含铀磷块岩型矿床研究现状和未来展望

李治兴，秦明宽，漆富成，王文全，王健，衣龙升，张云龙，李国臣，韩慧姿

（核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

铀和磷矿均被我国自然资源部列入24 种国家战略性矿产目录，其重要战略意义不言而喻。全球和中国拥有丰富的磷矿资源，磷块岩中的铀资源量在国际原子能机构（IAEA）的十五大类型中排名第二，磷块岩经常伴生铀、钼、镍、钒、分散元素和稀土等多种战略资源，资源潜力巨大。鉴于铀资源的需求量逐年上升，大矿、富矿、经济可采矿的新发现和勘查难度在增大，随着国际和国内对资源尤其是战略性关键矿产的掌控需求，保持能源的独立性、可持续性和生态环保等要求下，磷矿床中铀的综合回收利用是十分必要的，前期基础研究对综合选冶技术的突破和升级有一定的意义。

1 含铀磷块岩型矿床定义

铀矿床是一种天然存在的矿物组合，其中的铀已经或可能在现在或将来被开采［1］。与磷块岩相关的铀矿床类型命名一直未能得到统一，国际原子能机构习惯叫作磷酸盐型铀矿床，国内部分学者称为磷块岩型铀矿床。本文考虑到大部分磷块岩中的铀品位偏低，只能作为非常规铀资源，即磷块岩中的铀只作为次要产品或副产品开发利用，故统一命名为含铀磷块岩型铀矿床。国际国内对含铀磷块岩型矿床的研究较国内四大类型铀矿床（砂岩型、花岗岩型、火山岩型、碳硅泥岩型）较少，且不够系统。关于含铀磷块岩型矿床的定义，国际原子能机构以美国佛罗里达州和犹他州含铀磷块岩型矿床为研究对象，Dahlkamp 编著的 《铀矿床》 以及仉宝聚等（2010）编写的《中国铀矿床研究评价（第五卷其他类型）》 也分别对含铀磷块岩型矿床的定义进行了总结和描述。

本文在综合国际和国内对含铀磷块岩型矿床概念的研究基础上，赋予含铀磷块岩型矿床如下定义：赋存于磷块岩层位内，含铀同沉积层状浸染型铀矿化。

2 含铀磷块岩型矿床类型

据国际原子能机构（IAEA）铀矿床地质分类，含铀磷块岩型与不整合相关型、砂岩型和火山岩型等并列为十五大铀矿床类型［2-4］。含铀磷块岩型进一步可分为3 种，有机含铀磷块岩型、微细浸染含铀磷块岩型和陆相含铀磷块岩型。微细浸染含铀磷块岩型是最主要的类型，主要矿床位于摩洛哥 （储量为6.5 Mt，品位为60×10-6～150×10-6）、美国佛罗里达州 （储量为1 Mt，品位为80×10-6～120×10-6）和爱达荷州的Phosphoria 地层（储量为5 Mt，品位为60×10-6～200×10-6），共包含数百万吨铀资源，但是铀品位较低（50×10-6～200×10-6），被认为是非常规铀资源；有机含铀磷块岩型矿床只在哈萨克斯坦（Mangyshlak 地区的 Melovoe）和俄罗斯（Ergeninsky 地区）靠近里海的地方发现，包括富含含铀鱼类遗骸的泥质海洋沉积物，与暗色黏土层互层，铀资源规模为中型至大型（4 000～40 000 t），品位低 （0.02%～0.08%）；陆相含铀磷块岩型矿床并不常见，仅在中非共和国（巴库马地区）发现［2］。有机含铀磷块岩型和陆相含铀磷块岩型为常规铀资源［2］。

Dahlkamp（1993）将含铀磷块岩型矿床分为两个类型，即为原生沉积磷块岩型（爱达荷型）和沉积再造磷块岩型（残余磷块岩砾石型，佛罗里达型）［3，5］。前者在距离大陆架较远处的的大陆架边缘或外带形成，地层由磷块岩与黑色页岩、燧石、碳质泥岩以及少量的碳酸盐岩构成；后者主要产于近岸浅海大陆架，磷块岩与海相砂岩、浅水碳酸盐岩和白云岩互层，其中黑色页岩和燧石明显缺失。

仉宝聚等（2010）等将含铀磷块岩型矿床列为四大类型（砂岩型，花岗岩，火山岩和碳硅泥岩型）以外的其他类型中［6］，且进一步细分为2 个亚类4 个分亚类，亚类分别依次为原生含铀磷块岩型矿床和次生（外生风化、淋虑作用）含铀磷块岩型矿床。漆富成等（2011）将磷块岩型列为非常规铀资源，进一步细分为含铀磷块岩型和铀多金属磷块岩型。同时，指出含铀磷块岩型和铀多金属磷块岩型是保障我国铀资源中远期供给的重要类型［7］。

结合上述分类，含铀磷块岩型矿床根据矿床成因分为原生沉积成因层状、似层状、鲕状磷块岩矿床，沉积再造型磷块岩矿床和次生磷块岩矿床。根据地球化学元素分为单铀型含铀磷块岩型矿床和铀多金属磷块岩型矿床两类。

3 磷矿床和含铀磷块岩型矿床分布

3.1 磷矿床分布

纵观地质历史和全球，从古元古代至现代，几乎磷块岩沉积贯穿整个地质时期，但形成重要工业磷矿床则主要有八大成磷时期，分别为：古元古代（20～17 亿年）、晚震旦世（7～5.7 亿年）、早寒武世、中寒武世、二叠纪、晚侏罗世—早白垩世、晚白垩世-古近纪和新近纪—现代，但每个成磷期形成的工业磷矿床主要分布在某一个或少数几个地区，并构成具有重要工业价值的成群的矿床［8］。以上八大成磷时期可进一步划分出全球三大重要成磷期，分别为：晚震旦世-早寒武世成磷期、二叠纪成磷期和晚白垩世-古近纪成磷期［9］。古元古代绵屏期、晚震旦世陡山沱期和早寒武世梅树村期是我国三大成磷期，分别依次主要发生于我国华北陆块东至南缘、扬子陆块东缘和扬子陆块西缘［8］。

据中国产业网 （http://www.chyxx.com/industry/2018）2018 年全球磷矿资源分布情况分析报道，全球探明的磷矿石资源量超过3 000 亿t，大量的磷矿石埋藏在大西洋和太平洋的大陆架和浅海地带，目前难以经济地开采，但短期内不会出现资源短缺。全球磷矿石的陆上储量为700 亿t，分布较为集中。陆上磷矿石储量约82.7%位于北非和中东地区，储量为579 亿t。非洲磷矿资源占全球总储量的76.6%，主要分布在摩洛哥和西撒哈拉，阿尔及利亚和突尼斯等。摩洛哥和西撒哈拉磷矿资源主要分布在摩洛哥西部，P2O5品位多在34%以上，属优质矿。亚洲地区磷资源也比较丰富，主要分布在中国、叙利亚、沙特阿拉伯和约旦等。欧洲磷矿资源主要分布在俄罗斯，主要为科拉半岛（Kola）希宾（Khibing）特大磷矿床。太平洋地区澳大利亚最大的浅海相磷矿位于昆士兰省东北乔治纳盆地，磷资源量近20 亿t。美洲磷矿资源主要分布在美国、巴西和秘鲁 （来源于中国磷网http://www.cbcie.com/p/index.html 《2015 年世界磷矿资源现状及开发利用》）。

磷矿储量在10 亿t 以上的国家（地区）按储量大小顺序依次为摩洛哥和西撒哈拉、中国、阿尔及利亚、叙利亚、巴西、南非、沙特阿拉伯、埃及、澳大利亚、美国、芬兰和约旦，合计储量672 亿t，占世界总储量的96%（表1）。排名第一的摩洛哥及西撒哈拉地区的磷矿石储量为500 亿t，占世界磷矿石总储量的71.4%，中国拥有全球第二大的磷矿石储量，约为32 亿t，占世界总储量的4.6%。中国也是全球最大的磷矿石生产国，2018 年，全球生产磷矿石2.70 亿t，其中超过一半由中国供给。

表1 全球主要国家磷矿储量和产量分布情况 （据美国地质调查局2019 年2 月更新的矿物商品简况数据）Table 1 Distribution of phosphate production and reserves of major countries in the world （mineral commodity profile data from the USGS Feb.2019 update）

中国磷矿主要分布在中国西南、中南盆地，其中云南、贵州、四川、湖北和湖南5省的磷矿查明资源储量占全国的75%以上。赋矿层位不少于24 个，矿产地约500 处，主要类型有外生-沉积磷块岩矿床，内生-磷灰石矿床、变质-磷灰岩矿床和鸟粪矿床等。外生-沉积磷块岩矿床主要成矿地层为新元古代震旦纪陡山沱组、灯影组以及早寒武世的梅树村组，其中扬子地台的陡山沱组为我国最大的磷矿床沉积层；灯影组磷块岩主要见于湖北南漳邓家崖，但是构成具有经济价值的磷矿床不多见；梅树村组是仅次于陡山沱组构成我国的第二大磷矿床沉积层，主要集中于上扬子成磷带的云南、四川和陕西，地理上呈南北向带状分布。内生-磷灰石矿床主要与幔源岩浆活动密切相关，按成矿母岩不同，分为基性-超基性和偏碱性-超基性两大亚类。其中基性-超基性杂岩体磷灰石矿床主要分布于稳定陆块或地盾地区的大断裂带上，偏碱性超基性杂岩体磷灰石矿床主要产于稳定地台区两组大型构造交汇处。变质-磷灰岩矿床主要产于太古宙和元古宙的变质岩层内，丰宁式磷矿床、鸡西式磷矿床和海州式磷矿床分别为太古宙、元古宙早期和元古宙晚期的代表性矿床［10］。

3.2 含铀磷块岩型矿床分布

据国际原子能机构（IAEA）最新数据［11］，截止2019 年9 月，世界铀矿床数为3 610 个，其中含铀磷块岩型矿床数为88 个，占比为2.4%。具体按照地域来分，非洲含铀磷块岩型矿床数为25 个，主要分布在中非共和国、摩洛哥、埃及和阿尔及利亚，矿床数分别依次为5 个、4 个、4 个和3 个；中欧、东欧、东南欧含铀磷块岩型矿床数为14 个，主要分布在俄罗斯，矿床数为13 个；美洲含铀磷块岩型矿床数为21 个，主要分布在美国、墨西哥和哥伦比亚，矿床数分别依次为6 个、5 个和4 个；中东、中亚和南亚含铀磷块岩型矿床数为24 个，主要分布在伊拉克、哈萨克斯坦、约旦、沙特阿拉伯和叙利亚，矿床数分别依次为7 个、6 个、4 个、3 个和3 个。另外西欧和东南亚、太平洋和东亚含铀磷块岩型矿床数均为2 个（图1）。世界铀资源量为6 487 万t，其中含铀磷块岩型矿床铀资源量为1 467 万t，占比为22.6%，含铀磷块岩型矿床资源潜力巨大（图2）。

图1 全球含铀磷块岩型矿床分布情况［11］Fig.1 Global distribution of uranium-bearing phosphorite deposits

图2 按铀矿床类型统计的铀资源量［11］Fig.2 Uranium resources by type of uranium deposit

4 磷块岩和含铀磷块岩型矿床研究现状

4.1 磷块岩国外研究现状

国外专家学者对磷块岩的勘查研究起步较早，最初对磷块岩的研究集中在磷块岩的成因。1845 年，俄国学者凯兹尔林格第一个提出生物成因说，这是关于磷块岩成因提出的最早观点；其后，索勒特（1873）、科尼斯（1886）、英国地质学家穆雷和雷纳尔（1891）均提出了生物形成磷块岩的观点，具体包括生物遗体分解，粪化石堆积以及鱼群死亡后形成磷块岩。从生物成因说提出到19 世纪末的近半个世纪里，生物成因说占主导地位。但是由于生物成因说无法解释晚元古代-早寒武世早期磷块岩中没有带骨骼的动物，没有粪化石的现象，生物成因说逐渐被化学成因说代替。

前苏联学者卡查科夫 （A.B.Kazakov）1937 年提出著名的磷块岩洋流上升成矿理论，其观点是当饱含CO2和P2O5的深层水随着上升洋流到大陆架浅海陆棚带时，因温度升高、压力降低，磷酸盐溶解度降低造成磷酸盐过饱和，磷酸盐便在大陆架浅海陆缘带上部和中部 （水深50～200 m）沉淀。20 世纪50、60 年代，麦凯尔维 （V.E.Mekelvey）和谢尔登（R.P.Sheldon）等人在研究了成磷古纬度和古地理的基础上，进一步发展了这个理论。该理论被绝大多数磷块岩地质工作者所接受，并且运用该理论，在澳大利亚、秘鲁、哥伦比亚、土尔其、印度等地找矿取得很大的成功，至今对磷块岩的解释仍有很大的影响力，但是该理论弱化了生物作用，未能解释极浅海条件下磷块岩的形成等问题。

其他关于成因探讨还有生物-化学成因说、物理富集成矿说、无机沉淀说、交代成因说，以及1978 年，前苏联学者格·尼·巴图林根据上述所有成因假说提出 “生物-成岩成磷模式”。他认为新近纪磷块岩的形成是多旋回反复进行的总和，每个旋回包括5 个循序渐进的阶段。我国学者东野脉兴于2015 年系统提出 “陆缘坻” 概念和 “陆缘坻岩套”，理论上解决了磷块岩的成因、成矿规律和找矿模型［5，8-9］。

4.2 含铀磷块岩型矿床国外研究现状

Strutt 在1906 年 《论镭在地壳中的分布》一文中首次发现了磷块岩中高铀含量的特征，直到原子能工业的发展，才引起研究人员的注意，加强了磷块岩中铀的勘查和研究工作［12］。1924 年在阿尔及利亚白垩纪和始新世的磷块岩中首次发现铀，随后埃及、突尼斯和摩洛哥的相同年代的磷块岩，前苏联伊沃塔河地区白垩纪磷块岩和沃尔日斯克古近纪-新近纪磷块岩，美国佛罗里达州Bone-Valley组磷块岩也相继报道了其中铀或放射性物质的明显富集［13］。

随着含铀磷块岩型矿床的不断发现，20世纪50 年代美国地质学家对其典型的佛罗里达和爱达荷州两种类型含铀磷块岩型矿床成矿特征进行了详细的研究，并且国际原子能机构以这两种类型含铀磷块岩型矿床为实例赋予了 “含铀磷块岩型矿床” 定义，同时进行了类型的详细划分，以及时空分布数据的统计和研究。

在美国、比利时和以色列，铀已经被作为磷块岩的副产品回收。在比利时，从加工摩洛哥磷块岩中回收了约690 t U；在佛罗里达，1978—2000 年间从8 个生产中心生产了至少18 200 tU；在哈萨克斯坦，从生产鱼骨有机磷矿床中回收了40 000 tU［2，14］。

国际上对含铀磷块岩型矿床的研究主要集中于含铀磷块岩型矿床的类型、磷块岩中放射性、铀的含量、铀回收技术等［2，14-19］。北非-中东磷矿资源丰富，磷块岩勘查和研究工作较为系统，但对于磷块岩中铀的研究主要集中于不同年代、不同类型磷矿床以及同一磷矿床不同位置、不同层位铀含量特征和分布的研究［16-20］。同时对磷块岩相较于其他沉积岩诸如碳酸盐岩、砂岩和页岩较为富集铀的原因进行了浅析［20］。但是含铀磷块岩中铀源，铀富集的演化和机理，磷块岩中铀的赋存状态，以及在沉积和成岩过程中控制铀行为的主要因素等尚待进一步研究。

5 中国含铀磷块岩型矿床勘查和研究现状

新中国成立后，1954 年开始筹备铀矿地质工作，1955 年作出发展原子能事业的战略决策，从此我国有了专业化和正规化的的铀矿地质勘查队伍。和世界含铀磷块岩型矿床一样，中国含铀磷块岩型矿床的勘查和研究也是在磷矿的基础上开展的。由于贵州磷矿资源丰富，因此含铀磷块岩型矿床的首选地区同样为贵州省。最早于1956 年，核工业中南三〇九队六分队在贵州省金沙县岩孔发现含铀磷块岩放射性异常，并提交远景资源量；1968—1970 年，贵州七队相继进行地表揭露和详查等工作，于1973 年获取U、P2O5、V2O5远景资源量和工业资源量，提交铀矿床一处。此外，贵州七队、核工业中南二〇九队，四川一队，四川三队对贵州遵义松林、黔西南兴义县、龙门山地区进行了区调普查工作；20 纪中期，核工业北京地质研究院贵州组于1967 年和1968 年两次对贵州地区含铀磷块岩型矿床开展铀矿区域地质调查和成矿规律研究；21 世纪以来，由中国核工业地质局（中国铀业有限公司）组织实施，由核工业北京地质研究院承担完成的 “中国非常规铀资源” 系列科研项目对我国包括含铀磷块岩型矿床的非常规铀资源进行了系统的野外地质调查和评价工作。对含铀磷块岩型矿床的分布、铀含量特征、赋存形式、地球化学组合类型及远景区和靶区进行了系统研究和筛选。近二十年来，国内对含铀磷块岩型矿床主要是科研项目，尚未开展系统的勘查工作，因此直到目前，金沙岩孔矿床仍是我国唯一的含铀磷块岩型矿床。

国内含铀磷块岩型矿床相对国内四大类型（砂岩型、花岗岩型、火山岩型和碳硅泥岩型）研究程度较低，目前成矿物质来源问题仍然有很多争议，包括有陆源输入、海底喷流沉积、生物作用及复合物质来源等不同的观点。有学者通过研究扬子陆块东南缘陆缘裂陷中磷块岩地球化学特征认为铀多金属磷块岩与海底喷流沉积有关［21］；也有学者认为晚震旦世-早寒武世磷块岩的形成过程中，生物有机质直接或间接参与成岩作用［22-23］，磷块岩中的磷灰石δ13C 同位素的特征也指示有一定的生物作用；也有学者认为，循环的热流体对盆地底部的基性-超基性岩汲取成矿元素后，经断裂构造向上运移至海底附近，在缺氧还原环境下，由于生物和热水沉积共同作用形成多金属层堆积［24-25］。总体上，这些磷块岩的形成与其中的铀多金属富集与生物沉积作用和热流体参与的热水沉积作用密切相关。

漆富成（2011）系统地阐述了中国非常规铀资源，指出含铀磷块岩型和铀多金属磷块岩型两种类型为重要的非常规铀资源类型，进而论述了构造环境、成矿带、含矿层、主要控矿因素及富集作用等，并指出陆缘裂谷和陆缘裂陷是有最有利的富集环境。我国含铀磷块岩型非常规铀资源代表地区有甘肃北山、湖南汪家寨和贵州金沙岩孔，铀多金属磷块岩型代表地区有湖南晓坪和贵州金顶山［7］。仉宝聚等系统研究了中国含铀磷块岩型矿床，对中国含铀磷块岩型矿床的成矿特征、典型矿床式、成矿规律以及与世界磷块岩型铀矿的异同性进行了研究、总结［6］。Ye Yiyang从理论上计算了我国每年可从磷矿石生产过程中回收约700 t 非常规铀，同时对中国部分含铀磷块岩型矿床的铀含量进行了梳理，并筛选出最有潜力六大含铀磷块岩型矿床提取铀［26］。王文全（2016）对湘黔地区海相磷块岩矿物组成、地球化学特征、铀多金属赋存状态及存在形式、铀多金属富集作用及形成机理进行了探讨［27］。

6 含铀磷块岩型矿床未来展望

6.1 含铀磷块岩型矿床的铀资源潜力

据国际原子能机构（IAEA）最新数据，截止2019 年9 月，世界含铀磷块岩型矿床数为88 个，铀资源量为1 467 万t，占世界铀资源总量的22.6%。在国际原子能机构按十五大类型统计的铀资源量中排列第二［11］。

6.2 选冶工艺和经济性

按市场角度，磷矿厂的商业开发以及铀作为副产品从中提取，只有当磷矿床的矿床经济可行时，铀才可作为副产品进行提炼，因此，磷矿床中提取铀的量取决于磷矿床的市场行情和经济性。从战略角度和环保角度，铀作为特殊的战略矿产，对少数国家而言，没有经济可采铀开发的前提下，铀的提取有时不需要考虑市场因素。美国20 世纪80 年代后使用溶剂萃取法从磷肥厂提取了铀，该项技术在工业规模上得到证实，实现了超过90%～95%的高铀回收率，获得每磅八氧化三铀的成本为44～61 美元。改进的离子交换技术目前正在试验工厂进行规模测试，可望以每磅33～54 美元的较低成本获得更好的回收率［28］。2009 年，加拿大SNC-兰万灵（SNCLAVALIN）集团公司对约旦Aqaba 复合肥生产的磷酸中提取铀的可行性开展研究，预计内部回报率为6.8%［1］。2015 年，美国佛罗里达磷矿厂实验了Phos Energy 有限公司和Cameco 公司开发的 “Phos Energy” 工艺，在磷矿的加工流程中提取铀，取得了良好的效果，其运营成本低于25 美元/磅U［1］。未来应重视综合开采，加大综合选冶工艺的研究，在降低成本的情况下研究磷肥中伴生的铀、稀土、镍、钼、钒和其他伴生元素的同时或分级提取综合选冶技术。一旦工艺获得优化，将目前处于盈利边缘的磷矿提铀技术产业化和商业化。

6.3 环境保护

磷矿矿物加工过程中，80%～90%的铀转移到磷酸和磷酸二铵中，并因此散布在农业土壤上，导致地表土以及地下水和地表水的污染。其余残留在磷酸石膏中［28］，对地表环境带来放射性污染。

综合以上因素，随着未来大矿、富矿、经济可采矿的勘查难度进一步加大，铀和磷均作为战略性矿产，以及国家为了维护其能源独立性，可持续发展和环保等方面要求，尤其在那些急需铀资源的国家，政府很可能授权从磷块岩中提取铀或者设置溢价来确保核燃料供应，从而可以避免对第三方的依赖，以及随着综合选冶工艺的进一步改进，未来国际上处于经济非经济边缘的含铀磷块岩型矿床的综合开采将成为趋势。对我国来说，以4.6%的磷矿资源供应了全球超过50%的磷矿需求，在加大国内含铀磷块岩型矿床综合开采的前提下，应借鉴国外钾肥行业的经验，建立磷块岩资源战略联盟，充分利用摩洛哥和撒哈拉的磷矿资源，且摩洛哥和撒哈拉磷块岩中伴生的铀资源丰富。在国内进行综合开采回收，实现我国能源的可持续发展。

7 结论

全球磷矿探明资源量超过3 000 亿t，陆上储量为700 亿t，磷矿资源量巨大。含铀磷块岩矿床由于铀的品位较低，过去未能给予充分重视，因此磷块岩中的铀资源量未进行充分统计，但是截至2019 年9 月，国际原子能机构（IAEA）统计的全球含铀磷块岩型矿床中铀资源量就高达1 467 万t，在十五大类型中排列第二［16］。而且磷块岩中经常伴生铀、钼、镍、钒、分散元素、稀土等多种战略资源。国际上，美国20 世纪80 年代后从磷块岩中综合回收铀有成功的实践，2015 年，美国佛罗里达磷矿厂运用“Phos Energy” 工艺综合回收铀，运营成本约为20 世纪80 年代从磷块岩中回收铀成本的一半，显示较好潜力。未来随着未来大矿、富矿、经济可采矿的新发现和勘查难度在增大，磷块岩中综合回收铀和其他伴生元素的技术进一步优化和改进，国际和国内对资源尤其是战略性关键矿产的掌控需求，保持能源的独立性、可持续性和生态环保等要求下，含铀磷块岩型矿床的综合开采将成为趋势。