法國洛德夫盆地砂巖型鈾礦床成因分析

趙子超，宋 昊,2，陳友良,2，李 圻，李巨初，聶睿，張成江,2

（1.成都理工大學地球科學學院，成都 610059；2.地學核技術四川省重點實驗室，成都 610059）

法國是西歐最大的鈾資源國（儲量約140 000 t，總產(chǎn)量約75 000 t），其主要鈾礦類型為花崗巖型鈾礦和砂巖型鈾礦［1-2］。國內(nèi)學者對法國花崗巖型鈾礦床較為重視，對法國產(chǎn)鈾花崗巖進行過總結研究工作，得出法國產(chǎn)鈾花崗巖的基本特征并對比了其與中國產(chǎn)鈾花崗巖的異同［3］，但由于20世紀花崗巖型鈾礦床是我國鈾礦工作的重點，而對同樣是法國重要鈾礦床類型的砂巖型鈾礦床的關注及研究相對較低。砂巖型鈾礦作為法國主要產(chǎn)鈾礦床類型，其鈾資源量高達38 799 t［4］，對法國砂巖型鈾礦床成礦模式進行總結研究，具有重要理論意義。

洛德夫（Lodeve）盆地是法國主要的產(chǎn)鈾盆地之一［1-2］，盆地內(nèi)砂巖型鈾礦床成礦作用具有明顯受構造、巖性等因素控制特征。在國際上，根據(jù)砂巖型鈾礦床的礦體形態(tài)與沉積-構造環(huán)境的空間關系，將其分為板狀、底河道、卷鋒狀和構造-巖性控制型四種亞類［3］，我國學者主要對層間氧化帶（卷狀）、古河道（底河道）和潛水氧化帶（板狀）砂巖型鈾礦床進行了研究［5-6］，但對同樣是四種亞類之一的構造-巖性控制型砂巖型鈾礦床的研究甚少。筆者在綜合前人研究的基礎上，分析洛德夫盆地構造-巖性控制型砂巖型鈾礦床的成因模式，為構造-巖性控制型砂巖型鈾礦床的研究提供實例證據(jù)，同時對完善砂巖型鈾礦床的成礦理論具有重要意義。

1 區(qū)域地質背景

洛德夫盆地是發(fā)育在海西造山帶中央地塊南緣的一個二疊紀陸相砂巖盆地（圖1a），面積約150 Km2［7-8］。在盆地北部產(chǎn)出多個砂巖型鈾礦床（圖1b），如拉瓦伊爾（Mas Lavayre）、阿拉里（Mas d’Alary）等鈾礦床［2］。

圖1 法國洛德夫盆地大地構造位置（a）及砂巖型鈾礦床分布圖（b）（據(jù)參考文獻［2］修改）Fig.1 Tectonic location（a）and distribution of sandstone type uranium deposits（b）in the Lodeve Basin，F(xiàn)rance（Modified after References［2］）

洛德夫盆地是以半地塹形式向南逐步下沉形成的斷陷盆地，晚二疊紀構造活動使盆地傾 斜15°～30°［8-9］。盆 地周 邊 為 中 生代 沉 積巖，東南緣覆蓋著漸新-中新統(tǒng)沉積巖，內(nèi)部主要為二疊系沉積巖，不整合覆蓋于前寒武系片巖-結晶雜巖基底之上。由于萊斯艾利斯（Les Aires）斷層的顯著下沉，盆地南部最深部分的沉積巖約有4 000 m厚［7-8］。在晚二疊紀至中三疊紀盆地隆升過程中，盆地頂部沉積物被剝蝕約1 500 m，致使前寒武系基底、二疊系底礫巖和奧頓階（Autunian）沉積巖在盆地北部露出［2，7］；二疊系薩克森階（Saxonian）沉積巖出露于盆地南部，三疊系和侏羅系沉積巖則在盆地最南端的不整合面上方出現(xiàn)，并且三疊系和侏羅系沉積巖是之前盆地隆升過程中地層被剝蝕沉積下來的產(chǎn)物；盆地內(nèi)二疊系和中生代沉積巖局部被第四系玄武巖所覆蓋。

盆地內(nèi)地層主要為二疊系沉積巖，厚約2 500 m。在早二疊紀，盆地處于熱帶至亞熱帶氣候的淺水環(huán)境中，在蒸發(fā)-澙湖-沼澤交替（灰色沉積巖）和湖泊-洪積平原交替（紅色沉積巖）條件下沉積形成［8，10］。二疊系沉積巖主要由下部的奧頓階和上部的薩克森階組成［1-2，11-12］（圖2）：

圖2 洛德夫盆地二疊系綜合柱狀圖（據(jù)參考文獻［1，8］修改）Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Permian the Lodeve Basin（Modified after References［1，8］）

奧頓階：是洛德夫盆地主要的含鈾地層，厚600～700 m，由灰色沉積巖（淺湖-澙湖-沼澤相）和紅色沉積巖（湖泊-洪積平原相）組成，為干旱、半干旱氣候下沉積形成的地層；

薩克森階：主要由紅色沉積巖（湖泊-洪積平原相）組成，形成于干旱氣候環(huán)境下，厚1 300～1 800 m，底部有泥質砂巖和砂礫巖（100 m），其上部地層均由紅色泥巖組成。

上述兩套地層巖石礦物主要由鈉長石、鉀長石、方解石、石英、白云石和黏土礦物組成，其中黏土礦物以伊利石為主，含部分綠泥石和少量高嶺石［7］。

盆地內(nèi)發(fā)育NEE-SWW向（北傾）斷裂，該走向斷裂即切割了盆地上覆的沉積巖層也切割了盆地基底的斷裂系統(tǒng)。盆地內(nèi)鈾礦床和鈾礦點均沿這個斷裂系統(tǒng)分布，是重要的控礦的斷裂。

2 鈾礦化特征

2.1 礦床特征及典型礦床

目前已在盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)一系列鈾礦床和礦點，礦床規(guī)模大小不等，包括一個大型鈾礦床拉瓦伊爾（Mas Lavayre）和數(shù)個小型鈾礦床和礦點，如阿拉里（Mas d’Alary）等［2］（表1）。盆地內(nèi)鈾礦總資源量為20 000 t，平均品位0.24%［1-2，11］。盆地內(nèi)構造-巖性控制型砂巖型鈾礦床多位于盆地內(nèi)NEE-SWW向斷裂中、斷裂邊緣延伸處或紅色沉積巖和灰色沉積巖層間。礦床規(guī)模隨盆地內(nèi)斷裂系統(tǒng)規(guī)模的變化而變化，最大者東西長可達上千米，南北寬達幾百米。盆地內(nèi)鈾礦床多由多個礦體組成，礦體均位于奧頓階沉積巖中。

表1 法國洛德夫盆地主要砂巖型鈾礦床Table 1 Main sandstone uranium deposits in the Lodeve Basin,France

礦體形態(tài)主要為條帶狀、塊狀和似板狀等。條帶狀、塊狀礦體常沿斷裂空隙分布，形態(tài)與斷裂內(nèi)部空間相似。礦化受強烈的構造控制，常形成于構造復合部位，在斷裂內(nèi)或附近時，礦體具有較高的品位，而當遠離斷裂時其鈾含量會迅速降低。似板狀礦體位于奧頓階紅色沉積巖和灰色沉積巖層間，厚1 m左右，但礦體通常很長，可達上百米。礦體受巖性控制，常發(fā)育在灰色瀝青頁巖之上。

盆地內(nèi)主要鈾礦床拉瓦伊爾和阿拉里鈾礦床均位于盆地北部，南北相距約1 200 m［2，11］（圖3）。

圖3 洛德夫盆地拉瓦伊爾—阿拉里鈾礦床南北向剖面示意圖（據(jù)參考文獻［11］修改）Fig.3 Schematic S–N section through the Mas Lavayre and Mas d’Alary deposits in Lodeve Basin（Modified after References［11］）

拉瓦伊爾礦床：該礦床為盆地內(nèi)最大的砂巖型鈾礦床，礦床東西長約1 500 m，南北寬200～600 m，礦化垂深約300 m，呈ENE-WSW向展布。礦化不均勻的分布在奧頓階下段的沉積巖層中，主要集中于瀝青質巖層和ENE-WSW走向構造中，其中受構造控制的礦石占儲量的大部分。位于礦床北面的圣—朱利安（Saint-Julien）斷裂和南面的里維埃拉（Rivieral）斷裂控制了該礦床主要的鈾礦化作用，兩個斷層之間的位移可達60 m，且這兩個斷裂通過圣—馬?。⊿aint-Martin）斷裂與盆地東部的斷裂構造相連。該礦床由多個礦體組成，礦體形態(tài)呈條帶狀、塊狀或似層狀；礦體規(guī)模大小不一，由斷裂控制的礦化作用形成的礦體最大者長可達30 m、寬可達40 m，主要鈾礦物為瀝青鈾礦和鈾石。該礦床1975—1997年，共產(chǎn)鈾12 250 t，礦石平均品位0.31%，該礦床目前已停產(chǎn)。

阿拉里礦床：該礦床位于盆地西北部，礦床南北寬150 m，礦化垂深約0～50 m。礦化均分布在奧頓階中段的沉積巖層中，成礦作用主要ENEWSW向斷裂控制。該礦床主要由兩套礦體組成，礦體形態(tài)呈條帶狀或似層狀，礦體規(guī)模大小不一，主要鈾礦物為瀝青鈾礦和鈾石。礦石主要集中在兩套礦體中，礦體均受南部斷裂控制，北部礦體由中部斷裂控制，約含鈾300 t，平均品位0.13%；南部礦體由南部斷裂控制，礦體在南北反向延伸約100 m，垂直深度約50 m，約含鈾1 000 t，平均品位0.17%，目前該礦床已停產(chǎn)。

2.2 含礦層

礦體主要賦存在奧頓階沉積巖層中（圖2），該地層不整合覆蓋于前寒武紀基底之上。奧頓階沉積主要包括蒸發(fā)-澙湖-沼澤相和湖泊-洪積平原相帶。在奧頓世早期，盆地處于潮濕炎熱的熱帶氣候中，并交替有干燥時期［8，10］。在沉積初期，其處于沼澤-澙湖環(huán)境中，擁有豐富的植物群，形成灰色富含有機質的沉積巖層；之后氣候發(fā)生變化，干燥的氣候使沼澤-澙湖大量蒸發(fā)，形成紅色沉積巖。具體的包括3個部分［2，10-12］：上段：紅色沉積巖（200～300 m），主要由泥巖夾透鏡狀砂體組成；中段：紅色和灰色交互的沉積巖（120 m），由砂巖、瀝青頁巖和白云巖組成；下段：灰色沉積巖（280 m），主要由砂巖和泥巖組成，底部為砂礫巖。

除了底部幾十米厚的砂礫巖，奧頓階層間沉積物的粒度大小通常不到60μm，呈細粒度；主要是由泥巖、砂巖、瀝青頁巖和碳酸鹽沉積物形成的多個旋回（超過60個），每個旋回厚10～12 m［1］（圖4）。礦化層含有豐富的植物殘骸和瀝青，有機質主要由褐煤、腐泥煤和兩者的混合物組成。奧頓階沉積巖賦存有數(shù)層堿含量高的酸性火山灰層［7］，沉積巖中含大量有機質以及火山碎屑，含有磷灰石、螢石、LREE、磷酸鹽和鋯石等物質，鈾富集與這些層位的有機質和火山物質有關。

圖4 洛德夫盆地奧頓階沉積旋回巖性剖面Fig.4 Lithologic sections of sedimentary cycle of Autunian stage in Lodeve Basin

奧頓階沉積巖主要由方解石、白云石、方沸石、鈉長石、鉀長石、伊利石和鐵綠泥石組成，白云石幾乎是奧頓階中段和下段地層中唯一的碳酸鹽礦物（圖5）。澙湖-沼澤和半干旱氣候環(huán)境有利于成巖早期白云巖的形成，而方解石的形成是由于蒸發(fā)作用使水中鹽含量增加，在鹽度已經(jīng)略高于海水的環(huán)境中進行的［7］。奧頓階上段湖泊-洪積平原相（紅色沉積巖）成因的地層中，方解石含量開始增加，白云石含量減少，氣候環(huán)境的變化對兩種自生碳酸鹽礦物的分布產(chǎn)生了影響。

圖5 洛德夫盆地二疊系奧頓階沉積巖中主要礦物的平均含量（據(jù)參考文獻［7］修改）Fig.5 The content of major minerals of sedimentary rocks from Permian Autunian Stage in the Lodeve Basin（Modified after References［7］）

2.3 鈾礦化類型

洛德夫盆地鈾礦床中鈾礦物主要是瀝青鈾礦和鈾石，伴生金屬礦物有黃鐵礦、方鉛礦和鉬礦物等［11］。

盆地內(nèi)鈾礦化有3種類型［2，11］（圖6）。類型1：沉積成巖型鈾礦化，產(chǎn)出于奧頓階紅色沉積巖和灰色沉積巖的夾層中。礦體厚1 m左右，橫向沿地層側向延伸，占總資源量的1%左右。礦石中含鈾，還含有少量的As、Ba、Cu、Mn、Mo、Sn、Y、Zn，以及微量的Co、Ni、Sb；含有低溫鈉長石、鐵白云石、綠泥石、重結晶同生硫化物等，可占礦石礦物組成的30%～60%；類型2：準同生構造控制的U-Mo礦化，產(chǎn)出于奧頓階層序中灰色長石質粉砂巖和瀝青頁巖內(nèi)或準同生構造裂隙中，這類礦化占總資源量的10%左右；類型3：斷裂構造控制的鈾礦化，通常形成長而窄的帶狀，局部沿斷裂或交界處富集成大的礦體。這種類型的鈾礦化在拉瓦伊爾礦床中最為典型，其礦石平均品位為0.31%，占總資源量的90%左右。

圖6 洛德夫盆地鈾礦化類型Fig.6 Types of uranium mineralization in Lodeve Basin

3 控礦因素

通過對洛德夫盆地砂巖型鈾礦床地質特征研究，筆者認為洛德夫盆地砂巖型鈾礦床形成受構造、巖性、蝕變作用和地下水條件4個主要因素控制。

3.1 構造對鈾成礦的控制

強烈的構造作用控制著該區(qū)鈾礦的形成和定位，近90%的資源量產(chǎn)于斷裂構造中。斷裂構造控制的鈾礦化，通常形成長而窄的帶狀，局部沿斷裂或交界處富集成大的礦體。盆地內(nèi)發(fā)育多條斷裂，其中NEE-SWW向斷裂控制著大多數(shù)鈾礦床分布，該向斷裂為此類礦床形成提供流體運移的通道、有利地成礦環(huán)境、空間及物質，當遠離斷裂時，鈾礦化減弱，并常沿斷裂或在斷裂交界處形成較大的礦體（圖6）。

3.2 巖性對鈾成礦的控制

鈾成礦受巖性控制，沉積成巖型鈾礦化主要產(chǎn)于二疊系奧頓階紅色沉積巖和灰色沉積巖的夾層中，呈層狀產(chǎn)出。二疊紀沉積巖層富鈾等成礦元素，且含有黃鐵礦和有機質等具有高還原潛力的物質，作為一種還原劑和吸附劑可富集從上部紅色沉積巖層被擠壓出溶液中的鈾，或當含鈾溶液沿層內(nèi)微裂隙或孔隙運移，沉淀在巖層的下部。

3.3 蝕變作用對鈾成礦的控制

二疊紀沉積巖受到了強烈的成巖作用（壓實、擠壓、斷裂和溫度升高等作用），使某些黏土礦物（蒙脫石等）被分解；火山渣（凝灰質）、火山玻璃等結構完全喪失，火山碎屑物被分解、活化，堿質元素分離（鉀在灰色層中，而鈉在紅色層中）；石油的出現(xiàn)等等［1］。而盆地內(nèi)的火山物質富含鈾元素，鈾含量達7×10-6，強烈的成巖作用使其中的鈾元素再活化，促進了鈾在成巖過程中同步富集。

3.4 地下水條件對鈾成礦的控制

盆地內(nèi)主要含水層為前寒武系白云巖基底，大氣降水會通過盆地北部出露的前寒武系含水層基底向下滲透，形成地下水。由于盆地向南傾斜15°～30°，地下水會隨地勢向南流動，流至盆地中南部滲透率較低的二疊系沉積巖時被阻斷。二疊系奧頓階砂巖中層理、節(jié)理以及裂隙常被滲透進來的地下水充填，形成盆地內(nèi)的次要含水層［13］。

洛德夫盆地地下水對成礦的控制作用：1）與前寒武系基底相關的含碳酸氫鈣的熱液水，前寒武系基底富含有機質等物質，含鈾性較好，當含氧含碳酸氫鈣的熱液經(jīng)過時，會與鈾元素結合形成碳酸鈾酰離子向南流動；2）含鈾含碳酸氫鈉/鈣氧化性質的地下水，其形成主要與盆地北部奧頓階和薩克森階沉積巖有關，當流經(jīng)富含有機質、瀝青等還原性質的地層時，地下水中的U6+會被還原成U4+形成鈾礦物沉淀下來；3）富含碳酸氫鈉還原性質的地下水，其形成主要與盆地南部基底的含水層有關，其水中鈾濃度極低，對于原有的鈾礦化不會造成破壞，會隨斷裂排出。

4 礦床成因模式

通過總結前人對盆地內(nèi)砂巖型鈾礦床特征的研究，洛德夫盆地砂巖型鈾礦床成因模式表述如下：

鈾初始預富集：洛德夫鈾礦床的形成與二疊紀富含有機質和瀝青質的沉積巖有關，這些物質的存在為鈾還原沉淀、富集成礦提供了有利的環(huán)境。鈾初次富集于奧頓階-薩克森階沉積時期，二疊紀時期火山噴發(fā)出的酸性物質（富U）也在此時沉積下來［14］，并且由于成巖作用，使擠壓出的含鈾流體被有機質和瀝青質吸附沉淀，使鈾在奧頓階-薩克森階沉積時期初次富集。第一種沉積成巖型鈾礦化也在同時形成，其主要產(chǎn)出于奧頓階紅色沉積巖和灰色沉積巖的夾層中?；疑练e巖中含有有機質和瀝青質等，作為還原劑和吸附劑可富集從上部紅色沉積巖被擠壓出流體中的鈾，或當含鈾流體沿層內(nèi)微裂隙或孔隙運移時，還原沉淀在巖層的下部（圖7a）。

圖7 法國洛德夫盆地砂巖型鈾礦床成因模式Fig.7 Genetic model of sandstone type uranium deposit in Lodeve Basin，F(xiàn)rance

鈾再次富集：鈾的再次富集發(fā)生在成巖作用晚期，第二種準同生構造控制的U-Mo礦化也在此時形成。由于二疊系沉積巖受到了強烈的成巖作用（壓實、擠壓、斷裂和溫度升高等作用），使某些黏土礦物（蒙脫石等）、火山物質被分解、溶解，從而形成含U-Mo的流體，沿準同生構造裂隙運移，在瀝青頁巖、灰色粉砂巖層內(nèi)或在與初期形成的石油接觸時還原沉淀形成U-Mo礦化（圖7b）。

鈾富集成礦：鈾的富集成礦發(fā)生在沉積成巖之后，通過對斷裂附近的鈾礦化U-Pb地質年代學研究表明，沉積成巖之后鈾的富集有兩個階段，第一次發(fā)生在173±6 Ma左右，第二次發(fā)生在108±5 Ma左右［15］。這表明與斷裂有關的的鈾礦化是熱液作用形成的，在侏羅紀和白堊紀，這兩次熱液事件使鈾大規(guī)模地再活化、遷移，而盆地內(nèi)前三疊紀斷裂是熱液活動的重要地點，使再活化的鈾沿著含瀝青物質和硫化物的斷層重新分布，其主要的成礦階段與盆地內(nèi)的斷裂活動和低溫熱液活動有關。這兩次熱液事件最終形成了盆地內(nèi)第三種類型斷裂構造控制的鈾礦化，其主要發(fā)生在前三疊紀的斷裂中。鈾活化遷移可能與地殼減薄的深部作用有關，或與幔源火山巖（155±6 Ma）活動有關［15］，當時地溫梯度可能增加，地溫達到130～250℃，促使二疊系伊利石重結晶，也可能促使含鈾流體發(fā)生循環(huán)。成礦過程可能是大氣降水下滲到盆地底部，或沿基底巖石裂隙進入基底白云巖中，被加熱后沿開放裂隙上升循環(huán)進入上覆奧頓階地層內(nèi)。循環(huán)的熱流體使灰色砂巖、火山碎屑和瀝青頁巖物質活化、溶解，形成了含大量硫酸根、碳酸根和含鈾的流體。成礦流體由于高溫沿斷裂帶向上流動，當成礦流體遇到有機質、細菌作用等還原物質和環(huán)境，鈾被還原；或當壓力減低，碳酸鈾酰絡合物變得不穩(wěn)定從而沉淀（圖7cI），開放的斷裂空間及其膨脹部位（圖7cII）或旁側羽狀裂隙是最有利的鈾沉淀空間（圖7cIII）。

5 結論

1）盆地內(nèi)鈾礦床主要為構造-巖性控制型砂巖型鈾礦床，其鈾礦化的形成主要受構造、巖性等因素控制。斷裂構造控制著本區(qū)鈾礦床的形成和定位，其中NEE-SWW向斷裂控制著大多數(shù)鈾礦床分布和形成；含礦巖性也控制著鈾礦床的形成，二疊系奧頓階灰色沉積巖中含有瀝青質和有機質等，作為還原劑和吸附劑可在成礦過程中富集流體中的鈾。

2）洛德夫盆地砂巖型鈾礦床賦存于二疊系奧頓階沉積巖中，其礦化規(guī)模較大，礦體形態(tài)包括條帶狀、塊狀和似板狀；礦化類型包括沉積成巖型鈾礦化、準同生構造控制的U-Mo礦化和斷裂構造控制的鈾礦化，具有沿盆地內(nèi)NEE-SWW向斷裂富集的成礦特征。

3）盆地內(nèi)鈾礦床主要屬于熱液成因，其形成主要受到兩次熱液活動的影響，第一次發(fā)生在173 Ma左右，第二次發(fā)生在108 Ma左右。在侏羅紀和白堊紀，這兩次熱液事件使鈾大規(guī)模地再活化、遷移，而盆地內(nèi)前三疊紀斷裂是熱液活動的重要場所，使已有的鈾沿著含瀝青物質和含硫化物斷層再活化分布；主要的成礦階段與盆地內(nèi)的斷裂活動和低溫熱液活動有關。

4）盆地內(nèi)存在3種類型鈾礦化的成因不同。第1種類型為沉積成巖型鈾礦化是在同沉積時期或成巖作用早期形成；第2種類型為準同生構造控制的U-Mo礦化是成巖作用晚期的產(chǎn)物；第3種類型為斷裂構造控制的鈾礦化屬于后生成礦作用，主要受兩次熱液活動的影響。