砂岩型铀矿分布特征及类型

全球砂岩型铀矿呈巨型带状，产在地球北纬和南纬20°～50°的广阔中、新生代沉积盆地砂岩中，主要分布于欧亚铀成矿带和南、北美洲铀成矿带。中亚作为全球最重要的砂岩型铀矿聚集区，其资源主要分布于哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦以及中国。其中，哈萨克斯坦砂岩型铀矿的总储量达百万吨以上，主要分布于楚-萨雷苏、锡尔河、北哈萨克斯坦等盆地。中国北方砂岩型铀成矿带位于欧亚铀成矿带的东段，先后在伊犁盆地南缘、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地、二连盆地和松辽盆地钱家店等地区获得一批大型-特大型铀矿床。美国砂岩型铀矿储量占全美总储量的95%以上，约28×10⁴t（U₃O₈），主要分布于西部科迪勒拉褶皱带中的怀俄明盆地、科罗拉多高原以及得克萨斯海岸带平原。此外，澳大利亚铀资源约占世界总储量的29%，其砂岩型铀矿的总储量约为12.3×10⁴t（U₃O₈），主要分布于Callabonna、Ngalia和Carnarvon等盆地。

砂岩型铀矿主要产于富有机质和黄铁矿等还原性介质的河流相长石中-粗粒砂岩中。但中国地质调查局天津地质调查中心经过多年的努力，在中国鄂尔多斯盆地发现了世界首个风成沉积体系内的大型砂岩型铀矿床。砂岩型铀矿床中的铀矿物类型主要为沥青质铀矿、铀石等。已知砂岩型铀成矿的时代集中于新生代。

砂岩型铀矿大致可以分为5个亚类。

1）古河谷型：Dalmatvoskoye，Khiagdinskoeye（俄罗斯）；Beverley（澳大利亚）；二连（中国）。

2）板状：Akouta，Imouraren，Arlit（尼日尔）；Coutras（法国）；Colorado Plateau（美国）；纳岭沟，大营（中国）。

3）卷状：Moinkum，Inkai，Mynkuduk（哈萨克斯坦）；Crow Butte，Smith Ranch（美国）；Bukinay，Sugraly，Uchkuduk（乌兹别克斯坦）。

4）构造-岩性型：Mikouloungou（加蓬）；Mas Lavayre（法国）。

5）元古宙砂岩中的镁铁质岩脉型：Matoush（加拿大）；Westmorland District（澳大利亚）。

中国的砂岩型铀矿研究起步较晚，前期主要是依赖于苏联及美国成矿模式，但随着一批重要矿床的发现，我国砂岩型铀矿的理论研究进入了新的阶段，并获得一批新成果。近几十年来，我国砂岩型铀矿勘探程度、找矿成果及成矿理论获得了重大突破和系列进展，对缓解我国铀资源供需状况、保障了国防和经济建设起到了重要作用。

砂岩型铀成矿过程的主导因素是富铀的源区、流体循环系统、巨大的砂体、还原性介质及有利成矿部位等。从目前中国砂岩型铀矿的主要分布范围来看，中亚造山带和秦祁昆造山带内广泛分布的富铀岩石单元为北方盆地内砂岩型铀矿提供了大量的铀源（王文青等，2019）。中国的砂岩型铀矿主要产于陆相沉积盆地内的河流相体系。砂岩型铀矿主要聚集于盆地边缘相对稳定的低缓区域或盆内隆起区周缘。来自盆缘蚀源区的含氧、含铀流体，沿低缓层系向下运移，与深层及层内还原性介质发生氧化-还原反应，在构造有利部位沉淀成矿。

砂岩型铀成矿作用研究现状

世界铀矿勘查开发历经了一个半世纪之久。1967年苏联布金纳依砂岩型铀矿床地浸开采实验的成功，改变了世界铀矿勘查开发利用的格局。20世纪60-90年代，美国先后在怀俄明、科罗拉多和南得克萨斯发现了一大批砂岩型铀矿床；苏联在哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦发现了一大批世界级的砂岩型铀矿床。自此，砂岩型铀矿勘查开发经历了一个蓬勃发展时期，其成矿作用研究也取得了长足发展，氧化流体成矿机理的研究得到了广泛认可。随着21世纪我国砂岩型铀矿勘查取得一系列突破性进展，特别是我国“多种能源矿产同盆共存成藏（矿）机理与富集分布规律”（刘池洋等，2003-2009）、“中国北方巨型砂岩型铀矿带陆相盆地沉积环境与大规模成矿作用”（金若时等，2015-2019）和“北方砂岩型铀能源矿产基地深部探测技术示范”（苗培森等，2018-2021）等系列国家重点研发计划的持续研究，表生含氧、含铀流体与深层含烃流体耦合成矿作用，即还原性流体参与的成矿作用越来越取得共识，将深刻影响砂岩型铀矿的勘查开发，“煤铀兼探”、“油铀兼探”及盆地勘探资料的“二次开发”对于寻找砂岩型铀矿越来越重要。

一、矿体形态及机理研究阶段 （氧化流体成矿机理）

20世纪下半叶，随着美国西部一系列砂岩型铀矿床的发现，根据砂岩型铀矿的矿体形态，美国学者提出的卷状和板状成矿模式，奠定了当前砂岩型铀矿的分类基础。之后，苏联学者依据砂岩型铀矿床的成因也提出了类似的氧化流体成矿机理的成矿模式。

1.矿体形态及成矿模式

美国的砂岩型铀矿以矿体形态建立成矿模式，分别为怀俄明和南得克萨斯“卷状矿体”成矿模式和科罗拉多“板状矿体”叠合“卷状矿体”成矿模式，强调氧化流体成矿机理、还原性地层对矿体的控制、构造改造的意义，以及深层含烃流体的参与，影响极为深远。

（1）美国怀俄明“卷状矿体”砂岩型铀矿

该铀矿主要发育于美国西部盆岭省盆地内河流相冲积扇、河道及泛滥平原沉积体系内。含矿层主要为弱固结的长石砂岩和砾岩，并含有大量的植物化石碎屑和页岩夹层。该地区的构造特征主要表现为前寒武纪基底隆起和拉勒米运动造成的盆岭构造。40Ma后的缓慢隆升，发育了拉拉米运动，最终形成了该地区盆-山耦合的区域地质背景。铀源主要有3种：①物源区隆起花岗岩；②含矿层本身；③上覆地层中的火山灰。卷状矿体主要位于古近系新近系Wind River组灰色建造中，呈带状分布，并富集Se和Mo等元素。成矿时代为古近纪新近纪，集中在22Ma±3Ma以来。矿体的形态受流体运移轨迹的影响呈卷状。

（2）美国南得克萨斯“卷状矿体”砂岩型铀矿

该铀矿位于美国南部墨西哥湾海滨，受拉拉米运动的影响，形成一套向南东倾的古近纪一新近纪海-陆交互相沉积体系，受断裂构造控制呈叠瓦状产出。铀的来源可能来自远端高原地区的岩石碎屑，或者来自与容矿主岩砂岩互层的凝灰岩 。砂岩型铀矿省的形成，深受区域断裂构造、上覆富铀地层及深层含烃流体的影响。区域上地层之间发育的角度不整合面及断裂构造，为地下水及还原性流体的运移提供了通道。来自上部的含氧流体，流经富含火山灰的Catahoula组时，浸出大量的铀，形成含氧、含铀流体；流体沿不整合面下渗到河流相砂体中，与深部来源的含烃流体发生耦合成矿作用，在氧化-还原前锋线附近发育卷状矿体。

（3）美国科罗拉多“板状矿体”叠合“卷状矿体”砂岩型铀矿

该铀矿主要位于新墨西哥州西北部的San Juan盆地南缘，产于上侏罗统Morrison组河流相砂岩。早期矿体呈板状或层状近平行于地层，产于还原性砂岩中，并深受腐殖酸影响；晚期矿体呈卷状发育。该地区主要的含矿层，为辫状河体系的粗粒砂岩沉积。Morrison组内发育的板状矿体与腐殖酸具有密切关系。San Juan盆地砂岩型铀矿，晚侏罗世-早白垩世为主成矿阶段，形成大量的板状矿体；后期含氧、含铀的地下水渗入砂岩后，与砂岩中的腐殖酸发生氧化-还原作用，将铀固定并富集形成板状矿体；Laramide运动使含氧、含铀流体从Zuni隆起，沿低缓地层进入Morrison组，造成早期板状矿体的二次迁移，形成卷状矿体。

2.氧化流体（占主导）+还原性地层

苏联砂岩型铀矿床按其成因可分为两类，即层间渗入型和潜水渗入型。对我国砂岩型铀矿找矿勘查起到了极大的推动作用，为一大批砂岩型铀矿床的发现奠定了基础。随着我国砂岩型铀矿勘查和研究的深入，这两种矿床类型发展为对应的层间氧化带型和潜水氧化带型。

（1）潜水氧化带型砂岩型铀矿床

这是由含氧地下水垂直向下迁移、并使含水砂岩层发生氧化的潜水氧化作用而把水中铀迁移到隔水层顶板，在此处由于水中自由氧耗尽而使其中所携的铀被还原而沉淀富集所形成的砂岩铀矿床。潜水氧化带特点是垂向分布，潜水与地表相通。潜水氧化带型砂岩型铀矿床的规模较小，矿体的连续性较差。

（2）层间氧化带型砂岩型铀矿床

这是产于两个不透水岩层（如泥岩）之间的透水砂岩中，由于携铀的含氧承压地下水沿透水砂岩向下方运移而发生层间氧化，并在水中自由氧耗尽的氧化带前锋处，铀被还原而沉淀富集形成的砂岩型铀矿床。此类矿床的矿化体在地表的投影呈不规则的蛇曲状，在剖面上则呈现为向地下水流动方向突出的新月形，故层间氧化带型砂岩型铀矿床又称为“卷型”铀矿床。

层间氧化作用的发育是含水层中氧化剂胜过还原剂的结果，当含水层中所含的物质与渗入水互相作用，使氧化-还原电位降到足以还原铀的程度时，这就产生了铀的还原地球化学障。在外残留的铀浓度取决于氧化-还原电位降低的程度，层间氧化带前锋线运动时，岩石成分的不均一性和铀的后生还原剂分布的不匀，必然造成E_h 值变化以及其梯度随时间和空间变化而变化，当氧化-还原电位最小

值增高到这一值时，即溶液中平衡的铀含量达到与进入渗入水中的铀含量相等时，此时仅会发生没有补充铀带入的早期形成矿化的再沉积，在E_h 值进一步提高时，还原障完全消失，早期形成的矿石被溶解。上述两种砂岩型铀矿形成的本质在于氧化-还原作用的发生，更多的是强调氧化流体在还原性地层中发生的氧化-还原作用，使得六价铀被还原成四价铀沉淀富集成矿，其中，层间氧化带是我国核工业系统砂岩型铀矿找矿勘查指导应用的主要成矿理论。

二、氧化与还原流体成矿研究阶段 （流体耦合成矿机理）

美国怀俄明和南得克萨斯 “卷状矿体”的成矿模式，认为铀的沉淀是通过地表含氧、含铀流体与还原性地层的大量生物碎屑及黄铁矿等还原介质或深层含烃流体等的相互作用而引起的。美国科罗拉

多“板状矿体”的成矿模式，认为与地层腐殖酸具有密切关系，矿体位置发育于构造隆起周围，成矿时代小于30Ma。哈萨克斯坦楚-萨雷苏盆地铀矿床主要被归类为卷状矿床，强调了层间渗入的含氧、含铀流体的成矿作用，成矿时间开始于山脉隆起的渐新世。随着砂岩型铀矿成矿理论和体系的研究，前人的关注点由盆地边缘表生流体渗入作用，逐渐变为盆地深层的还原性流体（石油、天然气、H₂S等）在砂岩型铀矿成矿、叠加富集及保存中发挥重要的作用。近年来，中国地质调查局天津地质调查中心铀矿团队通过多轮的勘查与研究工作，逐渐趋向关注地表含氧、含铀流体和深层含烃流体的耦合成矿作用。

中国北方位于亚洲砂岩型铀成矿带的东段，拥有优越的成矿地质和古气候条件，提供了丰富的铀源、大规模的砂体，而构造活动触发了地表含氧、含铀流体和深层含烃流体的运移，构筑起了补-径-排流体成矿系统，在古油气藏（断裂）边缘（顶部）形成的斜坡带，流体相互作用、耦合成矿，成为完善的流体成矿系统（苗培森等，2020）。相对沉积-成岩期作用有关的赋存于泥岩、泥质粉砂岩中的铀矿（化）体而言，这种后生成矿作用，主要赋存于砂岩的铀矿（化）体中，可能经历了复杂的成矿作用过程（Jin et al.，2020）。

在砂岩型铀成矿作用研究过程中，古气候、区域构造位置、物源和铀源、油气活动、构造改造及流体等依然是目前研究的重点和难点。基于中国北方一系列中、新生代盆地深部铀异常及矿体的新发现，结合浅部典型铀矿床的研究进展，本轮工作指出了成矿地质背景研究的重要性，为砂岩型铀矿成矿理论的建立和完善奠定了基础。此外，结合中国北方砂岩型铀矿地质调查工程，勘查技术方法的建立和运用，体现了理论与实际的密切结合。但目前，许多具体和重大的基础理论和技术方法问题仍尚待深入研究和解决。

（1）古气候条件

中国北方中、新生代砂岩型铀矿受地球中纬度气候带控制，赋矿地层普遍具有红层控矿的特点，与中亚、北美和南澳的气候及层序特点相似，可以从气候分带的角度指出全球砂岩型铀矿的找矿勘查方向（金若时等，2017），但是陆相沉积盆地的红层研究（王成善等，2016）仍然是目前我们需要密切关注的方向。

（2）原型盆地恢复

原型盆地恢复研究已成为现今中国北方各类盆地，特别是能源资源盆地分析的重要内容，含铀盆地铀富集成矿过程，与原型盆地的原始蚀源区、沉积-古地理环境以及沉积岩相的演变密切相关。原型盆地恢复和重建是盆地含铀岩系发现和圈定及评价的不可或缺的内容，也是当前砂岩型铀矿研究的薄弱环节。而中国北方中、新生代盆地的物源、铀源和沉积环境，特别是侏罗系白垩系赋矿岩系几乎没有进行系统的原型盆地恢复，制约了盆地充填和构造演化的认知。

（3）物源、铀源条件

中国北方新生代盆地处于全球规模最大的铀成矿带东端，铀源丰富。一般认为含铀岩系形成预富集，物源取决于原型盆地周缘的山脉蚀源区；成矿过程的铀富集同时也受到残余盆地周缘山脉蚀源区的控制。但具体铀成矿区的物源和铀源的示踪，目前仍然需要做更多的工作。针对找矿目的层的赋矿砂体，原来比较重视在还原性地层中研究氧化砂体及其成矿机理；但近期深部探测新发现说明，氧化地层（红层）中还原性砂体的研究也同等重要，应该给予关注（Miao et al.，2020）。这一发现，拓宽了砂岩型铀矿成矿理论的研究思路，通过进一步的勘查实践，这一研究思路不断丰富完善，以期指导类似地区的铀矿勘查。

（4）油气藏与铀矿化关系

砂岩型铀矿床的控矿构造研究相对油气勘探及金属矿床更加薄弱，严重制约其理论研究和找矿勘查。借助于油气勘探研究产铀盆地的地质演化，可以很好地了解铀矿床的地质背景及演化，但焦点往往集中于研究矿床本身，很难把成矿条件与区域地质背景联系起来，归纳的成矿要素不受地质背景的约束，这也是成矿作用多学科特点难以企及的。近期，钱家店铀矿床的蚀变分带研究表明，矿体与乌日吐茫哈（白兴吐）构造隆起（圈闭）密切相关，隆起的发生和发展与成矿时代具有一致性，修正了过去提出的成矿模式，进一步说明构造圈闭及断裂对铀矿成矿的重要性（李建国等，2020）。西部伊犁盆地南缘和吐哈盆地铀矿床、中部鄂尔多斯盆地北缘和西缘铀矿床均有类似的可能性，特别是鄂尔多斯西缘宁东铀矿床的背斜核部顶端见有8m厚的饱和油层，之下见有16m厚的工业铀矿体，均说明构造、油气藏与铀矿化的密切关系。目前，鄂尔多斯北缘铀矿床的相关工作正在进行，根据已有进展，初步提出和钱家店铀矿床类似的结论（Jin et al.，2018）。

（5）构造改造与铀成矿

不同区域沉积盆地的充填和构造改造也不同。从如何构筑砂岩型铀矿成矿过程中的补-径-排流体成矿系统来讲，后期的构造挤压（反转）形成的断裂和构造圈闭，是流体迁移运动的通道和聚集场所，氧化、还原流体运移、相互作用才能成为可能。沉积盆地的充填和构造改造过程的研究，有助于深刻理解铀成矿和沉积盆地构造演化之间的联系以及构造改造对于流体耦合成矿的制约。由于目前铀矿物微区原位测年还不成熟，砂岩型铀矿床成矿时代的确定还存在很大的局限性和争议。因此，地质约束和间接的年代学研究方法（尤其是构造事件的确定），有助于进一步限定砂岩型铀成矿时代和期次。

（6）流体成矿作用

成矿流体的捕捉及运移轨迹的判别一直是砂岩型铀矿床成矿作用研究的难题。砂岩型铀矿床是含U⁶⁺的地下水在砂岩中运移至氧化-还原过渡带，被还原为U⁴⁺而富集成矿的，所以成矿流体一直是铀矿关注的重点。系统开展流体包裹体、碳氧同位素和生物标志化合物等研究对成矿流体的来源及运移有重要的指示作用。

国内外普遍认为砂岩型铀矿床成矿流体主要源于盆地边缘表生渗入流体，但随着研究深入，人们发现源于盆地深层的还原性流体（石油、天然气、H₂S等）在砂岩型铀矿成矿、叠加富集及保存中发挥重要的作用。目前不同来源的流体在铀成矿过程中所起的作用仍然存在争议，并缺乏有效的手段对成矿流体进行追踪。现今，利用岩石颜色、Fe²⁺和Fe³⁺以及氧化-还原敏感元素等示踪成矿流体的运移轨迹，结果依然存在比较大的争议。美国怀俄明铀矿床和中国松辽盆地钱家店铀矿床都采用岩芯光谱扫描技术研究流体特征，均取得很好的效果，并已经引入到鄂尔多斯盆地内开展类似的工作。石油测井成像等技术的开发应用，能够很好地识别岩芯的岩相学特征，如岩性、成分、层理和蚀变矿物特征，也是目前需要进一步尝试的技术方法。在此基础上，结合矿物微区图像与成分分析，示踪成矿流体的运移轨迹，充分利用油气勘探的地震资料，开展地震反演与三维地质建模，进而模拟成矿流体场，完善砂岩型铀矿的成矿模式。

（7）勘查技术方法

运用“煤铀兼探”技术发现了中国最大规模的砂岩型铀矿——大营铀矿床（Jin et al.，2018）。近年来，中国地质调查局天津地质调查中心在组织开展的北方砂岩型铀矿调查工程中系统地利用煤炭、石油、天然气勘查资料“二次开发”找铀的技术方法，即“煤铀兼探”“油铀兼探”成功应用于北方砂岩型铀矿找矿实践中，已取得了突出的找矿效果，是这次深部探测新发现的基础。同时，一些新技术、新方法开始应用到铀矿调查与研究中，如三维地震反演与地质建模、岩芯光谱扫描等新技术被尝试用于精细刻画铀储层结构、有利砂体和表生成矿作用的蚀变矿物响应等方面，并取得了显著的效果。这些新技术的引入和创新应用在深部铀矿勘查工作中显示出越来越突出的作用。因此，中国北方砂岩型铀矿深部探测，在依托理论研究和技术方法有效应用指导下，充分利用油气勘探的钻井及地震资料，开展了少量千米深度的钻探验证，证实探测深部异常的重要意义，对于砂岩型铀矿成矿作用的认识也有一定借鉴意义。

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