中國(guó)北方砂巖型鈾礦中鈾的儲(chǔ)集空間類型探討

陳路路，聶逢君，嚴(yán)兆彬，殷棟法，楊冰彬，李曉東，李劍琦，劉 杰

(1.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，江西 南昌 330013;2.核工業(yè)270研究所，江西 南昌 330000;3.湖南核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長(zhǎng)沙 410000;4.甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院，甘肅 蘭州 730020)

自20世紀(jì)50年代開始，美國(guó)等國(guó)家開始致力于砂巖型鈾礦的研究及勘探。到了80年代，由于國(guó)際鈾價(jià)低迷，鈾礦開發(fā)遭受重創(chuàng)。我國(guó)對(duì)砂巖型鈾礦的研究起始于90年代，雖然起步較晚，但由于國(guó)際鈾礦價(jià)格回暖和對(duì)國(guó)外先進(jìn)勘查及開采技術(shù)的引進(jìn)和發(fā)展，為中國(guó)砂巖型鈾礦的研究工作帶來了新的機(jī)遇。

中國(guó)的砂巖型鈾礦大多分布在北方的中、新生代沉積盆地里，且這些盆地多為煤-鈾沉積建造、油氣-鈾沉積建造或煤-油-鈾沉積建造。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)伊犁盆地、吐哈盆地、鄂爾多斯盆地、二連盆地、松遼盆地5個(gè)砂巖型鈾礦基地目的層的沉積體系和成礦模式做了大量的分析，并從巖石學(xué)和鈾賦存的角度提出鈾儲(chǔ)層的概念。鈾儲(chǔ)層即是砂巖型鈾礦的儲(chǔ)集層，焦養(yǎng)泉等(2007)認(rèn)為鈾儲(chǔ)層是砂巖型鈾礦地質(zhì)學(xué)的新概念，儲(chǔ)層中的孔隙不僅能提供鈾成礦流體的運(yùn)移通道，還能為鈾成礦提供儲(chǔ)存空間［1］。由于國(guó)內(nèi)對(duì)鈾儲(chǔ)層研究較少，且多是從宏觀角度分析其孔隙度及物性特征，或者是僅對(duì)鈾礦物賦存共生關(guān)系進(jìn)行研究，沒有系統(tǒng)地對(duì)鈾礦物的賦存空間類型進(jìn)行劃分和總結(jié)。因此，對(duì)于鈾儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間類型的研究具有重要的意義。

1 砂巖鈾儲(chǔ)層的空間類型劃分

鈾儲(chǔ)層是一個(gè)新概念。焦養(yǎng)泉等(2006)從沉積學(xué)角度對(duì)吐哈盆地和鄂爾多斯盆地的鈾儲(chǔ)層進(jìn)了全面的闡述，認(rèn)為砂巖型鈾礦的成礦作用實(shí)質(zhì)上是在鈾儲(chǔ)層的多孔介質(zhì)中完成的，并定性、定量地闡述了鈾儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和規(guī)律性［2］，認(rèn)為鈾儲(chǔ)層孔隙類型微觀上分為4種，分別是原生粒間孔、殘余粒間孔、粒內(nèi)溶孔和微裂縫。李思田等(1991)對(duì)鄂爾多斯盆地砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)及成巖作用進(jìn)行了闡述，認(rèn)為孔隙類型可劃分為5種類型，分別是粒間孔隙、殘留粒間孔隙、溶蝕孔隙、膠結(jié)物晶間孔隙和裂縫孔隙，其中溶蝕孔隙又包括溶孔、鑄?？住㈩w粒內(nèi)溶孔和膠結(jié)物內(nèi)溶孔等［3］。因?yàn)橹袊?guó)北方盆地大多為含油氣-鈾沉積建造，研究者常根據(jù)油氣儲(chǔ)層進(jìn)行孔隙類型劃分，將孔隙類型劃分為原生粒間孔、縮小粒間孔、溶蝕擴(kuò)大粒間孔、顆粒溶孔、粘土礦物晶間微孔、膠結(jié)物溶孔、微裂縫等。楊威等、唐海發(fā)等(2006)也對(duì)油氣儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)類型做了相似的劃分［4，5］。

本文綜合上述分類，并結(jié)合前人對(duì)各盆地砂巖型鈾礦中鈾礦物賦存關(guān)系的研究結(jié)果，對(duì)鈾儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間類型進(jìn)行了新的劃分。筆者認(rèn)為鈾儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間主要包括原生孔隙(主要是炭屑)、縮小(殘留)粒間孔隙、次生溶蝕孔隙、晶間孔隙及微裂縫，在這里把炭屑看作成可內(nèi)部充填的顆粒。下面將分別詳述幾種孔隙類型特征及與鈾礦物賦存的關(guān)系。

2 原生孔隙

原生孔隙包括原生粒間孔和原生粒內(nèi)孔。原生粒間孔隙通常指在成巖前期由于壓實(shí)作用和膠結(jié)作用而形成的粒間孔隙，與后期的溶蝕蝕變無關(guān)［2］，其鏡下鑄體薄片多呈三角形或多邊形。在成巖后生階段，由于復(fù)雜的地質(zhì)作用，巖石的原生粒間孔隙多已損失殆盡了。原生粒內(nèi)孔主要是成巖作用期的顆粒內(nèi)部存在的孔隙，在這里主要是指植物炭屑。

人們對(duì)于有機(jī)質(zhì)與鈾成礦關(guān)系的研究由來已久。李盛富等(2004)認(rèn)為有機(jī)質(zhì)還原沉淀鈾的過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，包括對(duì)鈾的還原、吸附等作用［8］。一般認(rèn)為有機(jī)質(zhì)主要與SO42-反應(yīng)生成重要還原劑H2S，參與鈾的沉淀過程。而吸附作用主要表現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)深埋過程中產(chǎn)生腐植酸，與UO22+絡(luò)合形成鈾酰有機(jī)絡(luò)合物。

松遼盆地寶龍山地區(qū)含礦砂巖B03-2和B05-1的背散射電子圖像中顯示鈾礦物產(chǎn)于炭屑條帶中(圖1A、1B)。在圖1A中發(fā)現(xiàn)有黃鐵礦交代炭屑，且黃鐵礦與鈾礦物賦存共生于炭屑的內(nèi)部或邊緣。徐喆(2011)認(rèn)為黃鐵礦還原鈾礦物，炭屑的存在為黃鐵礦的形成發(fā)揮了作用［9］。

3 縮小粒間孔隙

縮小粒間孔隙也叫殘留粒間孔隙，指原生粒間孔隙由于自生礦物(如自生高嶺石、石英、方解石)占據(jù)了孔隙的一部分空間，使孔隙縮小后剩余的孔隙空間［7］。經(jīng)填隙物局部改造后，粒間孔隙形狀不規(guī)則且大小不一。一般在砂巖儲(chǔ)層中，縮小粒間孔隙是鈾礦物最主要的孔隙類型之一，占孔隙總數(shù)的20% ～30%，大小約在20～90μm之間變化。

在縮小粒間孔隙中的鈾礦物又有多種共生關(guān)系和賦存空間，如繞黃鐵礦緊密共生、與碳酸鹽類膠結(jié)物共生或被粘土礦物吸附在表面等。在松遼盆地南部寶龍山地區(qū)采取的姚家組含礦砂體B06-1樣品中，背散射圖像顯示在灰色細(xì)砂巖中發(fā)育大量莓狀黃鐵礦，其存在于碎屑顆粒的粒間孔隙中，鈾礦物(主要是鈾石)圍繞莓狀黃鐵礦緊密共生，呈團(tuán)塊狀聚集，周圍被碳酸鹽礦物膠結(jié)(圖1C)。樣品B15-1背散射電子圖像顯示灰色細(xì)砂巖中鈾礦物(瀝青鈾礦)呈粒狀或微脈狀賦存于碎屑顆粒與鐵白云石膠結(jié)物中。

4 次生溶蝕孔隙

次生溶蝕孔隙指在酸性或堿性條件下導(dǎo)致不穩(wěn)定碎屑顆粒內(nèi)部和粒間孔隙中的某些易溶組分被部分溶蝕后所形成的孔隙空間。這類孔隙的大小變化很大，個(gè)別長(zhǎng)石或巖屑顆粒大部或完全被溶蝕掉成為特大孔隙，可達(dá)200μm。次生孔隙的成因是成巖后生階段在CO2及水(包括大氣滲水和反應(yīng)水)或有機(jī)酸作用下因巖石組分發(fā)生溶解而形成的，中期多為溶蝕孔隙，后期多為裂縫［11，12］。

在致密低滲透砂巖儲(chǔ)層中溶蝕作用比較重要。劉志武等(2008)認(rèn)為若伴有次生孔隙、儲(chǔ)集物性其滲透率可得到極大改觀。溶蝕作用不僅能在儲(chǔ)層中產(chǎn)生空隙，還能溝通相鄰的孔隙，它是含鈾流體主要的運(yùn)移通道和存儲(chǔ)空間［4］。

根據(jù)次生溶蝕孔隙的成因及對(duì)北方各盆地目的層的鈾礦物賦存共生關(guān)系的研究，認(rèn)為次生溶蝕孔隙又可分為粒間溶孔、顆粒(長(zhǎng)石、巖屑等)內(nèi)溶孔、膠結(jié)物內(nèi)溶孔等。

一般認(rèn)為次生溶蝕粒間孔隙是在縮小粒間孔隙和原生粒間孔隙的基礎(chǔ)上溶蝕擴(kuò)大空間，并溝通附近孔隙。寶龍山地區(qū)灰色含礦細(xì)砂巖B05-1和B03-3樣品的背散射電子圖像顯示，鈾礦物和黃鐵礦在孔隙中整體上呈巨脈狀賦存共生，溶蝕作用擴(kuò)大并連通了附近孔隙中的鈾礦物組合，具后期熱液成因的特點(diǎn)(圖1E、F)。

圖1 含礦砂巖中賦存鈾的孔隙類型及特征背散射電子圖象Fig.1 The backscattered electron images showing uranium occurrence and pore types in the uranium-bearing sandstone samples

）%（果結(jié)析分針探子電物礦鈾品樣巖砂礦含1表l e s p s a m e s t o n d s a n g-be a r i nm i u r a n u e t h m f r o e r a l s i n m m i u n r a u e t h f o r）（%s e s a l y n a e r o b p i c r o m n l e c t r o E 1 l e a b T m μ 1：斑束子；電V K 1 5.0：壓電速口n e r y；E I n c a儀譜能0 0、-8 1 A J X針探子：電號(hào)型器儀析分。成完析分室驗(yàn)實(shí)點(diǎn)重部育教境環(huán)與源資核學(xué)大工理華檢器儀于低或出測(cè)未項(xiàng)該示”表-；“-8 A 1 0 0×.0：2東由品樣：流束針探注

粒內(nèi)溶孔在含礦砂巖中比較常見。不穩(wěn)定組分如長(zhǎng)石巖屑及部分石英在pH＞9.8時(shí)，會(huì)出現(xiàn)SiO2的溶解［12］。在二連盆地2081鈾礦化地區(qū)B399-101鉆井中發(fā)現(xiàn)鈾釷石與黃鐵礦共生在大粒的石英空洞中，且鈾釷石產(chǎn)于黃鐵礦邊緣位置(圖1G)。圖1H是二連盆地2082地區(qū)鈾礦化砂體背散射電子圖像，顯示菱鈣鈾礦產(chǎn)生于鉀長(zhǎng)石或石英孔隙中［13］。寶龍山地區(qū)含礦砂巖B04-9樣品的背散射電子圖像顯示顯微粒狀的鈾石產(chǎn)于巖屑溶蝕孔隙中(1I)。在堿性水介質(zhì)條件下，石英、長(zhǎng)石等顆粒溶蝕或部分溶解形成小的空洞或顆粒邊緣呈鋸齒狀，且長(zhǎng)石顆粒表面多發(fā)生高嶺土化或絹云母化等蝕變，蝕變后體積變小，留出空隙，且能生成的次生自生礦物具有一定數(shù)量晶間孔隙。而后期含鈾流體經(jīng)過因外界還原因素和孔隙結(jié)構(gòu)的不均一性而流速減緩，溶蝕孔隙的存在為鈾成礦提供了一種空間上的突變界面，使鈾得以在此還原富集成礦。

膠結(jié)物溶孔數(shù)量一般很少，主要為鐵質(zhì)膠結(jié)物內(nèi)溶孔(圖1J)和少量碳酸鹽膠結(jié)物內(nèi)溶孔(圖1D)。

5 晶間孔隙

指雜基和自生粘土礦物晶粒之間的孔隙，它是孔隙系統(tǒng)中最小的孔隙，一般在背散射電子圖像中不易發(fā)現(xiàn)，但它的數(shù)量較多，且對(duì)孔隙連通的貢獻(xiàn)較大。一般的晶間孔隙存在于由長(zhǎng)石或雜基蝕變成的自生粘土礦物中，由于晶形差、個(gè)體小，排列無規(guī)則，晶間孔隙發(fā)育。而由孔隙水沉淀成的自生礦物，晶形發(fā)育好，結(jié)晶粗大，所以晶間孔隙不發(fā)育［3］。

6 微裂縫

微裂縫一般數(shù)量極少、孔隙體積有限，但其能起到連通的作用。隨著埋藏深度增加，地層壓力、溫度的升高，成巖作用相應(yīng)加強(qiáng)，巖石的脆性會(huì)更加明顯。微裂縫與儲(chǔ)集體往往形影相隨，如長(zhǎng)石受擠壓沿雙晶破裂形成連通性好的裂縫孔隙，巖石因構(gòu)造擠壓而產(chǎn)生相對(duì)明顯較大的縫隙。

張虎軍(2011)在研究伊犁盆地蒙其古爾鈾礦床含礦砂體的背散射電子像時(shí)也發(fā)現(xiàn)，瀝青鈾礦呈顯微粒狀分布于巖石裂縫中(圖1 K)［15］。寶龍山含礦樣品B04-4的背散射圖像顯示，鈾石與黃鐵礦緊密共生，并沿巖石裂隙呈脈分布(圖1L)。邢秀娟等(2006)在研究鄂爾多斯盆地店頭地區(qū)鈾礦物賦存關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)黑云母解理縫中存在鈾礦化現(xiàn)象［16］。

7 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過對(duì)松遼盆地、二連盆地等沉積盆地中含礦砂巖的背散射電子圖像的孔隙類型特征分析，并結(jié)合前人對(duì)砂巖鈾儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的研究，筆者得出以下結(jié)論及認(rèn)識(shí):

(1)中國(guó)北方砂巖型鈾礦床鈾的儲(chǔ)集空間類型主要為原生孔(炭屑)、縮小粒間孔、次生溶蝕孔、晶間孔隙、微裂縫。

(2)縮小粒間孔和溶蝕孔是鈾礦物主要的賦存空間，有機(jī)質(zhì)含量較高的巖石常發(fā)育原生孔。晶間孔、微裂縫及溶蝕孔隙在連通附近孔隙中貢獻(xiàn)較大。

(3)成巖作用和成巖后期蝕變改變鈾儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)和類型，對(duì)鈾礦物的賦存空間影響較大，有利于鈾的還原沉淀。

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