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美西德州钙结岩型铀矿床的发现及其启示
刘继顺
2019-08-17
摘要：在美国西部德州南部高原区，一小型勘探公司于1970年代中期发现了两个钙结岩型铀矿床。在2015年，美国地质调查所获悉后，通过实地核查，于2017年公布了Buzzard
Draw和Sulphur Springs
Draw铀矿床资料。这两个铀矿床产于三叠系之上的更新世盐湖沉积的钙结岩中，与西澳和纳米比亚钙结岩型铀矿床特征相似，但基底岩石却完全不同。德州南部高原钙结岩型铀矿床的发现，为中国西北部类似地质环境中寻找钙结岩型铀矿，具有很好的启示意义和借鉴价值。
一、引言
1972年11月28日，西部矿业有限公司（WMC公司，2005年并入BHP Billiton
公司）董事长Clark宣布，他们在西澳Yilgarn克拉通干旱的古河道钙结岩中，控制了4.6万吨U3O8的钒钾铀矿床-超大型Yeelirrie富铀矿床（Clark
L.，1972）；1982年，WMC公司更新的探明铀矿石储量3500万吨，U3O8的平均品位0.15%，U3O8总量5.25万吨（Needham
S.，2009）。从此，一种新类型铀矿床—钙结岩型（calcrete，又称表生型Surficial）铀矿床(IAEA,
1984)，引起了矿床学界与勘查学界的高度关注。
迄今报道的钙结岩型铀矿，除Yeelirrie铀矿外，还有西澳的Lake Way、
Centipede、 Thatcher Soak和Lake Maitland铀矿，以及南部非洲纳米比亚中部沙漠的Langer
Heinrich、Trekkopje, Tubas 和 Aussinanis铀矿（Langforda F. F. ，1974；Mann
A.W.等,1974；Butt C.R.M.等，1977，1984；Carlise D.等,1978，1984；Cameron
E.等,1980，1984；Becker E.等,2009；Liu
S.F.等，2011）。但目前进入工业开发的，只有Yeelirrie铀矿。2019年4月，Yeelirrie铀矿山已经获得澳大利亚联邦环境与能源部的环境许可证，预计未来15年内年产3265
吨U3O8。
这类钙结岩型铀矿床产于太古代克拉通基底之上的深度风化富铀花岗岩、白岗岩和绿岩带，干旱或半干旱气候区，第三纪至现代古河道与盐湖沉积物中的非成土作用形成的钙结岩（方解石、石膏、白云石、氧化铁、硅质或石盐所胶结的沉积物或土壤）内，距地表不超过30米，主要由钒钾铀矿所组成。
2015年，美国地质调查局（USGS）获释了德州南部高原地区两处之前所发现而从未报道过的钙结岩型铀矿床-Buzzard
Draw和Sulphur Springs Draw铀矿床的资料（Gosen B.S. & Hall
M.S.，2017)。这两个铀矿床与西澳和纳米比亚的钙结岩型铀矿床相似，但基底岩石却完全不同。德州南部高原钙结岩型铀矿床的发现，为中国西北部类似地质环境中寻找钙结岩型铀矿，具有很好的启示意义和借鉴价值。
二、美西钙结岩型铀矿发现历程
1．
砂岩型红层铀矿找矿阶段（1960年代-1972年）
Kerr
McGee公司（一家初级矿业勘查小公司），1960年代初，开启了德州南部高原区的找铀历程（图1）。最初的勘查目标是Midland盆地二叠系-三叠系不整合面内的铀矿床，目标层为上三叠统Dockum群。依据是Dockum群的岩性和沉积相，类似于犹他州东南部与亚利桑那州东北部的三叠系Chinle组含铀红层和河相地层，认为具有科罗拉多高原的Lisbon河谷铀矿（Wood，1968）的找矿潜力。
在德州西部的Midland盆地区，Kerr
McGee公司最初瞄准了Garza县东北部（德州Slaton南东东约65公里，图2），该区拥有上三叠统Dockum群内的4个先前圈定的铀成矿远景区。
据Kerr
McGee公司1979年4月5日的内部报告：（1）邻近的Lynn县，铀矿床正西面（德州Slaton以南约6-8公里），几口油井的测井发现有伽马射线异常，岩芯编录发现基底上三叠统Dockum群砂岩厚度最大；（2）本区钻探的水井表明，同一层位的地下水含有异常高的铀和镭。因此，Kerr
McGee公司对德州西部的Lynn和Terry县的7个找铀远景区开展了钻探。然而。钻探结果令人沮丧：在已施工的122个钻孔中，只有9个孔具有放射性异常，而放射性异常强度无一超过背景值的两倍。
2、钙结岩型铀矿化线索的发现
1973年5月，Kerr
McGee公司开展了德州南部高原与西澳Yeelirrie地区对比研究，认为本区的地质、古地理和古气候条件与西澳的Yeelirrie铀矿床相似，因此将勘查重点，转到探索Yeelirrie式铀矿上来（Carlisle，1978；Cameron，1984）。
Kerr
McGee公司投入了ARDA（机载放射性探测设备）技术，对南部高原开展了航空区域放射性普查，结果发现了德州南部高原东缘Ogallala
Caprock悬崖边缘的数个放射性异常区。
其中德州Slaton湖以东约10公里的Yellow House
Canyon的航空放射性异常，高达背景值的1.5至2倍（图2）。经Kerr
McGee公司地质学家实地调查，发现了含铀的Ogallala期河道含砾砂岩。含砾砂岩和绿色粉砂岩露头的采样分析显示，U3O8含量为0.034%至0.053%。接着，施工了深度不超过30米的27个浅钻。虽然只有6个孔无矿化显示，但钻遇到的最高铀矿化只有0.028%的U3O8。因此，放弃了Slaton湖附近的勘探。
图1.南部高原省及Sulphur Springs Draw与 Buzzard
Draw铀矿床分布图
图2.
Sulphur Springs Draw和Buzzard
Draw（Kerr-McGee公司1970年代中期发现）铀矿床分布图
图3.德克萨斯西部的南部高原区地质简图（Barnes 等，1992)
3、Sulphur
Springs Draw钙结岩型铀矿的发现
Kerr McGee公司的航空放射性测量表明，Sulphur
Springs东面具有显著的放射性异常群（图2和3）。
经Kerr-McGee公司的地质学家施工的槽探验证，在Ogallala期钙结岩中，发现了明显的黄色钒钾铀矿露头，U3O8含量高达0.05%。探槽中的铀矿化，呈黄色和绿黄色铀矿物斑点产出。这些铀矿物斑点（单个铀矿化斑点直径通常不超过5
cm），遍布极细粒到细粒钙结砂岩砂粒、孔洞和小裂缝表面上（图4）。
接着他们在Sulphur Springs
Draw矿区，至少施工了669个孔深不超过30米的浅孔（图5）。通过放射性测井、地质编录和分析化验，圈定了铀矿床的地下范围（图6，图7），估算了铀矿石资源量（矿石量20.97万吨，平均品位0.037%
U3O8）。
工艺矿物学及元素赋存状态研究表明，U3O8品位区间为0.021–0.274%。主要铀矿物为钒钾铀矿，以颗粒覆膜、空洞填充物和断层覆膜形式产于盐湖相沉积物钙结粉砂岩和钙结质泥岩中；次要铀矿物为钒钙铀矿（Tyuyamunite，【Ca（UO2）2（VO4）2•5–8H2O】）和锶（Sr）、铀和钒【（Sr，Ca）（UO2）2（Vo4）2•5–8H2O及菱形晶粒的混合物】铀矿物。脉石矿物有白云石、方解石、伊利石、蒙脱石、天青石、长石等。矿层总厚达30
m，直接位于三叠统红层粘土岩和粉砂岩上（图7）。钻孔以穿切三叠系顶部1-2米而终孔。
图4.
德州Sulphur Springs
Draw矿床西缘附近探槽中的黄色和绿黄色铀矿化露头，铀矿化呈薄膜状分布于钙结岩表面
图5.
Sulphur Springs Draw铀矿区勘探钻孔分布图（Kerr-McGee公司，1977年1月）
图6.
Sulphur Springs Draw铀矿剖面图，示钻孔、岩性和放射性测量结果（Kerr-McGee公司）
图7.
Sulphur Springs Draw铀矿床钻探所圈定的地下范围（黄色）
图8.
Sulphur Springs
Draw矿床铀矿化扫描电镜及X射线能谱图像，示菱形晶体-钒钾铀矿、楔状晶为锶-铀-钒矿物，蚀变外圈为锶-钙碳酸盐矿物
4、Buzzard
Draw钙结岩型铀矿的发现
Buzzard Draw矿区，最初引起Kerr
McGee的注意，是因为航空放射性异常及油井伽马测井异常。这是一片湖泊沉积物区。穿过湖相沉积物的井水样品，显示出高铀浓度，如35
ppb、41 ppb、150 ppb、350 ppb和520
ppb。其中离钻探区域约0.8km的井水样品含770ppb铀。沉积物土壤伽马计数是背景值的两到三倍。
放射性异常地面检查，在Buzzard Draw的Buzzard
Creek发现了铀矿化的地表露头（矿床东缘），U3O8含量0.003%至0.013%。随后施工了至少305个孔深不超过30米的浅孔（图9和10）。钻探表明，Buzzard铀矿床很可能延伸到更远的北方，只是本区的土地所有者不允许Kerr
McGee继续勘探。
Kerr McGee公司估计Buzzard
Draw矿床总共探获92.8375万吨矿石，平均含U3O8为0.047%。铀矿化主要产在散布有石英卵石的细-中粒钙结粉砂岩和泥质砂岩单元中。富铀段通常位于下伏上三叠统Dockum群红层接触处或附近。
5、其它地区的勘探
1970年代，Kerr McGee公司在Sulphur
Springs Draw和 Buzzard Draw矿床附近，施工了数百个勘探孔（图11）。然而，除了Sulphur Springs
Draw和 Buzzard Draw矿床外（图7和10），Kerr
McGee公司没有发现其他的铀矿床，勘探工作于1981年结束。
图9.
Buzzard Draw矿床区施工的钻孔（红点）分布图（Kerr-McGee公司，1978年11月）
图10. Buzzard
Draw铀矿床钻探揭示的地下铀矿化（黄色）范围图
图11.
Kerr-McGee公司1970年代对德克萨斯南部高原区施工的钻探分布图（红点）
三、美西钙结岩型铀矿产出地质背景
目前美国已发现的两个钙结岩型铀矿，位于南部高原省的东南部。南部高原，又称“Llano
estacado”或“staked
plains”，通常与Ogallala组的出露范围相吻合，大致包括二叠纪Midland盆地的北半部。该省东部和西部以盖层悬崖为界，北部以Canadian河为界；往南进入Edwards高原（图1，图2，图3）。南部高平省大部分位于德州西北部，但其西侧延伸至新墨西哥州东南部。主要盖层是厚达5米厚的钙结岩层。
南部高原露头岩石，主要是平卧的上三叠统Dockum群，下白垩统Edwards灰岩、Comanche
Peak灰岩、Walnut组和Antlers砂岩组，中新统-上新统Ogallala组（群），下更新统Blanco组，中更新统Tule组，上更新统Blackwater
Draw组和Tahoka组，以及全新世沉积物（图3和图12）。已发现的Buzzard Draw和Sulphur Springs
Draw铀矿床，产于晚更新世盐湖环境中沉积的弱固结沉积岩中的钙结岩中。
图12.南部高原省出露的地层柱状图，示铀矿床产出有关的地质环境（Holliday1989；Murry
1989).
四、美西钙结岩型铀成矿特征
美西所发现的Buzzard Draw和Sulphur
Springs
Draw钙结岩型铀矿，与西澳Yeelirrie典型钙结岩型铀矿床相比，规模较小，铀品位较低，但成矿地质背景与矿化特征十分相似：
1)南部高原的更新世古地理和沉积环境,与西澳铀矿床形成环境相似；2)主要铀矿石矿物，为钒钾铀矿；3）容矿岩石为钙质湖相沉积物（钙结岩）；4）沉积期间气候为干旱到半干旱条件；5）具低坡内陆地理环境；6）矿层深度浅，常见于地表下10-20
m范围内。
Buzzard Draw和Sulphur Springs
Draw矿床发现表明，德州南部高原仍具有良好的钙结岩型铀矿床的找矿潜力，很有可能隐伏在广布的Blackwater组覆盖之下。
前人的勘探缺陷在于：（1）机载飞行线距过稀（潜在矿区可能未被飞行线穿过）；（2）机载穿透的浅层深度辐射测量灵敏度低（无法检测到土壤或黄土等0.5
m盖层下的放射性异常）；（3）后续地面测量难以获得土地使用权；（4）在某些区域内，用于化学分析的水井分布稀疏。
铀矿化主岩层系更新世盐湖相沉积物，以泥晶白云石为主，伴生有大量的天青石（SrSO4）。钙结岩层呈碗状，与浅湖相沉积的典型形态相吻合，浅湖沉积直径达数公里，厚度可达30米。南部高原的古地质、古地理和古气候表明，在更新世间冰期间，区内存在着更新统Tahoka组盐湖地层及已消失的更新世Lomax盐湖（图3）。非矿化泥晶白云岩基质的初步铀系定年结果，Sulphur
Springs Draw 矿床的主岩钙结岩年龄为19万年（Hall等，2016）。然而，紧邻Sulphur Springs
Draw矿床的Lava Creek B火山灰层（631±4
ka,40Ar/39Ar法，Matthews等，2015）。
铀成矿过程可能是，大约19万年前形成的细粒白云石基质中，发生了铀矿化的细粒浸染；随后（全新世）引入了次生铀钒矿化作用。早期共生的钒钾铀矿浸染于微晶白云岩的小孔隙中，或以膜状覆于白云石颗粒表面和细脉上。在晶洞区和薄裂面上，沉积了由钒钾铀矿、铀锶钒矿物、天青石和锶-钙碳酸盐组成的后期结壳。初步铀系定年结果表明，铀钒矿物（钒钾铀矿）和铀-锶-钒矿物共生的晚期结壳可能形成于5
ka左右。容矿的微晶白云石可能代表了海洋同位素第7间冰期条件下盐湖沉积物中碳酸盐的沉积。形成结壳的较年轻的铀-钒和铀-钒-锶矿化，可能代表了下伏较老岩层中的高铀和钒的再活化，以及（或）独立流体的加入，将额外的铀和钒带入成矿系统。
铀和钒最有利的来源是位于钙结岩层之下并与之直接接触的上三叠统Dockum群。该区的Dockum群局部含有大量的铀矿点和小型矿床（Hayes，1956；Finch，1975）。如Garza县Dockum群中的小型铀矿床，北东距Sulphur
Springs Draw 和Buzzard
Draw矿床约100公里。Dockum群矿床中铀钒矿化呈钒钙铀矿tyuyamunite和变钒钙铀矿metatyuyamunite。除Dockum群外，现已发现的中更新统Tule组上部火山灰层（Lava
Creek B，年龄为631±4 ka），也提供了铀的潜在来源。
Ranalli和Yager（2016）利用美国地质勘探局计算机软件PHREEQC，通过南部高原区典型地下水的渐进蒸发，模拟了铀和钒浓度饱和到足以沉淀出钒钾铀矿的可能性。计算表明，在以下三种条件下，通过地下水的蒸发可以达到钒钾铀矿的饱和条件：（1）初始水化学主要由Ca-Mg-SO4或Ca-Mg-双碳酸盐控制；（2）开放的二氧化碳系统；（3）在方解石沉淀之后，钙的浓度超过了碳酸盐的碱度。这些边界条件完全可以在更新世盐湖时期达到。
图13 Sulphur Springs
Draw矿床西缘附近探槽中的黄色和绿黄色铀矿化露头，铀矿化呈薄膜状分布于钙质粉砂岩表面
五、对中国钙结岩型铀矿的勘查启示
自1970年代，钙结岩型铀矿概念引入至中国后，中国铀矿地质工作者对钙结岩型铀矿进行了大量探索，至今尚未发现。特别是21世纪以来，中国铀矿地质工作者，将主要精力集中在原地可地浸砂岩型铀矿之上，但未报导有近地表的钙结岩型铀矿。
部分地质工作者认为，中国可能不具有西澳与纳米比亚那样的钙结岩型铀矿的成矿条件，因为中国西北地区干旱-半干旱地区的地壳活动性强,
良好的准平原化地形不发育; 从老至新各时代地层出露齐全, 长期上升受风化剥蚀的古老地块出露零星, 古铀源层不能充分暴露使铀活化迁移;
钙结岩多覆盖在中生代和部分古生代的沉积岩或浅变质岩系之上,
要经过前后两次蒸发富集过程而成矿。而西澳与纳米比亚含矿钙结岩层直接不整合覆盖在前寒武系之上, 铀来自古老基底经毛细蒸发作用富集成矿,
未经沉积阶段的贫矿化层（李克让，1990）。
然而，这种观点值得商榷。理由是：美西德州钙结岩型铀矿床，含铀钙结岩层并非直接产于古老的基底之上，而是三叠纪地层之上的盐湖沉积区。类似于德州南部高原的钙结岩型铀矿成矿环境，在中国西北干旱-半干旱第三纪至现代盐湖区大量存在，如新疆罗布泊盆地、哈密盆地、吐鲁蕃盆地和准噶尔盆地等、青海茶卡盆地、柴达木盆地、内蒙二连盆地、甘肃等地。
勘查突破建议：
1、根据1：20万和1：5万区域地质调查资料，优选出潜在的第三纪-现代盐湖与河道沉积区；
2、利用无人机，尽可能贴近地面的区域放射性扫面，捕捉区域放射性异常群（区）；
3、利用油田油井或水井的放射性测井资料及地面放射性异常查证，及土壤铀、钒、锶地球化学查证，进一步缩小勘探靶区；
4、探槽检查；
5、系统钻探，孔深不超过50米。
六、钙结岩及钙结岩型铀矿概念
钙结岩：英文名为calcrete，同义词Caliche，kankar，hardpan（硬土层）,
duricrust（硬壳层，钙质壳）和calcic
soil（钙质土）。相关的名词有Gypcrete膏结岩，Dolcrete白云结岩。
Caliche一词源于西班牙语，意为由碳酸钙胶结而成的多孔物质，意指破碎的物质或岩层通过胶结物将它们紧密地胶结在一起。
钙结岩的现代定义是：系指其内颗粒物通过沉淀在孔隙间的矿物质（通常为碳酸钙）而胶结在一起的浅表层土壤或沉积物。胶结物除碳酸钙（方解石），还可有碳酸镁（白云石、菱镁矿）、硫酸钙（石膏）、二氧化硅、氧化铁和上述物质的混合物。钙结岩是是世界各地干旱或半干旱地区的常见特征。
典型的钙结岩呈白色、灰色、棕色和红棕色。如果所胶结的颗粒大小适中的话，则发育良好的钙结岩外观可能类似于砾岩、角砾岩、介壳灰岩或砂岩（钙结砾岩、钙结砂岩）。若土壤或沉积物颗粒间的空隙被胶结物充满并牢牢固定的话，则钙结岩是一种非常坚硬、致密、较重且抗风化的材料。若胶结不好，则为易脆碎物质。在侵蚀区和露头上，发育良好的钙结岩通常突出地表，呈胶结良好的沉积物或土壤，其下为松散易碎岩石。有时它覆盖于未胶结的表土之上，植物根系可能无法穿透发育良好的钙结岩。
钙结岩，均形成于干旱-半干旱气候条件下，由三类地质作用形成的:成土作用、非成土作用和植物抽吸作用。
1）成土作用（Pedogenesis）
因风化作用，碳酸钙从上部表土层淋滤出来并向下渗透。溶解的碳酸钙也可被输送到地表泾流处，接着渗入土壤。然后碳酸钙沉淀在较深的土壤层内，形成钙结岩层。首先，碳酸钙作为小颗粒或沉积物与土壤颗粒的薄膜，沉淀颗粒表面。随着颗粒薄膜的增厚，相邻的颗粒将被胶结在一起，形成由多个颗粒组成的结核及其周围的胶结物。随着胶结的继续，可能会形成一个连续的地下岩层，最终形成固结的钙结岩。钙结岩可变得非常致密和不透水，能够阻止地表水向下渗透及风或水的侵蚀。整个钙结岩层在顶部密度最高，向下密度降低。高级钙结岩层可形成厚度超过1米、横向达数百平方公里或更大的表层岩盖。
2）非成土作用（Nonpedogenesis）
通过毛细作用，地下水向上运移而形成一些钙结岩。随着水分的蒸发，水中所溶解的物质沉淀出来，且随着时间的推移，会使土壤或沉淀物胶结。
3）植物抽吸作用
植物从地面提取水并将其蒸发到大气中。由于植物会去除大量的水，但植物不会去除水中的矿物质，这些矿物质会浓集在地下水中。当矿物质浓度足够高或蒸发时，矿物质开始沉淀，并随时间的推移而形成钙结岩。这类钙结岩通常形成于植物根系之下。
钙结岩型铀矿（Calcrete Uranium
Deposits）：是指在干旱-半干旱气候条件下，产于河道相及盐湖相非成土作用形成的钙结岩内的地表铀矿床。成矿时代大多为第三纪至现代。
钙结岩型铀矿，又名表生铀矿床（Surficial
Uranium Deposits）。
图14.典型钙结岩
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