位于巴音戈壁盆地南部的塔木素铀矿床在矿化特征上明显有别于我国北方其他砂岩型铀矿床,对于该矿床的成因也存在较大的争议。通过岩石学、同位素地质学、扫描电子显微镜、阴极发光、径迹蚀刻等综合研究,结果显示塔木素铀矿床巴音戈壁组上段第三岩性段(K₁b^2-3)含铀泥灰岩至少经历了4个阶段的成岩作用,铀矿物呈微粒(粒径1b^2-2)含铀砂岩在沉积成岩阶段盆地内封存的高矿化度地下水与碎屑物之间以及成岩后酸性地表水与碳酸盐胶结物之间共发生了两个阶段的水岩作用,每个阶段形成了表现特征不同的铀矿化。沥青铀矿U-Pb同位素测试结果显示,区内最早的铀矿化形成时间为111.6±8.1 Ma,与砂岩形成时间接近,而最新的铀矿化形成时间为2.5 Ma,具有明显后生成因特征,综合研究显示砂岩中的铀矿化具有沉积成岩及后期层间氧化叠加改造双重成因特征,沉积成岩期成矿物质主要来自封存的地下水,而层间氧化期成矿物质主要来自地表水带入的铀及富铀岩层。同时研究认为塔木素铀矿床存在后期热液活动,但暂未发现热液活动与铀成矿具有直接的成因联系。