趙華雷，臧永亮，李建國，張 博，陳路路,5,6，苗培森，劉曉杰

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2.中國地質(zhì)調(diào)查局鈾礦地質(zhì)重點實驗室，天津 300170；3.中國石油華北油田公司，任丘 062552；4.中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源實物地質(zhì)資料中心，北京 100192；5.東華理工大學核資源與環(huán)境國家重點實驗室，南昌 330013；6.中國地質(zhì)大學構造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074）

鈾的賦存狀態(tài)研究是鈾沉淀富集規(guī)律和礦床成因研究的基礎，且對鈾礦床選冶方法的選擇有重要的指示作用，因此是鈾礦理論研究和采礦應用的前提和基礎[1-2]。鈾的賦存狀態(tài)大致分為兩種，一種是鈾礦物態(tài)，一種是吸附態(tài)，通?？梢圆捎忙翉桔E蝕刻和逐級化學提取實驗這兩種方法從定性-定量角度區(qū)分這兩種賦存狀態(tài)。而鈾礦物態(tài)的研究屬礦物學研究范疇，方法主要有高分辨率掃描電鏡和電子探針等[3-4]。目前鄂爾多斯盆地東北部地區(qū)鈾礦床賦存狀態(tài)方面的研究成果較為豐富，鈾礦物大多為鈾石和水硅鈾礦，瀝青鈾礦較少[5-6]，且主要分布于砂巖的碎屑顆粒邊緣、裂隙及其膠結物中[1,7-9]。寸小妮等[10]對大營鈾礦鈾的賦存狀態(tài)研究發(fā)現(xiàn)，礦石中的鈾主要以鈾礦物和吸附鈾兩種形式存在，兩種占比大體相當。秦艷等[11]對鄂爾多斯盆地延長組長7段的研究表明，該富鈾烴源巖中的鈾主要賦存于膠磷礦中，少量以吸附形式賦存于有機質(zhì)中。張鑫等[12]對伊犁盆地蒙其古爾鈾礦床的研究顯示，鈾主要賦存在石英或長石的邊緣，且與黃鐵礦、有機質(zhì)等關系密切。

近年來由天津地質(zhì)調(diào)查中心牽頭實施的北方砂巖型鈾礦調(diào)查工程，是在“煤鈾兼探”和“油鈾兼探”思路的基礎上，針對煤田、油田鉆孔資料和測井資料進行二次開發(fā)利用，開展砂巖型鈾礦調(diào)查，目前已成為砂巖型鈾礦調(diào)查領域的重要勘查方向之一[13-15]。彭陽鈾礦床是近期在鄂爾多斯盆地西南部新發(fā)現(xiàn)的鈾礦床，也是我國在風成沉積中發(fā)現(xiàn)的第一個大型砂巖型鈾礦[16]。由于發(fā)現(xiàn)較晚，礦床的成礦特征及成礦作用尚未有深入研究，如礦床鈾礦物特征及賦存狀態(tài)方面研究較為缺乏。本文在野外地質(zhì)調(diào)查研究的基礎上，開展彭陽鈾礦區(qū)洛河組中鈾的賦存狀態(tài)初步研究，為鈾沉淀富集規(guī)律研究和地浸采礦應用提供基礎資料。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是在華北克拉通內(nèi)大型石炭-二疊紀盆地之上疊加了中生代盆地的多重疊合盆地[17-18]，是我國北方重要的煤、油氣、鈾等多種能源礦產(chǎn)共存的盆地之一，其東西南北的外圍分別被呂梁山、賀蘭山-六盤山、秦嶺和大青山所環(huán)繞。盆地內(nèi)的構造單元總體上可劃分為伊盟隆起、伊陜斜坡、天環(huán)坳陷、西緣逆沖帶、晉西撓褶帶和渭北隆起。盆地有侏羅系、石炭系、二疊系等多套含煤層系，煤炭資源十分豐富。主要含油層系為三疊系延長組和侏羅系，天然氣則絕大部分為古生界氣藏，少數(shù)為三疊系油頂氣藏，油氣分布整體具有“上油下氣、南油北氣”的特點[17]。

彭陽鈾礦床位于鄂爾多斯盆地西南部彭陽-涇川地區(qū)，大地構造位置上位于天環(huán)坳陷南端（圖1），西鄰西緣逆沖帶，構造條件十分有利，礦區(qū)坐落于我國第一大油氣田-長慶油田的邊緣。區(qū)域上的中新生界蓋層主要有上三疊統(tǒng)延長組、下侏羅統(tǒng)延安組、中侏羅統(tǒng)直羅組和安定組、下白堊統(tǒng)志丹群、新近系甘河溝組及第四系。其中下白堊統(tǒng)志丹群為主要的含鈾巖系，自下而上又可劃為宜君組、洛河組、環(huán)河華池組、羅漢洞組和涇川組。

圖1 鄂爾多斯盆地彭陽鈾礦床大地構造位置（a）及地質(zhì)簡圖（b）（據(jù)文獻[19]修改）Fig.1 Tectonic location(a)and geological diagram(b)of the Pengyang uranium deposit in Ordos Basin（modified by literature[19]）

礦區(qū)內(nèi)下白堊統(tǒng)地層一般呈單斜產(chǎn)出，傾角較緩。區(qū)域上斷裂構造十分發(fā)育，以北西向、近南北向斷裂構造為主。鈾礦體主要賦存于下白堊統(tǒng)洛河組中，賦礦巖石以砂巖為主，在靠近盆地邊緣的洛河組礫巖中也發(fā)育有少量礦體。礦體在洛河組的頂、底和中部均有產(chǎn)出，鉆孔中常見1～3層礦化[16]，單層礦化厚度最大可至50 m。

2 洛河組特征

鄂爾多斯盆地南部洛河組分布較為廣泛，西部埋藏較深，在彬縣-甘泉地區(qū)可見地層露頭。其沉積相以沙漠相為主[20-23]，在接近盆地邊緣地區(qū)則發(fā)育有沖積扇及河流相沉積。區(qū)域上洛河組巖性主要由一套巨厚的砂巖、厚度變化較大的礫巖和少量泥巖組成，砂巖露頭上常見大型高角度（層理角度通?？蛇_27°～33°）板狀交錯層理、楔狀交錯層理或槽狀交錯層理等（圖2）。

圖2 鄂爾多斯盆地南部洛河組露頭照片F(xiàn)ig.2 Outcrop photos of Luohe Formation in southern Ordos Basin

鄂爾多斯盆地西南部彭陽-涇川地區(qū)的洛河組厚度通常在200～400 m，上部為紅色砂巖、礫巖和含礫砂巖，中部為淺黃色中細砂巖夾淺紅色細砂巖，下部為灰色和淺綠灰色中細砂巖。西部為一套近源洪沖積扇沉積，地層厚度變化大，近距離內(nèi)厚度即能發(fā)生急劇變化，具有明顯的沖洪積物的特征。中東部地區(qū)以風成沉積為主，巖性主要為紅色、淺紅色、淺黃色、灰色中細粒巖屑長石砂巖、長石砂巖（圖3），偶夾薄層泥巖及含礫砂巖，與西部的沖洪積礫巖多呈“指狀交互”。該層在研究區(qū)分布較為穩(wěn)定，總體沉積環(huán)境為風成沙漠相，另有少量洪沖積扇相和河流相，沉積期氣候較為炎熱干旱?？傮w上，含礦目的層洛河組砂巖十分發(fā)育，顆粒磨圓度和分選性好，以顆粒支撐為主，孔隙度較大，巖石結構疏松，滲透性良好。礦區(qū)范圍內(nèi)洛河組（K1l）并無露頭，僅在鉆孔中可見。鈾礦體多位于洛河組中下部的灰色中細砂巖中，局部可見明顯的油跡[24]。砂巖中可見沿裂隙切層或順層發(fā)育的還原性流體蝕變現(xiàn)象，具有明顯的蝕變分帶，從中心向外圍依次為綠灰色-黃色/淺紅色-紅色砂巖[16]。

圖3 研究區(qū)洛河組巖石顯微鏡下（正交偏光）照片F(xiàn)ig.3 Microscopic(orthogonally-polarized)photos of rocks from Luohe Formation in the study area

3 樣品分析方法

本次研究的鈾礦石樣品主要采自于彭陽鈾礦區(qū)的6個鉆井，共計采集下白堊統(tǒng)洛河組砂礫巖樣品30余件，其中高品位的礦石樣品大多從礦區(qū)的4個工業(yè)鈾礦孔中獲得。野外現(xiàn)場取樣前先將覆蓋于巖芯外表的泥漿清理干凈，然后采集所需樣品用于探針片的磨制及樣品的前處理等工作。探針片的制備及樣品的前處理由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實驗室完成。鈾礦物學研究是先在顯微鏡下觀察洛河組的蝕變礦物組合，再利用掃描電鏡、背散射及能譜聯(lián)合分析鈾礦物的類型及賦存共生關系。掃描電鏡分析在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心以及中國地質(zhì)調(diào)查局鈾礦地質(zhì)重點實驗室完成，所用的儀器為Tescan GAIA 3，加速電壓為15kV，能譜及背散射探測器采用的是牛津儀器X-maxN能譜儀。逐級化學提取分析在核北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成，儀器為DCR-e型等離子體質(zhì)譜分析儀，測試方法為HR-ICP-MS。

4 結果與討論

4.1 鈾礦物賦存特征

本次研究在巖相學觀察的基礎上，結合掃描電鏡及能譜分析，初步查明了鈾礦物的賦存特征。綜合光學顯微鏡下及掃描電鏡下的觀察發(fā)現(xiàn)，鈾礦物大多賦存于洛河組砂巖碎屑顆粒之間的孔隙中，呈團塊狀或星點浸染狀分布（圖4）。砂巖碎屑填隙部位疏松多孔，是含鈾成礦流體運移的主要通道，也是鈾沉淀成礦的良好儲存空間[25]。電子探針分析結果表明，鈾礦物以瀝青鈾礦為主，少量含鈦鈾礦物和鈾石[26]。綜合鏡下觀察結果表明，鈾礦物的賦存分布主要分為以下兩類：

（1）賦存于原生碎屑顆粒邊緣

洛河組砂巖中的碎屑顆粒以石英、長石及巖屑等原生碎屑為主，常見細小顆粒的鈾礦物呈星點狀分布于石英、長石等碎屑礦物顆粒邊緣或充填于其裂隙中（圖4a-4c），呈條帶狀或團塊狀分布。

（2）賦存于新生礦物周圍

大量的鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，礦石中賦存于新生礦物組分周圍的鈾礦物最多，且通常分布于碎屑顆粒之間填隙部位。與鈾礦物密切共生的新生礦物主要有銳鈦礦、黃鐵礦、磷灰石、粘土礦物（綠泥石）、碳酸鹽（方解石和白云石為主）等。掃描電鏡下背散射圖像顯示，彭陽鈾礦區(qū)洛河組中的鈾礦物多呈星點浸染狀或星點狀集合體圍繞銳鈦礦周緣產(chǎn)出（圖4c-4d），可能是鈾被銳鈦礦等礦物的吸附后，被還原劑還原沉淀形成。其次亦常見鈾礦物與黃鐵礦共生（圖4e），應該是Fe3+與鈾酰離子同時被還原后結晶形成，或者是黃鐵礦周圍形成的還原性微環(huán)境使鈾以瀝青鈾礦等礦物形式被分散吸附富集[25-26]。再其次有與極細小的磷灰石（或膠磷礦）共生的鈾礦物（圖4f），其對鈾礦物的富集也有一定的貢獻。另外還有綠泥石等粘土礦物吸附鈾礦物（圖4d、4f），以及與方解石等碳酸鹽礦物共生的鈾礦物（圖4e）。

圖4 彭陽鈾礦區(qū)鈾礦物背散射（BSE）照片F(xiàn)ig.4 Backscattering(BSE)photos of uranium minerals in Pengyang uranium deposit

4.2 鈾的賦存狀態(tài)

本次研究選取了16個不同品位礦樣，用Tessier法的流程先后提取5態(tài)，即可交換離子態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、有機質(zhì)及硫化物態(tài)和殘渣態(tài)，然后分別分析不同形態(tài)下鈾的含量分布，具體實驗步驟見文獻[10,27]。逐級化學提取實驗的原理是用不同的溶蝕或交換度的化學試劑從弱到強的順序依次去溶蝕或交換樣品中某一形態(tài)的元素，從每個步奏中分別分離出一個地球化學相，分別測定每個相的元素含量[2,10,27-28]。詳細的實驗結果見表1和圖5，各形態(tài)鈾特征如下：

（1）可交換離子態(tài)，又稱水溶態(tài)。主要是通過擴散作用或外層絡合作用吸附在黏土礦物表面，能直接被水等中性試劑提取的鈾元素形態(tài)[2]，通過加入萃取試劑使吸附在沉積物表面的鈾被萃取出來。所測的16件不同品位礦石樣品中以可交換離子態(tài)存在的鈾占0.17%～2.28%，平均為1.37%，其所占比例較少，表明礦石中只有少量鈾被吸附在黏土礦物表面。

（2）碳酸鹽結合態(tài)，又稱弱酸提取態(tài)。主要以沉淀或共沉淀形式賦存于碳酸鹽（方解石、白云石、菱錳礦等）中的鈾形態(tài)，實驗中通常使用乙酸萃取，該過程通常不會破壞樣品中的鐵錳氧化物和硅酸鹽等礦物，對剩余三種形態(tài)鈾提取的影響也不大。據(jù)表1可見，16件不同品位礦石樣品中以碳酸鹽結合態(tài)存在的鈾所占比例為19.42%～74.25%，平均為43.21%，為彭陽鈾礦區(qū)礦石中鈾賦存的最主要類型。

（3）鐵錳氧化態(tài)，又稱可還原態(tài)。主要指以較強的結合力賦存于鐵錳氧化物中的鈾形態(tài)，此種形態(tài)鈾的特點是在還原性環(huán)境下不穩(wěn)定，通?？捎名}酸羥胺溶液溶解提取。16件不同品位礦石樣品中鐵錳氧化態(tài)的鈾含量較低，約0.42%～6.67%，平均1.78%。

（4）有機質(zhì)及硫化物態(tài)，又稱可氧化態(tài)。此形態(tài)的鈾是吸附或包裹在有機質(zhì)和黃鐵礦顆粒表面，或與有機質(zhì)、黃鐵礦結合形成螯合物或硫化物。目前常用的萃取劑為H2O2，其氧化能力較強，可溶解樣品中錳的氧化物等，因此該形態(tài)的鈾通常在鐵錳氧化態(tài)之后萃取。由表1和圖5可見，以有機質(zhì)及硫化物態(tài)存在的鈾占4.39%～50.53%，平均22.73%，比例相對較高。嚴格上來說，這一部分鈾中既有吸附態(tài)的（即吸附在有機質(zhì)及粉末狀黃鐵礦中），又有呈粒狀、細脈狀鈾礦物形式賦存于有機質(zhì)、黃鐵礦等硫化物中，但目前兩者無法區(qū)分，暫時將其歸于吸附態(tài)的鈾。掃描電鏡分析過程中發(fā)現(xiàn)有較多的鈾礦物與黃鐵礦共生，沿黃鐵礦邊緣分布（圖4e），因此初步認為此形態(tài)的鈾中與黃鐵礦結合的鈾應多于與有機物結合的鈾。

圖5 彭陽鈾礦床不同品位礦石中鈾的逐級化學提取含量（a）及比例（b）Fig.5 The content(a)and proportion(b)of uranium in ore samples of Pengyang uranium deposit by sequential chemical extraction experiments

表1 逐級提取萃取液中鈾的含量（μg/g）及比例表Table 1 The content(μg/g)and ratio of uranium in the experiment of sequential extraction

（5）殘渣態(tài)：是指固定于硅酸鹽礦物、穩(wěn)定鈾礦物（如鈾石等）和惰性含鈾礦物等礦物晶格中的鈾形態(tài)，是礦石中鈾的主要賦存形式之一。殘渣態(tài)鈾占總體鈾含量的0.69%～74.70%，平均30.91%，含量較高。

整體對比發(fā)現(xiàn)，不同鉆孔樣品各形式鈾比例無明顯區(qū)別，低品位樣品（B2/ZK5、T106/ZK1、T108/ZK1等）中殘渣態(tài)鈾的比例相對稍高，中高品位樣品（T12/ZK7、T13/ZK7、T14/ZK7、T15/ZK7、T16/ZK7、T17/ZK7）中碳酸鹽態(tài)、有機質(zhì)及硫化物態(tài)這兩種形式的鈾含量明顯增加，這類形式的鈾往往是在成礦過程中增加并富集的，如碳酸鈾酰離子因物理化學條件的改變而伴隨著碳酸鹽沉淀，有機質(zhì)及黃鐵礦等硫化物能吸附還原鈾并沉淀成礦[29-30]。

綜上分析，彭陽鈾礦床礦石中鈾的5種形態(tài)所占比例關系是：碳酸鹽態(tài)（43.21%）>殘渣態(tài)（30.91%）>有機質(zhì)及硫化物態(tài)（22.73%）>鐵錳氧化態(tài)（1.78%）>可交換離子態(tài)（1.37%）。其中碳酸鹽態(tài)和殘渣態(tài)的鈾是鈾礦物的兩種最主要形式，數(shù)據(jù)顯示這兩種形式的鈾所占比例分布范圍為46.49%～93.92%，平均為74.12%；而有機質(zhì)黃鐵礦態(tài)、可交換離子態(tài)和鐵錳氧化態(tài)的鈾是以分散吸附形式存在的三種方式，分布范圍為6.08%～53.51%，平均為25.88%，其中以有機質(zhì)黃鐵礦態(tài)的鈾為主，可交換離子態(tài)和鐵錳氧化態(tài)的鈾含量較低。因此，彭陽鈾礦床中鈾的賦存狀態(tài)主要以鈾礦物和吸附鈾兩種賦存形式存在，且賦存在鈾礦物中比例明顯大于吸附鈾。

根據(jù)目前的地浸開采工藝，在地浸開采過程中，具備一定遷移能力和遷移活性的鈾，被稱為“活性鈾”或“動態(tài)鈾”，只有這部分鈾才能被浸取劑溶解開采出來，而暫時無法開采出來的那部分鈾被稱為“惰性鈾”，以殘渣態(tài)為主[31-32]。“活性鈾”主要包括以可交換離子態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、有機質(zhì)及硫化物態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)存在的鈾，在16件不同品位礦石樣品中占25.3%～99.31%，平均約為69.09%，特別是中高品位樣品中可達81.42%～99.31%。從礦石中鈾賦存狀態(tài)方面來看，彭陽鈾礦總體上較適合采用地浸技術開采。

5 結論

（1）彭陽鈾礦床鈾礦物共生組合分析表明，鈾礦物主要為瀝青鈾礦，共伴生顆粒（礦物）通常包括原生顆粒石英、長石、成巖碳酸鹽，以及砂巖中新生組分銳鈦礦、黃鐵礦、磷灰石（膠磷礦）、粘土礦物（綠泥石、高嶺土）、碳酸鹽及有機質(zhì)等，其中與砂巖中新生組分伴生的鈾礦物占主導地位。

（2）通過逐級化學提取實驗進行定量分析顯示，彭陽鈾礦床洛河組礦石中鈾的賦存形式主要以碳酸鹽態(tài)、殘渣態(tài)、有機質(zhì)及硫化物態(tài)為主。以鈾礦物形式賦存的鈾含量平均約為四分之三，吸附態(tài)鈾含量約為四分之一。根據(jù)鈾的賦存狀態(tài)來看，彭陽鈾礦床總體適合地浸開采。