U-Pb同位素示踪砂岩型铀矿的成矿作用

夏毓亮



U-Pb同位素示踪砂岩型铀矿的成矿作用

夏毓亮

(核工业北京地质研究院，北京 100029)

文章论述了U-Pb同位素在砂岩型铀矿成矿作用研究中的示踪作用，其内容包括砂岩型铀矿的成矿年龄、沉积砂体和蚀源区岩石的原始铀含量(U0)及铀的变化系数(△U)等；同时列举了该技术手段在部分砂岩型铀矿床中的实际应用。结果表明，U-Pb同位素示踪技术在砂岩型铀矿成矿预测和成矿机理研究方面能够发挥重要的作用。

U-Pb同位素示踪；砂岩型铀矿；成矿年龄；原始铀含量；铀变化系数

在地浸砂岩型铀矿快速评价技术系统中，利用U-Pb同位素示踪铀的成矿作用是行之有效的手段。然而，目前国内外可供查询和借鉴的文献资料并不多见。笔者根据多年来的实践经验和研究成果[1-4]，就U-Pb同位素示踪技术在解决地浸砂岩型铀矿成矿作用方面探讨以下几个问题，意在抛砖引玉，供同行参考。本文在处理U-Pb同位素数据时使用的是国内外通用的常数[1]，即：

238U的衰变常数λ8=0.155125×10-9a-1

235U的衰变常数λ5=0.98485×10-9a-1

232Th的衰变常数λ2=0.049475×10-9a-1

原始铅同位素组成：206Pb/204Pb=9.307；207Pb/204Pb=10.294；208Pb/204Pb=29.476

地球形成年龄：U-Pb系列T0=4430Ma；

Th-Pb系列Tp=4570Ma

现今238U/235U=137.88；μ0(238U/204Pb)=9.58；W0(232Th/204Pb)=36.50

1 砂岩型铀矿的成矿年龄

成矿年龄是成矿机制研究中非常重要的依据，铀矿是惟一能利用成矿矿物(例如沥青铀矿、晶质铀矿、铀石等)直接测定成矿年龄的矿种。对地浸砂岩型铀矿的成矿过程目前仍有不同的见解，其是连续成矿还是阶段性成矿一直是人们关注的焦点，这就需要对成矿年龄作精细的研究，以促进地浸砂岩型铀矿成矿理论的提高和可靠成矿模式的建立，从而更有效地进行成矿预测。

砂岩型铀矿成矿年代学研究是一项非常棘手的研究课题，因为在该类型铀矿石中很难挑选出可供同位素年龄测定的铀矿物。考虑到地下流体的活动，在同一矿体内部有可能达到同位素均一化，这就有可能利用铀矿石样品进行U-Pb等时线定年。由于近代地下水在透水性岩石中不断活动迁移，使原岩中的铀有的被带走而偏镭，有的岩石吸附了铀则偏铀，因此U-Ra不平衡现象在砂岩型铀矿区几乎是一种普遍现象。在氧化环境下，铀是一个非常活泼的元素，容易被氧化而运移，镭则是一个比较稳定的元素，不容易运移。Ra的半衰期为1602 a，因此U-Ra不平衡现象只能反映16000 a以内铀的运移情况。而近代小于16000 a内铀的得失对样品的铅同位素组成没有明显的影响，但对U-Pb等时线年龄结果却影响很大。样品获得铀，使年龄偏小，样品丢失铀，使年龄偏大。对现测样品铀含量进行U-Ra平衡系数修正，计算出每个样品假设当U-Ra平衡系数Kp=1时的铀含量，利用修正后的铀含量进行U-Pb等时线年龄计算，则可获得比较理想的成矿年龄结果[2]。

采用铀矿石U-Pb等时线方法处理数据，其等时线方程式为：

206Pb/204Pb=(206Pb/204Pb)0+

238U/204Pb[Exp(λ8t)-1]

其先决条件是：

(1)铀成矿作用具有幕式特点，用于等时线的铀矿石是同时形成的；

(2)铀矿化时达到Pb同位素均一化；

(3)铀成矿后矿石体系中除了近(现)代由于地下水活动可能使铀有迁进或迁出外，再没有发生化学封闭体系的破坏。

2 沉积砂体的U0和△U

应当特别指出的是，在我国铀矿地质界，许多科技人员并不重视富铀砂体对铀成矿的贡献(至少在各种技术交流会上或盆地评价预测研究报告中很少有人提及)，而主要强调外来的含铀含氧水的渗入。尽管对这个问题还有不同的观点，笔者认为有必要做更深入的研究，因为这关系到沉积盆地找矿预测、评价的重大问题。

沉积盆地中有好的富铀砂体是可地浸砂岩型铀矿床形成的重要条件。渗透性好的岩石中的铀在地下水的作用下可以被浸泡出来，在氧化还原过渡带沉淀成矿。所以，沉积砂体在沉积时铀的预(初始)富集，也可以成为后来铀成矿的重要铀源之一。

U0是指成岩时岩石中的铀假设没有经受后来改变演化至今的含量，称为岩石的原始铀含量。沉积砂体的U0值是衡量岩石是否具有铀预富集的重要指标。△U是指岩石中的铀含量后来经受的变化，这个变化可以发生在近代，也可以发生在铀成矿时，因此△U可称为岩石中铀的变化系数或富集系数，是岩石丢失或获得铀的衡量标准，也是岩石活性铀大小或供铀能力的重要参数。

一个沉积盆地是否具备形成可地浸砂岩型铀矿床的能力，与该盆地是否存在富铀砂体有密切的联系[1]。含氧地下水运移过程中不断吸收砂体中的铀而形成含铀含氧地下水，在介质地球化学环境改变的条件下，铀沉淀下来形成铀矿体。因此，富铀砂体中的铀是后生水成铀矿重要的物质基础。确定富铀砂体的存在与否，不能以简单地测定样品的铀含量来判断，因为砂体中的铀可能经过后期氧化而迁移。通过不同地段砂体样品的U-Pb同位素体系演化特征的研究，可以有效地确定砂体中原始铀含量(U0)和砂体中铀的变化系数(△U)[3，4]。

3 蚀源区岩石的供铀能力

可地浸砂岩型铀矿形成机制的另一个重要观点是盆地形成后蚀源区岩石中的铀经过地表或近地表氧化而溶于水中，形成含铀含氧水不断地渗入到透水性较好的砂体层中，在运移过程中遇到还原环境而沉淀成矿。现在面临的问题是蚀源区岩石是否具有供铀能力，即能否成为铀源岩？利用岩石的U-Pb同位素组成特征可以很好地确定岩石现测铀含量和原始铀含量(U0)，从而计算出岩石中铀近代的得、失(△U)情况，即获得蚀源区岩石是否相对富铀、是否具有活动性以及是否能够提供成矿铀源[1]。

4 U-Pb同位素示踪研究实例

4.1 砂岩型铀矿的成矿年龄

研究表明，我国地浸砂岩型铀矿床的共同特点是多次叠加、具有“幕式”成矿作用的特点。下面以鄂尔多斯盆地和松辽盆地砂岩型铀矿成矿年龄研究为例来说明U-Pb同位素的示踪作用。

4.1.1 鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿成矿年龄

鄂尔多斯盆地东胜地区砂岩型铀矿产出在中侏罗统砂体中。研究结果表明，该区孙家梁和沙沙圪台地段直罗组砂体的铀矿化作用主要发生在早白垩世至晚白垩世[5]。其中，孙家梁矿体翼部成矿年龄为120±11 Ma 、85±2 Ma、77±6 Ma；晚期卷头部位的铀矿化作用发生在新近纪的中新世和上新世，成矿年龄为20±2 Ma、8±1 Ma。卷头部位铀成矿年龄小，翼部铀成矿年龄大，而且卷头部位两条U-Pb等时线的截距分别为110±61和41±9，具有非常高的异常Pb同位素组成特征，表明卷头部位成矿作用的铀源是从富铀体系运移过来的，或者是对早先铀矿体的改造。这个事实也非常符合层间氧化带砂岩型铀矿的成矿作用是由两翼逐渐向卷头部位推移的成矿过程。而沙沙圪台地段铀矿体呈不规则的板状，且没有取到高品位铀矿化的样品，较低品位的铀矿石样品的U-Pb等时线年龄集中在120 Ma和80 Ma左右，与孙家梁地段低品位铀矿化年龄相一致。

孙家梁地段低品位铀矿化样品等时线年龄为177±16 Ma，在误差范围内与直罗组的沉积年龄(中侏罗世)相吻合，砂体的铀含量达(3.36～99.24)×10-6，这也是直罗组沉积时就有铀的预富集的最强有力的证据。新庙壕和中鸡地段各条等时线所获年龄值也与直罗组的沉积时代(中侏罗世)相当。每条U-Pb等时线都有铀含量>0.01%的样品，因此新庙壕地段的直罗组在沉积时就存在低品位的铀矿化[6]。

4.1.2 松辽盆地钱家店砂岩型铀矿成矿年龄

松辽盆地钱家店铀矿床产在上白垩统姚家组地层中，目前获得的成矿年龄为89±11 Ma、67±5 Ma、53±3 Ma、44±4 Ma。其中，89±11 Ma与上白垩统姚家组沉积年龄相当，表明姚家组沉积时就有铀的富集；而67±5 Ma、53±3 Ma、41±4 Ma的成矿年龄与晚白垩世末至古近纪早期该区地壳抬升、掀斜和构造反转形成构造“天窗”，以及辉绿岩侵位的时间相吻合。该时期形成了有利的地下水动力学环境，大规模的铀成矿作用发生[7]。

4.2 含矿砂体的U0和△U

鄂尔多斯盆地含矿岩系直罗组沉积物粒度相对较粗，以砂砾岩、中粗粒砂岩为主，孔隙度较大且渗透性好。砂岩以长石砂岩和长石石英砂岩为主。在鄂尔多斯盆地东北部对20件铀含量小于10×10-6的钻孔岩芯(直罗组氧化带)样品进行U-Pb同位素组成测定，计算时采用U-Pb同位素两阶段演化体系；利用样品中206Pb/204Pb比值最小的Dsh-1号样品的铅同位素组成作为直罗组岩石的初始铅，即其(206Pb/204Pb)0=16.743、(207Pb/204Pb)0=15.265；岩石(中侏罗统砂岩)形成年龄推测为170 Ma。

测定和计算结果表明[4]，鄂尔多斯盆地东胜地区直罗组氧化砂体现测铀含量平均值为4.35×10-6；原始铀含量(U0)平均值为21.95×10-6，说明直罗组沉积时确有铀的预富集，具有典型的富铀砂体特点。最高铀含量达105×10-6，指示该区直罗组砂体沉积时有些地段达到铀矿化的富集水平。

△U代表样品中铀的近代变化系数。一方面反映样品中铀的活动性，另一方面反映出样品中铀的近代获得或丢失的情况。氧化带中的样品获得铀的变化系数△U平均为-69.4%，近现代大量丢失了铀元素。因此，推测直罗组氧化带砂体可以为铀成矿提供丰富的铀源。

关于沉积地层中的铀能否形成规模较大的铀矿床，可以假设一个长50 km、宽5 km、厚40m的氧化砂体(这个氧化砂体规模并不算大)，按所获得的U0和△U值计算，这个氧化砂体可以提供3.5×105t金属铀！如果其中20%的铀形成铀矿体，则可以形成7×104t金属铀储量的铀矿床。看来氧化砂体足以为铀成矿提供丰富的铀源[5,6]。

4.3 盆地蚀源区岩石的U0和△U

能够形成沉积盆地富铀砂体或后来能够提供外来成矿铀源的蚀源区岩石，一定是富铀的中酸性火成岩类岩石。计算蚀源区岩石的U0和△U值与计算沉积盆地砂体的U0和△U值类似[3]。

伊犁盆地南部蚀源区海西期火山岩及海西期花岗岩17个样品的U-Pb同位素组成分析结果表明[1]，岩石的原始铀含量(U0)较高，其次是花岗岩类样品铀的近代丢失非常明显，△U值平均为-44.3%，表明了蚀源区岩石、特别是花岗岩类一方面能使伊犁盆地形成富铀砂体，另一方面也可能为伊犁盆地砂岩型铀矿提供外来的成矿铀源。

吐哈盆地蚀源区岩石原始铀含量计算结果表明：蚀源区花岗岩体的△U为正值，因此岩体的铀含量与其原始铀含量相比，具有得铀现象(获得铀的数量较小，小于10%)。考虑到测定误差因素，可以认为该区花岗岩类基本没有铀的得失，也不可能提供成矿铀源。然而，地层中碎屑岩和火山碎屑岩△U均为负值，碎屑岩△U达到-69%，表明地层岩石具有丢铀现象，且不同地层丢铀的程度有所差异。看来，该区沉积碎屑岩及火山碎屑岩近代铀丢失明显，可能是形成含铀含氧水的重要铀源。

5 结论

(1)岩(矿)石样品通过U-Ra平衡系数修正的U-Pb等时线方法测定和计算，对示踪砂岩型铀矿的成矿年龄是行之有效的手段。

(2)利用U-Pb同位素组成演化体系反演技术来示踪岩石的原始铀含量(U0)和铀的变化系数(△U)，为研究沉积砂体供铀能力提供了定量的数据。

(3)对沉积盆地蚀源区岩石的U-Pb同位素示踪，可以追踪地质体的含铀性及其后来的变化特征，为探讨成矿铀源、建立铀成矿模式提供重要的依据。因而，用U-Pb同位素示踪地浸砂岩型铀矿的成矿作用，具有重要的实际意义。

[1]李俊华，夏德兴.同位素年龄计算手册[M].北京：原子能出版社，1978.

[2]夏毓亮,刘汉彬，林锦荣,等.中国北方主要产铀盆地砂岩型铀矿成矿年代学及成矿铀源研究[J].中国核科技报告，2004,2: 79-87.

[3]夏毓亮,林锦荣,刘汉彬,等.伊犁盆地砂岩型铀矿同位素地质特征[J].矿物岩石地球化学通报，2001，20(4):.367-369

[4]夏毓亮.岩石样品U0和△U的计算[J].铀矿地质，2004，20(1):35-38.

[5]夏毓亮，刘汉彬.鄂尔多斯盆地东胜地区直罗组砂体铀的预富集与铀成矿[J].世界核地质科学，2005, 22(4): 187-190.

[6 ]刘汉彬，夏毓亮.东胜地区砂岩型铀矿成矿年代学及成矿铀源研究[J].铀矿地质，2007，23(1):23-29.

[7]夏毓亮，郑纪伟，李子颖，等.松辽盆地钱家店铀矿床成矿特征和成矿模式[J].矿床地质,2010，29:154-155.

Tracing the Metallization of In-situ Leachable Sandstone Type Uranium Deposit with U-Pb Isotopes

XIA Yu-liang

(BeijingResearchInstituteofUraniumGeology,Beijing100029,China)

This paper discussed the mineralization of in-situ leachable sandstone type uranium deposit with U-Pb isotope tracing technology: dating the metallogenic age of sandstone type uranium deposit, deriving the initial uranium content(U0) and uranium variation coefficient (△U) of the host sandbody and provenance rocks, some application cases were also enumerated on tracing sandstone type uranium deposit.This result shew that the U-Pb isotope tracing technique could play an significant role in the study of metallogenic mechanizm and metallogenic forecast for in-situ leachable sandstone type uranium deposit.

U-Pb isotope tracing; in-situ leachable sandstone type uranium deposit; metallogenic age; initial uranium content；uranium variation coefficient

10.3969/j.issn.1000-0658.2015.05.003

2014-09-15 [改回日期]2015-03-27

夏毓亮(1940—)，男，高级工程师(研究员级)，博士生导师，1964年毕业于中国科学技术大学地球化学系，主要从事同位素地质和铀矿勘查工作。E-mail：yuliangxia@sina.com

1000-0658(2015)05-0497-05

P597

A