二連盆地哈達(dá)圖砂巖型鈾礦鈾的賦存狀態(tài)研究

李偉濤，李子穎，李西得，劉武生，康世虎，呂永華

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查預(yù)評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)研究室，北京 100029；2.核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

可地浸砂巖型鈾礦床是一種具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值及戰(zhàn)略意義的鈾礦床類型。因其埋藏淺、儲(chǔ)量規(guī)模大、開采成本低和環(huán)保等特點(diǎn)，已成為我國(guó)目前鈾礦資源勘查的主攻方向［1］。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）于2018 年12 月發(fā)布的紅皮書 《鈾資源、生產(chǎn)與需求—2018》 中披露，在全球低成本開采（＜80 USD/kgU）的鈾中，原位浸出鈾產(chǎn)量占62.3%。該類型鈾礦床在我國(guó)北方中、新生代盆地如伊犁盆地、吐哈盆地、鄂爾多斯盆地、二連盆地、松遼盆地等均有較好的發(fā)現(xiàn)［2］。哈達(dá)圖礦床為二連盆地近年來發(fā)現(xiàn)的大型砂巖型鈾礦床，其勘探成果斐然，但成礦機(jī)理及礦床成因研究薄弱。礦床中鈾的賦存狀態(tài)直接關(guān)系到鈾地浸開采，也是了解砂巖型鈾礦形成機(jī)制或礦床形成環(huán)境及成因的重要信息［3］，前人尚未對(duì)該礦床鈾賦存狀態(tài)進(jìn)行過系統(tǒng)的研究。

1 地質(zhì)背景

二連盆地位于內(nèi)蒙古中北部，大地構(gòu)造位置處于亞洲板塊與西伯利亞板塊縫合線部位，在內(nèi)蒙古-大興安嶺褶皺基底上，燕山期拉張構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下發(fā)育起來的大型中、新生代斷陷-坳陷型疊合沉積盆地［4-6］，面積約11 萬km2，盆地總體走向?yàn)楸睎|向，向西和西南部逐漸變?yōu)楸睎|東和近東西向，是我國(guó)重要的含油、鈾、煤資源的盆地。盆地共劃分為“五坳一隆”6 個(gè)構(gòu)造單元，分別為北部的川井坳陷、烏蘭察布坳陷、馬尼特坳陷和南部的騰格爾坳陷、烏尼特坳陷及中部的蘇尼特隆起。盆地東界為大興安嶺隆起，北界為巴音寶力格隆起，南界為溫都爾廟隆起，西界為寶音圖隆起。目前，已在二連盆地中部下白堊統(tǒng)賽漢組上段控制長(zhǎng)度超過300 km 的古河道砂巖帶［7］，并發(fā)現(xiàn)了巴彥烏拉、賽漢高畢、哈達(dá)圖等古河道砂巖型鈾礦床（圖1）。

2 鈾礦化產(chǎn)出

哈達(dá)圖礦床位于二連盆地中西部烏蘭察布坳陷中東部的齊哈日格圖凹陷。含礦段砂巖為賽漢組上段辮狀河沉積，下部為賽漢組下段泥巖。通過對(duì)哈達(dá)圖、賽漢高畢和巴彥烏拉鈾礦床的地層結(jié)構(gòu)、沉積旋回進(jìn)行細(xì)化研究，含礦目的層賽漢組上段自下往上可以劃分為3 個(gè)亞層，每1 個(gè)亞層與1 期河道發(fā)育相對(duì)應(yīng)［8］。第1 亞層發(fā)育砂質(zhì)辮狀河沉積，以近源沉積為主，砂巖粒度粗沉積厚度大；第2 亞層發(fā)育砂質(zhì)辮狀河沉積，砂體厚度約50 m；第3 亞層發(fā)育曲流河沉積，沉積物粒度較細(xì)，砂體連續(xù)性差，厚度近40 m。礦體產(chǎn)在第1、第2 亞層砂體中，巖性主要為黃色、灰色砂質(zhì)礫巖、粗砂巖，分選差，磨圓較差，泥質(zhì)膠結(jié)，較松散。

目前鉆孔已控制南北長(zhǎng)25 km 礦化帶。剖面上，鈾礦體、礦化呈似層狀、板狀展布，受黃色砂巖與灰色砂巖的界面控制，礦體產(chǎn)在灰色砂巖中。礦石為灰色、黑灰色砂巖、砂質(zhì)礫巖，多含碳質(zhì)碎屑和細(xì)晶黃鐵礦（圖2），較疏松，泥質(zhì)膠結(jié)，分選差，磨圓較差，呈棱角-次棱角狀，多含細(xì)礫，具水平層理構(gòu)造，呈多旋回的下粗上細(xì)巖性變化。

圖1 二連盆地中部鈾礦地質(zhì)圖Fig.1 Uranium geology map in middle Erlian Basin

圖2 哈達(dá)圖鈾礦床礦石（Fzk32-87，330.6 m）Fig.2 Uranium ore in Hadatu uranium deposit

3 取樣及分析

本次研究共采集哈達(dá)圖礦床6 個(gè)工業(yè)鉆孔的7 個(gè)礦石樣品，1 個(gè)礦化樣品（表1），進(jìn)行碎樣至200 目分析微量元素含量，并磨制探針片進(jìn)行薄片鑒定、α 徑跡蝕刻、電子探針和掃描電鏡分析，制作邊長(zhǎng)約1 cm 的立方塊樣進(jìn)行鍍碳、掃描電鏡分析。分析測(cè)試工作均在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試中心完成。微量元素的測(cè)試儀器為Element XR 電感耦合等離子體ICP-MS 質(zhì)譜儀，測(cè)試方法依據(jù)GB/T 14506.30—2010 《硅酸鹽巖巖石化學(xué)分析方法》 第30 部分：44 個(gè)元素量測(cè)定。電子探針?biāo)脙x器為日本電子公司的JXA-8100 型電子探針，加速電壓20 kv，束流1×10-8，束斑直徑為1 μm，出射角40°，分析方式為波譜分析，修正方式為ZAF。掃描電鏡所用儀器為FEI Nova Nano SEM 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。

4 鈾的存在形式

電子探針、掃描電鏡、α 徑跡蝕刻等分析結(jié)果表明，哈達(dá)圖礦床中鈾主要以超顯微、顯微狀鈾礦物為主，少量賦存在含鈾礦物中。鈾礦物有瀝青鈾礦、鈾石及鈾的磷酸鹽。

4.1 瀝青鈾礦

在HD1 樣品中發(fā)現(xiàn)了瀝青鈾礦。瀝青鈾礦以顯微粒狀（粒徑1～1.5 μm）、超顯微粒狀（粒徑＜1 μm）及集合體形式賦存在巖屑以及填隙物如長(zhǎng)石、巖屑、黏土礦物、黃鐵礦等表面、裂隙或溶蝕孔洞中，且多賦存在發(fā)生黏土化部位以及黏土礦物表面（圖3）。如圖3a、b 中，顯微、超顯微粒狀瀝青鈾礦賦存在長(zhǎng)石表面淋慮坑洞部位，而這些淋慮坑洞部位基本發(fā)生黏土化，瀝青鈾礦賦存在黏土礦物表面（圖3c）。立方體黃鐵礦表面也可見瀝青鈾礦，但相對(duì)于平整的晶面，坑洞部位更易賦存瀝青鈾礦（圖3d、e）。由于填隙部位存在大量黏土礦物，因此鈾礦物得以在填隙部位大量富集?？梢婐ね恋V物、鈾礦物、黃鐵礦三者緊密伴生的集合體（圖3e），圖3f中黃鐵礦、鈾礦物、黏土礦物伴生區(qū)域應(yīng)是類似圖3e 中集合體的切面。此外，在具有植物胞腔結(jié)構(gòu)黃鐵礦中，也可見瀝青鈾礦（圖3g），這可能是在黃鐵礦的裂縫中充填的瀝青鈾礦，也可能是黃鐵礦被瀝青鈾礦交代。圖3h、i 中可以見到長(zhǎng)石裂隙中充填的膠狀黃鐵礦以及立方體黃鐵礦周圍賦存有瀝青鈾礦微粒。經(jīng)電子探針分析（表2），瀝青鈾礦中UO2含量為58.56%～84.75%，雜質(zhì)有Si、P、Ca、S、Fe、Al、K 等。SiO2占比為1.01%～12.41%，P2O5占比為1.77%～8.68%，CaO 占比為1.65%～4.39%，F(xiàn)eO 占比為0.65%～6.21%，總量為94.54%～99.41%。SiO2含量較低，磷、鈣含量未達(dá)磷鈣鈾礦標(biāo)準(zhǔn)且數(shù)據(jù)總量較高，應(yīng)為瀝青鈾礦。

表1 樣品性質(zhì)與采樣位置Table 1 Lithological characteristics and depth of samples in borehole

圖3 哈達(dá)圖鈾礦床瀝青鈾礦賦存狀態(tài)Fig.3 Occurring state of pitchblende in Hadatu uranium deposit

4.2 鈾石

在HD27、HD1、HD55 樣品中發(fā)現(xiàn)少量疑似鈾石。鈾石以超顯微紡錘狀微晶或集合體形式賦存在碎屑顆粒表面、黏土礦物表面等。如圖4a 中微晶石英顆粒表面發(fā)現(xiàn)鈾石，呈超顯微紡錘狀微晶（＜1 μm）集合體賦存。在圖4b 中可見鈾石賦存在碎屑顆粒表面發(fā)生黏土化部位。在圖4c 中可見紡錘狀鈾石微晶集合體賦存在黏土礦物表面。在HD1 中一處長(zhǎng)石裂隙中充填的膠狀黃鐵礦周圍發(fā)現(xiàn)鈾石（圖4d），經(jīng)電子探針分析，測(cè)點(diǎn)1UO2含量為58.77%，SiO2含量為19.31%。雜質(zhì)含有P、Ca、Al、Fe 等，P2O5占比6.98%，CaO 占比3.66%，Al2O3占比2.03%，F(xiàn)eO 占比0.24%，總量為95.39%。鑒于該測(cè)點(diǎn)含2.03%的Al2O3，高于其它測(cè)點(diǎn)，因此數(shù)據(jù)可能受到周圍長(zhǎng)石干擾。盡管有時(shí)鈾石可在熱液作用下轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青鈾礦而呈柱狀或放射狀集合體假象［9］，但能譜分析顯示圖4c 中鈾礦物Si 含量較高，并非瀝青鈾礦中含少量雜質(zhì)Si，結(jié)合其紡錘狀晶體形態(tài)，基本確定為鈾石。

表2 哈達(dá)圖鈾礦床鈾礦物電子探針成分分析結(jié)果/%Table 2 EMPA result of uranium minerals in Hadatu uranium deposit

圖4 哈達(dá)圖鈾礦床鈾石賦存狀態(tài)Fig.4 Occurring state of coffinite in Hadatu uranium deposit

4.3 鈾的磷酸鹽

圖5 哈達(dá)圖鈾礦床鈾的磷酸鹽Fig.5 Phosphate in Hadatu uranium deposit

在HD43 樣品中偶見鈾的磷酸鹽以顯微粒狀（直徑約2 μm）賦存在填隙物中（圖5）。聶逢君等（2010）在研究二連盆地巴彥烏拉礦床及賽漢高畢礦床發(fā)現(xiàn)鈾的磷酸鹽［5］，范光等（2013）在研究與哈達(dá)圖礦床相鄰的賽漢高畢礦床時(shí)在國(guó)內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)水磷鈣鈾礦［10］。由于本次研究只對(duì)該類型鈾礦物進(jìn)行了掃描電鏡及能譜分析，因此，初步定名為鈾的磷酸鹽。

4.4 含鈾礦物

鈾在含鈾礦物中一般以類質(zhì)同象形式存在。鈾的類質(zhì)同象置換能力較強(qiáng)，它既可以進(jìn)行等價(jià)類質(zhì)同象置換，如U4＋-Th4＋，又可以進(jìn)行異價(jià)類質(zhì)同象置換，如U4＋-REE3＋。4價(jià)鈾的類質(zhì)同象置換廣泛地出現(xiàn)在富含釷、稀土等元素的簡(jiǎn)單氧化物、復(fù)雜氧化物、硅酸鹽和磷酸鹽礦物中。本次研究在該礦床發(fā)現(xiàn)的含鈾礦物有含鈾稀土礦物（圖6a）、獨(dú)居石（圖6b）、鋯石（圖6c）、釷石（圖6d）。在HD41 樣品中發(fā)現(xiàn)含鈾稀土礦物，其呈超顯微粒狀或集合體形式賦存在碎屑顆粒表面發(fā)生黏土化部位。

4.5 無法定名的超顯微狀鈾狀礦物

該形式鈾礦物在哈達(dá)圖礦床較常見，所采樣礦石中均有發(fā)現(xiàn)，以超顯微狀及集合體形式賦存在黏土礦物表面（圖7a）、黃鐵礦表面（圖7b）及有機(jī)質(zhì)表面（圖7c、圖7d）。因其粒徑極小且較分散，在進(jìn)行能譜分析時(shí)僅能依據(jù)較高的鈾含量確定其為鈾礦物，難以從形態(tài)及成分進(jìn)一步確定其類型。

4.6 離子吸附態(tài)鈾

圖6 哈達(dá)圖鈾礦床含鈾礦物Fig.6 Uranous minerals in Hadatu uranium deposit

圖7 超顯微狀鈾礦物賦存在黏土礦物、黃鐵礦及有機(jī)質(zhì)表面Fig.7 Ultromicro uranium minerals distributed on surface of clay minerals,pyrite and organic matter

通常認(rèn)為吸附態(tài)鈾呈離子（主要是UO22＋和絡(luò)離子）被吸附在礦物晶體表面、解理面與晶縫裂隙面上，或被巖石中的黏土礦物、有機(jī)質(zhì)（包括碳質(zhì)、瀝青質(zhì)）所吸附，或溶解在礦物的結(jié)晶水、液態(tài)包裹體和粒間溶液中。α 徑跡蝕刻結(jié)果顯示個(gè)別礦石（礦化）樣中鈾呈分散分布（圖8），但進(jìn)一步掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)礦石中存在分散分布的超顯微礦物相鈾。如果僅以分散分布的蝕刻徑跡來判定其反映吸附態(tài)鈾則證據(jù)不充分。閔茂中（2006）曾對(duì)我國(guó)西北砂巖型鈾礦鈾的賦存狀態(tài)進(jìn)行過研究，結(jié)果表明鈾并非主要以離子吸附態(tài)鈾存在［11］。離子吸附態(tài)鈾僅使砂巖中鈾含量略升高，起到預(yù)富集作用，極少達(dá)到成礦水平［12］。有學(xué)者對(duì)一些礦床鈾礦石進(jìn)行化學(xué)逐級(jí)提取，結(jié)果表明，離子吸附態(tài)鈾僅占3.2%［13］。

圖8 樣品薄片α 蝕刻徑跡Fig.8 α etching tracks of thin section of samples in Hadatu uranium deposit

通過以上研究不難發(fā)現(xiàn)，該礦床鈾與黏土礦物、黃鐵礦及有機(jī)質(zhì)緊密伴生，考慮到黏土礦物及有機(jī)質(zhì)具有較強(qiáng)的附性，認(rèn)為這些鈾礦物是吸附在黏土礦物、黃鐵礦及有機(jī)質(zhì)表面上的。

5 結(jié)論

哈達(dá)圖礦床礦石中鈾主要以鈾礦物形式存在，少量賦存在含鈾礦物中。鈾礦物主要呈粒徑極小的顯微狀（粒徑1～1.5 μm）、超顯微狀（粒徑＜1 μm）鈾礦物及其集合體形式吸附在黏土礦物、黃鐵礦及有機(jī)質(zhì)表面。部分鈾礦物因其微晶形態(tài)及化學(xué)成分被識(shí)別為瀝青鈾礦、鈾石及鈾的磷酸鹽，但仍有部分超顯微狀鈾礦物由于粒徑極小且相對(duì)分散分布而無法定名。含鈾礦物有含鈾稀土礦物、獨(dú)居石、鋯石、釷石等。