鈾,，一個(gè)淘氣的孩子
——砂巖型鈾礦成藏研究紀(jì)實(shí)
◎? 陳路路 封志兵 程銀行 趙華雷 朱強(qiáng)
鈾資源是“雙碳”目標(biāo)達(dá)成的重要保障,，也是鞏固國(guó)防的戰(zhàn)略資源。砂巖型鈾礦床具有地浸開采成本低,、環(huán)保等特點(diǎn),，在世界鈾資源供給中的比重迅速攀升。隨著人們對(duì)鈾元素及鈾礦床認(rèn)識(shí)的深入,，發(fā)現(xiàn)性質(zhì)活潑的鈾元素猶如一個(gè)淘氣的孩子,，其地質(zhì)行為也如孩童的行為一般調(diào)皮,。
砂巖型鈾礦與油氣,、煤等能源礦產(chǎn)同盆成藏 （圖片來(lái)源：Essentials of Geology）
活潑好動(dòng)的天性
鈾是一種天然放射性元素，在自然界中分布十分廣泛,。據(jù)估算,，全球鈾的總儲(chǔ)量高達(dá)幾十萬(wàn)噸至幾百萬(wàn)噸。在地殼和海水中含有大量的鈾,，其豐度/濃度分別為2.3×10-6,、3×10-9，遠(yuǎn)高于鎢,、汞,、金、銀等元素,。然而,，鈾在全球的分布極不均勻，主要分布在澳大利亞,、加拿大,、哈薩克斯坦、俄羅斯,、美國(guó)等國(guó)家,。其中，澳大利亞資源最為豐富,，占世界總量的31%,。已探明鈾礦床的成礦類型多樣，根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）推薦的分類方案,，將全球已發(fā)現(xiàn)的鈾礦床分為15類,。而我國(guó)的鈾礦床類型也較為豐富，有四大類9類21亞類之分,。
鈾元素自身?yè)碛姓{(diào)皮好動(dòng)的天性,。因其活潑的化學(xué)性質(zhì),，能和除惰性氣體以外幾乎所有的非金屬發(fā)生反應(yīng)，也能與多種金屬形成合金,。作為一種金屬元素,，鈾在構(gòu)造-巖漿作用下形成花崗巖型、火山巖型等硬巖型鈾礦,，也可以在表生流體作用下形成砂巖型鈾礦,。
在自然界中，鈾元素以+4價(jià)和+6價(jià)化合物的形式穩(wěn)定存在,。其中,，鈾元素在還原環(huán)境中呈+4價(jià)，以氧化物（UO2）的形式存在且難溶于水溶液,；在氧化環(huán)境中呈+6價(jià),，以UO22+形式溶解于水溶液中。盆地邊緣的富鈾巖體在經(jīng)歷了以百萬(wàn)年為時(shí)間單元的暴露,、風(fēng)化,、淋濾等地質(zhì)演化，活潑好動(dòng)的鈾元素伴隨大氣降水無(wú)孔不入地進(jìn)入到沉積地層,、湖泊,、河流等，從而形成放射性異常,。
喜歡結(jié)伴同行
一個(gè)調(diào)皮好動(dòng)的孩子從來(lái)不缺玩伴,，鈾也是如此。
砂巖型鈾礦研究中,，在微觀上,，鈾主要以鈾礦物、吸附態(tài)的形式存在,，常見鈾礦物主要有瀝青鈾礦,、鈾石、含鈦含鈾礦物等,，與有機(jī)質(zhì),、黃鐵礦、黏土礦物等密切共生,。有機(jī)質(zhì)包括炭質(zhì)植物碎屑,、煤屑、油氣等,，在鈾的富集沉淀過(guò)程中扮演著還原劑的重要角色,。對(duì)于大多數(shù)砂巖型鈾礦而言，鈾礦石富含炭質(zhì)碎屑是常態(tài)。但也有個(gè)例,，在某礦中其含礦砂巖為風(fēng)成沉積,，缺乏炭質(zhì)碎屑，還原介質(zhì)是來(lái)自周緣油氣藏的烴類流體,。鈾礦物與不同晶型黃鐵礦共生,，不同晶型黃鐵礦一定程度上反映了鈾礦物的形成環(huán)境。此外,，還有一部分鈾以吸附態(tài)的形式附著在黏土礦物的表面,。由于長(zhǎng)期的水-巖作用，含礦砂巖普遍發(fā)育黏土礦物,，不同類型黏土礦物對(duì)鈾的吸附能力強(qiáng)弱不一,，由強(qiáng)到弱依次為：蒙皂石、伊利石,、綠泥石,、高嶺石。
在宏觀上,，砂巖型鈾礦與油氣,、煤等能源礦產(chǎn)同盆成藏,。鈾,、煤、油氣的時(shí)空分布就如家里的三兄弟,，鈾礦作為老幺也有親疏之分,。例如含鈾層位與煤層形成于同一潮濕溫潤(rùn)的古氣候環(huán)境，炭質(zhì)碎屑發(fā)育,，對(duì)鈾礦的形成具有直接的影響,。與之相比，鈾與油氣的空間關(guān)系若近若離,。據(jù)統(tǒng)計(jì),，鈾礦多產(chǎn)出在油氣區(qū)的外圍，二者在垂向上相距甚遠(yuǎn),。但是作為老大哥的油氣也并不無(wú)情,，它直接或間接的參與了賦鈾砂體的還原和保礦過(guò)程。國(guó)內(nèi)外有關(guān)油氣參與砂巖型鈾成礦的案例不勝枚舉,，如中亞哈薩克斯坦的楚·薩雷蘇鈾礦集區(qū),、美國(guó)南德克薩斯鈾礦集區(qū)等。
同時(shí),，在鈾礦中還伴隨著一些小兄弟,，如錸、硒、鉬,、釩等稀散元素,。這些稀散元素具有重要的工業(yè)價(jià)值，其中錸是一種機(jī)械性能優(yōu)異的金屬,，是航空航天領(lǐng)域的重要元素,。研究發(fā)現(xiàn)，錸,、硒等稀散元素具有與鈾相似的氧化還原性質(zhì),。伴隨鈾成礦的過(guò)程中，鈾和錸,、硒等元素玩著“排排坐,、吃果果”的游戲，依次在成礦部位按順序就座,。目前,，有關(guān)部門正在積極探索鈾、錸等多礦種協(xié)同勘查,、合作共采的經(jīng)濟(jì)模式,。
成礦就像滾雪球，但終良莠不齊
砂巖型鈾成礦過(guò)程就像滾雪球,，來(lái)自盆緣的鈾（U6+）被大氣降水帶入沉積地層后,，在氧化還原過(guò)渡帶被還原為四價(jià)鈾而停止運(yùn)移。后續(xù)的含鈾含氧流體沿原路徑來(lái)到成礦部位后,，把四價(jià)鈾再氧化為六價(jià)鈾,，并一起帶走。氧耗盡后在新的氧化還原過(guò)渡帶再次被還原為四價(jià)鈾而沉淀停留,。持續(xù)的地質(zhì)過(guò)程與滾雪球一樣,，依次前進(jìn)，越滾越大,，最終形成砂巖型鈾礦床,。
但是鑒于鈾元素調(diào)皮活潑的本性，砂巖型鈾礦床的形成可謂步履維艱,。目前研究表明,，砂巖型鈾礦受構(gòu)造、沉積,、古氣候,、還原介質(zhì)、古水動(dòng)力條件等多重因素控制,，每一種因素的變化都會(huì)影響鈾成礦作用的進(jìn)程,。主要過(guò)程表現(xiàn)為,，構(gòu)造抬升使沉積地層傾斜，有利于含鈾含氧流體的層間滲入,。同時(shí),，構(gòu)造斷裂有利于成礦流體的排出，或溝通了深層還原流體,，形成了完整的補(bǔ)-涇-排水動(dòng)力體系,。沉積期的濕潤(rùn)古氣候利于砂體和還原介質(zhì)發(fā)育，沉積地層中砂體為鈾成礦提供運(yùn)移通道和容礦空間,，還原介質(zhì)如炭屑,、黃鐵礦等對(duì)鈾具有吸附和還原作用。而成礦期的干旱古氣候利于源區(qū)含鈾含氧流體的滲入,。當(dāng)任何一種控礦因素發(fā)生變化,，都將阻礙鈾成礦作用進(jìn)程，比如砂體連通性差了成礦空間,，構(gòu)造發(fā)育會(huì)破壞穩(wěn)定的成礦環(huán)境甚至原有礦床等,。因此，鈾在滾雪球的匯聚過(guò)程中不會(huì)一帆風(fēng)順,，定然是路途坎坷,，或半途而廢，或隨波逐流,，或見異思遷,，良莠不齊，到達(dá)終點(diǎn)者屈指可數(shù),。這就給砂巖型鈾礦成大礦多了許多不確定性,。
喜歡玩捉迷藏,，但有跡可循
在具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保優(yōu)勢(shì)的地浸采鈾技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)下,，砂巖型鈾礦逐漸成為我國(guó)鈾礦勘探的主要類型,。此類鈾礦多產(chǎn)出在盆地邊緣，偶有一些產(chǎn)出在盆地內(nèi)部隆起翼部,。其品位低,、上覆厚層沉積地層，能夠表征于地表的找礦信息甚少,。以往用于查找硬巖型鈾礦的找礦方法應(yīng)用于砂巖型鈾礦存在諸多不適用方面,。地質(zhì)工作者總結(jié)凝練出鈾源、斷裂,、砂體等關(guān)鍵控鈾成礦要素,，試圖利用常規(guī)勘查方法來(lái)查明鈾成礦環(huán)境,。利用地震勘探揭示斷裂和含礦層位空間展布規(guī)律，并在鉆井資料的約束下識(shí)別有利含礦砂體,；利用重磁勘探查明隱伏隆起,，揭示隆起對(duì)鈾成礦的控制。根據(jù)鈾與煤,、油氣的密切共生關(guān)系,，將煤田測(cè)井資料、石油地震資料應(yīng)用于砂巖型鈾礦找礦與勘探中,，發(fā)現(xiàn)了大型-超大型鈾礦床,。實(shí)踐表明，煤-鈾兼探,、油-鈾兼探的找礦思路可有效的節(jié)約勘查成本,，提高勘探效率。
調(diào)皮的孩子亟需更多的關(guān)注
時(shí)至今日,，北方沉積盆地砂巖型鈾礦勘查與研究工作一直方興未艾,。在實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)研究中，尚存在諸多問(wèn)題亟待解決,。如礦床研究方面,，測(cè)得的鈾成礦時(shí)代難有說(shuō)服力。目前,，存在兩種測(cè)年方法（全巖U-Pb同位素等時(shí)線法和鈾礦物原位微區(qū)U-Pb同位素測(cè)年）,，年齡結(jié)果一老一新，難以做出合理解釋,。如勘查技術(shù)方面,，面對(duì)國(guó)內(nèi)的鈾礦勘查現(xiàn)狀，常規(guī)的放射性勘查方法其找礦成效并不理想,。因此有必要以砂巖型鈾礦為對(duì)象,，根據(jù)此類鈾礦的成礦特征、成礦規(guī)律,，改進(jìn),、研制新方法、新設(shè)備,，創(chuàng)新新思路,。
對(duì)于這樣一個(gè)淘氣的孩子，他的一些行為習(xí)性還難以把握,，嚴(yán)重制約了國(guó)家鈾資源的可持續(xù)發(fā)展和保障供應(yīng),。還請(qǐng)大家對(duì)鈾礦這一小眾但關(guān)鍵的礦產(chǎn)資源多一點(diǎn)關(guān)注、多一點(diǎn)愛心,、多一點(diǎn)賞識(shí),，肯定會(huì)有意想不到的收獲,！
（項(xiàng)目資助：北方主要盆地鈾等能源資源調(diào)查與潛力評(píng)價(jià)（DD20221678））
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