萨瓦甫齐铀矿床岩石浸出液水化学对古流体的指示作用

林效宾，王志明，郝伟林，韩 军

（核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京100029）

萨瓦甫齐铀矿床岩石浸出液水化学对古流体的指示作用

林效宾，王志明，郝伟林，韩 军

（核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京100029）

萨瓦甫齐铀矿床位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区。新构造运动使盆地盖层变得陡直甚至倒转，承压含水层中的地下水不断被疏干，现今在垂深475 m以上已无地下水活动，铀矿体主要残留在古层间氧化还原过渡带中。根据水-岩相互作用的原理，试图通过研究岩样浸出液的水化学来获取古地下流体的一些基本特征。

萨瓦甫齐铀矿床；砂岩型铀矿床；层间氧化带；水-岩体系；Eh-pH法

萨瓦甫齐铀矿床位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区温宿县城北西65 km处，地处边境，距中国—吉尔吉斯斯坦国界库力克达坂地区17 km。经过50余年的断续普查和勘探，该矿床已落实为一大型工业铀矿床。

1 矿床地质概况

矿床位于西南天山南缘阿依列—萨瓦甫齐中生代山间盆地的东段，EW向展布，长约6 km，南北宽0.4～0.8 km，面积为3.1 km2。矿床周边附近出露的基底主要有上震旦统、石炭系，以及华力西期花岗岩。盆地沉积盖层由三叠系、侏罗系和白垩系构成。在盆地南缘河床中分布有现代冲洪积砂、砾；盖层顶面之上散布有第四纪漂砾（图1）。盆地沉积盖层中的侏罗系中下统，为一套河湖相沉积的砾岩、砂岩、泥岩和煤岩组成的含煤碎屑岩建造，为该矿床的赋矿层。上侏罗统及下白垩统为河湖相的红色碎屑岩建造［1］。矿床附近地区缺失上白垩统及古近系，表明矿床所在地区，继早白垩世沉积期后一直处于干旱的古气候条件，经历了长期的构造隆起发展阶段，为铀成矿创造了有利的古气候、古构造环境。

图1 萨瓦甫齐盆地地质图Fig.1 Geological map of Sawafuqi Basin

进入第四纪，在区域构造运动影响下，受强大的SN向区域压应力场作用，盆地基底和盖层经受了不同程度的隆起，盆地南北两缘发育的主河道持续下切呈深河谷。与此同时，在基底和盖层中新生或复活一系列近EW向逆冲断层及与之相伴的近SN向张性导水断裂、地层高角度倾斜甚至局部倒转变形推覆断块相互交织的地质构造背景。

2 层间氧化带特征

萨瓦甫齐铀矿床含矿岩性为富含有机质、炭质碎屑、黄铁矿的灰色、灰白色细砾岩、不同粒度的砂岩及灰色、深灰色泥岩。在剖面上，含矿砂体在晚二叠纪至古近纪时所发育的古层间氧化带的氧化砂体绝大部分在上新世末期开始的新构造运动演化过程中随着盆地的挤压抬升而被剥蚀掉，砂体中现残留的层间氧化带主要为部分不完全氧化带及氧化还原过渡带的部位，由于受到后生改造作用，在古层间氧化带基础上，叠加了现代氧化作用。

砂岩型铀矿体赋存于含矿砂体内或砂岩与泥岩界面靠近泥岩的砂体中；泥岩型铀矿体赋存于含矿砂体顶底板泥岩、粉砂岩或顶底板附近的泥岩、粉砂岩中（图2）。新构造运动过程中，铁米尔苏组等地层变得陡直甚至倒转，承压含水层中的地下水不断被疏干，现今在垂深475 m以上已无地下水活动，给矿床的水文地球化学研究带来了一定的困难。

3 研究依据及测试方法

水-岩作用认为地壳是一个水-岩体系，其中天然水和岩石之间相互作用。水-岩作用的结果不仅导致水化学成分形成、演化和改变，而且还引起岩石矿物成分的变化，造成新含水层岩石或多或少保留了最后一期古流体作用的痕迹。本文根据水-岩相互作用的原理，试图通过研究岩样浸出液的水化学特征来获取矿床在抬升过程中古地下流体的基本特征。

图2 萨瓦甫齐铀矿床58号勘探线水文地质剖面图Fig.2 Hydrogeological profile along exploration line No.58 in Sawafuqi uranium deposit

采集新打钻孔的岩心样品，并及时进行碎样及测试。本文选取了萨瓦甫齐铀矿床中部矿化较好，具有较好代表性的58号剖面中两个钻孔进行试验性研究，主要研究层位为矿化较好的Ⅸ含水层及与之相邻的上、下隔水层。将所采集样品碎至200目，称取10 g岩样放入密封试剂瓶中，加入100 mL去离子水，密封并充分摇匀，浸泡2 h以上后（此时基本达到水-岩平衡状态），取出水溶液测试pH、Eh值，及水中阴、阳离子，水中微量元素等水化学数据。

4 岩石浸出液水中阴、阳离子及微量元素特征

4.1 岩石浸出液水中阴、阳离子

大部分样品水质类型为SO4型水（ZK5806-10为HCO3型水）， 矿化度均小于2 g·L-1（表 1）。 水中CO32-和 HCO3-含 量 受 pH值的影响，CO32-在各样品中均未检测出，根据水化学原理，当pH小于临界值6.4时，碳酸衍生物主要以H2CO3和游离CO2占优势；当pH大于临界值6.4、小于临界值10.33时，CO32-占优势。

表1 岩石浸出液中阴、阳离子测试结果Table 1 Test result of anions and cations in leaching liquid from rock

4.2 岩石浸出液微量元素

图3 浸出液中微量元素R型聚类分析谱系图Fig.3 R type clustering analysis on trace elements in leaching liquid

由于先前实验中未考虑浸出液中悬浮物质可能存在的影响，微量元素的测量值会受到一定的影响，其结果也反映了固体样品的特征。据以往该矿床岩石微量元素相关性分析表明，U主要与Cd、Mo、Re、Co、Sb、V和In等元素相关，对此，本文做了岩石浸出液水中微量的R型聚类分析（图3）和相关性分析，与岩石微量元素数据进行对比性研究，结果表明：（1）浸出液Mo元素的含量与岩样有机质脉的含量呈正比。相关性分析表明，Mo与U元素相关关系不大，而与Sb、Re呈正相关关系，其中与Sb相关系数达到0.99。说明Mo、Sb和Re是随酸性有机流体带入的组分，而并非与U元素共同迁移和富集，扫描电镜测试结果（图6）表明，Mo元素在有机脉体内部出现了明显富集，正好佐证了上述观点。在岩样微量元素中Mo、Sb、Re与U元素呈正相关关系，是有机质还原U发生沉淀富集的地球化学结果表现。（2）浸出液中U元素与Ni、 Co、 Zn和Tl等元素相关性较好。（3）在岩石微量元素中Cd与U元素的相关性最好，相关系数高达0.99，但据刘章月（2008）分析认为，Cd元素的富集可能与该矿床后期的叠加改造有关［3］。而在浸出液中Cd元素与其他元素的相关性均不大，与U的相关性系数为-0.05，也说明U元素与Cd元素不是同一期流体的产物。（4）浸出液中Sr与Ca具有正相关性，相关系数为0.75。这是因为Sr与Ca离子半径相近，在方解石脉形成的过程中，Sr能被CaCO3捕获也可生成SrCO3的次生胶结物。（5）矿床中达到综合利用工业指标的伴生元素有 Sc和 Ga。浸出液中 Sc和 Ga元素与 V、Nb、Ba、La和In等元素具有非常好的相关关系，相关系数均在0.97以上。说明它们是随着流体一起迁移和富集的。

5 层间氧化带水-岩体系Eh-pH特征

5.1 测试数据

所测水-岩体系Eh和pH值的结果见表2。因水溶液的酸碱度对氧化还原电位有很大的影响，不同pH值条件下岩石Eh测量值不能直接比较它们还原性能的大小，为此本文用李宽良（1980）建议的下式对所测岩石Eh值进行校正：

式中：K＝59 mV；pHr——实测岩石浸出液pH值；Ehr——实测岩石浸出液Eh值；Eh7——pH＝7时岩石浸出液的Eh计算值。

为了验证该方法的可行性，在不同的时间段内每一个样品先后制取了两个平行样品，所测量的浸出液pH值前、后相差非常小，误差小于7%，说明了该方法具有较高的可信度。但上隔水层ZK5806-02样品利用该方法两次所测pH值相差较大，原因是该样品含有较多的碳酸岩脉体，而碳酸盐的平衡对水体pH值的影响较大。

5.2 结果讨论

（1）前人对新疆伊犁盆地512铀矿床利用水-岩体系Eh-pH值变化特征来划分含矿含水层层间氧化带各个分带的研究，从氧化带到还原带，水-岩体系Eh呈明显下降趋势，而水-岩体系pH值在氧化带和还原带较高，呈弱碱性，在氧化还原过渡带则接近中性［4-5］。根据数据对比分析，本矿床两个钻孔中第Ⅸ含水层pHr与Ehr值的分布范围，指示着该含水层处于氧化还原过渡带中。

表 萨瓦甫齐铀矿床 号剖面水 岩体系 值测试结果Table 2 Test results on Eh and pH values of water-rock system in section No.58 in Sawafuqi uranium deposit

（2）第Ⅸ含水层各样品pHr值从ZK5806钻孔的4.5～5.05（平均值为4.77）到ZK5810钻孔的6.03～6.22（平均值为6.12），有增高的趋势；Eh7从ZK5806钻孔的-239.8～-94.35 mV（平均值为-18 9.2 mV）到ZK5810钻孔的-144.32～1.47 mV（平均值为-80.75 mV），有升高的趋势。此结论中Eh7有升高的趋势与结论（1）中前人研究其他矿床所得出的水-岩体系Eh值从氧化带到还原带呈明显下降趋势不相符，而且pH测量值也较低。

图4 第9煤层顶板充填的碳酸盐脉体Fig.4 The filling carbonate vein in the 9th roof of coal bed

本文认为造成此种现象的原因可能是后生酸性流体对原层间氧化带进行了改造。结合钻孔资料：①在ZK5806孔第Ⅸ含水层与第9煤层之间具有很好的泥岩型矿化（图2），以及充填了大量的碳酸盐脉体（图4），而在紧邻的钻孔中未曾发现此种现象；②在64号线ZK38孔（与ZK5806孔纬度相近）相同部位也出现了比较好的泥岩型矿化及异常；③含矿砂体裂隙中充填有大量的有机质脉体，对ZK5806-05样品做扫描电镜测试，脉体呈不规则状沿裂隙分布，局部呈细网脉状、树枝状沿裂隙穿插矿物或碎屑颗粒，中间夹有非常细的石英脉体，且其成分出现了Mo元素的富集（图 5、6）；④据刘章月（2008）的研究，该有机质脉体不同于同沉积有机质碳屑，它是在后期沿岩石裂隙贯入，13C同位素分析结果δ13C值较大（δ13C的平均值为-13.94），而生物成因有机质以强烈亏损δ13C为特征，其推测这种有机质脉体的形成与地层中煤的热演化有关［3］；⑤前人在该矿床发现有晶质铀矿，而晶质铀矿主要是高温条件下在溶液中结晶的产物。

图5 有机质脉体分布特征，扫描电镜，X1000Fig.5 Distribution characteristics of the organic matter，SEM，X1000

图6 有机质脉体成分（质量百分比）分布柱状图，扫描电镜，X5000Fig.6 Distribution bar chart of the organic matter composition （by mass percentage）， SEM， X5000

结合以上几点，笔者认为在ZK5806钻孔附近存在一条隐伏导水断裂（图7-a），铀矿化的分布与后期热液流体沿此断裂流动有关，即该矿床在层间氧化带砂岩型铀矿化后期叠加了热液的改造作用。上新世末，萨瓦甫齐矿区进入新构造运动阶段，山前断裂强烈活动，并向盆地方向逆冲，造成含矿砂岩中发育众多裂隙。另一方面，在沿断裂上移的深部热液流体作用下，加快了侏罗系煤层成烃的热演化速度，形成的各种煤成烃组分随热液沿裂隙贯入含矿层中，与热液共同影响了铀元素的重新分布，从而形成层状铀矿体，并在被断层穿过的煤层边缘形成煤岩型铀矿化。同时在热液作用下形成了晶质铀矿。当热液流经煤层顶板时，烃被硫酸盐氧化成CO32-， CO32-水解生成 HCO3-， HCO3-进而与地下水中的Ca2+结合成碳酸盐或碳酸盐的胶结物沉淀下来，在围岩构造裂隙中充填了方解石脉体。反应过程如下：

酸性流体的贯入也可能是造成含水层灰白色高岭石黏土化的直接原因。从原来产状平缓的地层变得陡立甚至倒转后，含矿层抬升而部分剥失，原来在平缓地层中渗流的层间水变为垂直上下波动的潜水，各含水层普遍遭受淋滤、疏干作用，上部矿体被贫化改造，铀等矿化元素向下迁移（图7-b）。

图7 萨瓦甫齐铀矿床后期改造作用示意图Fig.7 Schematic diagram for post reworking in Sawafuqi uranium deposit

6 结 语

上述结果讨论对萨瓦甫齐铀矿床找矿方向的启示如下：

（1）运用水-岩体系pH、Eh确定层间氧化带分带，并圈定铀矿体位置或可能出现的位置：例如与第Ⅸ含水层同样处于第9～12煤层之间的第Ⅺ含水层，在58号线上其矿化程度远远不及前者，而利用水-岩体系pH、Eh值确定层间氧化带分带，可以间接推测该含水层深部有无成矿的可能性 （若其水-岩体系pH、Eh指示含水层处于氧化带或氧化还原过渡带上，则深部有成矿的可能性；若指示含水层处于还原带上，则深部成矿的可能性较小）。

（2）寻找隐伏断裂：如上所述，在深部热液流体作用下，煤成烃的各种组分沿裂隙贯入含矿层中，并与来自深部的热液共同影响了铀元素的重新分布，其对矿体分布的控制作用有进一步研究的价值。

本文的方法简单且易于操作，水-岩体系Eh-pH在确定层间氧化带分带及圈定铀矿体位置上具有一定的应用前景，岩石浸出液水化学数据可在一定程度上反应疏干矿床古流体的性质，但具体操作流程需要进行改进，如岩样不经过破碎直接进行浸泡以减少悬浮物质的影响及浸泡时间的控制等；关于矿床是否存在热液的改造作用，还需要诸如地球化学、同位素、流体包裹体和构造等多方面的研究。

［1］申平喜.萨瓦甫齐铀矿床成矿地质条件及找矿前景［J］ .世界核地质科学， 2010， 27（3）:139-143.

［2］ 史维浚，孙占学.应用水文地球化学［M］.北京：原子能出版社，2003：24-68.

［3］刘章月.新疆萨瓦甫齐地区构造与砂岩型铀成矿关系［D］.北京：核工业北京地质研究院，2008.

［4］ 刘金辉，孙占学.确定砂岩型铀矿体定位新方法：水岩体系Eh-pH法［J］.吉林大学学报：地球科学版，2004，34（1）： 44-48.

［5］张卫民，刘金辉，李学礼，等.水岩体系Eh-pH法在砂岩型铀矿层间氧化带划分中的应用：以新疆伊犁盆地512 铀矿床为例［J］.地球学报， 2003， 24（1）:85-90.

The hydrochemical indication of leached liquid from rock to the palaeofluid in Sawafuqi uranium deposit

LIN Xiao-bin， WANG Zhi-ming， HAO Wei-lin， HAN Jun
（CNNC Key Laboratory of Uranium Resources Exploration and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

Sawafuqi uranium deposit is located in Akesu of Xinjiang Uygur Autonomous Region.Due to Neotectonic activity，the occurrence of Tiemiersu and other formations has been steeply tilted and even overturned.The groundwater in the confined aquifers is consequently drained away and there is no groundwater activities in the rocks over the vertical depth of 475 m.Uranium ore bodies are the leftover mainly existed in the transition zone of interlayer oxidation-reduction.Based on the water-rock interaction principle，this paper tries to obtain some basical characteristics of the palaeofluid by studying the hydrochemical characteristics of the leached liquid from rock.

Sawafuqi uranium deposit； sandstone-type uranium deposit； interlayer oxidation zone；Eh-pH method of water-rock system

P619.14；P598

A

1672-0636（2011）03-0156-07

10.3969/j.issn.1672-0636.2011.03.006

2011-04-06；

2011-04-11

林效宾（1984—），男，山东菏泽人，在读硕士研究生，研究方向：水文地质。E-mail：linbin58@126.com