加拿大不整合面型铀矿勘查研究新进展

章展铭，蔡煜琦，衣龙升，刘佳林

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

加拿大不整合面型铀矿床主要发育在阿萨巴斯卡盆地东部，从20世纪初至今已发现Cluff Lake、Rabbit Lake、McArthur River和McClean Lake等矿床。盆地主要产铀区的工作，在详细的地质调查基础上开始向深部资源勘探发展，已经发现数个埋藏较深的铀矿床 （Dufferin Lake、 Millennium、 Phoenix及Centennial等）。对其中Dufferin Lake、Millennium和Phoenix等典型矿床有针对性地从成矿流体、蚀变矿物组合、含矿构造和铀成矿年龄的研究受到广泛关注。笔者根据加拿大不整合面型铀矿的最新勘查研究成果，选择典型矿床进行介绍，以期为我国铀矿勘查工作提供参考。

1 阿萨巴斯卡盆地简况

阿萨巴斯卡盆地是发育在加拿大克拉通内的一个中元古代沉积盆地。盆地基底包括以花岗质变质岩为主的太古宙-古元古代基底和某些绿岩带。在塔特森—塞隆构造区与哈德森造山带之间的基底上形成了一条NE-SW向的凹陷。凹陷中充填中元古代以来的沉积岩与火山岩，在后期的造山运动中发生了一系列的褶皱变形，组成盆地盖层。加拿大主要不整合面型铀矿床分布在阿萨巴斯卡盆地东部（图1）。

2 铀资源勘查项目概况

加拿大是世界铀资源和铀生产大国，也是世界上最早的铀生产国之一，早在20世纪30年代就开始了铀和镭的开采和生产。

据统计 （加拿大自然资源网，2018），2016年加拿大铀产量（不整合面型）占世界铀产量的23%，位居世界第二，这些铀产品全部来自萨斯喀彻温省。目前加拿大国内铀资源勘查工作有两类：一是依托第2期能源和矿产资源（金、铜、铀为主）填图（GEM）项目，从2013年到2020年共投入0.95亿美元（表1），集中在加拿大北部地质资料不充分的地区开展基础性调查研究，旨在发现近地表的金属矿床，主要面向初级开发者，不需要进行基础设施建设；二是依托第5期靶区地学倡议（TGI）项目，从2015到2020年共投入0.17亿美元（表1），属于国家级项目，集中在加拿大南部地质资料较丰富、研究程度较高的地区开展攻深找盲及创新性研究等工作，旨在改进原有近地表矿床的勘查开采模型、提高原有矿山土地利用效率以及增强加拿大本土矿业公司的全球竞争力，主要面向采矿者，要求有较好的基础设施建设。可见，加拿大针对铀资源的勘查工作，在开拓新远景区的同时仍然对老矿区进行更深入的勘探研究工作，保证其铀资源产量处于世界领先地位。

2010—2015年完成的第4期靶区（TGI4）地学倡议项目旨在发展新知识和创新技术（地球物理化学手段与3D建模等），提高对深部埋藏铀矿床（铜、金、铀为主）的勘查效率。笔者综合TGI-4项目阿萨巴斯卡盆地不整合面型铀勘查成果，从成矿流体、含矿构造、蚀变矿物及成矿机制方面介绍加拿大不整合面型铀矿勘查的新进展。

图1 阿萨巴斯卡盆地及其铀矿床分布简图（据Kotzer，1995修改）Fig.1 Distribution sketch of Athabasca Basin and uranium deposits（Modified after Kotzer，1995）

表1 近年来加拿大国家矿产资源勘查项目Table 1 Recent years national mineral resources exploration projects in Canada

3 不整合面型铀矿床研究进展

图2 阿萨巴斯卡盆地不整合面型铀矿床成矿模式（据Jefferson修改，2007 a）Fig.2 Unconformity-related uranium deposit model of Athabasca Basin（Modified after Jefferson，2007 a）

不整合面型铀矿指位于太古宙-古元古代变质基底与中元古代含砾砂岩之间（被复活断层系所交切的区域不整合面上部、下部或横跨区），呈豆荚状、脉状、角砾岩带状或半块状集合体形式分布的高品位铀矿［1］（图2）根据不同产出位置不整合面型铀矿床可被划分为渗入型（基底控制）与渗出型（砂岩控制）。该类型铀矿床主要产于阿萨巴斯卡盆地。盆地总面积超过85 000 km2，而约96%已查明铀资源沿盆地东缘的北东向断裂分布［2］。根据Hoeve and Sibbald［3］的Rabbit Lake不整合面型铀矿床经典模型，发现了McArthur River和Cigar Laker矿床（图1）。近年来在盆地深部不同地质背景下也发现了新的铀矿床，例如产于盆地基底内部、深度650～750 m的Millennium矿床［4-5］以及深度800～830 m、无石墨伴生的Centennial矿床［6-8］等，并且对典型矿床进行更深入的研究，获得了成矿流体、含矿构造、稀土与铁同位素特征、蚀变矿物组合和铀成矿年龄等信息。

3.1 成矿流体研究

3.1.1 成矿流体成分

普遍认为，阿萨巴斯卡盆地不整合面型铀矿床成矿流体是一种热的（160～250℃）、氧化性质的酸性流体［9-10］，包括不同成分 （富氯化钙、 氯化钠等）的盆地卤水［11-12］，含气体成分 （CO2，CH4，H2S等）［13］，pH值 呈弱 酸（5～6）至强酸性（2.5～4.5）［9-15］。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［16］。该现象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。

3.1.2 流体还原机制

早先的不整合面型铀成矿模式指出［3］，盆地深部卤水与石墨反应生成二氧化碳和甲烷，甲烷又能将六价态的铀还原沉淀。Alexandre［17］提出石墨被辐解可以直接还原六价铀。然而，在阿萨巴斯卡盆地的Cluff Lake、Centennial等矿床，以及澳大利亚麦克阿瑟盆地Nabarlek矿床中［18-23］，含石墨的基底岩石跟矿体并没有空间上的联系。可见石墨与铀成矿的关系是存在区域性差异的，而总体来说石墨是加拿大不整合面型铀矿床勘查工作中极其重要的指示矿物。石墨与上升的深部流体发生流-岩反应，挥发分产物的逸散致使流体沸腾作用而加速铀成矿，因此笔者认为石墨更大程度上可被视为催化剂。相比之下，流体的参与是成矿的关键。烃流体［24］，黄铁矿分解形成硫化氢气体［25］，黄铁矿氧化、黑云母绿泥石化及角闪石的伊利石化释放出二价态铁［17］，富NaCl卤水与富CaCl2卤水的混合作用［14］等还原机制先后被提出来，富含还原剂的流体具有强烈的成矿作用，石墨的分解只能作为流-岩反应的一个标志［16］。Potter等［26］发现氧化性酸性卤水从蚀变矿物中浸出铁会导致铁镁元素明显分异，同时Acevedo等［27］确定了可以指示与铀沉淀相关的氧化还原作用的铁同位素特征（δ56Fe值大于0.5‰）。

3.2 含矿构造研究

盆地沉积岩成岩前、成岩期和成岩后的基底构造在不整合面型铀矿的成因分析和应用勘查模型［1-2］中都被当作一个整体来研究。阿萨巴斯卡盆地不整合面型铀矿床有关的构造活动大致划分为两期：一是成矿前韧性构造活动，流体包裹体信息显示为高温高压的变质环境；二是成矿期和成矿后北东走向的脆性构造活动，流体包裹体存在气相和气液相，显示为温压相对较低的环境。前者是盆地基底的高温塑性变形，而后者则在盆地盖层形成后与成矿作用密切相关。Pascal［16，28］等人分别在Dufferin Lake和Phoenix矿床近矿部位观察到石墨发生贫化。前人发现石墨的分布与构造通道、铀矿物存在耦合关系，因此依据石墨导电的特性，利用电磁法来识别不整合面型铀矿的含矿构造。该技术对构造含矿性的探索发现了两个重要的现象：一是由于蚀变（石墨的消解）引起的电磁特征中断区很有可能是成矿远景区；二是石墨含量的不足同样会导致电磁性的中断，而该断裂带是否含矿则需要地球化学等其他辅助信息。

基于前人认为可能存在含矿流体对流的现象，研究人员［29］运用计算机模拟流体在构造中活动的过程，并且以断层数量为变量，细化单个对流室的规模，构建出流体-构造模型，发现基底构造控制流体室的发育，得出含矿流体是经由基底上升的结论。

3.3 稀土元素与铁同位素特征研究

基于Phoenix矿床上覆沉积层砂岩的地球化学数据，研究者［30］运用主成分分析方法，指出U元素与稀土元素（HREE＋Y、LREE、Pb）具有相关性，同时发现在富稀土元素地区U与V，Cr，Fe，Ni，Cu，Cd，Na，Li，Ba有着强烈的正相关性，与HREE＋Y相关性不强，甚至与LREE＋P呈反相关性。该地区存在磷钇矿、独居石和含铝磷酸、硫酸盐矿物，这些含稀土元素的矿物分布在赤铁矿化砂岩中。根据U与Fe元素的正相关关系［27，30］，推测U是由氧化性流体运输，而相同地区未成矿地带则是有可能是流体中U含量较低或者缺少还原介质。

在McArthur River矿床四号矿体，研究人员［27］对铁同位素进行了研究，认为亚铁离子很有可能自身作为还原介质，促进了高价态铀的还原：

同时发现该过程会导致Fe同位素分馏，导致出现56Fe富集的现象。

3.4 蚀变矿物学研究

蚀变的矿物学评价较早应用于阿萨巴斯卡盆地不整合面型铀矿研究，采用的技术方法从早期的岩相学研究和X射线衍射技术［31］到黏土标准化计算［32］，再到后来广泛应用的短波红外黏土识别技术［33］。伊利石、高岭石、镁-铁电气石及绿泥石等黏土蚀变相的组合与已知的不整合面型铀矿化系统存在空间关系，但局部黏土矿物含量和种类的变化也显示出一定的复杂性。在McArthur River矿床所在的P2断层中，Adlakha［34］发现成矿期磷铝铈矿化学成分和蚀变组合中镁铁电气石、绿泥石含量的变化，即近矿部位磷铝铈矿中的稀土元素和铀元素更富集，镁-铁电气石和绿泥石明显增多。

在阿萨巴斯卡盆地大多数不整合面型铀矿床中，普遍伴生赤铁矿化，反映了矿床的形成伴随着氧化还原过程。前人［26-27］研究了阿萨巴斯卡盆地和塞隆盆地中蚀变矿物的铁镁同位素，发现含铀的伊利石化样品和赤铁矿化区域样品均有较高的δ57Fe和δ26Mg值，并且明显的δ57Fe高值则可以指示氧化还原作用。在含矿断层中，远矿岩石含有较低的δ57Fe值，说明尚未经过成矿作用。可见，蚀变矿物中57Fe的富集和贫化特征可被视为指示区域氧化还原作用程度高低与否的证据，对铀资源勘查具有重大意义。

3.5 铀成矿年龄

元古宙盆地原生的铀矿化可以追溯到盆地成岩期，但是由于晶质铀矿的性质比较活泼，即使低温环境下也可能发生重结晶造成放射性铅丢失，从而破坏了U-Pb同位素体系［17，35］。区域岩浆作用对成岩后的铀再活化和沉淀作用有着极其重要的影响。据盆地晶质铀矿年代学与岩浆岩侵入事件的时间关系，揭示了明显的成岩后的铀再活化和沉淀作用［5，36-37］。盆 地 一 矿 床晶质 铀 矿 的U-Pb同位素年龄1 723±16、1 721±20 Ma［25］，与同地区辉钼矿的Re-Os同位素年龄1 724±4.9 Ma［36］一致。结合盆地辉长岩脉侵入时间2 165～2 170 Ma［37］，得出成矿作用发生在盆地形成的450 Ma之后的结论。

数字化建模结果［38］表明盆地中元古代盖层Douglas组的油气迁移到了基底和不整合面型铀矿床所在位置，可能是导致阿萨巴斯卡盆地高品位铀矿形成和保存的一个因素。成矿之后，分别在1 176、900和300 Ma又经历了三次重要的油气迁移事件。Wilson［39］认为铀矿中有一些烃类的形成晚于成矿作用，生物标志物研究成果则表明它们来自于Douglas组。因此，根据致使铀再活化和沉淀成因的不同，使得该区域铀成矿可划分为两大阶段：一是前期岩浆作用相关的铀活化阶段；二是后期油气迁移使得铀活化沉淀。

4 结论

1）对铀矿勘查方向开始向深部延伸，用地球化学和地球物理手段探索深埋矿体与（近）地表异常的联系。矿体上覆砂岩层的蚀变矿物铁镁同位素分析表明铀富集在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。

2）蚀变矿物组合与铀矿的关系密切。发现在含矿构造中以磷铝铈矿、含镁电气石和绿泥石为主的矿物组合随着与矿体的接近而富集，同时磷铝铈矿和绿泥石化学成分也随之改变。并且含铀的黏土矿物和赤铁矿化区域样品有较高的δ57Fe和δ26Mg值，而贫铀区域则无该现象。

3）数字化建模开始备受关注，研究人员通过建立水动力模型，探究流体、含矿构造和成矿的联系。基于前人认为阿萨巴斯卡盆地成矿作用可能与流体对流有关的设想，研究人员进一步确定了单个流体对流室的规模，并且模拟出以断层数为变量的对流模式，提供了渗出型（砂岩控制）和渗入型（基底控制）铀矿床流体的动力学解释。

4）除了黏土矿物中的铁可以直接作为还原剂之外，盆地卤水与石墨的反应产物和金属硫化物、石墨消解释放的挥发分也可以促进铀的还原沉淀。

5）根据铀矿物与辉钼矿的年代学关系得出，岩浆活动对铀的再活化与沉淀具有较大的影响。并且，数字模拟结果显示后期的油气迁移也有利于铀的活化与富集。