伊犁盆地蝕源區鈾源條件分析

何 憂,榮 輝,彭 浩,黃 琨,馬青青,萬軍偉

(1.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢)資源學院,湖北 武漢 430074)

砂巖型鈾礦是一種以砂巖為鈾儲層的外生鈾礦床,其形成受鈾源條件、鈾儲層的性質以及成礦流體的地球化學特征等多種因素的共同影響[1-7],其中鈾源條件是砂巖型鈾礦形成的物質基礎和主控因素之一[8-12]。盆地內的鈾主要來源于盆地周邊蝕源區的含鈾巖系,富鈾巖石風化剝蝕后被水流搬運至盆地內沉積,構成盆地鈾儲層的預富集,后期在水文地球化學作用下鈾儲層中的鈾溶出—遷移—沉淀富集成礦。巖石中鈾的含量和鈾的析出能力是影響砂巖型鈾礦成礦規模的重要因素,也是衡量鈾源條件的關鍵指標。

鈾(U)是一種變價元素,自然界中主要以4價鈾(U4+)和6價鈾(U6+)的形式存在。地下水中U4+的溶解度很低,常以固態鈾的形式存在于巖石中,而地下水中的U6+可與多種陰離子絡合,形成易溶于水的鈾酰絡合物而隨水遷移[13-14]。在氧化條件下,巖石中的U4+被氧化為U6+進入水中,而在還原條件下,水中U6+被還原成U4+沉淀,說明氧化還原條件控制了鈾在固-液相之間的遷移轉化行為[15]。盆地蝕源區的地表河流水流動性強、溶解氧含量較高,常具有氧化性,河水在流經含鈾巖石的過程中,會氧化和溶解巖石中一部分鈾而使得地表水中鈾的含量升高,因此地表水中鈾的含量可反映其流經地區巖石中鈾的含量和鈾的析出能力,據此可通過盆地蝕源區地表水的化學成分特征來識別盆地的鈾源條件[16-19]。

伊犁盆地是我國重要的鈾資源基地,經過多年的鈾礦勘探實踐,目前已發現多處大型砂巖型鈾礦床,伊犁盆地南緣從西到東已形成長達近百公里的可地浸砂巖型鈾礦帶,成為中國第一個萬噸級以上的大型鈾資源基地[20-24]。伊犁盆地蝕源區廣泛分布石炭-二疊紀中酸性侵入巖、火山巖、中基性火山巖和陸源碎屑巖,構成了盆地潛在的鈾源巖,前期對伊犁盆地地下水化學特征的研究發現,氧化帶內地下水中鈾的含量沿流向逐漸增大,表明伊犁盆地沉積物中富含鈾且具有良好的鈾析出能力,然而盆地內富鈾沉積物的物質來源尚不明確[25]。因此,本文以伊犁盆地為研究對象,通過系統采集流經不同類型巖石、地層的地表水樣進行水文地球化學測試,分析其水化學成分及鈾含量的變化特征,進而分析與識別蝕源區不同巖石類型的鈾源條件,以為指導伊犁盆地砂巖型鈾礦勘探提供水文地球化學依據。

1 伊犁盆地區域地質背景

伊犁盆地是新疆西天山支脈科古琴山和察布查爾山之間所挾持的山間盆地,是在前寒武紀古老地塊上發展起來的中新生代盆地,盆地走向總體為東西向,呈東窄西寬、向西開口的喇叭型,長約160 km,寬平均約為40 km。區內地勢總體為南北高中間低、東部高西部低,在地貌上表現為近似南北對稱的格局,即以伊犁河河谷為中心,中部為沖積平原,向南北兩側依次為沖洪積傾斜平原、丘陵及中低山區。

盆地基底由中上元古界和古生界地層組成,其中中上元古界地層主要分布于盆地的北部,為一套碎屑巖和碳酸鹽巖沉積,經歷輕度變質作用,主要巖性包括泥巖、大理巖化灰巖、泥質灰巖、硅質灰巖、硅質巖、砂巖等；下古生界寒武-志留系地層主要分布在盆地北部山區,主要為一套碎屑巖沉積夾碳酸鹽巖,主要巖性包括砂巖、粉砂巖、泥巖、灰巖、砂巖夾灰巖以及中酸性火山碎屑巖；上古生界石炭-二疊系地層廣泛分布于盆地南、北兩側山區,由一套火山巖和碎屑巖組成,主要巖性包括凝灰巖、玄武巖、安山巖、凝灰質砂巖、砂礫巖等。盆地蓋層為中、新生界陸相碎屑沉積地層,包括三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系,其中三疊系至侏羅系主要為砂礫巖、砂巖、泥巖夾煤層的含煤碎屑沉積；白堊系至新近系主要為一套紅色的砂巖、泥巖、砂礫巖組成,兩者僅分布在盆地邊緣丘陵地帶；第四系主要為砂、礫石、松散堆積物,廣泛分布于沖積平原和沖洪積傾斜平原地區[11],詳見圖1。區內巖漿活動強烈,伊犁盆地南北兩側出露大量石炭-二疊系侵入巖，其中盆地北部以石炭紀侵入巖為主,呈NWW-SEE展布,巖性主要為二長花崗巖、英云閃長巖、鉀長花崗巖，零星出露早二疊世的鉀長花崗巖；盆地南緣烏孫山以二疊紀侵入巖為主,巖性主要為二長花崗巖、鉀長花崗巖以及少量的閃長巖、花崗斑巖。

2 樣品采集與測試方法

良好的鈾源巖石所必備的一般條件是鈾含量高而且易于析出。因此,巖石中鈾的含量和鈾的析出能力成為衡量鈾源巖石品質的關鍵指標。

為了探究伊犁盆地蝕源區的鈾源條件,通過對伊犁盆地蝕源區露頭進行地質調查，本次系統采集了巖樣76塊,其中巖漿巖49塊、火山碎屑巖21塊、沉積巖6塊,經室內鏡下觀察,初步鑒別鈾源巖石類型、特征,并結合室內地球化學測試工作,對蝕源區各類鈾源巖石中鈾、釷的含量等數據分別進行定量統計,分析不同類型巖石中鈾的含量特征,同時為了獲取鈾析出率參數,還對新鮮巖石與風化巖石進行了對比取樣分析。另外，采集了不同巖石類型分布區的地表水樣品20組,其中湖水樣1組、河水與礦坑水混合樣1組、河水18組(見圖1),每組采集3瓶水樣,分別用于測試地下水中陰、陽離子和鈾的含量,以查明流經不同巖石類型的地表水化學特征及鈾含量的變化規律,分析不同巖石鈾的析出能力。為了避免降雨條件下雨水和坡面流的影響,本次采樣選擇研究區無降雨期間進行。水樣中陰、陽離子含量的測定在中國地質大學(武漢)環境學院實驗中心完成,放射性鈾含量的測定在核工業包頭地質礦產分析測試中心完成,樣品的分析誤差均優于5%。

圖1 伊犁盆地區域地質圖及地表水樣點分布Fig.1 Regional geological map and distribution of surface water samples inYili Basin

3 結果與討論

3.1 伊犁盆地蝕源區巖石中鈾含量的特征

伊犁盆地蝕源區巖石樣品中鈾含量的測定結果，見表1。

由表1可知：伊犁盆地蝕源區酸性巖漿巖中鈾的含量最高,鈾含量的平均值為3.42～7.72 mg/kg,酸性巖漿巖中又以花崗巖最好,而在所采集的花崗巖樣品中,細粒花崗巖和細粒黑云母花崗巖中鈾的含量最高,分別達31.18 mg/kg和28.33 mg/kg；火山碎屑巖、沉積巖中鈾的含量中等, 鈾含量的平均值為2.33～3.60 mg/kg；中性巖漿巖中鈾的含量最低,鈾含量的平均值為0.92～1.80 mg/kg。

表1 伊犁盆地蝕源區巖石中鈾含量的測定結果Table 1 Test results of rock uranium content in the source area of Yili Basin

上述研究結果表明,伊犁盆地蝕源區廣泛出露的石炭-二疊系花崗巖、火山碎屑巖是區內重要的潛在鈾源巖。

自然界中釷的化學性質比鈾更穩定,常以不易溶解的4價離子存在,巖石風化過程中鈾被氧化析出后會導致巖石中釷鈾比的增加,因此可根據新鮮巖石和風化巖石中的釷鈾比來分析巖石中鈾的析出情況。本次采集的巖石樣品中有7個花崗巖風化樣品和2個流紋巖風化樣品,根據巖石中鈾、釷含量的測定結果可分別計算新鮮巖石樣品和風化巖石樣品中的鈾釷比和鈾析出率,其結果見表2。

表2 伊犁盆地蝕源區花崗巖和流紋巖的鈾源特征Table 2 Uranium source characteristics of granite and rhyolite in the source area of Yilin Basin

由表2可知:新鮮花崗巖樣品中鈾含量的平均值為9.28 mg/kg,風化花崗巖樣品中鈾含量的平均值為5.30 mg/kg,且風化后巖石樣品中釷鈾比值變大,鈾析出率較高,為42.89%,說明花崗巖含鈾性最好,且鈾析出率高,是區內良好的鈾源巖；新鮮流紋巖樣品中鈾含量的平均值也較高,為4.49 mg/kg,但是鈾析出率相對較低，為14.92%。為了進一步評價區內不同巖石中鈾的析出能力,還需結合流經不同巖石分布區的地表水中鈾的含量特征,綜合分析伊犁盆地蝕源區的鈾源條件。

3.2 伊犁盆地蝕源區地表水中化學組分及鈾含量的特征

3.2.1 湖泊中水化學組分及鈾含量的特征

伊犁盆地蝕源區地表水化學組分及鈾含量的測定結果，見表3。

表3 伊犁盆地蝕源區地表水化學組分及鈾含量的測定結果Table 3 Chemical composition and uranium content of surface water in the source area of Yili Basin

注：表中除U6+含量單位為μg/L外,其余單位均為mg/L。

現代湖泊水化學特征可以作為伊犁盆地形成時期伊犁湖盆水化學特征分析的參考依據。賽里木湖位于科古琴山北麓,是新生代的一個斷陷盆地,是離研究區最近的湖泊，湖水主要靠來自科古琴山北麓基巖裂隙地下水和雪融水補給,賽里木湖補給區出露的地層巖性與伊犁盆地補給區的地層巖性基本一致,因此根據賽里木湖湖水的鈾異常可知伊犁盆地具有較豐富的鈾源條件。另一方面,湖水的水化學特征可以代表伊犁盆地形成早期湖盆的水化學特征,伊犁盆地早期湖盆沉積階段也應該存在湖水的放射性鈾異常,湖相沉積淤泥和泥巖中的原生沉積水中也應該含有較高濃度的鈾,這可能是煤巖型鈾礦形成的基礎。

3.2.2 河流水中化學組分及鈾含量的特征

基于MODIS數據的蒙山2001—2016年植被動態變化研究 丁少文 陳亦妍 譚麗榮 等 (4) (81)

本研究所采集的河水樣品主要位于伊犁盆地的蝕源區,其河水水化學特征可以反映鈾源區不同水系河水流經不同巖性地層所發生的水-巖相互作用特點以及不同子流域的鈾源條件,根據子流域地層巖性的出露情況以及地表河流水經過不同地層前后鈾濃度的變化,可以分析鈾源區不同巖石中鈾元素的相對含量及其在風化過程中鈾元素的釋放能力。

通過區內的主要地表水系以及同一水系在經過花崗巖前后水化學特征的差異,尤其是鈾濃度的差異分析，可得到伊犁盆地蝕源區不同地層和巖石中鈾的釋放情況如下：

圖2 伊犁盆地蝕源區河水流經花崗巖前后取樣點分布圖Fig.2 Distribution of riverwatersampling points before and after granite in the source area of Yili Basin

巖石類型水樣編號水中鈾濃度/(μg·L-1)鈾濃度變化/(μg·L-1)流程長度/km鈾濃度梯度/[μg·(L·km)-1]花崗巖S113.321.873.280.57S145.19火山碎屑巖S184.294.298.750.49S195.045.0412.930.39S012.190.299.960.029沉積巖S022.48S152.91S163.070.162.720.059

綜上分析可知，研究區內花崗巖中不僅鈾含量高,且鈾的析出能力強,是研究區內重要的鈾源之一。

(2) 火山巖及火山碎屑巖也是重要的鈾源。伊犁盆地北部蝕源區蘇阿勒馬提河源頭的S06水樣點上游主要為石炭系凝灰質砂巖,河水實際上是由凝灰質砂巖裂隙-孔隙地下水泄流匯集而成,其水化學類型為中等TDS(1.28 g/L)重碳酸硫酸鈉型水,河水中陰、陽離子含量均明顯高于其他河水,河水中U6+含量高達39.05 μg/L,是其他河水的10倍。發源于二疊-石炭系火山碎屑巖的河水,如盆地南部蘇阿蘇河及大博樂河的上游主要為凝灰巖(S18、S19)(見圖1),其河水中的鈾含量達4.29～5.04 μg/L,也要略高于其他地層出露區的河水,S20水樣的鈾含量較高,為9.33 μg/L,主要是S19→S20的河水受到煤礦礦坑排水(侏羅系地下水)混入的影響,導致河水的TDS明顯升高。因此,根據S18、S19水樣點的鈾含量及上游河道長度,估算火山碎屑巖區河水中鈾濃度梯度約為0.39～0.49 μg/(L·km)(見表4)。

(3) 沉積巖的鈾源條件較差。伊犁盆地北部大西溝上游S01、S02水樣點上游主要為寒武-奧陶系的砂巖、灰巖和第三系的砂礫巖(見圖1),其水化學類型為低TDS重碳酸鈣型水,水中鈾的含量為2.19～2.48 μg/L；麻扎圩斯坦河上游東支上游S15、S16水樣水質代表了上游石炭-志留系灰巖區的水質特征[見圖2(b)],水化學類型為低TDS重碳酸鈣型水,河水中U6+的含量為2.91～3.07 μg/L；吉爾格浪河的S07、喀什河的S08以及特克斯河的S09水樣水質代表了區內各地層混合后的水質特征(見圖1),河水中U6+的含量為3.73～4.25 μg/L。上述結果表明,伊犁盆地沉積巖區河水中的鈾含量低于區內河水中鈾的平均含量,表明沉積巖中鈾的含量較低,與沉積巖巖樣中鈾含量的測試結果一致。

另外,根據S01→S02水樣之間的鈾含量變化,可計算得到第三系砂礫巖區河水中鈾濃度梯度約為0.029 μg/(L·km)(見表4)；根據S15→S16水樣之間的鈾含量變化[見圖2(b)],可計算得到石炭系-志留系灰巖區河水中鈾濃度梯度約為0.059 μg/(L·km)(見表4)，遠低于區內花崗巖以及火山碎屑巖區河水中鈾濃度梯度,說明沉積巖中固態鈾的析出能力較弱。因此,研究區內沉積巖的含鈾性和鈾的析出能力均較低,鈾源條件較差。

4 結 論

在野外地質調查的基礎上,系統采集了伊犁盆地蝕源區不同類型巖石樣品和地表水樣品,測定了巖石地表水中鈾的含量及其變化規律,分析了不同巖石鈾的含量及鈾的析出能力,得到如下結論:

(1) 伊犁盆地蝕源區和賽里木湖流域補給區的地層條件基本一致,賽里木湖水的鈾異常表明伊犁盆地具有較豐富的鈾源條件。

(2) 伊犁盆地蝕源區內酸性巖漿巖中鈾含量最高,鈾含量的平均值為3.42～7.72 mg/kg,酸性巖漿巖中又以花崗巖最好,含鈾量最高達31.18 mg/kg；火山碎屑巖和沉積巖中鈾含量中等,鈾含量的平均值為2.33～3.60 mg/kg；中性巖漿巖中鈾含量最低,鈾含量平均值為0.92～1.80 mg/kg。

(3) 伊犁盆地蝕源區內地表河水流經花崗巖和火山碎屑巖區,河水中的鈾含量有明顯的升高,沿徑流方向鈾濃度梯度約為0.39～0.57 μg/(L·km),而流經沉積巖區時河水中的鈾含量增幅較低,鈾濃度梯度約為0.029～0.059 μg/(L·km),說明花崗巖和火山碎屑巖中固態鈾的析出能力強,而沉積巖中鈾的析出能力弱。

(4) 伊犁盆地蝕源區廣泛分布的石炭-二疊系花崗巖的含鈾性最好,且鈾的析出能力強,是研究區內最重要的鈾源；火山碎屑巖中含鈾量中等,但鈾的析出能力很強,也是區內重要的鈾源；沉積巖中含鈾量低，且鈾的析出能力弱,鈾源條件較差。