砂岩型铀矿的矿体形态特征及其成因探讨

封志兵，聂逢君，夏菲，李满根，江丽，张虎军，严兆彬，张成勇，张鑫

（1.东华理工大学 江西省放射性地学大数据技术工程实验室，江西 南昌 330013；2.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013；3.东华理工大学 地球物理与测控技术学院，江西 南昌 330013；4.东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013；5.核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011）

20 世纪80 年代初，中国学习并引进了前苏联的“水成铀矿理论”和美国的“卷状铀成矿理论”［1-2］。根据理论，存在2 类典型的砂岩型铀矿成矿模式，即形成卷状铀矿体的层间氧化型、形成板状铀矿体的潜水氧化型［3-4］。然而，随着我国砂岩型铀矿勘探与研究的持续深入，发现此类铀矿床的铀矿体形态多样且分布具有一定区域性［4-5］。这一现象已极大地困扰着铀矿勘探和研究人员。

铀矿体形态是砂岩型铀矿成矿作用的表征之一。辨析不同铀矿体形态的形成机制能够对砂岩型铀矿成矿作用的研究带来重要启示，且对砂岩型铀矿勘探和后期采冶方案的确定和实施具有重要指导意义。为此，文章从砂岩型铀矿铀矿体形态特征差异出发，结合地质背景和铀矿床特征，深入剖析其形成机制，以期为此类铀矿床成因的深入研究提供有益借鉴。

1 中国砂岩型铀矿床分布及矿体特征

目前，除云南滇西盆地、四川盆地已探明少数中-小型砂岩型铀矿床之外，其他砂岩型铀矿床都分布在我国北方中新生代沉积盆地（图1）。这些产铀盆地所处位置不同，产出的铀矿体形态也有所差别（表1）。

表1 中国北方典型砂岩型铀矿特征一览表Table 1 Characteristics of typical sandstone-type uranium deposits in North China

图1 中国北方沉积盆地与砂岩型铀矿床分布略图（据陈路路等，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岩型铀矿床皆位于盆地南缘，铀矿体形态多呈卷状。赋矿砂岩碎屑物粒度较大，与煤层相邻或同属于同一层位，富含有机炭屑和黏土矿物［7-8］。塔木素铀矿床是巴音戈壁盆地探明的唯一大型铀矿床。该铀矿床的赋矿砂岩碎屑物粒度变化较大，但整体偏小，以细砂岩、泥岩为主［9］。赋矿砂岩与围岩发育大量钙质胶结，这一现象明显有别于我国已探明的其他此类铀矿床，其铀矿体呈板状，多产出在三角洲前缘砂体与前扇三角洲泥岩的过渡部位。鄂尔多斯盆地是煤、油气与铀同盆成藏的沉积盆地［10］。赋矿层位多有油气作用的迹象，同样也富含有机炭屑［11-12］。该区铀矿化与古层间氧化带有关，并广泛发育灰绿色砂岩。另外，还在一些铀矿床（如东胜铀矿床）发现有热流体活动的迹象。该盆地揭示的铀矿体形态以板状为主，仅在大营铀矿床的古层间氧化带中揭遇少许卷状铀矿体。二连盆地探明了多个成矿类型不一的砂岩型铀矿床［13］。这些铀矿床都产于盆地西部古河道砂岩中，且赋矿砂岩结构疏松、富含有机炭屑。巴彦乌拉铀矿床位于巴音宝力格隆起边部，与芒来煤矿毗邻，其赋矿砂体较厚且岩性均一，铀矿体呈板状、卷状［14］。哈达图铀矿床位于乌兰察布坳陷的中部，产出的铀矿体呈板状，其赋矿层位的还原砂体不发育，赋矿砂体被黄色氧化砂体包围，铀矿体看似悬浮在黄色氧化砂体当中。松辽盆地探明的钱家店、宝龙山铀矿床的铀矿体形态呈板状、透镜状以及鸡窝状等，未揭遇呈卷状的铀矿体，赋矿层位颜色多呈灰色、灰白色，有机质含量较低［15］。铀矿床位于开鲁坳陷宝龙山隆起的边部，与辽河油田毗邻。

2 铀矿体形态差异的制约因素

2.1 构造活动的期次性及其效应

“次造山运动”是砂岩型铀矿成矿的驱动力。因“次造山运动”的发生，盆地边缘抬升，富铀岩体裸露地表遭受风化剥蚀，铀被氧化后随大气降水流向地势低洼处并渗入到地层中，进而聚集成矿［16］。砂岩型铀矿的富集成矿是一个缓慢渐进的过程。与中亚、澳大利亚和美国等产铀矿大国曾长期处于稳定的构造环境不同，我国大部区域自中生代以来经历了复杂的构造演化历史，且不同区域所遭受的构造驱动力不尽相同。产于我国西北地区（新疆伊犁盆地南缘、吐哈盆地等地）的砂岩型铀矿床的成矿驱动力主要来自印度板块向欧亚板块俯冲形成的挤压应力；产于东北地区（松辽盆地南部、二连盆地等）的砂岩型铀矿的成矿驱动力主要来自太平洋板块向亚欧板块俯冲形成的拉张应力；而中北地区（鄂尔多斯盆地等）铀成矿驱动力更趋复杂，除了受到古特提斯洋闭合的影响外，还受到来自西部印度板块和东部太平洋板块向亚欧板块俯冲的远程效应的影响［17-20］。在西部构造挤压区，含铀含氧流体从发生挤压隆升的盆地边缘向低地势地层渗入，易发生层间氧化作用，形成卷状铀矿体。在东部构造拉张区，拉张断陷形成古河谷地貌。古河谷内堆积的辫状河砂体为铀的富集提供有利空间。倘若古河谷两侧有充足的铀源供给，可发生层间氧化作用并形成卷状铀矿体；也可在砂岩的沉积期发生潜水氧化作用，历经较长时间的积累形成板状铀矿体。这可能是二连盆地巴-赛-齐古河谷内形成多类型铀矿床的原因。在中部构造复合区，因不同时期经历复杂的构造环境，发生的铀成矿作用方式往往不一，形成的铀矿体的形态亦更趋多样化。

在间歇性发生和多源性构造活动的驱动下，矿床区及邻近区域经历多期次的地质变动，铀成矿具有“幕式”成矿的特点。倘若多期次、多源性构造活动并未改变地表水和地下水的流向，在盆地边缘适宜地区成矿，形成的铀矿体多呈卷状。以伊犁盆地为例，受印度板块俯冲的影响，天山造山带中的山间盆地——伊犁盆地自西南向东北方向的多期次构造挤压应力作用下，成矿流体的流向并未发生明显改变，使得多期流体叠加形成卷状铀矿体且平均品位高于我国已探明的其他大多数砂岩型铀矿床。然而，多期次、多源性构造活动往往会改变成矿流体的流向，如此可能导致早期富集的铀矿化中断，也可能改造原本形成的铀矿体。以二连盆地哈达图铀矿床为例，现有勘探成果表明，该铀矿床的北部在白垩纪末期曾发生构造抬升，致使原本自西南向东北方向的地下水流向发生倒转。原本层间氧化作用形成的铀矿体遭受改造，使得铀矿床呈板状［21-22］。

2.2 赋矿层位的非均质性

2.2.1岩性、沉积相的差异

目前，我国已探明的中-大型砂岩型铀矿床的赋矿砂岩多形成于辫状河、辫状河三角洲沉积环境。这是因为辫状河、辫状河三角洲形成的砂岩往往厚度大，且横向联通性好、分布范围广，有利于地下水的径流，并易于形成较大规模的铀矿体。然而，曲流河因形成的砂体联通性差且规模小，难以形成一定规模的砂岩型铀矿床。同一沉积环境形成的砂体在不同位置因沉积微相的差别，粒度也会有所差别。对比各铀矿床可知，铀矿化对砂岩的粒度无选择性，在不同粒度的砂岩乃至泥岩中皆可产出铀矿化。但着眼于单个铀矿床会发现，铀矿化多存在于赋矿砂岩粒度相对较小或黏土矿物/泥质含量增加的部位［23］。在此处孔渗性也较小，地下水径流速度减慢，含铀流体与还原剂充分反应。经对比发现，产出卷状铀矿的赋矿砂岩往往具有厚度大、粒度粗且岩性均一、孔渗透性较好的特点。然而，产出板状、透镜状铀矿体的赋矿砂体多为中-细粒且粒度变化大，孔渗性较差。

2.2.2有机质、黏土矿物含量的均一性

有机质作为还原剂将氧化态的U6+转变为还原态的U4+。也有学者研究表明，有机质对铀的富集起到吸附作用［24］。有机质包括有机炭屑、石油、天然气以及煤层气等［25-28］。在沉积地层中，有机质往往是非均匀分布的，这就决定了地层中还原能力通常存在较大差异。伊犁盆地南缘系列铀矿床、二连盆地哈达图铀矿床等的含铀品位较高，其赋矿层位即为含煤层位或与煤层相邻，赋矿层位富含有机炭屑、植物碎屑。工业矿段多呈深灰、灰黑色，颜色越深的矿段铀异常高。此外，松辽盆地南部大林铀矿床的含铀品位相对低，其赋矿层位颜色多呈浅灰色、灰白色，少有肉眼可见的有机质。与γ 测井和γ 编录曲线对比，该区同样也是有机质含量越高的矿段，铀异常越高。这表明，赋矿层位有机质含量的多少，在一定程度上决定了铀的富集程度，即含铀品位的高低。在同一产铀区，赋矿层位会因沉积相的变化、与有机质源区距离的远近，使得有机质分布不均。如此导致不同位置对铀的还原和吸附能力不一，可能会在一定程度上影响铀矿体的形态。另外，经对比发现，与煤层相邻或与煤层处于同一层位的赋矿砂岩形成卷状铀矿体的可能性较大。上述赋矿层位不仅富含有机质，而且有机质分布范围较广且相对均匀，如此容易形成具有一定规模的卷状铀矿体。

油气参与砂岩型铀矿成矿作用的铀矿床多位于我国中-东北部。这是因为该区域的拉张环境易形成深大断裂，油气通过断裂从深部向上部赋矿砂岩运移。然而，这种通过区域/局部断裂运移至赋矿层位的油气往往难以营造均匀分布的还原环境，故形成卷状铀矿体的可能性相对小。

砂岩型铀矿床的赋矿层位普遍富含黏土矿物。前人研究表明，黏土矿物对铀有一定吸附作用。以二连盆地哈达图铀矿床为例，60%以上的铀以吸附铀的形式存在于赋矿层位的黏土矿物表面［24］。大量黏土矿物的存在也会减缓地下水的流动，有利于水-岩相互作用，进而促使铀的沉淀富集。由此可见，倘若赋矿层位黏土矿物非均匀分布，则会影响水-岩相互作用和对铀的吸附量的多寡，进而在一定程度上影响铀矿体形态。

2.2.3泥-砂-泥结构的不稳定

传统砂岩型铀矿成矿理论认为：砂岩型铀矿的形成需要有稳定的泥-砂-泥结构，其中泥岩作为顶、底板起到隔水层的作用。目前，已探明的大多数铀矿床的赋矿层位具备相对稳定的泥-砂-泥结构，但在局部区域也有个例，以伊犁盆地南缘蒙其古尔铀矿床为例，该铀矿床同样具有较稳定的泥-砂-泥结构，但实际勘探发现局部地段的泥岩底板缺失。泥岩底板之下的地下水的水势大于其上的地下水的水势，下部的地下水进入上部的赋矿层位，形成该区走向完全相反的卷状铀矿体和一些非卷状的铀矿体，康勇和王冰［29］据此构建了“越流补给”的铀成矿模式（图2）。

图2 伊犁盆地蒙其古尔铀矿床层间水越流补给示意图（据康勇和王冰，2010［29］，有修改）Fig.2 Schematic section of cross-flow recharge of interlayer water in Mengqiguer uranium deposit，Ili Basin

2.3 赋矿层位化学性质的差异

铀的聚集成矿本身是水-岩相互作用的结果［30］。与铀成矿相关的赋矿层位化学性质差异主要表现在成矿流体方面。成矿流体来源复杂，可以包括大气降水、层间原生流体和深源流体。这些流体在赋矿层位混合并相互作用，同时还与所处位置的岩石矿物发生反应并伴随着元素的进出。这也决定了成矿流体的化学性质极易受周边环境影响。因此，赋矿层位的非均质性、成矿流体来源不同都可使得不同位置成矿流体化学成分、Eh 及pH 值等存在较大差异。丁波等研究发现鄂尔多斯盆地北缘砂岩型铀矿的铀矿体呈板状与早期上覆泥岩经压实形成酸性流体和后期偏碱性含铀含氧大气降水长期相互作用有关［31］。该盆地纳岭沟铀矿床的板状矿体形成于Eh-pH 突变界面上［32］。由此可知，赋矿层位成矿流体的化学性质、运移方向及空间分布都可制约铀矿体的空间展布。

2.4 多因素叠加成矿

近年来，越来越多学者发现砂岩型铀矿的形成往往并非由单一因素形成，多因素叠加成矿的研究成果愈加多见报道。有学者根据二连盆地巴彦乌拉铀矿床的赋矿砂体特征、铀成矿年龄以及铀矿体形态特征，提出该铀矿床经历了潜水转层间氧化的叠加成矿作用［33］。松辽盆地西南部钱家店、宝龙山铀矿区内普遍发育辉绿岩，且赋矿层位多见热流体蚀变现象［15］。另外，有学者在鄂尔多斯盆地东胜铀矿床、非洲尼日尔铀矿床也发现大量热流体蚀变的现象［34-35］，并与上述区域张裂的构造背景相联系，提出深部热流体参与了砂岩型铀矿的成矿，即热流体叠加成矿［15］。还有学者对鄂尔多斯盆地东胜铀矿床的研究发现，其赋矿层位多见绿色砂岩，铀矿化产于绿色与灰色砂岩的边界的灰色砂岩中。经研究发现，绿色砂岩的普遍发育与深部油气的渗入有关［36］。深部油气作用于铀矿床区，起到改造和保矿的作用。笔者认为，因缺少氧化流体和水势的参与，通过深部断裂运移至赋矿层位的热流体、油气更有可能形成板状、透镜状以及其他不规则形状的铀矿体。

2.5 人为因素

2.5.1工业铀矿体划定标准与自然成矿结果不符

依据有关规范，我国砂岩型铀矿床的工业铀矿体的边界品位为0.1 ‰；另外，500 m以浅的铀矿体的平米铀含量应大于1 kg/m2，500 m 以深的铀矿体的平米铀含量应大于2 kg/m2。这一限定是由地浸开采经济价值和我国此类铀矿床的实际情况等因素综合决定的。我国砂岩型铀矿床的工业铀矿体品位范围多集中在0.1‰～n‰范围。事实上，单个铀矿体/矿化体不同部位的品位往往存在一定差别。一些铀矿带内经常出现含矿品位达不到工业铀矿体标准的矿化段。倘若将工业矿段和矿化段联接，会发现一些呈板状的工业铀矿体在联接了矿化段之后的形态呈卷状（图3）。然而，美国、澳大利亚等产铀大国已探明的砂岩型铀矿床的铀矿体形态却多呈卷状。这是因为上述国家的砂岩型铀矿床的平均品位高达千分之几［37-38］，远高于我国砂岩型铀矿床的平均品位。虽然这些国家对砂岩型铀矿开采的最低品位要求高，但相对于其高品位的铀矿段的事实，在铀矿带中出现矿化段的几率小，故圈定的铀矿体的形态多呈卷状。

图3 二连盆地巴彦乌拉铀矿床B351 勘探线地质剖面图（据唐大伟，2010［14］，有修改）Fig.3 Geologic section of Line B351 in Bayanwula uranium deposit，Erlian Basin

2.5.2钻探详细程度与自然成矿结果不符

因不同铀矿床的形成条件不一，其产出的规模也各有不同。实际铀矿勘探是以有关规范为依据开展的，尽管后期会根据前期的勘探成果对钻探布置进行一定加密，但仍可能难以完整地揭示铀矿体的空间展布规律。倘若铀矿勘探的详细程度无法与目标铀矿体规模相匹配，致使不能揭示目标铀矿体的全貌，如此联接的铀矿体的形态也可能与实际情况不符。

2.5.3铀矿体联接的人为主观因素

在实际工作中，根据测井曲线、岩芯γ 编录和地质编录等工作来确定赋矿段的埋藏深度、品位等信息。在此基础上，依据氧化带和可能的流体走向开展井间对比，进而揭示铀矿体的空间展布。上述工作可能不同程度地受人为主观因素的影响。不同勘探人员可能因自身经验和认识的不同，导致在铀矿体联接方面存在一定差别。这一问题在具有复杂成因且铀矿体呈多层产出的铀矿床表现地尤为突出。另外，在联接铀矿体时可能出现先入为主的问题。也就是，前人通过当时的有限资料确定铀矿体的产出特征，后人以之为依据开展铀矿体联结工作。

3 铀矿体形态的指示意义

我国多数砂岩型铀矿床的铀矿体形态多样，而非仅呈卷状、板状。卷状铀矿体多产出在位于新疆伊犁盆地、吐哈盆地的铀矿床，而位于中-东北地区的铀矿床的矿体形态多呈板状及其他不规则形状。前已述及，铀矿体形态是构造、沉积、铀源等致矿因素耦合的结果。同样，铀矿体形态也是铀成矿作用的表征。倘若揭遇的铀矿体多呈卷状，成矿类型应该为层间氧化型。此类铀矿床的勘探应注重赋矿层位、赋矿砂岩的空间展布规律和泥-砂-泥结构的稳定性。倘若揭遇的铀矿体呈板状及其他不规则形状，其成因可能较为复杂。除潜水氧化型成因外，还需考虑构造活动、深源流体及赋矿砂岩的非均质性等因素。如果赋矿层位存在油气、热流体活动等的迹象，除应关注赋矿层位的沉积相变、赋矿砂岩的非均质等因素之外，还应关注区内深切基底的断裂；如果不存在上述迹象则应关注赋矿层位的沉积相变，赋矿砂岩的非均质性等。

4 结论

1）多期次、多源性的构造活动及其衍生效应、赋矿层位的非均质性和多因素叠加成矿作用等都会对铀矿体形态产生深刻影响。

2）卷状铀矿体多形成于厚度大、致矿物质（有机质、黏土矿物等）较均匀分布的辫状河/辫状河三角洲沉积的砂体中；板状及其他形状的铀矿体多形成于多因素耦合且多变的成矿环境中。

3）人为因素对铀矿体形态的确定也不可忽略。主要体现在人为标准与自然成矿结果不符和人为主观因素对铀矿体形态的不确定性2 个方面。