中国北方砂岩型铀矿大规模成矿作用

金若时1,2,3,滕雪明1,2,3

(1.中国地质调查局天津地质调查中心,天津300170;2.华北地质科技创新中心,天津300170;3.中国地质调查局铀矿地质重点实验室,天津300170)

摘 要:近年来,天津地质调查中心铀矿团队依托于一系列调查评价项目和科学研究项目,在中国北方砂岩型铀矿大规模成矿作用方面取得了一些新认识。中国北方具备优越的砂岩型铀成矿地质背景,砂岩型铀矿体多产在红黑岩系过渡的河流相、三角洲相、湖滨相等灰色砂体中,垂向分布、耦合产出的“红-黑岩系”为大规模砂岩型铀矿的形成提供了先决背景。砂岩型铀矿的形成受盆地构造-沉积演化的控制。盆地的跌宕构造运动不仅控制了沉积地层的空间展布,其间形成的构造斜坡带也为砂岩型铀矿的形成提供了有利空间。跌宕构造运动引发盆内大规模潜水流动,是导致大规模砂岩型铀矿形成的真正动力源。本文还从区域构造运动、成矿背景、成矿作用、铀成矿机制及综合找矿预测工作等方面,综合构建了中国北方中新生代陆相盆地砂岩铀研究理论体系,旨在为今后进一步的科学理论研究和找矿勘查提供重要参考。

关键词:成矿地质背景;成矿作用;盆地演化;成矿模型;砂岩型铀矿

铀是核能资源的主要原料。世界上主要产铀大国为哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、加拿大、澳大利亚、尼日尔、纳米比亚、俄罗斯、乌克兰、美国、中国等。铀矿类型很多,主要工业类型有角度不整合型、砂岩型、爆破角砾岩型、花(白)岗岩型、火山岩型、碳硅泥岩型等[1-2]。1850年捷克首先把铀矿石作为矿产品开采,1880年美国在科罗拉多发现了砂岩型铀矿,1945年美国试爆了第一颗原子弹,1952年前苏联发现了乌奇库杜克砂岩铀矿,1954年前苏联在奥布宁斯克建了第一座核电站,1967年前苏联布金纳依砂岩铀矿地浸成功[3]

砂岩型铀矿由于具有可利用资源品位低、矿床规模大、经济、安全、环保、易采等优点,目前已成为全球利用率最高的铀矿类型(图1)。近些年来,世界多国加强铀矿资源的勘查投入和理论研究。2007—2011年,澳大利亚政府实施了“陆上能源安全计划”的“铀矿系统研究”项目,旨在厘清控制铀成矿系统的整个动态过程,为评价澳大利亚铀矿资源潜力和发现与勘探新的资源降低风险。加拿大地质调查局正在实施“针对性科学计划”中的“铀成矿系统”项目,目的是厘清控制铀矿体矿化作用和成矿作用的关键因素。美国自1980年以来铀矿调查与研究工作长期处于停滞状态,铀矿资源高度依赖进口。2016年美国重新启动新一轮铀矿调查和研究工作,并进行新的铀成因模型研究及铀矿开采的环境评价工作。2019年,联合国欧洲经济委员会经过多年大讨论,明确提出铀矿资源将是人类可持续发展高度依赖的清洁能源,并将其列为欧洲(至2035年)战略性关键金属矿产[4]

图1 不同类型铀矿资源与开采占比图(据IAEA2019数据)
Fig.1 The pie graph showing the percent age of dif ferent global uranium resources and different kinds of uranium production worldwide in 2019

我国的相关铀矿勘查工作始于上世纪50年代。1955—1961年中苏联合在我国新疆伊犁盆地发现了煤岩型达拉地、蒙其古尔和湖南衡阳汪家冲等矿床。1998年中国核工业地质局取得真正意义上的砂岩型铀矿找矿突破,在新疆伊犁盆地评价了第一个可供地浸开采的库捷尔太矿床。此后,核工业地质队伍相继发现了蒙其古尔、十红滩、皂火壕、纳岭沟、巴彦乌拉砂岩型铀矿床。中石油队伍评价了钱家店矿床。2011年中央地勘基金中心发现了大营铀矿,同时中国地质调查局组织了“全国铀矿资源评价”,中核地质局编写了“中国铀矿床研究评价”系列丛书,整合了建国以来铀矿勘查和研究资料。

2012—2014年,中国地质调查局启动“我国主要盆地煤铀等多矿种综合调查评价”项目,新发现矿产地10余处。2015—2021年,“北方砂岩型铀矿调查工程”进一步实施。累计发现砂岩铀矿产地20余处,其中超大型2个,大型5个。2015—2019年,科技部组织开展了973计划“中国北方巨型砂岩铀成矿带陆相盆地沉积环境与大规模成矿作用”基础研究项目。2018—2021年,科技部“北方砂岩型铀矿能源矿产深部探测技术示范”重大专项实施。2019年国际地球科学计划项目“砂岩型铀矿表生流体成矿作用”(IGCP675)开始运转。至此,初步形成了科技部侧重科研、中国地质调查局侧重调查、核工业局侧重勘查的良性铀矿地质工作局面。

几十年的砂岩型铀矿勘查和科研工作发现的一系列成熟的铀矿床以及一大批铀矿产地均位于北方系列中新生代盆地内,揭示出中国北方曾发生过大规模砂岩铀矿成矿作用。

1 砂岩型铀矿的时空分布及研究现状

世界上砂岩型铀资源主要产在两条巨型成矿带和几个古老的克拉通及其周缘地带[5-7](图2)。两条巨型成矿带,一条为近南北向延伸的科迪勒拉带,由美国的科罗拉多高原、南得克萨斯海岸平原,延伸至巴西、阿根廷、智利等国;另一条为近东西向延伸的欧亚铀成矿带,由大西洋东岸的法国北部巴伐利亚高原,经乌兹别克斯坦、哈萨克斯坦、俄罗斯、蒙古、中国北方,至太平洋西岸俄罗斯阿穆尔河畔地区。目前世界上已发现的砂岩铀矿最集中产出的地区位于东西向展布的欧亚带内,包括中亚哈萨克斯坦国楚-萨雷苏、锡尔河和乌兹别克斯坦中央克兹尔库姆地区。中国北方砂岩铀成矿带位于欧亚成矿带最东部[5-9]

图2 世界上砂岩型铀矿分布略图及两条巨型铀成矿带(据参考文献[7])
Fig.2 Digital elevation model map showing the global two giant metallogenic belts of sandstone-type uranium deposit s

中国已发现的砂岩型铀矿主要产在中国北方的系列中新生代陆相沉积盆地内(图3)。这些砂岩铀矿产在各盆地较稳定的赋矿层位内(表1),具备明显的成矿时空规律[10]

表1 中国北方中新生代典型盆地地层与赋含砂岩型铀矿对比表(据参考文献[10])
Table 1 Comparison of correlation between typical Mesozoic-Cenozoic basin format ion and uranium-bearing horizon in nort hern China

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图3 中国主要赋砂岩型铀矿盆地分布图(据参考文献[10])
Fig.3 Distribut ion of major sandstone-type uranium bearing basins and uranium ore deposits/occurrences in China(modified after Jin et al.,2019a)

1.逆冲构造;2.正滑或拆离构造;3.剪切或走滑构造;4.背斜褶皱轴;5.中新生代变形系统;6.古生代变形系统;7.铀矿床(赋矿层位为中生代地层);8.铀矿床(赋矿层位为新生代地层);9.中生界含铀岩系;10.新生界含铀岩系

砂岩型铀矿可产于盆地内多种沉积环境的砂体中,众多学者就赋矿砂体的岩石学、形态、规模、空间展布、成因等问题开展过大量的研究,大多数学者认为赋矿砂体形成于辫状河及辫状河三角洲沉积环境中[11-25]。风成砂体系中砂岩型铀矿在上世纪也有报道。近年来,天津地质调查中心铀矿研究团队在鄂尔多斯盆地西南缘风成砂中亦取得风成砂沉积体系砂岩型铀矿勘探和研究重大突破[26]

盆地的形成与盆地周缘造山带的隆升关系密切,成矿物质的来源、盆地内沉积物质充填序列、沉积体系类型及展布、成矿流体迁移补-径-排水动力系统的形成均与造山-成盆作用相关。焦养泉等(2007)[27]提出铀储层的概念,并将沉积盆地分析和层序地层学的理论方法应用到中国北方陆相含铀盆地的研究中。盆缘造山作用与盆内铀成矿的耦合关系也得到广泛研究[28-32]

前苏联学者提出了水成铀矿理论[33]。经典的水成铀矿理论,以层间氧化带或潜水氧化带为重点研究对象,提出铀被地下水或地表水携带至透水性较好的砂岩层渗透运移时,在氧化还原过渡带聚集成矿。李胜祥等[34]根据盆地流体类型与铀成矿作用方式,将盆地流体的铀成矿作用分为盆地表生渗入流体铀成矿作用、盆地自生流体铀成矿作用、盆地深源外来流体铀成矿作用、盆地自生流体与盆地渗入流体的混合铀成矿作用及盆地自生流体与深源外来流体的叠加铀成矿作用。金若时等[35]认为不同来源、不同性状的流体混合作用能引起成矿流体物理化学条件的改变(温度、压力、pH、Eh),影响络合物的种类和浓度,导致流体化学平衡被破坏,引起卸载成矿。当前追踪流体-岩石相互作用并划分氧化带、过渡带、还原带的方法主要为铀系不平衡技术和铀天然同位素比值法[36],也有部分学者利用总有机碳、低价硫、Eh-pH体系等研究成矿分带性[37-38]。具体用来研究流体作用的方法和手段包括水-岩反应实验模拟[39-40],铀沉淀定位的地球化学界面及粘土矿物的研究[41-45],流体包裹体[46-51]以及成矿过程的计算机模拟等[52-54]

前人针对砂岩型铀矿的成矿模型大致形成了以下几派观点。1956年,美国学者在研究怀俄明盆地内的砂岩型铀矿时,首次提出了“卷状”矿体概念,后来建立了怀俄明式“卷状”铀成矿模式,认为含铀含氧流体顺层灌入,遇到还原环境性物质时,流体顺层向前“滚动成矿”,并依氧化还原前锋线,形成卷头。相关成矿理论在得克萨斯州南部的砂岩型铀矿中得到了证实[55-56]。1993年,前苏联学者在研究中亚的砂岩型铀矿床成因的过程中,提出了“潜水渗透型”和“层间渗透型”两种成矿模型[57]。2015年,澳大利亚铀矿研究者针对费罗姆矿床的研究中强调了“油气等有机质”对砂岩型铀成矿的影响[58]。中国学者主要引进了前苏联学者的思想,提出了“层间氧化带”成矿模型[59-63]。天津地质调查中心铀矿研究团队以鄂尔多斯盆地北部已发现的砂岩铀矿为例,详细讨论了构造-沉积演化与砂岩型铀矿的成矿关系,并提出了“跌宕”控矿模型[64](图4)。

图4 世界上已建立的经典砂岩型铀成矿模式图
Fig.4 Established genetic models of the world's classical sandstone-type uranium mineralization

盆地形成演化与成矿关系研究取得了重要进展。随着勘查钻孔数据的积累和计算机技术的发展,国内外学者对沉积盆地、沉积相、控矿要素等方面,已采用三维可视化图等工具,来刻画成矿过程的细节和全貌,突破了仅以描述模型认知成矿作用的局限性,建立了更客观的统计概念砂岩铀矿成矿模型[9,65-66]。砂岩型铀矿研究的理论体系逐渐被完善。找矿方法组合系统也正在不断地丰富[67]

2 中国北方砂岩型铀矿成矿背景

多数研究者认为控制砂岩铀矿成矿背景有两个主要地质要素:一是沉积相,二是沉积物的氧化还原条件。通常认为最有利于砂岩铀矿形成的沉积相为低水位体系下形成的河流相、三角洲相、湖滨相等,亦有风成砂沉积体系中发现了砂岩型铀矿[11-26],有利成矿部位为氧化还原过渡环境[5,68-69]

中国北方砂岩型铀矿主要产于富油、煤、气盆地系列陆相沉积盆地内,具有多种能源资源同盆共存的富集特征[70-71]。近年来,天津中心铀矿研究团队通过对10万余米岩心的综合对比研究,发现北方系列陆相沉积盆地内的砂岩型铀矿的产出与“红-黑岩系”耦合产出关系密切。“红-黑岩系”耦合产出与世界范围内的砂岩型铀矿产出同样具有高度相似性,认为其是砂岩型铀矿形成的有利地质背景[5,64,68-69](图5)。“红-黑岩系”是指同一构造层内,一套黄色-褐色-红色陆相沉积碎屑岩层组合与绿色-灰色-黑色陆相碎屑岩层及含煤、含油系岩系组合,分别代表了地层的氧化和还原条件。中国北方盆地“红-黑岩系”共同产出,而南方各盆地内有大套红色岩系,但缺乏黑色岩系,因此南方盆地不发育大规模铀成矿作用(图6)。沉积盆地内的“红-黑岩系”分布往往是大尺度的,“红-黑岩系”的产出受盆地的构造-沉积演化控制,具备垂向展布的特征(图7)。“红色岩系”主要源于盆缘等较远源的中酸性岩体等富铀物质。“红色岩系”是“场”。“黑色岩系”富含近源腐殖物质等还原性物质,“黑色岩系”是“障”,砂岩型铀矿则产在红黑岩系过渡的河流相、三角洲相、湖滨相等灰色砂体中[5,68]

图5 世界上沉积盆地内红中新生界黑岩系分布特征略图(据参考文献[5])
Fig.5 Dist ribution of global red strata,organic matters bearing strata and sandstone-type uranium deposit s

图6 中国沉积盆地内中新生界红黑岩系分布略图(据参考文献[5])
Fig.6 Distribut ion of red strata,organic matt ers bearing strata and sandstone-type uranium deposits in China

图7 北方侏罗纪—白垩纪典型陆相产铀盆地“红-黑岩系”横向对比图(据参考文献[5])
Fig.7 Transversal comparison of the sandstone-type uranium bearing basins illustrating the"red-black series"in the Jurassic-Cretaceous period

3 中国北方砂岩型铀矿成矿作用

砂岩型铀矿要成为具有经济利用价值的矿床,必须是可利用地浸方法开采的[2]。这类砂岩铀矿的主要载矿沉积砂体按成因可分为水成和风成两类,其中水成类型又可分为陆相和海相两类。本文所讨论的中国北方砂岩型铀矿成矿作用是基于水成陆相砂体内的矿床。下面将从成矿作用的源、运、储过程进行论述。

3.1 成矿物质来源

对铀矿物质的来源和成矿过程主要有三种认识。一是认为成矿物质直接源于周缘造山带富铀的花岗质岩石,经淋滤富集成矿;二是周缘造山带的富铀花岗质岩石经剥蚀后,呈富铀碎屑搬运至盆地内部成为地层的一部分,后经流体的萃取,迁移,沉淀成矿;三是认为深部流体带来了深部含铀物质,在具备条件的地质体内富集成矿[72-75]。多数学者认可砂岩型铀矿两种或三种复合来源的成矿特征[34]。中国铀元素分布呈现明显的“北低南高”的特征,砂岩型铀矿区块除云南小盆地外,均分布在北方,南方多花岗岩型以及碳硅泥岩型铀矿[76]。以鄂尔多斯盆地为例,其周缘铀元素地球化学分布图显示,相对于盆地北缘,盆地南缘具有更高的铀元素总量(图8)。但是,大量的砂岩型铀矿床却分布在盆地北部,比如已发现的大营、纳岭沟、皂火壕、塔然高勒等铀矿床或铀矿产地。这一现象表明盆地内砂岩型铀矿床的产出与盆缘铀元素地球化学元素高低不是正比关系。盆缘丰富的铀元素能够为砂岩型铀矿床的形成提供基本的物质保障,但这些丰富的铀元素若不能顺利迁移到盆地内,或者只迁移到盆地内,未经淋滤富集或者二次萃取-迁移-沉淀成矿,则难以形成砂岩型铀矿床。通常认为潮湿-干旱气候的交替变化造就了富铀地质体中的铀元素在表生地球化学过程中发生迁移并沉淀的过程,故认为鄂尔多斯盆地北部更加突出的气候交替变化控制了砂岩型铀矿集区的形成[77]。中国北方伊犁、准噶尔、柴达木、鄂尔多斯、二连、松辽等陆相沉积盆地内均有砂岩型铀矿的大规模产出,与古气候关系密切。北方系列盆地内部砂岩型铀矿大规模成带产出的现象表明铀成矿作用不是简单的源于周缘造山带富铀的花岗质岩石经淋滤富集成矿,更有可能是源于地层内富铀碎屑物质的二次富集。

图8 鄂尔多斯盆地周缘稀有稀土与铀元素高背景区分布图(据参考文献[77])
Fig.8 Geochemical distribut ion map of Uranium elements around Ordos Basin

3.2 成矿流体及运移方式

无论是无机流体、有机还原流体,还是跟岩浆活动紧密相关的后期热流体,都能在铀成矿作用中充当媒介,萃取铀,并在合适的地球化学环境中富集成矿。其中,众多学者认为表生流体(大气降水、地下潜水等)是最重要的流体来源[35,64]

砂岩型铀矿是后生流体成矿,与一般岩浆-热液型内生金属铀矿床相比,其形成的铀矿体不能简单的区分矿石矿物和脉石矿物,这给研究其流体行为带来了极大困难。国际原子能机构基于砂岩型铀矿矿体形态,将其分为“卷状”、“条带状”、“板状”和“堆状”四类。笔者认为这四类形态是成矿部位在不同地下水分层带内及是否受断裂构造影响等因素的直接反映。一般认为,在包气带水的砂体内,含铀流体顺砂体层流动,形成“卷状”矿体。条带状和板状矿体往往形成于潜水带底部适宜砂体中,前者的适宜砂体不均一分布,后者的适宜性砂体在一定空间范围内均匀分布。“堆状”矿体往往产在承压水带内,且与断裂关系密切(图9)。

图9 地下水动力模式与砂岩型铀矿体形态图
Fig.9 Dynamic models of groundwater layers and t heir control on the shape of sandstone-type uranium ore body

天津中心铀矿研究团队针对含矿砂岩硅质交结物中的包裹体开展了相关研究,认为这类包裹体与铀成矿作用具有较大关系。以松辽盆地钱家店铀矿床此类包裹体的研究为例,包裹体类型主要为含烃盐水和气态烃二相包裹体。针对与成矿有关的流体包裹体测温显示其均一温度为102.5~169.5℃,盐度为1.7~6.1 wt%NaCleq,成矿流体主要为地下潜水[78]。表生条件下形成的砂岩型铀矿,由于成矿温度低,成矿过程能形成多种蚀变矿物。针对鄂尔多斯盆地东胜地区的蚀变矿物岩心光谱在一定程度上反映了流体的性质与运移方向。研究区N-S向钻孔剖面的Fe3+含量呈现南部含量较高,北部含量较低的“反分带”特征,显示靠盆缘的北部为还原带,远离盆缘的南部为氧化带,这与传统层间氧化带认为盆缘-盆内为氧化带-还原带过渡的现象相反,说明流体成矿时的运移方向由盆内向盆缘(图10)。

图10 鄂尔多斯盆地东胜研究区某NE-SW向钻孔氧化铁含量联井剖面图(据973报告,未发表)
Fig.10 A NE-SW well-tie profile to illustrate the ferric iron(Fe 3+)variat ions in Dongsheng area,Ordos Basin

3.3 铀矿赋存状态

砂岩型铀矿中的铀多呈矿物态及吸附态产出。铀矿物主要为铀石和沥青铀矿。以塔然高勒地区为例,铀矿物的共(伴)生矿物常见组合主要有6种,分别为黄铁矿+铀石/沥青铀矿、锐钛矿+铀石/沥青铀矿/含钛铀矿物、绿泥石/蒙脱石+铀石/沥青铀矿、石英/长石+铀石/沥青铀矿、炭屑+铀石/沥青铀矿、黑云母+铀石/沥青铀矿等[79]

4 盆地演化与铀成矿的关系

鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿的综合研究认为盆地的构造旋回控制了盆地地层的接触关系,控制了盆地不同时期的水位高低,控制了盆地内“红-黑”岩系沉积序列以及干湿环境(图11)。

对比研究中亚地区与中国北方典型砂岩型铀矿田的空间产出特征,包括伊犁盆地南缘蒙其古尔、鄂尔多斯盆地纳岭沟、宁东、松辽盆地钱家店以及大庆新发现铀矿产地,含铀岩系在中新生代盆地内产出部位明显受盆地构造控制,基本上可以归纳为三种构造样式(类型):河谷式、盆缘式、盆内隆缘式[80](图12)。河谷式和盆缘式构造样式砂岩型铀矿普遍发育,前人对这两类砂岩型铀矿形成的构造条件都做过深入研究,也主要关注的是这两个类型。“盆内隆缘式”构造样式,即盆地内部构造隆起区边缘缓坡地段产出铀矿床的构造样式,是大型盆地内部铀成矿的重要控矿因素,钱家店铀矿最为典型。该模式打破了传统以盆缘地区找矿为主的思路,打开了盆地内部隆起区砂岩型铀矿找矿的新空间,实现了铀矿找矿三个转变:由传统盆缘向盆地内部的转变,由浅部向深部的转变,由煤田区向油田区的转变。这一成果的找矿应用价值巨大,利用该成果,目前已在松辽盆地大庆、鄂尔多斯盆地泾川、柴达木盆地花土沟、准噶尔盆地克拉玛依等系列盆地内部油田区取得了铀矿找矿重大进展,得到了油田、煤田、核工业等行业相关专家的高度认可和推广应用。

图12 砂岩型铀矿产出的有利构造样式图(据参考文献[80])
Fig.12 Favorable structure st yles for the occurrence of sandst one-type uranium deposits

针对松辽盆地钱家店铀矿床的年龄研究表明,其成矿年龄主要集中在40 Ma以来,与松辽盆地的油气成藏期具有高度的一致性。钱家店渐新世-中新世构造反转、油气成藏、砂岩型铀矿成矿在时间上较为一致,说明渐新世-中新世构造反转引起的松辽盆地内部大规模褶皱隆升和逆冲断裂制约了钱家店矿床的形成[81]。鄂尔多斯盆地总体上看发育六次大的不整合面,表明北方盆地由老至新经历了230 Ma、190 Ma、145 Ma、95 Ma、65 Ma、23 Ma六次大的构造事件。这六次构造事件不仅控制了盆地内沉积建造和沉积相,还控制了砂岩铀矿的形成[64](图11)。

图11 鄂尔多斯盆地中生代地层柱状图(据参考文献[64])
Fig.11 Comprehensive Mesozoic-Cenozoic stratigraphic columns in the nort heast Ordos Basin

5 中国北方砂岩铀成矿模型

砂岩型铀矿的成矿模型前人做过许多研究。但建立的标准不一致,差异很大。笔者团队提出应当遵循“盆地类型→矿体形态→形成机理”的原则来建立砂岩型铀矿的成矿模型。

依照盆地内单一或多个含铀岩系赋层构造层的时代,将我国含铀盆地划分为三类,即“复合类”、“简单类”、“叠合类”。复合类盆地中的砂岩型铀矿仅产在一个构造层内,发育多套“红-黑岩系”耦合沉积建造,可发育多层砂岩型铀矿体。简单类盆地中的砂岩型铀矿也只产在一个构造层内,仅发育地层砂岩型铀矿体。叠合类盆地往往具备两个或多个构造层发育砂岩型铀矿体。以含铀盆地与构造岩浆岩带的空间关系,将之分为两型,即两个构造带之间的“克拉通型”,构造带之内的局部狭长的“山间型”[10]。砂岩型铀矿模型的建立应当充分考虑构造层时代及周缘岩浆带分布空间关系,建立不同类型盆地的成矿模型。如前所述,砂岩型铀矿的矿体形态还受控于产出的水文环境,因此,模型的建立还应当充分依据矿体的形态开展。

依托天津地质调查中心铀矿团队实施的一系列项目,以鄂尔多斯盆地北缘发现的板状砂岩型铀矿体为例,建立了适用于“复合类、克拉通型”盆地中板状铀矿体的跌宕成矿模型。该跌宕成矿模型从区域构造的角度出发,论述了构造-沉积演化对砂岩型铀成矿地质背景的控制[67](图13)。

图13 基于鄂尔多斯盆地北缘砂岩型铀矿建立的跌宕控矿过程示意图(据参考文献[67])
Fig.13 Cartoons showing the metallogenic process of the sandstone-type uranium based on special studies among those deposits in northern Ordos Basin

中国北方盆地具有相似的大区域构造背景。近年来,依托砂岩型铀矿工程新发现的多个铀矿产地,证实了中国北方中新生代陆相盆地发生过大规模成矿作用,找矿资源潜力巨大。天津中心铀矿研究团队总结了中国北方砂岩型铀成矿理论体系,包含区域构造运动、成矿背景、成矿作用、铀成矿机制及综合找矿预测工作等方面,为今后进一步的科学理论研究和找矿勘查提供重要参考[67](图14)。

图14 中国北方中新生代陆相盆地砂岩铀研究的理论体系框图(据参考文献[67])
Fig.14 The systematic diagram to illustrate the theoretical studies for sandst one-type uranium deposits in Mesozoic-Cenozoic continent al basins in northern China

6 结论

(1)中国北方系列陆相沉积盆地中红色、黑色岩系耦合出现与砂岩型铀矿空间关系密切,矿体多产在红黑岩系过渡的河流相、三角洲相、湖滨相等灰色砂体中。总体认为颜色的垂向分带是对古沉积环境的直接响应,垂向“红黑岩系耦合”代表的环境变化制约北方陆相盆地大规模成矿作用,前者为铀矿物质沉淀提供了“障”,后者为表生流体溶解铀提供了“场”。

(2)北方系列盆地内砂岩型铀矿大规模成带产出的现象表明铀成矿作用不是简单的源于周缘造山带富铀的花岗质岩石经历淋滤富集成矿的过程,而是源于地层内富铀碎屑物质的二次富集。这一成矿过程与盆地构造演化密切相关。以鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿的综合研究认为,鄂尔多斯盆地的构造旋回控制了盆地地层的接触关系,控制了盆地不同时期的水位高低,控制了盆地内“红-黑”岩系沉积序列以及干湿环境,以及大规模铀成矿作用。

(3)中国北方不同陆相盆地在成矿地质背景、构造控矿等方面具有相似性和共同性,但各盆地在盆地类型、构造演化阶段等存在差异。盆地内地下水包气带水、潜水、承压水“垂向”分带控制了砂岩型铀矿体的不同产出形态。成矿模型的建立应当基于不同类型盆地,以盆地内发现的典型铀矿床为例,结合水文地质条件及矿体形态,各自建立跌宕成矿模型。

(4)砂岩铀矿往往以隐伏矿埋藏于地下,很难被发现。以往钻孔测井放射性的曲线异常是寻找此类矿产最直接有效的找矿方法。传统地质学的点、线、面地质调查是普惠的找矿方法,逐渐地建立和不断地完善物探与地质相结合的有效找矿方法组合,是铀矿地质找矿工作的长期任务。

(5)从各盆地的构造-沉积演化角度出发,掌握砂岩型铀矿的形成演化过程,进一步深化中国北方陆相盆地砂岩型铀矿区域产出规律,科学地预测资源量和资源地。砂岩型铀矿的找矿勘查工作应该在科学理论和方法创新的指导下持续地开展。同时要做到利用好国内外资源和市场,保障我国核能资源供给的健康发展。

致谢:此文综合了中国地质调查局“中国北方砂岩型铀矿工程”、科技部973计划“中国北方巨型砂岩铀矿成矿带大规模成矿作用”、科技部国家重点研发计划“北方砂岩型铀能源矿产基地深部探测技术示范”、国际地球科学计划“砂岩铀矿成矿作用(IGCP675)”四个项目的研究成果。在此我谨向参加这些项目的各位同事和对项目给与指导与关心的各位专家学者表示崇高的敬意和衷心的感谢!

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Large scale sandstone-type uranium mineralization in northern China

JIN Ruo-shi1,2,3,TENG Xue-ming1,2,3
(1.Tianjin Center,China Geological Survey,Tianjin 300170,China;2.North China Center of Geoscience Innovation,Tianjin 300170,China;3.Key Laboratory of Uranium Geology,China Geological Survey,Tianjin 300170,China

Abstract:In recent years,depending on a series of investigation and evaluation projects and scientific research projects carried out by the Uranium Research Group of Tianjin Center,China Geological Survey,lots of new insights on large-scale sandstone-type uranium mineralization have been achieved.The widely coupled distributed"red black rock series"in northern China provide a prerequisite background for the formation of large-scale sandstone-type uranium deposits.Usually,the ore bodies are mostly carried in fluvial facies,delta facies and lakeside gray sand bodies that situated at the transition zone of the red and black horizons.The sandstone-type uranium mineralization is overall controlled by the tectono-sedimentary evolution of the basin.The periodically vertical tectonic movements not only control the spatial horizontal distribution of red-black strata,but also provide a favorable slope area for uranium mineralization.The water fluctuations caused by tectonic movements is the real driving force to the migration of the oxygen-uranium bearing fluid.This paper also summarized the theoretical system of sandstone-uranium mineralization in Meso-Cenozoic continental basins in northern China from the perspectives of regional tectonic movement,metallogenic background,mineralization,uranium metallogenic mechanism and comprehensive prospecting prediction,which could provide important reference for further scientific theoretical research and prospecting and exploration.

Key words:metallogenic geological background;uranium mineralization;basin evolution;metallogenic model;sandstone-type uranium deposits

中图分类号:P617;P619.14

文献标识码:A

文章编号:2097-0188(2022)01-0042-16

DOI:10.19948/j.12-1471/P.2022.01.03

收稿日期:2022-03-09

资助项目:国家自然科学基金“战略性关键金属超常富集成矿动力学”;重大研究计划重点支持项目:“风成沉积体系砂岩型铀矿成矿作用(92162212)”;国际地球科学计划项目:“Sandstone-type Uranium Deposits(IGCP 675)”;国家重点研发计划项目:“北方砂岩型铀能源矿产基地深部探测技术示范项目(2018YFC0604200)”;中国地质调查局地质调查项目:“鄂尔多斯、柴达木等盆地砂岩型铀矿调查(DD201901199)”联合资助。

作者简介:金若时(1958-),男,硕士,正高级工程师,长期从事矿产地质调查工作,E-mail:ruosj2003@aliyun.com。