外，500 m以淺的鈾礦體的平米鈾含量應(yīng)大于1 kg/m2，500 m 以深的鈾礦體的平米鈾含量應(yīng)大于2 kg/m2。這一限定是由地浸開采經(jīng)濟(jì)價值和我國此類鈾礦床的實(shí)際情況等因素綜合決定的。我國砂巖型鈾礦床的工業(yè)鈾礦體品位范圍多集中在0.1‰～n‰范圍。事實(shí)上，單個鈾礦體/礦化體不同部位的品位往往存在一定差別。一些鈾礦帶內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)含礦品位達(dá)不到工業(yè)鈾礦體標(biāo)準(zhǔn)的礦化段。倘若將工業(yè)礦段和礦化段聯(lián)接，會發(fā)現(xiàn)一些呈板狀的工業(yè)鈾礦體在聯(lián)接了礦化段之后的形態(tài)呈卷狀（圖3）。然而，美國、澳大利亞等產(chǎn)鈾大國已探明的砂巖型鈾礦床的鈾礦體形態(tài)卻多呈卷狀。這是因?yàn)樯鲜鰢业纳皫r型鈾礦床的平均品位高達(dá)千分之幾［37-38］，遠(yuǎn)高于我國砂巖型鈾礦床的平均品位。雖然這些國家對砂巖型鈾礦開采的最低品位要求高，但相對于其高品位的鈾礦段的事實(shí)，在鈾礦帶中出現(xiàn)礦化段的幾率小，故圈定的鈾礦體的形態(tài)多呈卷狀。

圖3 二連盆地巴彥烏拉鈾礦床B351 勘探線地質(zhì)剖面圖（據(jù)唐大偉，2010［14］，有修改）Fig.3 Geologic section of Line B351 in Bayanwula uranium deposit，Erlian Basin

2.5.2鉆探詳細(xì)程度與自然成礦結(jié)果不符

因不同鈾礦床的形成條件不一，其產(chǎn)出的規(guī)模也各有不同。實(shí)際鈾礦勘探是以有關(guān)規(guī)范為依據(jù)開展的，盡管后期會根據(jù)前期的勘探成果對鉆探布置進(jìn)行一定加密，但仍可能難以完整地揭示鈾礦體的空間展布規(guī)律。倘若鈾礦勘探的詳細(xì)程度無法與目標(biāo)鈾礦體規(guī)模相匹配，致使不能揭示目標(biāo)鈾礦體的全貌，如此聯(lián)接的鈾礦體的形態(tài)也可能與實(shí)際情況不符。

2.5.3鈾礦體聯(lián)接的人為主觀因素

在實(shí)際工作中，根據(jù)測井曲線、巖芯γ 編錄和地質(zhì)編錄等工作來確定賦礦段的埋藏深度、品位等信息。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)氧化帶和可能的流體走向開展井間對比，進(jìn)而揭示鈾礦體的空間展布。上述工作可能不同程度地受人為主觀因素的影響。不同勘探人員可能因自身經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識的不同，導(dǎo)致在鈾礦體聯(lián)接方面存在一定差別。這一問題在具有復(fù)雜成因且鈾礦體呈多層產(chǎn)出的鈾礦床表現(xiàn)地尤為突出。另外，在聯(lián)接鈾礦體時可能出現(xiàn)先入為主的問題。也就是，前人通過當(dāng)時的有限資料確定鈾礦體的產(chǎn)出特征，后人以之為依據(jù)開展鈾礦體聯(lián)結(jié)工作。

3 鈾礦體形態(tài)的指示意義

我國多數(shù)砂巖型鈾礦床的鈾礦體形態(tài)多樣，而非僅呈卷狀、板狀。卷狀鈾礦體多產(chǎn)出在位于新疆伊犁盆地、吐哈盆地的鈾礦床，而位于中-東北地區(qū)的鈾礦床的礦體形態(tài)多呈板狀及其他不規(guī)則形狀。前已述及，鈾礦體形態(tài)是構(gòu)造、沉積、鈾源等致礦因素耦合的結(jié)果。同樣，鈾礦體形態(tài)也是鈾成礦作用的表征。倘若揭遇的鈾礦體多呈卷狀，成礦類型應(yīng)該為層間氧化型。此類鈾礦床的勘探應(yīng)注重賦礦層位、賦礦砂巖的空間展布規(guī)律和泥-砂-泥結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。倘若揭遇的鈾礦體呈板狀及其他不規(guī)則形狀，其成因可能較為復(fù)雜。除潛水氧化型成因外，還需考慮構(gòu)造活動、深源流體及賦礦砂巖的非均質(zhì)性等因素。如果賦礦層位存在油氣、熱流體活動等的跡象，除應(yīng)關(guān)注賦礦層位的沉積相變、賦礦砂巖的非均質(zhì)等因素之外，還應(yīng)關(guān)注區(qū)內(nèi)深切基底的斷裂；如果不存在上述跡象則應(yīng)關(guān)注賦礦層位的沉積相變，賦礦砂巖的非均質(zhì)性等。

4 結(jié)論

1）多期次、多源性的構(gòu)造活動及其衍生效應(yīng)、賦礦層位的非均質(zhì)性和多因素疊加成礦作用等都會對鈾礦體形態(tài)產(chǎn)生深刻影響。

2）卷狀鈾礦體多形成于厚度大、致礦物質(zhì)（有機(jī)質(zhì)、黏土礦物等）較均勻分布的辮狀河/辮狀河三角洲沉積的砂體中；板狀及其他形狀的鈾礦體多形成于多因素耦合且多變的成礦環(huán)境中。

3）人為因素對鈾礦體形態(tài)的確定也不可忽略。主要體現(xiàn)在人為標(biāo)準(zhǔn)與自然成礦結(jié)果不符和人為主觀因素對鈾礦體形態(tài)的不確定性2 個方面。