廖石丹， 劉金輝， 黎廣榮， 趙 凱， 陽奕漢，邢擁國， 胡鵬飛， 王如意， 周義朋， 梁大業(yè)

(1.東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330013; 2.核資源與環(huán)境國家重點實驗室，江西 南昌 330013；3.中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；4.中核科技集團有限公司，北京 101149)

巴彥烏拉砂巖型鈾礦床位于內(nèi)蒙古中部，隸屬于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟蘇尼特左旗巴彥烏拉蘇木(鄉(xiāng))。礦床呈北東向展布，長約8.8 km、寬為100～800 m，面積約2.8 km2(鄭和秋野等,2017)，是我國較早發(fā)現(xiàn)的古河道型地浸砂巖型鈾礦。前人對該礦床的成因以及采冶方面做了許多研究，主要包括賦礦地層(魯超,2019；苗鵬翼等,2021)、礦物學(xué)(Yan et al.,2013；高賀偉等,2017)、地球化學(xué)(晏彥等,2019)、鈾成礦流體(聶逢君等,2015)、成礦機理(林效賓等,2021；聶逢君等,2015；李強,2019；Nie et al.,2020)以及水文地質(zhì)特征(岳淑娟,2011)、地浸采鈾影響因素(鄭和秋野,2017)、開采工藝(蔣小輝等,2017)、三維地質(zhì)建模(朱春梅等,2017)等方面。前人對該礦床地球化學(xué)特征的分析主要集中在老采區(qū)，隨著采區(qū)的擴大，該礦床西南段尚未開展系統(tǒng)研究。因此，筆者以該礦床新建成的C11、C12地浸采區(qū)巖芯樣品作為對象，使用偏光顯微鏡、SEM-EDS、電感耦合等離子質(zhì)譜等儀器對巴彥烏拉鈾礦床西南段礦石地球化學(xué)特征進行研究，為該礦床后續(xù)開發(fā)地浸工藝參數(shù)的確定提供地球化學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)

二連盆地位于內(nèi)蒙古的中北部，其大地構(gòu)造位置處于亞洲板塊與西伯利亞板塊縫合線部位。盆地四周被古生代和早中生代隆起包圍，北西以加里東-華力西期的巴音寶力格隆起為界，南部為加里東期的溫都爾廟隆起，東部有燕山中期的大興安嶺隆起，西部以狼山隆起為界。盆地總體走向為東西向，東西長約1 000 km，南北寬為20～240 km，總面積約為11×104km2。

二連盆地是在天山-興蒙華力西褶皺系基礎(chǔ)上發(fā)育的中新生代內(nèi)陸盆地?；子稍沤?、古生界變質(zhì)巖系及古生代-中生代的基性、中酸性侵入巖構(gòu)成，主體構(gòu)造線為東西向。中新生代沉積盆地由侏羅紀-早白堊世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。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，其內(nèi)部又分割為43個次級坳陷和22個次級隆起。該鈾礦床位于馬尼特坳陷西部的塔北次級坳陷中(圖 1)。

1.2 礦床地質(zhì)

巴彥烏拉鈾礦床位于內(nèi)蒙古蘇尼特左旗北28 km，礦體沿北東向延伸(潘宏峰等,2021)。礦床主要受賽漢組上段古河道砂體控制，古河谷的形成嚴格受基底構(gòu)造所造成的負地貌控制。賽漢組上段古河谷斷裂不發(fā)育，鈾礦體主要位于古河谷長軸線的變異部位(高賀偉等,2017)。礦床內(nèi)目前共有2個較小的礦體，礦體形態(tài)狹長，埋深為80～148 m(唐大偉,2010)。礦體在剖面上以卷狀為主，上、下段礦體均為板狀，有一定連續(xù)性。下段礦體較上段礦體延伸長，產(chǎn)狀比較平緩，發(fā)育于含礦砂體的中下部；上段礦體延伸短，產(chǎn)狀較陡，礦體主要集中在卷頭部位，卷頭礦體在區(qū)段內(nèi)比較穩(wěn)定，寬度為200～400 m(唐大偉,2010)。巴彥烏拉鈾礦床主要的產(chǎn)鈾層位為騰格爾組、賽漢組和二連組(魯超,2019；呂永華等,2021)。

2 礦石巖相學(xué)特征

為系統(tǒng)研究巴彥烏拉鈾礦床西南段新開拓的2個地浸采區(qū)礦石地球化學(xué)特征，本研究采集了20余個礦石樣品進行巖石學(xué)分析。結(jié)果表明，含礦巖石主要為含礫巖、含礫砂巖，及少量泥巖和粉砂巖。巖石樣品層狀構(gòu)造發(fā)育，膠結(jié)程度較低，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，部分樣品夾煤層。礫石在地層中的分布并不均勻，位于地層的不同埋深；礫石的粒徑多為2～3 cm，成分以長英質(zhì)巖石和長石碎晶為主，長石碎晶表面黏土化嚴重(圖2a)；長英質(zhì)礫石含少量暗色礦物，呈青灰色，石英顆粒具有油脂光澤，晶形較為完整(圖2b)。地層中存在大量的鐵質(zhì)膠結(jié)物，其多與有機質(zhì)伴生，使砂巖樣品固結(jié)程度增加，硬度變大，顏色多呈黑褐色，受到富氧流體的作用而呈現(xiàn)黃褐色的暈圈(圖2c)；可能由于受到流體改造，部分樣品發(fā)生高嶺石化和含鐵礦物的氧化而呈現(xiàn)白色和黃褐色(圖2d,e);有機質(zhì)大體呈有機碳的形式產(chǎn)出，主要為煤層和炭屑(圖2f,g,h,i)；在部分樣品中可見順層發(fā)育的裂紋(圖2i)。含礫砂巖的礫石不均勻分布在巖石樣品之中，分選性差，表明是快速堆積的產(chǎn)物。

偏光顯微鏡觀察顯示，礦石中碎屑顆粒以長石和石英為主，存在一定含量的云母類礦物和巖屑。樣品的磨圓度和分選度都比較差，部分樣品發(fā)育泥質(zhì)膠結(jié)和少量鐵質(zhì)膠結(jié)。微斜長石風(fēng)化相對較弱，可見明顯的格子雙晶(圖3a)，黏土礦物充填于碎屑顆粒之間，長石黏土化嚴重(圖3b,c,d)。黃鐵礦等金屬礦物主要發(fā)育在碎屑顆粒之間及顆粒內(nèi)部的溶蝕凹坑之間，形態(tài)各異，部分溶蝕嚴重(圖3e,f,g,h,i)，且部分黃鐵礦發(fā)生了氧化作用，形成紅褐色的赤鐵礦(郭先健等,1994；陳軍,2015)。鐵礦物在氧化條件下會發(fā)生溶解，對鈾的浸出具有積極的作用。

從掃描電鏡的分析結(jié)果來看，巖芯的礦物組成主要為石英、長石、云母等碎屑顆粒以及一些物理風(fēng)化破碎形成的細顆粒碎屑物，這些碎屑物膠結(jié)成為碎屑顆粒的骨架。另外，細顆粒碎屑物的化學(xué)風(fēng)化也比較強烈，K、Na等陽離子遷出，并且吸附了一定量的鈾元素。從大顆粒的長石可以看到差異性風(fēng)化造成的凹坑，發(fā)育一些細顆粒的高嶺石等黏土礦物?？傮w來看，礦石的物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化并存，結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度均很低，顆粒分布不均勻，黏土礦物并未生長為典型的晶體形態(tài)(圖 4)。此外，地層中還含有對鈾元素浸出產(chǎn)生明顯影響的黃鐵礦，其主要以獨立碎屑顆粒、鐵質(zhì)膠結(jié)物、石英凹穴副礦物、草莓狀黃鐵礦的形式產(chǎn)出(圖5)。

地層中主要礦物為石英和長石(表1)，石英含量變化范圍相對比較大，長石以鈣長石和鈉長石為主，部分樣品中存在一些微斜長石、冰長石、透長石、歪長石。整體來看，地層中的石英含量高于長石，并且每一個樣品中石英和長石比例并不相同(圖6)。

3 礦石地球化學(xué)特征

3.1 主量元素特征

礦石主量元素分析結(jié)果見表2。研究發(fā)現(xiàn)，本礦床的CaO含量較低，平均值為0.40%，因而在地浸采鈾時，適宜選用酸法浸出工藝。通過元素含量間相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，SiO2與K2O、Na2O呈現(xiàn)一定程度的正相關(guān)，與CaO、Al2O3、P2O5、TiO2、TFe2O3、燒失量均呈現(xiàn)負相關(guān)(圖7)。

3.2 微量元素特征

礦石微量元素分析結(jié)果見表3。對微量元素進行球粒隕石(Sun et al.,1989)標準化發(fā)現(xiàn)，Nb，Sr，Sm，Y，Tm，Yb相對虧損，La、Nd、Ce相對富集(表3，圖8a)。稀土配分模式表現(xiàn)為輕稀土富集，重稀土虧損的特點(表3，圖8b)，其中輕稀土元素分異作用較明顯，(La/Sm)N平均值為5.77；重稀土元素分異作用不明顯，(Gd/Yb)N平均值為1.84。δCe平均值為0.99，表明Ce異常不明顯。δEu平均值為0.61，表明Eu具有較明顯的負異常(圖8b)。

表1 巴彥烏拉礦床西南段鈾礦石XRD分析結(jié)果

表2 巴彥烏拉鈾礦床西南段礦石主量元素測試結(jié)果

3.3 U與Fe的關(guān)系

砂巖型鈾礦床中鈾元素的富集成礦主要受含礦層的氧化還原控制。Fe為礦層中主要變價金屬元素，F(xiàn)e2+和Fe3+的含量能在一定程度上反映地層的氧化還原環(huán)境。礦石中鐵主要以黃鐵礦的形式存在，且鈾含量與鐵含量之間應(yīng)存在正相關(guān)關(guān)系(Bonnetti et al., 2017)。通對鈾礦石中的U與Fe含量測試研究(表4)，F(xiàn)e3+含量與U6+、U4+含量均呈正相關(guān)關(guān)系，指示還原作用對鈾成礦有重要作用。此外，礦石中U含量不高，但U4+占比相對較高(平均值達到0.37)，且在SEM圖像上難以觀察到鈾礦物，據(jù)此認為礦石中的鈾主要以顯微顆粒的四價鈾礦物形式或吸附態(tài)的鈾酰離子產(chǎn)出。在砂巖型鈾礦床中，存在鈾以鐵錳氧化結(jié)合態(tài)的形式產(chǎn)出，且鐵氧化物-黏土礦物對鈾酰離子具有一定的吸附作用(馬強等,2012；李宇,2021)。

表4 礦石中U含量與Fe含量

3.4 U與C、S的關(guān)系

本礦石樣品中的無機C含量低，且多低于檢出限。U與有機C相關(guān)性不明顯(表5，圖10)，這可能與礦石中有機C含量極不均勻有關(guān)。S含量和U、U6+、U4+含量存在較好的正相關(guān)性(圖10)，S以黃鐵礦的形式存在，表明黃鐵礦的還原作用是控制鈾沉淀富集的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)論

通過對巴彥烏拉鈾礦床西南段地浸采區(qū)礦石地球化學(xué)特征進行研究，得到以下3點結(jié)論：

(1)該礦床礦石的主要巖性為礫巖和含礫中粗粒砂巖，礦物組成主要為石英、長石、云母等，其中長石表面粗糙，黏土化較嚴重，酸浸條件下長石的進一步黏土化可能會在地浸過程中引起含礦層堵塞。

(2)鈾礦石中主量元素SiO2含量與K2O、Na2O含量呈正相關(guān)性，與CaO、Al2O3、P2O5、TiO2、Fe2O3含量及燒失量呈負相關(guān)性；微量元素Nb，Sr，Sm，Y，Tm，Yb相對虧損；鈾礦石輕稀土富集，且輕稀土分異較明顯，重稀土分異不明顯。

(3)礦石中的鈾主要以顯微顆粒的四價鈾礦物或吸附態(tài)的鈾酰離子產(chǎn)出。U、U6+、U4+和S之間存在較好的正相關(guān)性，表明黃鐵礦的還原作用是控制鈾沉淀富集的關(guān)鍵因素。

表5 巴彥烏拉礦床西南段礦石特征元素與四六價鈾含量