王朋沖 徐爭(zhēng)啟 李 萍 王 冶

(成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059)

373鈾礦床有機(jī)質(zhì)與鈾成礦關(guān)系

王朋沖 徐爭(zhēng)啟 李 萍 王 冶

(成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059)

通過(guò)巖石熱解、氯仿瀝青“A”及其族組分提取定量、鏡質(zhì)體反射率測(cè)定等分析方法研究礦床中有機(jī)質(zhì)的類型、成熟度，進(jìn)而分析有機(jī)質(zhì)在鈾成礦過(guò)程中發(fā)揮的作用。結(jié)果顯示，373鈾礦床中有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型，主要為海相浮游生物、微生物以及陸源植物的輸入。有機(jī)質(zhì)的成熟度較低，處于未成熟—低成熟早期階段，與圍巖相比較，礦體受熱液和斷層影響，有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷了相對(duì)較高的古地溫。有機(jī)質(zhì)的類型和成熟度決定其演化歷史中產(chǎn)生了大量腐殖酸并保存在地層中。礦床中有機(jī)質(zhì)中的氯仿瀝青“A”含量為(0.47～10.42)×10-6，其氯仿瀝青“A”中以瀝青質(zhì)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，氯仿瀝青“A”和瀝青質(zhì)含量與鈾含量有較好的相關(guān)性。綜合研究表明，有機(jī)質(zhì)在373鈾成礦過(guò)程中主要起到吸附、絡(luò)合和還原作用。

鈾礦化 有機(jī)質(zhì) 成熟度 氯仿瀝青“A”

對(duì)有機(jī)質(zhì)與鈾的關(guān)系前人曾做過(guò)很多研究，但大多是基于砂巖型鈾礦床，礦體賦存層位多屬于中—新生代，很少有人做過(guò)碳硅泥巖型鈾礦床中鈾礦化與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系。據(jù)前人研究，與鈾礦化關(guān)系最為密切的有機(jī)質(zhì)為腐殖酸，腐殖酸與鈾酰存在著強(qiáng)烈的吸附與絡(luò)合關(guān)系。腐殖酸大多是腐殖型有機(jī)質(zhì)未成熟前的產(chǎn)物，腐殖質(zhì)在鈾富集過(guò)程中主要起到吸附、絡(luò)合和還原作用，實(shí)際上，有機(jī)質(zhì)與鈾礦化的關(guān)系是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題。

1 礦床地質(zhì)概況

373鈾礦床礦體中富含有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦，是典型的碳硅泥巖型礦床[1]。373鈾礦床位于桂西南地區(qū)，構(gòu)造環(huán)境為華南褶皺系，武夷—云開造山系西南端，373凹斷束那嶺—俸屯背斜北東端。區(qū)內(nèi)地層有寒武系水口群，下泥盆統(tǒng)蓮花山組，中泥盆統(tǒng)郁江組、東崗嶺組。下泥盆統(tǒng)蓮花山組與寒武系不整合接觸；中泥盆統(tǒng)郁江組分上下段，該組為下含礦構(gòu)造巖帶原巖；東崗嶺組也分上下兩段。礦區(qū)無(wú)巖漿巖出露，區(qū)域上有微弱巖漿侵入，以輝綠巖脈形式存在。礦區(qū)主要巖性組合為碳酸鹽巖和碎屑巖。鈾礦化類型屬U-Mo型。礦體主要賦存于泥盆系與寒武系不整合面之上的破碎帶中，受構(gòu)造控制，分布在F1和F2挾持部位，鈾礦化在F2的分支斷裂帶中，主要富礦層位為郁江組斷層和東崗嶺組內(nèi)的斷層。礦體特征主要呈似層狀、透鏡狀。鈾礦物為瀝青鈾礦(少見)，主要是吸附狀態(tài)的含鈾黑色物質(zhì)和含鈾黃鐵礦，主要非金屬礦物為石英、方解石、白云石、高嶺土、白云母。圍巖蝕變主要以硅化、黑色蝕變、黃鐵礦化為主，白云巖化和紅化次之。成礦通道為F2斷層，主要有65、140～120和380 Ma 3個(gè)成礦時(shí)代[2]。

2 有機(jī)質(zhì)類型及成熟度

2.1 有機(jī)質(zhì)類型

不同沉積環(huán)境中，有不同來(lái)源有機(jī)質(zhì)形成的干酪根，其組成有明顯的差別。不同類型的有機(jī)質(zhì)其富鈾能力和機(jī)制各不相同。根據(jù)干酪根元素組成、氯仿瀝青“A”的族組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)、顯微組分、沉積環(huán)境和演化程度，結(jié)合生油能力，劃分出3種類型的干酪根，即腐泥型干酪根Ⅰ、腐泥-腐殖質(zhì)干酪根Ⅱ和腐殖型干酪根Ⅲ，腐泥-腐殖型干酪根又劃分為Ⅱ1和Ⅱ2型2個(gè)亞類，見表1。

表1 礦床中有機(jī)質(zhì)的氯仿瀝青“A”族組成Table 1 Composition of chloroform bitumen “A” of organic matter in the deposit %

依據(jù)氯仿瀝青“A”族組分特征，研究區(qū)的有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ2型，見圖1。有機(jī)質(zhì)主要為海相浮游生物、微生物以及陸地植物的輸入。本研究區(qū)的有機(jī)質(zhì)處于未成熟，低成熟階段及其偏腐殖質(zhì)的性質(zhì)決定了其演化階段產(chǎn)生大量的腐殖質(zhì)和地瀝青等。據(jù)前人研究，與鈾礦化關(guān)系最為密切的有機(jī)質(zhì)為腐殖酸[3]。腐殖酸與鈾酰存在著強(qiáng)烈的吸附與絡(luò)合關(guān)系[4]。腐殖質(zhì)和地瀝青與鈾礦化關(guān)系密切。一般來(lái)說(shuō)，腐殖質(zhì)吸附能力強(qiáng)，富集鈾的能力比腐泥質(zhì)大。例如，美國(guó)東部上泥盆統(tǒng)黑色炭質(zhì)頁(yè)巖中的腐殖質(zhì)富鈾量比腐泥質(zhì)大10倍[5]。

圖1 373鈾礦床氯仿瀝青“A”族組成Fig.1 Composition of chloroform bitumen “A” of organic matter in the 373 uranium depositⅠ—標(biāo)準(zhǔn)腐泥型有機(jī)質(zhì)；ⅡA—腐殖腐泥型有機(jī)質(zhì)； ⅡB—腐泥腐殖型有機(jī)質(zhì)；Ⅲ—標(biāo)準(zhǔn)腐殖型有機(jī)質(zhì)

2.2 有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)成熟度是有機(jī)質(zhì)最為重要的特征之一，具有不可逆性。眾所周知，鏡質(zhì)組放射率Ro隨熱解演化程度的升高而穩(wěn)定增加，并具有相對(duì)廣泛、穩(wěn)定的可比性，使Ro成為目前應(yīng)用最為廣泛、最為權(quán)威的成熟度指標(biāo)。然而對(duì)缺少鏡質(zhì)體的地層，尤其是下古生界海相碳酸鹽巖，很難用經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明是可信的源于高等植物碎屑的鏡質(zhì)組反射率來(lái)作為成熟度指標(biāo)[6]。事實(shí)證明測(cè)量樣品中很少見到鏡質(zhì)組，僅測(cè)得2個(gè)瀝青反射率Rb。因此本次以Tmax作為成熟度指標(biāo)的基礎(chǔ)來(lái)研究礦區(qū)的成熟度，對(duì)礦區(qū)的有機(jī)質(zhì)成熟度進(jìn)行研究，見表2。結(jié)果顯示該區(qū)有機(jī)質(zhì)成烴演化階段主要為未成熟階段，少量低成熟階段。

表2 有機(jī)質(zhì)成烴演化階段劃分及判別指標(biāo)Table 2 Division of hydrocarbon generation evolution stage of organic matter and discriminant indexes ℃

研究區(qū)的Tmax普遍在435 ℃以下，最低為358 ℃，最高為435 ℃，平均溫度為407 ℃，見表3。根據(jù)陸相烴源巖有機(jī)質(zhì)成烴演化階段劃分及判別指標(biāo)(SY/T 5735—1995)，本區(qū)的有機(jī)質(zhì)普遍為未成熟、低成熟的早期階段。礦體的成熟度特征決定其演化歷史中產(chǎn)生了大量腐殖酸并保存在地層中，這為腐殖酸吸附、絡(luò)合U提供了有利條件。然而礦體中的Tmax平均為414 ℃，高于圍巖Tmax(381 ℃)?？梢钥闯龅V體受熱液和斷層影響，經(jīng)歷了比圍巖較高的古地溫。

表3 巖石最大熱解峰溫與相應(yīng)的U含量Table 3 The pyrolysis peak temperature and the corresponding content of uranium

3 有機(jī)質(zhì)與鈾礦化關(guān)系

3.1 礦體中有機(jī)質(zhì)與鈾含量的相關(guān)性

礦體主要位于富含有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦的斷層中，但根據(jù)鈾與有機(jī)碳、氯仿瀝青“A”、氯仿瀝青“A”族組分含量的相關(guān)性計(jì)算發(fā)現(xiàn)，373鈾礦床中U含量與總有機(jī)碳含量之間并無(wú)明顯的相關(guān)性，這和野外觀察發(fā)現(xiàn)的情況相吻合，鈾含量高的巖石，有機(jī)碳含量一般較高，但有機(jī)碳含量高的地方，鈾含量并不是都高。例如砂巖型礦床中的典型相關(guān)系數(shù)r變化范圍為0.01～0.25，然而，當(dāng)U的含量高達(dá)500×10-6時(shí)，r會(huì)很高(0.7)，很少有礦床的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7。Pironon指出U和有機(jī)質(zhì)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系取決于研究水平以及U和有機(jī)質(zhì)在沉積巖中的分布情況。而且，與礦化有關(guān)的有機(jī)質(zhì)的變化可能引起C的流失，這樣也就降低了U與總有機(jī)碳的相關(guān)性[7]。

礦床中氯仿瀝青“A”含量與U含量見表4。鈾含量與氯仿瀝青“A”族組分中的瀝青質(zhì)之間有較好的相關(guān)性，且相關(guān)系數(shù)為0.87，主要是因?yàn)槁确聻r青“A”相對(duì)于干酪根具有較強(qiáng)的活動(dòng)性，其吸附、絡(luò)合的U易于隨流體遷移富集成礦，從而導(dǎo)致氯仿瀝青“A”含量高的地方U含量也高。瀝青質(zhì)在氯仿瀝青“A”中的含量百分比與鈾含量的關(guān)系見圖2。從圖中看出，鈾含量與氯仿瀝青“A”族組分中的瀝青質(zhì)具有較好的相關(guān)性，這是因?yàn)闉r青質(zhì)中高分子化合物含量高，具較大的相對(duì)分子質(zhì)量。其比表面積大，因此對(duì)U的吸附性很高，因此瀝青質(zhì)含量高的時(shí)候U含量也較多。

表4 礦床中氯仿瀝青“A”含量與U含量Table 4 Content of chloroform bitumen “A” and uranium in the deposit ×10-6

圖2 瀝青質(zhì)在氯仿瀝青“A”中的含量百分比與鈾含量的關(guān)系Fig.2 Relationship between the percentage of content in asphaltene and chloroform bitumen “A” and uranium content

3.2 有機(jī)質(zhì)在鈾成礦中的作用

礦區(qū)的有機(jī)質(zhì)為Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)以及其未成熟特征決定其演化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的腐殖酸和地瀝青等。在表生氧化條件下，腐殖酸很容易與無(wú)機(jī)配位體競(jìng)爭(zhēng)而與U形成絡(luò)合物，因而增加U的溶解度。程如楠[8]研究了麻布崗地區(qū)水中鈾和腐殖酸的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水中腐殖酸含量由0.66 mg/L增加到6.6 mg/L時(shí)，水中鈾含量由1.0×10-7g/L增加到9.25×10-5g/L。在弱酸性—中性水條件下，腐殖酸鈾酰是水中鈾的主要存在遷移形式。373鈾礦床在大氣降水的淋濾下腐殖酸鹽隨著流體一起運(yùn)移至儲(chǔ)礦空間，在合適的地方富集成礦。

當(dāng)含鈾溶液流經(jīng)富含有機(jī)質(zhì)的層位時(shí)，吸附劑就會(huì)大量的吸附鈾，使鈾富集成礦。顯而易見,當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量多時(shí)其吸附鈾的能力就越強(qiáng)，吸附鈾的量也就越多，這也就造成鈾的含量與有機(jī)質(zhì)的正相關(guān)性[9]。

O.

此外，有一部分H2S氣體可能來(lái)源于有機(jī)質(zhì)的分解。水體中的親硫元素形成不溶的硫化物沉淀，同時(shí)造成高價(jià)鈾被還原為低價(jià)鈾而沉淀。隨著地下熱液的不斷輸入，在有機(jī)質(zhì)造成的氧化還原過(guò)渡帶造成鈾等元素的富集。Fe3+在這一過(guò)程中被首先還原，然后與H2S氣體反應(yīng)生成黃鐵礦[10]，造成了373鈾礦床中有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦、鈾礦化共生的現(xiàn)象。

綜合研究表明，有機(jī)質(zhì)在373鈾成礦過(guò)程中主要起到吸附、絡(luò)合和還原作用。

4 結(jié) 論

373鈾礦床有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型，有機(jī)質(zhì)成熟度較低，處于未成熟—低成熟早期階段，有機(jī)質(zhì)的類型及其成熟度決定其在演化過(guò)程中產(chǎn)生了大量腐殖酸、地瀝青等并保存在地層中，并且礦體中的有機(jī)質(zhì)受熱液和斷層影響經(jīng)歷了比圍巖較高的古地溫。礦床中的氯仿瀝青“A”中以瀝青質(zhì)占優(yōu)勢(shì)，鈾含量與氯仿瀝青“A”以及瀝青質(zhì)具有較好的正相關(guān)性。礦床中有機(jī)質(zhì)對(duì)鈾的富集作用主要是通過(guò)腐殖酸的吸附、絡(luò)合鈾，并隨著流體遷移富集成礦，并有部分有機(jī)質(zhì)還原地下熱液中的鈾，使之疊加富集成礦。

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(責(zé)任編輯 鄧永前)

The Relationship between the Organic Matter Uranium Mineralization at 373 Uranium Deposit

Wang Pengchong Xu Zhengqi Li Ping Wang Ye

(TheCollegeofNudearTechnologyandAutornationEngineering，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China)

The type and maturity of organic matter in deposit are obtained by using rock pyrolysis，extracting and quantification of chloroform bitumen “A” and its group components and determination of the vitrinite reflectance so as to analyze the role of the organic matter in the process of uranium mineralization.The results showed that the type of organic matter in 373 uranium deposit isⅡ2，which mainly comes from marine plankton，microorganisms and terrestrial plants.The organic matter owns a low maturity and lies in the early stage of immature and low mature.Compared with the surrounding rock，organic matter has experienced the relatively high palaeogeothermal on account of the effects of hydrothermal and fault on ore-body.The large amount of humic acid that are determined by the type of organic matter and maturity are produced in the evolution process of organic matter and are stored in strata.The content of chloroform bitumen “A” of organic matter in the deposit is(0.47～10.42)×10-6，asphaltene is the main composition of chloroform bitumen “A” of the organic matter.Chloroform bitumen “A” has good correlation with the asphaltene content and uranium content.The comprehensive research results showed that absorption，complexation and reduction are the main function of organic matter in the process of 373 uranium mineralization.

Uranium mineralization，Organic matter，Maturity，Chloroform bitumen “A”

2013-11-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：41173059)，中國(guó)核工業(yè)地質(zhì)局重點(diǎn)科研項(xiàng)目(編號(hào)：201148)。

王朋沖(1986—)，男，碩士研究生。 通訊作者:徐爭(zhēng)啟( 1975—) ，男，教授。

P593

A

1001-1250(2014)-03-101-04