松辽盆地西南部DL铀矿带铀赋存状态及矿物组成特征

邓刘敏 ,葛祥坤 ,刘章月 ,蔡建芳 ,宁君 ,黄少华 ,于阿朋

(1.核工业北京地质研究院,北京 100029;2.核工业二四〇研究所,辽宁 沈阳 110032;3.核工业二四三大队,内蒙古 赤峰 024000)

松辽盆地是我国中新生代砂岩型铀矿找矿重点区域之一。自20世纪90年代以来国内学者相继对松辽盆地开展了含矿层岩相学、沉积特征、成矿作用等一系列研究,先后发现了钱家店、宝龙山等铀矿床,尤其是对钱家店铀矿床含矿层姚家组的研究,在矿化特征、蚀变类型、成矿流体、成矿模式等方面取得一系列成果[1--10]。DL铀矿带位于钱家店矿床东南部,地形上处于开鲁坳陷钱家店凹陷的东部,长约十几千米,是近年松辽盆地西南部重大找矿发现,矿体规模较大且在空间上较为连续,与钱家店、宝龙山铀矿床成因类似。前人对钱家店和宝龙山铀矿床赋矿层位、沉积及成矿作用等方面的研究表明:该区铀矿化主要发育在姚家组,铀矿体呈板状、透镜状赋存于上下氧化带之间的灰色砂体中,岩性以中细砂为主,铀成矿受构造、后生改造等因素影响,控盆断裂与氧化还原过渡带复合部位为矿化有利区域。鉴于目前研究区DL铀矿带铀赋存状态研究相关资料较少尚不够系统,本文重点对该矿带铀的赋存状态进行系统研究,查明铀的主要存在形式,同时借助新的分析技术方法,尝试确定不同铀赋存状态所占比例,为区域成矿环境、成矿作用以及选冶工艺研究提供基础资料。

1 地质概况

松辽盆地位于我国东北地区,为中、新生代大型断坳盆地,区域构造轮廓表现为西部是东倾大单斜,南、北向中部倾伏,东南隆起,中部为长轴凹陷。基于区域地质特征,盆地可进一步划分为西部斜坡区、中央坳陷区、北部倾没区、东北隆起区、东南隆起区和西南隆起区(图1a)[5]。钱家店凹陷是盆地西南隆起区开鲁坳陷北部的一个次级负向构造,呈北北东向窄条状夹持在复杂地质构造拼接聚合地段。钻孔揭露地层主要有上白垩统青山口组、嫩江组和姚家组,产状较平缓,受区域构造背景影响,北北东、北西向断裂较发育。该区是盆地西南部以及整个盆地砂岩找矿重点区域,具有良好的铀矿地质条件:上白垩统姚家组辫状河洼地沉积物富含有机质、S等还原剂,促进铀的同生沉积预富集;北北东向贯通性基底断裂为油气渗出还原作用提供通道;晚白垩世青山口组剥蚀天窗有利于地表含氧含铀水的渗入[2--3]。

研究区DL铀矿带位于钱家店凹陷东部架玛吐隆起的西南隆起区,区内断裂不发育,以北东向、近东西向为主,F1、F2、F3断裂为反转期形成的同期或派生的断裂构造,多为断裂破碎带或被辉绿岩脉充填,F4为局部排泄带(图1b)。区内基底主要为海西期花岗岩,埋深在460～630 m 左右,盖层主要为姚家组和嫩江组,其中,姚家组为主要含矿层,分上、下两段,上段以砂质辫状河相浅灰、灰白色细砂岩为主,少量中细砂岩及泥质粉砂岩、泥岩,砂--泥沉积韵律较为发育;下段则以厚层砂岩为主,主要为辫状河相沉积,层间夹有薄层状泥岩,呈透镜状分布。DL铀矿带长约十几千米,埋藏较深,空间上较为连续,矿体呈层状、似层状分布(图2)[13],铀矿化主要为姚家组下段,矿化样以灰色、灰白色砂岩为主。

图1 钱家店地区位置(a)和地质简图(b)(据参考文献[11--12]修改)Fig.1 The location of Qianjiadian area(a)and geological sketch map(b)

图2 DL铀矿带北北东向纵剖面(据参考文献[11]修改)Fig.2 NNE geological section along the strike of DL uranium mineralized zone

2 样品采集与测试

样品采集于通辽DL地区新施工完成的铀矿钻孔岩心(表1),在不同分带上共采集了多个样品,岩性主要为紫红色、灰色、灰白色中砂岩。将采集的样品磨制成光薄片,在核工业北京地质研究院分析测试研究中心进行电子探针和矿物参数定量分析,仪器型号分别为JXA--8100电子探针和AMICS自动矿物参数定量分析系统。电子探针加速电压为20 k V,加速电流为10 n A,束斑直径为2～5μm;自动矿物参数定量分析系统由ZEISS sigma 300型高分辨率场发射扫描电镜、Bruker Xflash6130型X 射线能谱仪(EDS)以及矿物参数定量分析软件组成,加速电压为20 k V,工作距离为10 mm,能谱仪脉冲处理器档位为275 kcps,输入计数率在300～450 cps 之间,X 射线采集时间为10 ms,测试区域在23 mm×12 mm～28 mm×21 mm,约占薄片样品总区域的1/3～3/4 左右,步长约670μm。

表1 样品特征及采样位置Table 1 Sample characteristics and sampling location

3 铀的存在形式

前人研究表明,钱家店、宝龙山铀矿床铀的存在形式主要为沥青铀矿、铀石、含钛铀矿物和吸附铀,其中沥青铀矿和铀石中P2O5和TiO2含量偏高,吸附铀以黏土矿物和有机质吸附为主[3,7,12,14--15]。根据电子探针和扫描电镜研究结果,DL铀矿带独立铀矿物主要有沥青铀矿、含钛铀矿物、含锆铀矿物。铀矿物种类与钱家店、宝龙山铀矿床略有差别,较钱家店和宝龙山铀矿床缺少铀石,多了含锆铀矿物,且这些铀矿物中均含有一定含量的Zr O2,以含锆铀矿物含量最高,可达15%,同时亦表现出高磷高钇特征;吸附态铀主要存在于黏土矿物(主要是高岭石)、有机质和锐钛矿中;此外,还有少量的铀以类质同象形式存在于磷钇矿、独居石、磷灰石和锆石等副矿物中。

3.1 独立铀矿物

3.1.1 沥青铀矿

图3 沥青铀矿背散射电子图像Fig.3 Backscattered electron images of pitchblende

由背散射图像(图3)可以看出,沥青铀矿主要沿砂岩碎屑颗粒空隙填入式分布,呈微粒状、团块状、块状、脉状产出,粒径大小不一,块状和团块状(结晶程度欠佳)沥青铀矿粒径稍大,在几十微米左右,脉状和微粒状粒径则在几微米左右,其共生矿物主要为黄铁矿、有机质、硒铅矿、磷灰石、锐钛矿、黏土矿物和碳酸盐等。此外,沥青铀矿呈微粒状分布于铁白云石孔洞中(图3i),表明沉积成岩期存在铀的预富集[16]。

电子探针结果表明,沥青铀矿成分变化较大,测试结果的总含量在76.72%～95.42%左右(表2),UO2平均含量约70.06%(表2测点1～33中UO2含量平均值),此外还含有一定量的CaO(3.38%)、Zr O2(3.29%)、TiO2(2.98%)、P2O5(2.08%)、As2O5(1.85%)、Na2O(1.57%)、SiO2(1.12%)、FeO(0.96%)、Al2O3(0.45%)、Ce2O3(0.29%)、Y2O3(0.26%)(因图3i铀矿物颗粒较小受周边矿物影响较大,此处各组分含量平均数值扣除测点11 和12数据)。此外,由测点8和9结合背散射图像(图3g),沥青铀矿出现明显的亮暗韵律条带且P2O5、Al2O3含量偏高,表明研究区铀成矿阶段环境可能稍有变化。

3.1.2 含钛铀矿物

含钛铀矿物主要分布在碎屑边缘,与锐钛矿关系较密切,其产状也较多变,或呈块状分布于裂隙中(图4a、c,表2 测点34、35、37),或与菱形格子状钛铁矿固溶体分离产物共生(图4b,表2测点36),或呈短柱状分布在石英、长石边缘(图4d,表2 测点38、39),成分不均匀,稍亮部分UO2含量稍高,暗色部分则TiO2含量稍高。由背散射电子图像可以看出此类铀矿物成分不均匀,部分铀矿物表面可见细小矿物颗粒。电子探针结果表明该类铀矿物以UO2和TiO2为主(表2 测点34～51),其含量变化较大,UO2含量在13.38%～68.23%左右,平均含量约 为45.24%,TiO2含 量 在8.92%～66.56%左右,平均含量为27.65%。依据该类矿物成分特征,有学者认为其为钛铀矿或是钛铀矿和含钛矿物间的过渡相[17],文章此处暂定为含钛铀矿物。

图4 含钛铀矿物背散射电子图像Fig.4 Backscattered electron images of Ti-rich uranium minerals

3.1.3 含锆铀矿物

含锆铀矿物主要呈块状产出,与黄铁矿、硒铅矿、黏土矿物关系较为密切。由图5可以看出,铀矿物与沥青铀矿和石英、黏土矿物共生(图5a,测点52),或呈块状分布于石英边缘(图5b,测点53),或与硒铅矿、石英共生(图5c,测点54),或与黄铁矿、石英共生(图5d,测点55)。含锆铀矿物在砂岩型铀矿中未见报导,其成因有待进一步研究。

图5 含锆铀矿物及其共生矿物背散射电子图像Fig.5 Backscattered electron images of Zr-rich uranium minerals and their poraglnous ninerals

电子探针结果表明含锆铀矿物总含量在80.92%～84.34%(表2测点52～55),UO2平均含量约36.59%,Zr O2平均含量约13.49%,SiO2平均含量约12.82%,此外还含有一定量的P2O5(平均含量约5.42%)、Y2O3(平均含量约5.06%)、CaO(平均含量约3.38%)、Al2O3(平均含量约1.20%)。

3.2 吸附铀

电子探针测试结果表明:黏土矿物、锐钛矿和有机质中含有一定量的吸附铀,其中,黏土矿物中(主要是高岭石)UO2平均含量约0.25%,锐钛矿中UO2平均含量约1.19%,有机质中UO2平均含量约0.38%。

3.3 类质同象

U4＋可置换矿物中的Th4＋、TR3＋、TR4＋和Ca2＋等形成类质同象混晶,常见于一些氧化物、硅酸盐和磷酸盐中,如方钍石、烧绿石、钍石、锆石、磷灰石、磷钇矿、独居石等[18]。对研究区样品相关矿物进行电子探针测试,结果表明该区样品磷钇矿中 UO2平均含量约0.49%,独居石中UO2平均含量约0.39%,锆石中UO2平均含量约0.34%,磷灰石中UO2平均含量约0.25%,较非铀矿石样品的铀含量显著偏高。

4 矿物组成特征

本文利用自动矿物参数定量分析仪(AMICS)对DL 地区各分带的样品进行了矿物组成含量的测定,以期为成矿作用等铀矿地质研究和选冶工艺研究提供基础数据。

测试结果如表3所示,研究区砂岩样品中石英含量在46%～75%之间,平均含量约为60%,各分带差别较小;长石含量在6%～27%之间,平均含量约为16%;黏土矿物含量在2%～30%之间波动,以高岭石为主,且在矿化带和弱矿化带相对富集;碳酸盐含量在1%～25%之间,种类主要包括:白云石、菱铁矿、铁白云石和方解石,其中铁白云石在各色砂岩中均有分布,且在灰色含矿砂岩中含量最高,方解石少量见于红色砂岩和灰白色中砂岩(ZK97B--7--76、ZK97B--7--51),含 量 约 0.308% 和0.006%,菱铁矿在灰色、灰白色砂岩中较为富集;铁氧化物、钛铁氧化物含量较低,平均含量在0.60%和0.07%左右,前人研究表明,层间氧化带中含铁物相如赤铁矿、菱铁矿、黄铁矿等随着亚带的变化与地球化学环境的变化相关,并指出中性--弱酸性还原环境往往是铀成矿的有利场所[19--21]。研究区弱矿化带铁物相表现为:铁白云石＋赤铁矿、铁白云石＋菱铁矿,矿化带则以铁白云石＋菱铁矿、黄铁矿＋铁白云石为主(表3),与文献[21]结果较为一致;含矿样品中铀矿物含量在0.001%～1.538%之间,以沥青铀矿居多,总含量为1.923%,其次为含

钛铀矿物,总含量分别为0.104%,另外还含有少量含锆铀矿物,总含量为0.004%;此外,部分样品中还含少量独居石、磷钇矿和硒矿物。

表2 DL地区铀矿物电子探针测试结果Table 2 EPMA results of uranium minerals in DL area

表2 (续)

表3 DL地区铀矿石矿物含量/%Table 3 Mineral content(%)of uranium ore in DL area

5 铀分布率

利用电子探针的铀定量分析数据和自动矿物参数定量分析系统的铀矿物定量分析数据,本文首次定量计算了不同存在形式铀的分布率,计算结果如表4、5所示,其中,矿物的含铀量为各样品对应UO2含量平均值。由表5可以看出,研究区矿样中铀以独立铀矿物为主,吸附铀次之,类质同象铀最低,独立铀矿物中以沥青铀矿和含锆铀矿物分布率最高,分别占比达17.32%～94.98%和33.26%;吸附铀以黏土矿物吸附占优,除ZK97B--7--25号样品由于主要以独立铀矿物为主而使黏土矿物吸附占比偏低外,其余样品中黏土矿物吸附占比大多在25%～35%之间,有机质和锐钛矿吸附次之,最高分别达29.02%和22.73%;类质同象铀的占比非常低,可忽略不计。

表4 不同赋存形式UO2 含量/%Table 4 Content(%)of uranium in different forms of occurrence

表5 含矿样品中U 含量及分布Table 5 Content and distribution of uranium in ore-bearing samples

表5 (续)

本文通过计算不同存在形式铀的分布率,定量化地计算出了各种存在形式铀的占比,结果更为直观、可靠,为铀矿地质相关研究以及后期选冶工艺研究提供了基础数据。

6 讨论

研究区首次发现存在较多的含锆铀矿物,由于该矿物颗粒小似非晶态,故不易判断其为沥青铀矿/铀石与锆石的超显微混合物还是一种含锆的铀矿物,还需结合现代高精尖微区分析技术予以进一步研究和验证;含钛铀矿物亦是如此,是沥青铀矿与锐钛矿的超显微集合体还是一种含钛的铀矿物,也需要进一步研究。

对于黏土矿物吸附、有机质吸附等传统认为的吸附铀的确切存在形式本文认为也是需要进一步研究的。限于原有分析测试水平、尤其是微区原位测试能力的限制,通常将存在于黏土矿物和有机质等物质中的铀归类为吸附铀,但本文未能查阅到相关的支持证据,有必要利用高分辨率微区原位测试手段,从纳米尺度甚至原子尺度上开展精细研究,以判断这类铀到底是超显微独立铀矿物与黏土矿物/有机质紧密共生,亦或是被类质同象置换于载体晶格中,还是真正意义上的被吸附在载体表面或层间。

前人曾在本研究区周边矿床中报导有铀石存在[7,12,14],但本次研究并未发现铀石。其原因可能是本研究区的确不存在铀石,亦或是未能找到铀石。通常来讲,从化学成分上推测是否是铀石,其SiO2的质量分数一般要大于18%,但前人的报导中SiO2含量多数少于18%,部分甚至只有百分之几[14],还有的甚至缺乏具体分析数据[7,12],故笔者认为有关铀石的部分有待研究,可能需要更为精细的矿物学分析测试,后续也将继续关注。

7 结论

1)研究区铀主要以独立铀矿物和吸附铀为主,其中独立铀矿物以沥青铀矿和含锆铀矿物为主,含钛铀矿物次之,吸附铀主要以黏土矿物吸附为主,有机质和锐钛矿吸附次之,黄铁矿、硒铅矿、磷灰石、锆石、有机质、锐钛矿、黏土矿物等与铀矿物关系密切,铀矿物主要呈微粒状、细脉状、块状及团块状产出。

2)研究区矿物组成以石英、长石、黏土矿物、碳酸盐为主,同时还含有一定量的钛铁氧化物、重晶石、铁氧化物和少量独居石、磷钇矿、硒铅矿等副矿物;铀矿石样品中铀矿物含量分布不均,最高可达1.538%。

3)首次量化了不同存在形式铀的占比,独立铀矿物中沥青铀矿和含锆铀矿物占比最高,吸附铀主要以黏土矿物吸附为主,有机质和锐钛矿吸附次之,类质同象铀的占比可忽略不计。