程银行等:中国砂岩型铀矿的两种成矿模式
砂岩型铀矿的两种成矿模式:泾川式和塔勒式
程银行1,2,金若时1,2,苗培森1,2,王少轶1,2,滕雪明1,2
1 中国地质调查局天津地质调查中心(华北地质科技创新中心)
2 中国地质调查局铀矿地质重点实验室

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第一作者:程银行,研究员,博士,从事地质矿产调查与研究。
导读:
砂岩型铀矿属于全球重要且经济易采的铀矿类型。我国曾长期被视为“贫铀国”,但进入21世纪后,中国铀矿勘查取得了突破性进展,尤其在砂岩型铀矿领域取得了辉煌成就,迅速建立了多个万吨至数十万吨级的盆地铀资源基地。这一成就彻底改变了我国铀矿勘查与开发的基本格局,并使我国在2014年成功跻身世界十大产铀国之列(IAEA,2014)。研究砂岩型铀矿的成矿模式意义重大。
新世纪以来,我国对360余个铀矿床进行了研究,建立了各类型铀矿床的矿床式75个,构建了111个典型铀矿床的成矿模式及相应的预测评价模型(秦明宽等,2024)。成矿模式主要基于构造、沉积、流体等不同控矿要素建立,取得了一系列原创性成果。然而,成矿模式的种类过于繁杂,广泛具有代表性的典型成矿模式总结研究仍显不足,不利于全国铀矿勘查工作的指导。
鉴于中国北方中-新生代盆地“煤-油-铀”空间共存规律、大规模成矿的事实,以及还原介质是此类铀元素超常富集的关键要素,本文选择鄂尔多斯盆地油气田和煤田区互不重叠的泾川和塔然高勒两个特大型典型铀矿床开展研究,建立了油气田区泾川式和煤田区塔勒式两种铀成矿模式,具有广泛代表性。
研究表明,泾川式还原介质以烃类流体为主,为沉积成岩期后下伏烃源岩排出并运移至下白垩统洛河组,与表生含氧含铀流体耦合成矿。矿体受岩层渗透性、后期断裂构造和水系展布等要素的明显控制,具有矿化层多的特点,横向变化较大,常切穿层理;铀矿物颗粒分布较为均匀,从几微米至十几微米。塔勒式还原介质以煤屑等为主,为同沉积成岩期碎屑,近于顺层产出,矿体横向展布稳定,与地层基本一致;铀矿物颗粒大小变化较大,从几微米至几百微米,分布不均匀。
本文研究成果为我国铀矿勘查部署提供了理论依据,也为盆地多能源成矿响应和砂岩型铀矿成矿机理研究提供了新方向。
基金项目:国家重点研发计划项目(Nos.2023YFC2906700,2018YFC0604200);自然资源部青年人才项目(No.自然资科技函[2022]129号);中国地质调查局地质调查项目(Nos。DD20240116,DD20230027,DD20221678,DD20190813);国家自然科学基金重点支持项目(No.92162212);国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(No.2015CB453000);国际地球科学计划项目(No.IGCP675)。
说明:参考文献以原文为准,本推文未作详细标注。
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0 引言
1 泾川式
1.1 成矿条件
1.2 矿床特征
1.3 矿物特征
1.4 地球化学
1.5 成矿机理
2 塔勒式
2.1 成矿条件
2.2 矿床特征
2.3 矿物特征
2.4 地球化学
2.5 成矿机理
3 成矿模式
4 结论
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0 引言
砂岩型铀矿泛指赋存于沉积岩中的铀矿。砂岩型铀矿已经成为世界重要的、经济易采的铀矿类型,2021年的产量占比已经超过了63.3%(OECD,2023)。目前,关于砂岩型铀的成矿模式取得了系列原创性认识,同时积累了大量勘查成果资料,从不同角度已建立了多种成矿模式:一是侧重于油气、煤成气对砂岩型铀矿作用影响提出了努和廷式、吐哈式、东胜式、钱家店式(张如良和丁万烈,1994;权建平等,2007);二是注重铀成矿经历了多期多阶段和多因素叠合特征,提出了库捷尔泰式(晏文权等,2019)、叠合成矿模式(李子颖等,2021);三是重视表生流体作用下氧化还原和构造作用成矿,提出了伊犁式、吐哈式、东胜式、乌兰察布式、马尼特式和通辽式(张金带等,2010),以及表生流体的周期性变迁引起铀富集沉淀,提出跌宕成矿模式(Jin et al.,2020);四是强调深部铀源,提出了渗出铀成矿模式(李子颖等,2022)和深部溶气含铀热流体运移成矿模式(吴柏林等,2022;刘池洋等,2024);五是根据还原介质的内生和外生、矿体形态、沉积成岩期和成岩期后等不同成因建立了卷状、板状等不同类型的成矿模式(Adams and Smith,1981;Bonnetti et al.,2015;Hou et al.,2017;Cuney et al.,2022)。新世纪以来中国学者针对国内360多个矿床,构建了111个典型铀矿床的成矿模式(秦明宽等,2024)。这些成矿模式主要是以构造、沉积、流体等不同控矿要素为侧重点建立的,成矿模式种类较多,有些矿床位于煤田和油气田叠置区,受双重还原介质的影响,成矿模式更为复杂。鉴于还原介质是该类铀元素超常富集的关键要素,以及近10年来,煤田、油田区30余万口钻孔资料二次开发利用和铀矿工程、973计划项目、国家重点研发计划项目等重大工程、项目的实施,快速揭开了中国北方中-新生代盆地“煤-油-铀”空间共存规律和大规模成矿的事实。本文试图从还原介质为沉积成岩期形成和后期运移就位的角度,选择鄂尔多斯盆地油气田和煤田区互不重叠的泾川和塔然高勒两个特大型的典型铀矿床(图1),建立油气田区泾川式和煤田区塔勒式两种铀成矿模式,为铀矿勘查部署提供理论依据,也为盆地多能源成矿响应和砂岩型铀矿成矿机理研究提供了新方向。
据金若时(2020)。1.第四系-古近系;2.下白垩统;3.侏罗系;4.三叠系;5.上古生界;6.下古生界;7.元古宇;8.太古宇;9.燕山期花岗岩;10.断层;11.选择典型矿床;12.砂岩型铀矿床或矿产地
1 泾川式
1.1 成矿条件
泾川矿床位于鄂尔多斯盆地西南缘镇原、彭阳一带,庆阳隆起的西南侧,区内地震数据解释显示从三叠系至下白垩统主要发育北西向、北北西向和北东向断裂构造,为深部上三叠统延长组深灰色、灰黑色泥页岩(烃源岩)生成的烃类流体向上运移至铀的赋矿层奠定了通道基础。地表沿断裂构造发育系列一级和次级季节性水系,为铀元素的迁移提供了载体。赋矿层为下白垩统洛河组(K1l)旱谷、风成沙丘、丘间及沙漠湖等沉积类型,为典型沙漠沉积体系,未发育原生煤屑等有机质。上部岩性主要为砖红色、棕红色长石石英砂岩,下部主要为灰色-灰绿色长石石英砂岩,二者整体垂向上构成砂岩型铀赋矿层的“红黑”结构(金若时等,2017;程银行等,2024)。部分灰色层截切沉积层理,为油气还原的产物,二者过渡带为砂岩型铀成矿的有利层位。钻探至灰色砂岩时泥浆池见大量的还原性气体(气泡),洛河组含矿砂岩及围岩新鲜面发育烃类运移痕迹,多沿裂缝以脉状分布,断裂带隆起区表现出强烃类改造痕迹。测试结果显示烃类等流体主要成分为CH4、C2H6、H2、H2S等(Si et al.,2024),为铀矿富集沉淀提供了良好的还原介质(图2a~2c),碳同位素和生物标志化合物参数表明洛河组烃类流体与下部延长组烃源岩具有亲缘关系。由于赋矿层为风成砂岩,渗透性好,烃类流体易于运移,因此该区矿化面积较大,目前根据油田钻孔资料揭示约2000km2。盆地西缘发育大量的富铀地质体(金若时和滕雪明,2022),为盆内铀矿的形成提供了充足的铀源,水系沉积物中也见大量活跃元素的异常(写熹等,2022),也说明铀元素的迁移富集。
图2 泾川式(a~c)和塔勒式(d~f)还原介质特征
a.赋矿岩芯油渍;b.泥浆池中烃类气泡;c.赋矿层石英裂隙中含烃包裹体(UV激发荧光);d.赋矿层下部稳定的含煤岩系;e.赋矿层中煤屑;f.草莓状黄铁矿
1.2 矿床特征
泾川铀矿矿体埋深在400~2000m,甚至2000m以深油田钻孔资料仍可以见大量的铀异常,埋深变化较大。矿层厚度0.1~280m,变化范围大,矿化层多,多发育十几层,甚至几十层,横向延伸稳定性一般,多处可见赋矿层沿破碎带或渗透性岩层截切沉积层理(图3a),即铀成矿的“穿层等时”在这种地区尤为明显。泾川铀矿目前已发现6个矿体,其中泾川VI区矿体整体呈北西、北北西走向,长近15km,宽2~5km,沿北西向断裂构造分布,矿体展布既受赋矿层砂体渗透性、断裂构造等影响,又受现代水系分布的制约(图4a)。
图3 泾川式(a)和塔勒式(b)矿体特征示意图
图4 泾川VI区(a)和塔然高勒(b,据金若时等(2020)修改)铀矿体平面示意图
1.3 矿物特征
泾川铀矿洛河组赋矿层为风成砂岩,黏土矿物总量较低。矿体上覆有砖红色、棕红色砂岩、钙质砂岩,主要黏土矿物为伊蒙混层、伊利石、绿泥石、少量的高岭石。灰色赋矿砂岩中黏土矿物主要是高岭石、绿泥石(朱强等,2020)。铀矿物主要为沥青铀矿、少量铀石、含钛铀矿等,呈星点状、棱角状、细脉状、不规则团块状,颗粒大小变化较大,从几个微米至几十微米,多集中在十微米以下,分布较为均匀,多发育于蚀变黄铁矿表面和边部、锐钛矿解理面、石英裂隙和边部、方解石裂隙和边部、磷灰石(胶磷矿)表面以及吸附于绿泥石等黏土矿物表面等(图5a~5d)。
图5 泾川式(a~d)和塔勒式(e~h)铀矿物背散射特征
图e据冯晓曦等,2017;图h据Cheng et al.,2019。a.沿方解石裂隙,呈脉状;b.分布于黄铁矿表面,呈团块状;c.分布于黄铁矿表面和矿物裂隙,呈不规则棱角状;d.分布于锐钛矿周缘,呈星点状;e.分布于锐钛矿两侧,呈羽状;f.分布于黄铁矿裂隙和边缘,呈团块状;g.沿黑云母解理,受解理结构约束;h.沿黄铁矿、黏土矿物分布。Pit.沥青铀矿;Cof.铀石;Qtz.石英;Cal.方解石;Chl.绿泥石;Ant.锐钛矿;Py.黄铁矿;Caly.黏土
1.4 地球化学
铀赋矿层中沥青的δ13C、δ18O同位素数据显示为与有机质有关的碳酸盐和成岩碳酸盐,其中δ13C值为-26.0‰~-31.9‰,与下部三叠系延长组中石油以及石油中的甲烷、乙烷、丙烷、丙烯、丁烷、戊烷等的δ13C值(-29.0‰~-36.6‰;Si et al.,2024)基本一致,表明赋矿层中碳的来源应为延长组烃类流体。铀矿物28个测点的电子探针分析结果显示,沥青铀矿22个点(UO2=62.43%~86.11%,SiO2=0.94%~10.10%),铀石2个点(UO2=56.98%~63.89%,SiO2=16.51%~22.55%),(含)钛铀矿4个点(UO2=50.36%~76.39%,TiO2=8.31%~29.53%)(赵华雷等,2020),表明铀矿物以沥青铀矿为主,含钛铀矿和铀石次之。15个含矿全岩样品U4+/U6+比值为0.92~5.12,平均为2.52(内部资料待发表)。
1.5 成矿机理
利用扫描电镜、蚀变矿物光谱扫描等手段,分析泾川铀矿赋矿层洛河组中黏土矿物组合在垂向上具有酸性、碱性流体作用强度的规律性变化,下部以高岭石、绿泥石为主,表明酸性和碱性流体共同作用;中部以绿泥石、伊蒙混层为主,高岭石次之,显示酸性流体作用强度减弱;上部以绿泥石和伊蒙混层为主,未见高岭石,反映以碱性流体为主(朱强等,2020)。泾川铀矿下部发育延长组深灰色、灰黑色泥页岩,大量的烃类流体运移至上部洛河组,为铀的富集沉淀提供了还原条件。野外钻探工程泥浆池中可见到大量气泡(图2b),岩心样品分析烃类等流体主要成分为CH4、C2H6、H2等及次生的H2S(Si et al.,2024),CH4和H2等在常温常压条件下与U6+反应不明显,甲烷与硫酸根反应会生成还原能力极强的H2S(张莉娟等,2018),将岩层中的氧化铁还原成黄铁矿。因此,泾川铀矿赋矿层内部含烃流体富含CH4、H2等较强还原性介质,为Fe3+还原为Fe2+、H2S、FeS(2黄铁矿)等提供了还原环境,进而为表生含氧流体中U6+的吸附、还原富集沉淀提供了物质条件。S2-、H2S、Fe2+对U(Ⅵ)具有很强的还原性,其化学反应方程式为:UO22++S2-→UO2+SO42-、UO22++2S2-+Fe2+→UO2+FeS2、4UO22++H2S+10OH-→4UO2+SO42-+6H2O、UO22++2Fe2++4H+→U4++2Fe3++2H2O、UO22++Fe2++3H2O→UO2+Fe(OH)3+3H+。针对沥青铀矿微区原位U-Pb测年的13个测点数据显示,成矿时代介于3.68±0.5~4.47±0.6Ma(Zhao et al.,2021)。32个测点的U-Th-totalPb化学年龄为0.95~26.19Ma,平均8.49Ma(据赵华雷等(2020)电子探针数据计算),二者均集中分布在中新世及之后。与泾川铀矿分布于渐新世-中新世(Chen et al.,2022)断裂构造和褶皱构造活动在时间上较为吻合。沿流体流向成矿时间逐渐变新,表明中新世以来表生流体作用对下白垩统洛河组赋矿层中铀矿的形成起关键作用。
2 塔勒式
2.1 成矿条件
塔然高勒矿床位于鄂尔多斯盆地伊盟隆起中部,东胜隆起带西缘,隆起构造为含氧含铀流体的运移提供了动力。地表发育一北北东向一级和系列次级季节性水系,表生流体较为发育,为铀元素的迁移提供了载体。赋矿层为中侏罗统直罗组(J2z)辨状河、辨状河三角洲沉积体系,岩性主要为灰色、浅灰色砂岩夹薄煤层,并发育煤屑、草莓状黄铁矿,上覆有紫红色、褐红色、灰绿色砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩,二者垂向上构成砂岩型铀赋矿层的“红黑”结构;过渡带为铀成矿的有利层位,岩层横向延伸较为稳定,为铀矿富集沉淀奠定了良好的地层条件(图2d~2f)。盆地北缘华力西期、燕山期造山带发育大量的富铀地质体(金若时和滕雪明,2022),Th/U比值为9.36,铀迁移量较大,ΔU为-38%(ΔU=[(U-U0)/U0×100%=-38%],U为当前铀含量,U0为Th/U比值法计算原始铀含量),阿拉善、吕梁、秦岭等其他周缘富铀岩体迁移量均较大,ΔU为-38%~-22%(俞礽安等,2023),为盆内铀矿的形成提供了充足的铀源。
2.2 矿床特征
塔然高勒矿体整体呈北东走向,埋深在440~680m,向南西方向埋深逐渐变深,长6~7km,宽约1km,矿层厚度1.30~7.50m,平均值为4.33m(俞礽安等,2023),变化较小;矿化层较少,一般1~2层,横向延伸较为稳定,位于含煤屑地层顶部(图3b),其下部仍有大量的含煤屑灰色岩层未发生矿化。矿层伽马测井异常强度自上而下有逐渐减弱的规律,沿流体流向,矿层厚度有逐渐变薄的趋势,即矿层顶板与含煤屑地层基本一致,矿层的底板与含煤屑地层有一定的夹角(程银行等,2024)。矿体展布既受赋矿层砂体展布、产状影响,又受现代水系分布的制约(图4c)。
2.3 矿物特征
上部红色砂岩中蚀变矿物主要有赤铁矿、水针铁矿、锐钛矿、方解石,黏土矿物主要以蒙皂石、伊/蒙混层为主,高岭石较少,中部灰绿色砂岩中黏土矿物主要以蒙皂石、伊蒙混层、绿泥石为主,高岭石含量较低。下部灰色含矿砂岩中黏土矿物主要以高岭石、伊蒙混层、蒙皂石为主(朱强等,2019)。铀矿物主要为铀石和沥青铀矿,呈不规则粒状、星点状、细脉状、羽状、颗粒大小变化较大,从几微米至几百微米,分布不均匀,多发育于蚀变黄铁矿表面和边部、黑云母解理面、锐钛矿解理面、煤屑裂隙、石英裂隙和边部、方解石裂隙和边部等(图5e~5h)。
2.4 地球化学
铀赋矿层岩石的δ13C、δ18O同位素数据显示为与有机质有关的碳酸盐和成岩碳酸盐,其中δ13C值为-6.6‰~-13.0‰(朱强等,2019),与伊盟隆起古生界天然气中甲烷δ13C值(-32.0‰~-34.4‰)和乙烷δ13C值(普遍大于-25.4‰,平均-24.8‰(陈敬轶等,2016))明显不同,表明碳的来源应为赋矿层有机物,参与铀成矿作用的有机质应为直罗组沉积成岩阶段产物。铀矿物20个测点的电子探针分析结果显示,铀石10个点(UO2=70.60%~78.48%,SiO2=15.80%~21.15%),沥青铀矿6个点(UO2=82.67%~85.46%,SiO2=7.86%~10.03%),(含)钛铀矿4个点(UO2=35.24%~53.41%,TiO2=12.23%~38.32%)(彭胜龙等,2023),与钱家店矿床具有相似性(张宇辰等,2024),表明铀矿物以铀石和沥青铀矿为主。13个含矿全岩样品U4+/U6+比值为1.46~8.91,平均为4.36(内部资料待发表)。
2.5 成矿机理
还原环境铀元素相对较难迁移,有利于矿床的保存。塔然高勒地区铀矿体下部发育多层下侏罗统延安组煤层,含矿层含有大量的煤屑等有机质。曾江萍等(2016)通过静态吸附试验对塔然高勒样品进行分析,结果显示腐殖酸对铀的富集具有明显的作用,少量的腐殖酸能使U6+吸附率达到98.79%。塔然高勒外围地区2081矿床19件溶浸分析结果显示U6+占比为3.02%~54.6%(彭云彪等,2006),显示吸附作用可能占有一定的比例。另外,前人的实验表明Fe2+对U6+具有很强的还原作用,在pH值小于7的酸性溶液中,黄铁矿对U6+的还原作用较强(张莉娟等,2018)。塔然高勒矿床中黑云母、钛铁矿等发生蚀变析出Fe2+,为含氧含铀流体中的U6+还原沉淀奠定了基础,在黑云母、锐钛矿的解理面中、黄铁矿的表面和边部发育大量的铀石。因此,塔然高勒矿床赋矿层内部大量的煤屑等有机质的存在,为腐殖酸、矿物蚀变析出Fe2+、FeS(黄铁矿)等提供了形成条件,其为表生含氧流体中U6+吸附、还原富集沉淀提供了物质条件,与盐湖锂成矿具有相似性(肖则佑等,2023)。S2-、Fe2+对U(Ⅵ)具有很强的还原性,其化学反应方程式为:2FeS2+15U6++16H2O→2Fe3++15U4++4SO42-+32H+、2Fe2++U6+→2Fe3++U4+、U6++2e-→U4+(TiO2/蚀变黑云母吸附)、U4++2H2O+SiO2→USiO4(铀石)+4H+。塔然高勒矿床16个测点的U-Th-totalPb化学年龄为0.96~11.39Ma,平均5.68Ma(据彭胜龙等(2023)电子探针数据计算)。外围同一赋矿层的杭锦旗铀矿沥青铀矿微区原位U-Pb测年数据显示,晚白垩世以来经历过多期成矿过程,成矿时代多小于40Ma,尤其是中新世以来(张婉莹等,2019),沿流体流向成矿时间逐渐变新,这一成矿特征和规律与泾川铀矿基本一致。
3 成矿模式
中国北方中-新生代盆地铀矿与含煤岩系、含油气岩系具有密切的空间共存规律,后者为砂岩型铀矿的形成提供了还原条件,甚至在石炭、二叠系也发育富有机质地层(石刚等,2023),也会有铀成矿作用存在。有些铀矿受油气田区还原介质的影响如泾川、七个泉、克拉玛依、大庆等,有些是受煤田区还原介质影响如塔然高勒、陆海、白彦花等,有些可能是受二者的双重影响如钱家店。本文选择泾川油气田区白垩系特大型风成砂岩型铀矿,赋矿层中未发育煤屑等原生沉积成岩期有机质和塔然高勒煤田区侏罗系中特大型铀矿,赋矿层中未见有深部气田烃类流体的影响,分别建立了泾川式和塔勒式成矿模式(图6)。泾川式铀成矿作用是地表含氧含铀流体与深部烃类流体耦合富集成矿。下部三叠系延长组发育烃源岩,产生大量的烃类流体沿断裂构造运移至洛河组风成砂岩层内,储存于断裂构造和岩石空隙内,烃类流体运移距离远近、面积大小取决于岩石的渗透性和断裂构造的发育,尤其是前者。表生流体携带盆地西缘富铀体析出的U6+,通过渗流、径流等方式运移至洛河组富烃类流体的砂岩中,发生还原反应和吸附于黏土矿物而富集沉淀,之后流体沿断裂构造破碎带运移,矿体形态受烃类流体富集状态的约束,横向变化不稳定,局部很不规则,存在切穿层理的现象。塔勒式铀成矿作用是地表含氧含铀流体与赋矿层内部还原介质发生还原反应而富集成矿。中侏罗统直罗组下段灰色砂岩中发育大量的煤屑等有机质,表生流体携带盆地北缘富铀体析出的U6+,通过渗流、径流等方式运移至直罗组富煤屑的砂岩中,发生还原反应和吸附于黏土矿物而富集沉淀,矿体形态受富煤屑灰色砂岩的约束,横向变化较稳定,矿体近于顺层产出。由于铀元素较为活泼,随着含氧含铀流体的持续供给,耗散更多的有机质,同时会对先形成矿体氧化破坏,向盆地内部、深部还原环境不断迁移富集,像“雪球”一样滚动前进,形成“聚-散-聚”持续成矿过程。
图6 泾川式和塔勒式铀成矿模式
4 结论
(1)以还原介质沉积成岩期形成(内生)和后期外部运移至铀赋矿层(外生)为主要标志建立油气田区泾川式和煤田区塔勒式两种铀成矿模式。
(2)泾川式还原介质以烃类流体为主,矿体受岩层渗透性、后期断裂构造等要素控制明显,矿化层多,常见发育十几层,甚至几十层,矿层厚度横向变化较大(几米至上百米),多见切穿沉积层理,铀矿物以沥青铀矿为主,呈星点状、棱角状,颗粒较小,从几微米至十几微米,分布较为均匀。
(3)塔勒式还原介质以煤屑等为主,为同沉积成岩期碎屑,矿体基本顺层产出,一般横向展布较为稳定,矿化层一般1~3层,与含煤屑层基本一致,铀矿物主要为铀石和沥青铀矿,呈不规则粒状、团块状、细脉状、羽状,颗粒大小变化较大,从几微米至几百微米,分布不均匀。
致谢:中国地质调查局铀矿调查工程/项目、地矿、煤田、油田、核工业等行业提供了大量的实际材料和成果资料;中国地质调查局铀矿研究团队整理分析了大量的野外原始资料,在成文过程中赵华雷、冯晓曦、陈印、朱强、张博、司庆红、王善博、文思博、王佳营、张超(大、小)、曾威、徐增连、刘华健、刘行、陈印、汤超、俞礽安、李超、彭胜龙等提供了大量的数据,陈路路提供图5g、吴柏林提供图5h等实际资料,审稿人提出了建设性意见和建议,在此一并致以诚挚的谢意!
引用格式:程银行,金若时,苗培森,王少轶,滕雪明,2025. 砂岩型铀矿的两种成矿模式:泾川式和塔勒式。地球科学,50(1):46-57.
封面标题、导读评论和排版整理等:《覆盖区找矿》公众号.
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