水流万古铀成藏

李效广

中国地质调查局天津地质调查中心

铀矿是原子弹和核电站的粮食。起初，这些粮食取自于坚硬的铀矿石中；不过，随着采铀工艺的进步，现在则主要取自并不坚硬、反而是疏松且渗透好的砂岩中，这类铀矿被称为可地浸砂岩型铀矿，是因水而形成的矿藏。

砂岩型铀矿成矿过程中，铀与水的互动类似一场的风花雪月的故事：地表及浅层岩石中的铀元素遇水而溶解（水与铀相识），形成含铀水（相爱而相伴），含铀水继续运移中，遇到渗透性好的砂岩时，便渗入地下（结伴旅行），之后，在富含还原介质的地方时，铀就会从水中析出沉淀（铀受第三者诱惑，与水分手，驻留不前），随着含铀水源源不断流续至此，滞留的铀越积越多，终成铀矿。其时间跨度上万千亿年，运移距离可达百千公里。大自然之微妙玄通，不可思议。对其究竟，笔者试作粗浅解读。

 水：善利万物的流体

表面上看，世界万物形态各异，但其实都由原子组成。不同类型的原子，通过其外层电子的跳跃偏移，有的彼此间可以像榫卯一样，“镶嵌”起来，组合形成化合物。

水，化学式为H₂O，最简单的化合物之一，水分子由两个氢原子与一个氧原子组成。它是最常见的液体，却又最不寻常。我们日常接触到的用水，包括自然界中的河流、湖泊、大气水、海水、地下水等天然水，不是只含有氢与氧的纯水，而是含有其他各类化学物质的水。

纯水是中性的，温和的，但水又会流动，流动着的水溶入化学元素，水中不同元素相互结合，水就更有活力，水与铀等元素的互动，便精彩起来。

铀：活泼的重量级元素

铀，符号U，是自然界中最重的元素。铀虽然重，但它却有活泼的性质，易容于水。

水中的铀原子，其实都是铀离子，即失去电子的铀原子。铀离子带正电，多呈+2价、+4价或+6价的价态。铀离子又不易单独存在，总是与其他离子结合，形成更复杂的离子团。

铀离子的这种多价态特点，决定了它容易“变身”。六价铀离子（U⁶⁺），电价高，争夺水中氧离子O^2-的能力强，因此，铀在水中会从氢氧根离子（OH^-）中夺取O^2-，形成铀酰离子（UO₂²⁺）。铀酰离子在一定条件下，容易变成四价铀离子（U⁴⁺），四价铀与六价性质不同，它不易迁移，易于沉淀。铀的六价离子和四价离子是铀成矿过程中的主要形态。

铀与氧原子两两“榫卯”形成的铀酰配合物示意

还原剂：铀与水“分手”的始作俑者

铀酰离子（UO₂²⁺）易溶于水而流动不止，但六价铀（U⁶⁺）变成四价铀（U⁴⁺）后，铀便与水分离而沉淀。因此，六价铀变四价铀，是铀矿形成中最关键一步。这一步，由称为“还原剂”的物质参与来完成的。

对铀而言，自然界中的还原剂主要分为两类。一类是烃类化合物，一类是H₂S、H₂等气体。

烃类化合物是由碳（C）与氢原子（O）等构成，是诸如含有-OH、-COOH、-CO-等带负电子的离子团，它们表现出对带正电荷的铀离子有较强的吸附作用，因此它们有利于铀离子被吸附沉淀而成矿。煤、石油、天然气中富含烃类化合物。

H₂S、H₂等气体易富集于微生物、有机质、炭质碎屑分布多的地层中。这些气体与砂岩中普遍含有的铁离子会发生反应，生成黄铁矿，使环境酸性变强，同时缺氧。这样的环境下，铀也易于从六价变为四价而沉淀。

在神奇的大自然中，这样巧合发生的成矿反应，发生在何处呢？答案是砂岩层。

砂岩层：铀水互动的空间主场

砂岩，是已固结的碎屑沉积岩。就我们人类肉眼看上去，砂岩好像十分密实，其实，从微观的角度上看，砂岩像固体海绵，粒间有宽阔的通道与存储空间，这也是石油、天然气、地下水等多种矿藏能贮藏在砂岩层中的原因之一。巨厚的砂岩广泛发育在鄂尔多斯、松辽、伊犁等沉积盆地中，这也是这些盆地多种矿产并存的主要原因。

岩石圈中的铀，原本孕育于滚烫的岩浆中，岩浆逐渐冷却变成坚硬岩石，铀就固结分散于其中。亿万年里，大气圈内外的风火雷电，不断击打或洗涮着岩石圈，硬岩被风化、支解、剥蚀，其中铀被大气圈中富氧的水体不断地溶泡氧化后，多以铀酰离子（UO₂²⁺）而迁出。

岩石圈、水圈与大气圈分布于地球浅部与表层。而水则由于其自身有流动和蒸发等特性，能在这三个圈层间不停地循环流动。水流至哪里，铀便流动到哪里。铀酰离子（UO₂²⁺）与碳酸根或硫酸根结合成络合物，并随水而流，汇入水圈，铀就能在地表水或地下水中运移很长距离。水圈中的含铀水还会渗入地下砂岩层中。

如果砂岩地层呈斜坡状分布，而且地表某处有含铀水可注入，在地层另外一端，砂岩层还有出口，那么这样的砂岩层就会形成一个含铀水流的通道：一头不断地注水而入，另一头水又不断地泄出流走。铀随水进来，然后又随水流走。

砂岩型铀矿的成矿模式示意图（焦养泉，2018）

不过，如前所言，砂岩层恰恰也是有机质或者细菌或煤、石油、天然气最好的居所，它们所含的烃类化合物或硫化氢等气体恰好是阻止铀随水前行的障碍物。

此外，富含烃类的流体与砂岩相互作用，使砂岩中长石、岩屑等生成的新黏土矿物，后者对铀也具有吸附性，使铀矿物在其周围富集成矿。

还有，深部含烃流体上升进入砂岩层后，不断消耗其水中的自由氧，形成缺氧环境，在缺氧条件下，流体中的甲烷（CH₄）等烃类化合物又可以同含矿含水层地下水中的硝酸根、硫酸根、三氧化二铁等发生反应，生成硫化氢（H₂S）等，使含矿层砂岩积累了较多的还原剂，进一步有利于铀的沉淀富集。

铀遇此会止步不前，沉积下来。水源源不断地带来铀，铀日积月累地沉淀。

如此往复，水流万古，铀积万古，终成矿藏。

正因为如此，全世界砂岩型铀矿主要分布盆地中，砂岩型铀矿与煤、石油、天然气同盆共存，从成矿时代上，一般是先成煤、石油、天然气，然后才成砂岩型铀矿，这也是地质工作者开展“煤铀兼探”、“油铀兼探”的原因。

水成铀矿，彰显造化的神奇，能给我们些许人生启迪。以人类寿命长度和宏观角度看，物质表面上静止不动，但从地球生命长度和微观角度看，一切万物生机勃发，一刻不曾停息。“流水不腐，户枢不蠹”，经常运动，生命力才能持久，才有旺盛的活力。此话用以比喻水成的砂岩型铀矿，更有一番意趣。有感而发，作短诗一首，以结束本文：

铀本硬岩居，风化日月长；随水流徙砂岩罅，遇障积成藏。天道行之健，造化何其玄；安以动之徐生兮，万物自滋长。