新疆某砂巖鈾礦地球化學(xué)特征及其地浸意義*

陳 亮 譚凱旋 謝焱石 劉 江 黃 偉

(1.南華大學(xué)礦業(yè)工程博士后流動(dòng)站;2.南華大學(xué)核資源工程學(xué)院;3.鈾礦冶生物技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室)

在眾多鈾礦床類型中，砂巖鈾礦床是指工業(yè)鈾礦化主要產(chǎn)于砂巖中的鈾礦床。據(jù)新近國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)網(wǎng)站數(shù)據(jù)，全球1 352個(gè)已知鈾礦床中有530個(gè)為砂巖鈾礦，占全球已探明總儲(chǔ)量的27.9%，數(shù)量和儲(chǔ)量均位居第1。我國(guó)近年在北方中新生代沉積盆地發(fā)現(xiàn)和探明了6種新的大型、特大型砂巖型鈾礦［1］，大大提高了砂巖鈾礦在鈾資源中的地位，已成為我國(guó)4大鈾礦主要工業(yè)類型之一。目前國(guó)內(nèi)外的砂巖鈾礦已廣泛采用地浸技術(shù)開(kāi)采［2］。

地球化學(xué)特征等自然因素對(duì)地浸采鈾具有主導(dǎo)性影響［3］。前人對(duì)砂巖鈾礦的地球化學(xué)特征開(kāi)展了較多的研究。李子穎等［4］對(duì)鄂爾多斯盆地北部砂巖型鈾礦目標(biāo)層灰綠色砂巖的地球化學(xué)特征進(jìn)行了較詳細(xì)的研究，并探討了其成因。于文斌等［5］研究了松遼盆地東南緣泉頭組沉積砂體的地球化學(xué)特征，同時(shí)分析了其鈾成礦條件。然而，上述文獻(xiàn)幾乎全是利用砂巖鈾礦的地球化學(xué)特征分析其成礦條件、成礦過(guò)程及礦床成因，很少進(jìn)一步分析砂巖鈾礦地球化學(xué)特征對(duì)地浸采鈾的影響。

鈾賦存形態(tài)為砂巖鈾礦的重要地球化學(xué)特征，是決策地浸工藝方案不可缺少的內(nèi)容之一［6］，也是衡量礦石可利用性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要指標(biāo)之一［7］。因此，對(duì)砂巖鈾礦鈾賦存形態(tài)進(jìn)行深入研究具有重要意義。前人已在這個(gè)方面做了較多研究工作。閔茂中等［7］研究了我國(guó)西北地區(qū)層間氧化帶砂巖型鈾礦床中鈾的賦存形式。秦艷等［8］采用逐級(jí)化學(xué)提取方法，結(jié)合相關(guān)分析測(cè)試手段，分析了鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段富鈾烴源巖的鈾賦存狀態(tài)。馬強(qiáng)等［9］也對(duì)砂巖鈾礦鈾的賦存形態(tài)開(kāi)展了研究。但前人往往只進(jìn)行了定性研究，很少開(kāi)展定量研究工作，鈾賦存形態(tài)缺乏一個(gè)直觀的綜合定量衡量指標(biāo)，因而給地浸采鈾科學(xué)決策帶來(lái)了不便。

為此，本研究以新疆某砂巖鈾礦為對(duì)象，分析其地球化學(xué)特征(包括主量、微量元素及鈾賦存形態(tài))，結(jié)合鈾靜態(tài)浸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究該砂巖鈾礦地球化學(xué)特征對(duì)地浸采鈾的影響。本研究可深化對(duì)砂巖鈾礦地球化學(xué)特征的認(rèn)識(shí)，同時(shí)為地浸采鈾科學(xué)決策提供重要參考。

1 材料與方法

新疆某砂巖鈾礦位于伊犁盆地南緣西部，含礦地層為中下侏羅統(tǒng)水西溝群，為產(chǎn)于層間氧化帶的砂巖型卷狀鈾礦床。中下侏羅統(tǒng)水西溝群為一套陸相含煤碎屑巖建造，由下而上劃分為3個(gè)巖組(即八道灣組、三工河組、西山窯組)、8個(gè)沉積旋回。每個(gè)旋回中都發(fā)育層間氧化帶，鈾礦化與氧化帶密切相關(guān)，所有氧化帶都有鈾礦化，其中三工河組Ⅴ旋回發(fā)育區(qū)域性層間氧化帶，為主要含礦層。含礦層為中粗粒砂巖，頂、底板為泥巖或泥巖與粉砂巖互層，礦體位于氧化帶與還原帶過(guò)渡位置。本次共采集5個(gè)礦樣進(jìn)行微量元素、鈾賦存形態(tài)及鈾靜態(tài)浸出實(shí)驗(yàn)分析。

微量元素分析完成于南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，利用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP－MS)測(cè)試。鈾賦存形態(tài)采用逐級(jí)化學(xué)提取技術(shù)進(jìn)行定量分析，并參考 Tessier［10］流程及文獻(xiàn)［11］，將樣品中的鈾分為可交換離子態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、硫化物及有機(jī)物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)5個(gè)賦存形態(tài)分別提取。

鈾靜態(tài)浸出實(shí)驗(yàn)的具體步驟如下:將40 g樣品置于500 mL的錐形瓶中，然后加入400 mL濃度為10 g/L的稀硫酸溶液，采用空氣作氧化劑，塞緊瓶塞，按一定的時(shí)間間隔取樣并測(cè)試其鈾濃度。每次取樣后，搖動(dòng)錐形瓶，靜置，直至下一次取樣。浸出后，測(cè)試渣樣的鈾含量，并據(jù)此計(jì)算鈾浸出率。

樣品鈾品位及所有鈾含量的測(cè)試采用TiCl3還原—NH4VO3氧化滴定法。

2 結(jié)果與討論

2.1 主量元素地球化學(xué)特征

砂巖鈾礦的主量元素含量見(jiàn)表1。其中含量較高的主量元素包括 SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、Fe2O3。SiO2含量為80.44% ～85.59%，均值為83.08%，占主體地位。Al2O3的含量為4.25% ～7.98%，均值為6.51%，僅次于SiO2含量。CaO和MgO含量明顯偏低。燒失量(LOI)為2.04% ～3.52%，均值為3.00%。

鈾品位與SiO2、Na2O含量及燒失量的相關(guān)關(guān)系較為顯著，其中與SiO2及Na2O含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.64、0.61，與燒失量的相關(guān)系數(shù)為－0.78，即鈾品位與SiO2及Na2O含量呈較明顯的正相關(guān)關(guān)系，而與燒失量呈較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。鈾品位與P2O5含量也表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，且為負(fù)相關(guān)。

表1 砂巖鈾礦的主量元素含量［12］%

2.2 微量元素地球化學(xué)特征

砂巖鈾礦的微量元素含量見(jiàn)表2。微量元素含量位于前3的元素為Ba、Zr和Rb。其中，Ba含量為(276.99 ～366.74)×10－6，均值為 321.47 ×10－6;Zr含量為(79.80 ～224.74)×10－6，均值為 128.17×10－6;Rb 含量為(70.64 ～91.19)×10－6，均值為81.64×10 。Mo、Cu及Bi與鈾品位均表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.58、－0.43、－0.46。

表2 砂巖鈾礦的微量元素含量 ×10－6

2.3 鈾賦存形態(tài)分布特征

樣品各賦存形態(tài)的鈾的含量見(jiàn)表3?？山粨Q離子態(tài)在中性條件下可被釋放，易于遷移。該形態(tài)鈾含量為2.45% ～30.63%，均值為9.83%，總體上較低。碳酸鹽結(jié)合態(tài)對(duì)pH值變化敏感，在酸性條件下容易釋放。該形態(tài)鈾含量為25.48% ～77.33%，均值為47.28%，總體表現(xiàn)為高值。鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)在水體氧化還原電位降低或者水體缺氧時(shí)易于釋放。該形態(tài)鈾含量為14.37% ～59.46%，均值為30.61%，總體表現(xiàn)為偏高。硫化物及有機(jī)物結(jié)合態(tài)只有在強(qiáng)氧化環(huán)境下才可能釋放。該形態(tài)鈾含量為1.22% ～9.09%，均值為5.06%，表現(xiàn)為低值。殘?jiān)鼞B(tài)一般情況下難以遷移。該形態(tài)鈾含量為1.07% ～16.70%，均值為7.15%，也表現(xiàn)為低值。

表3 各賦存形態(tài)鈾的含量 %

樣品中各賦存形態(tài)的鈾的含量(據(jù)均值)由高到低依次為碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、可交換離子態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)、硫化物及有機(jī)物結(jié)合態(tài)。

針對(duì)目前酸法地浸工藝，根據(jù)各形態(tài)鈾的可浸性，將上述5種形態(tài)鈾分為2大類，即活性鈾(可浸出的鈾形態(tài))與惰性鈾(不能浸出的鈾形態(tài))。前者包括除殘?jiān)鼞B(tài)外的其余4個(gè)相態(tài)，其含量為83.30%～98.93%，均值為92.85%，占主體地位。后者即為殘?jiān)鼞B(tài)，所占比例小。因此，根據(jù)鈾賦存形態(tài)，本砂巖鈾礦是適合采用酸法地浸技術(shù)開(kāi)采的。

2.4 地球化學(xué)特征對(duì)地浸采鈾的影響

酸法浸出為一種非選擇的過(guò)程，除鈾以外的其他元素也會(huì)轉(zhuǎn)入溶浸液中。對(duì)于主量元素，由于它們代表了巖石的主要化學(xué)成分，故主量元素相對(duì)于微量元素而言對(duì)地浸采鈾的影響要大得多。如CaO和MgO含量偏高時(shí)，就不合適采用酸法浸出，因?yàn)樘妓猁}類礦物溶解不僅消耗酸(如稀硫酸)，還會(huì)生成石膏等新的沉淀，降低含礦層的滲透性能，導(dǎo)致鈾浸出率低。SiO2含量高對(duì)鈾的酸法浸出應(yīng)是有利的，因?yàn)镾iO2在浸出過(guò)程中很少被溶解［13］，這既有利于減少酸耗，也可減小非鈾元素轉(zhuǎn)入溶浸液對(duì)鈾浸出產(chǎn)生的不利影響。SiO2含量為80.44% ～85.59%，均值為83.08%，占主體地位，CaO和MgO含量均很低，主量元素的分布特征也表明本砂巖鈾礦適合采用酸法地浸技術(shù)。鈾品位與SiO2、Na2O含量及燒失量均表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，表明三者均對(duì)浸出液鈾濃度具有較大的影響。少數(shù)微量元素雖與鈾品位也呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性，但它們含量甚微，對(duì)鈾浸出的影響很小。

活性鈾高的樣品，其浸出率大多表現(xiàn)出高值，活性鈾相對(duì)較低的樣品，其浸出率也較低，見(jiàn)表4。除2#樣外，活性鈾的量均高于鈾浸出率，并且兩者的差異總體較小。如4#樣活性鈾含量為98.08%，其浸出率為96.14%;1#樣活性鈾含量為98.93%，其浸出率為97.89%;2#樣活性鈾含量相對(duì)較低(83.30%)，其浸出率也相對(duì)偏低(85.79%)。這說(shuō)明鈾的賦存形態(tài)是影響鈾浸出率的決定性因素，即活性鈾含量越高，鈾浸出率一般越高，反之亦然。對(duì)于3#樣和5#樣，活性鈾含量與鈾浸出率相差相對(duì)較大，這可能主要由于鈾浸出率受除活性鈾含量外的其他眾多因素影響相對(duì)較大所致。顯然，在鈾品位一定的情況下，活性鈾含量越高，浸出液中鈾濃度大多越高，活性鈾含量較低時(shí)，浸出液中鈾濃度往往相應(yīng)偏低。

表4 鈾浸出率與活性鈾含量 %

3 結(jié)論

通過(guò)分析，新疆某砂巖鈾礦中含量較高的主量元素包括 SiO2、Al2O3、K2O、Na2O 與 Fe2O3。SiO2含量占主體地位，CaO和MgO含量明顯偏低。鈾品位與SiO2、Na2O含量及燒失量的相關(guān)關(guān)系較為顯著。微量元素含量位于前3的元素為Ba、Zr和Rb。Mo、Cu及Bi含量與鈾品位均表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。樣品中活性鈾占主體地位，惰性鈾所占比例小。SiO2、Na2O含量及燒失量均對(duì)浸出液鈾濃度具有較大的影響，微量元素分布特征對(duì)鈾浸出的影響很小。鈾賦存形態(tài)是影響鈾浸出率的決定性因素，即活性鈾含量越高，鈾浸出率一般越高，反之亦然。從主量元素分布特征及鈾賦存形態(tài)角度考慮，本砂巖鈾礦是適合采用酸法地浸技術(shù)開(kāi)采的。

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