鈾資源勘查理論與技術研究方向

林雙幸，張書成，張鐵嶺，權小輝

（核工業北京地質研究院, 北京 100029）

當前, 世界各國尤其是發達國家都極為重視礦產資源勘查理論與技術研究和該領域的高新技術發展, 部分發達國家已經制定實施了以勘查理論和技術為先導的地質領域重大戰略研究計劃。 比如美國 “EOS、 ESE、IEOS 計劃”、 “EarthScope 計劃” 和 “智慧地球”, 歐洲“GMES 計劃”, 法國“Geoscope 計劃”, 澳大利亞 “玻璃地球計劃”, 加拿大“勘探技術計劃” 等。 這些計劃的實施, 代表了礦產資源勘查和地球科學發展的方向, 對促進包括鈾礦在內的地質礦產資源勘查領域高新技術發展產生了重要影響, 而且, 使地質工作勘查手段、 勘查研究深度與廣度、 成果的實現方式等都發生了巨大變革。 我國也非常重視鈾礦勘查領域中的研究應用, 相繼開展了 “高光譜測量”, 實施了 “鈾礦科學深鉆及深部成礦環境研究”, 開展了 “高分辨率對地觀測系統專項” 等勘查研究, 取得了一定的成效。 但與近年來國外發達國家在成礦作用、 成礦預測、 勘查理論、 技術方面的高新技術發展相比, 還存在差距。 需要我們根據新理論新技術發展的新情況, 對鈾礦資源勘查領域高新技術未來發展, 進行不斷的跟蹤、 創新研究和更全面、 更長遠的科學性前瞻。

1 世界鈾資源勘查理論研究方向與技術發展趨勢

鈾礦勘查理論正從單一的礦床研究向其同生、 伴生的一組大中小型礦床族的研究轉變, 成礦規律和勘查模式研究方向正從小尺度小范圍礦床成因研究, 向大尺度全球成礦體系和中尺度形成大型鈾礦聚集區, 大規模成礦作用及其時空分布規律研究與勘查理論、勘查模式方向發展。

鈾成礦作用過程研究正在被納入到地球動力學演化總體框架中, 從巖石圈深部殼幔驅動, 淺部地殼響應及環境變遷, 巨量物質、能量運移、 聚集與淺部定位整體過程, 研究大型礦集區、 成礦大爆發、 鈾地球化學塊體及超大型礦的形成分布等規律問題。

鈾成礦預測學正在經歷從研究基于環境的找礦理論, 向研究基于成礦巨量金屬元素的找礦理論轉變, 從研究地表信息向深部成礦信息向地表的傳輸過程和傳輸到地表以后的再分散富集機理轉變, 從發現和識別局部異常向發現和識別大規模地球化學異常、 模式轉變。

具幔源屬性的地幔流體型鈾成礦作用研究, 開闊了成礦理論和深部找礦的新思路。在地幔柱和地幔熱點的作用下, 從地球深部地幔中帶來幔源熔融物質和大量的成礦元素,不僅使上部地殼發生構造變形、 熔融改造和變質作用, 在殼、 幔之間產生了巨大的物質與能量交換, 同時, 這些成礦元素在地球化學和地球物理條件的變化過程中, 由于自身與環境的適應性, 而直接富集成礦體 （主要是巖漿礦床） 或被帶到地殼淺表和地表, 通過大量巖漿巖及相關組分如流體和氣體的噴發而間接成礦 （主要是區域性富集的熱液礦床）。 鈾就是在這種地幔熱點區域, 發生復雜的多期次巖漿和流體作用過程的晚期熔體或流體中富集, 鈾可以來自地幔, 也能在幔源物質上侵過程中從圍巖中汲取, 并形成富鈾的成礦流體, 在作用于近地表時, 由于物化條件而產生沉淀成礦； 大量鈾礦床反映出來的規律性表明, 在成礦過程中起主導作用的是陡傾深大斷裂系, 以及與活化晚期和結束階段有關的基性巖漿的侵入作用。 這些地區的異常高溫熱場既證實了成礦溶液的深部（巖漿） 來源, 也指示著成礦的統一機制, 即在結束階段侵入作用帶來的熱流作用下, 分異出的含礦流體參與了鈾成礦機制[1]。

近年來, 重要的鈾資源大國都在致力于發展各種捕獲深部鈾成礦信息的深穿透方法和基于GIS、 互聯網、 大數據的含礦信息采集提取、 數據處理分析, 成礦信息識別、 綜合預測方法體系。

由于地面和淺表地帶鈾礦勘查程度的不斷提高, 找礦的難度也越來越大。 隨著隱伏礦產勘查技術的發展, 地表覆蓋區或已發現礦床的深部探測已成為重要的探索領域。 自20 世紀70 年代開始, 利用成礦元素向地表遷移擴散的機制, 而提出的 “深穿透地球化學方法” 和信息處理技術, 得到了較快發展并日趨成熟。 一些國家積極開展地電化學、 地氣、 活動態金屬、 氣納微金屬等深穿透技術的實驗和應用研究。 瑞典、 俄羅斯、 美國、德國、 加拿大、 澳大利亞等國在這一方法領域無論理論基礎還是實際應用都取得明顯的效果。 例如, 加拿大開展的2010-2020 年靶區地學倡議 （TGI） 項目4、 5 期, 通過深部金屬元素來源和遷移通道建模, 提高了加拿大重要經濟礦產的深部找礦效率, Dufferin Lake 地區穿插基底含石墨泥質片巖的石英脈中廣泛存在富甲烷和氮氣等揮發分的流體包裹體, 被看作成礦流體與石墨、 云母和長石發生流-巖反應的結果。 石墨消解形成甲烷,云母和長石分解形成氮氣, 以上現象均能較好地證明深部含礦流體對上部地層的改造。通過礦體上覆砂巖層的蝕變礦物鐵鎂同位素探測分析表明, 鈾富集在δ57Fe 和δ26Mg 較高值的區域, 結合地球物理 （電磁法） 資料,可劃分遠景區確定礦化部位[2]。

我國也非常重視鈾礦地質礦產資源勘查領域的研究與發展, 相繼提出了 “高光譜地殼” 的概念, 實施了 “深部探測計劃”, 開展了 “高分專項” 研究等。 與此同時, 與鈾礦產資源有關的成礦作用、 勘查理論與技術方法研究也處于再創新發展的新階段[3-7]。

2 國內鈾資源勘查理論研究與技術突破方向

2.1 加強多種能源礦產協同勘查技術研究與技術突破

人們在長期的鈾資源勘查活動中注意到鈾與許多金屬和能源礦產有著共生、 共存的現象, 如我國北方塔里木、 伊犁、 準噶爾、鄂爾多斯、 松遼等中新生代盆地, 波斯灣盆地、 中亞沉積盆地等, 出現的石油、 煤炭、巖鹽、 砂巖鈾礦, 澳大利亞、 也門等出現的鹽巖-石油-鈣結礫巖鈾礦, 前蘇聯火山巖型鈾、 鉬、 銅、 鉛鋅、 金礦等礦產共存、 共生等等, 這些礦產在時空分布上共生、 共存特征和有序聚集, 與區域地質構造發展演化過程緊密相關, 屬于一個構造體系下不同階段的演化產物, 并形成一個成礦大系統。 如花崗巖侵入演化分異和火山作用過程中的鈾、銅、 鉬、 鉛鋅成礦作用與成礦序列； 盆地演化發展過程 中 的 鹽（K、 Li） -煤、 煤氣-油、油氣-鈾的不同成礦作用過程與成礦序列等[8]。這些礦產的時空分布特征、 成礦規律和勘查方式上存在著一定聯系, 這為多種能源礦產協同勘查技術研究與技術突破奠定了基礎。

不同礦產在勘查過程中具有一定的共性和差異, 目前人們已經在能源型盆地的礦產勘查工作中, 總結出最為合適的勘查技術手段和協同勘查已取得最佳效益的理論模式。統籌各種勘查技術方法、 評價協同方法的區塊適應性、 實現勘查技術方法優勢互補、 協調勘查工程實施的勘查方法與技術優化理論；針對不同能源礦產, 進行勘查技術應用、 勘查設備選擇、 勘查方案制定和勘查效益等方面的全面系統研究評價, 不僅保證了能源資源合理快速有效勘查開發, 也有利于協同創新和環境保護。

開展能源型礦產聚合盆地礦產勘查技術研究與技術突破的重點, 是要加強同一地質構造體系下盆地演化、 層序結構、 構造巖漿時空演化、 多礦產成礦機制和富集規律、 礦產聚集單元與礦產聚集形式等方面研究, 并根據鈾、 煤、 油 （氣）、 鹽 （K、 Li） 等元素在成礦過程中的地球化學、 地球物理學特性以及與地質建造、 構造形式之間的依存關系特征, 研究和有效使用集成配套、 相互兼顧、標準融合的勘查技術； 強化協同勘查機制、體制建設和勘查模式建立, 制定我國協同勘查的基本原則和勘查規范, 使能源型盆地勘查工作有序高效并合理利用。

2.2 加強邊緣控礦作用的鈾成礦勘查新理論與技術突破

眾所周知, 許多礦化作用包括鈾礦化是板塊 （陸塊） 的形成演化與相互作用的產物,板塊之間的擠壓碰撞作用有著極其重要的作用。

板塊構造邊緣和活動性陸塊邊緣控制了全球性鈾成礦帶。 研究發現, 在地臺及地槽褶皺帶、 盆地、 巖體、 構造形跡邊緣和地層及巖石交界面都是成礦（鈾） 的有利部位。

板塊邊緣控制了全球鈾成礦帶, 如我國揚子板塊與華夏板塊的交接部位的贛杭構造火山巖帶是我國目前火山巖型鈾礦最為密集的重要成礦帶。 歐亞大陸板塊與庫拉-太平洋超級大洋板塊之間形成的環太平洋構造帶內的巨型鈾成礦帶； 亞洲岡瓦納陸塊與西伯利亞板塊之間的擠壓碰撞形成的中央亞洲鈾成礦域、 西伯利亞鈾成礦域、 特提斯鈾成礦域、濱西太平洋鈾成礦域、 華夏鈾成礦域等。 研究認為, 在板塊邊緣, 由于板塊運動方向和方式的異相差異, 形成匯聚型與離散型板塊邊緣。 在匯聚型板塊邊緣, 板塊俯沖時由于溫度、 壓力較高, 物理化學作用強烈, 巖漿攜帶大量鈾及多種金屬元素沿斷裂上升, 形成巖漿侵入型鈾礦床； 在離散板塊邊緣, 由于地幔物質上涌到地殼表層, 所攜帶的成礦元素通過地球化學作用、 結晶、 沉淀和富集在有利位置, 如華南火山巖型鈾礦, 同時板塊離散時還是大陸邊緣下沉, 給大陸板塊運來的含礦物質造成有利成礦空間, 形成各種沉積礦床。 由于大陸邊緣多有不同時代和類型的板塊邊緣構成, 因此大陸邊緣成為鈾資源勘查的有利部位[9-12]。

在地臺、 地槽褶皺系邊緣, 由于兩側地塊運動方向的異相差異, 往往發育深大斷裂成為巖漿和熱液運移通道, 形成巖漿巖型和熱液型鈾礦化, 如俄羅斯地臺東緣、 華北地臺北緣。 同時由于新構造運動的活化改造、盆山轉化、 往往在槽臺過渡帶發生坳陷、 斷陷和地層掀斜, 形成水成鈾礦床。 因此, 應當加強針對性的邊緣鈾控礦作用下的勘查理論研究, 包括預測評價、 系統勘查規劃部署、針對性勘查方法等。

2.3 重視地球化學障鈾成礦勘查理論研究

鈾是活動性元素, 在其遷移過程中常會遇到地球物理化學條件的突變, 從而使其原有的地球化學平衡發生破壞, 使鈾元素的遷移強度在很短的距離內急劇變小, 并在局部地段或空間內發生沉淀富集, 形成新的相對穩定的化學礦物聚合體, 或稱為鈾礦化富集。這種發生平衡破壞的地段被稱為地球化學障[11]。 各 種化 學的、 物 理 的、 以 及生物化學的或綜合的地質因素發生突變的地段都可以構成地球化學障。 如在剪切帶發育地段, 容易發生流體的混合、 水巖反應、 稀釋作用、相的分離、 沸騰作用、 絡合物的氧化-還原反應、 流體參數值 （pH、 Eh、 T、 P、 O2、 CO2、SO2） 的改變、 壓力及溫度急劇下降、 微生物活動及膠體絮凝等, 從而構成地球化學障,導致鈾及其他成礦元素沉淀析出。 當上述因素存在而且發生反差較大的環境時, 系統中的鈾元素能在一個有限的范圍內沉淀下來并聚集成礦。 如果上述因素變化時逐漸分散的話, 便不能形成地球化學障, 則形成鈾元素的相對偏高分散異常而不能形成有價值的工業礦床。 地球化學障成礦理論很好地解釋了層間氧化帶砂巖型鈾礦床氧化還原過渡帶控礦機理和許多鈾礦 （無論是花崗巖型還是火山巖型） 奇特地都定位于一個垂直上下標高（礦化垂幅） 間距的成礦殼層之內 （大體是1～1.5 km）。

因此, 開展針對鈾成礦地球化學障成礦的勘查理論和技術方法研究, 探索鈾地球化學障成礦作用有關因素與鈾成礦相關的地球化學行為、 表現形式、 聚散規律、 相關關系以及勘查技術方法, 有助于快速尋找發現、分析研究、 定位勘查鈾礦床。

2.4 深穿透地球化學技術與隱伏區鈾礦資源勘查

由于淺表地質找礦工作程度的不斷提高和勘查技術方法的不斷完善和日趨精準, 在地表或淺地表地質體中發現新的鈾礦產地的機會將愈來愈少。 近年來, 世界各國尤其是鈾資源大國和有實力的跨國鈾業公司, 都將鈾礦勘查的目標放在了占陸地面積一半的隱伏區。 針對核素元素及其子體在深部地質體中所具有的衰變、 遷移、 穿透等特點, 采用深穿透地球化學勘查技術 （氣體和部分提?。⑹俏磥礅櫟厍蚧瘜W勘查的主要手段[13]。

要解決覆蓋區或深部鈾地球化學勘查問題, 就必須研究探索鈾及其衰變子體等探途元素的物理化學屬性及其在地質演化和成礦過程中的地球化學行為, 運用現代科學技術手段, 研發出一套能夠反映深部鈾礦化信息的完整的樣品采集、 處理、 分析測試、 質量監控、 數據處理、 圖件制作和數據計算分析、有利信息提取、 地質解釋和成礦預測等新技術新方法。 近年來, 國內外已在覆蓋區或深部鈾礦勘查中研制出許多技術, 并取得一定效果, 這些技術包括選擇性化學提取, 電化學提取技術, 活動金屬離子法, 酶提取法,氣體和地氣測量, 水化學測量, 生物 （細菌）測量等。

利用深穿透地球化學的鈾元素活動態提取測量方法, 可以有效的發現300～500 m 或更深（據稱可達900 m） 覆蓋層以下的砂巖型鈾礦化以及熱液鈾礦深部的鈾鉬異常組合,對沉積盆地覆蓋區的層間氧化帶砂巖型鈾礦的探測也有較好的效果。

但是, 在鈾礦資源地球化學勘查領域我國尚處在起步探索之中, 還沒有成熟有效的技術理論支撐和勘查規程規范。 要解決沉積盆地覆蓋區和硬巖深部區鈾的地球化學勘查問題, 需要在加強理論研究的基礎上, 盡快開展我國深穿透鈾地球化學勘查理論和技術方法的研發和勘查工作, 并在實踐中不斷完善, 在應用中檢驗效果, 初步建立起適合我國鈾礦成礦條件和礦床特征的深穿透鈾地球化學勘查理論和技術方法。 一是發展隱伏鈾礦勘查和現存或危機礦山深部勘查, 研發識別大型或超大型鈾礦的地球化學定量方法來進行隱伏礦床勘查； 二是借助新的分析技術對過去難識別或微弱痕量信息進行分析識別研究、 技術創新和提升； 三是與多元勘查方法結合, 將勘查找礦從描述性向定量化、 精細化、 精準化轉變。

2.5 加強第二深度空間鈾資源勘查技術理論研究， 開展鈾礦聚集區地下500～1 500 m的鈾礦勘查探索

鈾礦形成是地球內部地質發展演化過程中, 鈾元素與其所處的物化條件變化和能量的不斷變化和交換所致, 大型鈾礦床或集聚區的形成與分布是受深部鈾元素的物理-化學-力學過程制約, 也就是在鈾元素運移和上涌過程中與殼、 幔介質發生交代、 蝕變等作用后逐漸積聚的, 而并不限于在近地表處形成與堆積的。 理論上, 地球深處有利的成礦空間一般為10 km 以內, 因為這個空間恰為地殼內部物質分異、 調整和其動力作用的匯聚地帶； 也是多金屬成礦要素發生突變和耦合轉換地帶, 適宜成礦元素在動力作用下的聚集和熱液鈾礦在內的多種金屬成礦。

實踐上, 許多與中基性巖漿演化或脈體活動有關的鈾礦化作用的發現證明深部中基性巖漿活動和深部流體參與了鈾成礦作用過程, 我國在相山鈾礦田進行的鈾礦深部科學研究證明, 在1 500 m 以下仍有很大的鈾多金屬找礦遠景和潛力, 拓展了我國鈾多金屬礦的深部找礦空間[1]。

以上說明, 當今第一深度空間（0～500 m）鈾找礦、 勘查并非是我國鈾礦資源的整體或全部。 在第二深度空間（500～1 500 m） 肯定還存在著繼續延伸和聚集。 加強我國地殼內部第二深度空間鈾資源的勘查研究, 不僅是一個富有突破性、 前瞻性和創新性的舉措,而且具有非常重要的戰略意義。

2.6 鈾礦地質勘查信息技術應用研究

隨著云計算、 大數據、 移動GIS 技術等一系列新興技術的發展, 由遙感、 地理信息技術及數據庫等構成的傳統地質信息技術將不斷融入新興的高新技術, 從而促進鈾礦資源勘查發展, 進而形成新的鈾礦地質信息技術體系, 指導和規范鈾礦勘查的發展和應用。結合國際前沿技術發展, 目前, 在地質信息技術領域的信息技術包括: 物聯網技術、 三維GIS 技術、 移動GIS 技術、 大數據技術和云計算技術。 美國地質調查局利用國家大數據研發計劃, 對全面、 長期數據進行綜合,進一步把大數據集和地球科學理論的大構想轉換成科學發展, 提高對地球系統科學問題的理解和應對能力。 國內外研究單位機構開始使用電腦和藍牙GIS 進行地質資源勘查,三維可視化地質模擬技術、 三維地質數據建模等應用, 以及地質數據庫的建設和線上線下服務。 而在鈾礦勘查領域鈾礦地質勘查信息技術開發應用還屬于起步階段, 任重而道遠。 應加快研究突破鈾礦資源勘查領域信息化應用方法和技術, 融合大數據等高新技術,結合傳統鈾礦勘查信息技術, 組成新的信息技術體系, 實現鈾礦地質勘查技術滿足和服務地質工作需要。 分階段對三維空間信息處理與建模技術, 野外數字填圖與物化探、 遙感等多元勘查數據建模并進行綜合分析、 解譯和表達。 將三維信息技術、 GIS 技術、 互聯網技術、 物聯網技術、 大數據技術等融入鈾礦地質勘查工作流程, 實現地質勘查。 從野外編錄、 數據編輯、 成圖處理、 地質建模、成果分析展示一體化處理與多元立體化表達。通過發展 “鈾礦地質信息高新技術”, 構建“鈾礦地質信息技術標準體系”, 建成 “鈾礦地質信息共享服務平臺”。

3 結語

鈾礦地質勘查工作正處在科技創新驅動的重大轉變時期。 一是隨著找礦工作從地表、淺表區向隱伏、 深部區深入, 研發提高探測深度和探測能力的高精尖新的勘查裝備已成為共同追求； 二是借助當代地球科學發展和信息采集、 計算、 識別、 集成等數字化新興技術, 研發與構建新一代協同勘查新方法、新技術體系, 尤其是在物探、 化探和遙感技術發展方面引人注目, 加拿大對Shea 河和世紀不整合面型鈾礦勘查突破就是很好例證；三是創新地質成礦理論, 將鈾成礦作用過程研究納入到地球動力學演化總體框架中, 將成礦規律和勘查模式研究從小尺度小范圍礦床成因研究, 向全球大尺度成礦體系、 大型鈾礦聚集區的大規模成礦作用及其時空分布規律研究方向發展。

部分發達國家制定實施以勘查理論和技術為先導的地質領域重大戰略研究計劃無疑將起到重要的引領作用, 高新技術發展也使地質勘查的深度和廣度都發生了巨大變革。把握新時期我國鈾資源勘查理論與技術研究方向, 加強全面跟蹤基礎上的自主創新, 加快高新技術在鈾資源勘查中的應用, 對實現我國新時期鈾礦新發現和勘查新突破具有重要意義。