倪仕琪，蔡煜琦，宋繼葉

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團鈾資源勘查與評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029）

烏克蘭的鈾礦類型主要包括內(nèi)生鈉交代巖型鈾礦和古河谷砂巖型鈾礦2大類［1-2］。砂巖型鈾礦在2010—2015年已探明資源量（RAR＋I(xiàn)R）保持在7 627 t，約占鈾礦總資源量的25%，已發(fā)現(xiàn)的砂巖型鈾礦床大部分位于第聶伯盆地［1，3］。國內(nèi)學(xué)者著重研究烏克蘭內(nèi)生鈉交代巖型鈾礦床成礦地質(zhì)特征和礦床預(yù)測，但對沉積蓋層中適合于地浸開采的外生砂巖型 鈾 礦床礦化特征研究較不充分［2，4-10］。鑒于此，綜述研究盆地古河谷砂巖型鈾礦床，總結(jié)礦床礦化特征與成礦機理，為俄羅斯外烏拉爾和外貝加爾地區(qū)的古河谷砂巖型鈾礦床類比分析以及國內(nèi)白音烏拉、城子山和山市等古河谷砂巖型鈾礦床研究提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

第聶伯盆地是發(fā)育在烏克蘭地盾內(nèi)部的褐煤盆地，面積約100 000 km2。其中部和東部產(chǎn)出多個砂巖型鈾礦床，如Bratskoye，Devladovskoye和Safonovskoye等礦床，分布于第聶伯—布格鈾礦區(qū)內(nèi)的南布格（South Bug）區(qū)、印谷爾—印格勒次（Ingul-Ingulets）區(qū)和薩克薩甘—塞基（Saksagan-Sursky）區(qū)（圖 1）。

圖1 烏克蘭砂巖型鈾礦床分布Fig.1 Distribution of sandstone-type uranium deposits in Ukraine

盆地基底為烏克蘭地盾前寒武紀(jì)結(jié)晶巖系。大部分是變質(zhì)巖和超變質(zhì)巖，其次是酸性、基性和超基性侵入巖，巖性包括片麻巖、微斜長石花崗巖和環(huán)斑花崗巖［5，11］， 其中黑云母片麻巖及花崗巖是有利的含鈾基底?；自陂L期風(fēng) 化 剝 蝕 作 用 下 已 準(zhǔn)平原化［2，9，10］。 受中始新世早期阿爾卑斯造山運動影響，基底發(fā)生抬升，造成第聶伯盆地具有北西高，南東低的現(xiàn)今構(gòu)造格局。

在烏克蘭地盾中部和東南部，盆地新生界沉積蓋層與下覆基底呈不整合接觸，蓋層厚約50 m，最厚可達(dá)100 m，產(chǎn)狀平緩［2］，自下而上為古近系、新近系和第四系。其中古近系主要發(fā)育中下始新統(tǒng)，由下而上又分為Buchak， Kiev 和 Kharkov 組［12］。

Buchak組既是第聶伯盆地主要含鈾礦層位，也是煤系層位，直接覆于基底之上。巖性包括砂巖、泥巖和褐煤。目前盆地內(nèi)具有重要工業(yè)意義的砂巖型鈾礦床多產(chǎn)于該套地層下切河谷中，屬于古河谷型砂巖鈾礦床。

Kiev組巖性由泥質(zhì)巖組成，地層分布與下覆地層相比面積較大。在古河谷中部和底部偶見Kiev組。

Kharkov組由泥巖和砂巖組成，礦物成分以石英和海綠石為主，大部分形成濱海環(huán)境中，局部發(fā)育陸相沉積環(huán)境。

上述兩套沉積巖層未發(fā)生氧化或局部氧化，黏土礦物以蒙脫石和水云母為主，局部見灰?guī)r夾層。

2 鈾礦化特征

2.1 礦床規(guī)模與礦體

目前盆地內(nèi)已發(fā)現(xiàn)鈾礦床規(guī)模為小-中等，資源量介于幾百噸到3 500 t（表1），礦體平均品位在0.015%～0.15%之間。

古河谷型砂巖鈾礦床多定位于古河道或古坳陷邊緣延伸處。礦床作為主河道的一部分，規(guī)模較大，長度可達(dá)4 km，寬度50～140 m，例如 Bratskoye，Devladovskoye，Novoguryevskoye，Safonovskoye等典型礦床。具有工業(yè)價值的產(chǎn)鈾段一般占礦化帶的 1/6至 1/3［1］。

礦床由多個鈾礦體組成，埋深在10～80 m之間，位于1～3套礦化巖層中，每套巖層1～30 m厚。弱礦化帶分布在礦體附近，寬度50～140 m，工業(yè)開采價值較低。

礦體形態(tài)為似板狀、透鏡狀和復(fù)雜卷狀等。透鏡狀和板狀礦體分布在Bratskoye，Devladovskoye，Novoguryevskoye等礦床中，厚度3～10 m，寬度大致與主河道寬度相近，但在位于古河谷和和古坳陷斜坡處的礦體寬度較小，具有彎曲帶狀展布特征［13］。卷狀礦體位于河道砂巖層中的氧化帶前鋒區(qū)，礦體最大厚度10 m，見有大量碳質(zhì)物 （包含煤屑和炭化植物碎屑等還原性物質(zhì)）。含礦巖層受沉積相變的影響，滲透率等物性參數(shù)具有非均質(zhì)性特征，導(dǎo)致許多礦體是由多個小型卷狀礦體逐層疊置而成。

2.2 含礦層

在中下始新統(tǒng)Buchak組含礦巖層中，不同的沉積相帶內(nèi)形成的礦體規(guī)模和品位具有明顯差異。礦集區(qū)主要包括河流、潟湖-河口灣和湖泊-沼澤等沉積相帶。

河流相分布范圍廣，集中在盆地南部和東部，是鈾成礦的有利含礦沉積相。河流相沉積巖層厚度10～30 m，局部可達(dá)60 m，沉積在古河谷的主河道和分支河道底部，大致沿古河道SN走向分布，這些河谷分布于烏克蘭地盾約80%的地域范圍［1］。巖層厚度在古河谷高地和斜坡處約1～5 m。古河谷切入下覆結(jié)晶基底風(fēng)化殼，在盆地中部下蝕深度可達(dá)100 m。

表1 烏克蘭第聶伯盆地主要砂巖型鈾礦床Table 1 Main uranium deposits in the Dnieper Basin，Ukraine

古河谷內(nèi)往往發(fā)育多條古河道，古河谷一般寬度較大，可達(dá)3～10 km，古河道相對寬度較小，通常小于1 km［9］，有利于形成規(guī)模較大的鈾礦床，如分布在盆地中南部的南布格區(qū)和印谷爾—印格勒次區(qū)的Bratskoye， Devladovskoye，Sadovoye/Sadovokonstantinovskoye和Safonovskoye等典型礦床（圖2）。這些河谷切入蓋層之下的結(jié)晶基底，具有底部河道沉積特征，基底巖石又有較厚的含鈾風(fēng)化殼，成礦條件較好。

河流相巖石類型包括炭質(zhì)礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖，見褐煤夾層透鏡體，具有非均質(zhì)特征，并且含砂率隨河道坡度增加而逐漸增加。

潟湖-河口灣相帶內(nèi)發(fā)育的鈾礦床分布在盆地東南部薩克薩甘—塞基區(qū)，典型礦床包括Chervonoyarskoye， Novoguryevskoye， Surskoye（圖2），此外還發(fā)現(xiàn)許多鈾礦點， 產(chǎn)于Buchak組頂部褐煤層中。該類型鈾礦床礦石品位明顯低于上述古河谷型砂巖鈾礦床。

湖泊-沼澤相帶內(nèi)的鈾礦床規(guī)模和品位最低，分布在盆地外緣，垂向上位于Buchak組炭質(zhì)泥巖和褐煤層上部。

古河谷型砂巖鈾礦床產(chǎn)鈾層上下均被泥質(zhì)隔水層所夾持。隔水層底板是中生代結(jié)晶巖石的風(fēng)化殼，下覆烏克蘭地盾基底；隔水層頂板由泥巖和砂巖-褐煤-泥巖混合巖層組成，厚度約1～12 m。在礦床范圍內(nèi)統(tǒng)計的產(chǎn)鈾層厚度在1 m至10～12 m。在原生未蝕變砂巖內(nèi)見海綠石、黃鐵礦等礦物和灰色、黑色、深褐色碳質(zhì)物，泥巖多以灰色和綠色為主。氧化層分布在高滲透性巖層中，含氧大氣降水造成含水層中的硫化鐵礦物及有機質(zhì)發(fā)生氧化，氧化砂巖顏色以黃色為主。

圖2 第聶伯盆地砂巖型鈾礦床位置及沉積相分布Fig.2 The distribution of sedimentary facies and location of sandstone-type uranium deposits，Dnieper Basin

2.3 巖石-礦物

Devladovskoye等古河谷型砂巖鈾礦床的礦化作用與4種巖石-礦物成分有關(guān)［1］：

1）含礦石英砂巖層中，常見黏土礦物和碳質(zhì)物，局部見海綠石或長石-海綠石等礦物；

2）泥巖層中見大量高嶺石和碳質(zhì)物；

3）炭質(zhì)泥巖-砂巖互層；

4）以夾層或互層形式出現(xiàn)在上述沉積巖層中的含砂/泥褐煤層。

上述巖石-礦物組合多具有碳質(zhì)物含量高、礦物成分與粒度大小變化復(fù)雜以及非均質(zhì)物性等特征，鈾礦化通常定位在高滲透性炭質(zhì)砂巖層中。礦體位置通常位于沿層間氧化帶隔水層分布的氧化還原界面或者氧化帶卷鋒區(qū)。例如，在Devladovskoye等鈾礦床中，含礦巖層碳酸鹽組分含量低，而碳質(zhì)物含量較高。在古河道中，含氧水從河谷上游沿斜坡向下和河谷側(cè)翼運移，形成氧化還原前鋒線并發(fā)生鈾礦化作用。

2.4 鈾存在形式

盆地砂巖型鈾礦床鈾的存在形式主要有獨立鈾礦物和分散吸附狀態(tài)兩種。鈾礦物以鈾石和鈾氧化物為主，呈微粒狀聚集在黃鐵礦附近；分散吸附形式指被鐵氫氧化物、碳質(zhì)物和黏土礦物吸附的鈾。此外，高嶺石在鈾礦物、黃鐵礦和煤屑周緣以暈圈形態(tài)分布。

鈾的伴生礦物包括鎳黃鐵礦、硫酸鉬礦、閃鋅礦和紫硫鎳礦，伴生元素包括鉬（Mo）、錸（Re）、 硒（Se）、 釩（V）、 釔（Y）、 鑭（La）。

2.5 典型礦床

目前已知的古河谷型砂巖型鈾礦床都位于盆地現(xiàn)代高原分水嶺附近的二級和三級河道中［1］。

Bratskoye礦床位于第聶伯盆地南布格地區(qū)，面積0.95 km2（圖 2）。該礦床自 1971—1984年期間，采用原地溶浸采鈾法 （In Situ Leach，ISL）共開采鈾礦1 350 t，礦石平均品位約0.04%，該礦床目前已停產(chǎn)。

礦床發(fā)育在始新統(tǒng)河流相沉積巖層中，埋深約30 m （圖3）。其中，鈾礦儲量在不同巖性的沉積巖分布不同。在炭質(zhì)砂巖、炭質(zhì)泥巖和褐煤等沉積巖中的探明鈾礦儲量分別占總儲量的63%、13%和16%，而結(jié)晶巖中的探明儲量小于＜8%。礦體呈透鏡狀。鈾賦存形態(tài)主要是碳質(zhì)物和泥質(zhì)物結(jié)合態(tài)，而鈾黑結(jié)合態(tài)、含鈾白鈦石結(jié)合態(tài)和鐵氫氧化物結(jié)合態(tài)則分別僅占鈾含量的17%、5%和3%。后生還原帶對鈾礦化產(chǎn)生影響，也同時控制著其他元素的沉淀。伴生礦物包括硫鐵鎳礦、硫化鐵、膠硫鉬礦、閃鋅礦和紫硫鎳礦。一些鈾礦體內(nèi)鉬（Mo）、 錸（Re）和硒（Se）等微量元素含量較高，其他礦體含鈷（Co）、鎳（Ni）、鉈（Tl）和鋅（Zn）等微量元素。

圖3 Bratskoye礦床剖面Fig.3 Across section of Bratskoye deposit

地下水排泄系統(tǒng)、氧化帶的形成時間和鈾礦聚集等地質(zhì)作用時間發(fā)生在上新世，并且一直持續(xù)至今［13］。

Devladovskoye礦床位于盆地中部-東南部的薩克薩甘-塞基地區(qū)，面積2.18 km2。1955年發(fā)現(xiàn)該礦床，自1966—1983年，采用原地溶浸采鈾法開采鈾礦1 600 t，礦石品位0.08%。礦體以疊置透鏡狀形態(tài)分布在古河谷中。含礦巖系為下始新統(tǒng)Buchak組炭質(zhì)砂巖和泥巖夾褐煤層，厚度15 m。該套巖層與下伏灰色混合花崗巖呈不整合接觸，上覆地層為厚50 m的上始新統(tǒng)-第四系沉積層系［12，14］。

Safonovskoye礦床位于第聶伯盆地中南部的印谷爾—印格勒次地區(qū)，礦床賦存在河流相的砂巖中（圖4），礦體分布在氧化還原界面處，規(guī)模較大，范圍最廣，伴生元素包括硒（Se）和鉬 （Mo）。該礦床自 1982—1993年期間，采用原地溶浸取采鈾法僅對其中一個礦體進(jìn)行開采［14］。 剩余鈾礦資源量3 000 t， 礦床品位0.016%，具有鈾礦開采潛力。該礦床計劃采用相同的開采方法恢復(fù)生產(chǎn)。

3 成礦機理

總結(jié)前人［12-16］對盆地內(nèi)砂巖型鈾礦床特征，第聶伯盆地砂巖型鈾礦床成礦機理表述如下：

豐富的鈾源提供了鈾成礦的物質(zhì)基礎(chǔ)。前寒武紀(jì)基底花崗巖是成礦的主要鈾源。在中生代-新近紀(jì)地質(zhì)時期，富鈾基底發(fā)生風(fēng)化剝蝕，在風(fēng)化殼內(nèi)發(fā)生鈾礦化的初始富集。

攜帶鈾和其他礦物元素的含氧地表水經(jīng)風(fēng)化殼滲入中下始新統(tǒng)含礦層的水動力交替系統(tǒng)中。含氧水具有弱堿性，其中鈾礦物以碳酸鈾酰絡(luò)合物的形態(tài)發(fā)生運移。

含氧含鈾水進(jìn)一步向盆地中心徑流，在氧化還原前鋒區(qū)形成板狀和透鏡狀形態(tài)鈾礦體。其中氧化-還原界面具有弱酸性特征，見有機質(zhì)等還原介質(zhì)。碳酸鈾酰絡(luò)合物在該處發(fā)生分解，并且鈾被吸附在植物碎屑和黏土礦物中，說明鈾礦物分布與植物碎屑和黏土礦物存有聯(lián)系［15］。

圖4 Safonovskoye古河谷型砂巖鈾礦床礦體示意圖Fig.4 Schematic diagram of ore body in Safonovskoye palevalley type deposit

隨著后期新生代沉積層持續(xù)埋藏，含氧地下水持續(xù)供給并且流經(jīng)風(fēng)化殼，在含水層中沿盆緣傾向向盆內(nèi)運移，形成持續(xù)不斷推進(jìn)的氧化還原前鋒線，并且一直持續(xù)至今。卷狀礦體在氧化還原過渡帶不斷地疊加富集。但由于含礦巖層的沉積相非均質(zhì)性特征導(dǎo)致滲透率等物性參數(shù)變化復(fù)雜等原因，因而礦體在剖面上具有復(fù)雜疊置的形態(tài)特征，形成復(fù)雜礦體群。

4 結(jié)論

1）已發(fā)現(xiàn)砂巖型鈾礦的第聶伯盆地是發(fā)育在烏克蘭地盾上的褐煤盆地，含礦的始新統(tǒng)Buchak組古河道下切結(jié)晶基底及其風(fēng)化殼，具有古河谷地貌特征。

2）盆地內(nèi)古河道規(guī)模較大，導(dǎo)致礦化規(guī)模較大，礦體形態(tài)包括板狀、透鏡狀和卷狀，具有沿古河道斜面運動的層間氧化富集的成礦特征，成礦作用一直持續(xù)至今。

3）鈾礦化通常位于高滲透性炭質(zhì)砂巖層中，與炭化植物碎屑和黏土類礦物有關(guān)。