鄂爾多斯盆地伊和烏素地區鈾礦物賦存形式研究

張 志 鴻

(東華理工大學地球科學學院，330013，南昌)

0 引言

傳統化石燃料的日益缺乏和我國要在2060年達到碳中和的戰略目標，我國對清潔能源的需求愈發強烈，加之鈾礦具有能量大、污染小的優點，因此，我國逐漸加強對鈾礦的勘查與開發，砂巖型鈾礦是其中之一[1-6]?，F已在鄂爾多斯盆地探測了多處鈾礦床和鈾礦點，其中在該地區侏羅系直羅組地層發現大量鈾礦化點[7]，發現該地區直羅組鈾礦物大多以鈾石為主，且與黃鐵礦、黑云母關系密切[8-9]，但在該地區白堊系目前只在地下水系統、黏土礦物沉積成巖特征有所突破[10-11]，對找鈾研究尚未有重大研究。因此，本文以鄂爾多斯盆地伊和烏素地區白堊系地層為研究對象，關鍵是鈾賦存狀態及成礦作用問題的突破，利用α徑跡蝕刻、電子探針、能譜掃描等測試手段，對鈾的化學成分特征、賦存狀態進行研究，并對本研究中的鈾礦物與其他礦物顆粒賦存關系進行初步探討，為該地區進一步找礦工作提供一定的基礎支持。

1 區域地質背景

鄂爾多斯盆地是華北克拉通中最穩定的地塊[12]，自中新元古代以來，受古亞洲、特提斯和環太平洋三大構造域的相互作用，形成了復雜的演化[13]。鄂爾多斯盆地是一個四周隆起，中部凹陷，整體呈現西低東高的走勢，地質時期地層不對稱的沉積盆地，盆地范圍廣闊，它東到晉西撓褶帶，西抵銀川-固原一線，南起渭河隆起，北達伊盟隆起(圖1)，面積約為37萬km2。

1-盆地邊界；2-構造單元界線；3-研究區；4-環河組；5-羅漢洞組；6-涇川組；7-大爽組；8-全新統；9-鈾礦化點圖1 研究區構造位置圖(據[14]修改)

研究區位于鄂爾多斯盆地北西部的伊和烏素地區(圖1)，基巖是由淺肉紅色—灰白色石英巖、石英砂巖、結晶灰巖、大理巖、片巖和深灰色板巖組成的中上元古界沉積變質巖。伊和烏素研究區是白堊系地層，地層從下往上發育有洛河組(K1l)、環河組(K1h)、羅漢洞組(K1lh)、涇川組(K1j)，環河組可以分為下段(K1h1)和上段(K1h2)，鈾礦化主要產于環河組上段(K1h2)有4層礦化。該地層位于氧化還原過渡帶。

2 巖石學特征

通過巖芯觀察顯示：研究區巖性特征以褐紅色與褐綠色砂巖為主，其中礦化段砂巖特征下段為褐綠色，上段逐漸變為褐紅色(圖2(a))，含有片麻巖、片麻狀花崗巖、硅質巖等礫石(圖2(b))，可見條帶狀氧化和團塊狀氧化(圖2(c))，見少量鈣質膠結，可見少量石膏(圖2(d))。在顯微鏡下觀察，碎屑成分以石英、長石、巖屑為主，膠結物以黏土礦物為主，部分可見自生綠泥石(圖3(a))，顆粒接觸方式以點式接觸為主，顆粒間孔隙以原生孔隙為主。石英平均含量為30%，顆粒表面光滑，以次棱角狀、次圓狀為主，鏡下可見石英被碳酸鹽膠結物交代(圖3(b))。長石平均含量為15%，主要是斜長石，發育蝕變作用(圖3(c))。巖屑平均含量為45%，包括石英巖巖屑、硅質巖巖屑(圖3(d))。

(a)礦化段，下段為褐綠色砂巖，上段為褐紅色砂巖；(b)片麻狀花崗巖礫石；(c)團塊狀褐紅色氧化；(d)泥巖中條帶狀石膏圖2 研究區礦石特征圖

3 樣品采集和測試儀器

本研究的礦石樣品采自鄂爾多斯盆地伊和烏素地區鈾礦床，主要采集于4口礦化井及部分野外露頭，大部分位于環河組上段(K1h2)灰綠色中粗砂巖中。

本實驗測試地點是在東華理工大學核資源與環境國家重點實驗室完成，測試儀器：JXA-8530F Plus電子探針、牛津X-Max20能譜儀。測試環境：電壓15 kV，電流2.0×10-8A，二次電子分辨率3 nm，波譜通道數5 CH，電子束斑直徑4 μm。

3.1 α徑跡蝕刻

鈾具有放射性，能產生α徑跡，徑跡直徑一般很小，用化學方法能使徑跡擴大，便于在顯微鏡下觀察，從而找到對應的蝕刻點[15]。前人一般用于研究鈾礦物的分布狀態、存在形式[16]。相比于在顯微鏡下花費大量時間去尋找鈾礦物，α徑跡蝕刻快速易于操作，成本較低。總結前人的方法[17]，操作步驟如下。

1)用酒精將探針片小心擦拭干凈，放置。

2)將100 mL水緩慢到入20 g NaOH中，并不斷攪拌，配置成堿水溶液。

3)把膠片裁剪成略大于探針片大小，放入堿水溶液中0.5 h，去掉膠片表面的乳膠薄膜，在清水中清洗干凈，確保表面不能有殘留。

4)將膠片與探針片貼合，用鋼針輕畫出探針片輪廓，并標注好編號，再用小長尾夾夾住四周，確保完全緊貼。然后放置在常溫、避光條件下，靜置輻照27 d，之后取下膠片備用。

5)用克稱電子秤稱取40 g KOH、5 g KMnO4，將其加入到100 mL H2O中，攪拌至完全溶解，配制成蝕刻溶液。

6)用鐵絲掛鉤掛著膠片掛于杯壁，膠片完全浸入蝕刻溶液中，放置65 ℃的水浴鍋中，并不斷攪拌蝕刻溶液，充分蝕刻1 h。

7)蝕刻完畢后，將膠片取出放到清水中清洗掉蝕刻溶液，再將膠片放入1:1的HCl溶液中靜置30 min，取出膠片用清水沖洗干凈，干燥膠片。完成膠片蝕刻處理。

8)將處理好的膠片放置在光學顯微鏡下，將密集的蝕刻點用記號筆標記，再在探針片中標記對應的位置。

9)將探針片噴碳，對標記的位置進行電子探針分析，并采集相應的背散射電子圖像。

3.2 α徑跡蝕刻特征

一般認為，蝕刻點密集程度高的位置為鈾礦物大量產出的位置，鏡下觀察到蝕刻點的形態有很大不同[18]。通過研究區礦化段徑跡蝕刻的鏡下觀察發現(圖4)，徑跡蝕刻的形態有散點狀分布、放射狀分布、團塊狀分布、脈狀分布、環帶狀分布等，在紫色中細砂巖和灰褐色含礫粗砂巖的膠片蝕刻點較為密集且多以團塊狀、脈狀分布為主；褐綠色粗砂巖和灰綠色中細砂巖的膠片蝕刻點以稀疏的散點狀、放射狀為主。

圖4 α徑跡蝕刻形態分布特征

為進一步查明鈾礦物顆粒與周圍碎屑顆粒成分的關系，在膠片中找到蝕刻點密集的位置，并標記與探針片同一視域下對比(圖5)。鏡下觀察到徑跡形態可以總結為以下幾種類型：1)徑跡形態呈脈狀、環帶狀充填石英、長石等碎屑顆粒之間，或分布在褐鐵礦、黑云母等填隙物之間；2)徑跡呈團塊狀分布在褐鐵礦、黃鐵礦等填隙物中；3)徑跡呈放射狀分布在黃鐵礦等填隙物中。

圖5 鈾礦物α徑跡蝕刻與碎屑顆粒及填隙物對應關系

4 電子探針分析

4.1 鈾礦物化學成分特征

利用電子探針對研究區的鈾礦物進行分析測試，選取10組測試數據。由于電子探針無法測定出有機物和水[19]，所以測試結果的總量不能達到100%。

根據表1數據分析，研究區鈾礦物分為鈾石、瀝青鈾礦2種類型。

表1 研究區鈾礦物電子探針分析結果

CuO MoO3 Na2O P2O5 MnO FeO La2O3 Ce2O3 V2O3 Total 鈾礦物類型-00.2963.0210.0710.198--0.10785.594鈾石-00.0134.860.0240.042--0.09287.75鈾石-00.2114.7300.117--0.06586.451鈾石-00.0194.5210.0020.175--0.07488.33鈾石-00.2652.5720.0070.324--0.09487.086鈾石-0.010.232.9380.0060.228--0.08985.878鈾石00.0180.1810.16903.26800085.068瀝青鈾礦0.0630.0120.0770.1780.2970.7250.0531.0010.04483.099瀝青鈾礦00.0430.5730.4470.0040.98200.3770.02197.289瀝青鈾礦00.0950.8920.46100.39900.1940.05897.06瀝青鈾礦

1)鈾石是以U4+和[SiO4]4-為主要成分的硅酸鹽礦物。其化學成分特點是，UO2含量為45.37%～52.255%，平均值為48.664%，SiO2含量為16.691%～19.104%，平均值為17.903%，其他成分含量較少，CaO含量為1.809%～4.061%，平均值為2.43%，Y2O3含量為9.802%～12.353%，平均值為11.035%，P2O5含量為2.572%～4.86%，平均值為3.774%。此外，MgO、PbO、TiO2、ThO2等含量平均值均小于1%。

2)瀝青鈾礦是U4+和U6+以不同比例組合的氧化物。其化學成分特點是，UO2含量為66.098%～80.579%，平均值為72.369%，SiO2含量為1.261%～8.454%，平均值為4.923%，其他成分，CaO含量為3.138%～4.05%，平均值為3.394%，TiO2含量為1.57%～12.508%，平均值為5.863%，FeO含量為0.399%～3.268%，平均值為1.344%，此外，ZrO2、Al2O3、MgO、CuO等含量平均值均小于1%。

鈾石與瀝青鈾礦在電子探針化學成分進行對比，總體上表現為：鈾石中UO2平均含量較低，SiO2平均含量偏高，CaO平均含量稍稍偏低。

為了較好地探究鈾礦物中UO2與其他成分的相關性[20]，利用SPSS進行相關性分析，數據表明(表2)，UO2與TiO2、MoO3、Na2O相關性系數超過了0.7，存在顯著正相關性；UO2與 SiO2、Al2O3、ZrO2、Y2O3等具有顯著負相關性。說明UO2隨著TiO2、MoO3、Na2O的含量升高而升高。

表2 研究區鈾礦物相關性矩陣

進一步分析研究區鈾礦床中鈾石的化學成分特征，將我國北方較為典型的砂巖型鈾礦[9,21-25]中鈾石的主要元素含量與本研究區的進行對比(表3、圖6)。結果顯示，研究區鈾石存在高磷高釔和低磷低釔2種類型，與開魯盆地地區[21]和蒙其古爾地區[24]以及冷湖地區[25]鈾礦床中鈾石化學特征相似；另外，本研究區鈾礦床中Y2O3平均值含量要高，P2O5平均值的含量差別不大。

圖6 我國北方砂巖型鈾礦床鈾石主要元素含量對比圖

表3 我國北方砂巖型鈾礦床鈾石主要元素含量統計表

4.2 鈾礦物形態特征及分布

研究區鈾礦物賦存形態多樣，根據其形態、共生關系、生長位置等特征，本文總結出了以下4種形態特征。

1)鈾石呈膠狀或不規則狀充填在方解石膠結物中，多分布在草莓狀黃鐵礦邊部(圖7(a))。表明黃鐵礦含有大量Fe2+，能為U4+提供良好的還原微環境，有利于鈾礦物的富集沉淀[26]。

(a)鈾石(Cof)圍繞石英(Q)邊部產出；鈾石圍繞方解石(Cc)和草莓狀黃鐵礦(Py)邊部產出；(b)鈾石(Cof)圍繞石英(Q)、黃鐵礦(Py)、黑云母(Bt)及長石(F)邊部產出；(c)瀝青鈾礦(Pit)充填石英(Q)裂隙及團塊狀黃鐵礦(Py)邊部產出；(d)瀝青鈾礦(Pit)呈脈狀充填長石(F)裂隙；Cof-鈾石；Pit-瀝青鈾礦；Q-石英；Cc-方解石；Py-黃鐵礦；Bt-黑云母圖7 研究區鈾礦物賦存狀態背散射圖像

2)鈾石呈細小顆粒狀聚集分布在碎屑顆粒邊緣，粒徑介于10～100 μm之間，分布在石英、長石等顆粒的邊緣或顆粒裂隙中(圖7(a)、(b))，少量鈾石分布在黑云母邊部。

3)瀝青鈾礦呈不規則團塊狀充填在石英顆粒中，分布在團塊狀黃鐵礦邊部(圖7(c))，粒徑介于5～20 μm之間。

4)瀝青鈾礦呈脈狀或放射狀充填在長石顆粒裂隙內，且瀝青鈾礦整體呈現膠狀構造(圖7(d))。

5 討論

通過α徑跡蝕刻研究，蝕刻點呈脈狀、團塊狀等的集合體形態存在，以鈾礦物的形式分布在黃鐵礦、黑云母等邊部及裂隙中，或充填在石英、長石等碎屑顆粒邊部。蝕刻點呈散點狀、放射狀等的分散狀形態存在，對應分布在黑云母、黃鐵礦、長石、石英等礦物中，推測鈾可能以吸附態或類質同象形態產出[22]。

研究區鈾礦物有兩種類型，主要為鈾石，其次為瀝青鈾礦。將電子探針數據進行顯著性分析(表2)，UO2與TiO2、MoO3、Na2O具有顯著正相關性，說明UO2隨著TiO2、MoO3、Na2O的含量升高而升高。因此，TiO2、MoO3、Na2O可作為此類鈾礦物的指示化合物。

電子探針數據表明，鈾石中Y2O3含量為9.802%～12.353%，平均值為11.035%；而瀝青鈾礦中Y2O3含量為0.02%～0.574%，平均值為0.172%；兩者對比，鈾石中的Y元素含量明顯多于瀝青鈾礦中的含量。馬曄等[19]分析HGQ地區鈾礦物，其中存在較高的Y元素，認為有后期熱液的參與。陳祖伊等[27]通過對中亞地區砂巖型鈾礦研究，認為Y元素以碳酸或硫酸絡合物的形式遷移，在氧化-還原前鋒線附近沉淀富集，即在鈾礦物富礦體區域富集(圖8(b))。據張超等[25]研究冷湖地區鈾礦床，存在高Y和低Y 2種類型，認為是后期流體作用。在本研究區鈾礦物中，存在與之類似的高Y和低Y 2種類型(圖8(a))，推斷可能存在后期流體成礦作用。

圖8 研究區Y2O3含量分布圖(a)；中亞地區不同鈾礦床各分帶Y元素含量分布圖((b)據[28]修改)

研究區少見瀝青鈾礦，其中Y2O3平均含量小于1%，據相關性分析顯示(表2)，UO2與Y2O3呈負相關關系，且在瀝青鈾礦邊部含Y元素就極低，結合陳路路等[28]對Y元素的認識，推斷研究區鈾礦物可能為原鈾礦物的殘留，并且后期改造流體中含少量或不含Y元素。

2種鈾礦物呈脈狀、顆粒狀、不規則團塊狀等分布在石英、長石等碎屑顆粒或黑云母、方解石等膠結物中。苗愛生等[29]在東勝鈾礦床中鈾石有同樣的賦存狀態，認為鈾石是黑云母及黃鐵礦后期還原沉淀產物。如圖7(b)所示，鈾石呈顆粒集合體分布在黑云母邊部和解理縫中，在黑云母邊部生長黃鐵礦，鈾石圍繞著黃鐵礦產出。因此，認為黑云母礦物蝕變的過程中，析出Fe遇到成礦流體中H2S形成黃鐵礦：Fe+2H2S=FeS2(黃鐵礦)+2H2↑[29]，附著在黑云母邊部。黑云母、黃鐵礦含有Fe2+形成了還原環境，使成礦流體中的U6+被還原沉淀，且黑云母具吸附性，有利于鈾石附著。因此，推測黑云母通過吸附-還原-沉淀等復雜作用，使得鈾石在黑云母邊部及解理中產出。

黃鐵礦與鈾石、瀝青鈾礦密切存在，如圖7(a)、(b)、(c)所示，黃鐵礦呈草莓狀、脈狀、團塊狀等形態與鈾礦物共生。黃鐵礦是強還原介質，形成強還原環境，將含鈾含氧流體中的U6+還原為U4+并富集沉淀[21]，形成鈾礦物富集區。在圖7(a)中可見鈾石分布在草莓狀黃鐵礦邊部，后又被方解石充填。因此，推斷可能有后期流體作用。

6 結論

1)伊和烏素鈾礦床中鈾礦物以鈾石、瀝青鈾礦為主，鈾礦物小到數n微米，大到100 μm，主要產于礦物顆粒邊部及間隙中，與黃鐵礦、方解石、黑云母等礦物共生，以膠狀或不規則狀或細小顆粒集合體充填在膠結物或石英、長石碎屑顆粒邊緣。

2)電子探針數據相關性分析顯示，發現UO2與TiO2、MoO3、Na2O具有顯著正相關性，可作為此類鈾礦物的指示化合物。

3)鈾礦物存在高Y和低Y 2種類型，可能存在后期流體成礦作用。而瀝青鈾礦存在極少Y元素，認為可能為原鈾礦物的殘留，并且后期改造流體中含少量Y元素或不含Y元素。因此，初步認為該區含鈾砂巖至少存在2期不同成礦流體作用。

4)背散射圖像顯示，鈾石分布在黑云母邊部和解理縫中，認為與黑云母的吸附-還原-沉淀等復雜作用密切相關；鈾石分布在草莓狀黃鐵礦邊部，后又被方解石充填。因此，推測可能有后期流體作用。