乌克兰第聂伯盆地砂岩型铀矿床矿化特征与成矿机理

倪仕琪，蔡煜琦，宋继叶

（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）

乌克兰的铀矿类型主要包括内生钠交代岩型铀矿和古河谷砂岩型铀矿2大类［1-2］。砂岩型铀矿在2010—2015年已探明资源量（RAR＋IR）保持在7 627 t，约占铀矿总资源量的25%，已发现的砂岩型铀矿床大部分位于第聂伯盆地［1，3］。国内学者着重研究乌克兰内生钠交代岩型铀矿床成矿地质特征和矿床预测，但对沉积盖层中适合于地浸开采的外生砂岩型 铀 矿床矿化特征研究较不充分［2，4-10］。鉴于此，综述研究盆地古河谷砂岩型铀矿床，总结矿床矿化特征与成矿机理，为俄罗斯外乌拉尔和外贝加尔地区的古河谷砂岩型铀矿床类比分析以及国内白音乌拉、城子山和山市等古河谷砂岩型铀矿床研究提供参考。

1 区域地质背景

第聂伯盆地是发育在乌克兰地盾内部的褐煤盆地，面积约100 000 km2。其中部和东部产出多个砂岩型铀矿床，如Bratskoye，Devladovskoye和Safonovskoye等矿床，分布于第聂伯—布格铀矿区内的南布格（South Bug）区、印谷尔—印格勒次（Ingul-Ingulets）区和萨克萨甘—塞基（Saksagan-Sursky）区（图 1）。

图1 乌克兰砂岩型铀矿床分布Fig.1 Distribution of sandstone-type uranium deposits in Ukraine

盆地基底为乌克兰地盾前寒武纪结晶岩系。大部分是变质岩和超变质岩，其次是酸性、基性和超基性侵入岩，岩性包括片麻岩、微斜长石花岗岩和环斑花岗岩［5，11］， 其中黑云母片麻岩及花岗岩是有利的含铀基底。基底在长期风 化 剥 蚀 作 用 下 已 准平原化［2，9，10］。 受中始新世早期阿尔卑斯造山运动影响，基底发生抬升，造成第聂伯盆地具有北西高，南东低的现今构造格局。

在乌克兰地盾中部和东南部，盆地新生界沉积盖层与下覆基底呈不整合接触，盖层厚约50 m，最厚可达100 m，产状平缓［2］，自下而上为古近系、新近系和第四系。其中古近系主要发育中下始新统，由下而上又分为Buchak， Kiev 和 Kharkov 组［12］。

Buchak组既是第聂伯盆地主要含铀矿层位，也是煤系层位，直接覆于基底之上。岩性包括砂岩、泥岩和褐煤。目前盆地内具有重要工业意义的砂岩型铀矿床多产于该套地层下切河谷中，属于古河谷型砂岩铀矿床。

Kiev组岩性由泥质岩组成，地层分布与下覆地层相比面积较大。在古河谷中部和底部偶见Kiev组。

Kharkov组由泥岩和砂岩组成，矿物成分以石英和海绿石为主，大部分形成滨海环境中，局部发育陆相沉积环境。

上述两套沉积岩层未发生氧化或局部氧化，黏土矿物以蒙脱石和水云母为主，局部见灰岩夹层。

2 铀矿化特征

2.1 矿床规模与矿体

目前盆地内已发现铀矿床规模为小-中等，资源量介于几百吨到3 500 t（表1），矿体平均品位在0.015%～0.15%之间。

古河谷型砂岩铀矿床多定位于古河道或古坳陷边缘延伸处。矿床作为主河道的一部分，规模较大，长度可达4 km，宽度50～140 m，例如 Bratskoye，Devladovskoye，Novoguryevskoye，Safonovskoye等典型矿床。具有工业价值的产铀段一般占矿化带的 1/6至 1/3［1］。

矿床由多个铀矿体组成，埋深在10～80 m之间，位于1～3套矿化岩层中，每套岩层1～30 m厚。弱矿化带分布在矿体附近，宽度50～140 m，工业开采价值较低。

矿体形态为似板状、透镜状和复杂卷状等。透镜状和板状矿体分布在Bratskoye，Devladovskoye，Novoguryevskoye等矿床中，厚度3～10 m，宽度大致与主河道宽度相近，但在位于古河谷和和古坳陷斜坡处的矿体宽度较小，具有弯曲带状展布特征［13］。卷状矿体位于河道砂岩层中的氧化带前锋区，矿体最大厚度10 m，见有大量碳质物 （包含煤屑和炭化植物碎屑等还原性物质）。含矿岩层受沉积相变的影响，渗透率等物性参数具有非均质性特征，导致许多矿体是由多个小型卷状矿体逐层叠置而成。

2.2 含矿层

在中下始新统Buchak组含矿岩层中，不同的沉积相带内形成的矿体规模和品位具有明显差异。矿集区主要包括河流、潟湖-河口湾和湖泊-沼泽等沉积相带。

河流相分布范围广，集中在盆地南部和东部，是铀成矿的有利含矿沉积相。河流相沉积岩层厚度10～30 m，局部可达60 m，沉积在古河谷的主河道和分支河道底部，大致沿古河道SN走向分布，这些河谷分布于乌克兰地盾约80%的地域范围［1］。岩层厚度在古河谷高地和斜坡处约1～5 m。古河谷切入下覆结晶基底风化壳，在盆地中部下蚀深度可达100 m。

表1 乌克兰第聂伯盆地主要砂岩型铀矿床Table 1 Main uranium deposits in the Dnieper Basin，Ukraine

古河谷内往往发育多条古河道，古河谷一般宽度较大，可达3～10 km，古河道相对宽度较小，通常小于1 km［9］，有利于形成规模较大的铀矿床，如分布在盆地中南部的南布格区和印谷尔—印格勒次区的Bratskoye， Devladovskoye，Sadovoye/Sadovokonstantinovskoye和Safonovskoye等典型矿床（图2）。这些河谷切入盖层之下的结晶基底，具有底部河道沉积特征，基底岩石又有较厚的含铀风化壳，成矿条件较好。

河流相岩石类型包括炭质砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩，见褐煤夹层透镜体，具有非均质特征，并且含砂率随河道坡度增加而逐渐增加。

潟湖-河口湾相带内发育的铀矿床分布在盆地东南部萨克萨甘—塞基区，典型矿床包括Chervonoyarskoye， Novoguryevskoye， Surskoye（图2），此外还发现许多铀矿点， 产于Buchak组顶部褐煤层中。该类型铀矿床矿石品位明显低于上述古河谷型砂岩铀矿床。

湖泊-沼泽相带内的铀矿床规模和品位最低，分布在盆地外缘，垂向上位于Buchak组炭质泥岩和褐煤层上部。

古河谷型砂岩铀矿床产铀层上下均被泥质隔水层所夹持。隔水层底板是中生代结晶岩石的风化壳，下覆乌克兰地盾基底；隔水层顶板由泥岩和砂岩-褐煤-泥岩混合岩层组成，厚度约1～12 m。在矿床范围内统计的产铀层厚度在1 m至10～12 m。在原生未蚀变砂岩内见海绿石、黄铁矿等矿物和灰色、黑色、深褐色碳质物，泥岩多以灰色和绿色为主。氧化层分布在高渗透性岩层中，含氧大气降水造成含水层中的硫化铁矿物及有机质发生氧化，氧化砂岩颜色以黄色为主。

图2 第聂伯盆地砂岩型铀矿床位置及沉积相分布Fig.2 The distribution of sedimentary facies and location of sandstone-type uranium deposits，Dnieper Basin

2.3 岩石-矿物

Devladovskoye等古河谷型砂岩铀矿床的矿化作用与4种岩石-矿物成分有关［1］：

1）含矿石英砂岩层中，常见黏土矿物和碳质物，局部见海绿石或长石-海绿石等矿物；

2）泥岩层中见大量高岭石和碳质物；

3）炭质泥岩-砂岩互层；

4）以夹层或互层形式出现在上述沉积岩层中的含砂/泥褐煤层。

上述岩石-矿物组合多具有碳质物含量高、矿物成分与粒度大小变化复杂以及非均质物性等特征，铀矿化通常定位在高渗透性炭质砂岩层中。矿体位置通常位于沿层间氧化带隔水层分布的氧化还原界面或者氧化带卷锋区。例如，在Devladovskoye等铀矿床中，含矿岩层碳酸盐组分含量低，而碳质物含量较高。在古河道中，含氧水从河谷上游沿斜坡向下和河谷侧翼运移，形成氧化还原前锋线并发生铀矿化作用。

2.4 铀存在形式

盆地砂岩型铀矿床铀的存在形式主要有独立铀矿物和分散吸附状态两种。铀矿物以铀石和铀氧化物为主，呈微粒状聚集在黄铁矿附近；分散吸附形式指被铁氢氧化物、碳质物和黏土矿物吸附的铀。此外，高岭石在铀矿物、黄铁矿和煤屑周缘以晕圈形态分布。

铀的伴生矿物包括镍黄铁矿、硫酸钼矿、闪锌矿和紫硫镍矿，伴生元素包括钼（Mo）、铼（Re）、 硒（Se）、 钒（V）、 钇（Y）、 镧（La）。

2.5 典型矿床

目前已知的古河谷型砂岩型铀矿床都位于盆地现代高原分水岭附近的二级和三级河道中［1］。

Bratskoye矿床位于第聂伯盆地南布格地区，面积0.95 km2（图 2）。该矿床自 1971—1984年期间，采用原地溶浸采铀法 （In Situ Leach，ISL）共开采铀矿1 350 t，矿石平均品位约0.04%，该矿床目前已停产。

矿床发育在始新统河流相沉积岩层中，埋深约30 m （图3）。其中，铀矿储量在不同岩性的沉积岩分布不同。在炭质砂岩、炭质泥岩和褐煤等沉积岩中的探明铀矿储量分别占总储量的63%、13%和16%，而结晶岩中的探明储量小于＜8%。矿体呈透镜状。铀赋存形态主要是碳质物和泥质物结合态，而铀黑结合态、含铀白钛石结合态和铁氢氧化物结合态则分别仅占铀含量的17%、5%和3%。后生还原带对铀矿化产生影响，也同时控制着其他元素的沉淀。伴生矿物包括硫铁镍矿、硫化铁、胶硫钼矿、闪锌矿和紫硫镍矿。一些铀矿体内钼（Mo）、 铼（Re）和硒（Se）等微量元素含量较高，其他矿体含钴（Co）、镍（Ni）、铊（Tl）和锌（Zn）等微量元素。

图3 Bratskoye矿床剖面Fig.3 Across section of Bratskoye deposit

地下水排泄系统、氧化带的形成时间和铀矿聚集等地质作用时间发生在上新世，并且一直持续至今［13］。

Devladovskoye矿床位于盆地中部-东南部的萨克萨甘-塞基地区，面积2.18 km2。1955年发现该矿床，自1966—1983年，采用原地溶浸采铀法开采铀矿1 600 t，矿石品位0.08%。矿体以叠置透镜状形态分布在古河谷中。含矿岩系为下始新统Buchak组炭质砂岩和泥岩夹褐煤层，厚度15 m。该套岩层与下伏灰色混合花岗岩呈不整合接触，上覆地层为厚50 m的上始新统-第四系沉积层系［12，14］。

Safonovskoye矿床位于第聂伯盆地中南部的印谷尔—印格勒次地区，矿床赋存在河流相的砂岩中（图4），矿体分布在氧化还原界面处，规模较大，范围最广，伴生元素包括硒（Se）和钼 （Mo）。该矿床自 1982—1993年期间，采用原地溶浸取采铀法仅对其中一个矿体进行开采［14］。 剩余铀矿资源量3 000 t， 矿床品位0.016%，具有铀矿开采潜力。该矿床计划采用相同的开采方法恢复生产。

3 成矿机理

总结前人［12-16］对盆地内砂岩型铀矿床特征，第聂伯盆地砂岩型铀矿床成矿机理表述如下：

丰富的铀源提供了铀成矿的物质基础。前寒武纪基底花岗岩是成矿的主要铀源。在中生代-新近纪地质时期，富铀基底发生风化剥蚀，在风化壳内发生铀矿化的初始富集。

携带铀和其他矿物元素的含氧地表水经风化壳渗入中下始新统含矿层的水动力交替系统中。含氧水具有弱碱性，其中铀矿物以碳酸铀酰络合物的形态发生运移。

含氧含铀水进一步向盆地中心径流，在氧化还原前锋区形成板状和透镜状形态铀矿体。其中氧化-还原界面具有弱酸性特征，见有机质等还原介质。碳酸铀酰络合物在该处发生分解，并且铀被吸附在植物碎屑和黏土矿物中，说明铀矿物分布与植物碎屑和黏土矿物存有联系［15］。

图4 Safonovskoye古河谷型砂岩铀矿床矿体示意图Fig.4 Schematic diagram of ore body in Safonovskoye palevalley type deposit

随着后期新生代沉积层持续埋藏，含氧地下水持续供给并且流经风化壳，在含水层中沿盆缘倾向向盆内运移，形成持续不断推进的氧化还原前锋线，并且一直持续至今。卷状矿体在氧化还原过渡带不断地叠加富集。但由于含矿岩层的沉积相非均质性特征导致渗透率等物性参数变化复杂等原因，因而矿体在剖面上具有复杂叠置的形态特征，形成复杂矿体群。

4 结论

1）已发现砂岩型铀矿的第聂伯盆地是发育在乌克兰地盾上的褐煤盆地，含矿的始新统Buchak组古河道下切结晶基底及其风化壳，具有古河谷地貌特征。

2）盆地内古河道规模较大，导致矿化规模较大，矿体形态包括板状、透镜状和卷状，具有沿古河道斜面运动的层间氧化富集的成矿特征，成矿作用一直持续至今。

3）铀矿化通常位于高渗透性炭质砂岩层中，与炭化植物碎屑和黏土类矿物有关。