铀矿体品位富或特富的成因

Question

如题所述

Answer 1

从20世纪50年代至今中外发现的热液铀矿有的很贫（例如0.0n%）；有的比较富（U＞0.3%）；有的特别之富（U≈10%～50%），究竟是何原因一直是个谜。至今为止加拿大、澳北不整合脉型铀矿虽然特别富大，国际学界总是归因于绿泥化化Mg交代，B交代，看来均不着要领。

经过本次对世界各地重要热液铀矿床进行地球化学再分析，终于发现了决定矿富的真实的原因。简言之，是Si/U（硅-铀比）、硅-铝比及水/岩比三大重要参变量的决定性影响：多年中外矿床地质界只孤立注意详尽研究成矿元素本身，严重忽视共生脉石成因环境。下面将重新逐条加以再认识。

1.Si/U比

早在20世纪80年代我们发现热液矿脉中铀的富集度和矿脉中与U共生的SiO₂含量存在不可忽视的此消彼长的反相关。在矿脉中Si越多，U越贫，反之Si越少，U就越富（杜乐天，1986）。我们对中国热液铀矿脉数以千计的大量化学分析数据整理，发现在铀矿脉中从低矿化到高矿化存在下述粗略近似规律。

——不成矿者（品位U含量在0.0n%以下者），Si/U比为10⁴到10⁵级

——较富矿化（品位U≈0.n%者），Si/U比为10³级

——富矿化（品位U≈n%者），Si/U比为10²级

——特富矿化（品位U≈n0%者），Si/U比1-10级

以下再把具体矿床的相关数据加以比对如下。

——华南硅化带型热液铀矿脉（品位U≈0.05%～0.1%），Si/U≈n000

——广东富铀矿脉（例如粤北棉花坑矿脉4个样品）；分别品位为U≈0.6%时Si/U≈12；U≈1%时Si/U≈60；U≈4%时Si/U≈18；U≈4%时Si/U≈20（对品位数据有意简约，尽量取整数。主要看其量级，下同）。

——江西相山矿田岗上英矿脉（三个样品）：分别是U≈1.5%时Si/U≈8；U≈2%时Si/U≈12；U≈3%时Si/U≈9（Si/U此变动在8-12之间）；

——广西沙子江铀矿脉三个样：U≈7%时Si/U≈10；U≈27%时Si/U≈2；Si/U比大体变动于2-10之间，其中的一个样U≈50%，其Si/U比为0.4。

——辽宁连山关铀矿脉一个样：U≈42%，Si/U≈0.6。

由上述各数据可以做出以下近似线示意图3-7。

图3-7 Si/U和U品位反相关示意

对Si/U比和U含量间的反相关的地球化学实质剖析如下：

大小铀矿脉整体可看成一个充填空间。SiO₂（各种石英变种）越多，留下的可以被UO₂占据的空间越小。由于Si⁴⁺和U⁴⁺（更不用说U⁶⁺）不可能在石英晶格中类质同象，石英结晶会把UO₂完全排除在自己晶体之外（晶体自纯作用）。反之，如矿脉中的SiO₂越少，留给UO₂沉淀的空间就越多，品位就越富。Si-U紧密共生富集是全球规律，都受碱交代排U排Si的基本规律控制。

促使矿脉中的石英（SiO₂）少的地质条件是多种多样的。

1）强碱性碱交代会造成大面积缺硅场。在成矿之前石英SiO₂全部溶于碱性溶液随热液流走；

2）F^-的大量存在，UF₄高度挥发，可以全部呈气相迁移而去。只有热液中存在大量Ca²⁺才能借形成萤石破坏UF₄迁移形式，使U⁴⁺沉淀固定下来不再迁走。所以相山富矿体中总有大量萤石共生。在此顺便提及，很多萤石矿床并不成U矿，那是由于萤石（CaF₂）结晶粗大，晶体自纯作用把U排外随热液排走。值得强调，相山含大量萤石的富U矿脉中的萤石全部结晶很差，大量黏土矿物混杂不使萤石有晶体自由生长空间，因而发挥不了结晶自纯排U的作用。大量胶体沥青铀矿+众多胶体黏土矿物+大量胶磷矿混杂共生，全是胶体矿物系统U被高度吸附致使铀品位高达n%。

3）磷（P）的大量存在（呈胶磷灰石形式）是使矿脉中SiO₂减少的又一重要因素。相山各矿床的富U矿体普遍P₂O₅高（n%～20%）。这样SiO₂就没有多少空间可以占据，胶体磷灰石有特别吸附U成富矿的性能（结晶磷灰石却很差）。

2.硅/铝比（SiO₂/Al₂O₃）

黏土矿物都是富铝矿物。它们的存在（例如伊利石、蒙脱石、绢云母、绿泥石、高岭石）决定Si/Al比值低。黏土矿物属于高分散态的胶体，其颗粒极细（μm级），大量表面剩余电荷，比表面高达10¹²数量级，故有极强的相互吸附能力，使热液脉中各种矿物相互混杂都不可能结晶良好。这是形成富矿、特富矿脉的重要因素。相山、沙子江、棉花坑、连山关等矿床如此，世界闻名的加拿大Athabasca各特富矿床也同样如此。例如CgarLake之类矿体优先定位于该区盆地底沉积很厚的古风化壳之中。这里恰恰是各类黏土矿物最发育、最易形成特富铀矿体。

伊利石中的SiO₂/Al₂O₃比大体是1.2；绢云母、高岭石大体也是1.2；绿泥石是1.8。所有此等矿物有两个共同点：①首先是SiO₂含量都很低，SiO₂只有30%～40%，属于缺硅矿物②同时Al₂O₃高达36%～40%，属于富Al矿物。SiO₂/Al₂O₃接近1∶1。部分绿泥石Al₂O₃较低，Al₂O₃为16%，硅/铝比是1.8。总的看Al含量越多，绢云母、伊利石、绿泥石、蒙脱石、高岭石此等富铝黏土类越多，对U富集程度的提高越有利。这是加拿大阿萨巴斯卡盆地不整合面脉型铀矿特富的重要原因。所谓的不整合脉型其实更重要的是沿不整合面发育的古风化壳。此等矿区盆地底部的古风化壳几乎全部由黏土族矿物组成，黏土族矿物变种极为多样，岩石极为多孔疏松，对于成矿热液渗透和矿质卸载极为有利。此风化壳高效吸附截留矿质、高渗透率和高孔隙度，另外又充注了包括还原性强的天然气如H₂、CO、CH₄，是一个反氧化的强还原环境，保障U呈4价富集（王驹，杜乐天，1995）。这一古风化壳在岩性上既不同于盆地基底古老的低渗透变质岩系，又不同于上覆盆地由惰性石英组成的砂岩地层，对成矿热液吸引构成强烈的反差，遂使成矿热液优先定位于不整合面古风化壳中以及上下邻近。见图3-8。

图3-8 阿萨巴斯卡盆地各矿床集中沿不整合面风化壳分布

热液蚀变有一个总的演化趋势，在由高温向低温转变的大背景下，热液的碱性越来越变弱（即由碱性渐渐酸化向中性发展），[K⁺][Na⁺]离子浓度随长石化形成新的长石等矿物脱离热液转入固相矿物而降低，[H⁺]离子将不断增加（导致热液酸化）。酸化越来越强，会把所有硅铝酸盐矿物Si-O四面体之外的各种阳离子加以氢交代进入热液排走。此中最重要的是原来在Si-O四面体中的Al³⁺（四配位，代号Al^Ⅳ）从四面体排出变为六配位Al^Ⅵ，Al³⁺-Si⁴⁺分离。此Al^Ⅵ会交代矿物中的Fe³⁺、Fe²⁺。离子半径Al³⁺要比Fe³⁺、Fe²⁺小得多，Al³⁺交代后必然要出现μm级显微空洞。2个Al³⁺交代3个Fe²⁺（等价）产生的微空洞会更多。这类微空洞对拘留铀矿物极其有效、有利（铀矿物微颗粒不致被强力的热液湍流冲走而贫化）。这也是铝交代导致富铀矿化产生的一个重要原因。

白云母、绢云母、伊利石、镁绿泥石、铝绿泥石、蒙脱石等黏土矿物有个共同特点：富Al贫Fe，易产生铝交代。澳北Alligator铀矿区的详细的黏土矿物分析结果见表3-15。

表3-15 澳北Alligator铀矿田中各黏土矿物化学成分和比较

表3-15中的Si，Al^Ⅳ，A^Ⅵ，X_Fe特征参数很说明问题，在基底变质岩中Al^Ⅵ/Al^Ⅳ大体为1，到了矿体则明显增加到3.5，Al^Ⅵ多表明黏土矿物增多。

在中国相山热液铀矿床的富矿岩心，刚从钻孔中取出尚为块状，但放入岩芯箱中不到一个月就全部酥散成泥粉。我们在该矿山地表剥土上所见，到处是风化的富铝黏土质泥巴矿。郑大瑜（2013，口告）参观Cigar Lake地下采坑时，见打眼注水入矿体使之冰冻结块易于取出，然后加温化开成矿泥注入卡车箱中运走。回忆Gandhi1994年来华时也口告加拿大富矿石很快就酥散。

3.水/岩比

热液的水/岩量比值低是形成富体的又一个重要因素，水/岩比越低，热液中U浓度越高。连山关铀矿包裹体溶液测定成矿期热液中U浓度高达0.47%（王驹，1987）。另外，王建芳等（1989）研究华南富矿也有类似结果。在本书中已多次提及，热液的前身幔汁造成的长石化是无水干交代，刚相变为高温热液时水/岩比会很低，当时地下水参与少。

形成特富铀矿体的原因不只是古风化壳，另外还可以有其他原因。例如中国下庄铀矿田中大帽峰BOI特富矿体，长6.42m，平均品位12.67%（U）。其中80%为微晶石英和黏土矿物。此富矿体是倾角70°～80°的陡立矿柱，垂向数百米。其致富条件是UO₂密度大（～7），当时的微晶石英含水硅胶比重很低，＜2.5，很重的沥青铀矿球粒会向下重力下沉堆积而成特富矿体。