我校科研团队在国际学术期刊《Communications Earth & Environment》发文揭示砂岩型铀矿床形成新机制
近日，成都理工大学地球与行星科学学院宋昊教授在砂岩型铀矿床成矿理论方面取得新进展，团队在Nature旗下知名地球科学综合期刊《Communications Earth & Environment》（中国科学院1区Top, 五年平均影响因子9.5）发表题为《Arsenic substitution and galvanic coupling in pyrite trigger uranium mineralization in sandstone》的研究成果，为战略性铀资源勘探与高效开发提供理论支撑。
论文引用链接：https://www.nature.com/articles/s43247-026-03511-1#citeas
（1）微观识别——破解黄铁矿还原悖论的关键科学难题
砂岩型铀矿是全球最重要的铀资源，占目前全球铀产量的大部分，其成矿过程本质是多元素地球化学迁移、转化与富集的协同作用结果，其中黄铁矿作为关键的地球化学载体，其元素组成、晶体结构及电化学性质的变化，直接调控铀的还原沉淀过程。在这些矿床中，黄铁矿通常被认为是驱动铀成矿（将U6+还原为U4+并沉淀）的关键还原剂。传统地球化学研究认为，黄铁矿通过简单的氧化还原反应提供电子，将流体中可迁移的六价铀（U⁶⁺）还原为不可迁移的四价铀（U⁴⁺），自身则被氧化消耗。然而，传统的“被动还原剂”模型无法解释一个重要现象：在一些铀-黄铁矿组合中，黄铁矿在铀矿化过程中并非简单地被消耗或溶解；相反，黄铁矿（特别是含砷黄铁矿）与铀矿物表现出了同步生长（共沉淀）的特征，甚至在黄铁矿中常发现有铀矿物颗粒分布。这表明在流体-岩石相互作用领域中，涉及黄铁矿和铀沉淀的氧化还原反应仍未得到完全理解，以至于黄铁矿中广泛存在的铀矿物颗粒的成因机制至今不明。
本研究综合运用电子探针（EPMA）、纳米二次离子质谱（NanoSIMS）、拉曼光谱、透射电子显微镜（TEM）和球差校正扫描透射电镜（STEM）等多项微纳米分析技术，系统解析了砷、黄铁矿与铀的地球化学耦合关系，揭示了砂岩型铀矿成矿的地球化学本质。研究了黄铁矿和共生铀矿物的元素地球化学组成以及微观至纳米尺度的结构特征，揭示了砷元素导致黄铁矿晶格畸变、发生电偶效应并控制铀富集的微观地球化学过程，提出了黄铁矿中砷控制铀成矿的全新理论模型。
图1 芒来铀矿床地质背景、矿石样品、黄铁矿类型及元素含量特征。(a)中国东北二连盆地的位置；(b)二连盆地地形图及芒来铀矿床位置；(c)典型矿石样品照片；(d)多期次黄铁矿，核部为草莓状黄铁矿（Py1），被胶状黄铁矿（Py2）包裹，外部为自形黄铁矿（Py3）；(e-f)Py2与Py3之间以及Py3内部有铀矿物条带；(g)从核部Py1到边缘Py3的As含量变化。铀矿化发育在As含量变化的界面处。
（2）跨越尺度——精准刻画砷-铀矿物共生演化的纳米矿物学图谱
该项研究通过微区地球化学分析发现，铀矿床中与铀矿化密切相关的黄铁矿颗粒呈现清晰的三期地球化学演化序列：早期草莓状黄铁矿（Py1）和中期胶状黄铁矿（Py2）砷含量极低（均值分别为0.03%、0.052%），铀含量处于背景值水平，硫同位素δ34S呈现中等负异常至正异常，未参与铀矿化过程；晚期自形黄铁矿（Py3）为富砷富铀端元，砷含量显著升高（均值达2.529%），表现出S-As和Fe-As的负相关性，铀含量同步富集，硫同位素呈现极负异常（δ34S介于-51.72‰至-39.93‰），明确该期黄铁矿形成于铀矿化同期，是铀富集的重要载体。
图2 不同世代黄铁矿的元素组成与硫同位素组成对比。(a-b)Py3具有明确的负S-As和Fe-As相关性，而Py1和Py2的相关性较差；(c)Fe-S-As（at%）三元图显示Py3的趋势垂直于Fe-S二元线；(d)不同世代黄铁矿（Py1、Py2和Py3）δ34S值变化散点图。
通过地球化学与晶体结构分析证实，成矿期流体中携带的砷元素以类质同象形式进入黄铁矿晶格，发生双重替代：一方面以+3价的形式替代黄铁矿中的二价铁（Fe2+），另一方面以-1价的形式替代硫离子（S-），这一过程导致黄铁矿晶格发生明显膨胀与畸变，拉曼光谱中Eg、Ag、Tg模式峰位随砷含量升高呈规律性红移，峰宽（FWHM）同步增大的规律反映了砷替代引发的晶格缺陷，而这种晶格缺陷进一步改变了黄铁矿的半导体性质和电化学行为，为铀的还原富集提供了有利的矿物学基础。
图3 砷黄铁矿中砷的赋存形式及氧化还原界面的透射电镜分析。(a)含铀矿物的多期黄铁矿图像；(b-c)As在Fe位点（红色箭头）和S位点（蓝色箭头）替代的ABF/HAADF-STEM图像；(d)沿Py3生长带分布的柱状铀纳米颗粒和亚纳米颗粒图像；(e)铀纳米颗粒（由<10 nm亚纳米颗粒组成）与周围含砷黄铁矿之间的氧化铁层；(f)针铁矿-黄铁矿氧化还原界面图像，针铁矿为4.99 Å (200)晶面间距。
图4 Py3中铀矿化的透射电镜表征。(a)Py3中贫As和富As区域界面处的铀矿物，富As区域存在溶蚀坑内，铀矿物与贫As区域的接触界面光滑；(b-c)铀纳米颗粒由大量显示出相似的晶体取向和尺寸小于10 nm的亚纳米颗粒组成；(d-e)U和O元素分布图显示沿富As Py3边界存在氧化铁层；(f)富As Py3溶解释放的“不可见”U6+在早期铀矿物上叠加沉淀的热力学平衡模型。富As Py3向内逐步溶解释放U6+，在阴极上被还原为U4+并聚集。
（3）见微知著——揭示自组织电偶效应触发的铀成矿及聚集机制
TEM-EDS分析确定了位于Py2-Py3界面以及Py3内贫As/富As边界处的铀矿物条带，在每一个砷含量变化的异质界面处都有铀矿化的发生。指示铀的地球化学迁移与富集过程，严格受控于黄铁矿的砷地球化学梯度，表明铀矿化在矿物表面和非均质化学过渡带上有优先发生的趋势。这是由于砷类质同象进入黄铁矿中引起晶格膨胀并改变了黄铁矿的半导体性质，从而与预先存在的贫砷黄铁矿形成矿物对后会发生电偶效应，形成一个局部的超还原环境；新形成的富砷黄铁矿充当阳极被溶蚀并提供大量电子，而贫砷黄铁矿充当阴极接受电子，促进了吸附在其表面的U6+高效还原为纳米级沥青铀矿。铀纳米颗粒附近针铁矿的发育证明了这一氧化还原反应。这种电偶效应得到了微观证据的支持，即阳极溶蚀坑仅在富砷区域内发育，而相邻的贫砷表面保持光滑完整。
研究还发现，铀矿物形成时是以铀次纳米颗粒形式存在，随后会通过纳米颗粒附着结晶方式（CPA）聚集成更大的铀矿物。由黄铁矿中砷晶格置换导致的自组织电偶机制驱动了铀的高效沉淀富集，证明了砷黄铁矿是铀矿化过程中的一种高效的还原介质，为广泛存在于不同类型黄铁矿界面处的铀矿化的成因提供了新的见解。
图5 砷诱导铀矿化的关键过程示意图。该过程始于富砷黄铁矿结晶后，与预先存在的贫砷黄铁矿建立电偶对。这种电偶效应增强了局部的还原条件，促进铀酰离子（U6+）在阴极黄铁矿表面还原为U亚纳米颗粒。这些纳米颗粒随后通过颗粒附着结晶（CPA）聚集成更大的颗粒，铀矿化在每个砷含量增加的界面处发育。
综上所述，本研究通过微纳米尺度的矿物学及地球化学证据，明确了砷在砂岩型铀矿成矿中的关键地球化学作用——并非被动伴生元素，而是调控黄铁矿地球化学性质、触发铀还原富集的核心因子；黄铁矿的地球化学演化（砷替代、晶格畸变、电化学差异）是铀成矿的核心驱动，而非简单的还原介质。铀矿化过程受砷驱动的自组织电偶机制控制，该机制始于原子尺度的晶格替代，最终导致铀纳米颗粒的聚集。这一发现不仅完善了砂岩型铀矿的地球化学成矿理论，也为砂岩型铀矿的地球化学勘探、资源评价及高效开采提供了新依据。
论文信息：成都理工大学为该论文第一署名单位，博士研究生于慧杰为第一作者，宋昊教授为通讯作者，合作者还包括我校兼职教授、加拿大Regina大学池国祥教授、成都理工大学徐争启教授、高英教授、梁庆林研究员、侯明才教授、施泽明教授、中国地质大学（北京）邓军教授等，研究得到国家自然科学基金、国家科技重大专项、四川省科技厅项目联合资助，是我校在基础地球科学和铀资源研究领域的又一重要突破。
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