余 倩， 聶逢君， 林子瑜， 徐翅翔

（東華理工大學(xué)， 南昌 330000）

澳大利亞是世界上著名的三大產(chǎn)鈾國之一， 其探明鈾資源量位居世界首位。 元古宙不整合面型、 多金屬鐵氧化物角礫雜巖型（IOCG）、 砂巖型、 表生型（鈣結(jié)巖型）鈾礦是其四大主要鈾礦類型。 通過IAEA 世界鈾礦床分布數(shù)據(jù)庫（UDEPO）系統(tǒng)、 澳大利亞政府統(tǒng)計(jì)局礦產(chǎn)資源儲量數(shù)據(jù)庫（OZMIN）、 澳大利亞各州政府礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)庫、 美國地調(diào)局礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)系統(tǒng)（MRDS）， 以及一些重要的上市礦業(yè)公司年報(bào)， 檢索統(tǒng)計(jì)到澳大利亞鈾資源量為321.7 萬tU， 其中砂巖型鈾礦資源量26.3 萬 tU， 占 8.17%①聶逢君， 林子瑜， 黃美化， 徐翅翔， 余倩， 占莎莎. 澳洲、 南-東南亞鈾資源時(shí)空分布及典型礦床特征研究， 2019。。

位于澳大利亞砂巖型鈾礦層重要產(chǎn)地——南澳弗洛姆湖盆地中的四英里（Four Mile） 鈾礦床是澳大利亞儲量最大、 品位最高的砂巖型鈾礦床， 被認(rèn)為是繼1976 年發(fā)現(xiàn)奧林匹克壩銅-金-鈾礦床后， 又一個(gè)為人類奉獻(xiàn)的世界級鈾礦床。 四英里砂巖型鈾礦床流體成礦條件是作者基于一系列相關(guān)地質(zhì)研究報(bào)告與論文文獻(xiàn)的綜合的結(jié)果， 以期為國內(nèi)礦業(yè)企業(yè)及地勘單位合理部署澳洲鈾礦勘查與開發(fā)提供參考。

1 礦床地理位置

在南澳州北弗林德斯（Flinders）山脈東部邊緣和弗洛姆 （Frome） 湖之間， 有一個(gè)寬約 45 km 的干旱平原， 年均蒸發(fā)量3 000～3 500 mm， 年均降雨量 150～200 mm②Heathgate， 2009 ： http://www.heathgate.com.； 在弗林德斯山脈形成的一系列水系， 通常向東流經(jīng)該平原， 最終排入弗洛姆湖。 四英里鈾礦位于該干旱平原的西部邊緣， 南距阿德萊德（Adelaide）550 km， 奧古斯塔（Augusta）港北東300 km， 尕蒙（Gammom）國家公園北東50 km，弗洛姆湖北西50 km（圖1）。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

南澳砂巖型鈾礦主要產(chǎn)于南澳克拉通阿德萊德褶皺帶之上的中新生代盆地——弗洛姆湖盆地內(nèi)， 后者屬于卡拉邦納（Callabonna）次盆地，是艾爾（Eyre）湖大自流盆地的一部分，代表性鈾礦床為貝弗利、 四英里。 Pierre-Alain Wülser 等（2011）對弗洛姆湖盆地區(qū)域地質(zhì)背景做了詳細(xì)綜述［1］。

2.1 結(jié)晶基底

弗林德斯山脈北端的畫家山（Mt Painter）和巴貝奇山（Mt Babbage）內(nèi)圍層（inlier，亦稱侵蝕窗）是了解阿德萊德地槽（裂谷）雜巖下伏結(jié)晶基底的兩個(gè)窗口， 這些內(nèi)圍層共同命名為畫家山系［2］， 其東部邊界由帕拉拉納（Paralana）斷層帶界定， 該斷層帶由一組北東-南西走向的斷層組成（圖2）。

畫家山系出露的結(jié)晶基底巖石為中元古代， 巖齡小于 1 590 Ma［3］。 該地區(qū)花崗巖類異常富含鈾和釷， 其富集程度很高（U 可達(dá)100×10-6）且范圍很大（尺度可達(dá)千米）［4］， 基底巖石中存在著大量的原生鈾礦化［5-7］， 如吉山（Mt Gee， 31 300 tU3O8）、 前鐳丘礦山（Radium Hill）、 克 洛 克 爾 井 （Crocker Well， 5 300 tU3O8）等。

2.2 褶皺基底

庫納莫納（Curnamona）地質(zhì)省大部分地區(qū)都被晚元古代（約830 Ma）到寒武紀(jì)與裂谷有關(guān)的火山-沉積巖石序列所覆蓋。 在阿德萊德地槽中， 這種沉積作用因德拉梅里（Delamerian）造山運(yùn)動(dòng)的開始而終止［8］（514～490 Ma）。 在該造山期間， 中元古代基底和裂谷型火山-沉積序列經(jīng)受變質(zhì)和變形作用， 在畫家山系大部分區(qū)域達(dá)到角閃石相［9］。 在畫家山系中， 第一期德拉梅里巖漿作用僅呈現(xiàn)出偉晶巖和小的白榴巖侵入體； 第二期長英質(zhì)巖漿作用發(fā)生在約440 Ma 的德拉梅里造山結(jié)束后， 包括穆德納瓦塔納（Mudnawatana）英云閃長巖、 帕拉拉納（Paralana）花崗閃長巖和帝國花崗巖［10］。

2.3 中-新生代盆地蓋層沉積

中-新生代沉積蓋層位于弗洛姆湖盆地畫家山系東部的一系列次級盆地中， 沉積厚度較大， 從下往上主要?jiǎng)澐譃榭ǖ录{-奧維組、艾爾組、 納姆巴組和威拉沃提納組（圖3）。 白堊系不整合地覆蓋在阿德萊德褶皺基底和畫家山系結(jié)晶基底巖石之上（圖2）。 中新世弗洛姆湖盆地為湖泊環(huán)境， 上新世變?yōu)楦珊淡h(huán)境，具有突變性。

圖1 四英里鈾礦位置 （據(jù)Heathgate， 2009②）Fig. 1 Location of Four Mile uranium deposit （After Heathgate， 2009②）

2.3.1 白堊紀(jì)（Cretaceous）

卡德納-奧維組（Cadna-Owie）： 該地層代表了從陸相淡水沉積到海相沉積環(huán)境的過渡，由淺灰色粉砂巖到細(xì)粒砂巖， 以及局部發(fā)育的中粗粒砂巖夾層組成， 是弗洛姆地區(qū)大自流盆地（GAB， Great Artesian Basin）含水層的主體。 在三井彼得莫拉泉以西， 該組底部存在冰積雜巖（144～131 Ma）， 是早白堊世冰川作用的第一個(gè)決定性證據(jù)［11］。

阿普 特階（Aptian） 斗牛犬 頁 巖（Bulldog Shale）： 為低滲透性的深灰色海相泥質(zhì)頁巖，位于伊羅曼加盆地范圍內(nèi)最上部的單元。 斗牛犬頁巖的廣泛沉積標(biāo)志著向海洋沉積環(huán)境的轉(zhuǎn)變［12］。

圖2 四英里鈾礦地質(zhì)圖［1］（a—區(qū)域地質(zhì)圖； b—礦區(qū)地質(zhì)圖）Fig. 2 Geological map of Four Mile uranium deposit［1］（a—regional geological map； b—mine geological map）

庫里基亞納組 （Coorikiana）： 為潮汐至潮間帶的砂巖。

溫頓（Winton）組： 在伊羅曼加（Eromanga）盆地， 由非海相頁巖、 粉砂巖和含少量煤層的砂巖組成［13］。

上白堊統(tǒng)晚期主要是侵蝕和風(fēng)化作用。白堊紀(jì)地層保存在貝弗利以西， 四英里溪和山脈附近的一些露頭曾被認(rèn)為是上白堊統(tǒng)［14］，最近被定年為早白堊世［15］。 四英里西鈾礦床賦存在早白堊世的帕拉巴拉納組（Parabarrana）砂巖中［15］。

2.3.2 古新世至漸新世（Paleocene to Oligocene）

始新世艾爾組（Eyre）： 主要由含碳、 黃鐵礦的成熟砂組成， 局部夾有黏土和礫石層［16］，廣泛分布于北弗林德斯山脈的西部、 北部和東部。 四英里東鈾礦化就賦存在該地層中［15］。該層滲透性很高， 滲透率達(dá)到 5 m/d（Heathgate， 2009②）。

2.3.3 晚漸新世至中新世 （Late Oligocene to Miocene）

中新世納姆巴組（Nambe）： 主要由低滲透性泥巖和粉砂巖組成， 沉積于低能湖泊環(huán)境，該組產(chǎn)有貝弗利鈾礦床［17］。 在艾爾湖附近，這些沉積物為綠色和灰色鈣質(zhì)、 白云質(zhì)富鎂黏土巖和細(xì)砂， 部分來源于下伏艾爾組［18］。在貝弗利， 納姆巴組從下至上可分為三個(gè)巖石單元： 阿爾法泥巖、 礦化的貝弗利砂（切割阿爾法泥巖）和覆蓋在礦化的貝弗利砂之上，形成一個(gè)不透水蓋層的貝弗利黏土［19］。

2.3.4 上新世至第四紀(jì)（Pliocene to Quaternary）

威拉沃提納（Willawortina） 磨拉石地層：由硅質(zhì)粗粒碎屑、 細(xì)粒砂以及遠(yuǎn)湖相黏土組成， 與畫家山地區(qū)的主要隆起和剝蝕作用同步。 在潘塔納斷裂帶以西， 威拉沃提納地層位于區(qū)域地下水位之上， 處于不飽和狀態(tài)。而在潘塔納斷層帶以東， 弗洛姆湖盆地中，該層地下水是飽和的。 據(jù)認(rèn)為， 該含水層的補(bǔ)給主要是通過河床滲透進(jìn)行的， 并通過橫向流動(dòng)排泄， 最終通過弗洛姆湖蒸發(fā)。

3 鈾礦化和含礦含水層特征

3.1 礦床規(guī)模與礦體形狀

目前， 四英里鈾礦床是澳大利亞最大、品位最高的砂巖型鈾礦床， 具有卷狀前鋒亞型、 板狀亞型特點(diǎn)， 礦體埋深 160～180 m。主要礦石礦物是瀝青鈾礦， 常見有黃鐵礦、高嶺石和多種含稀土、 鈾的磷酸鹽礦物［20］。該礦床分為兩個(gè)礦化區(qū)： 四英里東推斷資源量為 13 000 t， 平均品位 0.31% U3O8； 四英里西探明和推斷資源量為19 000 t， 平均品位0.34% U3O8。

四英里砂巖鈾礦多呈 “卷型” 產(chǎn)出， 產(chǎn)于蝕變砂巖舌狀體中， 橫剖面通常順著主砂巖層的傾向方向呈新月形或 “C” 形， 前后可分為 “卷頭” 和 “卷尾”。 “卷頭” 部分位于橫剖面的氧化-還原過渡帶前端， “卷尾” 也稱之為 “卷型” 礦的上翼和下翼。

3.2 礦化層

四英里東和四英里西鈾礦化分別賦存在不同時(shí)代的地層中， 顯示了該地區(qū)可地浸砂巖鈾礦找礦層位的多樣性。 四英里西鈾礦賦存在下白堊統(tǒng)帕拉巴拉納組砂巖中， 四英里東鈾礦賦存于上白堊統(tǒng)斗牛犬頁巖之上的始新統(tǒng)艾爾組的古河道砂中（圖3）。 根據(jù)含水層和隔水層的沉積年齡， 有人推測成礦年齡在艾爾組（55 Ma）形成之后和貝弗利砂（6 Ma）形成之前［12］。 貝弗利和四英里大部分鈾礦化發(fā)生在有機(jī)質(zhì)缺乏的的砂體中［1］。

圖3 弗洛姆湖盆地地層結(jié)構(gòu)圖［1］Fig. 3 Stratum structure of Lake Frome basin［1］

3.3 含水層

在區(qū)域范圍內(nèi)， 地下水補(bǔ)給主要通過直接滲透到弗林德斯山脈畫家山的碎裂巖含水層來實(shí)現(xiàn)。 僅在潘塔納斷層帶東部較深大自流盆地（GAB）的含水層中， 地下水是通過北部和東北部的側(cè)向流以及從推斷的基底向上滲透流入該處。 地下水水力梯度通常向東， 弗洛姆湖區(qū)域?yàn)榈叵滤判箙^(qū)［21-22］， 排泄是通過向上擴(kuò)散的垂直滲透發(fā)生， 也可以沿著與斷層作用有關(guān)的更具導(dǎo)流性的途徑進(jìn)行③Alliance Resources， 2009: http://www.allianceresources. com.au/site/content.。

含水層位于四英里河灣東部約5 km 處，在潘塔納斷層?xùn)|側(cè)。 含水層壓力數(shù)據(jù)表明，在弗洛姆湖西部， GAB 向弗洛姆湖呈現(xiàn)自西向東遞減的壓力梯度。 從弗洛姆湖的北部和東北部向弗洛姆湖匯聚的壓力梯度也很明顯。GAB 含水層的壓力受上覆白堊紀(jì)斗牛犬頁巖的限制。

四英里東艾爾組含水層不受橫向限制，地下水沿水力梯度從西南向東北方向運(yùn)移，與帕拉拉納灣和帕拉拉納山脊方向一致［1］。 在帕拉拉納灣區(qū)潘塔納（Poontana）斷裂帶以西，納姆巴（Namba）組由于構(gòu)造隆起而抬升， 因高于區(qū)域地下水位而被氧化。 同樣， 由于斷層抬升， 該地區(qū)上覆的威拉沃提納組則處于不飽和狀態(tài)（Alliance Resources， 2009③Alliance Resources， 2009: http://www.allianceresources. com.au/site/content.）。

4 鈾成礦流體條件

4.1 鈾成礦流體模型

砂巖型鈾礦床的形成有兩種基本的模型：單流體模型和雙流體模型［23］（圖 4）。 含氧含鈾的流體還原是砂巖型鈾礦化形成的主要沉淀機(jī)制， 氧化還原狀態(tài)的變化可以通過流體-圍巖間相互作用或通過混合兩種流體來實(shí)現(xiàn)。

在單流體模型中， 氧化的大氣降水在受限的還原砂巖含水層中遷移， 并從砂巖中逐漸氧化溶解鈾。 鈾隨后沉淀并集中在氧化-還原邊界， 即卷鋒前沿。 在雙流體模型中， 氧化的大氣降水在 “純凈的” 砂巖含水層遷移（此處 “純凈的” 意指砂體本身缺乏碳屑和黃鐵礦等還原物質(zhì)）， 從砂巖中溶解鈾； 另外，來自下伏石油（煤）盆地的還原性流體（含碳?xì)浠衔锖?或 H2S）沿著斷層向上遷移， 并與氧化流體混合， 并在斷層附近產(chǎn)生鈾沉淀［23］。由于砂體中很少或幾乎沒有還原劑， 因此含鈾的氧化流體可以遷移到盆地更遠(yuǎn)部位，在那里與盆地還原性流體相互作用的機(jī)會(huì)更大。

畫家山區(qū)域 （包括畫家山和巴貝奇山）富鈾的中元古代結(jié)晶基底和因地殼運(yùn)動(dòng)而出露地表的侵入花崗巖， 經(jīng)過風(fēng)化剝蝕后， 鈾被活化形成易遷移的U6＋絡(luò)合物； 含氧大氣降水隨著地形梯度的變化從北弗林德斯山脈破碎帶進(jìn)入到始新統(tǒng)艾爾組砂巖層和下白堊統(tǒng)帕拉巴拉納組砂巖層中， 形成層間流體并發(fā)育層間氧化帶； 地下水?dāng)y帶游離鈾進(jìn)行遷移，當(dāng)碰到還原物質(zhì)時(shí)便沉淀富集成礦。

地下水使氧化-還原界面處砂巖中的原生黃鐵礦發(fā)生氧化， 遷移硫并生成殘余硫化鐵礦物， 這些硫化鐵礦物在含氧水的作用下極易被氧化成褐鐵礦， 在弱酸性條件下極易溶解， 從而持續(xù)不斷地推動(dòng) “卷鋒區(qū)” 形成鈾礦化體， 并不斷 “滾動(dòng)” 前進(jìn)。 該過程中鈾多次氧化、 不斷遷移和還原。 如圖4A 所示，“卷型” 礦體后方是赤鐵礦核， 前方是蝕變砂巖暈； 蝕變砂巖暈最前方的氧化-還原界面與“卷鋒區(qū)”（“卷頭”） 相接， 再向前 “卷鋒區(qū)”逐漸過渡到新生黃鐵礦和硫鐵礦生成區(qū)， 一直到未蝕變砂巖。

當(dāng)大氣降水通過 “純凈” 的砂巖含水層遷移， 從砂巖中溶解鈾的同時(shí)， U 會(huì)轉(zhuǎn)變成［UO2（CO3）3］2-和［UO2（CO3）3］4-； 當(dāng)深部的還原性流體（如 H2S、 CH4、 CO2等）沿著潘塔納斷層向上遷移時(shí)， 兩種流體發(fā)生混合， ［UO2（CO3）3］2-和［UO2（CO3）3］4-會(huì)分解成 UO22-， 于是在鄰近斷層處鈾發(fā)生沉淀， 并富集成礦（圖4 B）。

4.2 鈾成礦流體條件

1） 流體： 大氣降水是鈾礦化系統(tǒng)中的主要流體， 通常是低溫（20 至 60 ℃）， 最初高度氧化（空氣飽和）和弱酸性到中性（pH＝4～7）；但在與圍巖相互作用過程中， 將逐漸變成還原性和堿性。 在雙流體模型中， 富含碳?xì)浠衔锖?或硫化氫的結(jié)合水可能是還原劑的來源， 可能具有高度還原性、 熱度（60 至 100 ℃）和可變的pH 值。 流體混合可能是鈾沉淀的重要機(jī)制。

圖4 砂巖型鈾礦床形成的礦化系統(tǒng)模型［16］Fig. 4 Mineralization system models for the formation of sandstone uranium deposits［16］

2） 鈾源： 在砂巖型鈾成礦系統(tǒng)中， 可浸出鈾和氧化流體的來源是有效的含礦流體的重要組分。 這個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)潛在的鈾來源：從內(nèi)陸蝕源區(qū)浸出的鈾和從含水層中含鈾碎屑巖礦物中浸出的鈾。 澳大利亞元古宙巖石的鈾含量高于地殼平均水平［24］， 它們可能在兩個(gè)體系中都提供了鈾的來源。 因此， 富鈾基底巖石的存在是一個(gè)很好的鈾源指示， 無論是直接從基底浸出還是從來源于基底沉積物的沉積巖層中浸出。 弗洛姆地區(qū)西邊的北弗林德斯山脈畫家山系是一個(gè)廣泛的富鈾基底巖石分布區(qū)， 航空放射性測量結(jié)果可明顯看出， 鈾元素從畫家山域富鈾基底向弗洛姆湖沉積盆地的遷移擴(kuò)散。

3） 驅(qū)動(dòng)力： 驅(qū)動(dòng)力與將金屬、 流體和配體移動(dòng)到沉淀位置所需的能量有關(guān)， 地形梯度是砂巖型鈾礦化系統(tǒng)流體的主要驅(qū)動(dòng)力。大氣降水沿重力梯度向下運(yùn)移， 直至達(dá)到水力平衡。 在雙流體模型中， 富含碳?xì)浠衔锖?或硫化氫流體的自然浮力可能是流體遷移的重要驅(qū)動(dòng)力。 地形坡度常用作繪制和分析流體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的標(biāo)準(zhǔn)。 利用現(xiàn)代地形作為替代古地形來研究流體驅(qū)動(dòng)力被認(rèn)為是有效的，因?yàn)楦ヂ迥返貐^(qū)主成礦年齡很?。?～1 Ma）［1］。

4） 流動(dòng)途徑： 流體流動(dòng)途徑受滲透率和孔隙度變化影響， 流體流動(dòng)的可能路徑包括：高滲透性斷層 （帕拉拉納斷層）、 受低滲透巖性限制的滲透性砂質(zhì)單元（如艾爾組）以及古河道。 盆地邊緣同生斷層在砂巖型鈾成礦體系中是重要的， 因?yàn)樗鼈兛梢钥刂粕皫r巖性的分布和形狀（即近滲透斷層和/或富鈾基底的楔狀砂巖）、 古河道及盆地形態(tài)。

5） 還原物質(zhì)： 還原物質(zhì)可以是沉積物中以原位形式存在碳質(zhì)、 Fe2＋礦物； 也可以是雙流體模型中的碳?xì)浠衔锖?或含硫化氫流體。含鈾氧化流體的還原是砂巖型礦化系統(tǒng)中的主要沉淀機(jī)制， 氧化-還原環(huán)境的變化可以通過流體-圍巖相互作用或兩種流體混合來實(shí)現(xiàn)。 除了氧化還原電位外， pH 值的變化也可能導(dǎo)致鈾沉淀［25］。

5 結(jié)論

1） 四英里鈾礦（包括四英里西和四英里東） 總計(jì)資源儲量為32 000 t， 平均品位為0.33%， 是南澳弗洛姆湖盆地最重要的可地浸砂巖型鈾礦資源， 目前正在開發(fā)中。

2） 弗洛姆湖盆地西部北弗林德斯山脈畫家山地區(qū)富鈾的中元古代結(jié)晶基底及侵入其中的花崗巖， 是形成弗洛姆地區(qū)砂巖型鈾礦的礦質(zhì)來源。

3） 四英里西鈾礦化賦存于下白堊統(tǒng)帕拉巴拉納組砂巖中， 四英里東鈾礦化賦存于始新世的艾爾組砂巖中。

4） 四英里鈾礦床大部分鈾礦化發(fā)生在缺乏有機(jī)質(zhì)的砂體中， 這顯示出 “雙流體” 成礦模型的重要性。 一方面導(dǎo)通深部油/煤盆地還原性流體的斷裂構(gòu)造， 具有重要的控礦和成礦作用； 另一方面含氧含鈾流體可以向盆地縱深部位遷移， 在那里與盆地還原性流體相互作用的機(jī)會(huì)更大， 需要在這些地段加大勘查深度。