伊犁盆地含砂岩铀矿地层中稀土元素的富集研究

摘要：伊犁盆地位于新疆维吾尔自治区西部，地处西天山构造带，属于山间叠合盆地，矿产资源丰富。侏罗系水西沟群第Ⅴ旋回发育于伊犁盆地砂岩铀矿内，稀土元素在炭质砂岩及煤层中高度富集。经测定，煤层底板砂岩样品的稀土元素含量最高值达1 589.0 μg/g，煤样的稀土元素含量最高值达430.3 μg/g。稀土元素配分模式以右倾的轻稀土富集型为主，呈现Eu的负异常。煤样中，稀土元素含量与铀含量呈正相关，稀土矿物以磷钇矿、水磷铈石和磷铝铈矿为主。研究表明，稀土元素源自盆地周边酸性岩风化蚀变作用，酸性岩释放的稀土元素和铀元素随着地下水流动，共同沉淀在有机质富集层位中。

关键词：稀土元素；富集；砂岩铀矿；酸性岩；伊犁盆地

中图分类号：P619.14 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）07-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.033

Study on the Enrichment of Rare Earth Elements in the stratum containing Sandstone Uranium Deposits in the Yili Basin

ZHAO Lixin

（China Nuclear Mining Science and Technology Corporation， Beijing 101149， China）

Abstract： The Yili Basin is located in the western part of Xinjiang Uygur Autonomous Region， in the west Tianshan tectonic belt， which belongs to the intermountain superimposed basin and is rich in mineral resources. The cycle Ⅴ of the Jurassic Shuixigou Group is developed in sandstone uranium deposits in the Yili Basin， with high enrichment of rare earth elements in carbonaceous sandstone and coal seams. After measurement， the highest rare earth element content in the sandstone sample of the coal seam floor is 1 589.0 μg/g， and the highest rare earth element content in the coal sample is

430.3 μg/g. The rare earth element distribution pattern is mainly characterized by a right skewed light rare earth enrichment type， showing a negative anomaly of Eu. In coal samples， the content of rare earth elements is positively correlated with uranium content， and rare earth minerals are mainly composed of yttrium phosphate ore， hydrous cerium phosphate， and aluminum phosphate cerium ore. Research has shown that rare earth elements originate from the weathering and alteration of acidic rocks around the basin， the rare earth elements and uranium elements released by acidic rocks flow together with groundwater and precipitate in organic matter enriched layers.

Keywords： rare earth elements; enrichment; sandstone uranium deposits; acidic rock; Yili Basin

稀土元素广泛应用于尖端材料、航空航天和催化等领域，是一种具有战略意义的稀缺资源，而煤则被认为是未来稀土元素的重要来源之一[1-2]。伊犁盆地位于新疆维吾尔自治区西部，地处西天山构造带，是我国重要的资源勘探与开发基地，赋存大量的铀、煤、耐火黏土等矿产资源[3]。近年来，勘查人员在伊犁盆地南缘发现一系列大型层间氧化带型砂岩铀矿，侏罗系水西沟群是伊犁盆地内煤矿和砂岩铀矿的主要赋存层位[3]。现有研究显示，伊犁盆地中，无论是层间氧化带型砂岩铀矿赋存的水西沟群砂岩还是煤层中，稀土元素均不富集，稀土元素总量均在100 μg/g左右[4-7]。

勘查发现，伊犁盆地砂岩型铀矿体附近的炭质砂岩及煤层存在稀土元素高度富集现象。砂岩样品和煤样采集自伊犁盆地侏罗系水西沟群三工河组与西山窑组的层间氧化带型砂岩铀矿赋矿层位，目标层位在空间上与铀矿比较接近[8]。目前，伊犁盆地砂岩铀矿的成矿机理和矿床特征已有很多研究[9]，但砂岩铀矿发育的沉积层位中稀土元素的富集现象还未有研究。因此，有必要研究伊犁盆地煤层中稀土元素的异常富集现象，揭示稀土元素的地球化学行为和赋存状态，明确伊犁盆地砂岩铀矿中稀土元素的物质来源、富集地质条件和迁移规律，从而丰富稀土矿床的成矿理论，更好地开发利用稀土资源。

1 材料与方法

1.1 样品采集

库捷尔太铀矿位于伊犁盆地，它是我国最早探明的层间氧化带砂岩铀矿。在侏罗系水西沟群中下部的第Ⅴ旋回含矿含水层内采集炭质砂岩样品和煤样，样品的分布层位如图1所示[8]。该矿第Ⅴ旋回含矿含水层中煤的分布不像第Ⅶ旋回那样广泛，仅在部分钻孔中发育薄的煤线（最大厚度仅为1 m），但这些煤样与铀矿体关系密切，部分与铀矿体直接接触。

1.2 分析方法

采集砂岩样品和煤样后，使用电感耦合等离子体质谱仪测定稀土元素及铀的含量，研究稀土元素的地球化学特征。稀土元素和铀的测定使用《硅酸盐岩石化学分析方法 第30部分：44个元素量测定》（GB/T 14506.30—2010）[10]。将氢氟酸（用量1.0 mL）和硝酸（用量0.5 mL）置于已添加砂岩样品的封闭溶样器中，加热24 h进行溶解（温度保持在185 ℃±5 ℃），实现砂岩样品的消解，然后在电热板上蒸发赶尽氢氟酸，再用5 mL硝酸密封溶解，稀释后使用电感耦合等离子体质谱仪，利用外标法直接测定砂岩样品中稀土元素及铀的含量。煤样消解使用硝酸（用量1.5 mL）、氢氟酸（用量0.5 mL）和高氯酸（用量0.5 mL），以溶解有机质。另外，使用扫描电子显微镜对库捷尔太铀矿内富含稀土元素、铀的砂岩样品和煤样进行扫描，研究矿物学特征。检测方法为《扫描电子显微镜分析方法通则》（JY/T 0584—2020）[11]。

2 稀土元素地球化学特征

2.1 稀土元素含量

经电感耦合等离子体质谱仪测定，不同煤样的稀土元素含量如表1所示，综合评价结果如表2所示。结果显示，煤样的稀土元素含量保持在60.2～430.3 μg/g，除了煤样1和煤样3外，其余煤样的稀土元素含量均超过200.0 μg/g。从钻孔验证结果来看，煤样6的煤层底板砂岩检测出稀土元素含量的最高值（1 589.0 μg/g），底板砂岩富含有机质，与其直接接触的煤层样品中稀土元素含量也高达430.3 μg/g。

2.2 稀土元素球粒陨石标准化特征

使用球粒陨石对煤样的稀土元素含量进行标准化处理，不同煤样中稀土元素球粒陨石标准化值如表3所示。从煤样来看，稀土元素配分模式总体呈右倾的轻稀土富集型，轻重稀土元素的分异明显。煤样中，La与Lu球粒陨石标准化值之比变化范围大，介于1.94～46.69，平均值为16.20。根据稀土元素配分模式，大部分样品呈现明显的Eu负异常，Ce的异常有正有负，但不明显。从稀土元素的球粒陨石标准化值来看，各钻孔不同深度的砂岩样品及煤样总体呈现类似的稀土元素配分模式，差别在于含量的高低。煤样中稀土元素的球粒陨石标准化值反映出“轻稀土富集、Eu负异常”的特征，表明煤样中的稀土元素来自酸性岩[12]。物源区被认为是伊犁盆地周围乌孙山的酸性岩，花岗岩和安山岩的稀土元素配分模式十分相似且均具有Eu负异常，这表明成矿物质主要来源于酸性岩[12-13]。

2.3 稀土元素与铀的统计学关系

库捷尔太铀矿内，部分砂岩样品和煤样存在高度富集铀的现象。从煤样6的钻孔验证结果来看，煤层底板中的稀土元素含量高达1 589.0 μg/g，铀含量达2 595.0 μg/g，底板上部的煤样稀土元素含量稍低，为430.3 μg/g，但铀含量高达3 603.0 μg/g。为了明确煤样中稀土元素与铀成矿的关系，使用数理统计方法对稀土元素含量与铀含量进行线性拟合。煤样分析结果表明，二者呈较强的正相关，相关系数R2为0.365 5，如图2所示。因此，铀与稀土元素存在同步富集现象。

2.4 稀土元素的赋存状态

经扫描电子显微镜分析，煤样含有稀土矿物，如磷钇矿、水磷铈矿和磷铝铈石等，如图3所示。这些稀土矿物大都呈微小的颗粒状共存于有机质和黏土矿物基质中，部分颗粒可见溶蚀或交代的孔洞，如与石英、钾长石、伊利石、高岭石等共生的磷钇矿。部分煤样中，水磷铈矿和磷铝铈石等稀土矿物以纤维状胶体的形式出现在有机质和黏土中，表明这些稀土矿物是成岩作用早期以溶液形式与黏土共沉淀形成的。

样品分析表明，稀土元素与铀类似，在低温条件下，只要环境介质pH适宜，稀土元素完全可以迁移和局部富集[6]。在层间氧化带内，随着环境介质pH的变化，铀和稀土元素会出现分带现象，二者是共同迁移、富集与沉淀的[12]。伊犁盆地周围乌孙山的酸性岩遭受风化作用后释放稀土元素，稀土元素进入含矿含水层，并在层间氧化带内迁移。随着环境介质pH和氧化还原电位的变化，当遇到有机质等具有还原性和吸附性的物质时，它们就会发生共沉淀，导致部分砂岩样品及煤样出现稀土元素和铀高度富集的现象。

3 结论

伊犁盆地内，含砂岩铀矿地层存在铀和稀土元素共同富集的现象。采集砂岩样品和煤样，分析稀土元素的地球化学特征。经测定，煤层底板砂岩样品的稀土元素含量最高值达1 589.0 μg/g，煤样的稀土元素含量最高值达430.3 μg/g。稀土元素配分模式以右倾的轻稀土富集型为主，呈现Eu的负异常。研究结果显示，煤样中，稀土元素含量和铀含量呈现出较强的正相关，表明伊犁盆地南缘与铀矿伴生的煤层中铀与稀土元素同源。砂岩铀矿的沉积层位存在与有机质和黏土共生的稀土矿物，如水磷铈石、磷钇矿等。稀土元素配分模式表明，伊犁盆地砂岩铀矿伴生的稀土元素来自酸性岩的风化，并随着裂隙水进入层间氧化带，随着环境介质pH和氧化还原电位的变化，当遇到有机质等具有还原性和吸附性的物质时，它们就会发生共沉淀。总体来看，多孔的煤能够为铀和稀土元素的富集沉淀提供良好的通道和还原剂。

参考文献

1 黄文辉，久 博，李 媛.煤中稀土元素分布特征及其开发利用前景[J].煤炭学报，2019（1）：287-294.

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3 张金带，简晓飞，郭庆银，等.中国北方中新生代沉积盆地铀矿资源调查评价（2000—2010）[M].北京：地质出版社，2013：31-32.

4 Dai S，Yang J，Ward C R，et al.Geochemical and mineralogical evidence for a coal-hosted uranium deposit in the Yili Basin，Xinjiang，northwestern China[J].Ore Geology Reviews，2015（10）：1-30.

5 Jiang Y，Zhao L，Zhou G，et al.Petrological，mineralogical，and geochemical compositions of Early Jurassic coals in the Yining Coalfield，Xinjiang，China[J].International Journal of Coal Geology，2015（11）：47-67.

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7 侯明才，江文剑，倪师军，等.伊犁盆地南缘中下侏罗统碎屑岩地球化学特征及对物源制约[J].地质学报，2016（12）：3337-3351.

8 Yue S，Wang G.Relationship between the hydrogeochemical environment and sandstone-type uranium mineralization in the Ili basin，China[J].Applied Geochemistry，2011（1）：133-139.

9 王 军，耿树方.伊犁盆地库捷尔太铀矿床层间氧化带与铀矿化特征研究[J].中国地质，2009

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10 国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.硅酸盐岩石化学分析方法 第30部分：44个元素量测定：GB/T 14506.30—2010[S].北京：中国标准出版社，2010.

11 中华人民共和国教育部.扫描电子显微镜分析方法通则：JY/T 0584—2020[S].北京：中国标准出版社，2020.

12 王 果，华仁民，秦立峰.乌库尔其地区层间铀成矿过程中的流体作用研究[J].矿床地质，2000（4）：340-349.

13 江文剑.新疆伊犁盆地南缘侏罗系物源分析及盆山关系研究[D].成都：成都理工大学，2017：15-16.