富铀地质体与成矿铀源关系探讨

吴仁贵，胡志强，巫建华，刘 帅

(1.核资源与环境国家重点实验室(东华理工大学)，江西 南昌 330013；2.东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013)

一般来说，在讨论铀成矿作用时，都会讨论到铀源问题。对于铀成矿的铀源，不论内生成矿还是外生成矿长期以来都存在普遍共识，即铀源大多来自于成矿周边的富铀地质体(杜乐天等， 1986；杜天乐，2011；邵飞，2005；Johnson et al.，1995；Skirow et al.，2002；李子颖等，2006；商朋强等，2007；刘林等，2013；刘正义等，2014；陈江源等，2016；陈金勇等，2017；刘洪成等，2017；武正乾等，2017；许丽丽等，2017)，但随着对铀成矿作用研究的深入，特别是对于内生铀成矿来说，越来越多的人认为铀源与深部来源密切相关，特别是与深部的多种地质作用有关(胡瑞忠等，2007；杜乐天等，2007，2009)，至于来自多深，并没有确切的界定，可能来自下地壳，亦可能来自上地幔。然而，就内生铀成矿来说，富铀地质体除了它在空间上与铀成矿相伴产出这一特点明显以外，它是否在成矿过程中提供铀源，事实上目前还没有确切的证据能够予以佐证(很显然，对于外生铀成矿来说应该不成问题)，也没有学者深入去考虑过这一问题，这正是本文试图探讨的。

铀的富集成矿显然与铀的来源有关，但也并非简单的来自于富铀的地质体或来自于地下深处或上地幔，而应该是一个非常复杂的过程，并且应该与铀的地球化学性质和一定的地质作用过程有关。就铀的迁移而言在不同地质作用下存在很大的差异，它对铀的成矿会产生很大的影响。

自然界中铀矿床种类繁多，根据铀矿床的分类，存在有不同的铀矿床类型。如以成因大类划分，可分为内生成因和外生成因铀矿床；如以地质作用不同来划分，可分出与岩浆作用有关、与热液作用有关、与沉积-成岩作用有关、与变质作用有关、与氧化作用有关、以及与蒸发作用有关的铀矿床等。不管铀矿床类型的千变万化，在其成矿作用过程中总是要有铀的迁移才能发生成矿，从铀的迁移方向来看不外乎两种主体形式，即自浅部向深部的迁移及自深部向浅部的迁移。前一种迁移方式相对简单，如氧化-还原成矿理论所强调的铀的迁移方式，铀就是在地表或近地表由于氧化作用而发生的一种迁移方式，表现为铀的成矿部位相对铀的来源来说要更低(铀的成矿具有自上而下的作用过程)；后一种迁移方式则比较复杂，除典型氧化成矿及部分沉积-成岩成矿类型以外的所有其它类型都存在，并且往往是其主要的迁移方式，表现为铀的成矿部位相对铀的来源来说要更高(铀的成矿具有自下而上的作用过程)。

1 地质作用与铀的迁移

铀是一种变价元素，在自然界以+4与+6两种价态存在，在不同的条件下其稳定性差异很大，还原条件下铀呈+4价，氧化条件下铀呈+6价。铀具有易聚易散特点，+4价铀易于聚集，+6价铀易于迁移，铀的迁移大多是以+6价的形式进行的(在特定条件下也可以+4价铀的形式进行迁移)。要发生铀的成矿作用，首先必须要有铀的大规模的迁移作用发生，铀的大规模迁移作用的发生必须要有相对应的地质作用过程，当然在这一过程中铀的迁移要通过相应的流体作为载体，能促使铀发生迁移的地质作用过程通常有：氧化作用、蒸发作用、沉积成岩作用、变质作用、岩浆作用、构造作用等，上述这些地质作用发生的规模与铀成矿的规模有着直接的关系，地质作用的规模有限，对铀成矿的影响也相对有限。

1.1 氧化作用与铀的迁移

地浸砂岩型铀矿的成矿理论所强调的成矿作用就是氧化-还原作用成矿，在氧化条件下铀被氧化发生迁移，在还原条件下铀被还原发生沉淀富集成矿。

要发生铀的氧化作用，首先要求地质背景上必须处在一缓慢的挤压隆升环境，在挤压隆升条件下岩石被风化剥蚀，铀被氧化淋出，铀从隆起蚀源区的高处氧化，被含氧水向下带至一定的部位如潜水面附近，或层间氧化带中的氧化前锋线附近被还原(铀的成矿必须是存在足够的还原介质的前提条件之下)，这一地质背景必须是长期性的，区域性的，对于短期的或局部性的氧化作用都不足以形成一定规模的地浸砂岩型铀矿。

氧化成矿中铀的迁移是由氧化作用促成的，只要氧化规模够大，其成矿过程中铀的来源往往不需要特别强调，因为氧化成矿的实质与数学上的微积分过程或滚雪球的过程相同，只要氧化过程足够漫长、氧化规模大，蚀源区及地层中的铀在正常背景值的条件下经过累积足以成矿，当然，如果蚀源区存在富铀岩体及富铀地层的话对成矿肯定是更加有利的。

1.2 蒸发作用与铀的迁移

这是氧化环境下发生铀成矿的一种特定类型，成矿是+6价铀在迁移过程中因气候干燥，在潜水面附近由于蒸发作用导致含铀地下水中铀的过饱和沉淀析出而形成的一种铀成矿类型。

该铀成矿类型中铀的迁移同样是由蚀源区岩石的氧化作用促成的，铀的迁移方式是自高处向低处迁移，成矿发生在潜水面附近，成矿富集与大量的吸附类物质的吸附相关，如粘土类矿物或碳酸盐岩、硫酸盐岩等。

1.3 沉积-成岩作用与铀的迁移

沉积-成岩作用实际上由两个作用过程构成，即沉积作用过程和成岩作用过程。沉积作用过程铀的迁移受限于蚀源区的氧化作用，并自高处向低处迁移，一般不足以发生成矿，仅形成与蚀源区背景值相当的含铀量。成岩作用由于期间发生了压实作用、固结作用、胶结作用、脱水作用、重结晶作用等多种类型，致使原始沉积物中的铀发生了局部的迁移和再分配，铀的迁移可出现局部的自下而上、或自中心而外的迁移情况，在局部的还原条件下，可形成铀的局部富集，但这种作用总体仍发生在近地表环境，温压条件相对不高，形成的铀富集程度也相对有限，较少形成有重大工业意义的铀矿床。

这一地质作用下铀的迁移仍以氧化迁移为主导，由高处的蚀源区氧化带入，即铀的迁移方向是自上而下发生的，如存在富铀的蚀源区同样是有利于铀的富集成矿的。

1.4 变质作用与铀的迁移

变质作用的类型可分为区域变质、接触变质、动力变质和混合岩化等多种类型，不同变质作用发生的条件和影响的范围虽然完全不同，但在变质过程中都会发生物质的迁移或物质的带进带出，铀在变质过程中属于被带出的组分，它对于铀的成矿会产生直接的影响。

①区域变质作用：是区域性挤压造山作用的产物，影响范围大，变质过程中释放出来的物质组分如铀伴随变质流体(水)一同被迁移带出。随着变质程度的加深，原岩被带出的铀相应增多，被带出的铀显然不可能向更深的部位迁移，只能向浅部(即向上)迁移。含铀的变质流体可充填于浅部地质体(岩体、地层或构造破碎带)的裂隙或孔隙之中，或交代或进入地下水系统之中，导致其周边岩体或地层、或沉积环境铀背景含量的整体增高。由于区域变质作用影响范围大，由原岩释放出来的铀数量非常之巨，特别是在深变质作用下，变质原岩中铀的亏损极大，在这一背景下其周边的岩体及沉积地层必然会出现铀的相对富集，对于构造破碎带及其周边岩体或地层裂隙或孔隙之中的铀在后来的流体或热作用下也极易被释放出来并作为主要铀源影响铀的成矿。

②接触变质作用：是受炽热的岩浆热影响所产生的变质，可分为热接触变质和热交代变质，前者基本不改变原岩的物质组成，后者则存在明显的物质交换。在接触变质过程中铀都是可被带出的组分，如泥质岩或粉砂岩经接触变质角岩化后铀含量是明显降低的，带出的铀同样可使周边地质体的铀背景含量有不同程度的增高，也能作为后期铀成矿所需的铀源，但由于接触变质作用的规模有限，故对铀成矿的影响较小。

③动力变质作用：这是与断裂构造活动相伴随而引起的一种变质，其影响范围更为局限，主要沿断裂带分布，在动力变质过程中铀也是被带出的，但带出的铀相当有限，一般不能作为铀成矿的主要来源，但可作为成矿时铀源的一种补充。

④混合岩化作用：属于递进变质作用的高级阶段，也是向岩浆作用发展的过渡阶段。处于该阶段之前原岩能被带出的铀基本已经被带出，所以通过混合岩化铀被带出已不明显，但在有碱性流体参与的条件下所形成的异地型混合岩化阶段铀是明显带入的，显然这已超出了本次讨论的主题。

综上所述，在铀迁移方面，变质作用与铀成矿最为密切的变质类型主要是区域变质作用，其它类型的变质作用由于其规模及分布均非常局限，所以对铀成矿的影响相对要小。

1.5 岩浆作用与铀的迁移

热液铀矿的空间分布上多产在岩浆作用相对集中的地段，如花岗岩型铀矿产于多期多阶段的花岗岩体的中心一带，火山岩型铀矿产于火山盆地的内部，以及产在外接触带附近的大量热液铀矿，热液铀矿的这种分布特点，显然反映出岩浆作用与铀的成矿一定存在有某种必然的联系。

正常情况下酸性岩与基性岩对铀成矿的影响是差异不大的，但富铀的酸性岩体比贫铀基性岩体在铀矿找矿中应该更为重要。这是因为富铀的酸性岩浆岩经历过多次的铀富集作用或称为铀的准成矿作用，一般称之为铀的预富集作用(杜乐天等，1986)，其含铀量是明显高于它所对应的地壳丰度值的，在与这类富铀酸性岩浆岩同属一个地质空间背景条件下铀富集成矿的几率就大很多，所以富铀的酸性岩浆岩体是指示铀矿找矿的重要标志之一。

岩浆作用对铀成矿的贡献，主要体现在以下几个方面：①提供成矿热能。因热液铀成矿的主体流体(水)是大气成因的地下水，要使其成为热液显然区内要存在巨大的热场，而这一热场必须由岩浆热来提供，多期多阶段的岩浆活动能保证这一巨大热场的持久存在；②促使围岩发生热变质。在岩浆热作用下，促使围岩发生热变质，可加速铀的活化和迁移；③提供成矿流体。岩浆分异或演化过程中可分异出成矿所需的流体，流体是铀成矿物质迁移的主要介质和载体；④构筑浅部与深部连通的桥梁。岩浆作用可打开深部与浅部之间的通道，深部的成矿物质或成矿流体通过岩浆作用的通道进入浅部发生一系列作用，进而影响铀的成矿。

岩浆作用是有利于铀的迁移的，它对铀的迁移既有直接的影响也有间接的影响，铀的迁移方向总体是由高热场区向低热场区迁移，或由岩体接触带向外迁移，在垂向上应表现出自下而上的迁移。

1.6 构造作用与铀的迁移

对于热液铀成矿来说，构造作用对铀的迁移有很大的影响，不同的构造性质、规模、活动程度都会对铀迁移甚至成矿产生影响，铀的迁移多数应该是在构造带中进行的，构造是铀发生迁移的主要通道，构造发生的过程中本身也能释放部分铀的组分，这已经在上述动力变质作用部分作过讨论，不再重复。

综合上述各种地质作用与铀的迁移关系讨论，很明显，能够促使铀发生大规模迁移的地质作用分为两种情况：一种是弱挤压环境下发生的区域性氧化作用，铀是在地表或近地表的氧化条件下发生迁移，它提供地浸砂岩型铀成矿的主要铀来源；另一种是在大规模挤压造山背景下的区域变质作用，是在地表以下一定深处发生的，并导致大规模的铀迁移，这一过程的发生与发展不仅提高了周围其它地质体区域背景的铀含量，同时还为后期的铀成矿提供了物质准备。此外的其它几种地质作用同样能促使铀的迁移，虽然其影响范围相对有限，但长期而频繁的作用对铀成矿的影响仍然不容忽视。

2 富铀地质体与成矿铀源

铀是地壳富集元素，也是亲氧亲石元素，地壳明显比地幔富铀，长英质类岩石比铁镁质类岩石富铀。

地质作用愈频繁，可能发生铀的富集次数就愈多，形成的岩体或地层中含铀背景值就愈高，同样，陆壳形成的时间愈古老，意味着铀富集的次数就可能愈多，铀成矿的可能性也就愈高。

一般来说，外生作用下铀的成矿与富铀地质体之间的关系比较容易理解，即富铀地质体的存在有利于铀的成矿，富铀地质体能够提供铀成矿的铀源，有时可能是最主要的来源；但对于内生成因的热液铀成矿来说，显然没有这么简单，下面以地浸砂岩型铀矿和热液铀矿为例说明。

(1)外生作用下的地浸砂岩型铀矿。铀的富集与氧化-还原作用有关，氧化条件下铀发生迁移，还原条件下铀发生富集。成矿周边的岩石或地层经历氧化后其含铀量是明显降低的，这是客观存在的事实，也是普遍共识。对于富铀岩体或富铀地层而言，通过对富铀地质体的氧化作用，相比较于贫铀的地质体，可以释放出更多的铀源，因而对成矿也就更为有利。

所以，富铀地质体对于氧化成矿而言可以提供成矿的铀源，有时甚至是成矿最主要的铀源。但富铀地质体的存在与否不应该作为外生铀成矿铀来源的必备条件，富铀地质体的存在仅仅是一充分条件，如果氧化作用的规模有足够大的话，也是可以不用考虑富铀地质体的。

(2)内生成因的热液铀成矿。对于热液铀矿，富铀地质体是否在成矿过程中提供铀源却有不同的认识。

热液铀矿床其外围都存在有富铀的地质体，绝大多数都存在有古老的古陆块，并且有事实证明富铀地质体与铀矿体之间在物质组成上存在着明显的相似性，如化学成分及微量元素构成上都比较一致(商朋强等，2007)，仅表现在量上的差别，富铀地质体有时也会出现亏损(但没有明显证据显示亏损与成矿期直接相关)，因而自然而然的产生一种认识，即成矿物质来自于周边的富铀地质体。

虽然富铀地质体通常与铀矿体在空间上共存，但相互之间并非渐变，而是突变，不存在铀从富铀围岩向矿化体方向渐变亏损过程，新鲜围岩的铀不存在亏损，如有热液作用的叠加改造，通常显示铀是增加的，即富铀围岩不存在提供成矿铀源的直接证据，同时也不能解释铀的成矿总是发生在造山后至岩石圈的伸展拉张阶段，所以富铀地质体提供成矿铀源值得质疑。

热液铀成矿中如果不是由矿体外围富铀地质体直接提供主要铀源，那么铀的来源必定有其它途径。但问题是富铀地质体是如何形成的，它与铀成矿之间是否存在必然的联系，笔者尝试着从另一角度来思考这个问题，既然没有直接证据说明富铀地质体提供铀成矿铀源，但为什么在空间上富铀地质体总是与铀成矿相伴出现，两者是否属同一地质作用下形成的，即可把富铀地质体看作是与铀成矿富集相伴随的地质产物。

从铀的成矿作用导致富铀地质体形成的角度考虑，可以比较好的理解富铀地质体与热液铀成矿之间的关系。客观上，区域范围内铀的成矿阶段越多，形成的铀矿床就越多，矿床的品位也会越高，与之相对应的是区域内的富铀地质体就越普遍，富铀地质体的铀背景值也会越高，规模范围也就会越大，如华南地区富铀的碳硅泥岩系地层就是一个非常典型的实例，在中新生代期间存在有多次铀的富集作用(有135 Ma，119 Ma，86 Ma，67 Ma，48 Ma，37 Ma，28.9 Ma等铀的富集阶段)，富集的时间和次数与华南同时期的铀成矿作用(有135 Ma，125～115 Ma，100 Ma，87 Ma，67 Ma，48 Ma等铀成矿阶段)是比较一致的(杜乐天等，1986)。与此同时，地层越古老越相对富铀，地壳成熟度高的古陆壳通常富铀，是因为其形成时代早，可能叠加铀成矿富集作用的次数较多，所以富铀，但也存在着明显不富集铀的古陆壳，它与所处的构造-岩浆-流体活动不活跃的构造背景，以及与所叠加的铀富集次数较少有关。这种富铀地质体与铀矿床之间存在着明显的物质组分上的相似性或继承性关系。

在成矿作用下，成矿流体沿构造破碎带的活动肯定是最强烈的，铀的迁移和富集也是最频繁的，而在其两侧及周边围岩中铀的迁移和富集则明显减弱，迁移而来的铀仅通过微裂隙或其它微构造发生充填或扩散交代，所以矿体通常形成在构造破碎带部位，其外围则形成铀含量的明显偏高，从而形成构造破碎带和周边围岩铀富集上的差异性及物质成分组成上的相似性。

另外，铀的迁移一般是从高热场向低热场方向迁移的，在构造破碎带的中心，其热场应该是明显高于外围围岩的，所以在热和流体的共同作用下，铀的迁移只能是从构造破碎带中心向两侧发生迁移，而不可能是从低热场的围岩向高热场的构造破碎带中心迁移。

将富铀地质体归属于铀成矿作用的产物，那么热液铀成矿的铀源究竟来自于何处？根据前面的分析，铀的大规模成矿总是发生在挤压造山作用之后，即发生在广泛的区域变质作用之后，大规模造山作用之后伴随的是构造应力的释放松弛，也就是伸展拉张作用的开始，伸展拉张作用的规模显然与前期的挤压造山作用的规模对等。所以该时期的构造-岩浆活动极其频繁和强烈，热作用及伴随的流体作用对地质体的影响巨大，深变质作用和热变质作用频繁发生，断裂构造系统发育，铀的迁移活动极度活跃，其中，成矿的铀源由于受热作用及流体作用的驱使，从被作用的各种岩石中迁移转化而来。

区域变质作用释放出巨量的铀，全面提高了区域铀的背景值，同时铀的富集成矿正式开始，而其后伸展阶段频繁发生的岩浆作用、构造作用以及流体作用，可以促使铀发生大规模的迁移，为成矿提供源源不断的铀源，因多期叠加进尔富集成矿。上述所有这些铀来源均发生在成矿部位之下，在参与成矿时铀的迁移方向总体是由地下深处向上迁移的，即成矿铀源的带入是自下而上的，所以，在一定程度上可以说提供铀源的地质体应该来自于深部，但这种深部是一个相对概念，可以深至壳幔作用带，亦可能仅仅局限在成矿部位之下，但不应该是矿体外围的富铀地质体。

3 认识

通过以上的分析，对于富铀地质体和铀成矿铀源的关系来说，总体上是比较复杂的，明显受地质作用影响，并与成矿作用类型有关，具体上可分为内生成因与外生成因两类，两者存在明显不同。

(1)外生成因铀成矿主要与氧化-还原作用有关，其铀源主要来自蚀源区及地层本身，系通过地表或近地表的氧化作用迁移而来，铀的富集则是还原作用的结果，氧化而来的铀通过还原作用在某些特定地段富集而成。地质体的富铀与否会影响铀的成矿，但氧化作用的规模在一定程度上会弥补铀背景含量的不足。铀的迁移途径一般表现为自高处向低处的迁移，即铀成矿是自上而下发生的。

(2)内生成因铀成矿与构造-岩浆-流体等多种地质作用有关，其铀源来源复杂，但主要与各种变质或交代作用释放的铀来源相关。铀的迁移一定是地质体经历了热事件和流体的共同作用导致，即热作用的广泛与否直接影响到成矿的铀源。大规模的铀成矿作用发生在挤压造山作用之后，或发生在区域变质作用之后的构造-岩浆频繁活动阶段。铀的迁移途径一般表现为自深部向浅部的迁移，即铀成矿是自下而上发生的。

(3)富铀地质体对于外生氧化-还原成矿来说可提供主要的铀来源，但对于内生铀成矿来说，它不提供成矿的主要铀源，内生铀成矿的铀源主要来自矿化体之下的各种地质体(如地质体富铀最为理想)，受热及流体的驱使释放迁移而来，即广义上的铀来自深部。

(4)富铀地质体是伴随铀成矿作用形成的产物，它的存在标志着区域内发生过铀的成矿富集作用，也是寻找内生铀矿的直接标志。富铀地质体的存在说明区域内发生过铀的成矿作用，富铀地质体的分布范围代表了区域内铀成矿作用影响的范围，富铀地质体的富铀程度反映了铀成矿作用的富集程度，所以富铀地质体的存在可以作为区域内内生铀矿找矿的重要标志。