薩瑟庫(kù)里湖水型鈾礦床成礦學(xué)特征

姚振凱，馬 亮，陳為義

（1.核工業(yè)230研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029）

薩瑟庫(kù)里湖水型鈾礦床，位于塔吉克斯坦東南部，屬塔吉克斯坦帕米爾鈾成礦區(qū)中南部位，靠近阿富汗北緣（圖1）。薩瑟庫(kù)里湖是帕米爾高原薩瑟庫(kù)里盆地內(nèi)幾個(gè)堰塞湖中最大的一個(gè)，在湖的東南側(cè)有奧什—霍羅格國(guó)家級(jí)公路通過(guò)，該湖與霍羅格城相距195 km，與湖東北最近的阿里丘爾村莊相距12 km［1］。區(qū)域氣候?qū)購(gòu)?qiáng)干旱氣候，年降雨量為108 mm，而年蒸發(fā)量達(dá)562 mm，年均氣溫為5℃。

薩瑟庫(kù)里湖水型鈾異常發(fā)現(xiàn)于1958年，到1963年，湖水中鈾的工業(yè)意義才被確認(rèn)，直至1977年最終獲批準(zhǔn)。1975～1977年，塔吉克斯坦地質(zhì)局進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的湖水鈾遠(yuǎn)景評(píng)價(jià)，確定為一個(gè)伴有硼、鋰和鎢的小型鈾礦床，并推薦工業(yè)利用上述伴生元素，還建議在湖區(qū)進(jìn)行隱伏內(nèi)生和水成鈾礦床的普查找礦工作，因?yàn)樗鼈冇锌赡苁呛櫟脑搭^。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

薩瑟庫(kù)里盆地大地構(gòu)造位置屬帕米爾活化區(qū)北緣［2］，以撒馬爾汗斷裂為界，與天山活化區(qū)南緣相毗鄰。帕米爾活化區(qū)是向北突出的弧形馬鞍狀構(gòu)造區(qū)，區(qū)內(nèi)地勢(shì)高峻，山峰林立，海拔多在5000 m以上。

帕米爾活化區(qū)的大地構(gòu)造演化，經(jīng)歷了前地槽、地槽、地臺(tái)和活化等4個(gè)大地構(gòu)造階段［2］。

前地槽階段：主要為前寒武紀(jì)形成的兩套巖系：下部為前寒武紀(jì)結(jié)晶片巖、片麻巖、大理巖和石英巖等，其變質(zhì)程度較深，褶皺強(qiáng)烈且緊閉，并有角閃巖、閃長(zhǎng)巖和花崗巖侵入其中；上部不整合覆蓋著一套變質(zhì)程度相對(duì)較淺的石英綠泥石片巖、變質(zhì)粉砂巖，其同位素年齡為918 Ma。

地槽階段：始于早寒武世，初動(dòng)期為早寒武世至晚志留世，其間沉積了一套由淺變質(zhì)的白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、千枚巖、片巖、硅質(zhì)巖和變質(zhì)砂巖夾灰?guī)r等組成的復(fù)理式建造、硅質(zhì)巖含鐵建造及碳酸鹽巖建造等。早泥盆世至晚石炭世加里東運(yùn)動(dòng)使區(qū)域地層發(fā)生強(qiáng)烈褶皺，進(jìn)入地槽激烈期。早泥盆世至早石炭世由于部分地區(qū)隆起而缺失沉積，大部分地區(qū)處于地槽淺-中深海環(huán)境，并沉積了較厚的由砂質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、變質(zhì)砂巖、粉砂巖、含鐵石英巖和千枚巖組成的復(fù)理式建造、碳酸鹽巖建造和變質(zhì)砂頁(yè)巖建造。早二疊世至晚二疊世為地槽余動(dòng)期，大部分地槽回返，火山巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，形成厚達(dá)2700 m的以安山巖、玄武巖為主的火山雜巖建造。在山間盆地內(nèi)沉積了厚度達(dá)數(shù)百米，由變質(zhì)石英砂巖、鈣質(zhì)砂巖、硅質(zhì)灰?guī)r、白云巖和生物灰?guī)r等組成的砂質(zhì)頁(yè)巖建造、碳酸鹽巖建造等。

地臺(tái)階段：歷時(shí)較短，為早三疊世至晚三疊世。此時(shí)地殼運(yùn)動(dòng)較弱，以震蕩運(yùn)動(dòng)為主，缺少巖漿活動(dòng)，大部分地區(qū)下沉為淺海，成為特提斯古海的一部分。形成了厚度約千米的礫巖、粉砂巖、頁(yè)巖、灰?guī)r和鮞狀灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r等淺海碳酸鹽巖建造、砂頁(yè)巖建造。印支運(yùn)動(dòng)結(jié)束了地臺(tái)階段，并逐步轉(zhuǎn)入活化階段。

活化階段：初動(dòng)期為早侏羅世至晚白堊世，地殼運(yùn)動(dòng)逐漸強(qiáng)烈，部分地區(qū)上升為陸地，其余地區(qū)沉積了厚達(dá)2500 m的凝灰質(zhì)砂頁(yè)巖、砂巖、底礫巖、灰?guī)r和泥灰?guī)r等。燕山運(yùn)動(dòng)期間本區(qū)斷塊運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，全區(qū)上升為陸地。古新世至今為活化激烈期，在活化盆地內(nèi)堆積了厚度大于1500 m，由砂泥巖、砂巖夾石膏層和紅色礫巖等組成的紅色砂礫巖建造、砂頁(yè)巖建造和含膏鹽建造等。同時(shí)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，有輝長(zhǎng)巖、花崗巖侵入。中、上新世后全區(qū)急速上升，形成高山地貌。

帕米爾活化區(qū)的深部構(gòu)造和地球物理特征，是外地殼厚度大（約60 km）、莫霍面顯示為一向北突出的弧形幔坳，重力上相應(yīng)為弧形負(fù)異常區(qū)，挽近時(shí)期地震活動(dòng)頻繁且強(qiáng)烈，構(gòu)造斷塊升降運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，總體為上升趨勢(shì)，目前正處于活化階段激烈期。

2 礦床地質(zhì)特征

薩瑟庫(kù)里盆地位于帕米爾西南和帕米爾東南兩個(gè)區(qū)域構(gòu)造帶的交接處，這兩個(gè)構(gòu)造帶被阿里丘爾—貢茨克大斷裂所隔開(kāi)。盆地是一個(gè)斷陷向斜，并充填有中新生代沉積。盆地內(nèi)及其邊緣發(fā)育著一系列斷塊斷裂，并分布有幾個(gè)堰塞湖。薩瑟庫(kù)里湖是多個(gè)湖中最大的一個(gè)，并位于盆地中央部位，其內(nèi)廣泛分布著新近紀(jì)—第四紀(jì)坡積、洪積、風(fēng)積、湖積及其他成因的沉積。盆地現(xiàn)代湖相沉積中，廣泛發(fā)育著厚達(dá)50 m的永久凍土層，以及冰水蓋層和熱巖溶漏斗等。湖區(qū)的松散堆積表明，曾有多次的第四紀(jì)冰川作用，間夾短時(shí)間的盆地水沉積物。

在盆地岸緣分布有元古代片巖和夾有大量片麻狀花崗巖、偉晶巖和有細(xì)晶巖侵入的大理巖，侏羅紀(jì)泥質(zhì)頁(yè)巖、砂巖和灰?guī)r，白堊紀(jì)—古近紀(jì)的安山巖及凝灰?guī)r。

薩瑟庫(kù)里湖水文地質(zhì)條件復(fù)雜，除地表河水進(jìn)入湖區(qū)外，最主要的是含有礦物質(zhì)的深部脈狀裂隙水。脈狀裂隙水又根據(jù)水的溫度、化學(xué)和氣體成分，分出冷碳酸型水和熱水兩種。湖水面海拔高3825 m，湖面輪廓為NE向延伸的橢圓形，長(zhǎng)4200 m，寬2100 m，其形態(tài)明顯受NE向斷裂控制。湖水面積約7 km2，平均水深約2 m，最深為3.7 m，湖水體積約1400萬(wàn)m3。湖水苦帶臭味，其溫度從湖水表面至深1.5～2.0 m為10～17℃，往深處水溫增高，到湖底達(dá)27～30℃，這種現(xiàn)象是因?yàn)樵诤子袑雍穸燃s0.3 m的熱泥層加熱所致。當(dāng)熱泥富含有機(jī)質(zhì)達(dá)到3.9%時(shí)，其溫度高達(dá)35℃。

在湖底及湖岸分布著數(shù)十個(gè)直徑為0.5～5.0 m、高達(dá)3 m的鈣華柱，其中有些是“干的”，有些與苦咸水泉相關(guān)，或與略帶鹽分的涌水量達(dá)5 L·s-1的涌水泉有關(guān)。部分涌水泉的鈾質(zhì)量濃度達(dá)到38.4 mg·L-1。湖水分上、下兩個(gè)水化學(xué)層，上層為0～2.0 m；下層為2.0～3.7 m（圖2），各層的礦化度值和鹽類(lèi)成分各不相同，這與湖水鹽類(lèi)成分和湖水不同成分的源頭水相混合有關(guān)。湖水水源有塔姆迪河、庫(kù)姆迪小溪和湖濱與湖底的大量礦泉，以及大氣降水。在塔姆迪河上游有一群鈾云母礦點(diǎn)（如上塔姆迪、下塔姆迪和舍格姆別特鈾礦點(diǎn)），可作為塔姆迪河水和湖水的鈾源。

薩瑟庫(kù)里湖水是富含鈾、硼、鋰和鎢等多種組分的水（表1）。湖內(nèi)鹵水的鈾含量，與地浸開(kāi)采鈾礦床所獲的工業(yè)產(chǎn)品液相類(lèi)似，具有工業(yè)意義。

表1 薩瑟庫(kù)里湖水鈾及其伴生組分的含量［1］Table 1 Content of uranium and associated components in Sasyk-kul lake water［1］

湖內(nèi)鹵水通過(guò)234U、238U的同位素年齡測(cè)定 ，依 В.В.Черданцев公 式 計(jì) 算 得 出 為13.6×104a，相當(dāng)于第四紀(jì)中更新世末—晚更新世初形成。

根據(jù)湖水和湖底淤泥中的鈾含量（表1），計(jì)算出水體鈾資源量為473.2 t；淤泥按其平均厚度0.3 m，計(jì)算出鈾資源量為40 t；全湖鈾資源總量約510 t。

3 礦床復(fù)成因成礦模式

關(guān)于湖水的鈾成礦作用，當(dāng)?shù)匾恍W(xué)者提出了 3 種成因觀點(diǎn)［1］：

第1種是蒸發(fā)成因觀點(diǎn)，認(rèn)為該區(qū)長(zhǎng)期處于強(qiáng)干旱和寒冷氣候帶，湖水中鈾的濃縮與湖水蒸發(fā)和凍結(jié)作用有關(guān)。主要依據(jù)是：①湖水的區(qū)域年蒸發(fā)量（562 mm·a-1）遠(yuǎn)大于年降雨量（108 mm·a-1），冬季結(jié)冰厚度達(dá)0.47 m，其冰層的礦化度為26.9～38.9 g·L-1，而湖水的礦化度為 122.9～129.8 g·L-1，說(shuō)明大量礦質(zhì)組分在水體中濃集，在夏季這些原位于冰層內(nèi)的礦質(zhì)組分又重新溶解，這種溶解—蒸發(fā)—濃集過(guò)程周而復(fù)始地進(jìn)行；②薩瑟庫(kù)里湖形成13.6×104a以來(lái)，湖水面經(jīng)多次變化，湖水通過(guò)長(zhǎng)期的強(qiáng)烈蒸發(fā)和冰凍作用，使水體中鈾的富集達(dá)到現(xiàn)今工業(yè)產(chǎn)品液數(shù)值，形成液態(tài)鈾礦床；③在湖區(qū)東、西岸和東北岸附近，施工了5個(gè)深達(dá)200 m的巖心鉆孔，在各種不同時(shí)代的巖石中，以及循環(huán)裂隙水中，均未發(fā)現(xiàn)鈾和其他元素異常，進(jìn)一步證明是湖鹵水蒸發(fā)成礦作用所致。

第2種是熱水成礦觀點(diǎn)，認(rèn)為在濱湖大斷裂帶的巴赫齊亞爾泉中有氡-氦異常，以及鈣華柱中有含鈾水等（圖1），推測(cè)在湖附近有隱伏內(nèi)生或熱液鈾成礦作用，鈾及其伴生組分從中溶解、遷移和富集所成。具體依據(jù)是：①在薩瑟庫(kù)里盆地西北附近的阿里丘爾—貢茨克大斷裂中發(fā)現(xiàn)近代熱液作用，并在阿里丘爾河沖積階地內(nèi)形成穹隆狀硫化物體；②在已施工深達(dá)60 m的鉆孔中，發(fā)現(xiàn)礦泉水溫度達(dá) 35℃，礦化度為2.3～4.1 g·L-1，硼質(zhì)量濃度達(dá) 122 mg·L-1，硅酸達(dá) 186 mg·L-1，氟達(dá) 8 mg·L-1，鋰氧化物達(dá) 6.6 mg·L-1，以及含碘、溴、銣、銫和鍶等其他組分；③熱水成礦作用很可能與阿里丘爾—貢茨克大斷裂帶內(nèi)的裂隙循環(huán)熱水卸壓有關(guān)，或者與湖濱斷裂內(nèi)的裂隙水和層狀水通過(guò)溫泉及鈣華柱卸壓有關(guān)，地下熱水在循環(huán)途中從巖石中淋濾出，并富集鈾及其他組分而成礦。

第3種是火山后熱液成因觀點(diǎn)，認(rèn)為與第四紀(jì)中更新世—晚更新世的火山后熱液活動(dòng)有關(guān)，只是目前還缺乏必要的地質(zhì)依據(jù)，但不能排除與火山作用相關(guān)的熱液鈾礦床的設(shè)想，尚待今后提供實(shí)際資料驗(yàn)證。

筆者在前人研究基礎(chǔ)上，綜合提出近代湖水復(fù)成因（即多因復(fù)成）成礦模式［3］，這是基于薩瑟庫(kù)里湖水型礦床表生水和深成熱水成礦作用并存（既有表生水淋積成礦作用，也有深部地下熱水成礦作用），以及鈾成礦富集以湖水在長(zhǎng)期強(qiáng)干旱氣候條件下的蒸發(fā)濃縮作用為主、其他成礦作用為次所成。

該湖水型鈾礦床的成礦演化，是在前地槽、地槽和地臺(tái)階段，主要是形成砂頁(yè)巖建造和巖漿巖建造中的含鈾層體，為新生代活化階段鈾活化成礦提供鈾源。工業(yè)鈾礦化是在活化階段形 成［4］，湖水 鈾成 礦年齡為13.6×104a就是很好的證明。鈾成礦作用可能現(xiàn)在依然延續(xù)進(jìn)行。

4 鈾提取工藝［1］

1975～1976 年，塔吉克斯坦地質(zhì)局對(duì)薩瑟庫(kù)里湖進(jìn)行了一系列專(zhuān)門(mén)研究，前全蘇化學(xué)工藝科研所用薄膜法，某工藝實(shí)驗(yàn)室用吸附法，分別研究了從湖鹵水提煉鈾的可能性。曾認(rèn)為，由于湖鹵水礦化度及氯離子含量高，影響鈾的吸附，從鹵水提取鈾需要花費(fèi)大量離子交換樹(shù)脂，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上不劃算。前全蘇化學(xué)工藝科研所曾認(rèn)為，用薄膜法從湖鹵水提取鈾基本上是可行的，只可惜因需專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和設(shè)備，導(dǎo)致研究工作未能繼續(xù)進(jìn)行下去，并曾確認(rèn)化學(xué)工藝處理鹵水需耗電能1 kW·m-3。

2001年，該工藝實(shí)驗(yàn)室又做了一系列新的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為從鹵水中提取鈾是可行的。開(kāi)始用離子交換樹(shù)脂、活性炭、天然沸石及膨潤(rùn)土等，以人工合成吸附劑和天然吸附劑吸附法提取鈾。試驗(yàn)得出，用吸附法是不劃算的，因?yàn)楹u水含鹽量高，包括氯離子含量也高，故吸附氯離子未獲得成功；后來(lái)采用沉淀法和共同沉淀法提取鈾，在用石灰質(zhì)、強(qiáng)堿和烷基氨等不同類(lèi)型的沉淀劑提取鈾亦未獲成功，但用鐵或鈦的水化物作共同沉淀劑提取鈾獲得了成功。

這種共同沉淀劑法需要特殊條件，即必須在一種溶液中直接獲得鐵或鈦的水化物，并與鈾同時(shí)產(chǎn)生沉淀，只有在此種情況下才能獲得最發(fā)育的某種混合雜質(zhì)的活化表面。曾經(jīng)做過(guò)4種不同方案的共同沉淀實(shí)驗(yàn)：第1種方案是未修正原始溶液的pH值；第2種方案是先降低原始溶液的pH值，使pH值達(dá)到6～7的中酸性液來(lái)清除部分碳酸鹽，并使鐵或鈦的鹽類(lèi)進(jìn)入溶液；第3種方案是先用硫酸把全部碳酸鹽從原始液中清除，并用氨使溶液的pH值達(dá)到6～7，并使鐵或鈦的鹽類(lèi)進(jìn)入溶液；第4種方案與第3種方案相同，但還進(jìn)行了1～7次的水化物沉淀，每次時(shí)間為1 h。第3種方案是在溶液pH＝1時(shí)，全部分離碳酸鹽情況下獲得了最好的效果。在此最優(yōu)方案中采用鐵鹽使鈾沉淀率達(dá)到97%～99%，采用鈦鹽時(shí)鈾沉淀率達(dá)99%～100%。第4種方案的研究表明，采用水化物反復(fù)多次沉淀是可行的，但次數(shù)不應(yīng)超過(guò)5次。如果在第5次采用鐵鹽時(shí)鈾沉淀率可達(dá)70%，用鈦鹽鈾沉淀率可達(dá)94%，但到第6次時(shí)鈾沉淀率速減，其值相應(yīng)減至30%及50%。

從上述研究得出結(jié)論，要從薩瑟庫(kù)里湖鹵水中獲得鈾沉淀最佳效果，必須具備下列條件：①用pH＝1的酸液分離過(guò)剩的碳酸鹽，分解鈾碳酸鹽絡(luò)化物；②在pH＝6～7的中性液中加入相應(yīng)的氯化鐵或氯化鈦，使新形成的鈾水化物沉淀；③水化物沉淀的反復(fù)次數(shù)不應(yīng)超過(guò)5次；④為使化學(xué)反應(yīng)式平衡，每次新液的水化物沉淀時(shí)間在1 h內(nèi)足夠。獲得沉淀的水化物中鈾品位為0.46%～0.50%。在硫酸pH＝1及沉淀物的固液比為1∶1.5時(shí)，可獲得鈾質(zhì)量濃度為250～300 mg·L-1及鐵為1.5～3 g·L-1的產(chǎn)品溶液。從這種溶液中用吸附法提取鈾是具工業(yè)意義的。

盡管上述從薩瑟庫(kù)里湖鹵水中獲得鈾是可行的，但工業(yè)上應(yīng)用此方法花費(fèi)成本高，試劑消耗大，每千克鈾需用硫酸：827 kg，氨水：175 kg，氯化鐵：74 kg，而且生產(chǎn)中還有其他花費(fèi)。由此得出，從薩瑟庫(kù)里湖鹵水中獲得工業(yè)鈾的技術(shù)是可行的，但經(jīng)濟(jì)上是不劃算的。需要尋找其他更經(jīng)濟(jì)方法來(lái)提取鈾。

5 結(jié) 論

（1）薩瑟庫(kù)里湖水型鈾礦床，實(shí)踐中存在一些難題影響對(duì)其開(kāi)發(fā)：①目前尚無(wú)對(duì)此類(lèi)化學(xué)成分的鹵水進(jìn)行提煉鈾及伴生組分的技術(shù)-經(jīng)濟(jì)可行的工藝流程；②由于此類(lèi)型礦床常位于高山峻嶺，交通不便，路途遙遠(yuǎn)，氣候惡劣和人煙稀少之地區(qū)，導(dǎo)致生產(chǎn)組織、物質(zhì)材料及電能設(shè)備供應(yīng)方面困難等；③鈾資源是否能保證開(kāi)采問(wèn)題，尚需查明湖水源頭每年能補(bǔ)給湖水多少工業(yè)規(guī)模的鈾源。如果鈾源充足的話(huà)，則現(xiàn)今湖水鈾質(zhì)量濃度應(yīng)比現(xiàn)今實(shí)際的高出許多倍。

（2）對(duì)湖水型鈾礦床的工作方向建議：①先用大網(wǎng)格法選擇重點(diǎn)地質(zhì)地段系統(tǒng)進(jìn)行取樣，分析不同溫度水層及淤泥層的鈾含量，核實(shí)平均鈾品位和平均厚度，詳細(xì)準(zhǔn)確計(jì)算湖內(nèi)的鈾儲(chǔ)量，因?yàn)楹w內(nèi)不同水溫層及底部淤泥層的鈾品位，在不同水文地質(zhì)平面和剖面位置其值可能是不同的；②對(duì)湖水的不同溫度層和淤泥層，分別查明其水化學(xué)成分和特征，并繼續(xù)探索提取鈾的技術(shù)-經(jīng)濟(jì)可行的工藝流程；③在湖周邊擴(kuò)大找礦，尋找內(nèi)生、外生和復(fù)成因鈾礦床。

（3）湖水型鈾礦床復(fù)成因成礦模式的意義在于，水體鈾礦床實(shí)例稀少，文獻(xiàn)報(bào)道本礦床尚屬首例?，F(xiàn)有文獻(xiàn)幾乎全為傳統(tǒng)的固體鈾礦床，而近代水體鈾成礦富集機(jī)理研究極少，尤其是對(duì)此復(fù)雜的復(fù)成因水體鈾礦床研究更屬空白。今后應(yīng)盡可能在勘查工作進(jìn)程中作出半定量或定量鈾成礦分析。對(duì)此類(lèi)型鈾礦成礦理論中的許多問(wèn)題，尚需進(jìn)行深入探索和研究。

（4）根據(jù)粗略定性成礦分析，認(rèn)為近代強(qiáng)干旱地區(qū)的我國(guó)西北新疆、青海、甘肅、寧夏和內(nèi)蒙古等地，尤其是吐哈盆地等，值得在堰塞湖區(qū)進(jìn)行探索找礦。不僅找湖水型鈾礦床，還要進(jìn)一步在堰塞湖周邊找內(nèi)生、外生及復(fù)成因鈾礦床。在找礦中可采用水化學(xué)找礦方法，對(duì)河湖池泉水進(jìn)行取樣分析，是行之有效的找礦途徑。

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［3］姚振凱，鄭大瑜，劉翔.多因復(fù)成鈾礦床及其成礦演化［M］.北京:地質(zhì)出版社，1998:11-25；87-117.

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