内蒙古巴彦乌拉铀矿床西南段铀矿石地球化学特征

廖石丹， 刘金辉， 黎广荣， 赵 凯， 阳奕汉，邢拥国， 胡鹏飞， 王如意， 周义朋， 梁大业

(1.东华理工大学 水资源与环境学院，江西 南昌 330013; 2.核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013；3.中核内蒙古矿业有限公司，内蒙古 呼和浩特 010000；4.中核科技集团有限公司，北京 101149)

巴彦乌拉砂岩型铀矿床位于内蒙古中部，隶属于内蒙古锡林郭勒盟苏尼特左旗巴彦乌拉苏木(乡)。矿床呈北东向展布，长约8.8 km、宽为100～800 m，面积约2.8 km2(郑和秋野等,2017)，是我国较早发现的古河道型地浸砂岩型铀矿。前人对该矿床的成因以及采冶方面做了许多研究，主要包括赋矿地层(鲁超,2019；苗鹏翼等,2021)、矿物学(Yan et al.,2013；高贺伟等,2017)、地球化学(晏彦等,2019)、铀成矿流体(聂逢君等,2015)、成矿机理(林效宾等,2021；聂逢君等,2015；李强,2019；Nie et al.,2020)以及水文地质特征(岳淑娟,2011)、地浸采铀影响因素(郑和秋野,2017)、开采工艺(蒋小辉等,2017)、三维地质建模(朱春梅等,2017)等方面。前人对该矿床地球化学特征的分析主要集中在老采区，随着采区的扩大，该矿床西南段尚未开展系统研究。因此，笔者以该矿床新建成的C11、C12地浸采区岩芯样品作为对象，使用偏光显微镜、SEM-EDS、电感耦合等离子质谱等仪器对巴彦乌拉铀矿床西南段矿石地球化学特征进行研究，为该矿床后续开发地浸工艺参数的确定提供地球化学依据。

1 地质背景

1.1 区域地质

二连盆地位于内蒙古的中北部，其大地构造位置处于亚洲板块与西伯利亚板块缝合线部位。盆地四周被古生代和早中生代隆起包围，北西以加里东-华力西期的巴音宝力格隆起为界，南部为加里东期的温都尔庙隆起，东部有燕山中期的大兴安岭隆起，西部以狼山隆起为界。盆地总体走向为东西向，东西长约1 000 km，南北宽为20～240 km，总面积约为11×104km2。

二连盆地是在天山-兴蒙华力西褶皱系基础上发育的中新生代内陆盆地。基底由元古界、古生界变质岩系及古生代-中生代的基性、中酸性侵入岩构成，主体构造线为东西向。中新生代沉积盆地由侏罗纪-早白垩世裂谷型盆地和早白垩世晚期-新生代坳陷型盆地叠合而成，主体构造线为北东向。盆地由川井坳陷、乌兰察布坳陷、马尼特坳陷、乌尼特坳陷、腾格尔坳陷和苏尼特隆起等6个二级构造单元组成，其内部又分割为43个次级坳陷和22个次级隆起。该铀矿床位于马尼特坳陷西部的塔北次级坳陷中(图 1)。

1.2 矿床地质

巴彦乌拉铀矿床位于内蒙古苏尼特左旗北28 km，矿体沿北东向延伸(潘宏峰等,2021)。矿床主要受赛汉组上段古河道砂体控制，古河谷的形成严格受基底构造所造成的负地貌控制。赛汉组上段古河谷断裂不发育，铀矿体主要位于古河谷长轴线的变异部位(高贺伟等,2017)。矿床内目前共有2个较小的矿体，矿体形态狭长，埋深为80～148 m(唐大伟,2010)。矿体在剖面上以卷状为主，上、下段矿体均为板状，有一定连续性。下段矿体较上段矿体延伸长，产状比较平缓，发育于含矿砂体的中下部；上段矿体延伸短，产状较陡，矿体主要集中在卷头部位，卷头矿体在区段内比较稳定，宽度为200～400 m(唐大伟,2010)。巴彦乌拉铀矿床主要的产铀层位为腾格尔组、赛汉组和二连组(鲁超,2019；吕永华等,2021)。

2 矿石岩相学特征

为系统研究巴彦乌拉铀矿床西南段新开拓的2个地浸采区矿石地球化学特征，本研究采集了20余个矿石样品进行岩石学分析。结果表明，含矿岩石主要为含砾岩、含砾砂岩，及少量泥岩和粉砂岩。岩石样品层状构造发育，胶结程度较低，以泥质胶结为主，部分样品夹煤层。砾石在地层中的分布并不均匀，位于地层的不同埋深；砾石的粒径多为2～3 cm，成分以长英质岩石和长石碎晶为主，长石碎晶表面黏土化严重(图2a)；长英质砾石含少量暗色矿物，呈青灰色，石英颗粒具有油脂光泽，晶形较为完整(图2b)。地层中存在大量的铁质胶结物，其多与有机质伴生，使砂岩样品固结程度增加，硬度变大，颜色多呈黑褐色，受到富氧流体的作用而呈现黄褐色的晕圈(图2c)；可能由于受到流体改造，部分样品发生高岭石化和含铁矿物的氧化而呈现白色和黄褐色(图2d,e);有机质大体呈有机碳的形式产出，主要为煤层和炭屑(图2f,g,h,i)；在部分样品中可见顺层发育的裂纹(图2i)。含砾砂岩的砾石不均匀分布在岩石样品之中，分选性差，表明是快速堆积的产物。

偏光显微镜观察显示，矿石中碎屑颗粒以长石和石英为主，存在一定含量的云母类矿物和岩屑。样品的磨圆度和分选度都比较差，部分样品发育泥质胶结和少量铁质胶结。微斜长石风化相对较弱，可见明显的格子双晶(图3a)，黏土矿物充填于碎屑颗粒之间，长石黏土化严重(图3b,c,d)。黄铁矿等金属矿物主要发育在碎屑颗粒之间及颗粒内部的溶蚀凹坑之间，形态各异，部分溶蚀严重(图3e,f,g,h,i)，且部分黄铁矿发生了氧化作用，形成红褐色的赤铁矿(郭先健等,1994；陈军,2015)。铁矿物在氧化条件下会发生溶解，对铀的浸出具有积极的作用。

从扫描电镜的分析结果来看，岩芯的矿物组成主要为石英、长石、云母等碎屑颗粒以及一些物理风化破碎形成的细颗粒碎屑物，这些碎屑物胶结成为碎屑颗粒的骨架。另外，细颗粒碎屑物的化学风化也比较强烈，K、Na等阳离子迁出，并且吸附了一定量的铀元素。从大颗粒的长石可以看到差异性风化造成的凹坑，发育一些细颗粒的高岭石等黏土矿物。总体来看，矿石的物理风化和化学风化并存，结构成熟度和成分成熟度均很低，颗粒分布不均匀，黏土矿物并未生长为典型的晶体形态(图 4)。此外，地层中还含有对铀元素浸出产生明显影响的黄铁矿，其主要以独立碎屑颗粒、铁质胶结物、石英凹穴副矿物、草莓状黄铁矿的形式产出(图5)。

地层中主要矿物为石英和长石(表1)，石英含量变化范围相对比较大，长石以钙长石和钠长石为主，部分样品中存在一些微斜长石、冰长石、透长石、歪长石。整体来看，地层中的石英含量高于长石，并且每一个样品中石英和长石比例并不相同(图6)。

3 矿石地球化学特征

3.1 主量元素特征

矿石主量元素分析结果见表2。研究发现，本矿床的CaO含量较低，平均值为0.40%，因而在地浸采铀时，适宜选用酸法浸出工艺。通过元素含量间相关性分析发现，SiO2与K2O、Na2O呈现一定程度的正相关，与CaO、Al2O3、P2O5、TiO2、TFe2O3、烧失量均呈现负相关(图7)。

3.2 微量元素特征

矿石微量元素分析结果见表3。对微量元素进行球粒陨石(Sun et al.,1989)标准化发现，Nb，Sr，Sm，Y，Tm，Yb相对亏损，La、Nd、Ce相对富集(表3，图8a)。稀土配分模式表现为轻稀土富集，重稀土亏损的特点(表3，图8b)，其中轻稀土元素分异作用较明显，(La/Sm)N平均值为5.77；重稀土元素分异作用不明显，(Gd/Yb)N平均值为1.84。δCe平均值为0.99，表明Ce异常不明显。δEu平均值为0.61，表明Eu具有较明显的负异常(图8b)。

表1 巴彦乌拉矿床西南段铀矿石XRD分析结果

表2 巴彦乌拉铀矿床西南段矿石主量元素测试结果

3.3 U与Fe的关系

砂岩型铀矿床中铀元素的富集成矿主要受含矿层的氧化还原控制。Fe为矿层中主要变价金属元素，Fe2+和Fe3+的含量能在一定程度上反映地层的氧化还原环境。矿石中铁主要以黄铁矿的形式存在，且铀含量与铁含量之间应存在正相关关系(Bonnetti et al., 2017)。通对铀矿石中的U与Fe含量测试研究(表4)，Fe3+含量与U6+、U4+含量均呈正相关关系，指示还原作用对铀成矿有重要作用。此外，矿石中U含量不高，但U4+占比相对较高(平均值达到0.37)，且在SEM图像上难以观察到铀矿物，据此认为矿石中的铀主要以显微颗粒的四价铀矿物形式或吸附态的铀酰离子产出。在砂岩型铀矿床中，存在铀以铁锰氧化结合态的形式产出，且铁氧化物-黏土矿物对铀酰离子具有一定的吸附作用(马强等,2012；李宇,2021)。

表4 矿石中U含量与Fe含量

3.4 U与C、S的关系

本矿石样品中的无机C含量低，且多低于检出限。U与有机C相关性不明显(表5，图10)，这可能与矿石中有机C含量极不均匀有关。S含量和U、U6+、U4+含量存在较好的正相关性(图10)，S以黄铁矿的形式存在，表明黄铁矿的还原作用是控制铀沉淀富集的关键因素。

4 结论

通过对巴彦乌拉铀矿床西南段地浸采区矿石地球化学特征进行研究，得到以下3点结论：

(1)该矿床矿石的主要岩性为砾岩和含砾中粗粒砂岩，矿物组成主要为石英、长石、云母等，其中长石表面粗糙，黏土化较严重，酸浸条件下长石的进一步黏土化可能会在地浸过程中引起含矿层堵塞。

(2)铀矿石中主量元素SiO2含量与K2O、Na2O含量呈正相关性，与CaO、Al2O3、P2O5、TiO2、Fe2O3含量及烧失量呈负相关性；微量元素Nb，Sr，Sm，Y，Tm，Yb相对亏损；铀矿石轻稀土富集，且轻稀土分异较明显，重稀土分异不明显。

(3)矿石中的铀主要以显微颗粒的四价铀矿物或吸附态的铀酰离子产出。U、U6+、U4+和S之间存在较好的正相关性，表明黄铁矿的还原作用是控制铀沉淀富集的关键因素。

表5 巴彦乌拉矿床西南段矿石特征元素与四六价铀含量