熱液型鈾礦穿透性地球化學(xué)勘查方法的微觀證據(jù)

王 勇，葉 榮，劉洪軍，吳國(guó)東，王東升

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083）

熱液型鈾礦穿透性地球化學(xué)勘查方法的微觀證據(jù)

王 勇1，葉 榮2，劉洪軍1，吳國(guó)東1，王東升1

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083）

隱伏熱液型鈾礦地氣測(cè)量研究工作表明，以泡塑作為捕集介質(zhì)的地氣方法能夠有效地顯示出控礦構(gòu)造上方的鈾及其伴生元素地氣異常。對(duì)礦體上方-400目土壤微粒樣品及深部礦石微粒樣品進(jìn)行微觀觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了樣品中含鈾微顆粒。含鈾顆粒粒徑大小為600～700 nm，以單個(gè)或聚合態(tài)形式吸附于黏土礦物表面，與深部礦石中含鈾微粒在組分特征上具有相似性。根據(jù)鈾元素的地球化學(xué)特征，認(rèn)為表層土壤含鈾微粒是深部礦石微粒受深部營(yíng)力作用垂向遷移，并經(jīng)表生水化學(xué)作用的產(chǎn)物。該類(lèi)含鈾微顆粒的發(fā)現(xiàn)為穿透性地球化學(xué)鈾礦勘查方法提供了直接的微觀證據(jù)。

熱液型鈾礦；穿透性地球化學(xué)；地氣異常；亞微米級(jí)含U微粒

Abstract:The geogas method research on a blind hydrothermal uranium deposit shows that geogas anomaly of uranium and other mineral elements are very clear and effective upon the ore-controlling structures by using plastic foam as the capture media.Through the microscopic research using SEMEDS，submicron uranium particles were discovered both in the ore-body and the surface soils upon the deposit.The size of the particles in soils is about 600 to 700 nm，and the particles were attracted on the surface of the clay minerals.Through comparing the contents of the two types of particles，a close relationship was found between the soils particles and the ore-body particles.According to the geochemical characters of uranium，it is reasonable that the uranium particles in soils are the products of the particles in the ore-body experienced vertical migration and hydrochemical action.The discovery of the submicron particles can provide a microscopic evidence for deep-penetrating geochemical method in uranium exploration.

Key words:hydrothermal uranium deposit； deep-penetrating geochemical method； geogas anomaly；submicron uranium particles

在礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域，穿透性地球化學(xué)方法越來(lái)越多地應(yīng)用到實(shí)際找礦工作中。它具有探測(cè)深度大，反映深部直接成礦信息等特點(diǎn)。王學(xué)求、葉榮、張必敏等人在金礦、多金屬礦勘查研究工作中，成功地發(fā)現(xiàn)了深部隱伏礦體在地表形成的微弱異常，并在微觀觀測(cè)工作中發(fā)現(xiàn)了來(lái)源于深部并引起元素異常的微觀納米級(jí)、亞微米級(jí)顆粒［1-6］。在鈾礦勘查領(lǐng)域，由于有限的工作程度及鈾區(qū)別與其它金屬元素的獨(dú)特地球化學(xué)特性，前人并沒(méi)有觀測(cè)到微觀的含鈾顆粒，因此也沒(méi)有對(duì)深部鈾的遷移機(jī)制進(jìn)行探討。

本次研究工作在克什克騰旗紅山子隱伏熱液型鈾礦5、6號(hào)礦帶進(jìn)行。工作包括穿透性地球化學(xué)地氣測(cè)量方法研究、微顆粒的觀測(cè)研究等。

1 地氣測(cè)量元素異常

1.1 地質(zhì)概況

紅山子礦區(qū)位于天山—興蒙造山帶系溫都爾廟俯沖增生雜巖帶與大興安嶺NNE向中新生代火山巖漿帶的復(fù)合區(qū)。

區(qū)內(nèi)出露地層主要為下二疊統(tǒng)大石寨組安山質(zhì)角礫凝灰?guī)r、流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r，上侏羅統(tǒng)滿(mǎn)克頭鄂博組沉凝灰?guī)r夾安山巖、粗面巖，新近系、第四系零星出現(xiàn)［7］。

區(qū)域斷裂構(gòu)造由橫貫礦區(qū)北部的西拉木倫河?xùn)|西向巖石圈斷裂帶及縱貫礦區(qū)的NNE向、NE向貫通性基底斷裂、NW向蓋層斷裂構(gòu)成本區(qū)基本斷裂構(gòu)造格局，它們控制了本區(qū)花崗巖侵入活動(dòng)、火山噴發(fā)活動(dòng)及鈾成礦作用。

區(qū)內(nèi)分布的巖漿巖主要有二疊紀(jì)石英二長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖；早侏羅世黑云母花崗巖、堿長(zhǎng)花崗巖；晚侏羅世花崗斑巖、石英正長(zhǎng)斑巖、流紋斑巖及早白堊世安山巖等呈弧形分布的次火山巖［8］。本區(qū)巖漿巖普遍富鈾，巖體鈾含量5.9×10-6～13.5×10-6，鈾的浸出率10.7×10-6～23.5×10-6。

紅山子5、6號(hào)礦帶主要受NE向展布的高角度正斷層控制，鈾礦體主要呈豆莢狀和透鏡狀在該斷裂上盤(pán)的次級(jí)斷裂中產(chǎn)出，區(qū)域含礦層為上侏羅統(tǒng)滿(mǎn)克頭鄂博組。鈾主要以瀝青鈾礦形式存在，圍巖蝕變主要有鈉長(zhǎng)石化、螢石化、硅化、赤鐵礦化和綠泥石化。礦體埋深深度約為150～350 m，平均品位1‰～2‰。

1.2 測(cè)線布設(shè)及工作方法

在紅山子測(cè)區(qū)布設(shè)3條剖面，1線、2線分別橫跨5號(hào)、6號(hào)兩個(gè)成礦帶，測(cè)線方向SE135°；3號(hào)線橫穿5號(hào)、6號(hào)兩個(gè)成礦帶，測(cè)線方向NE70°。每條剖面長(zhǎng)1.6 km，點(diǎn)距20 m，總點(diǎn)位數(shù)240個(gè)。

室內(nèi)采樣介質(zhì)前處理簡(jiǎn)介：聚氨酯海綿需經(jīng)過(guò)磨具制取，制取后先用自來(lái)水洗滌，晾干后使用10%王水浸泡24小時(shí)并洗滌，后經(jīng)超純水清洗晾干后，浸泡在5%稀酸溶液（按王水組合配比）容器中保存，以待野外工作使用。

野外地氣樣品取樣方法及室內(nèi)分析方法簡(jiǎn)介：野外使用手持GPS導(dǎo)航到點(diǎn)位。在每個(gè)采樣點(diǎn)上，用鋼釬打3個(gè)孔，孔深在0.7～0.8 m，若覆蓋淺不易打孔，至少保證0.5 m孔深。將螺旋采樣器旋于孔中，擰緊使孔封閉，用硅膠管與安裝玻璃纖維微孔濾膜 （孔徑0.45 μm）的過(guò)濾器和捕集裝置連接。用手提式采樣氣筒一次在孔中各抽取氣體1.5 L，每孔取2次，每孔3 L氣體，3個(gè)孔共計(jì)9 L氣體，通過(guò)泡塑捕集器中聚氨酯泡塑來(lái)捕集地氣微粒。每個(gè)采樣點(diǎn)上取樣孔位之間的距離大于1 m。泡塑樣品在每日完成野外工作后，在室內(nèi)轉(zhuǎn)移至超純處理后的自封樣品袋中。泡塑樣品需經(jīng)過(guò)特定的焦化、灰化、溶樣3個(gè)處理步驟后進(jìn)行分析。樣品元素含量的分析工作在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)室使用ICP-MS方法進(jìn)行。

1.3 地氣異常形式

在三條測(cè)線中，由于2號(hào)線南段巖石出露較多，對(duì)地氣測(cè)量方法干擾較大，只選取1、3線兩條剖面進(jìn)行研究：

1號(hào)線上，U的異常顯示較好，在控礦構(gòu)造上方及隱伏礦體上方均有顯示，稀土元素異常主要分布于主要控礦構(gòu)造組合帶與地表接觸帶上，Pb、Cr等與熱液成礦相關(guān)元素異常出現(xiàn)在隱伏鈾礦體正上方（圖2）。

圖1 紅山子測(cè)區(qū)地氣測(cè)量實(shí)際材料圖及地質(zhì)略圖Fig.1 Geologic sketch and geogas sampling points in Hongshanzi area

3號(hào)線上，U的異常顯示較好，在隱伏鈾礦及隱伏鈾礦化體上方都有一定的異常顯示，稀土元素異常與U分布相似，Pb、Cr等元素對(duì)主控礦構(gòu)造及深部隱伏鈾礦體有一定的指示意義（圖 3）。

除 U、Pb、Cr、Nd四項(xiàng)元素外，Th、Mo、Cu、Zn、Ag、W等元素在礦體上方及主控礦構(gòu)造帶處均有異常顯示。

總結(jié)紅山子測(cè)區(qū)的元素異常分布形式，結(jié)合微量元素本身地球化學(xué)特征，認(rèn)為U、REE在地氣異常中與控礦構(gòu)造帶關(guān)系顯著，由于其在深部礦體中存在形式主要為礦物及化合物形式，在潛水面以下，由于地下水的干擾，使其微量離子態(tài)形式物質(zhì)迅速溶解于地下水中，無(wú)法以離子吸附態(tài)形式發(fā)生垂向遷移，只能以超顯微化合態(tài)形式借助構(gòu)造處所匯聚的較大的地氣流作用進(jìn)行遷移并被表層土壤捕獲。在深部鈾礦體中，Pb、Cr等元素由于自身相對(duì)U的高背景，可以呈離子狀態(tài)存在，借助垂向微弱的地氣流、電場(chǎng)力等營(yíng)力進(jìn)行遷移，在礦體垂向上方形成異常。

圖2 紅山子1號(hào)線地氣泡塑U、Pb、Cr和Nd剖面圖Fig.2 Geogas profile of U， Pb， Cr， Ndin plastic foam of Line 1 at Hongshanzi

2 表層土壤含U微粒觀測(cè)

為研究地氣異常物質(zhì)的存在形式，在礦體上方及遠(yuǎn)離礦體背景區(qū)進(jìn)行了地氣異常源研究工作，完成了土壤微粒樣品采集及觀測(cè)工作。

在5、6號(hào)礦帶上方以及地氣測(cè)量區(qū)域最南部背景區(qū)采集土壤樣品，篩取-400目土壤作為微粒樣品進(jìn)行觀測(cè)。室內(nèi)觀測(cè)工作在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究所掃描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，儀器型號(hào)為：1）NOVA NANOSEM 450：點(diǎn)分辨率1.0 nm，放大倍率20～1 000 000； 2）牛津能譜X-MAXN，束斑直徑1 μm，能譜EDS檢出限1/10 000。

圖3 紅山子3號(hào)線地氣泡塑U、Pb、Cr和Nd剖面圖Fig.3 Geogas profile of U， Pb， Cr， Ndin plastic foam of Line 3 at Hongshanzi

經(jīng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了礦體上方表層土壤中的亞微米級(jí)含U微粒（圖4、5）。研究認(rèn)為此類(lèi)亞微米級(jí)含U顆粒有以下六個(gè)特點(diǎn)：

1）微顆粒粒徑在600～700 nm之間，以吸附態(tài)形式存在于土壤中粘土或長(zhǎng)石顆粒表面（由于微孔濾膜孔徑不均一，粒徑小于1 μm即可通過(guò)）；

2）在所觀測(cè)到的含U微粒中，Zr與U關(guān)系密切 （極性類(lèi)質(zhì)同象）；

3）微粒中U含量要高于普通鋯石中U含量 （普通鋯石中U不能達(dá)到能譜檢出限，排除碎屑的干擾）；

4）根據(jù)U的地球化學(xué)性質(zhì)，判斷U在微粒中的存在形式為超顯微化合物態(tài)，存在價(jià)態(tài)應(yīng)為＋4價(jià)（極性類(lèi)質(zhì)同象作用中，U為＋4價(jià)；＋6價(jià)態(tài)U為離子或離子絡(luò)合物形式，無(wú)法通過(guò)掃描電子顯微鏡觀測(cè)到）；

5）顆粒表面相對(duì)光滑，說(shuō)明其在表生環(huán)境下受到了以水化學(xué)為主的化學(xué)風(fēng)化作用；

6）由于在背景區(qū)并未觀測(cè)到此類(lèi)微粒，推測(cè)其與深部成礦作用關(guān)系密切。

以此推斷此類(lèi)亞微米級(jí)含U微粒即為造成地氣異常的微觀物質(zhì)。

隱伏礦體上方表層土壤中亞微米級(jí)含U顆粒的意義：由于U的地球化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，表生條件下，活動(dòng)態(tài)鈾的穩(wěn)定形式為UO22＋或其絡(luò)合物形式存在于土壤黏土礦物顆粒表面或其節(jié)理面。超顯微化合物形式亞微米含U微粒中U的存在價(jià)態(tài)為＋4價(jià)，區(qū)別與常量克拉克值中的U在礦物晶格中的存在形式，可能與深部鈾成礦作用關(guān)系密切。此類(lèi)微粒所造成的活動(dòng)態(tài)地氣測(cè)量異常，具有很好的指示意義，異常與深部礦體對(duì)應(yīng)關(guān)系較顯著。

除亞微米級(jí)含U顆粒外，礦體上方土壤微粒樣品中還觀測(cè)到了含Au、Ag、Pb、Cr、Sn、 Co、 Th、 Mo、 Zn、 Cd、 Ni、 Cu、 Pt、 Sc、Ba、REE等與熱液成礦相關(guān)元素的微米級(jí)、亞微米級(jí)顆粒（圖6）。

圖4 紅山子鈾礦床上方表層土壤中亞微米級(jí)含U微粒Fig.4 Submicron uranium particle in surface soils upon the Hongshanzi uranium deposit

3 深部礦石微粒

為了驗(yàn)證表層土壤中亞微米級(jí)含U微粒是否具深部來(lái)源特性，對(duì)紅山子礦區(qū)深部鈾礦石樣品（-400目、ZKH16-02鉆孔，297 m礦石樣品）進(jìn)行了觀測(cè)研究。發(fā)現(xiàn)了與表層含U微粒具有相似組份的微米級(jí)、亞微米級(jí)含U顆粒（圖7）。與表層發(fā)現(xiàn)的微粒相比，深部礦石中微粒物質(zhì)同樣含有Zr、U、Os、W等微量元素，然而區(qū)別于地表中含U微粒，礦石微粒中U含量要高于Zr。

通過(guò)對(duì)比研究，主要有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1）礦石中微粒和表層土壤中微粒同樣含有U、Zr等元素，結(jié)合紅山子成礦環(huán)境及U、Zr所形成礦物的礦物學(xué)特征，初步可以判斷兩者形成環(huán)境相同，即中-低溫?zé)嵋撼傻V作用而成；

2）礦石樣中微粒成分特征為高U低Zr，又由于U、Zr的極性類(lèi)質(zhì)同象關(guān)系，結(jié)合地表中亞微米級(jí)顆粒成分組合特征，推斷此類(lèi)礦石微粒中U的存在相有兩種，一為獨(dú)立鈾礦物，二為含Zr化合物晶格中的類(lèi)質(zhì)同象U；

3）兩類(lèi)微粒中U含量的不同主要是由于土壤中含U微粒在地表經(jīng)后期更加強(qiáng)烈的風(fēng)化、水解等作用，使得沒(méi)有受Zr保護(hù)的U發(fā)生氧化-還原反應(yīng)生成UO22＋并隨表層水發(fā)生了遷移，造成了U的低含量。

4）此類(lèi)超細(xì)微粒借助深部地氣流、電場(chǎng)力、濃度擴(kuò)散等多種營(yíng)力作用遷移至地表，并經(jīng)歷后期的表生風(fēng)化作用，表層包裹的鈾礦物氧化水解發(fā)生遷移，穩(wěn)定態(tài)的Zr對(duì)其晶格中U具有保護(hù)作用，共同以微粒形態(tài)吸附于表層土壤表面。

圖6 紅山子鈾礦床上方表層土壤中亞微米級(jí)微粒Fig.6 Submicron uranium particles in surface soils upon the Hongshanzi uranium deposit

圖7 紅山子深部礦石中亞微米級(jí)含U微粒Fig.7 Uranium particles in the ore-body of Hongshanzi uranium deposit

綜上所述，礦體上方表層土壤中的亞微米含U顆粒具有深部來(lái)源特征，即來(lái)源于深部成礦作用，借助構(gòu)造處所匯聚的相對(duì)大的地氣流動(dòng)力遷移至表層，并在表生化學(xué)風(fēng)化作用下發(fā)生了U的分離，最終形成表層土壤中穩(wěn)定存在形式的含U微顆粒。

4 結(jié)論

隱伏熱液型鈾礦上方表層土壤中存在的穿透性亞微米級(jí)含U微粒與深部礦石中含U微粒存在密切的聯(lián)系，為鈾礦勘查中的穿透性化探異常形成理論提供了直接的微觀證據(jù)，也能夠使研究人員對(duì)穿透性活動(dòng)態(tài)U的存在形式有更加清晰、明確的認(rèn)識(shí)。作為一種穿透性地球化學(xué)方法，地氣方法能夠在隱伏熱液鈾礦上方顯示出清晰有效的U及成礦伴生元素異常，能夠有效指示深部礦化信息，在熱液型鈾礦勘查中具有良好的發(fā)展前景。

致謝：在熱液型鈾礦地氣測(cè)量方法研究及微觀顆粒觀測(cè)研究過(guò)程中，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院葛祥坤、宋亮，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所遲清華、張必敏等人對(duì)項(xiàng)目的發(fā)展及研究工作提出了指導(dǎo)性的建議及意見(jiàn)，對(duì)本次研究工作具有寶貴意義，在此表示感謝！

［1］王學(xué)求，葉榮.納米金屬微粒發(fā)現(xiàn)：深穿透地球化學(xué)的微觀證據(jù)［J］.地球?qū)W報(bào)， 2011， 32（1）:7-12.

［2］王學(xué)求.深穿透地球化學(xué)遷移模型［J］.地質(zhì)通報(bào)，2005， 24（10-11）:892-896.

［3］Rong Ye， Bimin Zhang， Yong Wang.Mechanism of the migration of gold in desert regolith cover over a concealedgolddeposit［J］.Geochemistry： Exploration，Environment， Analysis， 2015， 15:62-71.

［4］葉榮，張必敏，王勇.干旱荒漠區(qū)隱伏金礦覆蓋層中金的分布與遷移:以新疆金窩子金礦田210金礦帶為例［J］.現(xiàn)代地質(zhì)， 2013， 27（6）:1 265-1 274.

［5］張必敏，王學(xué)求，遲清華，等.戈壁覆蓋區(qū)景觀演化與 Au 的分散遷移［J］.現(xiàn)代地質(zhì)， 2011， 25（3）:575-580.

［6］張必敏，王學(xué)求，葉榮，等.納米金屬微粒的采集觀測(cè)及其對(duì)地球化學(xué)勘查的意義［J］.物探化探計(jì)算技術(shù)， 2014， 36（6）:709-714.

［7］巫建華，武王君，祝洪濤，等.大興安嶺紅山子盆地火山巖系巖石地層對(duì)比［J］.高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013， 19（3）:472-483.

［8］祝洪濤，李繼木，趙博，等.大興安嶺紅山子盆地鈾礦勘查新進(jìn)展及其找礦意義［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014， 37（4）:360-366.

Deep-penetrating geochemical microscopic evidence in the hydrothermal uranium deposit exploration

WANG Yong1， YE Rong2， LIU Hongjun1， WU Guodong1， WANG Dongsheng1
（1.Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China； 2.China University of Geosciences， Beijing 100083， China）

P632

A

1672-0636（2017）03-0167-07

10.3969/j.issn.1672-0636.2017.03.007

中國(guó)核工業(yè)地質(zhì)局鈾礦地質(zhì)科研項(xiàng)目（編號(hào)：201658）和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目《火山巖型鈾礦地球化學(xué)塊體三維模型》（編號(hào)：2016YSC0600601-2）資助。

2017-04-07

王 勇（1987— ），男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，主要從事鈾礦勘查地球化學(xué)方法研究工作。E-mail:329706106@qq.com