十红滩砂岩型铀矿床南段地浸条件分析

高 柏，杜 洋，孙占学，刘金辉，胡宝群，周义朋

（东华理工大学，江西 抚州 344000）

十红滩砂岩型铀矿床南段地浸条件分析

高 柏，杜 洋，孙占学，刘金辉，胡宝群，周义朋

（东华理工大学，江西 抚州 344000）

分析了十红滩铀矿床南段的地层结构、地球化学、矿物成分和化学组成、水文地质、水文地球化学等特征。结果表明：矿层具有地浸必要的稳定隔水顶、底板，埋藏深度适宜，但含水层连续性不好，存在多层钙质夹层；铀矿物以沥青铀矿为主，与黄铁矿、方解石紧密共生，矿石中的SiO2偏低，Al2O3、CaO、Fe2O3偏高，易产生Ca、Fe等化合物的沉淀；铀矿石中以四价形式存在为主，六价铀偏少，提高铀的浸出率难度大；地下水矿化度过高，水中的硫酸钙及碳酸钙的饱和指数都大于零。因此，南矿段地浸条件决定了无论采用常规的规酸法或与碱法开采都无法正常进行高效的浸出，新的工艺研究势在必行。

铀矿床；地浸条件；水文地质

砂岩型铀资源是我国铀资源的重要组成部分，目前主要利用地浸技术开采。十红滩矿床是一个赋存有XXXt铀资源远景储量的砂岩型铀矿床，由于含矿层地下水的矿化度高达8～12g/L，给地浸采铀造成困难，使铀矿开采难以按传统的酸法和碱法地浸采铀工艺进行，严重影响了该矿床铀资源的经济合理开发利用。因此，研究该矿床地浸条件，对如何有效开发目前开采难度较大（高矿化度、低渗透性）矿床具有重要的实际意义，符合当前我国核能开发的需求。

1 区域地质背景

十红滩铀矿床位于吐哈盆地西部吐鲁番市南缘，矿区距吐鲁番市约55km。吐哈盆地由北向南可划分为北部坳陷、艾丁湖斜坡带和南湖隆起3个构造单元。十红滩铀矿床位于艾丁湖斜坡带西部边缘。艾丁湖斜坡带为基底活动稳定区，基底埋深一般在150～400m之间，最深大于600m；沉积盖层为中新生代平缓北倾单斜地层（图1）。

盆地基底具有双层结构。深层基底为前寒武纪结晶地块，直接基底为古生代地层及中酸性花岗岩和变质火山碎屑岩。直接基底中的石炭统迪坎儿组（C2d）主要由黄绿色凝灰质砂岩、砾岩、硬砂岩、粉砂岩、页岩及薄层灰岩组成；盆地南部蚀源区还有大面积分布的海西期花岗岩（γ4）。盆地盖层下部为中下侏罗统水西沟群（J1＋2sh），盖层上部是由局部分布的第三系鄯善群（Esh）和第四系。

图1 吐哈盆地地质简图（据权志高，2002）

水西沟群为一套河－湖－沼泽相含煤碎屑岩建造，包括八道湾组（J1b）、三工河组（J1s）、西山窑组（J2x）。含矿地层是西山窑组（J2x），南带矿体产于西山窑组下段（）中，中带矿体产于西山窑组中段）中，北带矿体产于西山窑组上段）中［6－8］。

2 矿床含水层条件

矿区共有8个含水层（组），其中位于侏罗系水西沟群西山窑组下段）的第Ⅴ含水层（组）为含矿含水层，主要由含砾砂岩（细、中、粗）及砂质砾岩、砾岩组成，分选性、磨园度中等，以泥质胶结为主，主要呈疏松－次疏松状，岩性在水平和垂向上均匀性较差，夹多薄层透水性很差的泥岩、粉砂质泥岩、煤等夹层。含水层顶底均有连续泥岩或泥质粉砂岩作为隔水顶、底板，其中顶板较厚，分布于146～153m之间，平均厚度6m左右；底板较薄，分布于171～173m之间，平均厚度1.5m左右；顶底板之间的含矿含水层埋深分布于153～171m，平均厚度17.88m。

含水层砂体中可见钙质胶结和泥岩夹层，钙质层致密坚硬，不透水；根据现场的环刀渗透试验，泥岩和粉砂质泥岩夹层基本不透水。砾岩及含砾粗砂岩填充大量的黏土化长石，泥质含量较高，分选性较差。含矿含水层渗透系数为0.108～0.14m/d之间，平均0.12m/d［9］。

3 矿床地下水补、径、排条件

十红滩铀矿床位于吐哈自流水盆地南缘艾丁湖斜坡带侏罗系水西沟群西山窑组承压含水层中。含矿含水层地下水主要接受南缘觉罗塔格山基岩裂隙水通过第四系潜水间接补给，含水层之间地下水通过鼻状隆起越流补给。含水层中赋存高矿化度孔隙承压水，盆地南源地下水总体流向由南西向北东方向流动。艾丁湖是侏罗系承压含水层的排泄区，地下水可通过饱和裂隙、地表水体及潜水含水层进行蒸发排泄。矿区鼻状隆起为侏罗系下统含水的局部排泄窗，通过向上越流至近地表进行蒸发排泄［10］。

4 矿体及隔水顶、底板条件

矿带产于十红滩鼻状隆起的东、西两翼，控制长度7～8km，宽度100～250m，埋深80～270m。矿体平均品位0.0334%，平均厚度6.78m。试验段矿体分布在130～172m范围内，分成上（133～146m）下（153～171m）两层矿体，属中等深度铀矿体。含矿层及其顶底板隔水层具有以下特征。

4.1 含矿层有3个稳定的泥岩隔水层

隔水层分别是上、下两矿层的隔水顶板和隔水底板。各泥岩隔水层的顶底板深度如表1所示。泥岩隔水层在试验块段分布深度非常稳定。泥岩层上隔水顶底板深度为130.2～134.7m，平均厚度为4.5m。泥岩层中隔水顶底板深度为146.3～153.6m，平均厚度为7.3m，下隔水泥岩的顶板的深度为171～173.2m，平均厚度为2.2m。稳定的隔水顶底板为原地浸出提供了良好的条件。

4.2 在下层矿体分布范围内存在复杂多变的隔水层

块段主矿层特征如表2所示。试验块段下层矿体（主矿体）十分稳定，厚度为18m，各钻孔顶、底板深度较为一致，分别为153m和171m左右，夹于两泥岩层之间。下矿层中隔水层多而复杂：从上到下主要有3个明显的夹层，分别为上部钙质胶结层，埋深156.60～158.08m 间；泥岩粉砂岩夹层，埋深161.86～166.27m；下部钙质胶结层，埋深166.46～171.41m。多层钙质胶结体使含水层不连续，地浸流体不能分布在这个含水层，易造成地浸死角。

表1 试验块段钻孔取样段主要隔水顶底板深度/m

表2 试验块段下层矿体与隔水层分布/%

5 地浸流体成分条件

地浸过程是水岩作用过程，地浸流体主要成分来源于作用主体的矿石成分和地下水的化学成分作用过程，其产物决定了地浸效果。

5.1 矿石化学成分

从试验块段SZK－1孔下层矿体中，分别选取不同岩性的矿样，分析其中与地浸工艺相关的化学成分，结果如表3所示。

表3 矿层矿石主要化学成分/%

表3中矿石化学成分结果表明南段矿体中矿石成分有以下特点：①CaCO3（以CO2计）含量变化0.41%～5.61%之间，平均为2.40%，宜采用碱法地浸。②试验矿段黄铁矿（以S2－计）变化于1.54%～7.11%，平均为3.50%，进行碱法地浸存在氢氧化铁沉淀的隐患。③铀含量品位变化大，铀总量变化于0.035%～0.141%之间，平均品位为0.07%；选择铀总量较高的样品进行价态分析，U＋6/∑U为0.32，说明大部分铀以四价形式存在，提高铀的浸出率难度较大，首先必须要把四价铀氧化为能溶解的六价铀。

5.2 矿物成分

与地浸关系密切联系的矿物主要有铀矿物、黄铁矿、方解石［9］。黄铁矿既是耗氧化剂物质，影响浸出效果，又是易沉淀物质（氢氧化铁、碳酸钙）主要来源，易造成堵塞而影响正常浸出。

5.3 铀的存在形式

铀以吸附状和铀矿物形式存在。铀矿物主要是沥青铀矿，少量的是含铀Ti－Fe氧化物和铀石。铀矿物产状有：围绕黄铁矿、高岭石、石英、钾长石等生长，或细粒状充填于其他矿物的晶隙间，或与黄铁矿等共生后被石英等包裹等多种产状。其中，与黄铁矿等共生后被石英等包裹的铀矿物是难于被浸出，易于浸出的是吸附状态铀及呈不规则状围绕黄铁矿、高岭石、石英、钾长石等生长的沥青铀矿。

5.4 矿层地下水水化学特征

地下水的化学成分条件对浸出过程影响严重。十红滩铀矿床含矿含水层矿化度较高（8～12g/L），水化学类型为Cl·SO4－Na型，特别是南矿带靠近十红滩背斜东翼附近地下水矿化度高达12.16g/L，水化学类型为Cl－Na型。地下水化学成分见表4，温度范围为19～21℃，取20℃，p H值为6.9～7.5，按6.9、7.3分别模拟计算，其结果见表5。

表5中结果表明，矿床地下水中离子基本处于接近饱和状态或过饱和状态，硬石膏一直处于边界饱和。当p H值为6.9时，霰石、方解石、白云石、石膏均以饱和，而菱镁矿处于非饱和状态；当逐步p H值升至7.5时，碳酸岩类的霰石、方解石、白云石、菱镁矿等饱和指数逐渐增加，有接近或处于边界饱和过渡为明显处于饱和状态，石膏、硬石膏处于饱和、边界饱和状态。由此表明，该矿床高矿化度地下水可能产生沉淀的组分已处于饱和状态，由于水中的CI－等离子浓度高产生的盐效应增大了各成分的溶解度，使地下水矿物成分处在动态平衡状态。无论传统酸法和碱法工艺，在加入少量的试剂后，都会打破这种动态平衡导致浸出过程发生沉淀。

表4 十红滩矿床含矿含水层地下水化学成分/（mg·L－1）

表5 矿床地下水易沉淀矿物饱和指数模拟结果

6 结论

通过十红滩铀矿床南段的地质水文地质、地球化学、地浸流体等条件分析，该段地浸水文地质条件体现以下特点。

含矿含水层具有稳定的隔水顶底板，隔水性能良好，但含矿层中泥岩、粉砂岩及钙质胶结夹层多，有一层较厚的泥岩粉砂岩夹层以及两个明显的钙质胶结层，渗透性较差，平均为0.12m/d，为可地浸开采矿石（0.1～1m/d）下限，地浸采铀具有较大的难度。

矿石中铀、黄铁矿以及方解石的研究表明，铀矿物的存在形式、较高含量的黄铁矿及方解石对地浸开采会产生不利的影响。铀矿物主要是沥青铀矿，其次为含铀Ti－Fe氧化物和铀石；沥青铀矿多为超显微粒状，常与黄铁矿紧密共生。黄铁矿容易与溶浸液作用，易产生铁沉淀，是地浸采铀的不利因素。方解石主要有致密钙质胶结岩石中的方解石和疏松岩石中的粒状或小团块状两种产状，其中后者易与溶浸液发生反应，使溶浸液中Ca2＋含量增高，对地浸生产影响较大。

矿石化学成分研究表明，南段矿石中六价铀约占32%，四价铀为68%，因此大部分铀以四价形式存在，必须首先要把四价铀氧化为能溶解的六价铀，才能提高铀的浸出率。矿石中碳酸盐含量（以CO2计）大于2%，说明宜采用碱法地浸，但黄铁矿（以S2－计）平均为3.50%，说明进行碱法地浸又存在氢氧化铁沉淀的隐患。

运用地球化学模式进行计算该区地下水中的硫酸钙及碳酸钙的饱和指数都大于零，表明含矿含水层地下水中硫酸钙与碳酸钙都处于沉淀状态，是地浸采铀工艺的不利因素。也是造成常规酸法与碱法地浸开采化学堵塞的主要原因。

因此，根据以上分析表明，十红滩南矿段地浸水文地质条件对采用常规的规酸法与碱法开采十分不利，突破常规改进地浸水文地质条件和地浸工艺是有效开采该矿床的必由之路。

［1］核工业二零三研究所.新疆吐鲁番市十红滩铀矿床勘探线北段地质勘查报告［R］.2001.

［2］傅成铭，邱林.吐哈盆地十红滩铀矿床构造特征及其与铀矿化时空关系研究［J］.新疆地质，2006，24（2）：192－196.

［3］傅成铭.吐哈盆地十红滩铀矿床控矿因素及找矿靶区研究［J］.铀矿地质，2005，21（2）：85－91.

［4］权志高，李占双.新疆十红滩砂岩型铀矿床基本特征及成因分析［J］.地质论评，2002（4）：430－436.

［5］权建平，徐高中，李卫红，等.构造对吐哈盆地西南部十红滩砂岩型铀矿成矿控制作用的研究［J］.世界核地质科学，2006，23（1）：5－11.

［6］李保侠.吐哈盆地十红滩铀矿床地质特征及控矿因素分析［J］.华东地质学院学报，2002，25（4）：292－300.

［7］李保侠，李占双.十红滩铀矿床首采段矿床地质、地球化学特征［J］.铀矿地质，2003，19（4）：193－202.

［8］张子敏，马汉峰，蔡根庆.吐哈盆地西南缘艾丁湖斜坡带层间氧化带分带性及其地球化学特征［J］.世界核地质科学，2004，21（1）：5－8，19.

［9］东华理工大学.十红滩砂岩铀矿淡化少试剂地浸采铀研究［R］.中国国防科学技术报告，2007.

［10］乔海明，张复新，徐高中，等.吐哈盆地十红滩铀矿床的水文地质特征及矿床成因分析［J］.地质论评，2005，3（51）：257－263.

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

GAO Bai，DU Yang，SUN Zhan－xue，LIU Jin－hui，HU Bao－qun，ZHOU Yi－peng
（East China Institute of Technology，Fuzhou 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，Fe2O3content 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，从事水文地球化学与环境工程教学和科研工作。E－mail：gaobai＠ecit.cn。

FT111.31

B

1004－4051（2013）06－0089－04

2012－10－22

国家自然科学基金项目资助（编号：41162007）；江西省教育厅项目资助（编号：GJJ12375）；放射性地质勘探与技术国防重点学科实验室项目资助（编号：2011RGET05）