廖石丹， 劉金輝， 黎廣榮， 趙 凱， 陽奕漢，邢擁國(guó)， 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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tuán)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(zhǎng)約8.8 km、寬為100～800 m，面積約2.8 km2(鄭和秋野等,2017)，是我國(guó)較早發(fā)現(xiàn)的古河道型地浸砂巖型鈾礦。前人對(duì)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(jī)理(林效賓等,2021；聶逢君等,2015；李強(qiáng),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(duì)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(kuò)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(duì)象，使用偏光顯微鏡、SEM-EDS、電感耦合等離子質(zhì)譜等儀器對(duì)巴彥烏拉鈾礦床西南段礦石地球化學(xué)特征進(jìn)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?yàn)闁|西向，東西長(zhǎng)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(jì)-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(gè)二級(jí)構(gòu)造單元組成，其內(nèi)部又分割為43個(gè)次級(jí)坳陷和22個(gè)次級(jí)隆起。該鈾礦床位于馬尼特坳陷西部的塔北次級(jí)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(yán)格受基底構(gòu)造所造成的負(fù)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(zhǎng)軸線的變異部位(高賀偉等,2017)。礦床內(nèi)目前共有2個(gè)較小的礦體，礦體形態(tài)狹長(zhǎng)，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(zhǎng)，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(gè)地浸采區(qū)礦石地球化學(xué)特征，本研究采集了20余個(gè)礦石樣品進(jìn)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(zhǎng)英質(zhì)巖石和長(zhǎng)石碎晶為主，長(zhǎng)石碎晶表面黏土化嚴(yán)重(圖2a)；長(zhǎng)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(jī)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(jī)質(zhì)大體呈有機(jī)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(zhǎng)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(zhǎng)石風(fēng)化相對(duì)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(zhǎng)石黏土化嚴(yán)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(yán)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(huì)發(fā)生溶解，對(duì)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(zhǎng)石、云母等碎屑顆粒以及一些物理風(fēng)化破碎形成的細(xì)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(xì)顆粒碎屑物的化學(xué)風(fēng)化也比較強(qiáng)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(zhǎng)石可以看到差異性風(fēng)化造成的凹坑，發(fā)育一些細(xì)顆粒的高嶺石等黏土礦物。總體來看，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(zhǎng)為典型的晶體形態(tài)(圖 4)。此外，地層中還含有對(duì)鈾元素浸出產(chǎn)生明顯影響的黃鐵礦，其主要以獨(dú)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(zhǎng)石(表1)，石英含量變化范圍相對(duì)比較大，長(zhǎng)石以鈣長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石為主，部分樣品中存在一些微斜長(zhǎng)石、冰長(zhǎng)石、透長(zhǎng)石、歪長(zhǎng)石。整體來看，地層中的石英含量高于長(zhǎng)石，并且每一個(gè)樣品中石英和長(zhǎng)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(shí)，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(fù)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(duì)微量元素進(jìn)行球粒隕石(Sun et al.,1989)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)現(xiàn)，Nb，Sr，Sm，Y，Tm，Yb相對(duì)虧損，La、Nd、Ce相對(duì)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(diǎn)(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(fù)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(cè)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(jià)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(duì)鈾礦石中的U與Fe含量測(cè)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(duì)鈾成礦有重要作用。此外，礦石中U含量不高，但U4+占比相對(duì)較高(平均值達(dá)到0.37)，且在SEM圖像上難以觀察到鈾礦物，據(jù)此認(rèn)為礦石中的鈾主要以顯微顆粒的四價(jià)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(duì)鈾酰離子具有一定的吸附作用(馬強(qiáng)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(jī)C含量低，且多低于檢出限。U與有機(jī)C相關(guān)性不明顯(表5，圖10)，這可能與礦石中有機(jī)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(duì)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(jìn)行研究，得到以下3點(diǎn)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(zhǎng)石、云母等，其中長(zhǎng)石表面粗糙，黏土化較嚴(yán)重，酸浸條件下長(zhǎng)石的進(jìn)一步黏土化可能會(huì)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(fù)相關(guān)性；微量元素Nb，Sr，Sm，Y，Tm，Yb相對(duì)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(jià)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(jià)鈾含量