沙棗泉鈾礦床紅色礦石成因探討

何大鵬， 王 剛， 姬海軍， 何佳軍， 宋 哲

(核工業(yè)二〇三研究所，陜西 咸陽 712000)

沙棗泉鈾礦床紅色礦石成因探討

何大鵬， 王 剛， 姬海軍， 何佳軍， 宋 哲

(核工業(yè)二〇三研究所，陜西 咸陽 712000)

以沙棗泉礦床為例，主要通過研究礦床中紅色砂巖型鈾礦石的粒度、結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、礦物成分以及存在形式，圍繞紅色礦石中鈾礦物的存在形式與形成過程，展開初步的分析與探討，闡明了沙棗泉鈾礦床紅色礦石的形成原因，從而證明了沙棗泉鈾礦床砂巖型紅色礦石的形成是存在多期次的后生改造作用，為礦床的成因類型提供了充分的依據(jù)。

紅色鈾礦石；鈾礦物；后生改造

自20世紀以來，通過在沙棗泉地區(qū)開展了較系統(tǒng)的調(diào)查、評價、普查及詳查工作，發(fā)現(xiàn)并控制了中等規(guī)模的鈾礦床，對于該礦床的成因卻眾說紛紜，以李萬華的“沉積疊加后生改造”一說為代表*李萬華，姬海軍，等. 2010.內(nèi)蒙古阿拉善右旗沙棗泉地區(qū)鈾礦預(yù)查[R].核工業(yè)二○三研究所(內(nèi)部資料).，但對于砂巖型紅色礦石的成因一直沒有深刻的認識，本文利用最新的分析資料，對其中的主要礦石類型—紅色礦石的特征及成因進行了分析，為礦床的后生改造成因類型提供了充分依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

沙棗泉斷陷盆地位于華北板塊阿拉善地塊巴丹吉林盆地的西南部，盆地南為合黎山，北為北大山，東西長66 km，南北寬12 km，面積約792 km2，為東西向延伸的長條狀狹窄形斷陷*李萬華，姬海軍，等. 2010.內(nèi)蒙古阿拉善右旗沙棗泉地區(qū)鈾礦預(yù)查[R].核工業(yè)二○三研究所(內(nèi)部資料).*姬海軍，郭長林，等. 2012.內(nèi)蒙古阿拉善右旗沙棗泉地區(qū)鈾礦普查[R].核工業(yè)二○三研究所(內(nèi)部資料).。盆地北部、西部蝕源區(qū)主要出露古生界中低級變質(zhì)巖、中基性—中酸性火山巖，少量元古界長城系大理巖、結(jié)晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖及硅質(zhì)條帶狀灰?guī)r及古生代海陸相基性、中酸性火山—沉積建造，局部見加里東期、海西期花崗巖侵入體。盆地南部蝕源區(qū)主要由海西期、加里東期花崗巖類，前震旦系、震旦系變質(zhì)巖系等組成。鈾源條件較好，一般鈾含量可達(2.07～6.06)×10-6。

盆地發(fā)育近東西向斷裂F1，F(xiàn)2將盆地劃分為三個次級構(gòu)造單元(圖1)，北部與南部為相對抬升塊，中部(F1-2與F2-1之間)為相對凹陷帶，保留了下白堊統(tǒng)新民堡群第二巖組上段(K1xn22)主要目的層。同時發(fā)育一組北東—北北東向斷裂F3，F(xiàn)4，F(xiàn)5將盆地由西向東切割成四個斷塊， F3斷裂以西為抬升較強烈的塊體，目的層上段遭受剝蝕，F(xiàn)3～F5斷裂之間抬升適中，目的層保留較完整，鈾礦化發(fā)育，F(xiàn)5斷裂以東為沉降塊，目的層保留完整，但埋深較大，未發(fā)現(xiàn)鈾鈾礦化異常(耿海軍等，2011)。

圖1 內(nèi)蒙古沙棗泉地區(qū)基底構(gòu)造簡圖Fig.1 The basal structure diagram of Shazaoquan area1.中新生代地層分布區(qū)；2.蝕源區(qū)；3.基底凹陷區(qū)；4.基底等高線；5.逆斷層；6.正斷層

紅色鈾礦石主要產(chǎn)于下白堊統(tǒng)新民堡群第二巖組下段，地層屬一套干旱氣候環(huán)境下形成的沖積扇沉積體系，為厚層狀棕(紅)色夾灰色泥質(zhì)礫巖、砂質(zhì)礫巖、含礫泥質(zhì)粗砂巖碎屑建造，其中鈾礦體產(chǎn)于平原亞相辮狀河河道外側(cè)，上部被強烈潛水氧化，向盆地中心逐漸過渡為層間氧化，鈾礦體多產(chǎn)于層間氧化帶的下翼。

2 紅色礦石特征分析

沙棗泉礦床主要產(chǎn)出紅色與灰色兩種礦石類型，灰色礦石主要產(chǎn)于南礦帶(南部斜坡)，而紅色礦石產(chǎn)于中礦帶(中部凹陷)和南礦帶，產(chǎn)于中礦帶礦石特征主要以鐵錳質(zhì)膠結(jié)，礦石密度大，膠結(jié)較致密，南礦帶一般為夾血紅色、鮮紅色，主要沿礦石的裂隙、構(gòu)造面呈浸染狀產(chǎn)出，礦石密度相對較小，泥質(zhì)膠結(jié)，礦石中鐵錳質(zhì)含量相對較小。

2.1 礦石粒度、結(jié)構(gòu)特征

紅色礦石的粒度較粗，為鮮紅、血紅色含礫粗砂巖、中砂巖，少量砂質(zhì)礫巖，分選性中等—差，次棱角狀。礦石為層狀、塊狀構(gòu)造，含礫粗砂結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)不等粒粗砂結(jié)構(gòu)，在裂隙中填充硬錳礦、方解石等礦物，其中硬錳礦呈黑色星豆狀、鮞狀、斑狀產(chǎn)出，同時發(fā)育赤鐵礦化，呈條帶狀、團塊狀鮮紅色(圖2)，礦石膠結(jié)物為泥質(zhì)，少量鐵質(zhì)；膠結(jié)形式以孔隙式膠結(jié)為主，少量接觸式(茍學(xué)明等，2014)。碎屑支撐性質(zhì)為顆粒支撐。

圖2 ZKS7-2礦化段鮮紅色砂質(zhì)礫巖中見淺黃色次生鈾礦物及黑色團塊狀鐵錳質(zhì)礦物Fig.2 The bright yellow secondary uranium mineral and black crumb iron manganese minerals in the bright red sandy conglomerate of the mineralization block

2.2 礦石的化學(xué)成分特征

通過17個紅色砂巖型鈾礦石的樣品分析結(jié)果 (表1)，紅色礦石化學(xué)成分中SiO2，CaO，Na2O含量略高于世界砂巖平均值；TiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)eO，MnO，MgO，K2O，P2O5含量略低于世界砂巖平均值；而 Fe3+/Fe2+比值高達9.09，遠大于1，反映礦石處于強氧化環(huán)境，這恰恰與Fe2O3，MnO，CaO含量相對較高，尤其是MnO(達到0.49%)相關(guān)，礦石的形成與富含硬錳礦及鐵錳質(zhì)礦物富集有直接的關(guān)系。

2.3 礦物成分

紅色礦石主要為鮮紅、血紅色為主，夾淺灰色、灰色含礫粗砂巖、泥質(zhì)中砂巖及少量砂質(zhì)礫巖，粒度較粗，富含巖屑、長石等碎屑物(梁桂香等，1995)。礦石中礦物主要成分為石英、長石及巖屑(郭長林等，2013)(表2)，其中大部分礦石中發(fā)育見大量團塊狀黑色硬錳礦，發(fā)育強赤鐵礦化，裂隙面上偶見粉末狀鮮黃色次生鈾礦物。

3 鈾礦物特征分析

3.1 鈾的存在形式

紅色砂巖礦石中鈾價態(tài)主要表現(xiàn)為+4、+6價兩種(表3)，其中灰色夾紅色礦石中U4+/U6+比值為1.21～2.30，均值1.73；暗紅色礦石中U4+/U6+比值為0.65～1.70，均值1.13；血紅色礦石中U4+/U6+比值為0.44～0.59，均值0.59；礦石中四、六價鈾礦物并存，但隨著蝕變顏色的增強，六價鈾含量逐漸增高。

3.2 鈾礦物特征

從電子探針的分析結(jié)果來看(表4)，沙棗泉紅色砂巖礦石中鈾礦物主要有瀝青鈾礦及硅鈣鈾礦、釩酸鹽鈾礦等次生鈾礦物，鈾礦物的劃分主要參考鈾礦物簡表；電子徑跡照相顯示(圖3)，中部大量的徑跡密集區(qū)，其對應(yīng)的礦物為炭屑、磁鐵礦等，其它區(qū)域稀疏的徑跡為吸附鈾。說明鈾的存在形式以吸附態(tài)鈾為主，與巖石中的炭屑、磁鐵礦等有關(guān)。

表1 沙棗泉礦床紅色砂巖型鈾礦石化學(xué)成分特征表

注：1.表中U含量為×10-6；2.全球平均值砂巖為克里寧(1941)數(shù)值；數(shù)據(jù)由核工業(yè)二○三研究所分析測試中心分析(2007—2012)

表2 沙棗泉礦床紅色砂巖鈾礦石礦物成分特征表

表3 沙棗泉礦床鈾價態(tài)分析統(tǒng)計表

注：數(shù)據(jù)由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院和核工業(yè)二○三研究所分析測試中心分析(2008—2012)

表4 沙棗泉礦床鈾礦石電子探針分析結(jié)果統(tǒng)計表

注：數(shù)據(jù)由北京地質(zhì)研究院，核工業(yè)二○三研究所分析(2008—2012)

圖3 沙棗泉礦床紅色礦石YBL135樣中的吸附態(tài)鈾Fig.3 The adsorption state of uranium YBL135 sample in the red uranium ore of the Sha Zaoquan uranium deposit

3.2.1 次生鈾礦物

硅鈣鈾礦：鈾在其中以六價的形式出現(xiàn)，礦物容易隨著地下水運動而發(fā)生遷移，其形成是同生沉積時期形成的瀝青鈾礦物等在一定條件下發(fā)生物理化學(xué)作用后形成的。其賦存狀態(tài)與石英、長石等共生，沿其空洞或者裂隙面分布，呈纖維狀集合體，多呈吸附狀態(tài)，在電子探針照片下顯亮色(圖4)。該類鈾礦物的形成有少量的與鐵(鉻)錳質(zhì)礦物相關(guān)。在紅色礦石中存在大量的鐵、錳質(zhì)礦物，部分礦石表現(xiàn)為鐵、錳膠結(jié)，礦石的密度較大，在后期的地下水改造過程中，對前期形成的硅鈣鈾礦及瀝青鈾礦等礦物進行了再次的改造，并形成了與鐵(鉻)質(zhì)共生的鈾礦物，此類礦物的表現(xiàn)形式多是沿鐵(鉻)錳質(zhì)礦物的周圍分布，沿巖石的孔隙或裂隙呈吸附狀態(tài)(圖5)。該類鈾礦物易隨著地下水發(fā)生遷移，在礦石中極不穩(wěn)定，所以在紅色礦石中較少出現(xiàn)。此類礦物最突出的特點是多與粘土礦物、鐵錳質(zhì)礦物共生，是長石在水解的過程中與鐵(鉻)錳質(zhì)礦物共同作用形成的結(jié)果。

釩酸鹽鈾礦：在電子探針下發(fā)現(xiàn)此類礦物在膠結(jié)物中，大都存在于礦石的孔隙、裂隙中，呈細小的板狀、條狀(圖6)。此類礦物容易隨地下水發(fā)生遷移，通常在弱堿性環(huán)境下產(chǎn)出，是早期形成的鈾礦物的氧化產(chǎn)物，沙棗泉礦床此類鈾礦物多在灰色礦石中出現(xiàn)，部分灰色夾紅色礦石中可見。

3.2.2 瀝青鈾礦

在灰色夾紅色的砂巖礦石中可見，以環(huán)狀、條帶狀韻律出現(xiàn)，呈細小的膠?；蚰z粒集合體形式分布于巖石的孔隙、裂隙中，一般多沿石英、長石、云母、巖屑等礦物周圍或巖石的解理中以隱晶質(zhì)或類質(zhì)同象形式出現(xiàn)，呈吸附態(tài)(圖7)，屬同生沉積時形成的，后生改造作用不明顯。

圖4 鉆孔ZK16-2樣品中的硅鈣鈾礦(亮色部位)Fig.4 The uranophane uranium of samples in ZK16-2 (the light parts)

圖6 鉆孔ZK3-1樣品中的釩酸鹽鈾礦(亮色部位)Fig.6 The Vanadate uranium of samples in ZK3-1 (the light parts)

圖5 鉆孔ZK9-6樣品中的硅鈣(鐵、鉻)鈾礦(亮色部位)Fig.5 The calcium silicon (iron、chromium) uranium of samples in ZK9-6 (the light parts)

圖7 ZK46-2樣品中的瀝青鈾礦(亮色部位)Fig.7 The pitchblende of samples in ZK46-2 (the light parts)

4 紅色礦石的形成及改造過程

基于鈾礦物的形式、特征及四、六價鈾共存等特點，結(jié)合沙棗泉盆地的構(gòu)造演化特征，認為沙棗泉礦床紅色礦石的形成是多期次的改造作用，其形成過程可分為四個階段：

(1)同生沉積—成巖時期：在沉積—成巖時期，含有大量鈾源的物質(zhì)隨著地表水水流不斷的遷移，水巖作用不斷加強，在進入湖相之前的平原河流亞相沉積下來，而沙棗泉下白堊統(tǒng)第二巖組上段巖性中的灰色層多為水下沉積產(chǎn)物，其中含有大量的有機物、植物殘片、黃鐵礦等一些具有較強吸附能力的礦物物質(zhì)，鈾礦物伴隨著這些物質(zhì)一同沉積下來，形成品位相對較低的含鈾礦體，此階段鈾礦物多以四價為主，同時含有少量六價鈾，鈾礦物的表現(xiàn)形式多呈吸附狀，以瀝青鈾礦居多。

(2)后生層間地下水改造：沉積后期，地下水沿北山及合黎山兩側(cè)向盆地中心形成側(cè)向徑流，逐漸形成潛水向?qū)娱g水過渡的形態(tài)，大量的含氧含鈾水對早期沉積的鈾礦物發(fā)生氧化作用，由于沉積時期大量的酸性腐蝕質(zhì)，使得地下水pH值酸性增強，同時含有大量鐵、錳等氧化能力較強的陽離子對礦物和巖石進行了氧化，使得四價鈾不斷地從巖石中遷移出來，以吸附態(tài)存在于孔隙結(jié)構(gòu)細小的巖層中，過程中實現(xiàn)了四價鈾向六價鈾的轉(zhuǎn)變：

與此同時，在長期的長石水解等作用下，地下水的Ph值堿性不斷增強，據(jù)史維俊等提出pH=7.25～11.28時，鈾在溶液中主要以鈾酰的形式出現(xiàn)(史維浚等，2005)，此時地下水中大量的鐵離子，在堿性條件下形成了大量的Fe(OH)3帶負電荷的膠體，過程中正好可以與帶正電荷的電子相互吸附，同時完成了鈾的沉淀，形成了一系列亞鐵鹽及鐵鹽在過飽和的狀態(tài)下發(fā)生沉淀因而形成品位較高的礦石，此階段屬于鈾礦物的再富集改造階段，鈾礦物表現(xiàn)出以六價形式出現(xiàn)，以硅酸鹽鈾礦物和釩酸鹽鈾礦物為主。

(3)后期構(gòu)造期改造：在礦體形成之后，構(gòu)造運動強烈，將盆地切割成不同的塊段，與此同時，礦體伴隨著地層的相對抬升，部分水下沉積層開始露出水面，形成地下水和潛水改造兩種形式，而潛水淋濾氧化作用尤為突出，這可以從上部地層形成的大量垂向裂隙分布的石膏脈可以證明②。此時的地下水由較強的堿性逐漸向中偏堿性環(huán)境轉(zhuǎn)變，對早期形成的Fe2+或其具有還原性的陽離子再一次進行氧化， Fe(OH)3膠體也逐漸形成鐵的氧化物，而此時的六價鈾，鈾酰絡(luò)合物發(fā)生較好的離解作用，逐漸沉淀下來，形成了以硅鈣鈾礦、釩酸鹽鈾礦物的富集：

UO2(OH)2↓+ H2O

UO2(OH)2↓+ H2O

瀝青鈾礦物在此過程中逐漸分散成粒狀，部分氧化改造成其他形式，部分保留下來伴隨著Fe(OH)3膠體一同富集，形成的礦物多沿孔隙、裂隙分布，因此形成了更為明顯的鮮紅色、血紅色礦石，這也就證明了沙棗泉礦床礦石隨著顏色蝕變程度的加強，其六價鈾礦物的含量越來越高。如果不是由于成礦時期地下水水位上升， 形成的六價礦物會隨著地下水的遷移而會再溶解遷移。

(4)后期潛水再造：地層抬升的后期，由于南礦帶地層抬升幅度相對中礦帶大，特別是南礦帶淺部礦體礦石接受潛水淋濾改造作用再次加強，過程中完成了Fe(OH)3膠體的完全氧化，裂隙面上的氧化和礦物富集特征更為明顯，該階段是上一階段的重復(fù)，只是改造程度較弱。

由此可以證明沙棗泉礦床的形成總體經(jīng)過了四個時期的成礦階段：同生沉積—成巖期地下水改造—構(gòu)造期改造—后期潛水改造，礦體多期次的改造和富集，因此形成了品位相對較高的以紅色礦石為主鈾礦石類型。

5 結(jié)論

(1)通過分析紅色礦石的形成過程，證明了“沉積疊加后生改造”成礦理論。

(2)證明了沙棗泉鈾礦床的形成存在同生沉積—成巖期地下水改造—構(gòu)造期改造—后期潛水改造等多期次改造的成礦過程。

(3)紅色礦石的形成是在同生沉積—后生改造的基礎(chǔ)上，與地下水的pH/Eh值、FeF3+含量有關(guān)，鐵離子的演化同紅色礦石的形成直接相關(guān)：鈾礦物以四、六價形式共存，隨著六價鈾含量的增高，礦石顏色由灰夾紅色—暗紅色—血紅色過渡。

耿海軍，李萬華，郭長林. 2011.巴丹吉林盆地沙棗泉地區(qū)構(gòu)造特征及與鈾成礦的關(guān)系[J].礦物學(xué)報，(增刊)：242-243.

茍學(xué)明，李萬華，姬海軍，等. 2014.巴丹吉林盆地沙棗泉鈾礦床成礦特征與成礦模式[J].鈾礦地質(zhì)，30(1)：7-13.

郭長林，李萬華，耿海軍，等. 2013.巴丹吉林盆地沙棗泉地區(qū)鈾礦化地質(zhì)特征及控礦因素[J].鈾礦地質(zhì)，29(1)：18-23.

梁桂香，王東坡.1995.沉積巖石學(xué)[M].長壽：吉林科學(xué)技術(shù)出版社.

史維浚,孫占學(xué).2005.應(yīng)用水文地球化學(xué)[M]. 北京：原子能出版社.

Discussion On the Genetic Origin of Red Ore At the Shazaoquan Uranium Deposit

HE Da-peng, WANG Gang, JI Hai-jun, HE Jia-jun, SONG Zhe

(NO.203 Research Institute of Nuclear Industry,Xianyang,SX 712000，China)

In this paper, taking Shazaoquan deposit as an example, mainly study the particle size, structure, chemical composition, mineral composition and existing form of sandstone type red uranium ore, around the existing form and forming process of uranium mineral in red ore, explain the reasons for the formation of sandstone type red uranium ore, It is proved that the formation of sandstone type red uranium ore is the function of multiple stages of subsequent transformation, it provides a sufficient basis for the genetic type of the deposit.

red uranium ore uranium mineral subsequent transformation

2016-03-10

何大鵬(1980—)，學(xué)士學(xué)位，工程師，從事鈾礦地質(zhì)勘查工作，水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)。hdp-5206@163.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2016.04.003

P619.14

A

1674-3504(2016)04-0319-06

何大鵬，王剛，姬海軍,等.2016. 沙棗泉鈾礦床紅色礦石成因探討[J].東華理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，39(4)：319-324.

He Da-peng, Wang Gang,Ji Hai-jun,et al.2016. Discussion on the genetic origin of red ore at the Shazaoquan uranium deposit [J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 39(4):319-324.