古河道砂岩型铀矿床的定义 砂岩型铀矿研究概述

在砂岩型铀矿分类中，一直存在着“古河道型”和“古河谷型”的争议问题。据美国地质调查局(AGI)编纂的《地质词典》，河道与河谷的定义如下:河道，是一条具有地表自然水流体的河床，或者是水可以流动的天然通道，河床的最深部分或中心部位容纳河流的主要水流且被或多或少的水体持续占据，或以河道沉积物所表现的一条废弃的或被埋藏的水道;河谷，由较高陆地围挡起来的低洼陆地，一般为一狭长的、相当大的地表上的缓倾洼地，通常位于两座山之间或者两条山脉或丘陵之间，而且常具有一条泄水通道的河流。地质出版社出版的《地质辞典》(1983)则对河谷定义为:河流侵蚀切割而成的槽形凹地，它包括河床、河漫滩、阶地和谷坡;古河道:地质历史或人类历史上被废弃的河谷，在山区多以比较完整的谷形保留在现代河谷坡上或分水岭地段，以保留有古代的河流阶地为主要标志，古河道有厚层的砂砾层或砂层，是寻找冲积砂矿床和浅层地下水的良好地区。

从定义上来看，河谷比河道宽，且比河道平直，并有寿命较长的地貌特点，而且比任何单独的河道延伸距离长得多。河谷的形成主要靠河流的作用，其形成受基岩地质、气候、植被、构造运动和河道作用的控制。河道充填与水动力和泄水区岩性有关，河谷充填与河道类型和后期河谷的切割作用有关。河道充填主要受水动力条件和排泄区域的控制，主要为一些河道砂体;河谷充填通常除河道沉积外，还包括垂向堆积的天然堤漫滩和泛滥平原沉积以及沼泽和湖泊沉积。

古河道(谷)砂岩型铀矿床(Paleo-channel/valley sandstone-type uranium deposit，缩写为PCSTU矿床)，作为可地浸砂岩型铀矿的重要类型之一，是指产于古河道沉积层中的一种后生铀矿床，铀主要经过潜水氧化/潜水-层间氧化作用富集而成矿(中华人民共和国核行业标准，EJ/T1187—2004)。由于在学术上存在“古河道砂岩型”和“古河谷砂岩型”之争，我们认为使用“古河道砂岩型”更能够体现这种砂岩型矿床的本身特征，其原因如下:

1)河谷是指由河流侵蚀切割而成的槽形凹地，包括河床、河漫滩、阶地及谷坡，它的概念范围宽，河谷包括河道，但是河谷中充填的沉积物既有粗碎屑，也有细碎屑;河道是指河谷中水体流动的槽沟状通道，是河谷中经常被流水淹没的部分，亦称河床或河槽，它的沉积物主要是粗碎屑，所以，古河谷中的铀矿床不仅有“砂岩型”，还有“泥岩型”和“粉砂岩型”，如边滩和河漫沼化洼地亚相的矿床(如衡阳盆地412铀矿床，陈戴生等，1999)、沼泽亚相中的矿床(如麻布岗盆地277铀矿床)以及三角洲-滨浅湖相沉积中的铀矿化(如二连盆地努和廷矿床，陈功等，1996)。

2)河谷中的地质作用最为活跃的是河道，如河谷的下切作用是通过河道的下蚀和侧蚀作用来完成，河型的改变，如“顺直河”、“辫状河”、“曲流河”和“网状河”主要指的是河道的改变调节曲率，对基准面变化的响应也是河道最“灵敏”，所以，研究河谷的形成演化，主要是研究河道的地质作用。

3)砂岩型铀矿主要有两种成矿作用，即“潜水氧化”和“层间氧化”成矿作用(有些矿床有后期的热流体叠加改造)，均是通过可渗透的河道砂层运载、储集来完成，与河谷中的其他单元关系不太密切(河漫滩和泛滥平原沼泽岩石中的成矿作用与后生氧化还原不相关)，因此，最能反映这种成矿作用特点的是河道，它的水动力机制形成和含矿性都是跟河道的大小、沉积物的粗细、孔隙度和渗透性密切相关，选择“古河谷”不如选择“古河道”来得更直观一些。侯明才(2000)研究认为，目前俄罗斯和蒙古发现的大多数砂岩型铀矿床，根据其地质特征应该是“古河道砂岩型”，而不是“古河谷砂岩型”铀矿床。

另外，很多学者认为，古河道砂岩型又可分为基底古河道和建造间古河道，我们认为这种分类没有实际意义，因为同样都是河道沉积物含矿，只要形成了矿床，它的价值和意义都是一样重要的，无非发育在基底(也许含铀量高)上的古河道成矿比所谓的“建造间”的古河道更容易一些罢了。

古河道型铀矿床是铀在河道凹陷部位经表生含铀含氧流体渗透富集而成的。如俄罗斯古河道型砂岩铀矿的典型实例———Higda铀矿和西西伯利亚铀矿床。从世界各国在古河道中发现的铀矿床来看，其铀矿化都产于河道砂体中，铀矿化与河道的变迁和砂体的展布关系密切，如果界定为古河谷的话，就应考虑泛滥平原和沼泽及牛轭湖中的铀成矿沉积，而这些部位中的沉积以泥质岩类为主，不能定义为砂岩型铀矿。鉴于此，本书采用“古河道砂岩型”铀矿的术语，涵盖沉积环境又突出成矿部位。二连盆地2081地区-2082地区的铀矿主要受古河道的控制，含矿部位主要为河道心滩、边滩砂体，成矿作用以潜水和潜水叠加层间氧化作用为特征。因此，本书采用“古河道砂岩型铀矿”来定义二连地区砂岩型铀矿的类型。

PCSTU铀矿床的成矿作用~

根据目前认识，古河道型铀矿(PCSTU)的成因比较复杂，有古潜水氧化成因的、近代潜水氧化成因的，还有古潜水氧化叠加后期层间氧化成因的，或近代潜水和层间氧化共同成因的，甚至层间氧化成矿后加上了后期的热流体的改造作用，如开鲁盆地白兴吐地区和鄂尔多斯盆地西缘瓷窑堡地区，故一个成因类型的归属不易将其都包括在内。
有人认为古河道砂岩型铀矿的成矿作用主要是潜水氧化作用，如蒙古的哈拉特矿床为近代潜水氧化成矿，有的则是古潜水氧化成因的，如俄罗斯外乌拉尔的达尔马托夫矿床，还有的是古潜水叠加层间氧化成因的，如那尔斯矿床。该类矿体形态复杂，剖面呈似层状、似卷状，但卷头方向并不指向古河道的下游，而是指向河道中心，显示出从古河道两侧向中心的侧向氧化特征(陈祖伊，1999)。也有人把层间氧化带型和古河道型当成完全不同的两种类型矿床，认为古河谷砂岩型铀矿系指那些产于古河道沉积物内、以潜水氧化成因为主(或部分叠加层间氧化)的铀矿床，而那些虽产于河流相沉积内但以层间氧化为主要成矿作用的铀矿，归入层间氧化带砂岩型(陈肇博等，2003)。
PCSTU铀矿床成矿作用研究中的核心问题是古河道发育的构造-气候-沉积控制条件、含铀含氧流体与含还原剂砂岩的相互作用以后产生的一系列的蚀变反应。不同的构造条件发育的古河道的大小、类型、有机质的含量以及砂体的内部特征不同。而含铀含氧流体中铀要么来源于盆地蚀源区，要么来自流经岩石的地层或古河道的基底。铀源条件在古河道砂岩型铀矿研究中的认识并不完全一致。美国学者认为源区铀源条件非常重要，众多的铀矿床发育在高含铀的花岗岩基底之上，如怀俄明的GasHills等地区铀矿就发育在格拉尼特花岗岩之上(Frank，1970;Harshman，1970，1972，1974)。有些俄罗斯学者认为，铀源并不是古河道矿床的主要因素，只要含铀含氧的流体不断地流经砂岩并与其相互作用，铀在长时间内不断积累也可以形成可观的矿床。但也有些矿床显示铀源是重要的，如马林诺夫，在产矿古河道西岸基底为侵入泥盆纪的花岗岩类和闪长岩岩体，东岸有泥盆纪火山碎屑岩及泥盆纪后的花岗岩类和正长岩，侵入岩的铀含量达(5～6)×10-6。外贝加尔的维季姆矿床含矿层的主要物质来自巴伊瑟隆起中的花岗岩风化壳(绍尔等，2002)。中国伊犁盆地中酸性火山岩提供了伊犁盆地砂岩型铀矿的丰富铀源(李胜祥等，2006)。但是，夏毓亮等(2003)研究认为，蚀源区花岗岩的铀含量可以不高，只要铀的迁出率＞50%同样可以形成矿床。
铀聚集成矿的基本原理是迁移的U6+要被还原成不迁移的U4+。岩石中能使U6+还原成U4+的物质有炭化植物碎屑、黄铁矿/H2S和烃类(吴柏林等，2006;杨殿忠等，2001;Shikazono et al.，1997;Charles，1996;Nakashima et al.，1984)。美国砂岩型铀矿中几乎所有的矿床都含有炭化陆生植物碎屑，中新生代的含矿层中含有大量的针叶类和苏铁科类植物，古近-新近纪地层中含棕榈类植物碎屑(Daugherty，1941;Breger，1956;Breger and Deul，1959;Pierse et al.，1958)。俄罗斯外乌拉尔的达尔马托夫矿床主要还原剂也是植物碎屑，铀的含量与植物碎屑含量密切相关(肖新建等，2003;绍尔等，2002)。西西伯利亚的马林诺夫矿床的含矿层中富含炭化植物碎屑和铁的硫化物。外贝加尔的维季姆矿床中，有机碳的含量在古河道沉积带中为0.n%，洪泛平原、沼泽和废弃河道为8%，泥炭中含量达23%。
美国学者Galloway et al.(1983)强调了南得克萨斯盆地铀成矿中油气的还原作用，即深部的油气沿着断层上升到浅部渗透性好的砂体中再侧向运移，当遇到含铀含氧流体时，使铀还原而成矿。朱西养等(2003)、樊爱萍等(2006)和彭云彪等(2007)在研究鄂尔多斯盆地东胜地区的砂岩型铀矿时都论证了铀的还原作用与深部油气的上升参与有关。含烃热流体的参与不仅在成矿作用时使得U6+被还原成U4+而成矿，而且在成矿以后油气上升至铀矿床中，保持铀矿床处于还原环境，对矿床的保存有利。
有机质与铀的关系得到许多研究者的重视。首先，腐殖酸能吸附铀。铀在富含有机质的弱酸性介质中，常呈UO22+和UO2(OH)+形式存在，它们容易被有机物质和其他胶体所吸附。Borovec(1979)通过实验证明，铀以UO22+形式迁移的过程中，腐殖酸与铀结合形成含铀的不溶腐殖酸盐。UO22+离子的富集和铀有机络合物的凝聚程度决定了吸附UO22+的数量，在pH=3.4的酸性环境下，吸附铀达到最大值。其次，腐殖酸和富里酸能强烈地络合铀及其他金属，形成铀酰有机络合物，如铀酰腐殖酸盐络合物等。Szalay(1982)的早期研究测定认为，固态的腐殖酸表现出非常强的与铀酰(UO22+离子结合的倾向性。Meunier(1990)证实腐殖酸中碳功能团与铀络合对铀迁移能力的影响。Shanbhag(1981)通过计算证实腐殖酸能与无机酸配位体(如天然水中的弱酸性碳酸盐)竞争而与铀酰络合。Mountney(1992)测得铀酰与腐殖酸络合时富里酸的pH值为4.5。曼斯卡娅用从泥炭中萃取出的腐殖酸和富里酸与UO2SO4相互作用时，在pH=4.5的弱酸性条件下制取了铀酰腐殖酸盐沉淀，在pH=7～7.5时得到铀酰富里酸盐的沉淀物。Robert利用核磁共振技术研究证明，腐殖酸与金属离子结合的主要功能团是羧基COOH-和羟基OH-。第三，别列里曼等实验证明，几乎所有固体的沥青和多种煤均具备了使铀还原和沉淀的条件，能还原铀的物质可以是沉积时带入盆地的植物残骸，也可以是成岩之后带入的沥青等。An-dreas(1972)、Andreyev(1964)及Nakashimaetal.(1984)等用实验证明了铀的还原过程和有机质的氧化作用，反应式如2(RH)+UO22+→2R0+2H++UO2↓，这个还原反应速度取决于有机质性质及反应温度。Meunier(1990)证实，在热处理的过程中，天然的铀有机络合物可能被破坏，铀能够被还原为U4+氧化物。Charles(1996)认为在卷状铀矿床的成因模式中，有机质起到关键性作用。
砂岩型铀矿的成矿作用过程中，流体的作用已经越来越受到重视。吴柏林等(2003)用蚀变特征和包裹体方法研究吐哈盆地砂岩型铀矿时指出，早期酸性氧化古流体对铀成矿极为有利，晚期碱性还原流体形成“钙质层”，对成矿不利。王果等(2000)和樊爱萍等(2006)分别在研究滇西382矿床和鄂尔多斯东胜矿床时发现，铀矿床的形成与热流体有关。382矿床处于地热异常区，铀富集与地热梯度有关(戴杰敏，1994)，同时见热液蚀变(硅化、水云母化)，包裹体测温为120～200℃。樊爱萍等(2006)利用包裹体、SEM、CL等测试手段，分析得出东胜矿床含矿砂岩曾经历了3幕流体作用:第一、二幕为有机热流体事件，形成硅质胶结物，温度为89～124℃;第三幕为无机热流体事件，形成碳酸盐胶结物，温度为163℃。
我们认为，古河道砂岩型铀矿是产于古河道沉积层中的一种外生后生铀矿床，受古河道沉积范围所控制，所以古河道砂岩型铀矿的成因是多种多样的，既有潜水氧化成因，又有层间氧化成因，还可能有后期热流体的改造作用。

早在1874年在美国宾夕法尼亚就发现了砂岩型铀矿床，直到20世纪40～50年代美国能源部的激励政策出台，导致了在科罗拉多高原、怀俄明盆地以及南得克萨斯发现了大量的具有工业意义的铀矿床，并进行了详细勘探工作。当时把这类矿床定名为砂岩中的外生铀矿床，铀矿物是从溶液中沉淀的(Finch，1967)。多数矿床由于平行于层面呈板状，所以也叫做准整合型矿床(peneconcordant)。这种矿床产于3种大地构造环境:①地槽与稳定大陆之间的前陆浅坳陷带中;②山间盆地中;③接近岸线的滨海平原。在这些环境中，水的排泄是不畅的，溶液有足够的时间与岩石反应，使得铀富集。到60年代中后期，美国发现的砂岩型铀矿床达4600个左右，至1958年就发现了17000t储量的U3O8。
到20世纪80年代初，美国已经通过对砂岩型铀矿的成矿物质来源、成矿作用、地质识别判据等进行了深入研究和系统总结，建立了“卷状铀矿床”的成矿模式(Harshman，1970;Granger，1978;Rackley，1976)。中亚地区是世界上最大的砂岩型铀矿富集区，有数十个大型、超大型砂岩型铀矿床，在其数十年的勘查和研究中，逐渐形成了“次造山带控矿”的理论，并最先建立了层间氧化带型砂岩铀矿成矿理论，该理论即为“层间渗入成矿理论”或称为“水成铀矿理论”。俄罗斯专家在俄罗斯和蒙古境内发现的古河道型砂岩铀矿成因机制方面做了研究，根据对外乌拉尔的达尔马托夫、西西伯利亚的马林诺夫和外贝加尔地区的希阿格达矿床的研究，提出该类型属潜水-层间水渗入氧化作用成因。
我国砂岩型铀矿研究虽然起步于20世纪50年代，但取得实质性进展是在80年代末国内地浸技术取得突破以后。20世纪80～90年代初以来，核工业地质系统引进了中亚地区及俄罗斯等国的可地浸砂岩型铀矿勘探方法和经验，掀起了在我国北方诸盆地中找矿的高潮，取得了不少的成果与认识，尤其是90年代后期，引进了俄罗斯的古河道型砂岩铀矿的成矿理论与实践，受到了重要的启发，并在我国得到了验证。
从目前的文献资料和我国专家对未来前景的展望看，我国砂岩型铀矿床前景喜人，特别是古河道型砂岩型铀矿可能是我们实现重大突破的关键所在。由于独特的历史构造条件限制，我国要寻找类似于中亚那样的大型层间氧化带的条件似乎不存在，中新生代以来的大小陆相盆地，都是以各个盆地为单元自成一体，物源供应、水动力机制、沉积相带展布等均以盆地为核心，没有发育在一个统一的大型区域背景条件下的斜坡，即使是在同一个盆地内部环境也不均一，许多盆地内部实际上在形成含矿层时还处于相对分隔状态，“盆中盆”现象普遍，如二连和海拉尔盆地，这种条件下不利于发育区域性层间氧化带，反而有利于发育相对独立的河道体系，是形成古河道型矿床的有利条件。总之，在我国，尤其是东部地区，找寻古河道型铀矿床可能比找寻大型层间氧化带型矿床更有利。

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