二連盆地哈達圖鈾礦床鈾賦存特征研究及成因探討

劉陟娜，喬 鵬,2，閻學成，王榮學，于俊芳

(1. 核工業(yè)二〇八大隊，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 成都理工大學，四川 成都 610059；3. 包鋼集團礦山研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

砂巖型鈾礦床因其埋藏較淺、儲量巨大、開采成本低和環(huán)保等特點，已成為全球各地鈾礦資源勘查和開發(fā)的主攻方向之一(馬小雷等,2016)。現(xiàn)已探明北方伊犁盆地、準格爾盆地、二連盆地、鄂爾多斯盆地和松遼盆地等均有鈾礦床分布。尤其是近些年內(nèi)蒙古二連盆地鈾礦勘探取得了重大進展，發(fā)現(xiàn)了多個不同類型的鈾礦床，包括古河道砂巖型鈾礦床、泥(砂)巖型和含煤泥(砂)巖型鈾礦床，其中以古河道砂巖型鈾礦床最為重要(康世虎等, 2017;焦養(yǎng)泉等,2018)。哈達圖鈾礦床是二連盆地中重要的古河道砂巖型鈾礦床(苗鵬翼等，2021；張文東等，2020)。前人主要從地質(zhì)構(gòu)造、沉積體系、成礦流體、古氣候等宏觀方面對其進行了較為詳細的研究(聶逢君等,2015;李洪軍等,2012)，但缺乏對鈾的賦存特征研究，很難為礦床成因提供微觀依據(jù)。

目前，鈾礦物賦存特征的常規(guī)研究方法有電子探針和掃描電鏡，可用于獲得礦物產(chǎn)出位置、形貌及化學成分(王貴等,2017;湯超等,2017)，而傳統(tǒng)的研究方法——放射性試驗具有靈敏度高的顯著優(yōu)勢，能直接觀察到鈾礦物在巖石或礦物中的產(chǎn)出位置、分布特征及富集強度(張鑫等,2015)。由于沉積巖中鈾礦物顆粒十分細小，無法通過單一方式展開研究，因此綜合利用巖礦鑒定、放射性試驗、電子探針、能譜及背散射分析等方法對該區(qū)鈾的產(chǎn)出位置、賦存狀態(tài)、礦物種類及礦物組合等進行研究，并對其形成機理及期次進行探討，從而完善二連盆地哈達圖鈾礦床的成礦理論。

1 地質(zhì)背景及礦床特征

二連盆地位于內(nèi)蒙古中北部，是我國重要的含鈾盆地，目前已發(fā)現(xiàn)了多個超大型、大型鈾礦床，主要礦床類型為古河道砂巖型鈾礦床。二連盆地由川井坳陷、烏蘭察布坳陷、馬尼特坳陷、烏尼特坳陷、騰格爾坳陷和蘇尼特隆起等6個二級構(gòu)造單元組成(張鋒,2018)?；子稍沤?、古生界變質(zhì)巖系及華力西-燕山期的基性-中酸性侵入巖構(gòu)成，主體構(gòu)造線為東西向；蓋層是中新生代沉積盆地，由侏羅紀-早白堊世早中期裂谷型盆地和早白堊世晚期-新生代坳陷型盆地疊合而成，主體構(gòu)造線為北東向(圖1)。

圖1 二連盆地中新生代構(gòu)造分區(qū)圖Fig.1 Mesozoic and Cenozoic structural zoning map of Erlian basin1.坳陷；2.隆起；3.鈾礦床；4.國界線；5.鐵路；6.研究區(qū)

哈達圖鈾礦床位于二連盆地中西部烏蘭察布坳陷的齊哈日格圖次級坳陷內(nèi)，賦礦層位為下白堊統(tǒng)賽漢組上段。該區(qū)鈾礦體近似平行，呈板狀、透鏡狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀略向南傾斜，礦體連續(xù)性較好。工業(yè)礦段含礦巖性以灰色砂巖為主，泥巖、砂質(zhì)礫巖次之。巖石成巖度低，膠結(jié)疏松，易破碎，一般具正粒序?qū)永?。礦石具水平層理構(gòu)造，呈多旋回的下粗上細巖性變化，礦石結(jié)構(gòu)主要為充填和包含結(jié)構(gòu)(張鋒,2018)。礦體埋深為230.14～548.69 m，厚度為0.80～8.06 m，品位為0.025 2%～0.478 7%，為連續(xù)性好、高品位大型砂巖型鈾礦床(張鋒,2018;康世虎等,2017)。

2 樣品采集及測試

此次研究樣品的產(chǎn)出層位主要為下白堊統(tǒng)賽漢組上段，采自8個工業(yè)鈾礦孔(FZK47-95、補HZK-15-0、FZK31-0、WTSK16-31、FZK32-71、FZK47-23、FZK32-55和CSZK48-43)的含鈾砂巖共計21件(表1)。

首先通過巖礦鑒定對鈾礦砂巖的微觀特征進行詳細鑒定，結(jié)合放射性試驗，準確觀察鈾的產(chǎn)出位置及分布特征，再利用電子探針、掃描電鏡研究鈾礦物的類型及共(伴)生礦物組合。巖礦鑒定和放射性試驗于核工業(yè)二〇八大隊分析測試中心完成，前者所用儀器為蔡司公司的高級透反射偏光顯微鏡(Axioskop 40 pol)，后者于暗室中進行α徑跡蝕刻。電子探針和掃描電鏡是在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院完成。電子探針樣品經(jīng)鍍碳處理后，在LINK公司的eXL能譜和JXA-8100電子探針上分析測試，實驗條件為加速電壓為20 kV，探針速流為5×10-9A，束斑大小為1 μm。測試結(jié)果見表2，元素檢測限為0.01%。

3 鈾賦存特征

3.1 礦化砂巖特征

通過巖礦鑒定，發(fā)現(xiàn)所采樣品的巖性以灰黑色含黃鐵礦含炭屑中砂巖(圖2a，b)和灰色含礫(礫質(zhì))粗中粒砂巖為主。巖石由碎屑物(62%～91%)和填隙物(9%～38%)構(gòu)成。碎屑物分選差-中等，磨圓為次圓-次棱角狀，成分主要為石英(40%～60%)和長石(33%～47%)，其次為巖屑(5%～25%)，含少量黃鐵礦(1%～7%)和炭質(zhì)碎屑(3%～15%)。填隙物以黏土礦物為主，有時混雜分布有炭質(zhì)塵點。其支撐結(jié)構(gòu)以雜基支撐為主，少量顆粒支撐，基底式膠結(jié)。

石英以單晶石英為主，少量為多晶石英。單晶石英形態(tài)多樣，呈次圓狀、次棱角狀、三角狀、多邊形狀、不規(guī)則狀等，少量保留半自形六邊形晶；多晶石英通常由2～5個石英單體組成，部分具波狀消光。長石呈半自形板狀或次棱角狀，包括正長石、斜長石、微斜長石和條紋長石。正長石和斜長石分別易發(fā)生高嶺土化和絹云母化蝕變，微斜長石輕微高嶺土化蝕變或未蝕變，條紋長石具條紋結(jié)構(gòu)，輕微不均勻泥化蝕變，蝕變物順條紋集中分布。巖屑主要為花崗巖巖屑、石英巖巖屑和鐵質(zhì)石英巖巖屑，并含少量流紋巖巖屑、安山巖巖屑、千枚巖巖屑、云母石英片巖巖屑等。黃鐵礦呈它形粒狀、立方體狀獨立產(chǎn)出，或呈草莓狀集合體、微晶狀產(chǎn)出于碎屑顆?？紫吨g(圖2c)。炭質(zhì)碎屑呈細絲狀、微細脈狀，或呈莖稈狀，少量保留植物腔胞(圖2d)。部分黃鐵礦在炭質(zhì)碎屑邊緣產(chǎn)出。

表1 下白堊統(tǒng)賽漢組上段鈾礦砂巖樣品一覽表Table 1 Collection list of uranium bearing sandstone samples in the upper Saihan Formation of the lower Cretaceous

3.2 鈾礦物產(chǎn)出位置

圖2 哈達圖鈾礦床賦礦砂巖巖石學特征Fig.2 Petrology characteristics of ore-bearing sandstone in the Hadatu uranium deposita.灰黑色含黃鐵礦含炭屑中砂巖; b.賦礦砂巖鏡下特征；c.微晶黃鐵礦(Py)產(chǎn)于碎屑顆?？紫堕g;d.炭屑產(chǎn)于長石和石英顆粒之間

通過對21件鈾礦化砂巖光薄片的放射性實驗特征觀察(圖3)，發(fā)現(xiàn)放射性徑跡具如下特點：①鈾礦物放射性徑跡形態(tài)多樣，顯示密集的放射球狀(圖3a)、團塊狀，或呈暈帶狀(圖3c)、云霧狀(圖3e)、環(huán)帶狀(圖3f)均勻分布。②鈾礦物主要賦存于炭質(zhì)碎屑附近(圖3a,b)、黃鐵礦周邊(圖3c,d)，或雜基黏土礦物中(圖3g,h)，少量鈾礦物分布于長石、石英顆粒之上(圖3i,j)。③于炭質(zhì)碎屑或雜基黏土礦物(蒙脫石)邊緣產(chǎn)出的鈾，其放射性徑跡通常呈密集放射球狀(圖3a,b,g,h)，表明放射性強度高。賦存于細晶黃鐵礦附近的鈾礦物，其放射性徑跡呈帶狀、團塊狀或暈染狀，較均勻分布，密集程度較弱(圖3c,d)。分布于長石或石英顆粒之上的鈾礦物，其放射性徑跡呈稀疏放射球狀(圖3i,j)，表明鈾礦物的放射性徑跡在一定程度上受其吸附劑(炭質(zhì)碎屑、蒙脫石)或共(伴)生礦物(黃鐵礦等)的影響。

3.3 鈾礦物種類

通過掃描電鏡和電子探針分析顯示，本區(qū)鈾礦物主要為瀝青鈾礦，其次為復成分磷鈣鈾礦，少量為鈾石。

3.3.1 瀝青鈾礦

瀝青鈾礦以其反射率較高，干裂隙較多區(qū)別于鈾石。根據(jù)電子探針分析結(jié)果(表2)，瀝青鈾礦UO2含量為76.98%～87.98%，平均值為85.42%；CaO含量為0.85%～4.37%，平均值為4.56%；SiO2含量為1.03%～3.94%，平均值為1.72%；P2O5含量為1.31%～1.82%，平均值為1.62%；另外含少量Al2O3、FeO、SO3、ThO2等。瀝青鈾礦主要為隱晶質(zhì)及超顯微隱晶質(zhì)，掃描電鏡下見其集合體呈膠狀、板狀或鮞粒狀，具不規(guī)則狀干裂紋(圖4a)。其中鮞粒狀瀝青鈾礦成分純凈，板狀瀝青鈾礦含雜質(zhì)成分(如Ca)較多。

3.3.2 復成分磷鈣鈾礦

復成分磷鈣鈾礦是以P、Ca、U為主要成分，其他成分如S、As、Si、Na、Al、Fe、K、Mg等含量變化較大。復成分磷鈣鈾礦主要附著于蒙脫石之上(圖4b)，少量與黃鐵礦、黑云母、石英或石膏伴生。

3.3.3 鈾石

鈾石呈鮞粒狀集合體或呈細脈狀分布于石英、長石縫隙中，或位于石英凹蝕坑中(圖5)。UO2含量為60.16%～70.43%，平均值為65.40%；SiO2含量為10.06%～15.61%，平均值為13.30%；含少量CaO和P2O5。與瀝青鈾礦相比，除主要成分UO2和SiO2含量不同外，鈾石中不含ThO2，但雜質(zhì)元素含量相對較高。

3.4 鈾賦存特征

電子探針、掃描電鏡及放射性試驗結(jié)果顯示，鈾賦存特征以吸附態(tài)為主，其次為獨立鈾礦物。吸附態(tài)鈾往往與炭質(zhì)碎屑或黏土礦物蒙脫石密切共生，或賦存于碎屑顆粒(如長石、石英)邊緣或細裂縫中，具明顯后期吸附沉積的特征。獨立鈾礦物顆粒細小，往往以超顯微粒狀或顯微粒狀集合體形式存在。

圖3 哈達圖鈾礦床鈾礦物放射性徑跡特征Fig.3 The features of radioactive track of uranium mineral in the Hadatu uranium deposita和b，c和d，g和h，i和j分別為同一薄片的相同位置在不同條件下的特征；a.鈾礦物密集放射狀徑跡；b.鈾礦物被炭質(zhì)碎屑吸附；c.暈帶狀放射性徑跡；d.鈾礦物鄰黃鐵礦產(chǎn)出；e.云霧狀放射性徑跡；f.環(huán)帶狀放射性徑跡；g.鈾礦物密集放射狀徑跡;h.鈾礦物被黏土礦物吸附；i.稀疏放射狀徑跡；j.鈾礦物分布于石英顆粒之上

圖4 哈達圖鈾礦床鈾礦物產(chǎn)出特征Fig.4 Occurrence forms of uranium minerals in the Hadatu uranium deposita.鮞粒狀和板狀瀝青鈾礦；b.復成分磷鈣鈾礦吸附于蒙脫石之上

圖5 哈達圖鈾礦床鈾石產(chǎn)出位置Fig.5 Occurrence location of coffinite in the Hadatu uranium deposita.鈾石(15EL004-2-U1測點)產(chǎn)于長石(Or)微裂縫之中；b.鈾石(15EL006-1-U1測點)產(chǎn)于石英(Qz)微裂縫中

圖6 哈達圖鈾礦床瀝青鈾礦與黃鐵礦、蒙脫石共(伴)生Fig.6 Pitchblende symbiosis with pyrite or montmorillonite in the Hadatu uranium deposita.瀝青鈾礦與立方體黃鐵礦共生；b.瀝青鈾礦與草莓狀黃鐵礦共生；c.瀝青鈾礦附著于蒙脫石之上

3.5 共(伴)生礦物組合

不同類型的鈾礦物，其共(伴)生礦物往往有差異：瀝青鈾礦常與立方體黃鐵礦(圖6a)、草莓狀黃鐵礦共生(圖6b)或與團塊狀黃鐵礦共(伴)生，或被炭質(zhì)碎屑、蒙脫石吸附(圖6c)；鈾石主要產(chǎn)于長石或石英的縫隙中(圖5a，b)；復成分磷鈣鈾礦主要附著于蒙脫石之上(圖4b)。

4 討論

4.1 成礦階段探討

通過對鈾礦物的化學成分及共生礦物組合進行分析研究，認為該區(qū)鈾礦物至少形成于2個階段。因為少數(shù)瀝青鈾礦中含有少量的Th，而Th的晶體化學性質(zhì)與U相似，在高溫內(nèi)生成礦作用中發(fā)生Th與U之間的類質(zhì)同象置換。外生作用中形成的鈾礦物，主要為瀝青鈾礦和鈾石，礦物顆粒一般十分細小，常與炭質(zhì)碎屑和硫化物伴生，不含Th。因此，少量含Th的瀝青鈾礦應來自于同生沉積期。

此外與瀝青鈾礦共生的黃鐵礦，形態(tài)差異較大。不同形態(tài)的黃鐵礦形成時期不同，草莓狀黃鐵礦通常被認為是沉積過程中準同生期，或成巖作用早期形成(陳超等，2016)。立方體、團塊狀黃鐵礦是后生期形成的標志礦物。因而，通過黃鐵礦的標型特征可知，與草莓狀黃鐵礦共生的瀝青鈾礦應形成于同生沉積期；與立方體、團塊狀黃鐵礦共生的瀝青鈾礦可能形成于后生期。因此哈達圖鈾礦床可能存在2個成礦期，即同生沉積期和后生改造疊加期。

4.2 成礦機理探討

4.2.1 鈾礦物產(chǎn)于黃鐵礦附近

鈾在表生作用中通常以UO22+(或以UO22+作為中心陽離子)絡離子進行遷移。當溶液中存在UO22+、Fe2+和H2S時，由于鐵的親硫性大于親氧性，易與S2-形成黃鐵礦(FeS2)，同時UO22+被還原為瀝青鈾礦(UO2)，如式(1)所示(王德蔭等,1981)。

(1)

由式(1)可知，堿性溶液有利于瀝青鈾礦和黃鐵礦的形成(平衡向右移動)。該區(qū)常見鉀長石(KAlSi3O8)蝕變?yōu)楦邘X土(Al2Si2O5(OH)4)，在此過程中SiO2溶出，并析出游離OH-，造成局部堿性環(huán)境，如式(2)所示(張祖還等,1984)，進一步促進了瀝青鈾礦和黃鐵礦的形成。

2KAlSi3O8+3H2O→Al2Si2O5(OH)4+4SiO2+2OH-+2K+

(2)

4.2.2 鈾礦物被炭質(zhì)碎屑吸附

哈達圖鈾礦床的瀝青鈾礦常富集于炭質(zhì)碎屑中或附近。這是由于炭質(zhì)碎屑除了吸附UO22+外，還對UO22+起還原作用。表生帶的動植物體死亡后迅速為微生物分解，形成各種簡單的無機化合物如CH4、H2、CO2、NH3等。在缺氧條件下，這些無機化合物可以與SO42-、NO3-、Fe2O3等發(fā)生氧化還原反應，例如SO42-被CH4還原為H2S(張祖還等，1984)。于是有機物周圍存在H2S而形成強還原環(huán)境，促使圍巖中的氧化鐵還原為黃鐵礦，同時水溶液中的六價鈾還原為四價鈾而沉淀，并被炭質(zhì)碎屑吸附。

4.2.3 鈾礦物被蒙脫石吸附

蒙脫石在堿性條件下形成且穩(wěn)定存在，其表面往往帶負電。在哈達圖鈾礦床中多見瀝青鈾礦、鈾石和復成分磷鈣鈾礦被蒙脫石吸附，這是由于鈾酰離子UO22+帶正電，因而常被帶負電的具層狀結(jié)構(gòu)的蒙脫石吸附。復成分磷鈣鈾礦的形成可能與該區(qū)來自盆地深部的油氣有關，油氣中的UH3、PH3、CaH2、SiH4、FeH2、H2S等隨著油氣向上運移，由于溫度、壓力降低和氧化作用的進行，其中U、P、Si、Ca等的氧化物逐漸結(jié)晶沉淀，最終結(jié)晶析出磷鈣鈾礦(王文廣,2016;鄭大中,2001;劉武生等,2017;苗愛生等,2009)。此外由于蒙脫石(AlMg)2[Si4O10](OH)2·nH2O晶格內(nèi)部分Al3+被低價陽離子Mg2+所取代，出現(xiàn)電荷不平衡，需要吸收溶液中的部分高價鈾酰陽離子來補償，因此蒙脫石對鈾具有極強的吸附能力。

4.2.4 鈾礦物呈微細脈狀貫入到碎屑中

少量樣品中的鈾石呈微細脈狀貫入石英、長石碎屑顆粒中，或產(chǎn)于石英凹蝕坑中(圖5a，b)，這表明含鈾溶液的活動性十分強烈。石英等硅質(zhì)物的溶解顯示化學環(huán)境為堿性環(huán)境，溶出的SiO2進入孔隙水中；與此同時，鈾酰離子(UO22+)被還原(U6+→U4+)并與溶出的SiO2反應形成鈾石[U(SiO4)1-x(OH)4x](苗愛生等,2009)。

5 結(jié)論

通過對哈達圖砂巖型鈾礦床中鈾的賦存特征研究，得出以下結(jié)論：

(1)鈾賦存特征以吸附態(tài)為主，其次為獨立鈾礦物。吸附態(tài)鈾往往與炭質(zhì)碎屑或蒙脫石密切共生，或賦存于碎屑顆粒(如長石、石英)邊緣或細裂縫之中；獨立鈾礦物主要為瀝青鈾礦，其次為復成分磷鈣鈾礦，少量為鈾石，其中瀝青鈾礦常與黃鐵礦共生或被炭質(zhì)碎屑吸附，復成分磷鈣鈾礦主要附著于蒙脫石表面，鈾石多產(chǎn)出于石英或長石細裂縫或溶蝕坑中。

(2)瀝青鈾礦的成因主要為UO22+被H2S還原或被有機質(zhì)吸附并還原；鈾石的成因是長石的高嶺土化蝕變形成堿性環(huán)境，石英在堿性環(huán)境下被溶蝕形成二氧化硅，鈾與二氧化硅發(fā)生反應生成鈾石；復成分磷鈣鈾礦的成因可能是來自盆地深部帶有UH3、PH3、CaH2等的油氣，隨著向上運移，由于溫度、壓力降低和氧化作用的進行，油氣中的U、P、Si、Ca等的氧化物逐漸結(jié)晶沉淀，并最終形成磷鈣鈾礦。

(3)該區(qū)鈾礦物具有雙重鈾源供給特征，既有來自蝕源區(qū)的含鈾碎屑，又有成礦期來自地下水中呈溶解態(tài)的鈾。

致謝：感謝核工業(yè)二〇八大隊原地勘一處康世虎研究員、張鋒高級工程師和顏小波工程師等在野外工作中給予的幫助和支持！