二連盆地哈達(dá)圖鈾礦床黏土礦物特征及其與鈾成礦關(guān)系研究

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）

可地浸砂巖型鈾礦因其儲(chǔ)量巨大、易于開(kāi)采且相對(duì)環(huán)保等特點(diǎn)已成為我國(guó)及世界主要鈾礦找礦類型及研究重點(diǎn)［1-2］。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)。黏土礦物是大多數(shù)陸相和海相沉積物的重要組成部分，對(duì)地質(zhì)環(huán)境變化特別敏感，其形成受到沉積環(huán)境、沉積物源、古氣候、成巖作用、構(gòu)造背景和成礦作用等控制［3-4］。通過(guò)研究黏土礦物及其組合可以揭示上述控制因素［5］。研究人員也早已意識(shí)到黏土礦物在砂巖型鈾礦成礦過(guò)程中可能扮演重要作用，通過(guò)對(duì)黏土礦物的種類、形態(tài)、空間分布特征、地球化學(xué)特征、成因及其地質(zhì)意義開(kāi)展研究，幫助查明成礦環(huán)境及成礦作用等，再現(xiàn)成礦過(guò)程［6-11］。

哈達(dá)圖鈾礦床為近年來(lái)核工業(yè)二〇八大隊(duì)發(fā)現(xiàn)的大型砂巖鈾礦床，該礦床勘探成果突出但成礦環(huán)境及成礦機(jī)理有待進(jìn)一步查明，因此希望通過(guò)研究該礦床黏土礦物特征來(lái)了解成礦信息。前人曾對(duì)該礦床黏土礦物特征進(jìn)行過(guò)研究，通過(guò)掃描電鏡觀察了部分黏土礦物特征，但并未開(kāi)展X 射線衍射工作［12］。筆者以哈達(dá)圖礦床賽漢組上段氧化還原帶巖石為研究對(duì)象，通過(guò)薄片鑒定、掃描電鏡（SEM）、X 射線衍射（XRD）等手段，分析其黏土礦物特征，探討其成因、地質(zhì)意義及與鈾礦化關(guān)系。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

二連盆地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，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(lái)的大型中、新生代斷陷-坳陷型疊合沉積盆地［13］，面積約11 萬(wàn)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)重要的煤、石油、鈾及多金屬礦產(chǎn)地。盆地由5 個(gè)坳陷一個(gè)隆起共6 個(gè)構(gòu)造單元組成，分別是馬尼特坳陷、烏蘭察布坳陷、川井坳陷、騰格爾坳陷、烏尼特坳陷及中央的蘇尼特隆起，哈達(dá)圖鈾礦床位于盆地中西部的烏蘭察布坳陷中東部（圖1）。礦區(qū)內(nèi)鉆孔揭露地層自下而上分別為下白堊統(tǒng)騰格爾組（K1t）、下白堊統(tǒng)賽漢組（K1s）、上白堊統(tǒng)二連組（K2e）和古近系伊爾丁曼哈組（E2y）（圖2）。含礦目的層為賽漢組上段，其下為賽漢組下段泥巖，上為賽漢組頂部紅色泥巖。將賽漢組上段分為3 個(gè)亞層，自下而上分別第一亞層、第二亞層及第三亞層（K1s2-1、K1s2-2、K1s2-3），每個(gè)亞層與1 期河道發(fā)育相對(duì)應(yīng)［14］。砂體厚度大，呈多旋回的下粗上細(xì)韻律，為典型的辮狀河沉積體系。巖性為黃色、淺黃色、淺灰白色、灰色、黑灰色砂巖、含礫砂巖、砂質(zhì)礫巖，夾薄層泥巖，局部含植物碳屑和細(xì)晶黃鐵礦。主要為長(zhǎng)石砂巖及巖屑長(zhǎng)石砂巖。巖石固結(jié)松散，孔隙式及基底式膠結(jié)，膠結(jié)物主要為黏土，其次為黃鐵礦、褐鐵礦、針鐵礦，磨圓度為次棱角狀。

2 樣品與分析方法

圖1 二連盆地構(gòu)造分區(qū)略圖（據(jù)游偉華，2015［15］修改）Fig.1 Sketch map of structure division in Erlian Basin 1—研究區(qū)；2—坳陷邊界；3—城鎮(zhèn)。

圖2 二連盆地哈達(dá)圖地區(qū)地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Hadatu area in Erlian Basin

全部16 件樣品采自哈達(dá)圖礦床賽漢組上段的氧化還原帶中，采樣位置包括強(qiáng)氧化帶、弱氧化帶、過(guò)渡帶及還原帶。SEM、XRD 及pH 值測(cè)定均在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試中心完成。制作長(zhǎng)約1 cm 的立方塊樣品鍍碳以進(jìn)行SEM 分析，所用儀器為FEI Nova Nano SEM450 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，電壓20 keV，束斑直徑小于1 μm。XRD 所用儀器為PanalyticalX′Pert PRO MPD，檢測(cè)方法執(zhí)行SY/T 5163—1995、SY/T 6201—1996行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分析條件為：電壓40 keV，電流40 mA，X 射線靶為Cu 靶，測(cè)量角度范圍為3°～30°。pH 測(cè)定采用ISO10390：2005（E）《土壤質(zhì)量pH值得測(cè)定》（英文版）國(guó)內(nèi)修改版中的測(cè)試流程。

3 黏土礦物特征及成因探討

3.1 黏土礦物特征

薄片鑒定和SEM、XRD 結(jié)果表明，樣品中填隙物含量為5%～21%，黏土礦物含量為3.0%～17.4%。黏土礦物組合主要為伊/蒙混層和伊利石，兩者占黏土礦物總量94%，其中伊/蒙混層含量為31%～79%，平均61%，伊利石含量為17%～62%，平均34%。含少量高嶺石（小于13%，平均3%）及綠泥石（小于9%，平均3%），未發(fā)現(xiàn)蒙皂石（表1）。

3.1.1 各類型黏土礦物主要特征

伊/蒙混層：伊利石和蒙皂石兩個(gè)端元組分之間的礦物，是由伊利石晶層和蒙皂石晶層沿C 軸或者（001）方向無(wú)規(guī)則相互交替構(gòu)成的層狀硅酸鹽礦物［16］。按其成因分為成巖型、風(fēng)化型、火山熱液型；按其晶體化學(xué)性質(zhì)分為完全無(wú)序型、部分有序型及準(zhǔn)晶態(tài)型［17］。當(dāng)伊/蒙混層的混層比（蒙皂石晶層所占百分比）大于40%時(shí)為完全無(wú)序伊/蒙混層；混層比在15%～40%之間時(shí)為部分有序型伊/蒙混層［16-17］。每一種礦物的晶體都有特具體特定的X 射線衍射圖譜。根據(jù)中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《SY/T 5163—2010 沉積巖中黏土和常見(jiàn)非黏土礦物X 射線衍射分析方法》，伊利石/蒙皂石無(wú)序?qū)娱g礦物有以下3 個(gè)識(shí)別標(biāo)志，且必須同時(shí)存在：1）在自然片圖譜上，在1.0～1.5 nm 范圍內(nèi)有衍射峰；2）在乙二醇飽和片圖譜上，上述自然片中衍射峰向低角度一側(cè)移動(dòng)至1.7 nm 處，但圖譜中不存在與該峰成整數(shù)關(guān)系的一組系列峰；3）在高溫片（450～550 ℃）圖譜上乙二醇飽和片中的衍射峰向高角度一側(cè)移動(dòng)至1.0 nm 處。以HD14 樣品為例，其XRD 圖譜（圖3）特征為：1）自然片上出現(xiàn)1.5 nm 的特征衍射峰；2）乙二醇飽和片上只出現(xiàn)1.7 nm 且峰形寬化嚴(yán)重，沒(méi)有出現(xiàn)與之成系列的衍射峰；3）乙二醇飽和片上出現(xiàn)的1.7 nm 衍射峰在高溫片上移至1.0 nm 衍射峰處。

表1 黏土礦物X 射線衍射定量分析結(jié)果表Table 1 XRD quantitative analysis result of clay minerals

圖3 樣品黏土礦物XRD 圖譜Fig.3 XRD spectra of clay minerals

伊/蒙混層：掃描電鏡下呈蜂窩狀、半蜂窩狀、棉絮狀、彎曲帶狀等賦存在長(zhǎng)石等碎屑顆粒表面或粒間（圖4a）。伊/蒙混層元素含量主要為Si、Al，含少量K 和Fe（圖4b）。

伊利石：掃描電鏡下可見(jiàn)填隙物中呈不規(guī)則疊片狀伊利石（圖4c、d）以及呈絲縷狀發(fā)育在伊/蒙混層黏土礦物邊緣的伊利石（圖4e）。

高嶺石：?jiǎn)尉С始倭狡瑺?、假六方板狀，集合體主要呈疊片狀分布在孔隙中（圖4a）。

綠泥石：綠泥石含量較少，掃描電鏡下未觀察到綠泥石。

3.1.2 氧化還原帶各分帶黏土礦物特征

圖4 黏土礦物掃描電鏡及能譜圖Fig.4 SEM and EDS photos of clay minerals in Hadatu uranium deposit

通過(guò)對(duì)比分析同等粒級(jí)砂巖及砂礫巖的黏土總量以及各分帶平均黏土總量，認(rèn)為各分帶黏土總量順序?yàn)檫^(guò)渡帶最高（平均為11.5%），還原帶（平均為7.6%）及弱氧化帶（平均為8.5%）略低，強(qiáng)氧化帶最低（平均為5.6%）。掃描電鏡下觀察到過(guò)渡帶樣品中碎屑顆粒表面及孔隙中黏土礦物含量明顯較其它分帶的樣品更高。該規(guī)律與同為二連盆地古河道砂巖型鈾礦的巴彥烏拉礦床及賽漢高畢礦床氧化還原帶黏土總量變化規(guī)律一致［18］。強(qiáng)氧化帶黏土總量較低導(dǎo)致其滲透性相對(duì)較高是其更易被氧化的一個(gè)重要原因。

伊/蒙混層占比在強(qiáng)氧化帶、過(guò)渡帶及還原帶中較接近（61%～62%），在弱氧化帶中最低（56%）；伊利石在強(qiáng)氧化帶、過(guò)渡帶及還原帶中占比較接近（31%～33%），在弱氧化帶中最高（39%）；高嶺石含量較少，強(qiáng)氧化帶中高嶺石占比小于13%，平均為7%，弱氧化帶中為4%，過(guò)渡帶未檢測(cè)出高嶺石，還原帶高嶺石含量平均為2%，呈現(xiàn)從強(qiáng)氧化帶至過(guò)渡帶減少趨勢(shì)；強(qiáng)氧化帶及弱氧化帶中幾乎不含綠泥石，還原帶中含少量綠泥石（4%），過(guò)渡帶中綠泥石含量相對(duì)最高（6%）。

3.2 黏土礦物成因

伊/蒙混層的形成與富鉀礦物的分解有關(guān)，對(duì)于伊/蒙混層的形成過(guò)程認(rèn)識(shí)比較一致［19-20］，是一個(gè)加鉀和鋁、去硅脫水的過(guò)程，K＋和Al3＋進(jìn)入蒙皂石中，F(xiàn)e3＋、Mg2＋以及Si4＋的代出造成伊/蒙混層的形成。溫度和K＋濃度是控制蒙皂石的伊利石轉(zhuǎn)化速率的主要因素，當(dāng)溫度因素不明顯時(shí)，孔隙流體的化學(xué)成分尤其是K＋含量則成為主要因素［21］。本次研究在掃描電鏡下觀察到伊/蒙混層黏土邊緣生成絲縷狀伊利石，且伊/蒙混層含量和伊利石含量有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2為0.928（圖5）。巖礦鑒定結(jié)果表明本地區(qū)砂巖主要為長(zhǎng)石砂巖及長(zhǎng)石巖屑砂巖，并且其中含有較多鉀長(zhǎng)石，掃描電鏡下也可觀察到鉀長(zhǎng)石表面坑洞部位產(chǎn)生伊蒙混層（圖4f），因此認(rèn)為該地區(qū)伊/蒙混層是富含鉀長(zhǎng)石的砂體在成巖過(guò)程中產(chǎn)生大量K＋的情況下由蒙皂石轉(zhuǎn)化而來(lái)，同時(shí)孔隙介質(zhì)為富鉀的堿性環(huán)境也將有利于自生伊利石的形成。高嶺石一般是在酸性流體作用下形成，在酸性條件下較為穩(wěn)定［22］，在堿性環(huán)境下會(huì)轉(zhuǎn)化成伊利石［23］，可見(jiàn)到在原生高嶺石上長(zhǎng)出不規(guī)則彎曲葉片狀的伊利石雛晶［24］。哈達(dá)圖礦床含礦層砂巖中也出現(xiàn)了高嶺石邊緣生成伊利石的現(xiàn)象［12］。當(dāng)孔隙流體呈堿性時(shí)，砂巖中鉀長(zhǎng)石與高嶺石反應(yīng)生成伊利石的過(guò)程為一個(gè)負(fù)熵反應(yīng)（1），一旦啟動(dòng)將自發(fā)進(jìn)行［23］。

圖5 樣品伊/蒙混層與伊利石含量關(guān)系圖Fig.5 Content Relationship between illite-smectite mixture and illite

此次樣品的pH 值分析結(jié)果（表1）表明，強(qiáng)氧化帶、弱氧化帶、還原帶目前均處于堿性、弱堿性環(huán)境。因此，該礦床高嶺石含量較少的原因可能是部分高嶺石轉(zhuǎn)化為伊利石。賽漢組上段遭受抬升剝蝕后受潛水或?qū)娱g氧化作用滲入的含氧水與原生灰色砂巖反應(yīng)產(chǎn)生酸性流體作用下在強(qiáng)氧化帶和弱氧化帶中產(chǎn)生一定量的高嶺石，后期孔隙水變?yōu)閴A性情況下，部分高嶺石轉(zhuǎn)化為伊利石。而過(guò)渡帶綠泥石含量相對(duì)較高可能是因?yàn)镕e2＋在還原環(huán)境中與高嶺石反應(yīng)形成綠泥石。

4 與鈾成礦關(guān)系探討

不少學(xué)者對(duì)黏土礦物吸附鈾進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，黏土礦物因其較大的比表面積而對(duì)鈾具有吸附作用，且不同類型的黏土礦物吸附能力不同，表現(xiàn)為蒙皂石＞伊利石＞綠泥石＞高嶺石［25-27］，變化趨勢(shì)與其本身的比表面積大小相關(guān)，也與其可交換陽(yáng)離子能力的變化趨勢(shì)一致［28］，伊/蒙混層黏土的比表面積則介于蒙皂石與伊利石之間，有較強(qiáng)的吸附能力。但這類吸附實(shí)驗(yàn)全部是針對(duì)黏土礦物對(duì)于鈾酰離子的吸附能力，而且我國(guó)西北砂巖型鈾礦鈾的賦存狀態(tài)并非主要以離子吸附態(tài)鈾存在［29］，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。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%［30］。哈達(dá)圖礦床鈾主要以超顯微、顯微狀鈾礦物賦存在碎屑顆粒表面生成的黏土礦物表面及填隙物中黏土礦物表面（圖4f），考慮到黏土礦物的吸附性以及鈾礦物與黏土礦物緊密的伴生關(guān)系，認(rèn)為這些鈾礦物是吸附于黏土礦物表面的。而這些鈾礦物的形成機(jī)理可能是由于被黏土礦物吸附的鈾酰離子在還原環(huán)境中被還原成U4＋，并形成結(jié)晶度極差的氧化物核，它進(jìn)一步吸附鈾酰離子，形成UO2和的混合聚集物，隨著持續(xù)的還原，鈾礦的結(jié)晶程度也隨之增高，粒度變大［31］。

5 結(jié)論

1）哈達(dá)圖地區(qū)賽漢組上段黏土礦物組合為主要為伊/蒙混層和伊利石，兩者之和占黏土礦物總量94%，其中伊/蒙混層含量為31%～78%，平均為61%，伊利石含量為18%～62%，平均為34%。含少量高嶺石（平均為3%）及綠泥石（平均為3%），未發(fā)現(xiàn)蒙皂石。

2）伊/蒙混層主要是成巖期形成的完全無(wú)序型伊/蒙混層，是在富含鉀長(zhǎng)石的砂體在堿性環(huán)境下由蒙皂石轉(zhuǎn)化而來(lái)；高嶺石是在成礦期遭受氧化水滲入情況下生成的，部分高嶺石在后期堿性環(huán)境下轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾?；綠泥石可能是還原環(huán)境中Fe2＋與高嶺石反應(yīng)生成的。

3）過(guò)渡帶黏土總量相對(duì)最高，弱氧化帶及還原帶黏土總量略低，強(qiáng)氧化帶黏土總量最低，這是導(dǎo)致強(qiáng)氧化帶滲透性相對(duì)較高，更易被氧化，過(guò)渡帶滲透性相對(duì)較差，進(jìn)而成礦的一個(gè)重要原因。

4）黏土礦物對(duì)于鈾的富集起吸附作用，黏土礦物表面吸附有大量的超顯微、顯微狀鈾礦物。