铀资源勘查理论与技术研究方向

林双幸，张书成，张铁岭，权小辉

（核工业北京地质研究院, 北京 100029）

当前, 世界各国尤其是发达国家都极为重视矿产资源勘查理论与技术研究和该领域的高新技术发展, 部分发达国家已经制定实施了以勘查理论和技术为先导的地质领域重大战略研究计划。 比如美国 “EOS、 ESE、IEOS 计划”、 “EarthScope 计划” 和 “智慧地球”, 欧洲“GMES 计划”, 法国“Geoscope 计划”, 澳大利亚 “玻璃地球计划”, 加拿大“勘探技术计划” 等。 这些计划的实施, 代表了矿产资源勘查和地球科学发展的方向, 对促进包括铀矿在内的地质矿产资源勘查领域高新技术发展产生了重要影响, 而且, 使地质工作勘查手段、 勘查研究深度与广度、 成果的实现方式等都发生了巨大变革。 我国也非常重视铀矿勘查领域中的研究应用, 相继开展了 “高光谱测量”, 实施了 “铀矿科学深钻及深部成矿环境研究”, 开展了 “高分辨率对地观测系统专项” 等勘查研究, 取得了一定的成效。 但与近年来国外发达国家在成矿作用、 成矿预测、 勘查理论、 技术方面的高新技术发展相比, 还存在差距。 需要我们根据新理论新技术发展的新情况, 对铀矿资源勘查领域高新技术未来发展, 进行不断的跟踪、 创新研究和更全面、 更长远的科学性前瞻。

1 世界铀资源勘查理论研究方向与技术发展趋势

铀矿勘查理论正从单一的矿床研究向其同生、 伴生的一组大中小型矿床族的研究转变, 成矿规律和勘查模式研究方向正从小尺度小范围矿床成因研究, 向大尺度全球成矿体系和中尺度形成大型铀矿聚集区, 大规模成矿作用及其时空分布规律研究与勘查理论、勘查模式方向发展。

铀成矿作用过程研究正在被纳入到地球动力学演化总体框架中, 从岩石圈深部壳幔驱动, 浅部地壳响应及环境变迁, 巨量物质、能量运移、 聚集与浅部定位整体过程, 研究大型矿集区、 成矿大爆发、 铀地球化学块体及超大型矿的形成分布等规律问题。

铀成矿预测学正在经历从研究基于环境的找矿理论, 向研究基于成矿巨量金属元素的找矿理论转变, 从研究地表信息向深部成矿信息向地表的传输过程和传输到地表以后的再分散富集机理转变, 从发现和识别局部异常向发现和识别大规模地球化学异常、 模式转变。

具幔源属性的地幔流体型铀成矿作用研究, 开阔了成矿理论和深部找矿的新思路。在地幔柱和地幔热点的作用下, 从地球深部地幔中带来幔源熔融物质和大量的成矿元素,不仅使上部地壳发生构造变形、 熔融改造和变质作用, 在壳、 幔之间产生了巨大的物质与能量交换, 同时, 这些成矿元素在地球化学和地球物理条件的变化过程中, 由于自身与环境的适应性, 而直接富集成矿体 （主要是岩浆矿床） 或被带到地壳浅表和地表, 通过大量岩浆岩及相关组分如流体和气体的喷发而间接成矿 （主要是区域性富集的热液矿床）。 铀就是在这种地幔热点区域, 发生复杂的多期次岩浆和流体作用过程的晚期熔体或流体中富集, 铀可以来自地幔, 也能在幔源物质上侵过程中从围岩中汲取, 并形成富铀的成矿流体, 在作用于近地表时, 由于物化条件而产生沉淀成矿； 大量铀矿床反映出来的规律性表明, 在成矿过程中起主导作用的是陡倾深大断裂系, 以及与活化晚期和结束阶段有关的基性岩浆的侵入作用。 这些地区的异常高温热场既证实了成矿溶液的深部（岩浆） 来源, 也指示着成矿的统一机制, 即在结束阶段侵入作用带来的热流作用下, 分异出的含矿流体参与了铀成矿机制[1]。

近年来, 重要的铀资源大国都在致力于发展各种捕获深部铀成矿信息的深穿透方法和基于GIS、 互联网、 大数据的含矿信息采集提取、 数据处理分析, 成矿信息识别、 综合预测方法体系。

由于地面和浅表地带铀矿勘查程度的不断提高, 找矿的难度也越来越大。 随着隐伏矿产勘查技术的发展, 地表覆盖区或已发现矿床的深部探测已成为重要的探索领域。 自20 世纪70 年代开始, 利用成矿元素向地表迁移扩散的机制, 而提出的 “深穿透地球化学方法” 和信息处理技术, 得到了较快发展并日趋成熟。 一些国家积极开展地电化学、 地气、 活动态金属、 气纳微金属等深穿透技术的实验和应用研究。 瑞典、 俄罗斯、 美国、德国、 加拿大、 澳大利亚等国在这一方法领域无论理论基础还是实际应用都取得明显的效果。 例如, 加拿大开展的2010-2020 年靶区地学倡议 （TGI） 项目4、 5 期, 通过深部金属元素来源和迁移通道建模, 提高了加拿大重要经济矿产的深部找矿效率, Dufferin Lake 地区穿插基底含石墨泥质片岩的石英脉中广泛存在富甲烷和氮气等挥发分的流体包裹体, 被看作成矿流体与石墨、 云母和长石发生流-岩反应的结果。 石墨消解形成甲烷,云母和长石分解形成氮气, 以上现象均能较好地证明深部含矿流体对上部地层的改造。通过矿体上覆砂岩层的蚀变矿物铁镁同位素探测分析表明, 铀富集在δ57Fe 和δ26Mg 较高值的区域, 结合地球物理 （电磁法） 资料,可划分远景区确定矿化部位[2]。

我国也非常重视铀矿地质矿产资源勘查领域的研究与发展, 相继提出了 “高光谱地壳” 的概念, 实施了 “深部探测计划”, 开展了 “高分专项” 研究等。 与此同时, 与铀矿产资源有关的成矿作用、 勘查理论与技术方法研究也处于再创新发展的新阶段[3-7]。

2 国内铀资源勘查理论研究与技术突破方向

2.1 加强多种能源矿产协同勘查技术研究与技术突破

人们在长期的铀资源勘查活动中注意到铀与许多金属和能源矿产有着共生、 共存的现象, 如我国北方塔里木、 伊犁、 准噶尔、鄂尔多斯、 松辽等中新生代盆地, 波斯湾盆地、 中亚沉积盆地等, 出现的石油、 煤炭、岩盐、 砂岩铀矿, 澳大利亚、 也门等出现的盐岩-石油-钙结砾岩铀矿, 前苏联火山岩型铀、 钼、 铜、 铅锌、 金矿等矿产共存、 共生等等, 这些矿产在时空分布上共生、 共存特征和有序聚集, 与区域地质构造发展演化过程紧密相关, 属于一个构造体系下不同阶段的演化产物, 并形成一个成矿大系统。 如花岗岩侵入演化分异和火山作用过程中的铀、铜、 钼、 铅锌成矿作用与成矿序列； 盆地演化发展过程 中 的 盐（K、 Li） -煤、 煤气-油、油气-铀的不同成矿作用过程与成矿序列等[8]。这些矿产的时空分布特征、 成矿规律和勘查方式上存在着一定联系, 这为多种能源矿产协同勘查技术研究与技术突破奠定了基础。

不同矿产在勘查过程中具有一定的共性和差异, 目前人们已经在能源型盆地的矿产勘查工作中, 总结出最为合适的勘查技术手段和协同勘查已取得最佳效益的理论模式。统筹各种勘查技术方法、 评价协同方法的区块适应性、 实现勘查技术方法优势互补、 协调勘查工程实施的勘查方法与技术优化理论；针对不同能源矿产, 进行勘查技术应用、 勘查设备选择、 勘查方案制定和勘查效益等方面的全面系统研究评价, 不仅保证了能源资源合理快速有效勘查开发, 也有利于协同创新和环境保护。

开展能源型矿产聚合盆地矿产勘查技术研究与技术突破的重点, 是要加强同一地质构造体系下盆地演化、 层序结构、 构造岩浆时空演化、 多矿产成矿机制和富集规律、 矿产聚集单元与矿产聚集形式等方面研究, 并根据铀、 煤、 油 （气）、 盐 （K、 Li） 等元素在成矿过程中的地球化学、 地球物理学特性以及与地质建造、 构造形式之间的依存关系特征, 研究和有效使用集成配套、 相互兼顾、标准融合的勘查技术； 强化协同勘查机制、体制建设和勘查模式建立, 制定我国协同勘查的基本原则和勘查规范, 使能源型盆地勘查工作有序高效并合理利用。

2.2 加强边缘控矿作用的铀成矿勘查新理论与技术突破

众所周知, 许多矿化作用包括铀矿化是板块 （陆块） 的形成演化与相互作用的产物,板块之间的挤压碰撞作用有着极其重要的作用。

板块构造边缘和活动性陆块边缘控制了全球性铀成矿带。 研究发现, 在地台及地槽褶皱带、 盆地、 岩体、 构造形迹边缘和地层及岩石交界面都是成矿（铀） 的有利部位。

板块边缘控制了全球铀成矿带, 如我国扬子板块与华夏板块的交接部位的赣杭构造火山岩带是我国目前火山岩型铀矿最为密集的重要成矿带。 欧亚大陆板块与库拉-太平洋超级大洋板块之间形成的环太平洋构造带内的巨型铀成矿带； 亚洲冈瓦纳陆块与西伯利亚板块之间的挤压碰撞形成的中央亚洲铀成矿域、 西伯利亚铀成矿域、 特提斯铀成矿域、滨西太平洋铀成矿域、 华夏铀成矿域等。 研究认为, 在板块边缘, 由于板块运动方向和方式的异相差异, 形成汇聚型与离散型板块边缘。 在汇聚型板块边缘, 板块俯冲时由于温度、 压力较高, 物理化学作用强烈, 岩浆携带大量铀及多种金属元素沿断裂上升, 形成岩浆侵入型铀矿床； 在离散板块边缘, 由于地幔物质上涌到地壳表层, 所携带的成矿元素通过地球化学作用、 结晶、 沉淀和富集在有利位置, 如华南火山岩型铀矿, 同时板块离散时还是大陆边缘下沉, 给大陆板块运来的含矿物质造成有利成矿空间, 形成各种沉积矿床。 由于大陆边缘多有不同时代和类型的板块边缘构成, 因此大陆边缘成为铀资源勘查的有利部位[9-12]。

在地台、 地槽褶皱系边缘, 由于两侧地块运动方向的异相差异, 往往发育深大断裂成为岩浆和热液运移通道, 形成岩浆岩型和热液型铀矿化, 如俄罗斯地台东缘、 华北地台北缘。 同时由于新构造运动的活化改造、盆山转化、 往往在槽台过渡带发生坳陷、 断陷和地层掀斜, 形成水成铀矿床。 因此, 应当加强针对性的边缘铀控矿作用下的勘查理论研究, 包括预测评价、 系统勘查规划部署、针对性勘查方法等。

2.3 重视地球化学障铀成矿勘查理论研究

铀是活动性元素, 在其迁移过程中常会遇到地球物理化学条件的突变, 从而使其原有的地球化学平衡发生破坏, 使铀元素的迁移强度在很短的距离内急剧变小, 并在局部地段或空间内发生沉淀富集, 形成新的相对稳定的化学矿物聚合体, 或称为铀矿化富集。这种发生平衡破坏的地段被称为地球化学障[11]。 各 种化 学的、 物 理 的、 以 及生物化学的或综合的地质因素发生突变的地段都可以构成地球化学障。 如在剪切带发育地段, 容易发生流体的混合、 水岩反应、 稀释作用、相的分离、 沸腾作用、 络合物的氧化-还原反应、 流体参数值 （pH、 Eh、 T、 P、 O2、 CO2、SO2） 的改变、 压力及温度急剧下降、 微生物活动及胶体絮凝等, 从而构成地球化学障,导致铀及其他成矿元素沉淀析出。 当上述因素存在而且发生反差较大的环境时, 系统中的铀元素能在一个有限的范围内沉淀下来并聚集成矿。 如果上述因素变化时逐渐分散的话, 便不能形成地球化学障, 则形成铀元素的相对偏高分散异常而不能形成有价值的工业矿床。 地球化学障成矿理论很好地解释了层间氧化带砂岩型铀矿床氧化还原过渡带控矿机理和许多铀矿 （无论是花岗岩型还是火山岩型） 奇特地都定位于一个垂直上下标高（矿化垂幅） 间距的成矿壳层之内 （大体是1～1.5 km）。

因此, 开展针对铀成矿地球化学障成矿的勘查理论和技术方法研究, 探索铀地球化学障成矿作用有关因素与铀成矿相关的地球化学行为、 表现形式、 聚散规律、 相关关系以及勘查技术方法, 有助于快速寻找发现、分析研究、 定位勘查铀矿床。

2.4 深穿透地球化学技术与隐伏区铀矿资源勘查

由于浅表地质找矿工作程度的不断提高和勘查技术方法的不断完善和日趋精准, 在地表或浅地表地质体中发现新的铀矿产地的机会将愈来愈少。 近年来, 世界各国尤其是铀资源大国和有实力的跨国铀业公司, 都将铀矿勘查的目标放在了占陆地面积一半的隐伏区。 针对核素元素及其子体在深部地质体中所具有的衰变、 迁移、 穿透等特点, 采用深穿透地球化学勘查技术 （气体和部分提取）将是未来铀地球化学勘查的主要手段[13]。

要解决覆盖区或深部铀地球化学勘查问题, 就必须研究探索铀及其衰变子体等探途元素的物理化学属性及其在地质演化和成矿过程中的地球化学行为, 运用现代科学技术手段, 研发出一套能够反映深部铀矿化信息的完整的样品采集、 处理、 分析测试、 质量监控、 数据处理、 图件制作和数据计算分析、有利信息提取、 地质解释和成矿预测等新技术新方法。 近年来, 国内外已在覆盖区或深部铀矿勘查中研制出许多技术, 并取得一定效果, 这些技术包括选择性化学提取, 电化学提取技术, 活动金属离子法, 酶提取法,气体和地气测量, 水化学测量, 生物 （细菌）测量等。

利用深穿透地球化学的铀元素活动态提取测量方法, 可以有效的发现300～500 m 或更深（据称可达900 m） 覆盖层以下的砂岩型铀矿化以及热液铀矿深部的铀钼异常组合,对沉积盆地覆盖区的层间氧化带砂岩型铀矿的探测也有较好的效果。

但是, 在铀矿资源地球化学勘查领域我国尚处在起步探索之中, 还没有成熟有效的技术理论支撑和勘查规程规范。 要解决沉积盆地覆盖区和硬岩深部区铀的地球化学勘查问题, 需要在加强理论研究的基础上, 尽快开展我国深穿透铀地球化学勘查理论和技术方法的研发和勘查工作, 并在实践中不断完善, 在应用中检验效果, 初步建立起适合我国铀矿成矿条件和矿床特征的深穿透铀地球化学勘查理论和技术方法。 一是发展隐伏铀矿勘查和现存或危机矿山深部勘查, 研发识别大型或超大型铀矿的地球化学定量方法来进行隐伏矿床勘查； 二是借助新的分析技术对过去难识别或微弱痕量信息进行分析识别研究、 技术创新和提升； 三是与多元勘查方法结合, 将勘查找矿从描述性向定量化、 精细化、 精准化转变。

2.5 加强第二深度空间铀资源勘查技术理论研究， 开展铀矿聚集区地下500～1 500 m的铀矿勘查探索

铀矿形成是地球内部地质发展演化过程中, 铀元素与其所处的物化条件变化和能量的不断变化和交换所致, 大型铀矿床或集聚区的形成与分布是受深部铀元素的物理-化学-力学过程制约, 也就是在铀元素运移和上涌过程中与壳、 幔介质发生交代、 蚀变等作用后逐渐积聚的, 而并不限于在近地表处形成与堆积的。 理论上, 地球深处有利的成矿空间一般为10 km 以内, 因为这个空间恰为地壳内部物质分异、 调整和其动力作用的汇聚地带； 也是多金属成矿要素发生突变和耦合转换地带, 适宜成矿元素在动力作用下的聚集和热液铀矿在内的多种金属成矿。

实践上, 许多与中基性岩浆演化或脉体活动有关的铀矿化作用的发现证明深部中基性岩浆活动和深部流体参与了铀成矿作用过程, 我国在相山铀矿田进行的铀矿深部科学研究证明, 在1 500 m 以下仍有很大的铀多金属找矿远景和潜力, 拓展了我国铀多金属矿的深部找矿空间[1]。

以上说明, 当今第一深度空间（0～500 m）铀找矿、 勘查并非是我国铀矿资源的整体或全部。 在第二深度空间（500～1 500 m） 肯定还存在着继续延伸和聚集。 加强我国地壳内部第二深度空间铀资源的勘查研究, 不仅是一个富有突破性、 前瞻性和创新性的举措,而且具有非常重要的战略意义。

2.6 铀矿地质勘查信息技术应用研究

随着云计算、 大数据、 移动GIS 技术等一系列新兴技术的发展, 由遥感、 地理信息技术及数据库等构成的传统地质信息技术将不断融入新兴的高新技术, 从而促进铀矿资源勘查发展, 进而形成新的铀矿地质信息技术体系, 指导和规范铀矿勘查的发展和应用。结合国际前沿技术发展, 目前, 在地质信息技术领域的信息技术包括: 物联网技术、 三维GIS 技术、 移动GIS 技术、 大数据技术和云计算技术。 美国地质调查局利用国家大数据研发计划, 对全面、 长期数据进行综合,进一步把大数据集和地球科学理论的大构想转换成科学发展, 提高对地球系统科学问题的理解和应对能力。 国内外研究单位机构开始使用电脑和蓝牙GIS 进行地质资源勘查,三维可视化地质模拟技术、 三维地质数据建模等应用, 以及地质数据库的建设和线上线下服务。 而在铀矿勘查领域铀矿地质勘查信息技术开发应用还属于起步阶段, 任重而道远。 应加快研究突破铀矿资源勘查领域信息化应用方法和技术, 融合大数据等高新技术,结合传统铀矿勘查信息技术, 组成新的信息技术体系, 实现铀矿地质勘查技术满足和服务地质工作需要。 分阶段对三维空间信息处理与建模技术, 野外数字填图与物化探、 遥感等多元勘查数据建模并进行综合分析、 解译和表达。 将三维信息技术、 GIS 技术、 互联网技术、 物联网技术、 大数据技术等融入铀矿地质勘查工作流程, 实现地质勘查。 从野外编录、 数据编辑、 成图处理、 地质建模、成果分析展示一体化处理与多元立体化表达。通过发展 “铀矿地质信息高新技术”, 构建“铀矿地质信息技术标准体系”, 建成 “铀矿地质信息共享服务平台”。

3 结语

铀矿地质勘查工作正处在科技创新驱动的重大转变时期。 一是随着找矿工作从地表、浅表区向隐伏、 深部区深入, 研发提高探测深度和探测能力的高精尖新的勘查装备已成为共同追求； 二是借助当代地球科学发展和信息采集、 计算、 识别、 集成等数字化新兴技术, 研发与构建新一代协同勘查新方法、新技术体系, 尤其是在物探、 化探和遥感技术发展方面引人注目, 加拿大对Shea 河和世纪不整合面型铀矿勘查突破就是很好例证；三是创新地质成矿理论, 将铀成矿作用过程研究纳入到地球动力学演化总体框架中, 将成矿规律和勘查模式研究从小尺度小范围矿床成因研究, 向全球大尺度成矿体系、 大型铀矿聚集区的大规模成矿作用及其时空分布规律研究方向发展。

部分发达国家制定实施以勘查理论和技术为先导的地质领域重大战略研究计划无疑将起到重要的引领作用, 高新技术发展也使地质勘查的深度和广度都发生了巨大变革。把握新时期我国铀资源勘查理论与技术研究方向, 加强全面跟踪基础上的自主创新, 加快高新技术在铀资源勘查中的应用, 对实现我国新时期铀矿新发现和勘查新突破具有重要意义。