二連盆地恩格日音砂巖型鈾礦床U-Ra平衡特征、影響因素及其地質(zhì)意義

蔣 喆， 韓效忠， 胡 航， 來(lái) 強(qiáng)， 郭 鵬

(1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局碳中和研究院,北京 100040； 2.中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司,北京 100040)

0 引言

在鈾礦勘查工作中，伽馬測(cè)井法是確定鈾礦體的空間位置、品位及厚度的重要技術(shù)手段。伽馬測(cè)井測(cè)量數(shù)值主要反映鐳及其子體的含量，再通過(guò)該含量計(jì)算所測(cè)地質(zhì)體鈾-鐳處于平衡狀態(tài)下的鈾含量[1]。但由于U-Ra地球化學(xué)性質(zhì)不同及遷移能力的差異，在砂巖型鈾礦床成礦期及成礦期后，普遍發(fā)育的水流作用使得巖石中的鈾被溶解、遷移、沉積和吸附，導(dǎo)致鈾及其衰變子體鐳空間分離，從而產(chǎn)生了放射性平衡破壞現(xiàn)象。因此須知曉伽馬測(cè)井的具體條件下U-Ra平衡系數(shù)及其他影響系數(shù)值并進(jìn)行參數(shù)修正處理，才能求出鈾的真實(shí)含量和準(zhǔn)確地確定含礦層邊界，從而進(jìn)一步估算鈾資源量[2-6]。本文在統(tǒng)計(jì)分析恩格日音鈾礦床礦石樣品U-Ra平衡系數(shù)數(shù)值基礎(chǔ)上，結(jié)合礦床地質(zhì)特征，分別從鈾品位、采集深度、粒度、膠結(jié)程度、顏色等入手，綜合分析了U-Ra平衡數(shù)值變化規(guī)律，探討了影響U-Ra平衡系數(shù)變化的主要因素和指示意義，為礦床放射性測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)修正、礦體邊界劃分以及礦床儲(chǔ)量計(jì)算、進(jìn)一步勘查、開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)概況及礦體特征

1.1 地質(zhì)概況

恩格日音鈾礦床是近年在二連盆地馬尼特坳陷南緣新發(fā)現(xiàn)的一處大型砂巖型鈾礦床[7-8](圖1)，大地構(gòu)造位置處于天山-興蒙造山帶扎蘭屯-多寶山島弧隆起北翼褶皺沖斷帶上。

1—第四系；2—新近系寶格達(dá)烏拉組；3—新近系通古爾組；4—古近系伊爾丁曼哈組；5—白堊系二連組；6—白堊系大磨拐河組；7—侏羅系沉積地層；8—二疊系沉積地層；9—石炭系沉積地層；10—泥盆系沉積地層；11—奧陶系沉積地層；12—前志留系沉積地層；13—更新世玄武巖；14—侏羅紀(jì)花崗巖；15—三疊紀(jì)花崗巖；16—二疊紀(jì)花崗巖；17—石炭紀(jì)閃長(zhǎng)巖；18—石炭紀(jì)花崗巖；19—整合界線；20—角度不整合；21—斷層；22—鈾礦床；23—工作區(qū)位置；24—城鎮(zhèn)圖1 馬尼特坳陷西段地質(zhì)簡(jiǎn)圖[8]Figure 1 Geological sketch map of the western Manite depression

礦區(qū)勘查揭露地層自下向上分別為下白堊統(tǒng)賽漢組(K1bs), 古近系始新統(tǒng)伊爾丁曼哈組(E2y)和第四系全新統(tǒng)(Qh)。賽漢組與上覆地層不整合接觸, 自下向上劃分為K1s1、K1s2和K1s3三段。為一套灰黑色-雜色粉砂巖、砂巖、砂礫巖夾泥巖、炭質(zhì)泥巖及褐煤, 厚度為70～800 m，是礦區(qū)內(nèi)的主要含鈾及含煤地層。

礦區(qū)褶皺構(gòu)造不發(fā)育, 賽漢組為傾向NW的單斜地層。礦區(qū)斷裂構(gòu)造以NE 向?yàn)橹? 多為隱伏斷裂帶，為成礦提供了良好的流體和物源通道[9-10]。

礦區(qū)范圍內(nèi)地表踏勘及鉆探施工均未發(fā)現(xiàn)巖漿巖。

1.2 礦體特征

礦床主要礦體可分為3 層,平面上總體呈近EW向展布。目前控制礦帶長(zhǎng)度超過(guò)7.6 km, 產(chǎn)狀較平緩, 礦體傾角在1°～5°。礦體厚度總體呈現(xiàn)為西部大, 東部小。礦體形態(tài)在剖面上呈卷狀、板狀和透鏡狀，平面上呈近東西向的蛇曲狀。單層礦體平均品位為0.011 56%～0.058 95%, 平均0.027 45%, 單礦層鈾含量為1.01～5.21 kg/m2,平均為2.16 kg/m2。主要賦礦圍巖為灰色含礫粗砂巖-砂礫巖, 部分為中細(xì)粒砂巖或泥巖。

1.3 礦石特征

本區(qū)礦石可分砂巖型和泥巖型礦石。砂巖型以灰色、深灰色長(zhǎng)石石英砂巖為主。石英大小為0.5～2mm, 灰白-灰黑色, 磨圓較差, 次棱角狀, 具波狀消光現(xiàn)象。碎屑物主要為條紋長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、巖屑、云母, 見(jiàn)少量板巖、花崗巖巖屑及根須狀為主的炭化植物碎屑，有機(jī)碳、黃鐵礦含量較高,高嶺土化、絹云母化普遍發(fā)育 。

泥巖型礦石以泥質(zhì)砂礫巖為主, 少量見(jiàn)于紅色泥紅色泥巖型。泥質(zhì)砂礫巖含礫約15%～25%, 粒度為2～10mm, 主要為鉀長(zhǎng)花崗巖、硅質(zhì)巖、閃長(zhǎng)巖巖屑, 分選磨圓較差,雜基主要為黏土礦物,成分以高嶺石、水云母及蒙皂石為主, 多呈彎曲片狀或碎片狀集合體。

礦石中鈾存在形式主要有三種：吸附態(tài)鈾、鈾礦物及含鈾礦物, 其中以吸附狀態(tài)鈾為主。觀察結(jié)果表明礦石中鈾礦物粒度多小于1 μm,結(jié)晶程度差, 多呈細(xì)粒狀、被膜狀及云霧狀產(chǎn)出, 存在于雜基(黏土礦物)、有機(jī)碳(炭屑)及黃鐵礦(顯微黃鐵礦)之中。礦區(qū)主要蝕變類(lèi)型包括黃鐵礦化、褐鐵礦化、綠泥石化、黏土化等。

2 取樣及分析方法

2.1 取樣方法

本文所用所有樣品均為恩格日音地區(qū)鉆探施工過(guò)程中采取的巖心樣品，采取具有代表性、采取面廣、不同品級(jí)的礦石樣品進(jìn)行分析。選取采取率大于85%的樣段，樣長(zhǎng)控制在0.1～0.5m[11]，大多數(shù)控制在0.2m。刮掉巖礦心泥漿，連續(xù)劈半取樣，填寫(xiě)樣品清單后送實(shí)驗(yàn)室。本次工作共采集區(qū)內(nèi)不同勘探線18個(gè)鉆孔中138件不同巖性、深度的樣品，確保了樣品代表性(表1)。分析測(cè)試在北京核工業(yè)地質(zhì)研究院進(jìn)行，并對(duì)樣品進(jìn)行了10%內(nèi)檢及5%外檢，誤差均在10%內(nèi)，符合樣品準(zhǔn)確性要求。

2.2 分析方法

2.2.1 鈾、含量測(cè)定方法

參考GB/T 14506.30—2010 《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法 第30部分：44個(gè)元素量測(cè)定》。準(zhǔn)確稱(chēng)取0.05g試樣于聚四氟乙烯密封溶樣罐中，用少量水潤(rùn)濕，輕輕震動(dòng)使樣品均勻，加入2mL氫氟酸，1mL硝酸，1mL鹽酸和0.5mL高氯酸，蓋上專(zhuān)用溶樣罐蓋，在低溫電熱板上150℃加熱溶解72h，打開(kāi)溶樣罐，在低溫電熱板上加熱蒸至近干，若未溶解完全則重復(fù)加入上述酸液。再次蒸至近干后加入1∶1硝酸2mL蓋上專(zhuān)用溶樣罐蓋燜置一段時(shí)間以溶解可溶性殘?jiān)?。用水稀釋?0mL，搖勻。分取0.5mL試液放于石英皿中，加入4.5mL水稀釋?zhuān)褂肗exION300D/ELEMENT XR等離子體質(zhì)譜儀測(cè)試并計(jì)算出U含量。

2.2.2 鐳含量測(cè)定方法

參考GB/T 13073—2010 《巖石樣品中226Ra的分析方法 射氣法》。樣品制備采用硫酸鋇-乙二胺四乙酸二鈉法。稱(chēng)取2g樣品，首先在馬弗爐中650℃灼燒1h，冷卻后加過(guò)氧化鈉、氫氧化鈉混合，650℃堿融樣品。用80℃熱水提取，鹽酸酸化，過(guò)濾，除去鐵銹渣。采用硫酸鋇共沉淀富集鐳，靜置過(guò)夜，虹吸棄去上清液，水洗至中性，用乙二胺四乙酸二鈉溶解固體，得透明液體，裝入擴(kuò)散器，體積控制在擴(kuò)散器容積的1/3。封閉15d左右以積累氡氣，將閃爍室抽真空，通過(guò)空氣進(jìn)入擴(kuò)散器中鼓泡將氡氣轉(zhuǎn)入閃爍室，50min后在PC-2100 氡(鐳)分析儀上測(cè)量。采用標(biāo)準(zhǔn)鐳溶液計(jì)算刻度系數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)率計(jì)算鐳的含量。

3 U-Ra平衡特征

3.1 單樣品U、Ra含量特征

本次分析的138件樣品中，Qu>0.01%的樣品共71件，Qu1含量0.01%～0.24%，平均值0.043%，標(biāo)準(zhǔn)差0.045%，變異系數(shù)1.04，Qu>0.005%樣品共計(jì)92件，Qu0.5含量0.005%～0.24%，平均值0.035%，標(biāo)準(zhǔn)差0.042%，變異系數(shù)1.21。

Ra分析表明，138件樣品的QRa為0.000 25%～0.04%，平均值0.059%，標(biāo)準(zhǔn)差0.079%，變異系數(shù)1.32。

3.2 單樣品U-Ra平衡系數(shù)計(jì)算

單樣品U-Ra 平衡系數(shù)(Kp)單個(gè)樣品按下列公式計(jì)算平衡系數(shù)[12-13]。

(1)

式中：Kp為礦石U-Ra平衡系數(shù)；QRa為樣品的鐳含量；Qu為樣品的鈾含量。

計(jì)算得出礦區(qū)單樣段U-Ra平衡系數(shù)(Qu>0.01%)為0.21～2.79，算數(shù)平均值0.75，標(biāo)準(zhǔn)差 0.42，變異系數(shù)0.56。剔除離散樣品點(diǎn)5個(gè)后(Kp<0.3及Kp>2)，樣品更接近正態(tài)分布。

Kp頻率曲線基本服從正態(tài)分布(圖2)，曲線大致呈單峰狀，軸兩側(cè)基本對(duì)稱(chēng)，偏向縱軸的右側(cè)，變化幅度一般，表明樣品U-Ra平衡數(shù)據(jù)具有一定代表性，本次分析結(jié)果可靠。

圖2 樣品Kp頻率曲線Figure 2 Frequency diagram of Kp

Qu(>0.01%)偏度及峰度均較小(均<3)，右偏分布，標(biāo)準(zhǔn)誤差值低，更符合正態(tài)分布特點(diǎn)，因此可信度較高。

3.3 平均U-Ra平衡系數(shù)計(jì)算

平均平衡系數(shù)計(jì)算對(duì)多個(gè)鉆孔的樣品，分別采用樣品鈾含量與樣品長(zhǎng)度加權(quán)平均求得。計(jì)算公式如下：

(2)

4 討論

4.1 鈾、鐳元素性質(zhì)及遷移規(guī)律

鐳的化學(xué)活潑性較差, 在酸性和碳酸鹽環(huán)境中不易溶，在遇到硫酸根離子時(shí), 會(huì)生成鐳的硫酸鹽而沉淀, 易被有機(jī)質(zhì)、黏土、鐵錳氫氧化合物等所吸附。鈾、鐳的這些性質(zhì)的差異導(dǎo)致在含礦含水層中穩(wěn)定性和遷移能力差別極大，常產(chǎn)生放射性平衡破壞現(xiàn)象。

4.2 影響U-Ra平衡系數(shù)因素及其規(guī)律

(1)深度與地層

圖3 研究區(qū)樣品中Kp與采樣深度關(guān)系散點(diǎn)圖Figure 3 Scatter plot of the relationship between Kp and Sampling depth

(2)鈾、鐳元素含量

由圖4及表1可知，Qu>0.005%情況下，單樣段Qu與Kp具有較顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，U含量越高， U-Ra平衡趨于強(qiáng)烈破壞，但當(dāng)Qu>0.03%時(shí)無(wú)明顯變化規(guī)律。

圖4 研究區(qū)樣品中Kp與U含量的關(guān)系散點(diǎn)圖Figure 4 Scatter plot of the relationship between Kp and U content in samples from the research area

表1 鈾、鐳含量與U-Ra平衡系數(shù)相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of U, Ra content and U-Ra equilibrium coefficient

對(duì)不同品位區(qū)間的樣品U含量加權(quán)平均值分析可以得出類(lèi)似結(jié)論(圖5、表2)，分別統(tǒng)計(jì)Qu<0.5,0.5～1,1～3,3～5和>5范圍內(nèi)Kp′值，結(jié)果可知隨著Qu含量變大，Kp′值降低。QRa>0.01%情況下具有較顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，Ra含量越高，Kp有上升趨勢(shì)。

圖5 研究區(qū)樣品與U含量的關(guān)系散點(diǎn)圖Figure 5 Scatter plot of the relationship between and U content in samples from the research area

表2 鈾含量與U-Ra平衡系數(shù)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of U, Ra content and U-Ra equilibrium coefficient

(3)顏色

由圖6得出，紅褐色→黑色→灰色→淺灰色→灰綠色樣品中U-Ra平衡值由高到低。

圖6 研究區(qū)樣品顏色與的關(guān)系條形圖Figure 6 Bar chart of the relationship between the sample color and from the research area

顏色是盆地內(nèi)沉積環(huán)境的重要指示標(biāo)志，紅褐色泥質(zhì)或細(xì)粉砂質(zhì)巖指示干旱-半干旱的氧化環(huán)境，含沉積期同生鈾，成巖作用后發(fā)生過(guò)遷移導(dǎo)致U虧損，并為后期成礦作用提供了部分鈾源；黑色炭質(zhì)泥巖指示水下強(qiáng)還原環(huán)境， 鈾元素為有機(jī)質(zhì)吸附或以同生沉積為主，由于其滲透性差，鈾元素未發(fā)生后期遷移，基本處于平衡態(tài)；灰色、淺灰色及灰綠色粗粒砂巖、泥質(zhì)砂礫巖指示還原-弱還原環(huán)境，為氧化還原反應(yīng)最為強(qiáng)烈的地帶，顯示出較強(qiáng)烈U虧損，鐳鈾平和破壞最為嚴(yán)重。

由此可見(jiàn)，U-Ra平衡系數(shù)受氧化還原反應(yīng)對(duì)于具有較顯著影響，氧化環(huán)境下以U遷出為主，還原條件下U幾乎無(wú)明顯移動(dòng)，而氧化還原過(guò)渡環(huán)境為U沉淀富集的主要環(huán)境。

(4)滲透性(膠結(jié)程度)

區(qū)內(nèi)細(xì)粒巖石多為泥質(zhì)膠結(jié)，較致密，滲透性較差；而粗粒巖多較疏松，滲透性較好。由圖7可以看出，滲透率低的泥、粉砂巖Kp值接近于1，接近于平衡態(tài)，U主要以吸附態(tài)賦存于泥巖中的還原介質(zhì)中或在成巖過(guò)程中發(fā)生U富集，后期U幾乎無(wú)遷出或僅發(fā)生微量遷出。中砂巖由于樣品數(shù)據(jù)較少且品位較高，作為異常值視為無(wú)效處理。細(xì)砂-粗砂-含礫粗砂巖總體表現(xiàn)出的偏鈾特征，隨巖性粒度加大，支撐類(lèi)型由基質(zhì)支撐轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒支撐，巖性孔隙度變大，滲透性變強(qiáng)，后期受水流作用影響不斷加大，致使U含量不斷增高，Kp值降低。區(qū)內(nèi)砂礫巖礦石內(nèi)含有較多黏土礦物，滲透性較差，U遷移沉積率偏低。

圖7 研究區(qū)樣品粒度與的關(guān)系條形圖Figure 7 Bar chart of the relationship between the sample granularity and from the research area

4.3 U-Ra平衡系數(shù)規(guī)律討論

由上文可知，Kp大小主要受U含量、地層顏色、膠結(jié)程度和滲透性影響，取決于地層中水流溶解遷移及沉淀卸載能力、氧化還原反應(yīng)強(qiáng)弱，是水流搬運(yùn)作用強(qiáng)弱和地層對(duì)U離子沉淀容納能力的體現(xiàn)。

在成巖作用發(fā)生后，分散在礦源層或基底巖石中的鈾發(fā)生活化，含礦含氧水?dāng)y帶含鈾離子及絡(luò)合物等，遷移到過(guò)渡或還原環(huán)境時(shí)，發(fā)生氧化還原反應(yīng)或吸附作用而發(fā)生卸載，致使U富集，該時(shí)期應(yīng)處于U-Ra平衡狀態(tài)。在卸載作用后發(fā)生的水流作用再次溶解并遷移鈾離子，而其的衰變子體鐳化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易隨溶液遷移，該差異致使U-Ra平衡破壞。在成礦作用后期，滲透性較強(qiáng)的地層巖系中多次發(fā)生水流作用導(dǎo)致U元素進(jìn)一步運(yùn)移、沉淀富集，在有利地段繼續(xù)富集，含量不斷增高，U-Ra平衡系數(shù)進(jìn)一步降低。而粒度小、膠結(jié)較強(qiáng)的地層巖系受后期水流作用影響較小，U元素得以較好的保存，U-Ra基本可以保持平衡態(tài)。因此礦區(qū)不同部位、不同地球化學(xué)分帶的礦體U-Ra平衡系數(shù)存在一定差異，鈾大部分富集在氧化還原過(guò)渡帶[14-17], 其次是弱氧化帶，此處Kp值較低;而鐳則在強(qiáng)氧化帶和過(guò)渡帶的尾部有較高的反應(yīng)，Kp值較高。

由此可見(jiàn)，根據(jù)U-Ra平衡的數(shù)值特征和空間上Kp變化規(guī)律，可以有效反映礦體中放射性元素溶解、遷移、富集狀況，進(jìn)而指示地球化學(xué)環(huán)境、重建成礦作用，對(duì)于研究可地浸砂巖型鈾礦的古地下水流動(dòng)方向、氧化還原分帶、礦體形態(tài)、成礦規(guī)律等具有良好的指示意義。

5 結(jié)論

1)恩格日音鈾礦床砂巖型礦石U-Ra平衡系數(shù)加權(quán)平均值為0.66(Qu>0.01%)，U-Ra平衡遭到較強(qiáng)破壞，總體呈現(xiàn)偏鈾，建議進(jìn)行U-Ra平衡破壞修正；泥巖型礦石加權(quán)平均值為1.03，總體處于平衡態(tài)，不需要修正。

2)U-Ra平衡系數(shù)與樣品采集深度、地層無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。與樣品U、Ra含量具有相關(guān)關(guān)系：當(dāng)Qu>0.005%時(shí)，Qu與Kp具有負(fù)相關(guān)性，當(dāng)Qu>0.03%時(shí)變化規(guī)律不明顯；氧化還原分帶中Kp數(shù)值表現(xiàn)為過(guò)渡帶<還原帶<氧化帶；礦石膠結(jié)程度及滲透率與Kp具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3)不同部位的礦體，不同地球化學(xué)分帶的Kp存在一定差異，鈾大部分富集在氧化還原過(guò)渡帶,其次是弱氧化帶，此處Kp值較低;而鐳則在強(qiáng)氧化帶和過(guò)渡帶的尾部有較高的反應(yīng)，Kp值較高。

4)空間上Kp數(shù)值特征和變化規(guī)律可以有效反映礦體中放射性元素溶解、遷移、富集狀況，對(duì)于研究可地浸砂巖型鈾礦的古地下水流動(dòng)方向、氧化還原分帶、礦體形態(tài)、成礦規(guī)律等具有良好的指示意義。