加拿大不整合面型鈾礦勘查研究新進展

章展銘，蔡煜琦，衣龍升，劉佳林

（核工業北京地質研究院，北京 100029）

加拿大不整合面型鈾礦床主要發育在阿薩巴斯卡盆地東部，從20世紀初至今已發現Cluff Lake、Rabbit Lake、McArthur River和McClean Lake等礦床。盆地主要產鈾區的工作，在詳細的地質調查基礎上開始向深部資源勘探發展，已經發現數個埋藏較深的鈾礦床 （Dufferin Lake、 Millennium、 Phoenix及Centennial等）。對其中Dufferin Lake、Millennium和Phoenix等典型礦床有針對性地從成礦流體、蝕變礦物組合、含礦構造和鈾成礦年齡的研究受到廣泛關注。筆者根據加拿大不整合面型鈾礦的最新勘查研究成果，選擇典型礦床進行介紹，以期為我國鈾礦勘查工作提供參考。

1 阿薩巴斯卡盆地簡況

阿薩巴斯卡盆地是發育在加拿大克拉通內的一個中元古代沉積盆地。盆地基底包括以花崗質變質巖為主的太古宙-古元古代基底和某些綠巖帶。在塔特森—塞隆構造區與哈德森造山帶之間的基底上形成了一條NE-SW向的凹陷。凹陷中充填中元古代以來的沉積巖與火山巖，在后期的造山運動中發生了一系列的褶皺變形，組成盆地蓋層。加拿大主要不整合面型鈾礦床分布在阿薩巴斯卡盆地東部（圖1）。

2 鈾資源勘查項目概況

加拿大是世界鈾資源和鈾生產大國，也是世界上最早的鈾生產國之一，早在20世紀30年代就開始了鈾和鐳的開采和生產。

據統計 （加拿大自然資源網，2018），2016年加拿大鈾產量（不整合面型）占世界鈾產量的23%，位居世界第二，這些鈾產品全部來自薩斯喀徹溫省。目前加拿大國內鈾資源勘查工作有兩類：一是依托第2期能源和礦產資源（金、銅、鈾為主）填圖（GEM）項目，從2013年到2020年共投入0.95億美元（表1），集中在加拿大北部地質資料不充分的地區開展基礎性調查研究，旨在發現近地表的金屬礦床，主要面向初級開發者，不需要進行基礎設施建設；二是依托第5期靶區地學倡議（TGI）項目，從2015到2020年共投入0.17億美元（表1），屬于國家級項目，集中在加拿大南部地質資料較豐富、研究程度較高的地區開展攻深找盲及創新性研究等工作，旨在改進原有近地表礦床的勘查開采模型、提高原有礦山土地利用效率以及增強加拿大本土礦業公司的全球競爭力，主要面向采礦者，要求有較好的基礎設施建設。可見，加拿大針對鈾資源的勘查工作，在開拓新遠景區的同時仍然對老礦區進行更深入的勘探研究工作，保證其鈾資源產量處于世界領先地位。

2010—2015年完成的第4期靶區（TGI4）地學倡議項目旨在發展新知識和創新技術（地球物理化學手段與3D建模等），提高對深部埋藏鈾礦床（銅、金、鈾為主）的勘查效率。筆者綜合TGI-4項目阿薩巴斯卡盆地不整合面型鈾勘查成果，從成礦流體、含礦構造、蝕變礦物及成礦機制方面介紹加拿大不整合面型鈾礦勘查的新進展。

圖1 阿薩巴斯卡盆地及其鈾礦床分布簡圖（據Kotzer，1995修改）Fig.1 Distribution sketch of Athabasca Basin and uranium deposits（Modified after Kotzer，1995）

表1 近年來加拿大國家礦產資源勘查項目Table 1 Recent years national mineral resources exploration projects in Canada

3 不整合面型鈾礦床研究進展

圖2 阿薩巴斯卡盆地不整合面型鈾礦床成礦模式（據Jefferson修改，2007 a）Fig.2 Unconformity-related uranium deposit model of Athabasca Basin（Modified after Jefferson，2007 a）

不整合面型鈾礦指位于太古宙-古元古代變質基底與中元古代含礫砂巖之間（被復活斷層系所交切的區域不整合面上部、下部或橫跨區），呈豆莢狀、脈狀、角礫巖帶狀或半塊狀集合體形式分布的高品位鈾礦［1］（圖2）根據不同產出位置不整合面型鈾礦床可被劃分為滲入型（基底控制）與滲出型（砂巖控制）。該類型鈾礦床主要產于阿薩巴斯卡盆地。盆地總面積超過85 000 km2，而約96%已查明鈾資源沿盆地東緣的北東向斷裂分布［2］。根據Hoeve and Sibbald［3］的Rabbit Lake不整合面型鈾礦床經典模型，發現了McArthur River和Cigar Laker礦床（圖1）。近年來在盆地深部不同地質背景下也發現了新的鈾礦床，例如產于盆地基底內部、深度650～750 m的Millennium礦床［4-5］以及深度800～830 m、無石墨伴生的Centennial礦床［6-8］等，并且對典型礦床進行更深入的研究，獲得了成礦流體、含礦構造、稀土與鐵同位素特征、蝕變礦物組合和鈾成礦年齡等信息。

3.1 成礦流體研究

3.1.1 成礦流體成分

普遍認為，阿薩巴斯卡盆地不整合面型鈾礦床成礦流體是一種熱的（160～250℃）、氧化性質的酸性流體［9-10］，包括不同成分 （富氯化鈣、 氯化鈉等）的盆地鹵水［11-12］，含氣體成分 （CO2，CH4，H2S等）［13］，pH值 呈弱 酸（5～6）至強酸性（2.5～4.5）［9-15］。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［16］。該現象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。

3.1.2 流體還原機制

早先的不整合面型鈾成礦模式指出［3］，盆地深部鹵水與石墨反應生成二氧化碳和甲烷，甲烷又能將六價態的鈾還原沉淀。Alexandre［17］提出石墨被輻解可以直接還原六價鈾。然而，在阿薩巴斯卡盆地的Cluff Lake、Centennial等礦床，以及澳大利亞麥克阿瑟盆地Nabarlek礦床中［18-23］，含石墨的基底巖石跟礦體并沒有空間上的聯系。可見石墨與鈾成礦的關系是存在區域性差異的，而總體來說石墨是加拿大不整合面型鈾礦床勘查工作中極其重要的指示礦物。石墨與上升的深部流體發生流-巖反應，揮發分產物的逸散致使流體沸騰作用而加速鈾成礦，因此筆者認為石墨更大程度上可被視為催化劑。相比之下，流體的參與是成礦的關鍵。烴流體［24］，黃鐵礦分解形成硫化氫氣體［25］，黃鐵礦氧化、黑云母綠泥石化及角閃石的伊利石化釋放出二價態鐵［17］，富NaCl鹵水與富CaCl2鹵水的混合作用［14］等還原機制先后被提出來，富含還原劑的流體具有強烈的成礦作用，石墨的分解只能作為流-巖反應的一個標志［16］。Potter等［26］發現氧化性酸性鹵水從蝕變礦物中浸出鐵會導致鐵鎂元素明顯分異，同時Acevedo等［27］確定了可以指示與鈾沉淀相關的氧化還原作用的鐵同位素特征（δ56Fe值大于0.5‰）。

3.2 含礦構造研究

盆地沉積巖成巖前、成巖期和成巖后的基底構造在不整合面型鈾礦的成因分析和應用勘查模型［1-2］中都被當作一個整體來研究。阿薩巴斯卡盆地不整合面型鈾礦床有關的構造活動大致劃分為兩期：一是成礦前韌性構造活動，流體包裹體信息顯示為高溫高壓的變質環境；二是成礦期和成礦后北東走向的脆性構造活動，流體包裹體存在氣相和氣液相，顯示為溫壓相對較低的環境。前者是盆地基底的高溫塑性變形，而后者則在盆地蓋層形成后與成礦作用密切相關。Pascal［16，28］等人分別在Dufferin Lake和Phoenix礦床近礦部位觀察到石墨發生貧化。前人發現石墨的分布與構造通道、鈾礦物存在耦合關系，因此依據石墨導電的特性，利用電磁法來識別不整合面型鈾礦的含礦構造。該技術對構造含礦性的探索發現了兩個重要的現象：一是由于蝕變（石墨的消解）引起的電磁特征中斷區很有可能是成礦遠景區；二是石墨含量的不足同樣會導致電磁性的中斷，而該斷裂帶是否含礦則需要地球化學等其他輔助信息。

基于前人認為可能存在含礦流體對流的現象，研究人員［29］運用計算機模擬流體在構造中活動的過程，并且以斷層數量為變量，細化單個對流室的規模，構建出流體-構造模型，發現基底構造控制流體室的發育，得出含礦流體是經由基底上升的結論。

3.3 稀土元素與鐵同位素特征研究

基于Phoenix礦床上覆沉積層砂巖的地球化學數據，研究者［30］運用主成分分析方法，指出U元素與稀土元素（HREE＋Y、LREE、Pb）具有相關性，同時發現在富稀土元素地區U與V，Cr，Fe，Ni，Cu，Cd，Na，Li，Ba有著強烈的正相關性，與HREE＋Y相關性不強，甚至與LREE＋P呈反相關性。該地區存在磷釔礦、獨居石和含鋁磷酸、硫酸鹽礦物，這些含稀土元素的礦物分布在赤鐵礦化砂巖中。根據U與Fe元素的正相關關系［27，30］，推測U是由氧化性流體運輸，而相同地區未成礦地帶則是有可能是流體中U含量較低或者缺少還原介質。

在McArthur River礦床四號礦體，研究人員［27］對鐵同位素進行了研究，認為亞鐵離子很有可能自身作為還原介質，促進了高價態鈾的還原：

同時發現該過程會導致Fe同位素分餾，導致出現56Fe富集的現象。

3.4 蝕變礦物學研究

蝕變的礦物學評價較早應用于阿薩巴斯卡盆地不整合面型鈾礦研究，采用的技術方法從早期的巖相學研究和X射線衍射技術［31］到黏土標準化計算［32］，再到后來廣泛應用的短波紅外黏土識別技術［33］。伊利石、高嶺石、鎂-鐵電氣石及綠泥石等黏土蝕變相的組合與已知的不整合面型鈾礦化系統存在空間關系，但局部黏土礦物含量和種類的變化也顯示出一定的復雜性。在McArthur River礦床所在的P2斷層中，Adlakha［34］發現成礦期磷鋁鈰礦化學成分和蝕變組合中鎂鐵電氣石、綠泥石含量的變化，即近礦部位磷鋁鈰礦中的稀土元素和鈾元素更富集，鎂-鐵電氣石和綠泥石明顯增多。

在阿薩巴斯卡盆地大多數不整合面型鈾礦床中，普遍伴生赤鐵礦化，反映了礦床的形成伴隨著氧化還原過程。前人［26-27］研究了阿薩巴斯卡盆地和塞隆盆地中蝕變礦物的鐵鎂同位素，發現含鈾的伊利石化樣品和赤鐵礦化區域樣品均有較高的δ57Fe和δ26Mg值，并且明顯的δ57Fe高值則可以指示氧化還原作用。在含礦斷層中，遠礦巖石含有較低的δ57Fe值，說明尚未經過成礦作用?？梢?，蝕變礦物中57Fe的富集和貧化特征可被視為指示區域氧化還原作用程度高低與否的證據，對鈾資源勘查具有重大意義。

3.5 鈾成礦年齡

元古宙盆地原生的鈾礦化可以追溯到盆地成巖期，但是由于晶質鈾礦的性質比較活潑，即使低溫環境下也可能發生重結晶造成放射性鉛丟失，從而破壞了U-Pb同位素體系［17，35］。區域巖漿作用對成巖后的鈾再活化和沉淀作用有著極其重要的影響。據盆地晶質鈾礦年代學與巖漿巖侵入事件的時間關系，揭示了明顯的成巖后的鈾再活化和沉淀作用［5，36-37］。盆 地 一 礦 床晶質 鈾 礦 的U-Pb同位素年齡1 723±16、1 721±20 Ma［25］，與同地區輝鉬礦的Re-Os同位素年齡1 724±4.9 Ma［36］一致。結合盆地輝長巖脈侵入時間2 165～2 170 Ma［37］，得出成礦作用發生在盆地形成的450 Ma之后的結論。

數字化建模結果［38］表明盆地中元古代蓋層Douglas組的油氣遷移到了基底和不整合面型鈾礦床所在位置，可能是導致阿薩巴斯卡盆地高品位鈾礦形成和保存的一個因素。成礦之后，分別在1 176、900和300 Ma又經歷了三次重要的油氣遷移事件。Wilson［39］認為鈾礦中有一些烴類的形成晚于成礦作用，生物標志物研究成果則表明它們來自于Douglas組。因此，根據致使鈾再活化和沉淀成因的不同，使得該區域鈾成礦可劃分為兩大階段：一是前期巖漿作用相關的鈾活化階段；二是后期油氣遷移使得鈾活化沉淀。

4 結論

1）對鈾礦勘查方向開始向深部延伸，用地球化學和地球物理手段探索深埋礦體與（近）地表異常的聯系。礦體上覆砂巖層的蝕變礦物鐵鎂同位素分析表明鈾富集在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。

2）蝕變礦物組合與鈾礦的關系密切。發現在含礦構造中以磷鋁鈰礦、含鎂電氣石和綠泥石為主的礦物組合隨著與礦體的接近而富集，同時磷鋁鈰礦和綠泥石化學成分也隨之改變。并且含鈾的黏土礦物和赤鐵礦化區域樣品有較高的δ57Fe和δ26Mg值，而貧鈾區域則無該現象。

3）數字化建模開始備受關注，研究人員通過建立水動力模型，探究流體、含礦構造和成礦的聯系?；谇叭苏J為阿薩巴斯卡盆地成礦作用可能與流體對流有關的設想，研究人員進一步確定了單個流體對流室的規模，并且模擬出以斷層數為變量的對流模式，提供了滲出型（砂巖控制）和滲入型（基底控制）鈾礦床流體的動力學解釋。

4）除了黏土礦物中的鐵可以直接作為還原劑之外，盆地鹵水與石墨的反應產物和金屬硫化物、石墨消解釋放的揮發分也可以促進鈾的還原沉淀。

5）根據鈾礦物與輝鉬礦的年代學關系得出，巖漿活動對鈾的再活化與沉淀具有較大的影響。并且，數字模擬結果顯示后期的油氣遷移也有利于鈾的活化與富集。