助力鈾資源安全供給 推動“雙碳”目標(biāo)達(dá)成
——記 東華理工大學(xué)聶逢君教授及其團(tuán)隊

◎ 文/何劍鋒 楊東光

鈾資源是低碳綠色核能不可或缺的“糧食”，既是保障民用核能發(fā)展的重要基礎(chǔ)和前提，更是保障戰(zhàn)略核威脅力量的軍工基石。我國鈾礦資源較為匱乏且稟賦不佳，目前還難以完全滿足國家鈾資源安全和國防科技工業(yè)發(fā)展的需要，鈾資源制約我國核工業(yè)發(fā)展的瓶頸一直存在。因此，鈾礦成礦作用的研究和鈾礦地質(zhì)勘查效果等相關(guān)問題已成為我國眾多學(xué)者密切關(guān)注的焦點。

核能是清潔能源，在當(dāng)前世界各國核電占該國總電量比例中，法國最高70.6%，美國20.8%，而中國僅4.9%。我國當(dāng)前在建、擬建核電站的數(shù)量持續(xù)增長，充分展現(xiàn)了我國對核電發(fā)展的期待。“雙碳”目標(biāo)是黨中央作出的重大戰(zhàn)略決策，力爭2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實現(xiàn)碳中和，事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。作為綠色低碳能源，核能在這場社會變革中起到的作用讓人留下無限想象的空間，而核能技術(shù)在零碳低碳領(lǐng)域引領(lǐng)的變革更是讓人期待。根據(jù)《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005-2020）》，目前我國鈾資源的缺口很大，亟需擴(kuò)大鈾資源量。

東華理工大學(xué)博士生導(dǎo)師、江西省新世紀(jì)百千萬人才工程學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人、國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）鈾礦地質(zhì)專家聶逢君教授及其團(tuán)隊，瞄準(zhǔn)國防安全、核能發(fā)展對鈾資源的重大需求，歷經(jīng)20多年努力攻關(guān)，在找礦勘查關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域“卡脖子”的地方下功夫。通過軍用、民用、“產(chǎn)、學(xué)、研、用”相結(jié)合，在砂巖型鈾礦找礦方面取得了重大突破，成績斐然。

夯實理論基礎(chǔ)，激發(fā)原始創(chuàng)新

砂巖型鈾礦亦稱水成鈾礦，是表生氧化流體在透水層滲透過程中，遇還原屏障沉淀富集所致。美、俄學(xué)者建立的砂巖型鈾礦“卷狀”礦體成礦理論，強(qiáng)調(diào)鈾成礦中的擠壓“次造山”、表生氧化流體層間氧化帶作用。然而針對中國北方東部擠壓、伸展交替復(fù)雜的地質(zhì)背景，傳統(tǒng)的層間氧化帶理論存在一定的局限性，如砂巖型鈾礦的礦體形態(tài)絕大多數(shù)都不是典型的“卷狀”形態(tài)。除此之外，礦床中還發(fā)現(xiàn)了大量的與表生流體作用不相關(guān)的低溫?zé)嵋旱V物等；鈾成礦并非單次“次造山”擠壓掀斜所致，而是多期“擠壓-伸展”構(gòu)造疊合造成。因此，單階段、單模式的“卷狀”鈾成礦理論不適用于我國北方中東部沉積盆地中砂巖型鈾礦，亟需建立新的鈾成礦理論來指導(dǎo)盆地鈾資源勘查的突破。

聶逢君教授研究團(tuán)隊，首次提出了“先氧化后改造”雙重成礦理論：打破盆地砂巖型鈾礦單一表生氧化流體致礦，建立了表生氧化成礦疊加后期熱流體成礦新理論；提出了“先擠壓后伸展”雙重構(gòu)造控礦新認(rèn)識：打破了盆地砂巖型鈾礦單一“次造山”掀斜控礦作用，創(chuàng)立了“擠壓-伸展”構(gòu)造雙重疊合的 “雙階段雙模式”成礦理論，建立了區(qū)域擠壓背景下表生氧化流體成礦和大規(guī)模伸展背景下熱流體疊加的“雙階段雙模式”成礦新模型。并以此模型為指導(dǎo)，在我國巴音戈壁、二連、開魯?shù)缺狈街袞|部盆地和非洲尼日爾Tim Mersoi盆地中開展 “雙階段雙模式”理論適應(yīng)性研究。

第一階段，層間滲入氧化成礦階段。晚白堊世晚期-古近紀(jì)早期的擠壓作用伴隨著強(qiáng)烈的構(gòu)造反轉(zhuǎn)，造成了含礦目的層抬升剝蝕，在盆地邊緣出露地表，并接受表生含鈾含氧流體的滲入。來源于鈾源區(qū)的含鈾含氧流體在透水砂巖中持續(xù)徑流、排泄，在氧化還原過渡帶，鈾被還原、吸附富集，形成“卷狀”鈾礦體（圖1A）。

圖1 我國北方中東部沉積盆地“雙階段雙模式”成礦模型

第二階段，熱流體疊加改造成礦階段。古近紀(jì)晚期以來，盆地進(jìn)入再次伸展階段，構(gòu)造活動強(qiáng)烈，各盆地均有大規(guī)模基性巖漿活動，伴隨巖漿活動的熱流體沿斷裂上升，熱流體與含礦層相互作用，導(dǎo)致大量熱液蝕變礦物出現(xiàn)，同時原有的鈾礦體被強(qiáng)烈疊加改造，礦體形態(tài)由“卷狀”改造為“板狀”或“透鏡狀”等（圖1B）。

突破關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)0到1轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)認(rèn)識上，砂巖型鈾礦最為明顯的標(biāo)志是氧化帶的發(fā)育，氧化帶發(fā)育的強(qiáng)度越大、范圍越寬、時間越長對成礦作用越為有利，因為在這種條件下鈾更容易被氧化為U6+狀態(tài)進(jìn)行遷移、聚集。所以，前蘇聯(lián)和中亞地區(qū)針對此類礦床的找礦方向就是追蹤氧化帶發(fā)育的方向，礦體通常形成于氧化還原過渡帶，即氧化前鋒線附近。隨著前蘇聯(lián)層間氧化帶前鋒線找礦技術(shù)引入我國，在北方6大盆地砂巖型鈾礦找礦過程中發(fā)揮了重要作用，然而隨著勘查的不斷深入，傳統(tǒng)的層間氧化帶前鋒線找礦技術(shù)存在一定的局限性，其主要針對層間氧化帶卷狀礦體有效，而對尼日爾、中國北方東部盆地砂巖型鈾礦效果不明顯。

尼日爾是世界著名鈾礦產(chǎn)地，其北部令人生畏的茫茫大漠上，沒有什么地標(biāo)性的建筑，卻有豐富的鈾礦資源。在阿巴拉卡（Abalak）和阿加德茲（Agadez）之間的輔路上，哪怕只是開車行上幾百英尺，也不得不擔(dān)心司機(jī)難以回到高速路上。聶逢君教授研究團(tuán)隊在Tim Mersoi盆地中阿澤里克鈾礦找到非表生氧化流體作用證據(jù)，勘查結(jié)果表明，阿澤里克砂巖型鈾礦由三個小礦床組成，即T礦、G礦、IR礦。聶逢君教授團(tuán)隊克服了在非洲工作的種種困難，通過野外露頭地質(zhì)調(diào)查，利用鉆孔巖心觀察、測井曲線分析，結(jié)合阿加德茲盆地區(qū)域構(gòu)造、巖相演化分析，認(rèn)為阿澤里克礦床中，無論是G礦、T礦，還是IR礦，鈾礦化均賦存在阿薩烏阿組砂巖中（該砂巖沉積于濱淺湖環(huán)境，是砂壩相產(chǎn)物）。尼日爾項目（2008）是中國鈾資源勘查走向海外市場的第一個項目，戰(zhàn)略意義非同一般，帶動了后來整個非洲、澳洲、美洲市場的發(fā)展，為走出國門在海外開展鈾礦找礦與研究工作開辟了道路，為我國鈾資源儲量提供了重要補(bǔ)充。

目前鈾資源勘查已向“功深找盲”攻關(guān)，而傳統(tǒng)找礦方法是圈定異常、追蹤砂體、鉆探驗證，但周期長、效率低、成本高，因此研發(fā)一套高效的找礦方法組合迫在眉睫。團(tuán)隊通過聯(lián)合攻關(guān)，針對不同類型砂巖型鈾礦，開展了“模型+”地球物理、構(gòu)造識別、砂體追蹤等找礦組合關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，針對不同沉積環(huán)境下形成的目的層砂體，研發(fā)集成了辮狀河、濱淺湖和辮狀三角洲等3種沉積環(huán)境下砂體的鈾礦找礦模式，總結(jié)為“模型+”找礦法。

其一，辮狀河砂巖型鈾礦找礦模式（“模 型+” + CSAMT+沉 積 微相+地面高精度重力+土壤熱釋光）：CSAMT確定河道及砂體分布范圍，沉積微相解析圈定含礦砂體范圍，地面高精度重力解譯斷裂及砂體，判斷熱流體通道，土壤熱釋光的“雙峰夾一低”形態(tài)直接判定礦體；其二，淺埋藏濱淺湖砂巖型鈾礦找礦模式（“模型+”+車載伽馬能譜+沉積微相+隆凹構(gòu)造格局+遙感斷裂解譯）：車載伽馬能譜圈定區(qū)域鈾異常范圍，沉積微相識別控礦砂體，隆凹構(gòu)造格局判斷鈾礦體的區(qū)域分布范圍，遙感斷裂解譯厘定控礦構(gòu)造及流體通道，綜合判定礦體分布范圍；其三，辮狀三角洲砂巖型鈾礦找礦模式（“模型+”+鈾源+淺層地震解譯+沉積微相+高精度重力）：辮狀三角洲毗鄰蝕源區(qū)，蝕源區(qū)豐富的鈾源是找礦的前提，淺成地震解譯判斷含礦目的層砂體，沉積微相解譯圈定“指狀”交錯砂泥部位，地面高精度重力解譯辮狀三角洲前緣斷裂，判斷熱流體通道，確定礦體分布范圍。

預(yù)測實效顯著，儲量明顯增加

通過應(yīng)用驗證，效果評價，模型修正等多次探索研究，創(chuàng)立的“雙階段雙模式”鈾成礦理論和建立的不同類型砂巖型鈾礦“模型+”找礦模式在我國二連、開魯、巴音戈壁等盆地和尼日爾阿加德茲盆地得到廣泛應(yīng)用，通過勘探鉆孔，施工了722個孔（其中工業(yè)孔313個，礦化孔178個），平均見礦成功率68%，特別是巴音戈壁盆地見礦成功率達(dá)81%，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

其中，利用辮狀河砂巖型鈾礦找礦模式（A）在二連盆地哈達(dá)圖地區(qū)開展了找礦效果驗證，驗證鉆孔221個，66個工業(yè)孔，55個礦化孔，在此基礎(chǔ)上劃定進(jìn)一步找礦區(qū)，目前初步控制了一個大型礦床;利用辮狀河砂巖型鈾礦找礦模式（B）在開魯盆地的大林-雙寶地區(qū)開展了鈾資源勘查，勘探鉆孔122個，工業(yè)孔23個，礦化孔61個，目前已經(jīng)控制了一條超大型成礦帶；利用辮狀三角洲砂巖型鈾礦找礦模式（C）在巴音戈壁盆地的塔木素及外圍地區(qū)開展了鈾資源勘查與找礦效果驗證，驗證鉆孔296個，工業(yè)孔190個，礦化孔50個，利用新理論和新技術(shù)組合在該沉積盆地中見礦率最高；利用淺埋藏濱淺湖砂巖型鈾礦找礦模式（D）在尼日爾阿加德茲盆地阿澤里克地區(qū)預(yù)測了一級成礦遠(yuǎn)景區(qū)2處，中核海外鈾業(yè)有限公司在遠(yuǎn)景區(qū)內(nèi)開展鉆孔驗證，驗證鉆孔83個，工業(yè)孔34個，礦化孔12個，效果顯著。

項目在砂巖型鈾成礦理論與找礦關(guān)鍵技術(shù)方法上形成了自主知識產(chǎn)權(quán)25項；出版了《非洲尼日爾特吉達(dá)地區(qū)鈾成礦作用與預(yù)測》《二連盆地古河道砂巖型鈾礦》及《二連裂陷盆地“同盆多類型”鈾礦》等系列專著5部；發(fā)表論文200多篇，其中SCI/EI檢索論文40余篇；獲中國核能行業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎，中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果一等獎，國防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎，中國核工業(yè)地質(zhì)局鈾礦地質(zhì)成果一等獎等省部級科技獎4項。培養(yǎng)了博士研究生20余人，碩士研究生130余人，其中大多數(shù)畢業(yè)研究生正在從事鈾礦勘探方面的工作，為我國國防科技和核能持續(xù)發(fā)展作出重大貢獻(xiàn)。

面向產(chǎn)學(xué)研用，拓展找礦空間

聶逢君教授團(tuán)隊研究認(rèn)為，砂巖型鈾礦早期成礦雖然受構(gòu)造及水動力條件、沉積相、氧化帶、鈾源、還原劑等因素控制，表生氧化流體形成的氧化帶是重要的標(biāo)志，但在中國東北、乃至整個東北亞地區(qū)，由于特殊的區(qū)域地質(zhì)背景下，先伸展成盆，后擠壓反轉(zhuǎn)表生氧化流體成礦，再次伸展巖漿活動與熱流體疊加成礦，致使先前形成的氧化帶型鈾礦化受到后期的熱流體疊加改造，鈾在砂巖中進(jìn)行了再次分配，礦體的形態(tài)、規(guī)模、品位、位置均發(fā)生了較大的變化，礦化在一定程度上表現(xiàn)出與后期斷裂活動和基性巖漿作用相關(guān)，這是在中國東部盆地區(qū)找尋砂巖型鈾礦要密切關(guān)注的重要問題。

聶逢君教授團(tuán)隊創(chuàng)立的“雙階段雙模式”鈾成礦理論和建立的不同類型砂巖型鈾礦找礦模式在我國二連、開魯、巴音戈壁等盆地和尼日爾阿加德茲盆地已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。東北亞類似的盆地還有很多，如海拉爾盆地、孫吳-嘉蔭盆地、阿穆爾-結(jié)雅盆地、蒙古的塔木察格盆地、喬巴爾盆地、賽音山達(dá)盆地等，這些盆地在演化過程中由于后期再次伸展作用，均發(fā)育明顯的基性巖漿作用，因此“雙階段雙模式”鈾成礦理論的建立對于擴(kuò)大找礦空間，具有廣泛的應(yīng)用前景。