——砂岩型铀矿成藏研究纪实

　　◎  陈路路 封志兵 程银行 赵华雷 朱强

　　铀资源是“双碳”目标达成的重要保障，也是巩固国防的战略资源。砂岩型铀矿床具有地浸开采成本低、环保等特点，在世界铀资源供给中的比重迅速攀升。随着人们对铀元素及铀矿床认识的深入，发现性质活泼的铀元素犹如一个淘气的孩子，其地质行为也如孩童的行为一般调皮。

　　砂岩型铀矿与油气、煤等能源矿产同盆成藏 （图片来源：Essentials of Geology）

　　活泼好动的天性

　　铀是一种天然放射性元素，在自然界中分布十分广泛。据估算，全球铀的总储量高达几十万吨至几百万吨。在地壳和海水中含有大量的铀，其丰度/浓度分别为2.3×10-6、3×10-9，远高于钨、汞、金、银等元素。然而，铀在全球的分布极不均匀，主要分布在澳大利亚、加拿大、哈萨克斯坦、俄罗斯、美国等国家。其中，澳大利亚资源最为丰富，占世界总量的31%。已探明铀矿床的成矿类型多样，根据国际原子能机构（IAEA）推荐的分类方案，将全球已发现的铀矿床分为15类。而我国的铀矿床类型也较为丰富，有四大类9类21亚类之分。

　　铀元素自身拥有调皮好动的天性。因其活泼的化学性质，能和除惰性气体以外几乎所有的非金属发生反应，也能与多种金属形成合金。作为一种金属元素，铀在构造-岩浆作用下形成花岗岩型、火山岩型等硬岩型铀矿，也可以在表生流体作用下形成砂岩型铀矿。

　　在自然界中，铀元素以+4价和+6价化合物的形式稳定存在。其中，铀元素在还原环境中呈+4价，以氧化物（UO2）的形式存在且难溶于水溶液；在氧化环境中呈+6价，以UO22+形式溶解于水溶液中。盆地边缘的富铀岩体在经历了以百万年为时间单元的暴露、风化、淋滤等地质演化，活泼好动的铀元素伴随大气降水无孔不入地进入到沉积地层、湖泊、河流等，从而形成放射性异常。

　　喜欢结伴同行

　　一个调皮好动的孩子从来不缺玩伴，铀也是如此。

　　砂岩型铀矿研究中，在微观上，铀主要以铀矿物、吸附态的形式存在，常见铀矿物主要有沥青铀矿、铀石、含钛含铀矿物等，与有机质、黄铁矿、黏土矿物等密切共生。有机质包括炭质植物碎屑、煤屑、油气等，在铀的富集沉淀过程中扮演着还原剂的重要角色。对于大多数砂岩型铀矿而言，铀矿石富含炭质碎屑是常态。但也有个例，在某矿中其含矿砂岩为风成沉积，缺乏炭质碎屑，还原介质是来自周缘油气藏的烃类流体。铀矿物与不同晶型黄铁矿共生，不同晶型黄铁矿一定程度上反映了铀矿物的形成环境。此外，还有一部分铀以吸附态的形式附着在黏土矿物的表面。由于长期的水-岩作用，含矿砂岩普遍发育黏土矿物，不同类型黏土矿物对铀的吸附能力强弱不一，由强到弱依次为：蒙皂石、伊利石、绿泥石、高岭石。

　　在宏观上，砂岩型铀矿与油气、煤等能源矿产同盆成藏。铀、煤、油气的时空分布就如家里的三兄弟，铀矿作为老幺也有亲疏之分。例如含铀层位与煤层形成于同一潮湿温润的古气候环境，炭质碎屑发育，对铀矿的形成具有直接的影响。与之相比，铀与油气的空间关系若近若离。据统计，铀矿多产出在油气区的外围，二者在垂向上相距甚远。但是作为老大哥的油气也并不无情，它直接或间接的参与了赋铀砂体的还原和保矿过程。国内外有关油气参与砂岩型铀成矿的案例不胜枚举，如中亚哈萨克斯坦的楚·萨雷苏铀矿集区、美国南德克萨斯铀矿集区等。

　　同时，在铀矿中还伴随着一些小兄弟，如铼、硒、钼、钒等稀散元素。这些稀散元素具有重要的工业价值，其中铼是一种机械性能优异的金属，是航空航天领域的重要元素。研究发现，铼、硒等稀散元素具有与铀相似的氧化还原性质。伴随铀成矿的过程中，铀和铼、硒等元素玩着“排排坐、吃果果”的游戏，依次在成矿部位按顺序就座。目前，有关部门正在积极探索铀、铼等多矿种协同勘查、合作共采的经济模式。

　　成矿就像滚雪球，但终良莠不齐

　　砂岩型铀成矿过程就像滚雪球，来自盆缘的铀（U6+）被大气降水带入沉积地层后，在氧化还原过渡带被还原为四价铀而停止运移。后续的含铀含氧流体沿原路径来到成矿部位后，把四价铀再氧化为六价铀，并一起带走。氧耗尽后在新的氧化还原过渡带再次被还原为四价铀而沉淀停留。持续的地质过程与滚雪球一样，依次前进，越滚越大，最终形成砂岩型铀矿床。

　　但是鉴于铀元素调皮活泼的本性，砂岩型铀矿床的形成可谓步履维艰。目前研究表明，砂岩型铀矿受构造、沉积、古气候、还原介质、古水动力条件等多重因素控制，每一种因素的变化都会影响铀成矿作用的进程。主要过程表现为，构造抬升使沉积地层倾斜，有利于含铀含氧流体的层间渗入。同时，构造断裂有利于成矿流体的排出，或沟通了深层还原流体，形成了完整的补-泾-排水动力体系。沉积期的湿润古气候利于砂体和还原介质发育，沉积地层中砂体为铀成矿提供运移通道和容矿空间，还原介质如炭屑、黄铁矿等对铀具有吸附和还原作用。而成矿期的干旱古气候利于源区含铀含氧流体的渗入。当任何一种控矿因素发生变化，都将阻碍铀成矿作用进程，比如砂体连通性差了成矿空间，构造发育会破坏稳定的成矿环境甚至原有矿床等。因此，铀在滚雪球的汇聚过程中不会一帆风顺，定然是路途坎坷，或半途而废，或随波逐流，或见异思迁，良莠不齐，到达终点者屈指可数。这就给砂岩型铀矿成大矿多了许多不确定性。　　

　　喜欢玩捉迷藏，但有迹可循

　　在具有经济、环保优势的地浸采铀技术创新推动下，砂岩型铀矿逐渐成为我国铀矿勘探的主要类型。此类铀矿多产出在盆地边缘，偶有一些产出在盆地内部隆起翼部。其品位低、上覆厚层沉积地层，能够表征于地表的找矿信息甚少。以往用于查找硬岩型铀矿的找矿方法应用于砂岩型铀矿存在诸多不适用方面。地质工作者总结凝练出铀源、断裂、砂体等关键控铀成矿要素，试图利用常规勘查方法来查明铀成矿环境。利用地震勘探揭示断裂和含矿层位空间展布规律，并在钻井资料的约束下识别有利含矿砂体；利用重磁勘探查明隐伏隆起，揭示隆起对铀成矿的控制。根据铀与煤、油气的密切共生关系，将煤田测井资料、石油地震资料应用于砂岩型铀矿找矿与勘探中，发现了大型-超大型铀矿床。实践表明，煤-铀兼探、油-铀兼探的找矿思路可有效的节约勘查成本，提高勘探效率。

　　调皮的孩子亟需更多的关注

　　时至今日，北方沉积盆地砂岩型铀矿勘查与研究工作一直方兴未艾。在实际生产和科学研究中，尚存在诸多问题亟待解决。如矿床研究方面，测得的铀成矿时代难有说服力。目前，存在两种测年方法（全岩U-Pb同位素等时线法和铀矿物原位微区U-Pb同位素测年），年龄结果一老一新，难以做出合理解释。如勘查技术方面，面对国内的铀矿勘查现状，常规的放射性勘查方法其找矿成效并不理想。因此有必要以砂岩型铀矿为对象，根据此类铀矿的成矿特征、成矿规律，改进、研制新方法、新设备，创新新思路。

　　对于这样一个淘气的孩子，他的一些行为习性还难以把握，严重制约了国家铀资源的可持续发展和保障供应。还请大家对铀矿这一小众但关键的矿产资源多一点关注、多一点爱心、多一点赏识，肯定会有意想不到的收获！

　　（项目资助：北方主要盆地铀等能源资源调查与潜力评价（DD20221678））

　　（作者单位：中国地质调查局天津地质调查中心）