薩瓦甫齊鈾礦床巖石浸出液水化學(xué)對古流體的指示作用

林效賓，王志明，郝偉林，韓 軍

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029）

薩瓦甫齊鈾礦床巖石浸出液水化學(xué)對古流體的指示作用

林效賓，王志明，郝偉林，韓 軍

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029）

薩瓦甫齊鈾礦床位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使盆地蓋層變得陡直甚至倒轉(zhuǎn)，承壓含水層中的地下水不斷被疏干，現(xiàn)今在垂深475 m以上已無地下水活動(dòng)，鈾礦體主要?dú)埩粼诠艑娱g氧化還原過渡帶中。根據(jù)水-巖相互作用的原理，試圖通過研究巖樣浸出液的水化學(xué)來獲取古地下流體的一些基本特征。

薩瓦甫齊鈾礦床；砂巖型鈾礦床；層間氧化帶；水-巖體系；Eh-pH法

薩瓦甫齊鈾礦床位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)溫宿縣城北西65 km處，地處邊境，距中國—吉爾吉斯斯坦國界庫力克達(dá)坂地區(qū)17 km。經(jīng)過50余年的斷續(xù)普查和勘探，該礦床已落實(shí)為一大型工業(yè)鈾礦床。

1 礦床地質(zhì)概況

礦床位于西南天山南緣阿依列—薩瓦甫齊中生代山間盆地的東段，EW向展布，長約6 km，南北寬0.4～0.8 km，面積為3.1 km2。礦床周邊附近出露的基底主要有上震旦統(tǒng)、石炭系，以及華力西期花崗巖。盆地沉積蓋層由三疊系、侏羅系和白堊系構(gòu)成。在盆地南緣河床中分布有現(xiàn)代沖洪積砂、礫；蓋層頂面之上散布有第四紀(jì)漂礫（圖1）。盆地沉積蓋層中的侏羅系中下統(tǒng)，為一套河湖相沉積的礫巖、砂巖、泥巖和煤巖組成的含煤碎屑巖建造，為該礦床的賦礦層。上侏羅統(tǒng)及下白堊統(tǒng)為河湖相的紅色碎屑巖建造［1］。礦床附近地區(qū)缺失上白堊統(tǒng)及古近系，表明礦床所在地區(qū)，繼早白堊世沉積期后一直處于干旱的古氣候條件，經(jīng)歷了長期的構(gòu)造隆起發(fā)展階段，為鈾成礦創(chuàng)造了有利的古氣候、古構(gòu)造環(huán)境。

圖1 薩瓦甫齊盆地地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Sawafuqi Basin

進(jìn)入第四紀(jì)，在區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響下，受強(qiáng)大的SN向區(qū)域壓應(yīng)力場作用，盆地基底和蓋層經(jīng)受了不同程度的隆起，盆地南北兩緣發(fā)育的主河道持續(xù)下切呈深河谷。與此同時(shí)，在基底和蓋層中新生或復(fù)活一系列近EW向逆沖斷層及與之相伴的近SN向張性導(dǎo)水?dāng)嗔?、地層高角度傾斜甚至局部倒轉(zhuǎn)變形推覆斷塊相互交織的地質(zhì)構(gòu)造背景。

2 層間氧化帶特征

薩瓦甫齊鈾礦床含礦巖性為富含有機(jī)質(zhì)、炭質(zhì)碎屑、黃鐵礦的灰色、灰白色細(xì)礫巖、不同粒度的砂巖及灰色、深灰色泥巖。在剖面上，含礦砂體在晚二疊紀(jì)至古近紀(jì)時(shí)所發(fā)育的古層間氧化帶的氧化砂體絕大部分在上新世末期開始的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)演化過程中隨著盆地的擠壓抬升而被剝蝕掉，砂體中現(xiàn)殘留的層間氧化帶主要為部分不完全氧化帶及氧化還原過渡帶的部位，由于受到后生改造作用，在古層間氧化帶基礎(chǔ)上，疊加了現(xiàn)代氧化作用。

砂巖型鈾礦體賦存于含礦砂體內(nèi)或砂巖與泥巖界面靠近泥巖的砂體中；泥巖型鈾礦體賦存于含礦砂體頂?shù)装迥鄮r、粉砂巖或頂?shù)装甯浇哪鄮r、粉砂巖中（圖2）。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中，鐵米爾蘇組等地層變得陡直甚至倒轉(zhuǎn)，承壓含水層中的地下水不斷被疏干，現(xiàn)今在垂深475 m以上已無地下水活動(dòng)，給礦床的水文地球化學(xué)研究帶來了一定的困難。

3 研究依據(jù)及測試方法

水-巖作用認(rèn)為地殼是一個(gè)水-巖體系，其中天然水和巖石之間相互作用。水-巖作用的結(jié)果不僅導(dǎo)致水化學(xué)成分形成、演化和改變，而且還引起巖石礦物成分的變化，造成新含水層巖石或多或少保留了最后一期古流體作用的痕跡。本文根據(jù)水-巖相互作用的原理，試圖通過研究巖樣浸出液的水化學(xué)特征來獲取礦床在抬升過程中古地下流體的基本特征。

圖2 薩瓦甫齊鈾礦床58號勘探線水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Hydrogeological profile along exploration line No.58 in Sawafuqi uranium deposit

采集新打鉆孔的巖心樣品，并及時(shí)進(jìn)行碎樣及測試。本文選取了薩瓦甫齊鈾礦床中部礦化較好，具有較好代表性的58號剖面中兩個(gè)鉆孔進(jìn)行試驗(yàn)性研究，主要研究層位為礦化較好的Ⅸ含水層及與之相鄰的上、下隔水層。將所采集樣品碎至200目，稱取10 g巖樣放入密封試劑瓶中，加入100 mL去離子水，密封并充分搖勻，浸泡2 h以上后（此時(shí)基本達(dá)到水-巖平衡狀態(tài)），取出水溶液測試pH、Eh值，及水中陰、陽離子，水中微量元素等水化學(xué)數(shù)據(jù)。

4 巖石浸出液水中陰、陽離子及微量元素特征

4.1 巖石浸出液水中陰、陽離子

大部分樣品水質(zhì)類型為SO4型水（ZK5806-10為HCO3型水）， 礦化度均小于2 g·L-1（表 1）。 水中CO32-和 HCO3-含 量 受 pH值的影響，CO32-在各樣品中均未檢測出，根據(jù)水化學(xué)原理，當(dāng)pH小于臨界值6.4時(shí)，碳酸衍生物主要以H2CO3和游離CO2占優(yōu)勢；當(dāng)pH大于臨界值6.4、小于臨界值10.33時(shí)，CO32-占優(yōu)勢。

表1 巖石浸出液中陰、陽離子測試結(jié)果Table 1 Test result of anions and cations in leaching liquid from rock

4.2 巖石浸出液微量元素

圖3 浸出液中微量元素R型聚類分析譜系圖Fig.3 R type clustering analysis on trace elements in leaching liquid

由于先前實(shí)驗(yàn)中未考慮浸出液中懸浮物質(zhì)可能存在的影響，微量元素的測量值會(huì)受到一定的影響，其結(jié)果也反映了固體樣品的特征。據(jù)以往該礦床巖石微量元素相關(guān)性分析表明，U主要與Cd、Mo、Re、Co、Sb、V和In等元素相關(guān)，對此，本文做了巖石浸出液水中微量的R型聚類分析（圖3）和相關(guān)性分析，與巖石微量元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對比性研究，結(jié)果表明：（1）浸出液Mo元素的含量與巖樣有機(jī)質(zhì)脈的含量呈正比。相關(guān)性分析表明，Mo與U元素相關(guān)關(guān)系不大，而與Sb、Re呈正相關(guān)關(guān)系，其中與Sb相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99。說明Mo、Sb和Re是隨酸性有機(jī)流體帶入的組分，而并非與U元素共同遷移和富集，掃描電鏡測試結(jié)果（圖6）表明，Mo元素在有機(jī)脈體內(nèi)部出現(xiàn)了明顯富集，正好佐證了上述觀點(diǎn)。在巖樣微量元素中Mo、Sb、Re與U元素呈正相關(guān)關(guān)系，是有機(jī)質(zhì)還原U發(fā)生沉淀富集的地球化學(xué)結(jié)果表現(xiàn)。（2）浸出液中U元素與Ni、 Co、 Zn和Tl等元素相關(guān)性較好。（3）在巖石微量元素中Cd與U元素的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99，但據(jù)劉章月（2008）分析認(rèn)為，Cd元素的富集可能與該礦床后期的疊加改造有關(guān)［3］。而在浸出液中Cd元素與其他元素的相關(guān)性均不大，與U的相關(guān)性系數(shù)為-0.05，也說明U元素與Cd元素不是同一期流體的產(chǎn)物。（4）浸出液中Sr與Ca具有正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.75。這是因?yàn)镾r與Ca離子半徑相近，在方解石脈形成的過程中，Sr能被CaCO3捕獲也可生成SrCO3的次生膠結(jié)物。（5）礦床中達(dá)到綜合利用工業(yè)指標(biāo)的伴生元素有 Sc和 Ga。浸出液中 Sc和 Ga元素與 V、Nb、Ba、La和In等元素具有非常好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在0.97以上。說明它們是隨著流體一起遷移和富集的。

5 層間氧化帶水-巖體系Eh-pH特征

5.1 測試數(shù)據(jù)

所測水-巖體系Eh和pH值的結(jié)果見表2。因水溶液的酸堿度對氧化還原電位有很大的影響，不同pH值條件下巖石Eh測量值不能直接比較它們還原性能的大小，為此本文用李寬良（1980）建議的下式對所測巖石Eh值進(jìn)行校正：

式中：K＝59 mV；pHr——實(shí)測巖石浸出液pH值；Ehr——實(shí)測巖石浸出液Eh值；Eh7——pH＝7時(shí)巖石浸出液的Eh計(jì)算值。

為了驗(yàn)證該方法的可行性，在不同的時(shí)間段內(nèi)每一個(gè)樣品先后制取了兩個(gè)平行樣品，所測量的浸出液pH值前、后相差非常小，誤差小于7%，說明了該方法具有較高的可信度。但上隔水層ZK5806-02樣品利用該方法兩次所測pH值相差較大，原因是該樣品含有較多的碳酸巖脈體，而碳酸鹽的平衡對水體pH值的影響較大。

5.2 結(jié)果討論

（1）前人對新疆伊犁盆地512鈾礦床利用水-巖體系Eh-pH值變化特征來劃分含礦含水層層間氧化帶各個(gè)分帶的研究，從氧化帶到還原帶，水-巖體系Eh呈明顯下降趨勢，而水-巖體系pH值在氧化帶和還原帶較高，呈弱堿性，在氧化還原過渡帶則接近中性［4-5］。根據(jù)數(shù)據(jù)對比分析，本礦床兩個(gè)鉆孔中第Ⅸ含水層pHr與Ehr值的分布范圍，指示著該含水層處于氧化還原過渡帶中。

表 薩瓦甫齊鈾礦床 號剖面水 巖體系 值測試結(jié)果Table 2 Test results on Eh and pH values of water-rock system in section No.58 in Sawafuqi uranium deposit

（2）第Ⅸ含水層各樣品pHr值從ZK5806鉆孔的4.5～5.05（平均值為4.77）到ZK5810鉆孔的6.03～6.22（平均值為6.12），有增高的趨勢；Eh7從ZK5806鉆孔的-239.8～-94.35 mV（平均值為-18 9.2 mV）到ZK5810鉆孔的-144.32～1.47 mV（平均值為-80.75 mV），有升高的趨勢。此結(jié)論中Eh7有升高的趨勢與結(jié)論（1）中前人研究其他礦床所得出的水-巖體系Eh值從氧化帶到還原帶呈明顯下降趨勢不相符，而且pH測量值也較低。

圖4 第9煤層頂板充填的碳酸鹽脈體Fig.4 The filling carbonate vein in the 9th roof of coal bed

本文認(rèn)為造成此種現(xiàn)象的原因可能是后生酸性流體對原層間氧化帶進(jìn)行了改造。結(jié)合鉆孔資料：①在ZK5806孔第Ⅸ含水層與第9煤層之間具有很好的泥巖型礦化（圖2），以及充填了大量的碳酸鹽脈體（圖4），而在緊鄰的鉆孔中未曾發(fā)現(xiàn)此種現(xiàn)象；②在64號線ZK38孔（與ZK5806孔緯度相近）相同部位也出現(xiàn)了比較好的泥巖型礦化及異常；③含礦砂體裂隙中充填有大量的有機(jī)質(zhì)脈體，對ZK5806-05樣品做掃描電鏡測試，脈體呈不規(guī)則狀沿裂隙分布，局部呈細(xì)網(wǎng)脈狀、樹枝狀沿裂隙穿插礦物或碎屑顆粒，中間夾有非常細(xì)的石英脈體，且其成分出現(xiàn)了Mo元素的富集（圖 5、6）；④據(jù)劉章月（2008）的研究，該有機(jī)質(zhì)脈體不同于同沉積有機(jī)質(zhì)碳屑，它是在后期沿巖石裂隙貫入，13C同位素分析結(jié)果δ13C值較大（δ13C的平均值為-13.94），而生物成因有機(jī)質(zhì)以強(qiáng)烈虧損δ13C為特征，其推測這種有機(jī)質(zhì)脈體的形成與地層中煤的熱演化有關(guān)［3］；⑤前人在該礦床發(fā)現(xiàn)有晶質(zhì)鈾礦，而晶質(zhì)鈾礦主要是高溫條件下在溶液中結(jié)晶的產(chǎn)物。

圖5 有機(jī)質(zhì)脈體分布特征，掃描電鏡，X1000Fig.5 Distribution characteristics of the organic matter，SEM，X1000

圖6 有機(jī)質(zhì)脈體成分（質(zhì)量百分比）分布柱狀圖，掃描電鏡，X5000Fig.6 Distribution bar chart of the organic matter composition （by mass percentage）， SEM， X5000

結(jié)合以上幾點(diǎn)，筆者認(rèn)為在ZK5806鉆孔附近存在一條隱伏導(dǎo)水?dāng)嗔眩▓D7-a），鈾礦化的分布與后期熱液流體沿此斷裂流動(dòng)有關(guān)，即該礦床在層間氧化帶砂巖型鈾礦化后期疊加了熱液的改造作用。上新世末，薩瓦甫齊礦區(qū)進(jìn)入新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)階段，山前斷裂強(qiáng)烈活動(dòng)，并向盆地方向逆沖，造成含礦砂巖中發(fā)育眾多裂隙。另一方面，在沿?cái)嗔焉弦频纳畈繜嵋毫黧w作用下，加快了侏羅系煤層成烴的熱演化速度，形成的各種煤成烴組分隨熱液沿裂隙貫入含礦層中，與熱液共同影響了鈾元素的重新分布，從而形成層狀鈾礦體，并在被斷層穿過的煤層邊緣形成煤巖型鈾礦化。同時(shí)在熱液作用下形成了晶質(zhì)鈾礦。當(dāng)熱液流經(jīng)煤層頂板時(shí)，烴被硫酸鹽氧化成CO32-， CO32-水解生成 HCO3-， HCO3-進(jìn)而與地下水中的Ca2+結(jié)合成碳酸鹽或碳酸鹽的膠結(jié)物沉淀下來，在圍巖構(gòu)造裂隙中充填了方解石脈體。反應(yīng)過程如下：

酸性流體的貫入也可能是造成含水層灰白色高嶺石黏土化的直接原因。從原來產(chǎn)狀平緩的地層變得陡立甚至倒轉(zhuǎn)后，含礦層抬升而部分剝失，原來在平緩地層中滲流的層間水變?yōu)榇怪鄙舷虏▌?dòng)的潛水，各含水層普遍遭受淋濾、疏干作用，上部礦體被貧化改造，鈾等礦化元素向下遷移（圖7-b）。

圖7 薩瓦甫齊鈾礦床后期改造作用示意圖Fig.7 Schematic diagram for post reworking in Sawafuqi uranium deposit

6 結(jié) 語

上述結(jié)果討論對薩瓦甫齊鈾礦床找礦方向的啟示如下：

（1）運(yùn)用水-巖體系pH、Eh確定層間氧化帶分帶，并圈定鈾礦體位置或可能出現(xiàn)的位置：例如與第Ⅸ含水層同樣處于第9～12煤層之間的第Ⅺ含水層，在58號線上其礦化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及前者，而利用水-巖體系pH、Eh值確定層間氧化帶分帶，可以間接推測該含水層深部有無成礦的可能性 （若其水-巖體系pH、Eh指示含水層處于氧化帶或氧化還原過渡帶上，則深部有成礦的可能性；若指示含水層處于還原帶上，則深部成礦的可能性較?。?/p>

（2）尋找隱伏斷裂：如上所述，在深部熱液流體作用下，煤成烴的各種組分沿裂隙貫入含礦層中，并與來自深部的熱液共同影響了鈾元素的重新分布，其對礦體分布的控制作用有進(jìn)一步研究的價(jià)值。

本文的方法簡單且易于操作，水-巖體系Eh-pH在確定層間氧化帶分帶及圈定鈾礦體位置上具有一定的應(yīng)用前景，巖石浸出液水化學(xué)數(shù)據(jù)可在一定程度上反應(yīng)疏干礦床古流體的性質(zhì)，但具體操作流程需要進(jìn)行改進(jìn)，如巖樣不經(jīng)過破碎直接進(jìn)行浸泡以減少懸浮物質(zhì)的影響及浸泡時(shí)間的控制等；關(guān)于礦床是否存在熱液的改造作用，還需要諸如地球化學(xué)、同位素、流體包裹體和構(gòu)造等多方面的研究。

［1］申平喜.薩瓦甫齊鈾礦床成礦地質(zhì)條件及找礦前景［J］ .世界核地質(zhì)科學(xué)， 2010， 27（3）:139-143.

［2］ 史維浚，孫占學(xué).應(yīng)用水文地球化學(xué)［M］.北京：原子能出版社，2003：24-68.

［3］劉章月.新疆薩瓦甫齊地區(qū)構(gòu)造與砂巖型鈾成礦關(guān)系［D］.北京：核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，2008.

［4］ 劉金輝，孫占學(xué).確定砂巖型鈾礦體定位新方法：水巖體系Eh-pH法［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2004，34（1）： 44-48.

［5］張衛(wèi)民，劉金輝，李學(xué)禮，等.水巖體系Eh-pH法在砂巖型鈾礦層間氧化帶劃分中的應(yīng)用：以新疆伊犁盆地512 鈾礦床為例［J］.地球?qū)W報(bào)， 2003， 24（1）:85-90.

The hydrochemical indication of leached liquid from rock to the palaeofluid in Sawafuqi uranium deposit

LIN Xiao-bin， WANG Zhi-ming， HAO Wei-lin， HAN Jun
（CNNC Key Laboratory of Uranium Resources Exploration and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

Sawafuqi uranium deposit is located in Akesu of Xinjiang Uygur Autonomous Region.Due to Neotectonic activity，the occurrence of Tiemiersu and other formations has been steeply tilted and even overturned.The groundwater in the confined aquifers is consequently drained away and there is no groundwater activities in the rocks over the vertical depth of 475 m.Uranium ore bodies are the leftover mainly existed in the transition zone of interlayer oxidation-reduction.Based on the water-rock interaction principle，this paper tries to obtain some basical characteristics of the palaeofluid by studying the hydrochemical characteristics of the leached liquid from rock.

Sawafuqi uranium deposit； sandstone-type uranium deposit； interlayer oxidation zone；Eh-pH method of water-rock system

P619.14；P598

A

1672-0636（2011）03-0156-07

10.3969/j.issn.1672-0636.2011.03.006

2011-04-06；

2011-04-11

林效賓（1984—），男，山東菏澤人，在讀碩士研究生，研究方向：水文地質(zhì)。E-mail：linbin58@126.com