高 柏，杜 洋，孫占學(xué)，劉金輝，胡寶群，周義朋

（東華理工大學(xué)，江西 撫州 344000）

十紅灘砂巖型鈾礦床南段地浸條件分析

高 柏，杜 洋，孫占學(xué)，劉金輝，胡寶群，周義朋

（東華理工大學(xué)，江西 撫州 344000）

分析了十紅灘鈾礦床南段的地層結(jié)構(gòu)、地球化學(xué)、礦物成分和化學(xué)組成、水文地質(zhì)、水文地球化學(xué)等特征。結(jié)果表明：礦層具有地浸必要的穩(wěn)定隔水頂、底板，埋藏深度適宜，但含水層連續(xù)性不好，存在多層鈣質(zhì)夾層；鈾礦物以瀝青鈾礦為主，與黃鐵礦、方解石緊密共生，礦石中的SiO2偏低，Al2O3、CaO、Fe2O3偏高，易產(chǎn)生Ca、Fe等化合物的沉淀；鈾礦石中以四價(jià)形式存在為主，六價(jià)鈾偏少，提高鈾的浸出率難度大；地下水礦化度過(guò)高，水中的硫酸鈣及碳酸鈣的飽和指數(shù)都大于零。因此，南礦段地浸條件決定了無(wú)論采用常規(guī)的規(guī)酸法或與堿法開采都無(wú)法正常進(jìn)行高效的浸出，新的工藝研究勢(shì)在必行。

鈾礦床；地浸條件；水文地質(zhì)

砂巖型鈾資源是我國(guó)鈾資源的重要組成部分，目前主要利用地浸技術(shù)開采。十紅灘礦床是一個(gè)賦存有XXXt鈾資源遠(yuǎn)景儲(chǔ)量的砂巖型鈾礦床，由于含礦層地下水的礦化度高達(dá)8～12g/L，給地浸采鈾造成困難，使鈾礦開采難以按傳統(tǒng)的酸法和堿法地浸采鈾工藝進(jìn)行，嚴(yán)重影響了該礦床鈾資源的經(jīng)濟(jì)合理開發(fā)利用。因此，研究該礦床地浸條件，對(duì)如何有效開發(fā)目前開采難度較大（高礦化度、低滲透性）礦床具有重要的實(shí)際意義，符合當(dāng)前我國(guó)核能開發(fā)的需求。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

十紅灘鈾礦床位于吐哈盆地西部吐魯番市南緣，礦區(qū)距吐魯番市約55km。吐哈盆地由北向南可劃分為北部坳陷、艾丁湖斜坡帶和南湖隆起3個(gè)構(gòu)造單元。十紅灘鈾礦床位于艾丁湖斜坡帶西部邊緣。艾丁湖斜坡帶為基底活動(dòng)穩(wěn)定區(qū)，基底埋深一般在150～400m之間，最深大于600m；沉積蓋層為中新生代平緩北傾單斜地層（圖1）。

盆地基底具有雙層結(jié)構(gòu)。深層基底為前寒武紀(jì)結(jié)晶地塊，直接基底為古生代地層及中酸性花崗巖和變質(zhì)火山碎屑巖。直接基底中的石炭統(tǒng)迪坎兒組（C2d）主要由黃綠色凝灰質(zhì)砂巖、礫巖、硬砂巖、粉砂巖、頁(yè)巖及薄層灰?guī)r組成；盆地南部蝕源區(qū)還有大面積分布的海西期花崗巖（γ4）。盆地蓋層下部為中下侏羅統(tǒng)水西溝群（J1＋2sh），蓋層上部是由局部分布的第三系鄯善群（Esh）和第四系。

圖1 吐哈盆地地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)權(quán)志高，2002）

水西溝群為一套河－湖－沼澤相含煤碎屑巖建造，包括八道灣組（J1b）、三工河組（J1s）、西山窯組（J2x）。含礦地層是西山窯組（J2x），南帶礦體產(chǎn)于西山窯組下段（）中，中帶礦體產(chǎn)于西山窯組中段）中，北帶礦體產(chǎn)于西山窯組上段）中［6－8］。

2 礦床含水層條件

礦區(qū)共有8個(gè)含水層（組），其中位于侏羅系水西溝群西山窯組下段）的第Ⅴ含水層（組）為含礦含水層，主要由含礫砂巖（細(xì)、中、粗）及砂質(zhì)礫巖、礫巖組成，分選性、磨園度中等，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，主要呈疏松－次疏松狀，巖性在水平和垂向上均勻性較差，夾多薄層透水性很差的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、煤等夾層。含水層頂?shù)拙羞B續(xù)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖作為隔水頂、底板，其中頂板較厚，分布于146～153m之間，平均厚度6m左右；底板較薄，分布于171～173m之間，平均厚度1.5m左右；頂?shù)装逯g的含礦含水層埋深分布于153～171m，平均厚度17.88m。

含水層砂體中可見(jiàn)鈣質(zhì)膠結(jié)和泥巖夾層，鈣質(zhì)層致密堅(jiān)硬，不透水；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)刀滲透試驗(yàn)，泥巖和粉砂質(zhì)泥巖夾層基本不透水。礫巖及含礫粗砂巖填充大量的黏土化長(zhǎng)石，泥質(zhì)含量較高，分選性較差。含礦含水層滲透系數(shù)為0.108～0.14m/d之間，平均0.12m/d［9］。

3 礦床地下水補(bǔ)、徑、排條件

十紅灘鈾礦床位于吐哈自流水盆地南緣艾丁湖斜坡帶侏羅系水西溝群西山窯組承壓含水層中。含礦含水層地下水主要接受南緣覺(jué)羅塔格山基巖裂隙水通過(guò)第四系潛水間接補(bǔ)給，含水層之間地下水通過(guò)鼻狀隆起越流補(bǔ)給。含水層中賦存高礦化度孔隙承壓水，盆地南源地下水總體流向由南西向北東方向流動(dòng)。艾丁湖是侏羅系承壓含水層的排泄區(qū)，地下水可通過(guò)飽和裂隙、地表水體及潛水含水層進(jìn)行蒸發(fā)排泄。礦區(qū)鼻狀隆起為侏羅系下統(tǒng)含水的局部排泄窗，通過(guò)向上越流至近地表進(jìn)行蒸發(fā)排泄［10］。

4 礦體及隔水頂、底板條件

礦帶產(chǎn)于十紅灘鼻狀隆起的東、西兩翼，控制長(zhǎng)度7～8km，寬度100～250m，埋深80～270m。礦體平均品位0.0334%，平均厚度6.78m。試驗(yàn)段礦體分布在130～172m范圍內(nèi)，分成上（133～146m）下（153～171m）兩層礦體，屬中等深度鈾礦體。含礦層及其頂?shù)装甯羲畬泳哂幸韵绿卣鳌?/p>

4.1 含礦層有3個(gè)穩(wěn)定的泥巖隔水層

隔水層分別是上、下兩礦層的隔水頂板和隔水底板。各泥巖隔水層的頂?shù)装迳疃热绫?所示。泥巖隔水層在試驗(yàn)塊段分布深度非常穩(wěn)定。泥巖層上隔水頂?shù)装迳疃葹?30.2～134.7m，平均厚度為4.5m。泥巖層中隔水頂?shù)装迳疃葹?46.3～153.6m，平均厚度為7.3m，下隔水泥巖的頂板的深度為171～173.2m，平均厚度為2.2m。穩(wěn)定的隔水頂?shù)装鍨樵亟鎏峁┝肆己玫臈l件。

4.2 在下層礦體分布范圍內(nèi)存在復(fù)雜多變的隔水層

塊段主礦層特征如表2所示。試驗(yàn)塊段下層礦體（主礦體）十分穩(wěn)定，厚度為18m，各鉆孔頂、底板深度較為一致，分別為153m和171m左右，夾于兩泥巖層之間。下礦層中隔水層多而復(fù)雜：從上到下主要有3個(gè)明顯的夾層，分別為上部鈣質(zhì)膠結(jié)層，埋深156.60～158.08m 間；泥巖粉砂巖夾層，埋深161.86～166.27m；下部鈣質(zhì)膠結(jié)層，埋深166.46～171.41m。多層鈣質(zhì)膠結(jié)體使含水層不連續(xù)，地浸流體不能分布在這個(gè)含水層，易造成地浸死角。

表1 試驗(yàn)塊段鉆孔取樣段主要隔水頂?shù)装迳疃?m

表2 試驗(yàn)塊段下層礦體與隔水層分布/%

5 地浸流體成分條件

地浸過(guò)程是水巖作用過(guò)程，地浸流體主要成分來(lái)源于作用主體的礦石成分和地下水的化學(xué)成分作用過(guò)程，其產(chǎn)物決定了地浸效果。

5.1 礦石化學(xué)成分

從試驗(yàn)塊段SZK－1孔下層礦體中，分別選取不同巖性的礦樣，分析其中與地浸工藝相關(guān)的化學(xué)成分，結(jié)果如表3所示。

表3 礦層礦石主要化學(xué)成分/%

表3中礦石化學(xué)成分結(jié)果表明南段礦體中礦石成分有以下特點(diǎn)：①CaCO3（以CO2計(jì)）含量變化0.41%～5.61%之間，平均為2.40%，宜采用堿法地浸。②試驗(yàn)礦段黃鐵礦（以S2－計(jì)）變化于1.54%～7.11%，平均為3.50%，進(jìn)行堿法地浸存在氫氧化鐵沉淀的隱患。③鈾含量品位變化大，鈾總量變化于0.035%～0.141%之間，平均品位為0.07%；選擇鈾總量較高的樣品進(jìn)行價(jià)態(tài)分析，U＋6/∑U為0.32，說(shuō)明大部分鈾以四價(jià)形式存在，提高鈾的浸出率難度較大，首先必須要把四價(jià)鈾氧化為能溶解的六價(jià)鈾。

5.2 礦物成分

與地浸關(guān)系密切聯(lián)系的礦物主要有鈾礦物、黃鐵礦、方解石［9］。黃鐵礦既是耗氧化劑物質(zhì)，影響浸出效果，又是易沉淀物質(zhì)（氫氧化鐵、碳酸鈣）主要來(lái)源，易造成堵塞而影響正常浸出。

5.3 鈾的存在形式

鈾以吸附狀和鈾礦物形式存在。鈾礦物主要是瀝青鈾礦，少量的是含鈾Ti－Fe氧化物和鈾石。鈾礦物產(chǎn)狀有：圍繞黃鐵礦、高嶺石、石英、鉀長(zhǎng)石等生長(zhǎng)，或細(xì)粒狀充填于其他礦物的晶隙間，或與黃鐵礦等共生后被石英等包裹等多種產(chǎn)狀。其中，與黃鐵礦等共生后被石英等包裹的鈾礦物是難于被浸出，易于浸出的是吸附狀態(tài)鈾及呈不規(guī)則狀圍繞黃鐵礦、高嶺石、石英、鉀長(zhǎng)石等生長(zhǎng)的瀝青鈾礦。

5.4 礦層地下水水化學(xué)特征

地下水的化學(xué)成分條件對(duì)浸出過(guò)程影響嚴(yán)重。十紅灘鈾礦床含礦含水層礦化度較高（8～12g/L），水化學(xué)類型為Cl·SO4－Na型，特別是南礦帶靠近十紅灘背斜東翼附近地下水礦化度高達(dá)12.16g/L，水化學(xué)類型為Cl－Na型。地下水化學(xué)成分見(jiàn)表4，溫度范圍為19～21℃，取20℃，p H值為6.9～7.5，按6.9、7.3分別模擬計(jì)算，其結(jié)果見(jiàn)表5。

表5中結(jié)果表明，礦床地下水中離子基本處于接近飽和狀態(tài)或過(guò)飽和狀態(tài)，硬石膏一直處于邊界飽和。當(dāng)p H值為6.9時(shí)，霰石、方解石、白云石、石膏均以飽和，而菱鎂礦處于非飽和狀態(tài)；當(dāng)逐步p H值升至7.5時(shí)，碳酸巖類的霰石、方解石、白云石、菱鎂礦等飽和指數(shù)逐漸增加，有接近或處于邊界飽和過(guò)渡為明顯處于飽和狀態(tài)，石膏、硬石膏處于飽和、邊界飽和狀態(tài)。由此表明，該礦床高礦化度地下水可能產(chǎn)生沉淀的組分已處于飽和狀態(tài)，由于水中的CI－等離子濃度高產(chǎn)生的鹽效應(yīng)增大了各成分的溶解度，使地下水礦物成分處在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。無(wú)論傳統(tǒng)酸法和堿法工藝，在加入少量的試劑后，都會(huì)打破這種動(dòng)態(tài)平衡導(dǎo)致浸出過(guò)程發(fā)生沉淀。

表4 十紅灘礦床含礦含水層地下水化學(xué)成分/（mg·L－1）

表5 礦床地下水易沉淀礦物飽和指數(shù)模擬結(jié)果

6 結(jié)論

通過(guò)十紅灘鈾礦床南段的地質(zhì)水文地質(zhì)、地球化學(xué)、地浸流體等條件分析，該段地浸水文地質(zhì)條件體現(xiàn)以下特點(diǎn)。

含礦含水層具有穩(wěn)定的隔水頂?shù)装?，隔水性能良好，但含礦層中泥巖、粉砂巖及鈣質(zhì)膠結(jié)夾層多，有一層較厚的泥巖粉砂巖夾層以及兩個(gè)明顯的鈣質(zhì)膠結(jié)層，滲透性較差，平均為0.12m/d，為可地浸開采礦石（0.1～1m/d）下限，地浸采鈾具有較大的難度。

礦石中鈾、黃鐵礦以及方解石的研究表明，鈾礦物的存在形式、較高含量的黃鐵礦及方解石對(duì)地浸開采會(huì)產(chǎn)生不利的影響。鈾礦物主要是瀝青鈾礦，其次為含鈾Ti－Fe氧化物和鈾石；瀝青鈾礦多為超顯微粒狀，常與黃鐵礦緊密共生。黃鐵礦容易與溶浸液作用，易產(chǎn)生鐵沉淀，是地浸采鈾的不利因素。方解石主要有致密鈣質(zhì)膠結(jié)巖石中的方解石和疏松巖石中的粒狀或小團(tuán)塊狀兩種產(chǎn)狀，其中后者易與溶浸液發(fā)生反應(yīng)，使溶浸液中Ca2＋含量增高，對(duì)地浸生產(chǎn)影響較大。

礦石化學(xué)成分研究表明，南段礦石中六價(jià)鈾約占32%，四價(jià)鈾為68%，因此大部分鈾以四價(jià)形式存在，必須首先要把四價(jià)鈾氧化為能溶解的六價(jià)鈾，才能提高鈾的浸出率。礦石中碳酸鹽含量（以CO2計(jì)）大于2%，說(shuō)明宜采用堿法地浸，但黃鐵礦（以S2－計(jì)）平均為3.50%，說(shuō)明進(jìn)行堿法地浸又存在氫氧化鐵沉淀的隱患。

運(yùn)用地球化學(xué)模式進(jìn)行計(jì)算該區(qū)地下水中的硫酸鈣及碳酸鈣的飽和指數(shù)都大于零，表明含礦含水層地下水中硫酸鈣與碳酸鈣都處于沉淀狀態(tài)，是地浸采鈾工藝的不利因素。也是造成常規(guī)酸法與堿法地浸開采化學(xué)堵塞的主要原因。

因此，根據(jù)以上分析表明，十紅灘南礦段地浸水文地質(zhì)條件對(duì)采用常規(guī)的規(guī)酸法與堿法開采十分不利，突破常規(guī)改進(jìn)地浸水文地質(zhì)條件和地浸工藝是有效開采該礦床的必由之路。

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Analyzed the conditions of leaching uranium in south area of Shihongtan uranium deposit

GAO Bai，DU Yang，SUN Zhan－xue，LIU Jin－h(huán)ui，HU Bao－qun，ZHOU Yi－peng
（East China Institute of Technology，F(xiàn)uzhou 344000，China）

It was analyzed that the characteristic of stratum configuration，geochemistry，mineral composition and chemic component，hydrogeology and hydrogeochemistry in the southern of Shihongtan uranium deposit.The characteristic of leaching uranium in the area as fellow：there are stable top and bottom aquifuge in the aquifer，but there are aquitard or impervious in the aquifer，so the aquifer is discontinuity.Uraninite is primary mineral and intimate intergrowth with pyrite and calcite.There are lower SiO2but higher Al2O3，CaO，F(xiàn)e2O3content in mineral.The hexavalent uranium is few but the tetravalent is more in uranium mineral.The total dissolve solid in groundwater is higher than demand of leaching，because the saturation index of CaSO4and CaCO3more than 0.The characteristics of leaching imply that it is impossibility that natural and effectible leaching uranium not only acid leaching and also alkaline leaching.So，ameliorating condition and technology of leaching uranium are necessary.

uranium deposit；condition of leaching uranium；hydrogeology

高柏（1964－），男，副教授，博士，從事水文地球化學(xué)與環(huán)境工程教學(xué)和科研工作。E－mail：gaobai＠ecit.cn。

FT111.31

B

1004－4051（2013）06－0089－04

2012－10－22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（編號(hào)：41162007）；江西省教育廳項(xiàng)目資助（編號(hào)：GJJ12375）；放射性地質(zhì)勘探與技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助（編號(hào)：2011RGET05）