伍 群， 荊國強， 楊冰彬， 曹 雷

(核工業(yè)二〇三研究所，西安 710000)

新疆吐哈盆地是我國重要的可地浸砂巖型鈾礦產(chǎn)出盆地，目前已在其西南緣發(fā)現(xiàn)的十紅灘鈾礦床是我國發(fā)現(xiàn)的大型可地浸砂巖鈾礦床之一，該礦床位于吐哈盆地西南緣艾丁湖斜坡帶中段，含礦目的層為侏羅系西山窯組(J2x)。自20世紀90年代起，關(guān)于該礦床的物質(zhì)來源、巖石學(xué)特征、地球化學(xué)特征、沉積環(huán)境、成礦條件及成礦模式的研究，前人對其進行了多方面的研究工作[1-5]。隨著研究的深入，國內(nèi)不少學(xué)者已經(jīng)對砂巖型鈾礦床目的層中黏土礦物進行了研究，研究人員也早已意識到黏土礦物在砂巖型鈾礦成礦過程中可能扮演重要作用，并發(fā)現(xiàn)其與鈾礦床的形成有密切關(guān)系[6]。

在野外鉆孔現(xiàn)場編錄、室內(nèi)巖礦鑒定以及掃描電鏡鑒定過程中，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)目的層西山窯組含有大量的黏土礦物，通過對黏土礦物組合特征、形態(tài)、空間分布特征、成因及其地質(zhì)意義開展研究，進而探討與鈾成礦之間的關(guān)系，以期對于本研究區(qū)的砂巖型鈾礦成礦作用及地浸工藝研究提供一定的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)概況

吐哈盆地為天山褶皺帶內(nèi)一個不規(guī)則的中新生代內(nèi)陸山間盆地，基底為石炭系迪坎兒組(C2d) , 主要由凝灰質(zhì)砂巖、礫巖、粉砂巖及薄層灰?guī)r組成, 蓋層主要為中下侏羅統(tǒng)水西溝群(J1- 2Sx)[7]，北部多見古近系鄯善群(ESs)。十紅灘鈾礦床地區(qū)位于盆地西南緣的艾丁湖斜坡帶上(圖1)，區(qū)內(nèi)及外圍構(gòu)造活動相對較弱, 斷裂構(gòu)造主要有鷹嘴崖斷裂，褶皺構(gòu)造均為寬緩的背斜和向斜，十紅灘鈾礦床分為南、中、北3個礦帶。

十紅灘鈾礦床屬于典型的層間氧化帶砂巖型鈾礦床，含礦主巖為中侏羅統(tǒng)西山窯組 (J2x)的辮狀河-辮狀河三角洲平原亞相灰白色、淺灰色、淺褐黃色砂巖[8], 南礦帶產(chǎn)礦層位為西山窯組第一巖性段(J2x1)；中礦帶才產(chǎn)礦層位為西山窯組第二巖性段(J2x2)；北礦帶才產(chǎn)礦層位為西山窯組第二、三巖性段(J2x2、J2x3)。該礦床的分布范圍受層間氧化帶前鋒線控制，氧化帶順著含水層中水流方向南北向發(fā)育，前鋒線東西走向上延伸近十千米，埋深50～560m，傾向上延伸0.5～5km，層間氧化帶控制著該礦床的形成和鈾礦床的分布范圍。

2 樣品采集與分析

28件樣品均采自十紅灘鈾礦床北礦帶目的層第三巖性段(J2x3)，并根據(jù)地球化學(xué)環(huán)境分帶性(還原帶、過渡帶、弱氧化帶、氧化帶)進行取樣,在室內(nèi)對樣品進行了X射線衍射及掃描電子顯微鏡分析(表1)。X射線衍射測試由核工業(yè)地質(zhì)分析測試研究中心完成，所用儀器為日產(chǎn)Panalytical X’Pert PRO MPD，檢測方法 執(zhí)行SY/T5163—1995、SY/T6201—1996行業(yè)標(biāo)準，分析條件為：電壓 40kV，電流 40mA，X射線靶為Cu靶，量角度范圍3°～30°。掃描電子顯微鏡分析測試工作于東華理工大學(xué)放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，采用Nova NanoSEM450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行測試。測試要求房間溫度20±2℃和濕度<80%，且儀器主機部分要求一直保持高真空狀態(tài)。

3 黏土礦物類型及含量分布特征

黏土礦物分為原生的和后生的，主要以雜基形式存在于砂巖中的粗碎屑中。北帶容礦層全巖黏土含量分析測試顯示(表1)，層間氧化帶中巖石的黏土含量為10.4%～31.9%，平均20.3%；弱氧化帶為15.1%～32.0%，平均21.7%；氧化還原過渡帶(礦帶)為14.1%～29.4%，平均21.5%，還原帶為12.8%～21.8%，平均18.7%。即相對于還原帶、氧化帶，弱氧化帶和氧化還原過渡帶的黏土含量發(fā)生了一定的增高現(xiàn)象，意味著在層間氧化帶發(fā)育和鈾成礦作用過程中發(fā)生了黏土化作用，黏土礦物總量(TC)平均值在理論上砂體氧化程度愈高黏土礦物總量愈高[9]，但從表1看出弱氧化帶、過渡帶砂巖中黏土礦物含量最高，說明黏土礦物不僅來自后生氧化蝕變，還有一部分為后生還原蝕變的產(chǎn)物。

1-鄯善群；2-西山窯組四段；3-西山窯組三段；4-西山窯組二段；5-西山窯組一段；6-三工河組；7-八道彎組；8-蝕源區(qū)；9-盆地邊界；10-斷裂及推測斷裂；11-角度不整合；12-地層界限；13-南礦帶氧化帶前鋒線；14-中礦帶層間氧化帶前鋒線；15-北礦帶層間氧化帶前鋒線；16-勘探線號；17-鉆孔號；18-南礦帶；19-北礦帶；20-中礦帶；21-北礦帶第二巖性段礦帶；22-白咀山礦帶；23-取樣分布范圍

總體上氧化帶、弱氧化帶，氧化還原過渡帶的黏土化作用發(fā)育的相對比較均勻，黏土礦物種類以高嶺石和伊利石為主，其次為綠泥石、伊/蒙混層, 由于在個別樣品中測出蒙脫石含量，數(shù)量較少，不具有參考意義。

3.1 黏土礦物的成分及含量分布特征

從圖2中可看出，黏土礦物種類主要為高嶺石、伊利石，其次為綠泥石、伊蒙混層等。鈾含量變化與黏土礦物總量(TC)變化趨勢無明顯相關(guān)性，北礦帶容礦層中含礦砂巖與非含礦砂巖樣品的物質(zhì)組成及黏土礦物種類無明顯差別。

3.1.1 高嶺石

高嶺石是北礦帶發(fā)育最為普遍的黏土礦物，在氧化帶巖石中含量為12.0%～46.0%，平均為32.2%；在弱氧化帶巖石中含量為43%～47.0%，平均45.6%；在礦帶中含量9.0%～49.0%，平均34.4%；還原帶巖石中8.0%～44.0%，平均26.8%。即相對還原帶，弱氧化帶和氧化還原過渡帶中高嶺石含量明顯增高，表明在后生作用過程中，有大量的高嶺石生成。

3.1.2 伊利石

伊利石在氧化帶巖石中含量為6.0%～37.0%，平均26.3%；在弱氧化帶巖石中含量為0.0%～30.0%，平均22.7%；在灰色礦石中含量為7.0%～30.0%，平均29.3%；在還原帶巖石中含量為5.0%～23.0%，平均15.6%。在各帶中其含量變化特征與高嶺石非常相近，亦即在層間氧化帶發(fā)育和鈾成礦過程中有次生伊利石的形成。

3.1.3 綠泥石

氧化帶巖石中綠泥石含量為6.0%～22.0%，平均16.8%；在弱氧化帶巖石中綠泥石含量為16.0%～18.0%，平均16.8%；北礦帶礦石中綠泥石含量為5.0%～22.0%，平均16.0%；在還原帶巖石中5.0%～19.0%，平均僅為12.0%。即還原帶巖石中綠泥石含量最低，在氧化帶和氧化還原過渡帶有相對較多的次生綠泥石形成。大多數(shù)是黑云母水解作用的產(chǎn)物，成纖維狀顯微葉片狀聚晶布于雜基之中或微細脈狀沿裂隙充填。未完全水解的還保存有黑云母的假象或者殘余(圖2c)。

a、b為野外巖心照片；c-正交光顯微照片10×10(+)； d-單偏光顯微照片10×10(-)； e-正交光顯微照片10×10(+)； f-正交光顯微照片10×10(+)。Bi-黑云母，Chl-綠泥石，Kln-高嶺石，Hyd-水云母，Ser -絹云母，Pl-斜長石，Hem-赤鐵質(zhì)

3.1.4 伊/蒙混層

伊/蒙混層含量為8%～20%，平均14%，伊/蒙混層黏土礦物是伊利石和蒙脫兩個端元礦物之間的過渡礦物，是由伊利石晶層和蒙皂石晶層沿 C 軸或者(001)方向無規(guī)則相互交替構(gòu)成的層狀硅酸鹽礦物[10]，伊利石和蒙脫石的形成都需要成礦溶液中含有Si和Al，富K+是伊利石生成的必要條件，而Mg2+是形成蒙脫石的前提。相對于高嶺石，伊利石和蒙脫石的成因復(fù)雜[11]。而云母、長石等富K+礦物的分解提供了足夠的的K+和Al3+，隨著埋深的增加、溫度的升高，蒙脫石脫水并且八面體Al3+對四面體Si4+進行替代，引起層間負電荷增加而是進入晶層開始形成伊/蒙混層礦物。說明在成礦作用過程中，發(fā)生了云母、長石的分解作用(圖3b)。

3.1.5 綠/蒙混層

綠/蒙混層是蒙脫石在富Mg2+、 Fe2+的情況下向綠泥石轉(zhuǎn)化中的產(chǎn)物，呈薄片狀包于顆粒表面或者充填于顆粒間，既有綠泥石的片狀、疊片狀結(jié)構(gòu)，也有蒙脫石的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(圖3e)。其主要在礦石中被發(fā)現(xiàn)，其含量7%～43%，表明在成礦過程中，層間水富含Mg2+、Fe2+，使得蒙脫石向綠泥石的轉(zhuǎn)化，形成綠/蒙混層。

對測試樣品中伊蒙混層、蒙脫石、綠蒙混層的含量數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，三者只要其一存在，另外兩個含量極低甚至就存在，亦即在容礦層中，由于地下水中富含K+、Fe2+、Mg2+，發(fā)生了“伊蒙混層←蒙脫石→綠蒙混層”，這也是容礦層大部分巖石中缺少蒙脫石的原因。

表1 十紅灘鈾礦床北礦帶礦石和圍巖黏土礦物分析結(jié)果

不同地球化學(xué)分帶各黏土礦物含量略有差異，砂巖中高嶺石含量由強氧化帶到弱氧化帶有明顯增高的趨勢，到過渡帶和原生帶其含量又略有降低，但總體變化幅度不大，弱氧化帶、過渡帶中高嶺石的相對含量較高，可能是酸性前鋒作用所至。伊利石、綠泥石含量在各分帶中變化不大，分別為20%、15%左右。

3.2 黏土礦物的鏡下微觀特征

在巖心地質(zhì)編錄過程中經(jīng)?？梢娫谘趸€原過渡帶、還原帶有大量的灰白色黏土礦物呈粉末狀分布(圖2a、b)。吐哈盆地為產(chǎn)煤盆地，早期盆地處于弱酸性環(huán)境中，層間水呈酸性，導(dǎo)致氧化還原過渡帶、還原帶發(fā)生強烈的黏土蝕變，形成較多的高嶺石等黏土礦物，成巖后期隨著埋深加大，長石類礦物的分解作用也可產(chǎn)生大量的黏土礦物。通過顯微鏡下觀察，綠泥石、黑云母、絹云母及書頁狀高嶺石等黏土礦物充填于碎屑顆粒之間(圖2c、d、e)，同時高嶺石(Kln)也可向水云母-絹云母化(Hyd-Ser)發(fā)生轉(zhuǎn)變，綠泥石在高溫作用下或受后期熱流體的改造部分轉(zhuǎn)變?yōu)楹谠颇?Bt)，還可觀察到原生的黑云母(Bi)沿解理面發(fā)生過綠泥石化(Chl)蝕變(圖2f)。

通過掃描電鏡下觀察結(jié)果表明，黏土礦物晶形變化較大，有自形程度很高的，也有晶形破損嚴重的，晶體大小相差懸殊，表明含礦砂體經(jīng)歷了多種類、多期次的黏土化蝕變作用。氧化帶中所見黏土礦物被流體蝕變改造尤為明顯，礦物表面常見有另外的黏土礦物生長，呈“毛刺狀”“絨球狀”等形態(tài)。如圖3a為氧化帶高嶺石，被大量蜂窩狀蒙脫石所包圍；圖3b為氧化帶中所發(fā)育的伊/蒙混層，其中蒙脫石呈蜂窩狀，伊利石為拉絲狀分布于蒙脫石邊緣；圖3c為氧化帶伊利石，呈絲縷狀、拉絲狀，邊緣見蒙脫石分布。由此可見，氧化帶的黏土礦物蝕變作用較強。圖3d為過渡帶蒙脫石，呈鱗片狀，部分向高嶺石轉(zhuǎn)化；還原帶的黏土礦物整體較為干凈整潔，圖3e為還原帶綠/蒙混層，蒙脫石呈鱗片狀，綠泥石少量分布在蒙脫石的邊緣，呈針狀、片狀，還原帶中的蒙脫石不同于圖3a氧化帶中的蜂窩狀。還原帶中高嶺石較常見，相比氧化帶其含量有所減少。圖3f為原生帶片狀高嶺石，呈書頁狀、片狀，表面干凈，晶型完好，較氧化帶和過渡帶中形態(tài)明顯不同，成分也較單一。

Kln-高嶺石；Mnt-蒙脫石；Ill-伊利石；I/S-伊蒙混層；C/S-綠蒙混層

4 鈾成礦關(guān)系探討

十紅灘鈾礦床北礦帶礦石中鈾的存在形式以鈾礦物和吸附狀態(tài)鈾為主，兩者約各占50%左右，其中吸附態(tài)鈾主要被砂巖中的炭屑、有機質(zhì)、黏土礦物所吸附。通過對鉆探巖心觀察，發(fā)現(xiàn)鈾礦化及工業(yè)鈾礦段主要產(chǎn)生在富含炭屑的灰色、淺灰色砂巖中，同時伴有大量后生蝕變的黏土，通過電子探針、掃描電鏡(圖4)分析也表明鈾礦物主要分布在有機質(zhì)、黏土周圍，黏土礦物與鈾緊密共生，暗示了其對鈾的吸附作用[12]。

前人研究指出，在表生條件下，黏土礦物通過吸附作用進而實現(xiàn)對鈾的沉淀與富集。主要表現(xiàn)在：(1)鈾酰離子帶正電荷、水解能力弱，而黏土礦物帶負電荷，因此很容易將其吸附，黏土礦物種類不同對鈾的吸附能力也不同；(2)黏土礦物比表面積與陽離子交換能力對鈾(UO2+)的吸附能力有很大差異，比表面積越大，吸附鈾的能力越強，其比表面積整體表現(xiàn)為蒙皂石>伊利石>綠泥石>高嶺石[6，15]，陽離子交換能力越強，吸附鈾的能力越強[16]。從陽離子交換能力來看，蒙脫石晶格內(nèi)Al3+部分被低價Mg2+取代，從而導(dǎo)致晶格內(nèi)電荷不平衡，為了補償其電荷的不平衡，就需要吸附層間水中的部分高價陽離子以[17]。因此，蒙脫石具有更強的鈾吸附能力。然而由于十紅灘地區(qū)西山窯組砂巖中高嶺石、伊利石、綠泥石含量高于蒙脫石，從而推測蒙脫石吸附沉淀鈾的貢獻低于高嶺石、伊利石、綠泥石。

通過對黏土礦物做回歸分析表明：在過渡帶中鈾的含量與黏土礦物的總含量及高嶺石、伊利石、綠泥石的含量一定的弱正相關(guān)性(圖5)，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.212 8、0.209 5、0.231 5、0.117，從圖5a中可看出黏土礦物總含量越高，鈾的含量相對也越高，而黏土礦物的種類(高嶺石、伊利石、綠泥石)與鈾的含量變化不是特別明顯，而與其含量具有弱正相關(guān)性，因此鈾的富集成礦與黏土含量是有一定的相關(guān)關(guān)系的。

圖4 鈾礦石電子彩色背散射圖像

圖5 北礦帶礦石中鈾含量與黏土礦物含量關(guān)系曲線圖

5 結(jié)論

1)十紅灘鈾礦床北帶含礦層西山窯組砂巖中黏土礦物極為發(fā)育，種類以高嶺石、伊利石為主，其次為綠泥石和伊蒙混層，蒙脫石個別樣品中可見。通過掃描電鏡及顯微鏡觀察，鏡下高嶺石多呈書頁狀、風(fēng)琴狀及蠕蟲狀；伊利石單體形貌多為拉絲狀；綠泥石呈片狀，蒙脫石具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)。

2)黏土礦物是砂巖型鈾礦中鈾富集的重要吸附劑，在過渡帶，具有強烈黏土蝕變的砂巖層中鈾含量較其他層位要高，反映出黏土礦物與鈾成礦是有成因關(guān)聯(lián)的。不同種類的黏土礦物之間在層間氧化環(huán)境中存在著一系列的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，對鈾的吸附能力又存在一定差異。

3)鈾的含量與黏土礦物的含量具有一定的弱正相關(guān)性，與不同種類的黏土礦物的含量同樣具有弱正相關(guān)性，鈾的富集成礦與黏土礦物的吸附作用是密切相關(guān)的，另外鈾的富集沉淀還受構(gòu)造、巖性、沉積相、水動力、還原障等其他成礦條件共同控制。