劉陟娜，喬 鵬,2，閻學(xué)成，王榮學(xué)，于俊芳

(1. 核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；3. 包鋼集團(tuán)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(chǔ)量巨大、開采成本低和環(huán)保等特點(diǎn)，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(zhǔn)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(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)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(dá)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(duì)其進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究(聶逢君等,2015;李洪軍等,2012)，但缺乏對(duì)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(xué)成分(王貴等,2017;湯超等,2017)，而傳統(tǒng)的研究方法——放射性試驗(yàn)具有靈敏度高的顯著優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)度(張?chǎng)蔚?2015)。由于沉積巖中鈾礦物顆粒十分細(xì)小，無(wú)法通過(guò)單一方式展開研究，因此綜合利用巖礦鑒定、放射性試驗(yàn)、電子探針、能譜及背散射分析等方法對(duì)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(jìn)行研究，并對(duì)其形成機(jī)理及期次進(jìn)行探討，從而完善二連盆地哈達(dá)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(guó)重要的含鈾盆地，目前已發(fā)現(xiàn)了多個(gè)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(gè)二級(jí)構(gòu)造單元組成(張鋒,2018)。基底由元古界、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(jì)-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(guó)界線；5.鐵路；6.研究區(qū)

哈達(dá)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(jí)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(xì)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(cè)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(gè)工業(yè)鈾礦孔(FZK47-95、補(bǔ)HZK-15-0、FZK31-0、WTSK16-31、FZK32-71、FZK47-23、FZK32-55和CSZK48-43)的含鈾砂巖共計(jì)21件(表1)。

首先通過(guò)巖礦鑒定對(duì)鈾礦砂巖的微觀特征進(jìn)行詳細(xì)鑒定，結(jié)合放射性試驗(yàn)，準(zhǔn)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(yàn)于核工業(yè)二〇八大隊(duì)分析測(cè)試中心完成，前者所用儀器為蔡司公司的高級(jí)透反射偏光顯微鏡(Axioskop 40 pol)，后者于暗室中進(jìn)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(cè)試，實(shí)驗(yàn)條件為加速電壓為20 kV，探針?biāo)倭鳛?×10-9A，束斑大小為1 μm。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，元素檢測(cè)限為0.01%。

3 鈾賦存特征

3.1 礦化砂巖特征

通過(guò)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(zhǎng)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(shí)混雜分布有炭質(zhì)塵點(diǎn)。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(gè)石英單體組成，部分具波狀消光。長(zhǎng)石呈半自形板狀或次棱角狀，包括正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石和條紋長(zhǎng)石。正長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石分別易發(fā)生高嶺土化和絹云母化蝕變，微斜長(zhǎng)石輕微高嶺土化蝕變或未蝕變，條紋長(zhǎng)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(dú)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(xì)絲狀、微細(xì)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(dá)圖鈾礦床賦礦砂巖巖石學(xué)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(zhǎng)石和石英顆粒之間

通過(guò)對(duì)21件鈾礦化砂巖光薄片的放射性實(shí)驗(yàn)特征觀察(圖3)，發(fā)現(xiàn)放射性徑跡具如下特點(diǎn)：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(tuán)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(zhǎng)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(qiáng)度高。賦存于細(xì)晶黃鐵礦附近的鈾礦物，其放射性徑跡呈帶狀、團(tuán)塊狀或暈染狀，較均勻分布，密集程度較弱(圖3c,d)。分布于長(zhǎng)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(guò)掃描電鏡和電子探針?lè)治鲲@示，本區(qū)鈾礦物主要為瀝青鈾礦，其次為復(fù)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?lè)治鼋Y(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(jiàn)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(fù)成分磷鈣鈾礦

復(fù)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(fù)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(xì)脈狀分布于石英、長(zhǎng)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(duì)較高。

3.4 鈾賦存特征

電子探針、掃描電鏡及放射性試驗(yàn)結(jié)果顯示，鈾賦存特征以吸附態(tài)為主，其次為獨(dú)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(zhǎng)石、石英)邊緣或細(xì)裂縫中，具明顯后期吸附沉積的特征。獨(dú)立鈾礦物顆粒細(xì)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(dá)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(dá)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(fù)成分磷鈣鈾礦吸附于蒙脫石之上

圖5 哈達(dá)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(cè)點(diǎn))產(chǎn)于長(zhǎng)石(Or)微裂縫之中；b.鈾石(15EL006-1-U1測(cè)點(diǎn))產(chǎn)于石英(Qz)微裂縫中

圖6 哈達(dá)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(tuán)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(zhǎng)石或石英的縫隙中(圖5a，b)；復(fù)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(guò)對(duì)鈾礦物的化學(xué)成分及共生礦物組合進(jìn)行分析研究，認(rèn)為該區(qū)鈾礦物至少形成于2個(gè)階段。因?yàn)樯贁?shù)瀝青鈾礦中含有少量的Th，而Th的晶體化學(xué)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(xì)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(yīng)來(lái)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(shí)期不同，草莓狀黃鐵礦通常被認(rèn)為是沉積過(guò)程中準(zhǔn)同生期，或成巖作用早期形成(陳超等，2016)。立方體、團(tuán)塊狀黃鐵礦是后生期形成的標(biāo)志礦物。因而，通過(guò)黃鐵礦的標(biāo)型特征可知，與草莓狀黃鐵礦共生的瀝青鈾礦應(yīng)形成于同生沉積期；與立方體、團(tuán)塊狀黃鐵礦共生的瀝青鈾礦可能形成于后生期。因此哈達(dá)圖鈾礦床可能存在2個(gè)成礦期，即同生沉積期和后生改造疊加期。

4.2 成礦機(jī)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(yáng)離子)絡(luò)離子進(jìn)行遷移。當(dāng)溶液中存在UO22+、Fe2+和H2S時(shí)，由于鐵的親硫性大于親氧性，易與S2-形成黃鐵礦(FeS2)，同時(shí)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(dòng))。該區(qū)常見(jiàn)鉀長(zhǎng)石(KAlSi3O8)蝕變?yōu)楦邘X土(Al2Si2O5(OH)4)，在此過(guò)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(jìn)一步促進(jìn)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(dá)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(duì)UO22+起還原作用。表生帶的動(dòng)植物體死亡后迅速為微生物分解，形成各種簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)化合物如CH4、H2、CO2、NH3等。在缺氧條件下，這些無(wú)機(jī)化合物可以與SO42-、NO3-、Fe2O3等發(fā)生氧化還原反應(yīng)，例如SO42-被CH4還原為H2S(張祖還等，1984)。于是有機(jī)物周圍存在H2S而形成強(qiáng)還原環(huán)境，促使圍巖中的氧化鐵還原為黃鐵礦，同時(shí)水溶液中的六價(jià)鈾還原為四價(jià)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(fù)電。在哈達(dá)圖鈾礦床中多見(jiàn)瀝青鈾礦、鈾石和復(fù)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(fù)電的具層狀結(jié)構(gòu)的蒙脫石吸附。復(fù)成分磷鈣鈾礦的形成可能與該區(qū)來(lái)自盆地深部的油氣有關(guān)，油氣中的UH3、PH3、CaH2、SiH4、FeH2、H2S等隨著油氣向上運(yùn)移，由于溫度、壓力降低和氧化作用的進(jìn)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(ài)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(jià)陽(yáng)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(jià)鈾酰陽(yáng)離子來(lái)補(bǔ)償，因此蒙脫石對(duì)鈾具有極強(qiáng)的吸附能力。

4.2.4 鈾礦物呈微細(xì)脈狀貫入到碎屑中

少量樣品中的鈾石呈微細(xì)脈狀貫入石英、長(zhǎng)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(dòng)性十分強(qiáng)烈。石英等硅質(zhì)物的溶解顯示化學(xué)環(huán)境為堿性環(huán)境，溶出的SiO2進(jìn)入孔隙水中；與此同時(shí)，鈾酰離子(UO22+)被還原(U6+→U4+)并與溶出的SiO2反應(yīng)形成鈾石[U(SiO4)1-x(OH)4x](苗愛(ài)生等,2009)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)哈達(dá)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(dú)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(zhǎng)石、石英)邊緣或細(xì)裂縫之中；獨(dú)立鈾礦物主要為瀝青鈾礦，其次為復(fù)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(fù)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(zhǎng)石細(xì)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(jī)質(zhì)吸附并還原；鈾石的成因是長(zhǎng)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(yīng)生成鈾石；復(fù)成分磷鈣鈾礦的成因可能是來(lái)自盆地深部帶有UH3、PH3、CaH2等的油氣，隨著向上運(yùn)移，由于溫度、壓力降低和氧化作用的進(jìn)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(lái)自蝕源區(qū)的含鈾碎屑，又有成礦期來(lái)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(duì)原地勘一處康世虎研究員、張鋒高級(jí)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！