松辽盆地北部林甸地区四方台组地球化学特征及古环境指示意义

武涵 ,  杨永强 ,  刘宝林 ,  罗敏 ,  王东旭

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (9) :3674-3685

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (9) :3674-3685 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506757
天文学、地球科学

松辽盆地北部林甸地区四方台组地球化学特征及古环境指示意义

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Geochemical Characteristics of Sifangtai Formation in Lindian Area of Northern Songliao Basin and Its Paleoenvironmental Significance

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摘要

近年勘查表明,松辽盆地北部在砂岩型铀矿方面展现出巨大找矿潜力。区域内四方台组因砂体厚度适中、规模稳定、连通性更好,且上、下层之间存在稳定的隔水泥岩的条件成为主要的目的层位。以松辽盆地北部林甸地区四方台组的6口钻井岩芯为研究对象,通过电感耦合等离子体质谱(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)技术和CN元素分析仪测试了岩石样品的微量元素和总有机碳(total organic carbon,TOC)含量,分析了微量元素变化及其比值指示的沉积环境意义。结果表明:在研究区四方台组,总有机碳为0.05%~0.38%(含量较低),P/Ti比值为0.06~0.39,Th/U比值为0.17~33.3,δU大多小于1,V/Cr比值为0.31~9.04,V/(V+Ni)比值为0.31~0.92,Ni/Co比值为0.11~3.19,Sr/Ba比值为0.21~0.43,Sr/Cu比值为8.02~54.75。综合各项微量元素参数及比值表明,研究区四方台组沉积水体整体为富氧氧化环境,局部存在缺氧还原环境,沉积时期炎热干旱的古气候特征,整体处于陆相淡水沉积环境,具有低-中等的初始古生产力。岩石TOC含量与古生产力没有良好的相关性,推测可能是沉积时期富氧氧化的环境消耗了有机质,导致埋藏有机碳含量较低。

Abstract

Recent exploration in the northern Songliao Basin has demonstrated significant potential for sandstone-type uranium deposits, with the Sifangtai Formation being identified as the primary target layer due to its moderate sandbody thickness, stable scale, good connectivity, and effective overlying impermeable mudstone. Six drill cores from the Sifangtai Formation in the Lindian area were analyzed using inductively coupled plasma mass spectrometry(ICP-MS) and CN elemental analysis to determine trace element concentrations and total organic carbon (TOC) content. The results indicate that in the Sifangtai Formation of the study area, TOC content ranges from 0.05% to 0.38% (indicating low organic content), P/Ti ratios range from 0.06 to 0.39, Th/U ratios from 0.17 to 33.3, δU values are mostly less than 1, V/Cr ratios from 0.31 to 9.04, V/(V+Ni) ratios from 0.31 to 0.92, Ni/Co ratios from 0.11 to 3.19, Sr/Ba ratios from 0.21 to 0.43, and Sr/Cu ratios from 8.02 to 54.75. These geochemical indicators collectively suggest that the Sifangtai Formation was deposited in a continental freshwater setting under a generally oxygen-rich, oxidizing water column with localized reducing conditions, reflecting a hot and arid paleoclimate and low to moderate paleoproductivity. The lack of correlation between TOC and paleoproductivity is attributed to oxidative consumption of organic matter in the depositional environment, resulting in low preserved organic carbon.

Graphical abstract

关键词

松辽盆地北部 / 林甸 / 四方台组 / 沉积环境

Key words

northern Songliao Basin / Lindian Area / Sifangtai Formation / sedimentary environment

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武涵, 杨永强, 刘宝林, 罗敏, 王东旭. 松辽盆地北部林甸地区四方台组地球化学特征及古环境指示意义[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(9): 3674-3685 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506757
WU Han, YANG Yong-qiang, LIU Bao-lin, LUO Min, WANG Dong-xu. Geochemical Characteristics of Sifangtai Formation in Lindian Area of Northern Songliao Basin and Its Paleoenvironmental Significance[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(9): 3674-3685 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506757

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砂岩型铀矿由于埋藏浅、储量规模大、成本低、易于开采等特点,且主要含矿层为中新生代沉积盆地盖层中的侏罗系—白垩系。因此,将中新生代沉积盆地中的砂岩型铀矿作为勘查目标,已成为中国一项重要的战略研究重点[1],而松辽盆地是中国较大的中新生代陆相沉积含油气盆地,也是中国北方大型产铀盆地之一[2-3]。松辽盆地的浸砂岩型铀矿勘查工作展开于20世纪90年代[4],经调查研究,发现含铀层位主要分布于白垩系泉头组、青山口组、姚家组、四方台组和明水组[5]。近些年来,在松辽盆地的南部内陆续发现了钱家店和宝龙山等铀矿床[6-7],而盆地北部砂岩型铀矿找矿工作一直没有取得实质性的突破,但在盆地西北部泰康地区和大庆长垣南部不断地有一些新的铀异常及铀矿化的发现,再次引起了人们对松辽盆地北部研究的重视,其中王东旭等[8]研究认为泰康地区四方台组铀富集作用主要与深部烃类流体上移浅层位发生还原作用有关;魏佳林等[9]研究发现大庆长垣南部四方台组铀矿化的形成与原始沉积成矿和后期蚀变有着密切的关系;蔡宁宁[10]研究发现松辽盆地大庆长垣XX地区四方台组砂岩型铀矿中的铀近乎均等地以吸附态(赋存于黏土、有机质等)和矿物态形式存在,其富集成矿均受控于与黄铁矿相关的还原作用。在盆地的构造演化过程中及挤压应力体制下形成了特殊的断裂型反转构造,反转构造主要表现为断裂型和褶皱型两种形式,断裂型为下部正断层、上部逆断层(如林甸);背斜型系指早期断陷经挤压隆升形成(如大庆长垣)。这些反转构造易于形成剥蚀天窗,大气降水在剥蚀天窗处把淋滤出的铀渗入地下,为该地区的铀矿化提供了必要的条件[11]。张航等[12]结合松辽盆地北部的反转构造条件、氧化-还原条件以及砂体空间分布特征,推测出林甸地区分布有一条氧化带前锋线,而铀成矿潜力有待进一步验证。现以松辽盆地北部林甸地区四方台组钻井岩芯为研究对象,测定岩石中的稀土元素、氧化还原敏感微量元素和总有机碳,进而探讨沉积时期的地球化学条件,以期为今后松辽盆地北部砂岩型铀矿的勘探与开发提供理论依据。

1 区域地质概况

松辽盆地是位于中国东北、横跨黑吉辽蒙四省区的大型中、新生代沉积盆地,是中国最重要的含油气盆地和世界最大的陆相沉积盆地之一。松辽盆地北部包括中央坳陷区、西部斜坡区、东北隆起区及北部倾没区4个一级构造单元[图1(a)][13]。

松辽盆地北部盖层主要由中、新生界地层构成,具体包括侏罗系火石岭组;下白垩统沙河子组、营城组、登娄库组和泉头组;上白垩统青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组与明水组;以及第三系依安组、大安组、泰康组和第四系。其中,白垩系作为盆地内最主要的沉积岩系,具有沉积厚度大、分布范围广的显著特征[14]。松辽盆地北部周缘的大兴安岭、小兴安岭和张广才岭形成于侏罗纪造山运动。其中,大兴安岭的花岗岩主要形成于白垩纪,而小兴安岭和张广才岭的花岗岩则主要形成于三叠纪—侏罗纪。这些花岗岩均属富铀岩体,经风化剥蚀作用,为盆地提供了重要的铀源。松辽盆地北部在中新生代受燕山运动和喜马拉雅运动的影响,盆地的形成经历了包括褶皱、张裂、裂陷、沉降以及萎缩平衡5个阶段[15],两次构造运动控制了盆地的构造与地貌演化。

四方台组下段岩性主体为褐红与灰绿色砂岩、泥岩,夹有砂质泥岩和泥质砂岩,见泥砾与钙质结核;上段以褐红、灰绿色泥岩为主,含粉砂岩夹层及钙质结核。该组主要分布于松辽盆地中、西部,东部绥化一带仅有零星出露。地层厚度在盆地北部多为200~400 m。其与下伏嫩江组呈区域不整合接触,局部为整合关系;与上覆明水组在盆地北部为平行不整合接触[16]。

2 样品采集与测试方法

2.1 样品采集

采集了松辽盆地北部林甸地区6口不同钻井岩芯四方台组岩石样品共24个,采样具体层位置如图1(b)、图1(c)所示,主要岩性的岩石样品如图2所示。

为降低现代沉积物的污染,取样过程中,尽量选择新鲜面的岩石样品,以减少风化和后期成岩改造等现代地质作用的影响。

2.2 微量元素测试方法

微量元素采用酸溶法,在中国地质大学(北京)科学研究院元素地球化学实验室完成。将岩石样品经去离子水超声波洗净烘干后,用球磨仪将样品粉碎成200目的粉末,准确称取约40 mg样品后,采用高纯(HNO3+HF)按照2∶1混合酸于高压反应釜中进行密闭消解,以确保难溶组分完全分解,将消解完全的样品用超纯水稀释至一定体积。元素含量测定使用美国安捷伦公司Agilent 7500a型等离子体质谱仪(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS),仪器使用美国国家标准与技术研究院(NIST)溯源的标准溶液(Std-1, Std-2, Std-4)进行校准,并以Rh作为内标元素以监测并校正信号漂移。为确保分析数据的准确性与可靠性,在整个分析流程中同步插入并分析了美国地质调查局(USGS)的标准物质(AGV-2, BHVO-2, W-2)以及中国地质标准样品(GSR-1, GSR-3)作为质量监控。测试结果相对误差小于5%。

2.3 总有机碳测试方法

总有机碳(total organic carbon,TOC)采用燃烧法,由青岛斯八达分析测试有限公司完成测试。首先将样品干燥并研磨成粉末,定量称取15 mg左右样品用于测定总碳(TC)含量;为测定有机碳(TOC),另称取75 mg左右同一样品,经1 mol/L HCl酸化、超声振荡及50℃过夜干燥以彻底去除无机碳,待样品在空气中平衡后再次称重、研磨均质,最后通过元素分析仪测定。分析使用德国Elementar公司生产的Variomax型碳氮元素分析仪。为确保分析数据的准确性与可靠性,在每批次样品中同步插入空白实验,并采用岩石成分分析标准物质GSR-5(页岩)和GSR-6(泥质灰岩)作为质量监控样品;同时,执行每10个样品分析一个平行样与一个标准物质的质控流程。测试结果相对误差小于10%。

3 结果与讨论

3.1 元素地球化学特征

3.1.1 微量元素

研究区四方台组样品中微量元素含量,如表1所示。含量最高的是Ti,含量为741.76×10-6~4 019.2×10-6,平均含量为1 915.78×10-6;含量最低的是Sc,含量为1.84×10-6~12.51×10-6,平均含量为5.12×10-6。用于沉积环境的判识微量元素有Cr、Co、V、Ni、U等,其含量分布如下。Cr元素含量分布在9.13×10-6~112.39×10-6,平均值为33.87×10-6;Co元素含量分布在13.43×10-6~152.76×10-6,平均值为75.71×10-6;V元素含量分布在15.06×10-6~197.8×10-6,平均值为47.11×10-6;Ni元素含量分布在17.88×10-6~131.33×10-6,平均含量为71.39×10-6;U元素含量分布在0.96×10-6~153.56×10-6,平均值为14.53×10-6。

与大陆上地壳的微量元素[17]含量相比,研究区四方台组中U、Co、Ni、Ba表现出明显富集,Cr含量与之接近,其余微量元素则均呈现相对亏损状态,如图3所示。

3.1.2 稀土元素

样品稀土元素含量及分析结果如表2所示。稀土元素总量为210.44×10-6~1 892.58×10-6,平均值为510.43×10-6,高于大陆上地壳(UCC)平均值,而轻稀土元素(LREE)丰度较高,平均值为409.38×10-6,占比78.97%,重稀土元素(HREE)丰度较低,平均值为109.05×10-6,占比21.03%。轻重稀土比值(ΣLREE/ΣHREE)比值位于2.37~15.51,大于1,表明该组地层中轻稀土元素明显富集,重稀土元素亏损,且轻稀土元素与重稀土元素之间分馏明显。Eu异常系数(δEu)位于0.61~0.88,小于1,表明铕分布为负异常,在该地层中有铕的亏损,推测物源区母岩为花岗岩类[18],而Ti/Zr<20及Cr/Zr<0.5,则进一步表明物源区为长英质[19]。Ce元素除个别样品外,整体未形成明显的Ce异常。

图4是稀土元素球粒陨石标准化配分模式图,可以看出,La-Eu段曲线较陡,而Eu-Lu段曲线较平缓,说明其是轻稀土富集、重稀土平坦型的分布模式,且轻稀土元素与重稀土元素之间分馏明显,反映了沉积物的来源主要为陆源岩石风化的产物。不同的样品REE含量呈现出高低不同的特征,指示出在沉积时期不同区域受到差异性的物源条件以及水动力条件的影响。样品分布曲线整体平缓且呈现左高右低的趋势,表明该区域四方台组沉积物具有一致的物源供给条件,且沉积物物质来源较为单一,未经历显著成岩期改造,保留了原始沉积特征。

3.2 沉积环境指示意义

3.2.1 氧化还原环境

不同氧化还原条件的沉积水体中,多价态的微量金属元素会表现出较大的地球化学行为差异,如U、V、Cr和Cu等,因氧化还原条件不同,发生的迁移行为与自生沉积,导致元素的重新分配,对沉积水体的氧化还原条件过程中具有一定的指示意义[20]。选取Th/U、δU、V/Cr、V/(V+Ni)、Ni/Co作为沉积水体氧化还原环境的关键判别标志,微量元素比值判别沉积环境分析结果如图5所示。Th元素只有正三价一种价态不易溶解且不受氧化还原条件的影响一般呈现出相对稳定的状态,而U元素的赋存条件则不一样,铀(U)元素在强还原条件下以不溶于水的四价态存在,而在氧化条件下则转化为易溶于水的六价态。因此,在还原性沉积水体的环境中,铀的富集程度显著高于缺氧环境。根据这两种元素的在不同氧化还原条件下的差异性,可以用Th/U比值和δU法来反映沉积水体的氧化还原条件。Th/U比值介于0~2指示缺氧还原环境,Th/U比值介于2~8时指示氧化环境[21]。δU的计算公式为

$\mathrm{\delta }\mathrm{U}=\frac{{w}_{\mathrm{U}}}{0.5}\left(\frac{{w}_{\mathrm{T}\mathrm{h}}}{3}+{w}_{\mathrm{U}}\right)$

式(1)中:wU、wTh分别为样品中U、Th的含量。其指示意义为:富氧氧化环境中δU<1,而缺氧还原环境中δU>1[22]。根据微量元素分析结果显示,Th/U比值为0.17~33.3,平均值0.39:δU为0.68~1.98,平均值1.24,大部分大于1,根据比值判别得出四方台组整体为富氧氧化环境,局部存在贫氧环境及缺氧还原环境。图5中各个钻孔的Th/U比值与U异常值均与其岩性特征相对应,具有较好的一致性,显示氧化还原参数的可靠性。在微量元素的相关比值判断水体氧化还原性质的指标中,除Ni/Co比值的变化规律不明显之外,V/Cr、V/(V+Ni)比值结果均表明研究区四方台组整体为富氧氧化环境,局部存在贫氧环境,与申林等[23]对松辽盆地大庆长垣南端四方台组古环境特征的研究中得出的结果具有较好的相似性。

3.2.2 古盐度

古盐度记录了古代沉积水体的盐度信息,是恢复和反演地质历史时期沉积环境特征的重要依据。研究主要采用微量元素Sr含量及锶钡比值对四方台组沉积期湖盆古盐度进行分析。在自然界的水体中,锶和钡常以重碳酸盐形式存在;由于二者在水体中的迁移能力及溶度积存在差异,导致其地球化学行为显著不同。当沉积水体盐度增加时,钡以BaSO4的形式先沉淀,而锶在水体中以游离态存在,随着盐度的不断增加,锶也以SrSO4的形式沉淀。因此,记录在沉积物中的Sr/Ba值能反映沉积介质中盐度的变化,并且其比值与古盐度呈现着良好的正相关关系[24]。当沉积物水体中Sr/Ba比值大于1.0为海相咸水,Sr/Ba比值小于1时指示陆相。再进一步细分为Sr/Ba比值为0.6~1为半咸水相,小于0.6为陆相淡水相,且Sr含量介于800×10-6~1 000×10-6指示海相咸水沉积环境;Sr含量介于100×10-6~500×10-6指示陆相淡水沉积环境[25]。根据微量元素分析结果显示,Sr含量为154.41×10-6~465.46×10-6,平均值为229.01×10-6,所有值均介于100×10-6~500×10-6,而Sr/Ba比值为0.21~0.43,平均值为0.32。通过微量元素Sr含量及Sr/Ba比值可判断出研究区四方台组整体处于陆相淡水沉积环境。李研等[26]对松辽盆地西部斜坡区姚家组和四方台组含铀砂岩地球化学特征的研究中,其利用Sr/Ba比值也得出了相似的结果。

3.2.3 古气候

古气候调控着湖泊生产力、沉积水体的氧化还原状态以及输入的陆源碎屑,进而控制这些沉积物的矿物组成特征、元素分布模式与富集程度。喜干元素Sr与喜湿元素Cu的比值(Sr/Cu)是恢复古气候的重要地球化学指标。研究证实,其判别标准如下:比值大于10指示炎热干旱气候,5~10指示半潮湿-半干燥气候,1.3~5.0则指示温暖潮湿气候[27]。根据微量元素分析结果显示,Sr/Cu比值位于8.02~54.75,平均值为26.22。通过Sr/Cu比值可判断出研究区四方台组整体为炎热干旱气候,局部为半潮湿-半干旱的古气候,而炎热干旱程度为先增加再减少的反复过程,顶部和底部为半潮湿半干燥气候,与石蕾等[28]对松辽盆地南部两井地区四方台组研究得出结果基本一致,其结果为:四方台组砂岩样品处于干旱-半干旱半潮湿气候区域,以干旱气候为主。

3.2.4 古生产力

磷是浮游生物生长所需的关键营养元素,其供应水平直接限制古生产力的高低,因此常将沉积物中的磷含量作为重建古生产力的代用指标。为避免陆源碎屑中磷受有机质或自生矿物的稀释效应,通常不采用磷绝对含量进行评价,而是使用P/Ti、P/Al等元素比值来表征古湖泊营养状态[29]。研究区四方台组的P/Ti比值为0.06~0.39,平均值为0.16,低于Ubara剖面燧石P/Ti比值(平均值为0.34),而Ubara剖面燧石为中等生产力[30],表明研究区四方台组沉积水体低-中等的初始古生产力。

除磷元素以外,沉积物中的钡(Ba)含量与表层古生产力密切相关,Ba元素主要来源包括陆源输入和生物成因两种。由于生物成因Ba与古生产力直接相关,因此在利用Ba含量w反演古生产力时,必须扣除陆源输入Ba的影响,计算公式为

${w}_{\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}}={w}_{\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}-{w}_{\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}{w}_{\frac{\mathrm{B}\mathrm{a}}{\mathrm{T}\mathrm{i}}\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{s}}$

式(2)中:wBatotal为样品Ba的含量;wTitotal为样品Ti的含量;${w}_{\frac{\mathrm{B}\mathrm{a}}{\mathrm{T}\mathrm{i}}\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{s}}$为晚太古代澳大利亚平均页岩中的Ba/Ti质量分数比值,为0.007 7[31]。当过剩Ba含量介于1 000×10-6~5 000×10-6区间时,指示沉积环境具有高古生产力;而当过剩Ba含量处于200×10-6~1 000×10-6范围内时,则反映中等古生产力水平。研究区四方台组生源Ba的含量位于528.88×10-6~1 131.65×10-6,平均值为705.12×10-6。说明研究区四方台组沉积时期古生产力为中等。

岩石总有机碳含量(TOC)是表示有机质丰度的一项指标,一定程度上也可以反映古生产力的高低。在相同条件的情况下,湖水的生产力越高,保存的有机质越丰富,有机碳含量也就越高,而中-高古生产力沉积环境在供给充足有机质的同时,其有机质降解过程会大量消耗水体溶解氧,进而形成缺氧条件,促进有机质的保存[32]。研究区四方台组总有机碳的主要变化范围为0.05%~0.38%,平均值为0.14%,含量较低。古生产力的P/Ti比值和生源Ba的含量与岩石中TOC的相关性拟合,如图6所示。样本相关系数(R2)结果显示两者不相关。说明埋藏有机碳含量并不能代替原始有机质的量,沉积时期富氧氧化的环境消耗了有机质,导致埋藏有机碳含量较低。

3.3 沉积环境及铀成矿分析

层间氧化带型砂岩型铀矿是最典型的水成铀矿,其成矿过程为:大气降水在渗入地下渗透带的过程中,从铀源区中淋滤出铀形成含铀含氧流体,含铀含氧流体在渗透性良好的砂体中迁移,在氧化还原过渡带发生沉淀并富集成矿的复杂过程[33]。研究区除具有丰富的岩铀源、良好的构造条件[34-35],沉积环境也较为有利。

铀(U)元素的地球化学行为受环境氧化还原状态控制,其赋存形态与迁移能力存在显著差异。在氧化环境中,铀主要以可溶性的六价铀酰离子(U${\mathrm{O}}_{2}^{2+}$)形式存在,易于在中性至弱碱性水溶液中迁移;在还原环境中,铀被还原为四价态,形成难溶的简单氧化物(UO2)并发生沉淀;在氧化还原过渡带中,四价与六价铀并存,但以四价铀为主导,该区域亦有利于铀的还原沉淀与富集[36]。研究区四方台组的氧化还原条件及淡水沉积环境有利于铀元素的赋存及矿化过程组铀元素的迁移沉淀。在湿润及半湿润的气候下,有利于形成富含还原性的物质如有机质、硫化物等,可为铀矿化过程的沉淀富集提供丰富的还原条件;而在干旱及半干旱的气候下,有利于含铀含氧的流体往砂体中的还原环境中迁移,为铀元素发生还原反应提供条件[37]。研究区四方台组的气候条件,既有利于铀矿化过程铀元素的迁移,又利于铀矿化过程铀元素的沉淀富集。岩石中有机碳含量与其还原能力呈显著正相关。对于砂岩型铀矿而言,有机碳含量介于0.1%~3%的砂体最有利于层间氧化带型铀矿化的形成;有机质含量过低或过高,均不利于铀成矿作用的进行[38]。而研究区四方台组中有机碳含量大部分位于这个区间,表明该区域的沉积环境对铀矿化的发育有利。

4 结论

对林甸地区上白垩统四方台组综合利用微量元素、稀土元素及总有机碳(TOC)等相关指标,在古环境重建与砂岩型铀矿成矿控制因素研究上取得了以下认识。

四方台组气候由干旱向半潮湿演化的反复波动过程,而非持续的干旱气候。这种气候转型期导致水体动力条件发生变化,从而有利于铀矿化过程中的迁移、富集和沉淀。

四方台组沉积水体具有“低-中等”的初始古生产力,这与该时期的干旱气候背景相吻合。尽管沉积后期的富氧氧化环境消耗了大部分有机质,导致岩石总有机碳含量(TOC)与古生产力没有良好的相关性,但适中的初始古生产力为铀成矿作用提供了必要、初始、还原性的有机质。

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基金资助

中国铀业有限公司-东华理工大学核资源与环境国家重点实验室联合创新基金(2023NRE-LH-06)

中国核工业地质局“松辽盆地通辽-大庆地区铀矿资源调查评价与勘查”(202212)

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