砂岩型铀矿渗出成矿作用的铀源示踪：来自模拟实验的启示

《Unconventional Resources》：Investigating the Uranium Source for Exudation Mineralization in Sandstone-Type Uranium Deposits: Insights from Simulation Experiments

　　

富铀页岩在热演化过程中表现出阶段依赖性的流体产物演化特征。研究人员发现有机酸在早阶段占主导，烃类在中晚阶段占主导，铀浸出峰值出现在主生油期前的早期热演化阶段，深部延长组页岩是渗出成矿作用的主要铀源。在砂岩型铀矿勘探中，识别成矿元素来源是有效靶区圈定的根本前提，尤其需明确盆地边缘风化花岗岩类是否能提供充足铀源。近期研究表明，盆地内深部富铀层系释放富铀流体引发的渗出相关铀矿化也是重要成矿过程，因此盆地内深部富铀页岩的供铀潜力值得关注。有机富集黑色页岩常富集铀，如北欧下古生界明矾页岩、英国上石炭统海相页岩、美国伊利诺伊盆地纽约奥尔巴尼页岩、华南寒武系牛蹄塘海相页岩及华北鄂尔多斯盆地三叠系延长组湖相页岩。这些富铀页岩一般形成于富含有机质、缺氧至还原古水体环境，但因水冶提取成本高，页岩中铀通常难以经济开采，在油页岩干馏和采油中被视为有害伴生元素。既往研究显示富微量元素黑色页岩在成岩演化中可向覆矿化提供充足金属，实验也证明Zn、U、Au等金属在烃类中溶解度较高，暗示烃类可作重要成矿流体；特别在沉积有机质热演化早期会生成大量低分子量有机酸（LOA），显著腐蚀矿物并与多种微量元素络合，增强元素迁移性，但关于沉积有机质成熟过程中微量元素迁移的实验研究仍有限。本研究聚焦鄂尔多斯盆地三叠系延长组第7段（Chang 7）富铀页岩，开展半开放体系热解实验模拟不同热演化阶段页岩产物生成，系统分析流体组成特征与残余固体元素亏损规律，评价地质条件下富铀页岩供铀潜力。文中渗出相关矿化指深部源岩在埋藏演化中释放含铀有机或水流体，沿断裂、裂缝或渗透砂体迁入浅部氧化还原活跃储层沉淀富集的过程。该研究为评价渗出相关砂岩型铀矿化中深部铀源潜力提供理论基础，并对推进砂岩型铀矿勘探具启示意义。

研究背景方面，砂岩型铀矿勘探中成矿元素源区识别是靶区圈定的前提，传统观点多强调盆地边缘风化花岗岩供给，但近年渗出相关铀矿化（即深部富铀层系释放流体向上迁移成矿）被证实为重要过程，使得盆地内富铀页岩的供铀能力成为关键科学问题。富有机黑色页岩虽普遍富铀，但其铀在热演化不同阶段如何活化、迁移并与浅部矿化衔接尚缺乏实验约束，尤其有机质成熟过程中低分子量有机酸（LOA，low-molecular-weight organic acids）与烃类流体的阶段性更替对铀迁移的调控机制不明。为此，研究人员以鄂尔多斯盆地三叠系延长组第7段（Chang 7）富铀页岩为对象，通过半开放热解模拟其埋藏热演化，旨在定量揭示铀及伴生微量元素的阶段依赖性活化规律，为南方盆地白垩系砂岩铀矿与下伏延长组富铀页岩的成因联系提供实验依据。论文发表于《Unconventional Resources》。

关键技术方法上，研究人员采集鄂尔多斯盆地铜川以北露天花油页岩矿三叠系延长组湖相富铀页岩（Ro 0.56%、TOC 14.7%、U均值约32.8 ppm，地球化学特征与盆地内Chang 7富铀页岩可比），样品破碎至10–60目后，在中国科学院广州地球化学研究所采用温度-压力可控半开放热解系统，以去离子水为介质，设150、200、250、300、330、360、380、400 ℃八个终温梯度（对应EasyRo 0.24%–1.75%，模拟埋深0–3342 m），每段升温3 h后恒温72 h；收集逸出气、液（水、油、水溶性有机酸）及残渣，气相用Agilent Wasson-7890A色谱定量，液相油用二氯甲烷萃取恒重法计量，水溶液有机酸用Thermo UltiMate 3000高效液相色谱（HPLC）分析，固体残渣研磨至200目经ICP-MS测定微量元素浓度并计算表观迁移率R_i=(C₀-C_i)/C₀×100%。

研究结果部分，4.1烃类产率显示气态烃250 ℃起始、400 ℃达4.01 mg/g（甲烷占>50%），排出油330 ℃后激增、400 ℃达63.05 mg/g（C₁₄₊占81.6%），滞留油330 ℃峰值30.10 mg/g后因排驱降至1.30 mg/g，总烃排驱效率400 ℃达98.1%，表明主生烃期在330 ℃（EasyRo 0.89%）后。4.2有机酸产率表明乙酸为主导，总有机酸从150 ℃的54.9 mg/L升至400 ℃的466.1 mg/L，330 ℃略降但360 ℃后再升，说明LOA早阶段已生成且中高温持续富集，但酸浓度升高不等于铀迁移增强。4.3微量元素迁移率显示U最大表观淋失率17.1%出现在200 ℃（EasyRo 0.33%，埋深约18 m），300 ℃后多数元素淋失率趋零，330 ℃以上因油气大量生成、孔隙水连续性下降反而残留富集；Zn因在石油中溶解度较高维持中等迁移，Sr因流体溶解度高全程活跃。结论为铀活化高峰位于主生油前低温成熟段，LOA介导的酸溶-络合是早阶段主控机制。

讨论部分，5.1指出还原条件下U(IV)虽以UO₂为主，但纳米级UO₂胶体、有机质（腐殖酸）络合及LOA（乙酸、柠檬酸）对Fe³⁺/Al³⁺宿主矿物溶解可释放共沉淀铀；Chang 7页岩碳酸盐极低、铀主要赋存于富kerogen纹层，200 ℃时LOA浓度>117 mg/L满足络合阈值（自由配体10^-4–10^-3 mol/kg），使U表观溶解度提升约一个量级；高温段水相分散于油气中导致配体-铀接触效率下降，故酸总量与铀迁移不呈正比。5.2说明批次热解虽依Arrhenius时间-温度补偿可重现生烃，但短时高温无法完全等效地质过程，残渣法表观迁移率受脱水、壁吸附干扰，Zr/Ti归一化不改主趋势，流体相直接定量受相分离限制，故结果应视为阶段趋势而非质量平衡通量。5.3结合鄂尔多斯南缘白垩系砂岩铀矿与下伏延长组垂直叠置、控矿走滑断裂带油浸现象及航放异常南强北弱，认为深部Chang 7页岩具备供铀潜力，但需同位素与流体包裹体进一步证伪。

结论部分翻译为：（1）半开放热模拟表明富铀页岩热演化具阶段依赖性，LOA早阶段生成并全程检出（400 ℃达466 mg/L），烃类330 ℃后主导；水相LOA流体关早期铀活化，烃类主导中晚期。（2）U与V、Rb、Sr、Cu、Pb、Zn、Th、Mo、REE表观迁移规律相似，U峰值17.1%在200 ℃，300 ℃后多数元素淋失率近零，330 ℃以上油气排驱抑制迁移甚至残留富集，证实深部富铀页岩元素活化集中于早成熟段。（3）鄂尔多斯南缘白垩系砂岩铀矿与下伏延长组（尤Chang 7）垂直叠置、断裂导流与油浸特征支持渗出成矿解释，航放异常仅作间接背景；综合实验与地质特征，三叠系延长组富铀页岩（尤Chang 7）是南方盆地渗出相关砂岩型铀矿的重要潜在深部铀源层。