鈾,，一個淘氣的孩子
——砂巖型鈾礦成藏研究紀(jì)實
◎? 陳路路 封志兵 程銀行 趙華雷 朱強
鈾資源是“雙碳”目標(biāo)達(dá)成的重要保障,，也是鞏固國防的戰(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,，在世界鈾資源供給中的比重迅速攀升,。隨著人們對鈾元素及鈾礦床認(rèn)識的深入,，發(fā)現(xiàn)性質(zhì)活潑的鈾元素猶如一個淘氣的孩子,，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 （圖片來源：Essentials of Geology）
活潑好動的天性
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,，全球鈾的總儲量高達(dá)幾十萬噸至幾百萬噸。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、美國等國家,。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)國際原子能機構(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。
鈾元素自身擁有調(diào)皮好動的天性,。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價和+6價化合物的形式穩(wěn)定存在,。其中,，鈾元素在還原環(huán)境中呈+4價,，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，以UO22+形式溶解于水溶液中,。盆地邊緣的富鈾巖體在經(jīng)歷了以百萬年為時間單元的暴露,、風(fēng)化、淋濾等地質(zhì)演化,，活潑好動的鈾元素伴隨大氣降水無孔不入地進(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
一個調(diào)皮好動的孩子從來不缺玩伴,，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,，與有機質(zhì),、黃鐵礦、黏土礦物等密切共生,。有機質(zhì)包括炭質(zhì)植物碎屑,、煤屑、油氣等,，在鈾的富集沉淀過程中扮演著還原劑的重要角色,。對于大多數(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鈾的吸附能力強弱不一，由強到弱依次為：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的古氣候環(huán)境,，炭質(zhì)碎屑發(fā)育，對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,，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情,，它直接或間接的參與了賦鈾砂體的還原和保礦過程,。國內(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),、美國南德克薩斯鈾礦集區(qū)等,。
同時，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)價值，其中錸是一種機械性能優(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
砂巖型鈾成礦過程就像滾雪球,，來自盆緣的鈾（U6+）被大氣降水帶入沉積地層后,，在氧化還原過渡帶被還原為四價鈾而停止運移。后續(xù)的含鈾含氧流體沿原路徑來到成礦部位后,，把四價鈾再氧化為六價鈾,，并一起帶走。氧耗盡后在新的氧化還原過渡帶再次被還原為四價鈾而沉淀停留,。持續(xù)的地質(zhì)過程與滾雪球一樣,，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)、古水動力條件等多重因素控制,，每一種因素的變化都會影響鈾成礦作用的進(jìn)程,。主要過程表現(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，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-涇-排水動力體系。沉積期的濕潤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移通道和容礦空間,，還原介質(zhì)如炭屑、黃鐵礦等對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程中不會一帆風(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)勢的地浸采鈾技術(shù)創(chuàng)新推動下，砂巖型鈾礦逐漸成為我國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別有利含礦砂體,；利用重磁勘探查明隱伏隆起,，揭示隆起對鈾成礦的控制。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,。在實際生產(chǎn)和科學(xué)研究中，尚存在諸多問題亟待解決,。如礦床研究方面,，測得的鈾成礦時代難有說服力。目前,，存在兩種測年方法（全巖U-Pb同位素等時線法和鈾礦物原位微區(qū)U-Pb同位素測年）,，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,，面對國內(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,。
對于這樣一個淘氣的孩子，他的一些行為習(xí)性還難以把握,，嚴(yán)重制約了國家鈾資源的可持續(xù)發(fā)展和保障供應(yīng),。還請大家對鈾礦這一小眾但關(guān)鍵的礦產(chǎn)資源多一點關(guān)注、多一點愛心,、多一點賞識,，肯定會有意想不到的收獲！
?。椖抠Y助：北方主要盆地鈾等能源資源調(diào)查與潛力評價（DD20221678））
?。ㄗ髡邌挝唬褐袊刭|(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心）
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