鄂爾多斯盆地西南部彭陽(yáng)鈾礦床下白堊統(tǒng)洛河組鈾的賦存狀態(tài)初探

趙華雷，臧永亮，李建國(guó)，張 博，陳路路,5,6，苗培森，劉曉杰

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局鈾礦地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300170；3.中國(guó)石油華北油田公司，任丘 062552；4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局自然資源實(shí)物地質(zhì)資料中心，北京 100192；5.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013；6.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

鈾的賦存狀態(tài)研究是鈾沉淀富集規(guī)律和礦床成因研究的基礎(chǔ)，且對(duì)鈾礦床選冶方法的選擇有重要的指示作用，因此是鈾礦理論研究和采礦應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)[1-2]。鈾的賦存狀態(tài)大致分為兩種，一種是鈾礦物態(tài)，一種是吸附態(tài)，通常可以采用α徑跡蝕刻和逐級(jí)化學(xué)提取實(shí)驗(yàn)這兩種方法從定性-定量角度區(qū)分這兩種賦存狀態(tài)。而鈾礦物態(tài)的研究屬礦物學(xué)研究范疇，方法主要有高分辨率掃描電鏡和電子探針等[3-4]。目前鄂爾多斯盆地東北部地區(qū)鈾礦床賦存狀態(tài)方面的研究成果較為豐富，鈾礦物大多為鈾石和水硅鈾礦，瀝青鈾礦較少[5-6]，且主要分布于砂巖的碎屑顆粒邊緣、裂隙及其膠結(jié)物中[1,7-9]。寸小妮等[10]對(duì)大營(yíng)鈾礦鈾的賦存狀態(tài)研究發(fā)現(xiàn)，礦石中的鈾主要以鈾礦物和吸附鈾兩種形式存在，兩種占比大體相當(dāng)。秦艷等[11]對(duì)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段的研究表明，該富鈾烴源巖中的鈾主要賦存于膠磷礦中，少量以吸附形式賦存于有機(jī)質(zhì)中。張?chǎng)蔚萚12]對(duì)伊犁盆地蒙其古爾鈾礦床的研究顯示，鈾主要賦存在石英或長(zhǎng)石的邊緣，且與黃鐵礦、有機(jī)質(zhì)等關(guān)系密切。

近年來(lái)由天津地質(zhì)調(diào)查中心牽頭實(shí)施的北方砂巖型鈾礦調(diào)查工程，是在“煤鈾兼探”和“油鈾兼探”思路的基礎(chǔ)上，針對(duì)煤田、油田鉆孔資料和測(cè)井資料進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)利用，開(kāi)展砂巖型鈾礦調(diào)查，目前已成為砂巖型鈾礦調(diào)查領(lǐng)域的重要勘查方向之一[13-15]。彭陽(yáng)鈾礦床是近期在鄂爾多斯盆地西南部新發(fā)現(xiàn)的鈾礦床，也是我國(guó)在風(fēng)成沉積中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)大型砂巖型鈾礦[16]。由于發(fā)現(xiàn)較晚，礦床的成礦特征及成礦作用尚未有深入研究，如礦床鈾礦物特征及賦存狀態(tài)方面研究較為缺乏。本文在野外地質(zhì)調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展彭陽(yáng)鈾礦區(qū)洛河組中鈾的賦存狀態(tài)初步研究，為鈾沉淀富集規(guī)律研究和地浸采礦應(yīng)用提供基礎(chǔ)資料。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是在華北克拉通內(nèi)大型石炭-二疊紀(jì)盆地之上疊加了中生代盆地的多重疊合盆地[17-18]，是我國(guó)北方重要的煤、油氣、鈾等多種能源礦產(chǎn)共存的盆地之一，其東西南北的外圍分別被呂梁山、賀蘭山-六盤(pán)山、秦嶺和大青山所環(huán)繞。盆地內(nèi)的構(gòu)造單元總體上可劃分為伊盟隆起、伊陜斜坡、天環(huán)坳陷、西緣逆沖帶、晉西撓褶帶和渭北隆起。盆地有侏羅系、石炭系、二疊系等多套含煤層系，煤炭資源十分豐富。主要含油層系為三疊系延長(zhǎng)組和侏羅系，天然氣則絕大部分為古生界氣藏，少數(shù)為三疊系油頂氣藏，油氣分布整體具有“上油下氣、南油北氣”的特點(diǎn)[17]。

彭陽(yáng)鈾礦床位于鄂爾多斯盆地西南部彭陽(yáng)-涇川地區(qū)，大地構(gòu)造位置上位于天環(huán)坳陷南端（圖1），西鄰西緣逆沖帶，構(gòu)造條件十分有利，礦區(qū)坐落于我國(guó)第一大油氣田-長(zhǎng)慶油田的邊緣。區(qū)域上的中新生界蓋層主要有上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組、下侏羅統(tǒng)延安組、中侏羅統(tǒng)直羅組和安定組、下白堊統(tǒng)志丹群、新近系甘河溝組及第四系。其中下白堊統(tǒng)志丹群為主要的含鈾巖系，自下而上又可劃為宜君組、洛河組、環(huán)河華池組、羅漢洞組和涇川組。

圖1 鄂爾多斯盆地彭陽(yáng)鈾礦床大地構(gòu)造位置（a）及地質(zhì)簡(jiǎn)圖（b）（據(jù)文獻(xiàn)[19]修改）Fig.1 Tectonic location(a)and geological diagram(b)of the Pengyang uranium deposit in Ordos Basin（modified by literature[19]）

礦區(qū)內(nèi)下白堊統(tǒng)地層一般呈單斜產(chǎn)出，傾角較緩。區(qū)域上斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，以北西向、近南北向斷裂構(gòu)造為主。鈾礦體主要賦存于下白堊統(tǒng)洛河組中，賦礦巖石以砂巖為主，在靠近盆地邊緣的洛河組礫巖中也發(fā)育有少量礦體。礦體在洛河組的頂、底和中部均有產(chǎn)出，鉆孔中常見(jiàn)1～3層礦化[16]，單層礦化厚度最大可至50 m。

2 洛河組特征

鄂爾多斯盆地南部洛河組分布較為廣泛，西部埋藏較深，在彬縣-甘泉地區(qū)可見(jiàn)地層露頭。其沉積相以沙漠相為主[20-23]，在接近盆地邊緣地區(qū)則發(fā)育有沖積扇及河流相沉積。區(qū)域上洛河組巖性主要由一套巨厚的砂巖、厚度變化較大的礫巖和少量泥巖組成，砂巖露頭上常見(jiàn)大型高角度（層理角度通?？蛇_(dá)27°～33°）板狀交錯(cuò)層理、楔狀交錯(cuò)層理或槽狀交錯(cuò)層理等（圖2）。

圖2 鄂爾多斯盆地南部洛河組露頭照片F(xiàn)ig.2 Outcrop photos of Luohe Formation in southern Ordos Basin

鄂爾多斯盆地西南部彭陽(yáng)-涇川地區(qū)的洛河組厚度通常在200～400 m，上部為紅色砂巖、礫巖和含礫砂巖，中部為淺黃色中細(xì)砂巖夾淺紅色細(xì)砂巖，下部為灰色和淺綠灰色中細(xì)砂巖。西部為一套近源洪沖積扇沉積，地層厚度變化大，近距離內(nèi)厚度即能發(fā)生急劇變化，具有明顯的沖洪積物的特征。中東部地區(qū)以風(fēng)成沉積為主，巖性主要為紅色、淺紅色、淺黃色、灰色中細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石砂巖（圖3），偶夾薄層泥巖及含礫砂巖，與西部的沖洪積礫巖多呈“指狀交互”。該層在研究區(qū)分布較為穩(wěn)定，總體沉積環(huán)境為風(fēng)成沙漠相，另有少量洪沖積扇相和河流相，沉積期氣候較為炎熱干旱?？傮w上，含礦目的層洛河組砂巖十分發(fā)育，顆粒磨圓度和分選性好，以顆粒支撐為主，孔隙度較大，巖石結(jié)構(gòu)疏松，滲透性良好。礦區(qū)范圍內(nèi)洛河組（K1l）并無(wú)露頭，僅在鉆孔中可見(jiàn)。鈾礦體多位于洛河組中下部的灰色中細(xì)砂巖中，局部可見(jiàn)明顯的油跡[24]。砂巖中可見(jiàn)沿裂隙切層或順層發(fā)育的還原性流體蝕變現(xiàn)象，具有明顯的蝕變分帶，從中心向外圍依次為綠灰色-黃色/淺紅色-紅色砂巖[16]。

圖3 研究區(qū)洛河組巖石顯微鏡下（正交偏光）照片F(xiàn)ig.3 Microscopic(orthogonally-polarized)photos of rocks from Luohe Formation in the study area

3 樣品分析方法

本次研究的鈾礦石樣品主要采自于彭陽(yáng)鈾礦區(qū)的6個(gè)鉆井，共計(jì)采集下白堊統(tǒng)洛河組砂礫巖樣品30余件，其中高品位的礦石樣品大多從礦區(qū)的4個(gè)工業(yè)鈾礦孔中獲得。野外現(xiàn)場(chǎng)取樣前先將覆蓋于巖芯外表的泥漿清理干凈，然后采集所需樣品用于探針片的磨制及樣品的前處理等工作。探針片的制備及樣品的前處理由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成。鈾礦物學(xué)研究是先在顯微鏡下觀(guān)察洛河組的蝕變礦物組合，再利用掃描電鏡、背散射及能譜聯(lián)合分析鈾礦物的類(lèi)型及賦存共生關(guān)系。掃描電鏡分析在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試中心以及中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局鈾礦地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，所用的儀器為T(mén)escan GAIA 3，加速電壓為15kV，能譜及背散射探測(cè)器采用的是牛津儀器X-maxN能譜儀。逐級(jí)化學(xué)提取分析在核北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試中心完成，儀器為DCR-e型等離子體質(zhì)譜分析儀，測(cè)試方法為HR-ICP-MS。

4 結(jié)果與討論

4.1 鈾礦物賦存特征

本次研究在巖相學(xué)觀(guān)察的基礎(chǔ)上，結(jié)合掃描電鏡及能譜分析，初步查明了鈾礦物的賦存特征。綜合光學(xué)顯微鏡下及掃描電鏡下的觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，鈾礦物大多賦存于洛河組砂巖碎屑顆粒之間的孔隙中，呈團(tuán)塊狀或星點(diǎn)浸染狀分布（圖4）。砂巖碎屑填隙部位疏松多孔，是含鈾成礦流體運(yùn)移的主要通道，也是鈾沉淀成礦的良好儲(chǔ)存空間[25]。電子探針?lè)治鼋Y(jié)果表明，鈾礦物以瀝青鈾礦為主，少量含鈦鈾礦物和鈾石[26]。綜合鏡下觀(guān)察結(jié)果表明，鈾礦物的賦存分布主要分為以下兩類(lèi)：

（1）賦存于原生碎屑顆粒邊緣

洛河組砂巖中的碎屑顆粒以石英、長(zhǎng)石及巖屑等原生碎屑為主，常見(jiàn)細(xì)小顆粒的鈾礦物呈星點(diǎn)狀分布于石英、長(zhǎng)石等碎屑礦物顆粒邊緣或充填于其裂隙中（圖4a-4c），呈條帶狀或團(tuán)塊狀分布。

（2）賦存于新生礦物周?chē)?/p>

大量的鏡下觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，礦石中賦存于新生礦物組分周?chē)拟櫟V物最多，且通常分布于碎屑顆粒之間填隙部位。與鈾礦物密切共生的新生礦物主要有銳鈦礦、黃鐵礦、磷灰石、粘土礦物（綠泥石）、碳酸鹽（方解石和白云石為主）等。掃描電鏡下背散射圖像顯示，彭陽(yáng)鈾礦區(qū)洛河組中的鈾礦物多呈星點(diǎn)浸染狀或星點(diǎn)狀集合體圍繞銳鈦礦周緣產(chǎn)出（圖4c-4d），可能是鈾被銳鈦礦等礦物的吸附后，被還原劑還原沉淀形成。其次亦常見(jiàn)鈾礦物與黃鐵礦共生（圖4e），應(yīng)該是Fe3+與鈾酰離子同時(shí)被還原后結(jié)晶形成，或者是黃鐵礦周?chē)纬傻倪€原性微環(huán)境使鈾以瀝青鈾礦等礦物形式被分散吸附富集[25-26]。再其次有與極細(xì)小的磷灰石（或膠磷礦）共生的鈾礦物（圖4f），其對(duì)鈾礦物的富集也有一定的貢獻(xiàn)。另外還有綠泥石等粘土礦物吸附鈾礦物（圖4d、4f），以及與方解石等碳酸鹽礦物共生的鈾礦物（圖4e）。

圖4 彭陽(yáng)鈾礦區(qū)鈾礦物背散射（BSE）照片F(xiàn)ig.4 Backscattering(BSE)photos of uranium minerals in Pengyang uranium deposit

4.2 鈾的賦存狀態(tài)

本次研究選取了16個(gè)不同品位礦樣，用Tessier法的流程先后提取5態(tài)，即可交換離子態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、有機(jī)質(zhì)及硫化物態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，然后分別分析不同形態(tài)下鈾的含量分布，具體實(shí)驗(yàn)步驟見(jiàn)文獻(xiàn)[10,27]。逐級(jí)化學(xué)提取實(shí)驗(yàn)的原理是用不同的溶蝕或交換度的化學(xué)試劑從弱到強(qiáng)的順序依次去溶蝕或交換樣品中某一形態(tài)的元素，從每個(gè)步奏中分別分離出一個(gè)地球化學(xué)相，分別測(cè)定每個(gè)相的元素含量[2,10,27-28]。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和圖5，各形態(tài)鈾特征如下：

（1）可交換離子態(tài)，又稱(chēng)水溶態(tài)。主要是通過(guò)擴(kuò)散作用或外層絡(luò)合作用吸附在黏土礦物表面，能直接被水等中性試劑提取的鈾元素形態(tài)[2]，通過(guò)加入萃取試劑使吸附在沉積物表面的鈾被萃取出來(lái)。所測(cè)的16件不同品位礦石樣品中以可交換離子態(tài)存在的鈾占0.17%～2.28%，平均為1.37%，其所占比例較少，表明礦石中只有少量鈾被吸附在黏土礦物表面。

（2）碳酸鹽結(jié)合態(tài)，又稱(chēng)弱酸提取態(tài)。主要以沉淀或共沉淀形式賦存于碳酸鹽（方解石、白云石、菱錳礦等）中的鈾形態(tài)，實(shí)驗(yàn)中通常使用乙酸萃取，該過(guò)程通常不會(huì)破壞樣品中的鐵錳氧化物和硅酸鹽等礦物，對(duì)剩余三種形態(tài)鈾提取的影響也不大。據(jù)表1可見(jiàn)，16件不同品位礦石樣品中以碳酸鹽結(jié)合態(tài)存在的鈾所占比例為19.42%～74.25%，平均為43.21%，為彭陽(yáng)鈾礦區(qū)礦石中鈾賦存的最主要類(lèi)型。

（3）鐵錳氧化態(tài)，又稱(chēng)可還原態(tài)。主要指以較強(qiáng)的結(jié)合力賦存于鐵錳氧化物中的鈾形態(tài)，此種形態(tài)鈾的特點(diǎn)是在還原性環(huán)境下不穩(wěn)定，通?？捎名}酸羥胺溶液溶解提取。16件不同品位礦石樣品中鐵錳氧化態(tài)的鈾含量較低，約0.42%～6.67%，平均1.78%。

（4）有機(jī)質(zhì)及硫化物態(tài)，又稱(chēng)可氧化態(tài)。此形態(tài)的鈾是吸附或包裹在有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦顆粒表面，或與有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦結(jié)合形成螯合物或硫化物。目前常用的萃取劑為H2O2，其氧化能力較強(qiáng)，可溶解樣品中錳的氧化物等，因此該形態(tài)的鈾通常在鐵錳氧化態(tài)之后萃取。由表1和圖5可見(jiàn)，以有機(jī)質(zhì)及硫化物態(tài)存在的鈾占4.39%～50.53%，平均22.73%，比例相對(duì)較高。嚴(yán)格上來(lái)說(shuō)，這一部分鈾中既有吸附態(tài)的（即吸附在有機(jī)質(zhì)及粉末狀黃鐵礦中），又有呈粒狀、細(xì)脈狀鈾礦物形式賦存于有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦等硫化物中，但目前兩者無(wú)法區(qū)分，暫時(shí)將其歸于吸附態(tài)的鈾。掃描電鏡分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有較多的鈾礦物與黃鐵礦共生，沿黃鐵礦邊緣分布（圖4e），因此初步認(rèn)為此形態(tài)的鈾中與黃鐵礦結(jié)合的鈾應(yīng)多于與有機(jī)物結(jié)合的鈾。

圖5 彭陽(yáng)鈾礦床不同品位礦石中鈾的逐級(jí)化學(xué)提取含量（a）及比例（b）Fig.5 The content(a)and proportion(b)of uranium in ore samples of Pengyang uranium deposit by sequential chemical extraction experiments

表1 逐級(jí)提取萃取液中鈾的含量（μg/g）及比例表Table 1 The content(μg/g)and ratio of uranium in the experiment of sequential extraction

（5）殘?jiān)鼞B(tài)：是指固定于硅酸鹽礦物、穩(wěn)定鈾礦物（如鈾石等）和惰性含鈾礦物等礦物晶格中的鈾形態(tài)，是礦石中鈾的主要賦存形式之一。殘?jiān)鼞B(tài)鈾占總體鈾含量的0.69%～74.70%，平均30.91%，含量較高。

整體對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同鉆孔樣品各形式鈾比例無(wú)明顯區(qū)別，低品位樣品（B2/ZK5、T106/ZK1、T108/ZK1等）中殘?jiān)鼞B(tài)鈾的比例相對(duì)稍高，中高品位樣品（T12/ZK7、T13/ZK7、T14/ZK7、T15/ZK7、T16/ZK7、T17/ZK7）中碳酸鹽態(tài)、有機(jī)質(zhì)及硫化物態(tài)這兩種形式的鈾含量明顯增加，這類(lèi)形式的鈾往往是在成礦過(guò)程中增加并富集的，如碳酸鈾酰離子因物理化學(xué)條件的改變而伴隨著碳酸鹽沉淀，有機(jī)質(zhì)及黃鐵礦等硫化物能吸附還原鈾并沉淀成礦[29-30]。

綜上分析，彭陽(yáng)鈾礦床礦石中鈾的5種形態(tài)所占比例關(guān)系是：碳酸鹽態(tài)（43.21%）>殘?jiān)鼞B(tài)（30.91%）>有機(jī)質(zhì)及硫化物態(tài)（22.73%）>鐵錳氧化態(tài)（1.78%）>可交換離子態(tài)（1.37%）。其中碳酸鹽態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)的鈾是鈾礦物的兩種最主要形式，數(shù)據(jù)顯示這兩種形式的鈾所占比例分布范圍為46.49%～93.92%，平均為74.12%；而有機(jī)質(zhì)黃鐵礦態(tài)、可交換離子態(tài)和鐵錳氧化態(tài)的鈾是以分散吸附形式存在的三種方式，分布范圍為6.08%～53.51%，平均為25.88%，其中以有機(jī)質(zhì)黃鐵礦態(tài)的鈾為主，可交換離子態(tài)和鐵錳氧化態(tài)的鈾含量較低。因此，彭陽(yáng)鈾礦床中鈾的賦存狀態(tài)主要以鈾礦物和吸附鈾兩種賦存形式存在，且賦存在鈾礦物中比例明顯大于吸附鈾。

根據(jù)目前的地浸開(kāi)采工藝，在地浸開(kāi)采過(guò)程中，具備一定遷移能力和遷移活性的鈾，被稱(chēng)為“活性鈾”或“動(dòng)態(tài)鈾”，只有這部分鈾才能被浸取劑溶解開(kāi)采出來(lái)，而暫時(shí)無(wú)法開(kāi)采出來(lái)的那部分鈾被稱(chēng)為“惰性鈾”，以殘?jiān)鼞B(tài)為主[31-32]?！盎钚遭櫋敝饕ㄒ钥山粨Q離子態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)質(zhì)及硫化物態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)存在的鈾，在16件不同品位礦石樣品中占25.3%～99.31%，平均約為69.09%，特別是中高品位樣品中可達(dá)81.42%～99.31%。從礦石中鈾賦存狀態(tài)方面來(lái)看，彭陽(yáng)鈾礦總體上較適合采用地浸技術(shù)開(kāi)采。

5 結(jié)論

（1）彭陽(yáng)鈾礦床鈾礦物共生組合分析表明，鈾礦物主要為瀝青鈾礦，共伴生顆粒（礦物）通常包括原生顆粒石英、長(zhǎng)石、成巖碳酸鹽，以及砂巖中新生組分銳鈦礦、黃鐵礦、磷灰石（膠磷礦）、粘土礦物（綠泥石、高嶺土）、碳酸鹽及有機(jī)質(zhì)等，其中與砂巖中新生組分伴生的鈾礦物占主導(dǎo)地位。

（2）通過(guò)逐級(jí)化學(xué)提取實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量分析顯示，彭陽(yáng)鈾礦床洛河組礦石中鈾的賦存形式主要以碳酸鹽態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)、有機(jī)質(zhì)及硫化物態(tài)為主。以鈾礦物形式賦存的鈾含量平均約為四分之三，吸附態(tài)鈾含量約為四分之一。根據(jù)鈾的賦存狀態(tài)來(lái)看，彭陽(yáng)鈾礦床總體適合地浸開(kāi)采。