《Sedimentary Geology》：A novel mechanism of uranium mineralization: The role of zircon adsorption at the Qigequan deposit, Qaidam Basin, NW China
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鈾在砂巖型鈾礦床中的吸附機制研究：以Qigequan礦床為例，通過TIMA、BSE、CL等微觀分析技術，揭示鋯石吸附鈾的三種形態（U1-U3）及其與Th/U比值的關系，證實鋯石在鈾吸附中的主導作用，并建立pH變化主導的物理化學吸附模型。
林一涵|范明森|倪佩|潘俊毅|池哲|程志林|吳文毅|張晨|齊炳德|魏學斌
中國南京大學地球科學與工程學院地球流體研究所關鍵地球物質循環與礦床國家重點實驗室，南京，210093
摘要
砂巖型鈾礦床中的鈾礦化過程受到礦物吸附能力的影響，尤其是在鈾濃度未飽和的盆地流體中。本研究以柴達木盆地的齊格泉砂巖型鈾礦床為例，重點探討了鋯石中的鈾分布和吸附行為。樣品通過TIMA、BSE、CL成像、EDS和EPMA等手段進行了分析。結果表明，鋯石在基質和碎屑組分中均較為豐富，鈾以三種形式存在：U1（存在于生長帶或包裹體中）、U2（存在于裂隙中）和U3（存在于顆粒邊緣）。U1是巖漿或早期熱液作用的產物，具有較低的U/Th比值；而U2和U3則與礦化流體的表面吸附作用有關，具有較高的U/Th比值。相比之下，與鋯石無關的鈾礦物（即Other-U）具有不同的Th和U特征。EPMA映射顯示，顆粒邊緣的吸附鈾與Th、Y、Mg和Ti等元素相關。盡管其他副礦物含量更高，但鋯石的鈾吸附能力更強且更具選擇性。我們認為，鋯石通過物理化學吸附機制吸收鈾，這一過程主要受微堿性油氣相關流體與表生氧化流體混合引起的pH變化控制。這些發現突顯了鋯石在砂巖型鈾礦床中作為鈾吸附劑的重要作用，并表明除了經典的流體過飽和沉淀作用外，表面吸附也是鈾富集的重要途徑。這一機制為鈾礦化提供了新的見解，有助于完善砂巖型鈾礦床的成因模型。
引言
在沉積盆地中，許多礦物可以通過吸附作用從流體中沉淀出鈾，即使流體中的鈾濃度低于飽和水平，這一過程也能發生，因此成為鈾礦化的關鍵機制。已知的鈾吸附礦物包括粘土礦物（Davey和Scott，1956；Chisholm-Brause等人，2004；Khan等人，2021）、黃鐵礦（Wersin等人，1994）、鐵氧化物（Yusan和Erenturk，2011）、磷灰石（Boguslavsky等人，2025）和二氧化鈦（Comarmond等人，2011；Yan等人，2023；Yin等人，2024）。
鋯石也被認為是一種潛在的鈾吸附劑，Lomenech等人（2003）的實驗工作證實了其在實驗室條件下具有吸附鈾的能力。然而，在天然砂巖型鈾礦床中，關于鋯石的研究長期以來主要關注其作為鈾來源的作用。例如，當鋯石發生長期自輻照損傷或變成糜棱巖時，其晶體結構變得不穩定，容易受到流體驅動的蝕變，從而釋放出鈾、釷、稀土元素（REE）和高場強元素（HFSE）（如Geisler等人，2002，2003；Zhang等人，2020；Kube?等人，2024）。盡管如此，近納米尺度的研究表明鋯石也可以作為鈾的儲存庫（Sun等人，2020；Seydoux-Guillaume等人，2015）。在輻射損傷或非晶化過程中，鋯石顆粒內部會形成裂隙和孔隙，這些結構不僅為鈾的遷移提供了通道，還可以通過裂隙和孔隙內的吸附作用形成富鈾的團簇（如鈾云母結構）。盡管有這些認識，但鋯石在砂巖鈾礦化系統中普遍吸附鈾的程度以及具體的吸附機制仍不明確，且在礦床尺度上的研究很少報道。因此，鋯石作為直接有效的鈾吸附劑的潛在重要性長期以來被忽視和低估。
本研究以柴達木盆地的齊格泉砂巖型鈾礦床為例。該礦床位于新生代地層中（Dong等人，2022；Shi等人，2024），與富含鈾的地質單元（尤其是盆地的花崗巖構造）具有成因關聯（Dong等人，2022；Zhang等人，2023；Zhang等人，2025）。盡管鈾具有化學活性，但由于齊格泉的礦化年齡相對較早且礦化后流體活動不顯著，鈾礦化過程基本保持不變，保留了其原始特征。這一環境為研究淺埋條件下盆地流體中的鈾富集和沉淀行為提供了獨特的機會。
在研究初期，我們觀察到鋯石顆粒邊緣存在鈾富集現象，形成了明顯的富鈾區。文獻中尚未報道這一現象，目前尚不清楚鈾是通過流體滲透從鋯石中浸出后重新沉淀的，還是直接從富鈾流體中吸附到鋯石表面的。這一發現為研究鋯石在鈾礦化中的作用提供了新的視角。鑒于鋯石的獨特礦物性質及其在砂巖型鈾礦床中的廣泛分布，研究其鈾吸附機制和影響因素不僅有助于闡明一種先前未被認識的鈾礦化類型，還能為鈾礦床的富集過程和成因提供新的見解。目前全球范圍內關于鋯石吸附鈾的研究仍然有限，這突顯了本研究的創新性和在闡明砂巖型鈾礦床中鈾濃度機制方面的潛在重要性。
本文探討了齊格泉砂巖型鈾礦床中重礦物砂與鈾礦化之間的關系。通過TESCAN綜合礦物分析（TIMA）、背散射電子（BSE）、掃描電子顯微鏡陰極發光（CL）成像、電子探針微分析（EPMA）和能量色散光譜（EDS）等技術，分析了不同類型鋯石的分布、紋理、比例和鈾富集特征。我們探討了鋯石上鈾吸附的機制和影響因素，旨在為齊格泉鈾礦化過程中的鋯石作用提供新的見解，從而有助于完善砂巖型鈾礦床的成因模型。
區域地質
柴達木盆地位于中國西北部（圖1B），是一個由復雜構造過程形成的大型內陸封閉斷陷盆地（Wang等人，2024）。該盆地經歷了多次重大地質事件，包括早侏羅世的伸展斷層作用、中侏羅世至早白堊世的同構造盆地反轉、古新世至中新世的壓縮沉降以及晚中新世至第四紀的走滑壓縮。受遠距離
方法和材料
本研究在柴達木盆地的齊格泉地區進行。系統采樣從四個代表性鉆孔（ZK11、ZK13、ZK25、ZK39）中采集了巖芯樣本，涵蓋了不同礦化程度的地層和砂巖。經過初步觀察后，選擇了ZK11和ZK13兩個鉆孔中的兩個代表性礦化砂巖樣本進行詳細微觀分析。
為了研究鋯石與鈾的礦化關系，對
鋯石和鈾礦物的分布特征
鋯石在礦化地層的基質和碎屑組分中廣泛分布，是與鈾存在相關的關鍵副礦物之一。TIMA結果（圖4、圖5；表S1）顯示，在重礦物組合中，磷灰石、金紅石/銳鈦礦和鋁榴石最為豐富，其次是鈦鐵礦、鉻鐵礦、獨居石和鋯石，還有少量的榍石和稀有錫石。BSE成像和EDS分析表明，鈾礦物可以存在于
鋯石的成因和來源
鋯石在齊格泉鈾礦床的含礦地層中較為豐富。大多數鋯石具有典型的巖漿振蕩分帶結構（圖10），只有少數含有繼承性的鋯石核。一些巖漿鋯石受到熱液作用的影響，形成了蝕變鋯石或熱液鋯石邊緣，在CL和BSE成像下與巖漿鋯石有明顯區別（圖11）。此外，這些礦物中還含有少量變質鋯石
結論
- 1.
鋯石是齊格泉砂巖型鈾礦床中豐富的副礦物，存在于礦化地層的碎屑和基質組分中。其來源主要是巖漿作用，少量來自繼承性和熱液改造的鋯石，反映了周圍造山帶中富鈾花崗巖的顯著物質貢獻。
- 2.
鋯石中的鈾以三種形式存在：U1存在于生長帶或包裹體中，U2存在于裂隙中，U3存在于顆粒
作者貢獻聲明
林一涵：撰寫——初稿、可視化、正式分析。
范明森：撰寫——審閱與編輯、可視化、監督、項目管理。
倪佩：項目管理、資金獲取。
潘俊毅：方法學。
池哲：驗證、方法學、數據管理。
程志林：驗證、方法學。
吳文毅：資源支持。
張晨：資源支持。
齊炳德：資源支持、調查。
魏學斌：資源支持、調查。
未引用參考文獻
Ao等人，2022
Fuller等人，2002
Zhang等人，2022
Zhang等人，2024
利益沖突聲明
作者聲明以下可能的利益沖突：倪佩報告稱獲得了中國國家重點研發計劃的財政支持。如果還有其他作者，他們聲明沒有已知的利益沖突或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
本研究得到了中國國家重點研發計劃（項目編號：2023YFC2906703）的支持。我們衷心感謝四川石油天然氣集團有限公司青海油田公司勘探事業部第11地質大隊和中國地質調查局天津中心在野外工作期間的幫助。特別感謝魏莉教授和李金輝博士在稿件修訂過程中提供的寶貴建議。同時，我們也感謝編輯Catherine Chagué的幫助。
