劉 杰， 聶逢君， 侯樹仁， 陳路路， 王俊林

(1.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，江西南昌 330013;2.核工業(yè)208大隊(duì)，內(nèi)蒙古包頭 014100)

20世紀(jì)50年代以來，我國開展了大規(guī)模的鈾礦普查勘探工作，找到了多種類型的鈾礦床，其中，花崗巖型和砂巖型鈾礦床是最早突破的兩種類型(劉興忠，1982)，20世紀(jì)90年代以前，砂巖型鈾礦就已成為我國具有工業(yè)意義的四大類型(花崗巖型、火山巖型、砂巖型和碳硅泥巖型)鈾礦床之一，探明儲(chǔ)量居四大類型的第三位。尤其是在1980年代以來，我國加強(qiáng)了北方中新生代盆地的找礦工作(陳戴生等，2003)。已經(jīng)探明，在伊犁盆地、吐哈盆地、巴音戈壁盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地等都有一定儲(chǔ)量的鈾礦床(張金帶等，2010)。隨著成礦理論的日趨成熟，砂巖型鈾礦的研究也不斷深入。

砂巖型鈾礦床以中細(xì)砂巖為賦存載體，礦體的形態(tài)和規(guī)模受層間氧化帶控制，并在完整的地下水補(bǔ)、徑、排體系中的氧化還原界面附近成礦(李盛富等，2004)，地層結(jié)構(gòu)呈泥—砂—泥的沉積特點(diǎn)，砂體符合三性要求，即成層性、連通性和滲透性(吳仁貴等，2008)。我國中新生代盆地辮狀河三角洲發(fā)育，砂巖型鈾礦成礦條件極為有利，符合成礦要求，盆地周邊蝕源區(qū)巖漿巖提供了大量的鈾源。蝕源區(qū)含鈾含氧水進(jìn)入層間氧化帶中運(yùn)移，鈾主要為絡(luò)合物的形式［UO2(CO3)3］4－和［UO2(CO3)2］2－(李盛富等，2004;張映寧等，2006)，隨著運(yùn)移距離的增加，在氧化還原過渡帶隨著含鈾含氧水中氧的耗盡，以及FeS2，H2S和有機(jī)質(zhì)等的還原作用，將六價(jià)鈾還原為四價(jià)鈾沉淀富集成礦。四價(jià)鈾主要以鈾礦物和吸附態(tài)兩種形式存在。

本文主要對(duì)中新生盆地內(nèi)砂巖型鈾礦鈾礦石做電子探針分析，以及綜合前人資料，系統(tǒng)的論述了砂巖型礦床鈾礦物的類型和賦存狀態(tài)。

1 樣品采集及測(cè)試方法

本次采樣工作區(qū)主要在伊犁盆地南緣某鈾礦床和巴音戈壁盆地塔木素鈾礦床，采取工業(yè)鉆孔含礦巖石—灰、深灰色中細(xì)砂巖。以及綜合前人二連盆地賽漢高畢地區(qū)某礦床、松遼盆地開魯白興吐鈾礦床、鄂爾多斯盆地東勝、黃龍砂巖型鈾礦床、吐哈盆地十紅灘砂巖型鈾礦床和二連盆地巴彥烏拉地區(qū)鈾礦床分析結(jié)果。

樣品測(cè)試工作在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試完成，樣品分析之前經(jīng)渡碳處理，借助Inca ENERGY能譜定性分析和JXA—8100電子探針進(jìn)行定量測(cè)試，實(shí)驗(yàn)條件為加速電壓15.0 kV，探針?biāo)倭?2.00 ×10－8A，束斑大小 1 μm。

2 鈾礦物類型

根據(jù)電子探針分析結(jié)果(表1)，鈾礦物主要為鈾石、水硅鈾礦、瀝青鈾礦、鈦鈾礦、鈾釷礦、菱鈣鈾礦和鈾的碳酸巖礦物。

本次分析中均發(fā)現(xiàn)大量的鈾石，為砂巖型鈾礦的主要鈾礦物，其主要成分 UO2含量50.95% ～71.09%，SiO2含量 6.83% ～ 15.35%，Ca，P，F(xiàn)e 等含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于SiO2。而在鄂爾多斯盆地東勝砂巖型鈾礦中發(fā)現(xiàn)水硅鈾礦和類似礦物鈣水硅鈾礦(苗愛生等，2010)，水硅鈾礦與鈾石相比，UO2含量小于鈾石(49.86% ～55.43%)，但 SiO2含量明顯比鈾石中含量多(19.97% ～24.62%)，在電子探針數(shù)據(jù)中主要以富鈣、硅與鈾石區(qū)分。水硅鈾礦和鈾石兩者之間存在一定的界線，但界線并不明顯，說明在表生作用下，水硅鈾礦和鈾石可以相互轉(zhuǎn)化(苗愛生等，2010)。

瀝青鈾礦亦為砂巖型鈾礦床中的主要鈾礦物，在中新生代盆地砂巖型鈾礦床中均可見，以UO2極高含量與其它類型鈾礦物區(qū)分，UO2含量64.66%～88.23%，含少量的 Si，Ca 雜質(zhì)。

鄂爾多斯盆地、二連盆地、巴音戈壁盆地、松遼盆地等砂巖型鈾礦中都發(fā)現(xiàn)鈦鈾礦，按其Ti和Fe的含量可以進(jìn)一步細(xì)分為鈦鈾礦、鐵鈦鈾礦和含鈦鈾礦物。鈦鈾礦主要成分以 UO2(51.07% ～79.58%)和 TiO2(10.23% ～40.19%)為主，F(xiàn)e 含量較少，不足3%。鐵鈦鈾礦則以 UO2，F(xiàn)eO，TiO2為主，UO2含比鈦鈾礦略少，為14.17% ～47.00%，F(xiàn)eO 含量增高(13.78% ～28.35%)，TiO2含量6.70% ～40.09%。而含鈦鈾礦物主要是以 UO2(58.83% ～74.42%)為主，含少量的 TiO2(4.73%～9.52%)，F(xiàn)eO 含量2%左右。

聶逢君等(2010)在二連盆地2081礦床發(fā)現(xiàn)新類型鈾礦物——鈾釷礦，該類型鈾礦物主要以富含ThO2為特征，含量為51.02% ～55.79%，UO2含量較少(6.73% ～8.34%)，SiO2含量為 12.44% ～12.87%，含少量 La，Ce 稀土元素。

二連盆地2082礦床(聶逢君等，2010)和巴音戈壁盆地塔木素礦床中均發(fā)現(xiàn)菱鈣鈾礦，UO2含量29.56% ～ 41.08%，CaO 含量 11.44% ～ 18.29%。與各類型鈾礦物相比，菱鈣鈾礦以富CaO為特征，UO2含量偏少。因?yàn)殁櫟V物中水無法測(cè)出，所以電子探針分析結(jié)果的總量在58.74% ～65.67%之間。

鈾的碳酸鹽:在二連盆地2081礦床發(fā)現(xiàn)鈾的碳酸鹽礦物，其主要成分為 UO2(28.90%)，SiO2(14.46%)，CaO(10.59%)，P2O5(17.87%)，含少量的 Al2O3(4.64%)。

3 鈾的賦存形式

根據(jù)電子探針背散射電子圖像可以看出，砂巖型鈾礦床中鈾礦物主要賦存于礦化砂巖的填隙部位及碎屑物或礦物的解理中，交代黃鐵礦、炭屑等;部分分散形式的鈾礦物被砂巖填隙物中的粘土礦物、碎屑物和礦物顆粒表面或裂隙面吸附(閔茂中等，2006)。鈾礦物多與黃鐵礦共生，部分鈾礦物與石英，長石共生，電子探針背散射圖像見圖1。

3.1 鈾礦物與石英共生

圖1A中所示，鈾礦物呈集合體或微脈狀沿石英顆粒裂隙發(fā)育，穿切碎屑石英。表明含鈾溶液的活動(dòng)比較強(qiáng)烈，氧化還原過渡帶成礦環(huán)境為弱酸—弱堿性環(huán)境(陳友良等，2007;喬海明等，2011)，因?yàn)樵趬A性條件下，二氧化硅才溶解，鈾元素能與二氧化硅生成鈾石類礦物而沉淀(苗愛生等，2010)。圖1B也顯示鈾礦物賦存于石英和鉀長石接觸面。

3.2 鈾礦物與長石共生

本次電子探針分析中，大量的電子探針背散射圖像表明，斜長石碎屑裂隙面和解理面也是鈾礦物的賦存空間，如圖1C所示。圖1D中斜長石溶蝕孔隙中，瀝青鈾礦交代黃鐵礦與斜長石共生。

3.3 鈾礦物與黃鐵礦共生

陳祖伊等(2007)根據(jù)實(shí)驗(yàn)和綜合前人的工作認(rèn)為，黃鐵礦與鈾礦物的共生關(guān)系存在兩種情況:(1)含鈾溶液中Fe3+與U6+有先后沉淀的特點(diǎn)，形成FeS2和UO2，在Eh值降低的過程中，F(xiàn)e3+總是先于U6+還原沉淀，所以鈾礦物圍繞新生的黃鐵礦分布;(2)先存在的黃鐵礦在無氧環(huán)境中可與水發(fā)生反應(yīng)生成H2S，還原U6+，鈾礦物在黃鐵礦表面富集。在電子探針背散射圖1D、E可以看出，鈾礦物分布在膠狀黃鐵礦顆粒內(nèi)部，可能與陳祖伊認(rèn)為的第一種情況有關(guān)。而圖1F中鈾礦物分布?jí)K狀黃鐵礦邊緣，部分鈾礦物也可以與草莓狀黃鐵礦共生(羅毅等，2012)，可能是先存在的黃鐵礦與水反應(yīng)生成H2S還原作用的結(jié)果。

表1 鈾礦物電子探針定量分析結(jié)果Table 1 Electronic probe analysis result of uranium wt%

圖1 電子探針背散射電子圖像Fig.1 BSE of uranium minerals

3.4 鈾礦物與有機(jī)質(zhì)共生

在砂巖型鈾礦中有機(jī)質(zhì)對(duì)鈾的吸附作用也是鈾富集成礦的一種方式。呈炭屑狀分布的有機(jī)質(zhì)，主要沿砂、礫巖層面分布;細(xì)分散狀有機(jī)質(zhì)，分布于砂巖膠結(jié)物中。在腐殖酸的作用下，有機(jī)質(zhì)炭屑吸附鈾，鈾礦石中鈾主要以腐殖酸吸附或腐殖酸鹽形式存在(向偉東等，2006)。根據(jù)電子探針背散射圖(閔茂中等，2006)炭屑中鈾主要賦存于碳化木碎屑的木質(zhì)植物細(xì)胞腔內(nèi)。

3.5 鈾礦物與粘土礦物共生

粘土礦物伊利石、蒙皂石和高嶺石等對(duì)鈾的吸附作用也比較強(qiáng)烈，在本次研究中由于礦石品位較低，并未發(fā)現(xiàn)粘土礦物吸附形式鈾，但是在前人(閔茂中等，2006;聶逢君等，2010;苗愛生等，2010)工作中發(fā)現(xiàn)大量的鈾被粘土礦物吸附。研究認(rèn)為礦物表面積越大對(duì)鈾的吸附能力越強(qiáng)，粘土礦物具有表面積大的特征，對(duì)鈾的吸附作用較強(qiáng)。

4 鈾礦物形成條件及成因探討

砂巖型鈾礦床中鈾礦物的沉淀富集除了與成礦帶中含大量的黃鐵礦、有機(jī)質(zhì)等還原劑有關(guān)外，與地層中含鈾溶液的pH值和Eh值的變化也有密切的關(guān)系。

4.1 鈾礦物形成條件分析

研究認(rèn)為，鈾礦物的沉淀與成礦帶中溶液pH值和Eh值的降低是一個(gè)必不可少的條件。如圖2所示，從氧化帶到成礦帶(氧化還原過渡帶)pH值、Eh值明顯降低(陳祖伊等，2007;王正其等，2006)。

圖2 還原地球化學(xué)障內(nèi)地球化學(xué)參數(shù)的變化Fig.2 The diagram showing the variation of geochemical parameters in reduction geochemical barrier

在氧化帶中溶液呈堿性或弱堿性，pH值較高，約為7.5～8.5，溶液中含大量的自由氧，Eh值也較高(陳祖伊等，2010;張映寧等，2006;喬海明等，2011);當(dāng)溶液滲入到成礦帶時(shí)，原生沉積的黃鐵礦發(fā)生氧化，生成大量的 SO42－離子(蔡根慶等，2006;陳祖伊等，2010)，伴隨著溶液中自由氧的耗盡，巖層中有機(jī)質(zhì)在厭氧菌的作用下，生成大量的CH4與SO42－反應(yīng)生成H2S，成為UO22+的還原劑。由于H2S的形成，造成了Eh值的迅速下降，其反應(yīng)原理方程式如下:

同時(shí)，H2S離解產(chǎn)生的S2－與Fe2+結(jié)合形成黃鐵礦，H+則造成了pH值的降低，pH值約為7。

pH值降低，溶液呈中性或弱堿—弱酸性，Eh值也降低，這一區(qū)域?yàn)闃O弱氧化—極弱還原環(huán)境(陳祖伊等，2010;喬海明等，2011)。溶液中碳酸鹽絡(luò)合物［UO2(CO3)3］4－和［UO2(CO3)2］2－由于 pH值和Eh的降低分解，UO22+在成礦帶(氧化還原過渡帶)處于過飽和狀態(tài)，在大量還原劑的作用下沉淀富集成礦(李盛富等，2004;陳祖伊等，2010)。

4.2 鈾礦物的成因探討

如前所述，在氧化還原過渡帶，溶液呈中性或弱堿—弱酸性，且UO22+處于飽和狀態(tài)，在還原劑的作用下還原富集，與長石、黃鐵礦和有機(jī)質(zhì)等共生，另外，在堿性條件下鈾元素可以和二氧化硅反應(yīng)生成鈾石類礦物沉淀，與石英共生。有機(jī)質(zhì)的吸附和絡(luò)合作用也是鈾礦物富集成因之一。

4.2.1 化學(xué)還原作用

氧化還原過渡帶中鈾礦物形成的還原作用主要有氣體還原作用和固體還原作用(李盛富等，2004)。

氣體還原作用主要是H2S的還原作用，在中性或者堿性環(huán)境下，［UO2(CO3)3］4－和 UO22+能和H2S反應(yīng)生成UO2。

在巴音戈壁盆地塔木素礦床的野外實(shí)際調(diào)查工作中，ZKH32-16孔591.5 m處灰色賦礦砂巖孔隙中見硫單質(zhì)可以確切的證明上述反應(yīng)的可能性。

固體還原作用主要是指原生黃鐵礦的還原作用，大量學(xué)者普遍認(rèn)為黃鐵礦還原是砂巖型鈾礦床鈾礦物富集沉淀的主要作用。Fe2+能產(chǎn)生U6+還原沉淀的條件，同時(shí)生成大量的H+。

在電子探針背散射圖像中鈾礦物與膠狀黃鐵礦共生的現(xiàn)象可以認(rèn)為是原生黃鐵礦提供Fe2+與，H2S反應(yīng)生成UO2和次生黃鐵礦，形成黃鐵礦包裹鈾礦物的現(xiàn)象(劉陶勇，2004;陳祖伊等，2007)，如圖1D，E。

4.2.2 有機(jī)質(zhì)絡(luò)合作用和吸附作用

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查可知，砂巖型鈾礦床賦礦砂體中含大量的植物碳屑，有機(jī)質(zhì)含量較高，有機(jī)質(zhì)對(duì)鈾的絡(luò)合作用和吸附作用是鈾礦物在氧化還原過度帶形成富集的重要因素(李盛富等，2004;張明瑜等，2005;王正其等，2006)。

李盛富等(2004)認(rèn)為有機(jī)質(zhì)的絡(luò)合作用主要是指腐植酸和富里酸的絡(luò)合作用，它們能強(qiáng)烈的絡(luò)合鈾和其它金屬離子，形成有機(jī)鈾酰絡(luò)合物。根據(jù)紅外光譜證實(shí)，鈾以鈾酰離子的形式被固態(tài)腐植酸滯留，腐植酸中的羧基起著雙齒狀配位體的作用與UO22+絡(luò)合。

砂巖型鈾礦床中鈾礦物的吸附主要是粘土礦物和有機(jī)質(zhì)的吸附，根據(jù)電子電子顯微鏡下觀察(苗愛生等，2010)植物碳屑細(xì)胞腔內(nèi)和粘土礦物解理面內(nèi)鈾礦物以吸附形成存在，α徑跡實(shí)驗(yàn)(徐喆等，2010)可以觀察到，鈾礦物在粘土礦物和植物碳屑周圍或裂隙面以分散狀、條帶狀分布。

5 結(jié)論

(1)中新生代砂巖型鈾主要以中細(xì)砂巖為賦礦載體，在氧化還原過渡帶隨著溶液中自由氧的耗盡，pH值和Eh值的降低，鈾礦物富集沉淀。電子探針分析顯示，鈾礦物類型為鈾石、水硅鈾礦、瀝青鈾礦、鈦鈾礦、鈾釷礦、菱鈣鈾礦和鈾碳酸巖。

(2)鈾石和水硅鈾礦是在堿性環(huán)境下含鈾溶液與石英反應(yīng)而沉淀富集，二者存在一定的界限，但在表生作用下可以相互轉(zhuǎn)換。

(3)鈦鈾礦根據(jù)Ti和Fe含量的不同可以進(jìn)一步細(xì)分為鈦鈾礦、鐵鈦鈾礦和含鈦鈾礦物。

(4)鈾礦物主要和石英、長石、黃鐵礦等共生，長石裂隙和解理面也是鈾礦物良好的賦存空間。鈾礦物與黃鐵礦共生分兩種類型，第一種類型:鈾礦物賦存于膠狀黃鐵礦內(nèi)部;第二種類型:鈾礦物賦存于塊狀、草莓狀黃鐵礦邊緣。

(5)在腐植酸的作用下，鈾主要以腐殖酸吸附或腐殖酸鹽形式存在，炭屑中鈾賦存于炭化木碎屑木質(zhì)細(xì)胞腔內(nèi)。粘土礦物對(duì)鈾的吸附也是另一種重要的鈾富集形式。

蔡根慶，黃志章，李勝祥.2006.十紅灘地浸砂巖鈾礦層間氧化帶蝕變礦物群［J］.地質(zhì)學(xué)報(bào)，80(1):119-124.

陳戴生，李勝祥，蔡煜琦.2003.我國中新生代盆地砂巖型鈾礦研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向的探討［J］.沉積學(xué)報(bào)，21(1):113-117.

陳友良，朱西養(yǎng)，張成江，等.2007.層間氧化帶砂巖型鈾礦稀土元素變化規(guī)律初探——以伊犁和吐魯番—哈密盆地為例［J］.地質(zhì)評(píng)論，53(4):473-484.

陳祖伊，郭慶銀.2007.砂巖型鈾礦床硫化物還原富集鈾的機(jī)制［J］.鈾礦地質(zhì)，23(6):321-334.

陳祖伊，郭慶銀.2010.砂巖型鈾礦床層間氧化帶前鋒區(qū)稀有元素富集機(jī)制［J］.鈾礦地質(zhì)，26(1):2-7.

李盛富，張?zhí)N.2004.砂巖型鈾礦床中鈾礦物的形成機(jī)理［J］.鈾礦地質(zhì)，20(2):81-90.

劉陶勇.2004.層間氧化帶砂巖型鈾礦床形成機(jī)理—以伊犁盆地南緣為例［J］.新疆地質(zhì)，22(4):382-385.

劉興忠.1982.我國鈾礦床類型和地質(zhì)礦化特征［J］.核科學(xué)與工程，1(2):81-85.

羅毅，何中波，馬漢峰，等.2012.松遼盆地錢家店砂巖型鈾礦成礦地質(zhì)特征［J］.礦床地質(zhì)，31(2):391-400.

苗愛生，陸琦，劉惠芳，等.2010.鄂爾多斯盆地東勝砂巖型鈾礦中鈾礦物的電子顯微鏡研究［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，24(4):785-789.

閔茂中，彭新建，王果，等.2006.我國西北地區(qū)層間氧化帶砂巖型鈾礦床中鈾的賦存形式［J］.鈾礦地質(zhì)，22(4):193-201.

聶逢君，陳安平，彭云彪，等.2010.二連盆地古河道砂巖型鈾礦［M］.北京:地質(zhì)出版社:145-152.

喬海明，閆周讓，章金彪，等.2011.吐哈盆地十紅灘鈾礦床稀土元素地球化學(xué)特征淺析［J］.地質(zhì)評(píng)論，53(1):73-79.

王正其，李子穎，管太陽，等.2006.新疆伊犁盆地511砂巖型鈾礦床成礦作用機(jī)理研究［J］.礦床地質(zhì)，25(3):302-310.

吳仁貴，周萬蓬，劉平華.2008.巴音戈壁盆地塔木素地段砂巖型鈾礦成礦條件及找礦前景分析［J］.鈾礦地質(zhì)，24(1):24-31.

向偉東，尹金雙.2006.砂巖型鈾礦床成礦過程中腐殖酸作用機(jī)理探索［J］.世界核科學(xué)地質(zhì)，23(2):73-77.

徐喆，吳仁貴，蔡建芳，等.2010.α徑跡蝕刻方法在砂巖型鈾礦研究中的應(yīng)用——以通遼地區(qū)砂巖鈾礦為例［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，33(1):9-14.

楊曉勇，凌明星，賴小東，等.2009.鄂爾多斯盆地東勝－黃龍地區(qū)砂巖型鈾礦鈾礦物賦存狀態(tài)研究［J］.地質(zhì)學(xué)報(bào)，83(4):1167-1185.

張明瑜，鄭紀(jì)偉，田時(shí)豐，等.2005.開魯坳陷錢家店鈾礦床鈾的賦存狀態(tài)及鈾礦形成時(shí)代研究［J］.鈾礦地質(zhì)，21(3):213-218.

張金帶，徐高中，林錦榮，等.2010.中國北方6種新的砂巖型鈾礦對(duì)鈾資源潛力的提示［J］.中國地質(zhì)，31(5):1434-1447.

張映寧，李勝祥，王果，等.2006.新疆伊犁盆地南緣層間氧化帶砂巖型鈾礦床中稀土元素地球化學(xué)特征［J］.地球化學(xué)，35(2):211-218.