塔木素铀矿床为一种特殊的硬砂岩型铀矿床，与我国北方典型砂岩铀矿床相比，具有岩石致密、矿体埋深大、地下水矿化度高等特征^[1-2]，显示其成矿的独特性和复杂性^[2]。由于不能采用地浸法采铀，长期以来一直将类似塔木素铀矿床的铀资源看作是不经济的、潜在的铀资源而没有引起足够的重视。近年来随着塔木素地区铀矿找矿工作取得了重大突破，对该类型铀矿的重视程度和研究程度也在不断加强。前人对塔木素铀矿床沉积相特征及其与铀矿化的关系^[3-5]、盆地构造演化及其对铀成矿的控制作用^[6]、铀矿化成矿条件、控制因素及成因^[2,7-9]、水文地质条件及其与铀矿化关系^[1,10-11]、水岩作用特征及其与铀矿化关系^[12]和找矿预测评价^[2,13]等方面进行了研究，但受研究起步晚，成因类型特殊等因素影响，该矿床总体研究程度较低。此外，长久以来，我国砂岩铀矿研究过程中形成了“重沉积，轻成岩”的传统，在研究中十分重视沉积相、沉积体系等方面的研究，但很少或基本不涉及成岩方面的研究。塔木素铀矿床之所以被称为硬砂岩型铀矿，最主要的原因就是其成岩特征与我国北方典型砂岩铀矿有明显的不同，而目前对这种特殊含铀砂岩的成岩特征尚无研究，从而制约了对该类特殊铀矿床成因认识，也影响了该类型铀资源可利用性前景分析及经济价值评价。本文根据研究现状，对塔木素地区含铀砂岩的成岩特征开展了针对性的研究，并在研究的基础上探讨了成岩特征与铀矿化之间的内在联系。

在地理位置上，巴音戈壁盆地位于内蒙古西部，塔木素铀矿床位于巴音戈壁盆地南部。在区域构造位置上，塔木素铀矿床位于苏红图坳陷的次级构造单元因格井坳陷的东段北缘。因格井坳陷北缘为宗乃山—沙拉扎山隆起，南缘为巴彦诺尔公隆起（图1a）。

图  1  塔木素大地构造位置图（a）和铀矿床地质简图（b）

Figure 1.  Tamusu uranium deposit: (a) tectonic location sketch map, and (b) geological map

由基底和盖层两部分组成。基底主要为阿拉善陆块，埋深0~1 000 m，岩性以深变质岩为主。盖层主要为侏罗系、白垩系等中生代地层。此外，在矿区东南部还分布有第四系沉积物（图1b）。侏罗系地层主要呈零星状分布于矿区的南西部和北东部。白垩系地层主要为下白垩统巴音戈壁组和上白垩统乌兰苏海组，其中下白垩统巴音戈壁组地层呈北东—南西方向分布于矿区中部，上白垩统乌兰苏海组主要分布于矿区的南部。

塔木素铀矿区内的断裂构造总体上沿袭了区域断裂与控盆断裂构造系统的特点，以NE向为主，区内共识别出F₁、F₂、F₃等3条主要断裂构造，其中F₁断裂位于矿区北缘，相当区域上的乌兰铁布科断裂，倾向NW，倾角70°~85°，表现为逆冲断层特点。F₂和F₃位于矿区南缘，其中F₁倾向NW，倾角70°~87°，表现为正断层特点，而F₃断裂倾向SE，倾角为57°~73°，表现为正断层特点。3条断裂延伸均在40 km以上，NE向断裂形成于燕山期，在喜马拉雅期仍有活动。

区内岩浆岩主要分布于塔木素矿区西北部，是宗乃山隆起的重要组成部分，从志留纪—三叠纪均有，以二叠纪最为发育，志留纪少量。石炭纪以闪长岩为主，二叠纪以花岗岩、花岗闪长岩为主，三叠纪以花岗岩为主，少量辉长岩。

塔木素地区下白垩统巴音戈壁组进一步分为上段和下段，下白垩统巴音戈壁组下段（K₁ b ¹）主要分布于矿区的北西缘，由一套红色碎屑岩组成，即红色砾岩、砂砾岩、砂质泥岩夹粉砂质泥岩，局部发育灰色粉砂质泥岩，为干热古气候环境沉积的产物，厚度大于300 m。下白垩统巴音戈壁组上段（K₁ b ²）主要出露于塔木素的南西部，厚度大于900 m。塔木素矿床范围内，下白垩统巴音戈壁组上段是主要的含矿层位，埋深主要在700~900 m之间^[2]。巴音戈壁组上段（K₁ b ²）分为下（K₁ b ^2-1）、中（K₁ b ^2-2）、上（K₁ b ^2-3）3层岩性结构，3层岩性结构中均有铀矿化产出。下部岩性结构（K₁ b ^2-1）以大套深灰色、灰色泥岩为主，炭屑与黄铁矿较发育，为一区域性一级标志层，该岩性结构层中形成泥岩型铀矿化。中部岩性结构（K₁ b ^2-2）以浅红色、紫红色、褐黄色、黄色、灰色砂岩、粉砂岩为主，夹薄层泥岩、泥灰岩和石膏夹层，为湿热—干旱古气候环境沉积的产物，为塔木素地区铀矿主要找矿层位，形成砂岩型铀矿化。上部（K₁ b ^2-3）整体以灰色、深灰色泥灰岩为主，为一区域性标志层，形成泥灰岩型铀矿化，铀矿化主要产于最早期的泥灰岩角砾中。砂岩型铀矿化对砂岩粒度无选择性，粉砂岩、中砂岩及（含砾）粗砂岩中具有铀矿化产出，含铀砂岩多呈薄层状、板状夹于粉砂质泥岩中，且具有多层分布特征。根据目前工程揭露结果，塔木素铀矿床中砂岩类矿体占多数，平面上主要分布于矿床的中部及北部，垂向上越往深部砂岩类矿体的占比也越多^[2]。

含铀砂岩及砂岩铀矿石样品共35件，采自于塔木素铀矿床各工业钻孔，岩石密度、渗透率和孔隙度样品共14件，主要采自工业钻孔岩心，上述样品均位于巴音戈壁组上段中亚段（K₁ b ^2-2）。

岩石学特征主要通过偏光显微镜观察，并运用岩相学方法对样品中的矿物含量进行统计。孔隙度及渗透率样品由石油勘查院廊坊分院测试，采用标准SY/T 6385—2016，仪器型号为覆压孔渗仪（AP-608 Automated Permeateter-Porosimeter），渗透率范围为（0.001~10）×10^-3 μm²，孔隙度范围为0.1%~40%，测试精度为0.1%。岩石主要成分及微量元素分析均由核工业北京地质研究院分析测试研究所完成，仪器型号分别为AB104L，AxiosmAX X射线荧光光谱仪及ELEMENT XR型等离子体质谱仪。碳酸盐矿物主要运用茜素红S+铁氰化钾混合染色法进行识别、统计，同时结合扫描电子显微镜（SEM）和阴极发光（CL）等进一步进行观察，上述工作均在核工业北京地质研究院完成，其中扫描电子显微镜（SEM）由核工业北京地质研究院分析测试所测试，仪器型号NAVA NANO SEM450型热场发射扫描电子显微镜，分辨率为（High Vacuum）1.0nm@15kV。阴极发光运用英国CITL公司CL8200 MK5型阴极发光仪，真空度为0.003 Pa，加速电压为20 kV，速流为0.2 mA。

含铀砂岩岩相学统计结果列于表1，岩石渗透率、密度及孔隙度分析结果列于表2中，岩石化学分析结果列于表3中，表1样品岩性见表3。

含铀砂岩主要为石英长石砂岩，不等粒砂状结构及块状构造为主。石英多呈粒状，具弱的波状消光，少数具有亚颗粒现象，个别被石膏、白云石等矿物交代。阴极发光下石英主要呈弱蓝色，未见生长边。长石基本为斜长石，钾长石少量，斜长石聚片双晶发育，基本无伊利石化等蚀变现象，钾长石总体较新鲜，多为条带长石，个别具格子双晶，偶见蠕英石发育。岩屑大小与碎屑物相当，分布不均匀，主要由石英、斜长石、钾长石聚合而成，具花岗岩岩屑特征。植物碎屑常见，通常砂岩粒度越细则植物碎屑含量越多，有些植物碎屑被黄铁矿等矿物交代并保留原始的腔胞结构。黑云母等暗色矿物少见。含铀砂岩铀矿石胶结物主要有碳酸盐和石膏，且碳酸盐胶结物的形成时间早于石膏。

根据岩相学统计结果（表1），含铀砂岩中碎屑物与胶结物含量均具有较大的变化范围，其中碎屑物平均含量62.81%，总体上多于胶结物。砂岩中石英平均含量12%（约占碎屑物总量的20%），长石含量50.33%（占碎屑物总量70%~80%），个别粉砂岩中植物碎屑的含量可达10%左右，岩屑很少见，多者可达5%左右，黑云母含量一般不超过1%。胶结物中白云石含量为0~29.1%，平均9.76%，含铁白云石含量为0~22.4%，平均9.33%，铁白云石含量为0~17.1%，平均3.20%，石膏含量为0~43.9%，平均12.57%，杂基平均含量2.62%，砂岩中胶结物平均总含量37.19%。

此外，对含铀砂岩开展了全岩X衍射分析结果显示样品中基本不含黏土矿物，或含量很少。

因碎屑物与胶结物含量变化范围很大，且胶结物与碎屑物在成分上明显不同，导致含铀砂岩化学成分也有较大的变化范围（表3）。为了能够直观反映岩石中主要含量的变化规律，形成图2所示的关系图。由于胶结物主要为白云石系列矿物，化学分析结果中碳酸根主要以烧失量（LOI）的形式表示，因此CaO、MgO与LOI呈明显的正相关关系（图2a~b），因含Ca矿物除白云石外，还有石膏等，CaO与MgO总体表现为正相关关系（图2c），但相关程度不如CaO、MgO与LOI高。Na₂O是斜长石重要组成部分，胶结物中基本不含，SiO₂主要是石英及长石矿物的主要组成部分，胶结物中也基本不含，因此Na₂O与CaO、MgO呈明显的负相关关系（图2d，e），而与SiO₂呈明显的正相关关系（图2f）。同理，SiO₂与CaO、MgO及LOI呈明显的负相关关系（图2g~i）。

图  2  塔木素铀矿床砂岩矿石中各组成部分含量变化关系图

Figure 2.  Relationships between different components of sandstone uranium ore in Tamusu deposit

根据塔木素地区地下水特征、含铀砂岩岩石岩相学特征、碳酸盐阴极发光特征，岩石微量元素示踪，并结合区域地质演化，古气候特征及前人研究成果^[14]等综合分析，确认塔木素铀矿床含铀砂岩总体具有盐湖盆地早成岩阶段B期及晚成岩阶段A期的成岩特征。

在早成岩阶段B期形成了以化学胶结作用、水岩作用、溶蚀作用及交代作用为主的成岩特征。1）化学胶结作用，胶结物主要有白云石系列矿物及石膏，此外还有少量杂基。白云石系列矿物包括铁白云石、含铁白云石和白云石。石膏的形成时间要明显晚于白云石系列矿物。混合染色结果显示，白云石、含铁白云石及铁白云石具有明显的空间和成因联系，铁白云石往往出现在核部，多呈自形的菱形、长方形或正方形（图3a，b）。浅蓝色的含铁白云石出现在中间部位，多呈自形—半自形的菱形、长方形，并发育有生长环带（图3b，c）。白云石在最外部，受结晶性质及外部空间的制约，白云石晶形较差，以他形—半自形为主（图3a~c）。受形成环境脉动作用影响，往往可以看到含铁白云石与白云石呈韵律交替产出的现象。上述矿物往往并不同时出现，有时是铁白云石—含铁白云石组合，有时是含铁白云石—白云石组合（图3c），也有时是铁白云石—白云石组合，甚至局部仅为其中的一种。石膏是另一种重要的胶结物，从整体看，石膏通常与白云石系列矿物共同组成混合胶结物（图3a，b），但在局部也可看到全部为石膏或全部为白云石系列矿物的现象（图3c，d）。根据岩相学及扫描电子显微镜观察，石膏总体以书页状的薄片为主（图3e，f）。2）水岩作用，王凤岗等^[12]对比了塔木素地区蚀源区花岗岩及巴音戈壁组上段内的正常砂岩、铀矿化砂岩、砂岩铀矿石中的斜长石成分，结果显示由蚀源区花岗岩、正常砂岩到矿化砂岩、砂岩矿石，斜长石成分具有明显的变化规律，主要表现为CaO含量急剧减少（分别由4.73%、4.90%减少到0.54%、0.35%）和Na₂O含量急剧增加（分别由8.74%、8.53%增加到11.13%、11.58%），斜长石号码急剧降低（分别由An=13.03、An=13.80转变为An=1.20、An=0.76），由更长石转变为较纯的钠长石。在此该过程中因有SiO₂的参与，其含量明显的增加（分别由62.75%、62.71%到67.95%、68.66%），而Al₂O₃含量则明显的减少（分别由22.98%、23.15%减少到19.81%、18.92%）。由于转变过程中钠离子与钙离子是等数量交换的，因离子间质量差异，（CaO+Na₂O）总含量在转变过程中也降低（分别由13.47%、13.43%降低到11.67%、11.93%）。上述现象发生的原因是塔木素地区高矿化度的NaCl型地下水（平均矿化度为35.4 mg/L）^[1]与周边围岩发生的水岩作用所致。通常这种变化在100 ℃～150 ℃便可发生^[15-16]，且随深度的增加，变化程度也更为明显，当达到一定深度斜长石可基本变为钠长石^[17-21]，且这种作用具有广泛性，如鄂尔多斯盆地^[22-23]、四川盆地^[23]、塔里木盆地^[24]、松辽盆地^[15-16,18]等。3）溶蚀作用，除地下水与斜长石之间发生Na⁺与Ca²⁺之间的交换外，地下水对斜长岩具有溶蚀作用，主要表现为两个方面：一是在斜长石表面形成微孔（图4a，b）。二是促使斜长石解理扩大化，形成了以解理为基础发育起来的微裂隙（图4a，c）。4）交代作用，晚期生成的石膏交代早期生成的碳酸盐胶结物（图5a，c）及石英（图5b，c），并形成了典型的交代残余结构。

图  3  塔木素铀矿床含铀砂岩胶结特征

Figure 3.  Cementation characteristics of uraniferous sandstone in Tamusu deposit

图  4  塔木素铀矿床含铀砂岩中斜长石的溶蚀作用

Figure 4.  Corrosion of plagioclase in uraniferous sandstone, Tamusu deposit

图  5  塔木素铀矿床含铀砂岩早成岩阶段B期成岩过程中的交代作用

Figure 5.  The metasomatism of uraniferous sandstone during early diagenesis stage B period in Tamusu deposit

晚成岩阶段A期最主要特征为溶解作用，这种作用仅形成于岩石的局部，系地表酸性水体沿层间下渗，酸性的水体与碳酸盐胶结物发生了化学作用，导致在碳酸盐胶结物溶解并形成了溶洞（图6），有些溶洞中无后期矿物充填（图6a），有些溶洞中充填沥青铀矿等矿物（图6b，c）。

图  6  塔木素铀矿床砂岩铀矿石中的溶洞

Figure 6.  Cavities in sandstone uranium ore, Tamusu deposit

孔隙度、密度及渗透率分析结果（表2）显示塔木素地区砂岩孔隙度低（介于5.4%~21%，平均12.07%），渗透率变化范围很大，最小仅0.018×10^-3 μm²，最大可达1 134×10^-3 μm²，渗透率高可能与岩石中存在后期裂隙有关，岩石平均为渗透率为146.80×10^-3 μm²，总体较差。

塔木素地区含铀砂岩在密度上与我国其他地区典型砂岩铀矿床的含铀砂岩相比无明显差别，由此推断塔木素地区这种特殊的“硬砂岩”在成因上并不是由于“密度差”所致。与我国北方可地浸砂岩铀矿相比，总体上塔木素地区含铀砂岩孔隙度及渗透率均较低，目前技术条件下达不到地浸砂岩所要求的各项指标。

综合分析认为，塔木素地区这种特殊“硬砂岩”的形成与其成岩的环境、成岩特征，特别是大量白云石系列矿物的胶结存在具有密切的联系。

王凤岗等^[1]对地下水分析结果显示，地下水为高矿化度的NaCl型地下水，且与地表水体无论是在化学组成上还是在同位素组成上均具有明显的区别，显然二者并无直接的联系，排除了大规模地表水体补给的可能性。根据其高矿化度的特征推断，其高矿化度水的成因与干旱炎热的古气候有关，并在成岩过程中被封存。同时，高矿化度水可能也与长期的水岩作用有关。

砂岩铀矿石中的胶结物主要为白云石系列矿物及石膏，通过染色剂染色发现，白云石系列矿物形成过程中具有明显的规律性，最早形成铁白云石，然后形成含铁白云石，最后形成白云石，且最早形成的铁白云石、含铁白云石因具有自由的生长空间从而具有很好的结晶形态并具有生长环带现象（图4b，c），由此推断铁白云石、含铁白云石是在静水的环境中经历了长期、缓慢的生长过程所形成。

阴极发光下铁白云石因含铁多而基本无阴极发光的现象^[25-28]，中间的含铁白云石发弱的光或不发光，而最外围不含铁的白云石则具有鲜亮的橙红、桔红等颜色，少量为桔黄色（图7a，c），根据阴极发光特征并结合染色结果判断塔木素含铀砂岩中的白云石系列胶结物具有深埋条件下的准同生成因特征^[25]。

图  7  塔木素铀矿床含铀砂岩碳酸盐胶结物阴极发光特征

Figure 7.  The CL characteristics of carbonate in sandstone⁃type uranium ore, Tamusu deposit

岩石中的一些微量元素或元素组合对判断沉积环境具有一定的指示意义，其中Sr/Ba值可作为古盐度识别的灵敏标志。一般淡水沉积物中Sr/Ba<1，Sr/Ba=1~0.6为半咸水相，Sr/Ba<0.6为微咸水相，而盐湖沉积物中Sr/Ba>1^[29-31]。塔木素铀矿床Sr/Ba值位于0.38~16.9，平均值为2.73，显示塔木素地区成岩的环境为盐湖环境。V/(V+Ni)值可以推断其形成环境及揭示氧化还原发育情况^[32-33]，当V/（V+Ni）>0.84时为高比值，反映水体分层及层底水体中出现H₂S的厌氧环境；当V/（V+Ni）=0.82~0.60时为中等比值范围，反映水体分层不强的厌氧环境；当V/（V+Ni）<0.46~0.60时为低比值范围，反映水体分层弱的贫氧环境。由计算结果可以看出，塔木素地区砂岩V/（V+Ni）值主要介于0.05~0.88，平均值为0.65，显示该地区水体环境总体为分层不强的厌氧环境。受地表水体影响，个别小于0.1。

结合前文综合分析认为，塔木素地区含铀砂岩具有盐湖盆地成岩特征。在白垩纪受干旱炎热的古气候影响，塔木素地区水体经历了长期的蒸发浓缩作用，形成了高矿化度的具有盐湖性质的水体，受后期地质作用影响，碎屑物随水体一起深埋、封存并成岩，从而形成了盐湖盆地的成岩特征。

因成岩作用总体形成于高矿化度碱性的水介质条件中，而在碱性的水介质条件中Si有较高的溶解度，不容易形成Si的沉淀，因此基本没有石英碎屑的次生加大现象。

根据对塔木素地区含铀砂岩的统计结果可知，铀矿化与砂岩的粒度并无直接的联系，铀矿石既有含砾的粗砂岩、粗砂岩，也有中砂岩、细砂岩及粉砂岩。进一步研究发现，铀矿化与成岩过程具有密切的联系，且不同的成岩阶段对铀矿化的形成具有不同的作用。不同成岩阶段的主要成岩特征及其与铀矿化的关系见表4。

1）化学胶结与铀矿化关系，高矿化度水形成的过程中也是U富集的过程，在偏碱性的水体中，U主要[UO₂（CO₃）₃]^4-、[UO₂（CO₃）₂]^2-等碳酸盐络合物的形式存在^[34-38]，且当水中Mg²⁺的含量较高时，铀酰碳酸盐络合物可与Mg²⁺生成非常稳定的MgCO₃·Na₂UO₂（CO₃）₂复盐^[35]。水中碳酸铀酰及复盐的稳定性与水中 C O 3 2 - 浓度有关，当 C O 3 2 - 浓度大于某形式碳酸铀酰的临界浓度值时，该碳酸铀酰在水中处于稳定状态。反之，该形式的碳酸铀酰将离解，从而形成铀沉淀。在白云石等碳酸盐胶结物形成过程中，会消耗地下水中的碳酸根，造成了铀酰离子和复盐形式存在的铀与碳酸根分离（脱碳酸根作用），从而析出铀矿物，形成了沉积成岩期的铀矿化。2）水岩反应与碳酸盐胶结物及铀矿化的关系，水岩作用的结果使斜长石中的Ca²⁺进入到地下水中，可明显增加地下水中Ca²⁺的活度，释放的Ca²⁺优先以碳酸盐的形式沉淀^[39]，Mg²⁺、 C O 3 2 - 一起生成塔木素铀矿床砂岩中的白云石（包括含铁白云石、铁白云石）胶结物，水中 H C O 3 - 浓度对白云石的形成起主要作用^[40]，而水中 C O 3 2 - 与 H C O 3 - 是一种动态平衡的关系，因此，白云石系列矿物生成的过程也是铀沉淀过程，这种变化关系可能是塔木素地区矿石中铀含量与水岩作用强度及白云石系列矿物含量总体呈正比的主要原因。3）溶蚀作用与铀矿化关系，溶蚀作用对铀矿化的贡献主要表现在为铀沉淀提供空间，一是在斜长石表面形成小的微洞（图4a，b），二是沿斜长石解理面形成了微裂隙（图4a~c）。

晚成岩作用A期成岩作用与铀矿化的关系主要表现为3个方面：1）地表水提供了部分铀源，王凤岗等^[1]对塔木素矿床地表水分析结果显示，地表河水中和井水中铀含量均较高，分别为15.2 μg/L和15.4 μg/L，当地表水岩层间下渗过程中可为铀成矿提供部分铀源。2）铀再迁移、叠加作用，由于含 S O 4 2 - 的地表水与碳酸盐胶结物发生化学反应，从而促使早前沉淀的铀发生再迁移、再沉淀，从而在特定的地段形成了铀的叠加。根据大量钻孔岩心观察发现，塔木素地区无明显叠加作用的铀矿化总体铀含量较低，而富铀地段基本都具有叠加现象，在叠加部位形成了塔木素地区最富的铀矿化，最高品位可达1%左右，显然这种晚成岩阶段的叠加作用对塔木素地区富铀矿体的形成具有十分重要的作用。3）改善含铀砂岩渗透性并提供铀沉淀的空间，地表水与碳酸盐胶结物发生的化学反应过程中形成了较多以溶洞等为主的孔隙，从而提高了砂岩的渗透性，有利于氧化—还原作用的进一步发生，同时，反应生成的溶洞为铀的沉淀提供了空间，铀呈球粒状、薄膜状沉淀其中（图6b，c）。

（1） 经岩相学统计，塔木素矿床含铀砂岩主要为石英长石砂岩（石英平均含量12.38%，长石平均含量50.33%），基底式胶结和孔隙式胶结为主，胶结物主要有白云石（平均含量9.76%）、含铁白云石（平均含量9.33%）、铁白云石（平均含量3.20%）及石膏（平均含量12.57%），少量杂基（平均含量2.62%）。铀矿化与砂岩粒度无直接关系而与成岩过程具有密切的联系。

（2） 根据成岩的水介质条件，碳酸盐阴极发光特征，微量元素示踪等综合研究，塔木素矿床含铀砂岩总体上具有盐湖盆地早成岩阶段B期及晚成岩阶段A期的成岩特征。早成岩阶段B期形成了以化学胶结作用、水岩作用、溶蚀作用及交代作用为主的成岩特征，晚成岩阶段B期以溶解作用为特征。受早成岩期化学胶结作用影响，特别是白云石（包括铁白云石及含铁白云石）胶结物的大量存在，从而形成了具有孔隙度低及渗透率低等特征的特殊含铀砂岩，这是塔木素硬砂岩铀矿形成并区别于其他砂岩型铀矿的最主要原因。

（3） 根据成岩特征与铀矿化之间的关系研究，水岩作用是早成岩阶段铀趋向于在特定的层位富集的关键，溶蚀作用形成的微孔洞、微裂隙为铀沉淀提供了空间。在晚成岩阶段，受地表水不仅提供了部分铀源，同时也促使地层中的铀发生了再次迁移、叠加，溶解作用形成的溶洞为铀沉淀提供了空间。