張龍 李曉峰** 王果

1. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,中國科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究院重點實驗室, 北京 1000292. 中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院, 北京 1000293. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 1000494. 成都理工大學(xué)，成都 6100591.

鈾是一種極其重要的戰(zhàn)略資源，在國內(nèi)外礦產(chǎn)資源中均占有舉足輕重的地位。鈾主要應(yīng)用于核能發(fā)電，而核電由于資源消耗少，環(huán)境影響小和供應(yīng)能力強等優(yōu)點，已成為與水電、火電并稱的世界三大電力供應(yīng)支柱。另外，鈾在軍事、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)學(xué)等方面同樣具有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)鈾資源產(chǎn)出的地質(zhì)背景，全球鈾礦床可劃分成13個大類，其中以砂巖型、不整合面型、火山巖型、多金屬鐵氧化物角礫雜巖型和交代型等為主(Cuney and Kyser, 2008; IAEA, 2009)。

火山巖型鈾礦床是指在成因和空間上與火山巖密切相關(guān)的鈾礦床，該類型礦床通常位于由基性至酸性火山巖和碎屑沉積物充填的火山口或附近(IAEA, 2009)。雖然火山巖型鈾礦床的鈾資源量占世界鈾資源總量比例不高(約占3.9%，IAEA, 2009)，但是酸性火山巖長期以來被認為是形成許多類型鈾礦床的源巖(Cuney and Kyser, 2008; Nash, 2010)。因此，有必要對與火山巖型鈾礦有關(guān)火山巖巖石學(xué)和地球化學(xué)特征進行歸納、總結(jié)，以便更好地理解鈾礦成因，從而為鈾礦找礦提供幫助。

火山巖型鈾礦床常伴生其它金屬元素，常見的元素組合有：(1)U-Mo；(2)U-Be；(3)U-Pb-Zn；(4)U-Th-REE；(5)U-Ag-Sb-Hg。目前，對造成火山巖型鈾礦床中這些復(fù)雜元素組合的機制等方面研究相對薄弱。例如：火山巖型U-Be礦床(美國Spor Mountain和中國白楊河礦床)中的鈹資源量均達到了特大型規(guī)模(Foleyetal., 2010; Lietal., 2015)，但是鈹與鈾分離共生的機制尚不清楚。本文收集了全球已報道的多個火山巖型鈾礦床資料，總結(jié)了火山巖型鈾礦床的時空分布、巖漿-熱液-礦化特征、成礦物質(zhì)來源和遷移沉淀機制等方面的研究進展，同時對火山巖型鈾礦床中伴生元素組合特征進行了總結(jié)，初步探討了造成這些元素組合出現(xiàn)的可能原因，在此基礎(chǔ)之上，分析了目前所存在的主要問題并對其發(fā)展趨勢做了展望。

1 火山巖型鈾礦床的基本地質(zhì)特征

1.1 時空分布

全球火山巖型鈾礦床主要分布在環(huán)太平洋帶、阿爾卑斯-喜馬拉雅山帶、俄羅斯西伯利亞地臺南部(圖1，覃慕陶和劉師先，1998)。我國火山巖型鈾礦床主要產(chǎn)于東南沿海北東向火山巖帶內(nèi)，其次是遼寧-內(nèi)蒙古-新疆東西向構(gòu)造帶，河南、四川、云南等省內(nèi)有零星分布(覃慕陶和劉師先，1998)。世界上著名的火山巖型鈾礦床(圖1、表1)有俄羅斯Streltsovskoye鈾礦、蒙古Dornot鈾礦、墨西哥Nopal鈾礦、美國McDermitt鈾礦以及中國相山鈾礦等。Streltsovskoye鈾礦床是世界上最大的火山巖型鈾礦床(330000t U3O8)，相山鈾礦床是我國最大的火山巖型鈾礦床?；鹕綆r型鈾礦床是我國主要的鈾礦床類型之一，其鈾資源量占總量的17.6%(Caietal., 2015)，代表性的鈾礦床有相山鈾礦、大洲鈾礦、白面石鈾礦、張麻井鈾礦、白楊河鈾礦、紅山子鈾礦和草桃背鈾礦等。

火山巖型鈾礦床產(chǎn)出的層位較多，從元古宇至新生界均有產(chǎn)出(覃慕陶和劉師先，1998)。本文對已有的火山巖型鈾礦床成礦年齡統(tǒng)計表明，火山巖型鈾礦床形成時代主要集中在白堊紀(jì)、古近紀(jì)和新近紀(jì)三個時期(圖2)。我國與俄羅斯的火山巖型鈾礦床的成礦時代主要集中在白堊紀(jì)，而美國和墨西哥等地區(qū)的火山巖型鈾礦床則主要形成于古近紀(jì)和新近紀(jì)。在一個鈾礦床中，常常會存在多期鈾成礦作用，例如我國白面石鈾礦床存在三期鈾成礦作用：～156Ma、～82Ma、～43Ma(夏毓亮，2019)。

表1全球主要火山巖型鈾礦床的分布、基本特征和成礦時代

Table 1 Distribution, basic characteristics, and metallogenic ages of the major volcanogenic uranium deposits

國家礦床元素組合成礦時代(Ma)基本特征參考文獻俄羅斯StreltsovskoyeU-Mo130鈾礦物主要為瀝青鈾礦和鈦鈾礦,Mo礦物為膠硫鉬礦,流紋巖和花崗巖是主要的U源,330000t U3O8@0.235%Chabiron et al., 2003; Aleshin et al., 2007美國MarysvaleU-Mo-F19～18多數(shù)礦體位于或鄰近相對周圍地區(qū)被抬升的地塊,礦石礦物主要為瀝青鈾礦和膠硫鉬礦,大多數(shù)瀝青鈾礦與細脈中的膠硫鉬礦和暗色螢石關(guān)系密切Cunningham et al.,1998美國McDermittU-Ag-Sb-Hg15.7礦體主要沿著火山口雜巖體的西南(Kings River)和北部(Bretz-Opalite)斷裂或其內(nèi)部,U主要以含U鋯石的形式存在,9500t U3O8@0.05%～0.09%Noble et al., 1988; Castor and Henry, 2000美國Date Creek BasinU-Mo—分布在火山碎屑巖的湖相,礦石富集Mo、V、Li、F和S,該礦床的U沉淀主要是有機碳的作用,21,400t U3O8@0.03%Mueller and Hallbach, 1983美國Midnite MineU51氧化性的和還原性的U礦物分布在元古代千枚巖和鈣質(zhì)硅酸鹽角巖中的細脈中,最高品位和最厚的礦石帶與巖體頂部下陷有關(guān),6580t U3O8@0.16%～0.18%Ludwig et al., 1981美國Spor MountainBe-U-F21～13羥硅鈹石位于凝灰?guī)r的交代碳酸鹽碎屑的螢石-二氧化硅中,含U礦物為硅鈣鈾礦,72,315t BeO@0.71%Lindsey, 1977; Ludwing et al., 1980秘魯MacusaniU-Sn-Ag-Be9.3伴有Be礦化,但鈹?shù)V物很少,中新世稀有金屬富集的長英質(zhì)侵入巖和火山中心,并伴有Sn-Ag礦體廣泛分布,U礦物主要為瀝青鈾礦和鈾石,3650t U@0.1%Barton and Young, 2002; Dahlkamp, 2010巴西Osamu UtsumiU-Th-REE37由五個礦體組成,U-Th礦化的主要階段集中在角礫巖筒中,成礦帶長900～1200m, 寬400 ～530m,深度至少250m,21,800t U3O8@0.235%Waber et al., 1992; Cathles and Shea, 1992墨西哥Sierra Pe?a BlancaU-Mo36～28存在三種礦化類型:①熱液成因類型(NopalI礦床);②表生-噴流類型(Las Margaritsa礦床);③表生成因(Puerto III礦床),約4000t U@0.11%George-Aniel et al., 1991澳大利亞Georgetown-TownsvilleU-Mo-F—大規(guī)模的火山和熱液活動跨越晚泥盆至早二疊世,該地區(qū)主要由兩個礦床組成,即Ben Lomond(4700～6792t U3O8@0.228%)和Maureen(2940t U3O8@0.123%)Nash, 2010澳大利亞MaureenU-Mo-Sn-F—主要賦存于石炭-二疊紀(jì)Galloway流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r和火山碎屑沉積巖,在礦床的地層中,長英質(zhì)的淡色花崗巖富集Li、Be、Rb、F、Th和U,2500t U3O8@0.105%Cuney and Kyser, 2008澳大利亞Ben LomondU-Mo—該礦床主要產(chǎn)于石炭紀(jì)熔結(jié)凝灰?guī)r中,6800t U@0.23%Cuney and Kyser, 2008意大利NovazzaU-Mo-Zn—賦礦巖石是互層的長英質(zhì)凝灰?guī)r、火山碎屑沉積物、頁巖、砂巖和礫巖,一些凝灰質(zhì)層含有碳質(zhì)物質(zhì),礦石帶是厚度達40m的透鏡體,1455t U3O8@0.146%Fuchs and Maury, 1995

續(xù)表1

Continued Table 1

國家礦床元素組合成礦時代(Ma)基本特征參考文獻蒙古DornodU153～136U礦化常呈浸染狀、網(wǎng)脈狀和脈狀在含U火山-沉積巖地層下部巖性段產(chǎn)出,圍巖為枕狀安山質(zhì)熔巖夾陸相和湖相沉積巖,礦體長度為500～800m,寬度為260～450m,33,000t U@0.17%Dahlkamp, 2009加拿大Kitts-MichelinU-Mo1745～1730礦床主要產(chǎn)于古元古代Aillik組長英質(zhì)火山巖中,礦體呈透鏡狀或板狀,21,000t U@0.05%～0.11%Gandhi, 1978加拿大RexsparTh-U-REE—主要賦存于屬于古生代至二疊紀(jì)Eagle Bay建造的流紋質(zhì)巖石,包括變形粗面熔巖和淺成侵入巖、凝灰?guī)r和含黃鐵礦片巖,1300t U@0.006%Morton et al., 1978中國相山U-Mo-Pb-Zn120～100礦體主要位于相山火山盆地的長英質(zhì)火山巖中,具有上U下Pb-Zn的垂直分帶現(xiàn)象Hu et al., 2009;夏毓亮,2019中國張麻井U-Mo～83產(chǎn)于沽源上疊式火山巖斷陷盆地北緣的西辛營塌陷型破火山口內(nèi),圍巖蝕變具有上酸下堿的垂直分帶現(xiàn)象,礦石礦物為瀝青鈾礦和膠硫鉬礦Dahlkamp, 2009 ; Cai et al.,2016中國紅山子U-Mo149～113U以瀝青鈾礦形式存在,Mo礦化主要位于流紋斑巖和花崗巖內(nèi),Mo以輝鉬礦形式存在,Mo礦化具有疊加到U礦化之上的特征丁輝等,2016;武珺,2013中國大橋塢U118～106, 75U礦化在空間和時間上與燕山期主要構(gòu)造運動及基性巖脈侵入有密切聯(lián)系,主要受斷裂、蝕變、花崗斑巖和花崗巖內(nèi)外接觸帶聯(lián)合控制邱林飛等,2009;韓效忠等,2010中國大洲U107～110礦石呈浸染狀、細脈狀、網(wǎng)脈狀和角礫狀構(gòu)造,U以單礦物及吸附分散狀態(tài)存在。U礦物有瀝青鈾礦和鈾黑等,脈石礦物主要有玉髓、螢石和方解石毛孟才,2001;田建吉等,2010中國草桃背U103～77達到大型規(guī)模,U礦體主要產(chǎn)于火山頸四周隱爆角礫巖、震碎花崗巖內(nèi)及橄欖玄粗巖系列火山巖發(fā)育部位,U礦物主要為瀝青鈾礦、鈾石和鈦鈾礦張運濤等,2013中國白楊河Be-U-Mo～229羥硅鈹石位于紫色-紫黑色螢石中,U礦物主要是瀝青鈾礦和硅鈣鈾礦,礦體主要位于花崗斑巖與地層的接觸帶王謀等,2012;Li et al., 2015;夏毓亮,2019中國白面石U～156, ～82, ～43U礦體產(chǎn)出在中侏羅世火山-沉積地層底部的長石石英砂巖和玄武巖中,礦體主要呈似層狀、透鏡狀和脈狀產(chǎn)出,基底花崗巖被認為是主要U源夏毓亮,2019中國青龍山U～88青龍山鈾礦田是由盤嶺頭鈾礦床和干溝鈾礦床組成,主要產(chǎn)于中侏羅統(tǒng)凝灰質(zhì)復(fù)成分礫巖和基底花崗質(zhì)礫巖夾砂體中,礦體主要呈似層狀、透鏡狀夏毓亮,2019

圖1 全球主要火山巖型鈾礦床分布圖(據(jù)Cuney and Kyser, 2008; Nash, 2010; Fayek et al., 2011; Cai et al., 2015)Fig.1 World distribution of the major volcanogenic uranium deposits (modified after Cuney and Kyser, 2008; Nash, 2010; Fayek et al., 2011; Cai et al., 2015)

圖2 全球主要火山巖型鈾礦床成礦年齡柱狀圖Fig.2 Histogram of formation ages of major volcanogenic uranium deposits around the world

1.2 與成礦有關(guān)的巖石地球化學(xué)特征

上地殼中鈾平均含量為2.7×10-6(Rudnick and Gao, 2003)。鈾因為其離子半徑大和化合價高，在硅酸鹽巖漿中表現(xiàn)出高度不相容，這阻止了其進入主要造巖礦物結(jié)構(gòu)中。在部分熔融和結(jié)晶分離過程中，U優(yōu)先進入硅酸鹽熔體。前人利用石英斑晶中熔體包裹體對與火山巖型鈾礦有關(guān)的巖漿性質(zhì)和成分特征進行了探討，發(fā)現(xiàn)與鈾成礦有關(guān)的巖石具有以下特征：(1)鋁飽和指數(shù)變化范圍較大，從過堿性至過鋁質(zhì)均有出現(xiàn)，但是一些典型的火山巖型鈾礦床的巖漿多呈現(xiàn)過堿性特征，如Streltsovskoye(1.04<(Na+K)/Al<1.10，Chabironetal., 2001)、McDermitt、相山和Sierra Pea Blanca等；Ben Lomond和Olympic Dam流紋質(zhì)巖漿則顯示弱過鋁質(zhì)特征；美國Spor Mountain流紋質(zhì)巖漿則顯示準(zhǔn)鋁質(zhì)特征(0.88

總的來說，與火山巖型鈾礦床有關(guān)的火山巖和次火山巖巖石學(xué)和地球化學(xué)具有如下特征：

(1)成礦巖石類型主要有流紋巖、流紋斑巖、凝灰?guī)r和花崗斑巖等。巖石多數(shù)為酸-中酸性，Ca、Mg、Fe、Ti相對虧損，但Na、K和Al相對富集。CaO、MgO、FeOt(全鐵)、TiO2和Al2O3與SiO2呈負相關(guān)關(guān)系(圖3)，表明隨著巖漿演化程度的增加，上述元素含量降低。

圖3 與火山巖鈾礦床有關(guān)巖石的主量元素哈克圖解 (a)SiO2-TiO2；(b)SiO2-Al2O3；(c)SiO2-FeOT；(d)SiO2-MgO；(e)SiO2-CaO；(f)SiO2-Na2O+K2O. 數(shù)據(jù)來源：相山：Jiang et al., 2005；楊水源，2013；大橋塢：楊水源，2013；大洲：楊水源，2013；張麻井：沈光銀和薛清波，2011；紅山子：丁輝等，2016；武珺，2013；McDermitt: Castor and Henry, 2000; Sierra Pea Blanca: George-Aniel et al., 1991; Spor Mountain: Christiansen et al., 1983, 1984; Macusani: Pichavant et al., 1988, Leroy and Geoge-Aniel, 1992; 白楊河: Mao et al., 2014, Zhang and Zhang, 2014; Meseta Los Frailes: Leroy and Geoge-Aniel, 1992; Puna: Leroy and Geoge-Aniel, 1992; Streltsovskoye: Chabiron et al., 2003. 圖4、圖5數(shù)據(jù)來源同此圖Fig.3 Hacker plots of major elements for the volcanic and subvolcanic rocks associated with volcanogenic uranium deposits

(2)巖石常常富集U、Nb、Ta、Th、Zr、F、Li和Rb等元素，而虧損Ti、P、Mg、Fe、Ca、Ba、Sr、La和Eu等元素。有些地區(qū)Zr含量異常富集，如大洲流紋巖Zr含量高達1145×10-6(楊水源，2013)，紅山子流紋巖Zr含量高達1129.5×10-6(武珺，2013)。Spor Mountain黃玉流紋巖的F含量高達1.25%(Christiansen and Venchiarutti, 1990)。巖石的Nb含量通常大于10×10-6，有些地區(qū)的巖石Nb高于100×10-6(圖4a)，如白楊河和Spor Mountain地區(qū)，白楊河花崗斑巖Nb含量高達121×10-6，Nb/Ta比值較高，多集中在2～20，尤其是白楊河、紅山子和大洲。大多數(shù)巖石Th/U比值接近4(圖4b)(地殼Th/U比值平均為4，Cuney and Kyser, 2008)，表明這些巖石相對新鮮，U未被明顯萃取出。

圖4 與火山巖鈾礦床有關(guān)巖石的Nb-Ta(a)、 Th-U(b)、SiO2-A.R.(c)及A/CNK-A/NK(d)圖解Fig.4 Plots of Nb vs. Ta (a), Th vs. U (b), SiO2 vs. A.R. (c), and A/CNK vs. A/NK (d) for the volcanic and subvolcanic rocks associated with volcanogenic uranium deposits

(3)巖石多位在堿性區(qū)域，少數(shù)落在鈣堿性和過堿性區(qū)域(圖4c)，這三種類型的巖石都可以成為重要的U源(Cuney, 2014)。雖然這三種類型巖石都可以成為U源，但是它們稱為重要U源的條件和難易程度不同。鋁飽和指數(shù)(A/CNK)變化范圍較大，但多數(shù)是準(zhǔn)鋁質(zhì)至過鋁質(zhì)(圖4d)。例如Streltsovskoye流紋巖雖然顯示過鋁質(zhì)特征，但是其巖漿卻是過堿性(Chabironetal., 2001)；白楊河花崗巖則顯示出準(zhǔn)鋁質(zhì)至弱過鋁質(zhì)特征(Maoetal., 2014)。

(4)與火山巖型鈾礦有關(guān)的火山巖和次火山巖多數(shù)都顯示出A型花崗巖特征(圖5a, b)。白楊河、Spor Mountain、大洲、紅山子和Macusani火山巖或次火山巖顯示A1型花崗巖特征，而相山、McDermitt和大橋塢火山巖則顯示A2花崗巖特征(圖5c, d)。

圖5 花崗巖成因分類圖解(底圖據(jù)Whalen et al., 1987; Eby, 1992) (a)(K2O+Na2O)/CaO-(Zr+Nb+Ce+Y)；(b)Zr-1000×Ga/Al；(c)Ce-Y-Nb；(d)3Ga-Y-NbFig.5 Plots of (K2O+Na2O)/CaO vs. (Zr+Nb+Ce+Y) (a), Zr vs. 1000×Ga/Al (b), Ce-Y-Nb (c) and 3Ga-Y-Nb (d) for the volcanic and subvolcanic rocks associated with volcanogenic uranium deposits (base map after Whalen et al., 1987; Eby, 1992)

1.3 礦體和礦石特征

火山巖型鈾礦以產(chǎn)于火山熔巖、火山碎屑巖和次火山巖為主。礦體形態(tài)較為復(fù)雜，常呈似層狀、陡傾斜脈狀、凸鏡狀、囊狀、網(wǎng)脈狀和柱狀等多種形態(tài)(章邦桐，1990；覃慕陶和劉師先，1998)。礦體產(chǎn)狀常與火山熔巖產(chǎn)狀基本一致，以致一些礦體沿著次火山巖體接觸帶發(fā)育，例如白楊河礦床的U礦體主要位于楊莊花崗斑巖與地層的接觸帶(王謀等，2012；Lietal., 2015；朱藝婷等，2019)?；鹕綆r型鈾礦床的原生U礦物主要有瀝青鈾礦、鈾石和鈦鈾礦。然而在火山巖鈾礦系統(tǒng)中，這些原生U礦物常被氧化成次生U礦物如硅鈣鈾礦。以墨西哥Sierra Pea Blanca鈾礦區(qū)為例，該地區(qū)可分為原生U礦化和次生U礦化，原生U礦化形成瀝青鈾礦和黃鐵礦，然而在后期表生氧化環(huán)境中則形成硅鈣鈾礦、水鉛鈾礦、深黃鈾礦、水硅鉀鈾礦和準(zhǔn)鈣釩鈾礦等，次生U礦化是熱液和表生蝕變共同作用的結(jié)果(George-Anieletal., 1990; Reyes-Cortésetal., 2010)。少數(shù)鈾礦床中見到含釷瀝青鈾礦、鈦鈾礦、含U釷石等，表明其形成于高溫環(huán)境(Cuney and Kyser, 2008)。其它金屬礦物主要有赤鐵礦、輝鉬礦和黃鐵礦等。非金屬礦物除了圍巖的石英和長石等礦物之外，還有巖漿自交代形成的鈉長石、鉀長石、絹云母、方解石、綠泥石和赤鐵礦等。熱液礦物主要為石英、螢石、方解石、絹云母、綠泥石，其次為磷灰石、白云石、重晶石等。

1.4 圍巖蝕變

火山巖型鈾礦床通常圍巖蝕變發(fā)育，不僅種類多，而且多期多階段作用，與火山巖型鈾礦床有關(guān)的熱液蝕變可分為巖漿自交代和熱液交代(王劍鋒，1986；章邦桐，1990；覃慕陶和劉師先，1998)。巖漿自交代包括鈉長石化、白云母化、絹云母化、赤鐵礦化、螢石化、綠泥石化、云英巖化和黃鐵礦化等。它主要發(fā)育在火山熔巖和次火山巖中，即富含揮發(fā)分的火山巖漿結(jié)晶和冷卻過程，尤其是成巖的晚期，這些巖漿氣液沿著早結(jié)晶的礦物顆粒間或解理、晶面交代而成各種蝕變。而且隨著結(jié)晶早期高溫至晚期溫度降低，形成高溫蝕變至高中溫、中溫蝕變的演化規(guī)律。U成礦過程中的蝕變主要包括赤鐵礦化、螢石化、硅化、碳酸鹽化、黃鐵礦化和絹云母化等蝕變。螢石常呈不規(guī)則浸染狀或細脈狀與瀝青鈾礦共生，常呈紫黑色。方解石化常出現(xiàn)在成礦晚期和成礦后，不同礦床的作用強度可能不同，主要取決于U在流體是以何種絡(luò)合物進行遷移。

圍巖蝕變是熱液鈾礦床的一種重要找礦標(biāo)志，例如赤鐵礦化、水云母化和綠泥石化等蝕變的分布范圍常常比礦體要廣，因此可以根據(jù)圍巖蝕變的發(fā)育程度和分布范圍來圈定有利的找礦靶區(qū)。礦石礦物、脈石礦物和蝕變礦物組合也可以有效地指示成礦流體性質(zhì)及成礦物理化學(xué)條件。

2 成礦物質(zhì)來源、流體特征與遷移沉淀

2.1 成礦物質(zhì)來源

鈾高度富集是花崗巖或火山巖成為U源的必要條件，但這并非充分條件(Cuney, 2014)。除此之外，U必須賦存于可以被氧化的熱液流體或地下水萃取的位置(Romberger, 1984; Leroy and George-Aniel, 1992; Cuney, 2009, 2014)。對于花崗巖，U主要賦存于晶質(zhì)鈾礦、釷石、褐簾石和鋯石等副礦物中；而對于火山巖，U則主要賦存于玻璃中(Pagel, 1982; Leroy and George-Aniel, 1992; Chabironetal., 2003; Cuney, 2009, 2014)，因此鈾釋放的關(guān)鍵是富鈾巖漿巖發(fā)生蝕變以及副礦物(如鋯石和褐簾石)發(fā)生蛻晶化?；◢弾r和流紋巖是形成鈾礦床最主要的鈾源(Cuney, 2014)。可能成為鈾源的巖石類型主要有三種：過堿性、過鋁質(zhì)和準(zhǔn)鋁質(zhì)，它們只有在一定的條件下才可能成為鈾源(Cuney and Friefrich, 1987; Leroy and George-Aniel, 1992; Chabironetal., 2003; Cuney, 2009, 2014; Tartèseetal., 2013; Bonnettietal., 2017)：①過堿性花崗巖、正長巖和火山巖(A1型)：這類巖石通常富集U、Th和其它高價元素如Nb、Ta、Zr和Th。盡管過堿性花崗巖U含量較高，與有重要意義的脈型礦床無關(guān)，但是當(dāng)U-Th礦物發(fā)生蛻晶化時它們可能成為鈾源。過堿性火山巖，由于U主要賦存于玻璃基質(zhì)中，易萃取，因此是許多類型鈾礦床的良好鈾源。②過鋁質(zhì)巖石(S型)：賦存于晶質(zhì)鈾礦或火山巖等同物玻璃中的U是良好的鈾源。③高鉀鈣堿性準(zhǔn)鋁質(zhì)花崗巖和火山巖(A2型)，只有其中的含鈾副礦物(如鈾釷石、褐簾石)發(fā)生蛻晶化才能成為重要的鈾源，對于具有相似地球化學(xué)性質(zhì)的火山巖，當(dāng)U主要賦存于玻璃基質(zhì)時也可以是有利的鈾源。

Streltsovskoye鈾礦的成礦物質(zhì)主要有三個來源：①充填于火山口中的侏羅紀(jì)高分異過堿性流紋巖，流紋巖熔體具有富U(14×10-6～23×10-6，平均19×10-6)和F(1.4×10-6～2.7×10-6)的特征。流紋巖的U含量平均為8×10-6，表明11×10-6鈾似乎被熱液流體從流紋巖中萃取，質(zhì)量平衡計算顯示從流紋巖萃取的U和F量分別可達26,000t/km3和52Mt/km3；②從火山巖熔體或下伏巖漿房排出的流體，從流紋巖熔體揮發(fā)相釋放的U只有約1,000t，其意義較??；③華力西期地層中的富U高鉀鈣堿性花崗巖，僅僅其中的褐簾石蝕變便可釋放出U 1638t/km3，那么花崗巖釋放的U可達750000t/km3(Chabironetal., 2001, 2003)。白楊河礦床是U-Be共生礦床，賦礦巖體主要是楊莊花崗斑巖，其含有較高的Be、U、F和Mo含量，這為U、Be礦化提供了物質(zhì)保證(Lietal., 2015; Zhangetal., 2019)。

2.2 成礦流體特征

火山巖型鈾礦床的成礦流體研究主要是基于對礦石礦物或脈石礦物進行流體包裹體、穩(wěn)定同位素和主微量元素等分析測試。這些結(jié)果支持大部分形成火山巖型U礦床的成礦流體是大氣降水和巖漿水的混合。流體包裹體研究表明火山巖型U礦成礦溫度主要集中在100～350℃、中低鹽度(<15%NaCleqv)。Aleshinetal.(2007)通過對Streltsovskoye鈾礦床進行詳細的巖相學(xué)和流體包裹體研究，表明瀝青鈾礦和鈦鈾礦在300～350℃、中低鹽度條件下沉淀。Cunninghametal. (1998)研究表明Marysvale鈾礦化在溫度約190～240℃、logfO2為-47～-50和pH為6～7條件下發(fā)生。Lietal.(2015)對白楊河礦床的脈石礦物螢石進行了詳細的流體包裹體和微量元素分析，表明該礦床形成于低溫低鹽度成礦流體。Spor Mountain鈹鈾礦化發(fā)生在低溫環(huán)境(100～200℃，F(xiàn)oleyetal., 2010)。相山鈾礦床石英流體包裹體均一溫度為150～250℃，鹽度為2.5%～8.0% NaCleqv，并且成礦流體有幔源組分的加入(Huetal., 2009)。Rexpar礦床除了鈾富集外，還富集Th和REE等元素，這表明其可能形成于高溫環(huán)境(Cuney and Kyser, 2008)。

礦石礦物和脈石礦物可以為成礦流體性質(zhì)和成礦環(huán)境等方面提供重要信息。瀝青鈾礦的稀土元素特征(主要是ΣREE、Y含量、REE分配模式和Eu異常等特征)是確定鈾礦床成因條件及礦床類型的重要手段(Mercadieretal., 2011; Depinéetal., 2013; Eglingeretal., 2013; Pal and Rhede, 2013; Frimmeletal., 2014; Skirrowetal., 2016)。Mercadieretal.(2011)對世界范圍內(nèi)不同成因鈾礦床中鈾氧化物的稀土元素進行了系統(tǒng)研究(圖6)，不同類型鈾礦床的鈾氧化物REE含量的主要控制因素有所差別：巖漿型的控制因素是溫度，不整合型和同變質(zhì)型的控制因素是晶體學(xué)特征和同源相，脈型和卷狀型的控制因素是REE來源。瀝青鈾礦的稀土元素配分模式可以作為約束鈾礦床地質(zhì)模型和判別鈾礦床成因的有效工具。

圖6 不同類型鈾礦床瀝青鈾礦的ΣREE和(ΣLREE/ΣHREE)N關(guān)系圖解(據(jù)Mercadier et al., 2011) 粗體字和實線代表每個礦床鈾氧化物REE含量的主要控制因素；虛線代表熱液礦床的REE含量反映的成礦流體鹽度. S.-Sue; M.R.-McArthur River; M.-Millennium; E.P.-Eagle Point; N.-Nabarlek; K.-Koongarra; C.L.-Cigar LakeFig.6 Plot of ΣREE vs. (ΣLREE/ΣHREE)N in uranium oxides from different types of uranium deposits (after Mercadier et al., 2011)

2.3 鈾遷移和沉淀機制

鈾沉淀的機制主要有吸附作用、還原作用、微生物活動和流體混合等(Fayeketal., 2011)。在多數(shù)鈾礦床中鈾的沉淀與氧逸度降低有關(guān)，通常是氧化性的含鈾流體與還原性物質(zhì)(如碳質(zhì)物質(zhì)、H2S、磁鐵礦、鈦鐵礦和硫化物等)或還原性流體相互作用，六價U被還原成四價，從而U沉淀下來?；鹕綆r型鈾礦床的還原作用通常受控于硫化學(xué)的控制，硫化氫、二硫化物離子和幾種亞穩(wěn)態(tài)硫-氧離子是有效的還原劑(Reynolds and Goldhaber, 1983; Nash, 2010)。例如Marysvale礦床，成礦流體與圍巖(鎂鐵質(zhì)礦物)相互作用，即六價鈾與二價鐵和H2S相互作用，導(dǎo)致鈾還原沉淀，而氟則與斜長石蝕變所釋放的鈣作用而沉淀(Cunninghametal., 1998)。相山鈾礦床的U主要以碳酸鹽離子形式遷移，沸騰作用可能是主要的U沉淀機制(Huetal., 2008)。因此，鈾的遷移形式對其沉淀機制有著重要影響。在U以氟絡(luò)合物形式遷移的礦床中，不僅存在促使U還原的還原劑，也存在F沉淀所需的富鈣環(huán)境；而在U以碳酸鹽離子形式遷移的礦床中，沸騰作用和還原作用是主要的鈾沉淀機制。根據(jù)鈾沉淀的控制因素，可以推測其可能存在的位置，反過來，根據(jù)礦體的賦存位置(其巖石、構(gòu)造等特征)也可以推測鈾沉淀的控制因素。

3 火山巖型鈾礦床中的伴生元素

火山巖型鈾礦床的元素組合較為復(fù)雜，常有一些伴生元素，如Mo、Be、Ag、Cu、Pb、Zn、Hg和F等元素。大多數(shù)火山巖型鈾礦床常伴有其它金屬的成礦作用，常見的元素組合有U-Mo、U-Be、U-Th-REE、U-Pb-Zn和U-Ag-Sb-Hg等5個(表1)，其特征如下：

(1)U-Mo：這是火山巖型鈾礦床中最常見的元素組合，代表性的礦床有Streltsovka礦床(Aleshinetal., 2007)、Marysvale礦床(Cunninghametal., 1998)、Date Creek Basin (Mueller and Hallbach, 1983)、Sierra Pea Blanca(George-Anieletal., 1991)和張麻井礦床(沈光銀和薛清波，2011)。Mo常呈煙黑色粉末狀硫鉬礦與瀝青鈾礦共生在一起。在中低溫和低鹽度條件下，Mo主要的存在形式是HMoO- 4和H2MoO4，而Mo在高F環(huán)境，可以MoO3F-形式遷移(Tugarinovetal., 1973; Smith, 1983)。U在Mo較高的中低溫?zé)嵋褐锌梢猿屎秃蚆o都可以在富F流體中遷移。pH、氧逸度和溫度的變化是鉬沉淀的主要機制(Taneretal., 1998; Seoetal., 2012)，其沉淀機制與鈾沉淀相似，都是主要受控于氧逸度和pH。

(2)U-Be：代表性的礦床有Spor Mountain(Foleyetal., 2010)和白楊河礦床(Lietal., 2015)，這兩個礦床鈹資源量均達到了特大型規(guī)模。在火山巖型鈾鈹?shù)V床中，鈹和鈾主要以氟絡(luò)合物形式遷移，這從脈石礦物螢石和其它富氟礦物的大量發(fā)育可以得到支持。鈹?shù)某恋頇C制主要包括溫度降低、pH值升高和流體中F移出(Wood, 1992; Barton and Young, 2002)；而鈾沉淀主要受還原作用和pH值的控制。在火山巖型鈹鈾礦床中螢石發(fā)育，并且羥硅鈹石和瀝青鈾礦常與其共生，因此螢石沉淀可能是控制Be、U沉淀的一個重要因素。螢石的沉淀機制主要是溫度和壓力變化、流體混合和圍巖作用(Richardson and Holland, 1979)。由此可見，控制Be、U沉淀的機制既有相同點，也有不同之處。具備同時滿足鈹、鈾遷移和沉淀的環(huán)境可能是鈹鈾共生的一個重要因素。與火山巖型鈹鈾礦床有關(guān)的巖石通常富氟，巖石中常含有富氟的黑云母和螢石等礦物，這表明這些巖石的巖漿可能富氟。以Spor Mountain礦床為例，黃玉流紋巖的F含量為0.3%～1.5%，石英斑晶中熔體包裹體的F含量可達1.4%，并且?guī)r石中含有黃玉和黑云母等富氟礦物(Christiansenetal., 2007；Foleyetal., 2010)。白楊河礦床的花崗斑巖中含有大量原生黑云母(F含量為4.26%～7.78%，Zhangetal., 2019)和螢石等富氟礦物，指示巖漿可能富氟?？梢妿r漿富氟是控制超大型Be-U礦床形成的一個重要因素。

(3)U-Th-REE：這類礦床以Rexpar(Mortonetal., 1978)為代表。該礦床主要賦存于屬于古生代至二疊紀(jì)Eagle Bay建造的流紋質(zhì)巖石，包括變形粗面熔巖和淺成侵入巖、凝灰?guī)r和含黃鐵礦片巖。U、Th和REE的同時富集表明形成于有巖漿流體加入的高溫環(huán)境，巖漿為過堿性。

(4)U-Pb-Zn：以相山礦床為代表，Novazza和Val Vedello也可見Cu、Pb和Zn礦化。相山礦床中鈾和鉛鋅在空間上在垂向上具有上鈾下鉛鋅的分布關(guān)系。鉛鋅礦化發(fā)現(xiàn)于6221鈾礦床的700m以下的深部，鈾礦化主要賦存在河元背-小陡斷裂上盤淺部(地表至400m)的次級斷裂中；鉛鋅礦化賦存于河元背-小陡斷裂上、下盤的深部(600m)次級斷裂帶中。Pb-Zn礦體主要位于打鼓頂組流紋英安巖，而U礦體則位于鵝湖嶺組的碎斑流紋巖(李子穎等，2014)。

(5)U-Ag-Sb-Hg：以Maureen、Macusani、Val Vedello和McDermitt礦床為代表。這類型元素組合常出現(xiàn)于淺成低溫系統(tǒng)(Castor and Henry, 2000)。

火山巖型鈾礦床的元素組合通常比其它類型的鈾礦床類型(如花崗巖型)復(fù)雜。這些伴生元素可以來自火山巖體周圍的巖石，特別是Mo、Ag和F等元素可能主要來自酸性火山作用(王劍鋒，1986)。在火山巖型鈾礦床中，除了鈾之外，往往也可以滿足伴生元素的遷移和沉淀要求。許多火山巖型鈾礦床具有富F的特征，如Streltsovka(Aleshinetal., 2007)、Marysvale(Cunninghametal., 1998)、Maureen(Cuney and Kyser, 2008)、McDermitt(Castor and Henry, 2000)、Spor Mountain(Foleyetal., 2010)、Georgetown-Townsville(Nash, 2010)和白楊河(Zhangetal., 2019)等礦床，這些礦床除了有鈾礦化，都伴生其它元素礦化，如Mo、Be、Sn、Zr和Hg等金屬，表明火山巖型鈾礦床復(fù)雜的元素組合可能與成礦流體富F有關(guān)。氟在巖漿演化和相關(guān)的成礦過程中具有重要作用，并且它可以運輸多種金屬如U、Be、Zr、Nb、REE和Mo等(Keppler and Wyllie, 1990; Barton and Young, 2002; M?lleretal., 2003; Harlov and Aranovich, 2018)。熱液中的F可能最終來源于巖漿(McPhieetal., 2011)，因此巖漿富F可能是控制火山巖型鈾礦床復(fù)雜元素組合出現(xiàn)的一個重要因素。

4 問題與展望

(1)成礦物質(zhì)來源：火山巖型鈾礦床幾乎均為后生熱液成因，因此鈾從源巖中如何萃取出來是形成鈾礦床的關(guān)鍵。雖然礦床地質(zhì)和地球化學(xué)研究可以為可能的鈾源提供一些證據(jù)，但是缺乏鈾從巖石中萃取的直接證據(jù)?；鹕綆r型鈾礦床中的伴生元素是什么來源？與鈾是否來自同一源區(qū)？在火山巖型鈾礦床中常常有大量螢石、方解石等非金屬礦物，以及黃鐵礦、輝鉬礦等硫化物的存在，那么氟、碳、和硫等元素是什么來源呢？對于碳和硫的來源，已經(jīng)有學(xué)者通過碳同位素和硫同位素開展了一定的研究，但是對氟來源的研究目前仍比較薄弱。加強對成礦物質(zhì)來源研究不僅有助于提高對鈾礦成礦過程的認識，還可為勘查找礦工作提供理論依據(jù)。

(2)鈾與伴生元素的成因關(guān)系：火山巖型鈾礦床往往有可綜合利用的伴生元素，如Mo、Be、Ag、Cu、Pb、Zn、Hg和F等。這些元素在來源、遷移條件和沉淀環(huán)境等方面與U成礦過程有何異同點？伴生元素在火山巖型鈾礦床中出現(xiàn)的關(guān)鍵控制因素有哪些？在同一個鈾礦床中，鈾礦化與這些伴生元素常發(fā)生分離與共生，如白楊河礦床的鈹和鈾存在分離和共生現(xiàn)象，相山鈾礦床的鈾礦化和鉛鋅礦化發(fā)生分離，那么鈾與這些元素發(fā)生分離和共生的機制是什么？火山巖型鈾礦床可形成于高溫環(huán)境，如加拿大Rexspar Th-U-REE礦床(Mortonetal., 1978)，以及美國的McDermitt U-Ag-Sb-Hg礦床(Castor and Henry, 2000)，亦可形成于淺成低溫環(huán)境，那么溫度、氧逸度等物理化學(xué)條件對鈾和不同伴生元素的成礦作用有何控制作用？

5 結(jié)語

火山巖型鈾礦床屬于熱液礦床，其形成是源巖、遷移條件和沉淀環(huán)境的耦合。源巖一般是酸-中酸性巖石，通常呈堿性、準(zhǔn)鋁質(zhì)至過鋁質(zhì)，富硅質(zhì)、富鉀、貧鈣，富集U、F、Nb、Ta、Zr、Th和Rb等元素，而虧損Mg、Fe、Ti、P、Ba、Sr、La和Eu等元素，與之有關(guān)的火山巖和次火山巖多數(shù)顯示出A型花崗巖特征。鈾通常賦存于副礦物或火山玻璃中，因此，源巖發(fā)生蝕變、副礦物發(fā)生蛻晶化是成礦物質(zhì)釋放的關(guān)鍵?；鹕綆r型鈾礦床中鈾主要以碳酸鹽和氟絡(luò)合物形式遷移，鈾的遷移形式對其沉淀機制有著重要影響。鈾沉淀機制主要包括還原作用、pH值升高和沸騰作用?；鹕綆r型鈾礦床常伴生其它元素，主要是Mo、Be、Ag、Cu、Pb、Zn、Hg和F等。巖漿富氟可能是控制火山巖型鈾礦床復(fù)雜元素組合的一個重要因素。應(yīng)加強成礦物質(zhì)來源、鈾與伴生元素成因關(guān)系研究是未來鈾成礦研究的一個重要方向。

致謝衷心感謝兩位匿名審稿人對本文提出的寶貴修改意見。