河北青龍鈾礦田鈾礦物特征

郭永強(qiáng)， 張振強(qiáng)， 張旭康， 達(dá)朝元

(1.核工業(yè)二四三大隊(duì)，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.核工業(yè)二四〇研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110032)

青龍鈾礦田呈近東西向展布，長(zhǎng)約30 km，寬約15 km，包括嶺頭(433)中型礦床和干溝(434)大型礦床。該礦田于1970年代被發(fā)現(xiàn)，至今已有多方面深入的研究。

前人對(duì)該礦田先后開(kāi)展了礦床成因、成礦模式和找礦方向研究，取得了一定的成果認(rèn)識(shí)(張景訓(xùn)，1992；范玉杰等，1997；彭志東等，2006；于寶山等，2007；商亞軍等，2010；李澤明等，2020)，分別提出了火山巖型、火山沉積-火山碎屑巖型和“沉積改造、同生沉積多階段改造成因”(1)核工業(yè)東北地勘局.1984.433鈾礦田成礦模式和地質(zhì)找礦判據(jù)研究(內(nèi)部報(bào)告).，指出找礦重點(diǎn)在基底和蓋層之間不整合面附近、斷裂構(gòu)造發(fā)育處和大青山火山機(jī)構(gòu)周邊。這些研究主要集中于礦田地質(zhì)特征、礦床成因、成礦模式和控礦因素研究，對(duì)于礦石礦物特征方面缺乏深入研究。筆者以巖礦測(cè)試為主要手段，輔以放射性照相、X射線(xiàn)粉晶分析、電子探針等方法，對(duì)青龍鈾礦田的鈾礦物鈾存在形式、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、化學(xué)成分等進(jìn)行研究，進(jìn)一步揭示了青龍鈾礦田成礦多期性和多階段成因特征。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

青龍鈾礦田位于華北地臺(tái)山海關(guān)古隆起與燕遼沉降帶的接壤部位，建昌盆地南部干溝地塹的南緣(圖1)，屬于華北陸塊北緣鈾成礦省青龍—興城鈾成礦帶(黃凈白等，2015)。

圖1 青龍鈾礦田區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of the Qinglong uranium orefield1.新生界砂礫巖夾粉砂巖；2.中生界火山熔巖夾火山碎屑巖；3.古生界—中元古界淺海碎屑巖及碳酸鹽巖；4.太古界中深變質(zhì)巖；5.燕山期—華力西期花崗巖；6.元古代—太古代混合花崗巖；7.主要斷裂帶F1密云-錦西深大斷裂，F(xiàn)2阜新-錦州大斷裂，F(xiàn)3北票-朝陽(yáng)大斷裂；8.鈾礦床

盆地的基底主要由太古宇混合巖、混合花崗巖、片麻巖及元古宇長(zhǎng)城系石英砂巖、片巖和灰?guī)r組成。蓋層為侏羅系陸相沉積碎屑巖、火山碎屑沉積巖、熔巖和火山碎屑巖建造(王正邦等，1997)。地層總體表現(xiàn)為一老一新的二元結(jié)構(gòu)特征。蓋層由老至新劃分為海房溝組(J2h)、蘭旗組(J2l)、土城子組(J2t)和義縣組(K1y)。

1.1 火山活動(dòng)

火山活動(dòng)主要為中生代，包括海房溝-蘭旗-土城子期火山噴發(fā)-沉積旋回期。

海房溝早期為一套以礫巖為主的沉積建造，晚期表現(xiàn)為裂隙式小規(guī)模中-中酸性火山活動(dòng)，為一套火山碎屑沉積巖。蘭旗期為強(qiáng)烈的中性火山活動(dòng)形成的火山碎屑巖和熔巖堆積。厚達(dá) 300～1 100 m。在蘭旗期大規(guī)?；鹕絿娨绾?，巖漿房頂蓋塌陷形成洼地，堆積形成一套巨厚的紫紅色砂礫巖建造。

1.2 構(gòu)造特征

褶皺構(gòu)造不發(fā)育，以單斜巖層為主。斷裂構(gòu)造發(fā)育，其總體格架受東西向和北東向深大斷裂的控制。按其主要展布方向可分為東西、北東和北西向三組：①F1東西向斷裂:規(guī)模最大，形成時(shí)間最早，多次活動(dòng)。既是火山斷陷盆地控盆構(gòu)造，又是礦田控礦構(gòu)造；②F2北東向斷裂：發(fā)育較好，主要分布于礦田的東側(cè)，形成時(shí)間較晚，規(guī)模較小。傾向北西，傾角 60°～85°；③F3北西向斷裂：為密集貫入脈巖束為特征，傾向南東，傾角80°，形成時(shí)代較晚，區(qū)域上與多金屬礦化密切相關(guān)。

1.3 侵入巖

以燕山期巖漿活動(dòng)為主，呈巖株和巖脈形式產(chǎn)出。早期以石蓋子紅色中細(xì)?；◢弾r體為主，呈南北向分布；中晚期為正長(zhǎng)斑巖、流紋斑巖、石英斑巖、閃長(zhǎng)巖、輝綠玢巖等。

2 鈾礦化特征

含鈾層位均屬于海房溝組，是一套正常碎屑沉積和火山碎屑沉積，按其巖性分為3個(gè)巖段：上部為安山質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、凝灰角礫巖；中部為凝灰質(zhì)砂巖及凝灰質(zhì)復(fù)成分礫巖；下部為花崗質(zhì)礫巖夾砂巖。各巖段均有工業(yè)礦體賦存。

礦體嚴(yán)格受層位(海房溝組)和巖性(淺色花崗質(zhì)礫巖、復(fù)成分礫巖、凝灰質(zhì)砂巖)控制。富大的工業(yè)礦體均賦存于含礦層的中部紫色花崗質(zhì)礫巖和淺色花崗質(zhì)礫巖交接部位的淺色礫巖一側(cè)。礦體中發(fā)育大量的黃鐵礦和有機(jī)質(zhì)。礦體形態(tài)主要為似層狀，扁豆?fàn)?，少?shù)為透鏡狀。礦體最大長(zhǎng)度為800 m，寬度450 m，厚度變化較大，從幾厘米到幾米不等，多數(shù)為1～8 m，最厚達(dá)21.95 m。品位變化較大，平均為0.166%，最富為3.046%。

3 樣品采集與分析

樣品采集于433、434兩個(gè)礦床鉆孔巖心(64、65、67、68、76、77勘探線(xiàn))。依據(jù)編錄儀器測(cè)量值分別取富礦、一般礦、貧礦礦心。巖性包括凝灰質(zhì)細(xì)礫巖、凝灰質(zhì)粗砂巖、凝灰?guī)r、花崗質(zhì)礫巖等。X 射線(xiàn)粉晶衍射(XRD)法測(cè)試和電子探針?lè)治鲇珊斯I(yè)北京地質(zhì)研究院完成。電滲析、放射性照相樣品由核工業(yè)東北分析測(cè)試中心完成。

3.1 X射線(xiàn)粉晶衍射(XRD)法

樣品研磨成粉末至 300 目，取1 g，將研磨好的樣品裝入鋁制樣品架內(nèi)，再將鋁制樣品架放入綜合型多功能水平高分辨 X 射線(xiàn)衍射儀(德國(guó)布魯克(BRUKER)公司，型號(hào)為D8 ADVANCE)樣品臺(tái)的插槽內(nèi)。在設(shè)定條件下(X射線(xiàn)管電壓40 kV，電流30 mA，陽(yáng)極靶材料Cu靶，Kα輻射)采集測(cè)試樣品的 X 射線(xiàn)粉晶衍射(XRD)圖譜。使用 PDXL2 全自動(dòng)分析軟件分析衍射圖譜，根據(jù)不同礦物不同衍射強(qiáng)度最終判定實(shí)驗(yàn)樣品的主要礦物組成(李楊，2018；張鳳英等，2018)。

3.2 電子探針成分分析

將樣品制成光薄片，利用偏光顯微鏡進(jìn)行觀(guān)察，圈定待分析部位后做噴碳處理，最后運(yùn)用電子探針進(jìn)行背散射觀(guān)察與微區(qū)化學(xué)成分測(cè)定(黃廣文等，2017)。所用儀器為JXA-8100M 型電子探針(日本株式會(huì)社生產(chǎn))和INCA Energy型能譜儀(日本株式會(huì)社生產(chǎn))，測(cè)試條件為:加速電壓 15.0 kV，探針電流 20.0 nA，束斑直徑 <2 μm，測(cè)試過(guò)程均嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 15617—2002進(jìn)行。

3.3 顯微放射性照相

將待研究的樣品磨制成光薄片，在暗室中制乳膠板，暗室中將制備好的乳膠板膠面與片子的光面合在一起，使其緊密接觸再用黑紙橫卷住中間部位，兩端裸露于外。然后將片子向著光源，開(kāi)燈曝光，并立即關(guān)閉，用夾子夾緊，置于暗箱中，進(jìn)行放射性照相感光反應(yīng)。照相感光結(jié)束后，將乳板從暗箱中取出進(jìn)行沖洗處理。

4 鈾礦物特征

4.1 鈾的存在形式

鈾礦石多呈黑色、灰黑色、褐灰色、淺紅色。一般肉眼難以見(jiàn)到鈾礦物，僅在局部地段的鈾礦石中見(jiàn)到少量瀝青鈾礦以微細(xì)脈存在于巖石膠結(jié)物中。

通過(guò)光片和光薄片鏡下觀(guān)察，結(jié)合放射性照相、顯微放射性照相及電滲析，紅外光譜、X射線(xiàn)粉晶衍射分析，鈾浸出率等方面測(cè)定結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鈾以三種形式存在:吸附狀態(tài)、單鈾礦物及鈾酰腐殖酸鹽化合物。

(1)吸附狀態(tài)。為鈾的主要存在形式。α痕跡呈現(xiàn)短線(xiàn)分散狀(圖2a)、稀疏團(tuán)狀、似條帶狀及其他不規(guī)則狀。這些α痕跡的分布位置多與含礦巖石膠結(jié)物中的微粒狀黃鐵礦、分散碎片狀有機(jī)質(zhì)、褐鐵礦及黏土礦物產(chǎn)出位置相吻合。放射性照相的感光形態(tài)為點(diǎn)狀、膠結(jié)狀、團(tuán)塊狀和似條帶狀(圖2b，c)。所有這些感光部位在鏡下很難觀(guān)察到鈾礦物，說(shuō)明鈾是以吸附狀態(tài)存在于巖石的膠結(jié)物中。

圖2 鈾礦物存在形式及結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征Fig.2 Features of existence form and structure of uranium mineralsa.巖石膠結(jié)物中的濃密α徑跡呈膠結(jié)狀(放射性感光，256×)；b.團(tuán)塊狀、星點(diǎn)狀(光片，放射性感光)；c.似條帶狀(光片)；d.密集的α徑跡呈似條帶狀(放射性感光，80×)；e.密集的α徑跡呈放射球狀(放射性感光，200×)；f.鈾礦物似脈狀分布于有機(jī)質(zhì)邊緣(光片，放射性感光)；g.顯微粒狀瀝青鈾礦集合體(灰白)沿礦物粒間膠結(jié)物分布，斷續(xù)呈脈狀(反光，400×)；h.顯微粒狀瀝青鈾礦(黑色)分布于淺色花崗質(zhì)礫巖膠結(jié)物中(單偏光，400×)；i.分布于巖石膠結(jié)物中的顯微粒狀瀝青鈾礦(灰白色)集合體形態(tài)(反光，400×)；j.交代有機(jī)質(zhì)碎片(1.發(fā)絲狀瀝青鈾礦；2.發(fā)絲狀黃鐵礦)(反光，400×)；k.瀝青鈾礦(灰白色)充填于微粒狀碳酸鹽中呈環(huán)狀構(gòu)造，環(huán)內(nèi)為碳酸鹽(反光，400×)；l.分布于巖石膠結(jié)物中的魚(yú)子狀、顯微粒狀瀝青鈾礦(反光，400×)；m.瀝青鈾礦(黑色)交代碎片狀有機(jī)質(zhì)炭化質(zhì)細(xì)胞壁(單偏光，200×)；n.瀝青鈾礦呈細(xì)脈狀(1.瀝青鈾礦；2.有機(jī)質(zhì))(反光，400×)；o.砂巖中瀝青鈾礦細(xì)脈的α痕跡(單偏光，400×)

鈾礦石及黏土礦物的電滲析分析結(jié)果(表1，2)顯示，礦石和黏土中的電滲率均很高，最高可達(dá)67.74%，最低為6.69%。如果以20%為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分其存在形式，則本區(qū)絕大多數(shù)黏土中的鈾都呈吸附狀態(tài)存在。

表1 青龍礦田鈾礦石電滲分析結(jié)果表Table 1 Electrodialysis results of uranium ore in Qinglong ore field

表2 鈾礦田黏土礦物電滲率結(jié)果表Table 2 Electrodialysis results of clay minerals in uranium ore field /%

(2)呈單礦物形式存在。較少見(jiàn)，只占次要地位。主要鈾礦物為瀝青鈾礦，見(jiàn)有極少量的氧化瀝青鈾礦和晶質(zhì)鈾礦。

在顯微放射性照相α痕跡呈密集部位(圖2d，e)，顯微鏡下能夠觀(guān)察到瀝青鈾礦。經(jīng)X射線(xiàn)粉晶分析和紅外光譜分析(表3，圖3)，其與瀝青鈾礦標(biāo)準(zhǔn)值相似或接近，也證實(shí)為瀝青鈾礦。這些鈾礦物多與有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦、黏土礦物共生，很少單獨(dú)出現(xiàn)，呈似脈狀的瀝青鈾礦多分布于有機(jī)質(zhì)的邊緣或膠結(jié)物中(圖2f，g)。

表3 瀝青鈾礦X射線(xiàn)粉晶分析結(jié)果表Table 3 Analysis results of X-raypower diffractometry of pitchblende

圖3 瀝青鈾礦紅外光譜曲線(xiàn)Fig.3 Infrared spectrum curve of pitchblende

(3) 鈾酰腐殖酸鹽化合物形式。根據(jù)不同介質(zhì)條件的鈾浸出試驗(yàn)(表4)，測(cè)得在堿性介質(zhì)中鈾的浸出率要比在酸性介質(zhì)中高2～30倍。推測(cè)在團(tuán)塊狀有機(jī)質(zhì)中可能有鈾酰腐殖酸鹽化合物的存在，同時(shí)也說(shuō)明以瀝青鈾礦單礦物形式存在的鈾是極少量的。

表4 浸出率結(jié)果表Table 4 Leachingrate results

4.2 形態(tài)與結(jié)構(gòu)構(gòu)造

鈾礦物主要為瀝青鈾礦，其特征如表5所示，形態(tài)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜。瀝青鈾礦在結(jié)構(gòu)上有超顯微粒級(jí)、顯微粒級(jí)和似細(xì)脈狀三種形態(tài)。

表5 瀝青鈾礦特征表Table 5 Characteristics of pitchblende

4.2.1 超顯微粒狀結(jié)構(gòu)

放射性照相及顯微放射性照相感光結(jié)果表明，感光為放射狀，α痕跡為點(diǎn)同心放射狀，在鏡下觀(guān)察不到鈾礦物，但在形態(tài)上顯然是單鈾礦物引起的，這種痕跡多分布在有機(jī)質(zhì)或者顯微粒狀黃鐵礦部位，與膠結(jié)物相吻合。

4.2.2 顯微粒狀結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形態(tài)多變。粒度一般為0.02～0.05 mm，最小為0.001 mm，其形態(tài)呈微粒狀集合體分布于巖石膠結(jié)物中(圖2h，i)。常與分散狀、碎片狀有機(jī)質(zhì)和魚(yú)子狀、顯微粒狀、莓粒狀、環(huán)狀黃鐵礦及黏土礦物的分布密切相關(guān)，具體有4種顯微粒狀結(jié)構(gòu)：

(1)發(fā)絲狀、馬尾絲狀結(jié)構(gòu)。這種形態(tài)的瀝青鈾礦常分布于有機(jī)質(zhì)條帶內(nèi)(圖2j)，是鈾交代有機(jī)質(zhì)而呈一種交代植物組織結(jié)構(gòu)的結(jié)果。

(2)環(huán)狀結(jié)構(gòu)。瀝青鈾礦呈橢圓狀，環(huán)內(nèi)為有機(jī)質(zhì)或碳酸鹽(圖2k)，這是交代有機(jī)質(zhì)組成的細(xì)胞壁而成，同時(shí)反映了與碳酸鹽有成因的聯(lián)系。

(3)魚(yú)子狀結(jié)構(gòu)。這種形態(tài)的鈾礦物顆粒極為細(xì)小，多在0.001 mm以下，常在巖石膠結(jié)物中成集合體狀。與有機(jī)質(zhì)密切相關(guān)(圖2l)，有時(shí)分布在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部。

(4)植物組織結(jié)構(gòu)。鈾礦物交代植物殘骸而形成的一種植物組織結(jié)構(gòu)(張成江等，2007)。鈾沿有機(jī)質(zhì)邊緣或在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部交代植物組織細(xì)胞胞腔(圖2m)。這種結(jié)構(gòu)在礦田內(nèi)較為常見(jiàn)。

(5)膠狀結(jié)構(gòu)。瀝青鈾礦交代有機(jī)質(zhì)碎塊而形成的一種膠狀結(jié)構(gòu)，與460鈾礦床相似(孟艷寧等，2015)。

4.2.3 似細(xì)脈狀結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)較為少見(jiàn)，多與有機(jī)質(zhì)條帶密切相關(guān)。常分布在有機(jī)質(zhì)條帶的兩側(cè)和內(nèi)部，或充填于有機(jī)質(zhì)的裂隙中，或在巖石中沿裂隙分布，與巴什布拉克和巴彥烏拉礦床鈾礦相似(黃凈白等，2015；李盛富等，2004，2015；邢擁國(guó)等，2017)。鈾礦脈的長(zhǎng)度和寬度都很小，最寬約0.5 mm(圖2n，o)。

4.3 瀝青鈾礦化學(xué)成分及微量元素特征

礦田中瀝青鈾礦富集Th(平均0.09%)、TREE(平均0.79%)，其他化學(xué)成分含量在不同礦床中相差明顯(表6)，如433礦床H2O含量(平均10.60%)約是434礦床(3.59%)的3倍；SiO2含量(平均16.73%)約是434礦床(2.80%)的6倍；Pb(平均0.54%)是434礦床(1.10%)的二分之一。這些特點(diǎn)反映出兩個(gè)礦床瀝青鈾礦成分有明顯差別，存在不同鈾成礦作用(羅朝文等，1990)。

表6 瀝青鈾礦全分析結(jié)果表Table 6 Total analysis results of pitchblende /%

對(duì)瀝青鈾礦進(jìn)行了電子探針?lè)治?表7)，結(jié)果表明，瀝青鈾礦成分單一，鈾含量均較高(平均65.40%)，很可能是含有機(jī)質(zhì)的緣故。433礦床瀝青鈾礦中Pb含量(平均1.53%)約是434礦床(平均0.68%)的3倍，說(shuō)明鈾礦的形成是多階段的(王劍鋒，1998)。

表7 瀝青鈾礦電子探針測(cè)定表Table 7 Electron probe measuring results of pitchblende /%

5 結(jié)論

(1)青龍鈾礦田中鈾以吸附狀態(tài)、單鈾礦物及鈾酰腐殖酸鹽化合物等多種形式存在。主要有超顯微粒狀、顯微粒狀和似細(xì)脈狀三種形態(tài)。

(2)青龍鈾礦田瀝青鈾礦富集Th、TREE，其他化學(xué)成分含量在不同礦床中相差明顯，反映青龍鈾礦田成礦具有多期性。

(3)鈾礦物的電子探針?lè)治鼋Y(jié)果顯示成分單一，鈾含量均較高，但兩個(gè)礦床Pb含量相差很大，反映該礦田存在多物源、多成礦作用。