《Sedimentary Geology》：A novel mechanism of uranium mineralization: The role of zircon adsorption at the Qigequan deposit, Qaidam Basin, NW China
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铀在砂岩型铀矿床中的吸附机制研究：以Qigequan矿床为例，通过TIMA、BSE、CL等微观分析技术，揭示锆石吸附铀的三种形态（U1-U3）及其与Th/U比值的关系，证实锆石在铀吸附中的主导作用，并建立pH变化主导的物理化学吸附模型。
林一涵|范明森|倪佩|潘俊毅|池哲|程志林|吴文毅|张晨|齐炳德|魏学斌
中国南京大学地球科学与工程学院地球流体研究所关键地球物质循环与矿床国家重点实验室，南京，210093
摘要
砂岩型铀矿床中的铀矿化过程受到矿物吸附能力的影响，尤其是在铀浓度未饱和的盆地流体中。本研究以柴达木盆地的齐格泉砂岩型铀矿床为例，重点探讨了锆石中的铀分布和吸附行为。样品通过TIMA、BSE、CL成像、EDS和EPMA等手段进行了分析。结果表明，锆石在基质和碎屑组分中均较为丰富，铀以三种形式存在：U1（存在于生长带或包裹体中）、U2（存在于裂隙中）和U3（存在于颗粒边缘）。U1是岩浆或早期热液作用的产物，具有较低的U/Th比值；而U2和U3则与矿化流体的表面吸附作用有关，具有较高的U/Th比值。相比之下，与锆石无关的铀矿物（即Other-U）具有不同的Th和U特征。EPMA映射显示，颗粒边缘的吸附铀与Th、Y、Mg和Ti等元素相关。尽管其他副矿物含量更高，但锆石的铀吸附能力更强且更具选择性。我们认为，锆石通过物理化学吸附机制吸收铀，这一过程主要受微碱性油气相关流体与表生氧化流体混合引起的pH变化控制。这些发现突显了锆石在砂岩型铀矿床中作为铀吸附剂的重要作用，并表明除了经典的流体过饱和沉淀作用外，表面吸附也是铀富集的重要途径。这一机制为铀矿化提供了新的见解，有助于完善砂岩型铀矿床的成因模型。
引言
在沉积盆地中，许多矿物可以通过吸附作用从流体中沉淀出铀，即使流体中的铀浓度低于饱和水平，这一过程也能发生，因此成为铀矿化的关键机制。已知的铀吸附矿物包括粘土矿物（Davey和Scott，1956；Chisholm-Brause等人，2004；Khan等人，2021）、黄铁矿（Wersin等人，1994）、铁氧化物（Yusan和Erenturk，2011）、磷灰石（Boguslavsky等人，2025）和二氧化钛（Comarmond等人，2011；Yan等人，2023；Yin等人，2024）。
锆石也被认为是一种潜在的铀吸附剂，Lomenech等人（2003）的实验工作证实了其在实验室条件下具有吸附铀的能力。然而，在天然砂岩型铀矿床中，关于锆石的研究长期以来主要关注其作为铀来源的作用。例如，当锆石发生长期自辐照损伤或变成糜棱岩时，其晶体结构变得不稳定，容易受到流体驱动的蚀变，从而释放出铀、钍、稀土元素（REE）和高场强元素（HFSE）（如Geisler等人，2002，2003；Zhang等人，2020；Kube?等人，2024）。尽管如此，近纳米尺度的研究表明锆石也可以作为铀的储存库（Sun等人，2020；Seydoux-Guillaume等人，2015）。在辐射损伤或非晶化过程中，锆石颗粒内部会形成裂隙和孔隙，这些结构不仅为铀的迁移提供了通道，还可以通过裂隙和孔隙内的吸附作用形成富铀的团簇（如铀云母结构）。尽管有这些认识，但锆石在砂岩铀矿化系统中普遍吸附铀的程度以及具体的吸附机制仍不明确，且在矿床尺度上的研究很少报道。因此，锆石作为直接有效的铀吸附剂的潜在重要性长期以来被忽视和低估。
本研究以柴达木盆地的齐格泉砂岩型铀矿床为例。该矿床位于新生代地层中（Dong等人，2022；Shi等人，2024），与富含铀的地质单元（尤其是盆地的花岗岩构造）具有成因关联（Dong等人，2022；Zhang等人，2023；Zhang等人，2025）。尽管铀具有化学活性，但由于齐格泉的矿化年龄相对较早且矿化后流体活动不显著，铀矿化过程基本保持不变，保留了其原始特征。这一环境为研究浅埋条件下盆地流体中的铀富集和沉淀行为提供了独特的机会。
在研究初期，我们观察到锆石颗粒边缘存在铀富集现象，形成了明显的富铀区。文献中尚未报道这一现象，目前尚不清楚铀是通过流体渗透从锆石中浸出后重新沉淀的，还是直接从富铀流体中吸附到锆石表面的。这一发现为研究锆石在铀矿化中的作用提供了新的视角。鉴于锆石的独特矿物性质及其在砂岩型铀矿床中的广泛分布，研究其铀吸附机制和影响因素不仅有助于阐明一种先前未被认识的铀矿化类型，还能为铀矿床的富集过程和成因提供新的见解。目前全球范围内关于锆石吸附铀的研究仍然有限，这突显了本研究的创新性和在阐明砂岩型铀矿床中铀浓度机制方面的潜在重要性。
本文探讨了齐格泉砂岩型铀矿床中重矿物砂与铀矿化之间的关系。通过TESCAN综合矿物分析（TIMA）、背散射电子（BSE）、扫描电子显微镜阴极发光（CL）成像、电子探针微分析（EPMA）和能量色散光谱（EDS）等技术，分析了不同类型锆石的分布、纹理、比例和铀富集特征。我们探讨了锆石上铀吸附的机制和影响因素，旨在为齐格泉铀矿化过程中的锆石作用提供新的见解，从而有助于完善砂岩型铀矿床的成因模型。
区域地质
柴达木盆地位于中国西北部（图1B），是一个由复杂构造过程形成的大型内陆封闭断陷盆地（Wang等人，2024）。该盆地经历了多次重大地质事件，包括早侏罗世的伸展断层作用、中侏罗世至早白垩世的同构造盆地反转、古新世至中新世的压缩沉降以及晚中新世至第四纪的走滑压缩。受远距离
方法和材料
本研究在柴达木盆地的齐格泉地区进行。系统采样从四个代表性钻孔（ZK11、ZK13、ZK25、ZK39）中采集了岩芯样本，涵盖了不同矿化程度的地层和砂岩。经过初步观察后，选择了ZK11和ZK13两个钻孔中的两个代表性矿化砂岩样本进行详细微观分析。
为了研究锆石与铀的矿化关系，对
锆石和铀矿物的分布特征
锆石在矿化地层的基质和碎屑组分中广泛分布，是与铀存在相关的关键副矿物之一。TIMA结果（图4、图5；表S1）显示，在重矿物组合中，磷灰石、金红石/锐钛矿和铝榴石最为丰富，其次是钛铁矿、铬铁矿、独居石和锆石，还有少量的榍石和稀有锡石。BSE成像和EDS分析表明，铀矿物可以存在于
锆石的成因和来源
锆石在齐格泉铀矿床的含矿地层中较为丰富。大多数锆石具有典型的岩浆振荡分带结构（图10），只有少数含有继承性的锆石核。一些岩浆锆石受到热液作用的影响，形成了蚀变锆石或热液锆石边缘，在CL和BSE成像下与岩浆锆石有明显区别（图11）。此外，这些矿物中还含有少量变质锆石
结论
- 1.
锆石是齐格泉砂岩型铀矿床中丰富的副矿物，存在于矿化地层的碎屑和基质组分中。其来源主要是岩浆作用，少量来自继承性和热液改造的锆石，反映了周围造山带中富铀花岗岩的显著物质贡献。
- 2.
锆石中的铀以三种形式存在：U1存在于生长带或包裹体中，U2存在于裂隙中，U3存在于颗粒
作者贡献声明
林一涵：撰写——初稿、可视化、正式分析。
范明森：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、项目管理。
倪佩：项目管理、资金获取。
潘俊毅：方法学。
池哲：验证、方法学、数据管理。
程志林：验证、方法学。
吴文毅：资源支持。
张晨：资源支持。
齐炳德：资源支持、调查。
魏学斌：资源支持、调查。
未引用参考文献
Ao等人，2022
Fuller等人，2002
Zhang等人，2022
Zhang等人，2024
利益冲突声明
作者声明以下可能的利益冲突：倪佩报告称获得了中国国家重点研发计划的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFC2906703）的支持。我们衷心感谢四川石油天然气集团有限公司青海油田公司勘探事业部第11地质大队和中国地质调查局天津中心在野外工作期间的帮助。特别感谢魏莉教授和李金辉博士在稿件修订过程中提供的宝贵建议。同时，我们也感谢编辑Catherine Chagué的帮助。
