伊犁盆地含砂巖鈾礦地層中稀土元素的富集研究

摘要：伊犁盆地位于新疆維吾爾自治區(qū)西部，地處西天山構造帶，屬于山間疊合盆地，礦產(chǎn)資源豐富。侏羅系水西溝群第Ⅴ旋回發(fā)育于伊犁盆地砂巖鈾礦內(nèi)，稀土元素在炭質砂巖及煤層中高度富集。經(jīng)測定，煤層底板砂巖樣品的稀土元素含量最高值達1 589.0 μg/g，煤樣的稀土元素含量最高值達430.3 μg/g。稀土元素配分模式以右傾的輕稀土富集型為主，呈現(xiàn)Eu的負異常。煤樣中，稀土元素含量與鈾含量呈正相關，稀土礦物以磷釔礦、水磷鈰石和磷鋁鈰礦為主。研究表明，稀土元素源自盆地周邊酸性巖風化蝕變作用，酸性巖釋放的稀土元素和鈾元素隨著地下水流動，共同沉淀在有機質富集層位中。

關鍵詞：稀土元素；富集；砂巖鈾礦；酸性巖；伊犁盆地

中圖分類號：P619.14 文獻標識碼：A 文章編號：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

稀土元素廣泛應用于尖端材料、航空航天和催化等領域，是一種具有戰(zhàn)略意義的稀缺資源，而煤則被認為是未來稀土元素的重要來源之一[1-2]。伊犁盆地位于新疆維吾爾自治區(qū)西部，地處西天山構造帶，是我國重要的資源勘探與開發(fā)基地，賦存大量的鈾、煤、耐火黏土等礦產(chǎn)資源[3]。近年來，勘查人員在伊犁盆地南緣發(fā)現(xiàn)一系列大型層間氧化帶型砂巖鈾礦，侏羅系水西溝群是伊犁盆地內(nèi)煤礦和砂巖鈾礦的主要賦存層位[3]。現(xiàn)有研究顯示，伊犁盆地中，無論是層間氧化帶型砂巖鈾礦賦存的水西溝群砂巖還是煤層中，稀土元素均不富集，稀土元素總量均在100 μg/g左右[4-7]。

勘查發(fā)現(xiàn)，伊犁盆地砂巖型鈾礦體附近的炭質砂巖及煤層存在稀土元素高度富集現(xiàn)象。砂巖樣品和煤樣采集自伊犁盆地侏羅系水西溝群三工河組與西山窯組的層間氧化帶型砂巖鈾礦賦礦層位，目標層位在空間上與鈾礦比較接近[8]。目前，伊犁盆地砂巖鈾礦的成礦機理和礦床特征已有很多研究[9]，但砂巖鈾礦發(fā)育的沉積層位中稀土元素的富集現(xiàn)象還未有研究。因此，有必要研究伊犁盆地煤層中稀土元素的異常富集現(xiàn)象，揭示稀土元素的地球化學行為和賦存狀態(tài)，明確伊犁盆地砂巖鈾礦中稀土元素的物質來源、富集地質條件和遷移規(guī)律，從而豐富稀土礦床的成礦理論，更好地開發(fā)利用稀土資源。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

庫捷爾太鈾礦位于伊犁盆地，它是我國最早探明的層間氧化帶砂巖鈾礦。在侏羅系水西溝群中下部的第Ⅴ旋回含礦含水層內(nèi)采集炭質砂巖樣品和煤樣，樣品的分布層位如圖1所示[8]。該礦第Ⅴ旋回含礦含水層中煤的分布不像第Ⅶ旋回那樣廣泛，僅在部分鉆孔中發(fā)育薄的煤線（最大厚度僅為1 m），但這些煤樣與鈾礦體關系密切，部分與鈾礦體直接接觸。

1.2 分析方法

采集砂巖樣品和煤樣后，使用電感耦合等離子體質譜儀測定稀土元素及鈾的含量，研究稀土元素的地球化學特征。稀土元素和鈾的測定使用《硅酸鹽巖石化學分析方法 第30部分：44個元素量測定》（GB/T 14506.30—2010）[10]。將氫氟酸（用量1.0 mL）和硝酸（用量0.5 mL）置于已添加砂巖樣品的封閉溶樣器中，加熱24 h進行溶解（溫度保持在185 ℃±5 ℃），實現(xiàn)砂巖樣品的消解，然后在電熱板上蒸發(fā)趕盡氫氟酸，再用5 mL硝酸密封溶解，稀釋后使用電感耦合等離子體質譜儀，利用外標法直接測定砂巖樣品中稀土元素及鈾的含量。煤樣消解使用硝酸（用量1.5 mL）、氫氟酸（用量0.5 mL）和高氯酸（用量0.5 mL），以溶解有機質。另外，使用掃描電子顯微鏡對庫捷爾太鈾礦內(nèi)富含稀土元素、鈾的砂巖樣品和煤樣進行掃描，研究礦物學特征。檢測方法為《掃描電子顯微鏡分析方法通則》（JY/T 0584—2020）[11]。

2 稀土元素地球化學特征

2.1 稀土元素含量

經(jīng)電感耦合等離子體質譜儀測定，不同煤樣的稀土元素含量如表1所示，綜合評價結果如表2所示。結果顯示，煤樣的稀土元素含量保持在60.2～430.3 μg/g，除了煤樣1和煤樣3外，其余煤樣的稀土元素含量均超過200.0 μg/g。從鉆孔驗證結果來看，煤樣6的煤層底板砂巖檢測出稀土元素含量的最高值（1 589.0 μg/g），底板砂巖富含有機質，與其直接接觸的煤層樣品中稀土元素含量也高達430.3 μg/g。

2.2 稀土元素球粒隕石標準化特征

使用球粒隕石對煤樣的稀土元素含量進行標準化處理，不同煤樣中稀土元素球粒隕石標準化值如表3所示。從煤樣來看，稀土元素配分模式總體呈右傾的輕稀土富集型，輕重稀土元素的分異明顯。煤樣中，La與Lu球粒隕石標準化值之比變化范圍大，介于1.94～46.69，平均值為16.20。根據(jù)稀土元素配分模式，大部分樣品呈現(xiàn)明顯的Eu負異常，Ce的異常有正有負，但不明顯。從稀土元素的球粒隕石標準化值來看，各鉆孔不同深度的砂巖樣品及煤樣總體呈現(xiàn)類似的稀土元素配分模式，差別在于含量的高低。煤樣中稀土元素的球粒隕石標準化值反映出“輕稀土富集、Eu負異常”的特征，表明煤樣中的稀土元素來自酸性巖[12]。物源區(qū)被認為是伊犁盆地周圍烏孫山的酸性巖，花崗巖和安山巖的稀土元素配分模式十分相似且均具有Eu負異常，這表明成礦物質主要來源于酸性巖[12-13]。

2.3 稀土元素與鈾的統(tǒng)計學關系

庫捷爾太鈾礦內(nèi)，部分砂巖樣品和煤樣存在高度富集鈾的現(xiàn)象。從煤樣6的鉆孔驗證結果來看，煤層底板中的稀土元素含量高達1 589.0 μg/g，鈾含量達2 595.0 μg/g，底板上部的煤樣稀土元素含量稍低，為430.3 μg/g，但鈾含量高達3 603.0 μg/g。為了明確煤樣中稀土元素與鈾成礦的關系，使用數(shù)理統(tǒng)計方法對稀土元素含量與鈾含量進行線性擬合。煤樣分析結果表明，二者呈較強的正相關，相關系數(shù)R2為0.365 5，如圖2所示。因此，鈾與稀土元素存在同步富集現(xiàn)象。

2.4 稀土元素的賦存狀態(tài)

經(jīng)掃描電子顯微鏡分析，煤樣含有稀土礦物，如磷釔礦、水磷鈰礦和磷鋁鈰石等，如圖3所示。這些稀土礦物大都呈微小的顆粒狀共存于有機質和黏土礦物基質中，部分顆粒可見溶蝕或交代的孔洞，如與石英、鉀長石、伊利石、高嶺石等共生的磷釔礦。部分煤樣中，水磷鈰礦和磷鋁鈰石等稀土礦物以纖維狀膠體的形式出現(xiàn)在有機質和黏土中，表明這些稀土礦物是成巖作用早期以溶液形式與黏土共沉淀形成的。

樣品分析表明，稀土元素與鈾類似，在低溫條件下，只要環(huán)境介質pH適宜，稀土元素完全可以遷移和局部富集[6]。在層間氧化帶內(nèi)，隨著環(huán)境介質pH的變化，鈾和稀土元素會出現(xiàn)分帶現(xiàn)象，二者是共同遷移、富集與沉淀的[12]。伊犁盆地周圍烏孫山的酸性巖遭受風化作用后釋放稀土元素，稀土元素進入含礦含水層，并在層間氧化帶內(nèi)遷移。隨著環(huán)境介質pH和氧化還原電位的變化，當遇到有機質等具有還原性和吸附性的物質時，它們就會發(fā)生共沉淀，導致部分砂巖樣品及煤樣出現(xiàn)稀土元素和鈾高度富集的現(xiàn)象。

3 結論

伊犁盆地內(nèi)，含砂巖鈾礦地層存在鈾和稀土元素共同富集的現(xiàn)象。采集砂巖樣品和煤樣，分析稀土元素的地球化學特征。經(jīng)測定，煤層底板砂巖樣品的稀土元素含量最高值達1 589.0 μg/g，煤樣的稀土元素含量最高值達430.3 μg/g。稀土元素配分模式以右傾的輕稀土富集型為主，呈現(xiàn)Eu的負異常。研究結果顯示，煤樣中，稀土元素含量和鈾含量呈現(xiàn)出較強的正相關，表明伊犁盆地南緣與鈾礦伴生的煤層中鈾與稀土元素同源。砂巖鈾礦的沉積層位存在與有機質和黏土共生的稀土礦物，如水磷鈰石、磷釔礦等。稀土元素配分模式表明，伊犁盆地砂巖鈾礦伴生的稀土元素來自酸性巖的風化，并隨著裂隙水進入層間氧化帶，隨著環(huán)境介質pH和氧化還原電位的變化，當遇到有機質等具有還原性和吸附性的物質時，它們就會發(fā)生共沉淀。總體來看，多孔的煤能夠為鈾和稀土元素的富集沉淀提供良好的通道和還原劑。

參考文獻

1 黃文輝，久 博，李 媛.煤中稀土元素分布特征及其開發(fā)利用前景[J].煤炭學報，2019（1）：287-294.

2 Dai S F，F(xiàn)inkelman R B.Coal as a promising source of critical elements：progress and future prospects[J].International Journal of Coal Geology，2018（2）：155-164.

3 張金帶，簡曉飛，郭慶銀，等.中國北方中新生代沉積盆地鈾礦資源調查評價（2000—2010）[M].北京：地質出版社，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.

6 張映寧，李勝祥，王 果，等.新疆伊犁盆地南緣層間氧化帶砂巖型鈾礦床中稀土元素地球化學特征[J].地球化學，2006（2）：211-218.

7 侯明才，江文劍，倪師軍，等.伊犁盆地南緣中下侏羅統(tǒng)碎屑巖地球化學特征及對物源制約[J].地質學報，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 軍，耿樹方.伊犁盆地庫捷爾太鈾礦床層間氧化帶與鈾礦化特征研究[J].中國地質，2009

（3）：705-713.

10 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.硅酸鹽巖石化學分析方法 第30部分：44個元素量測定：GB/T 14506.30—2010[S].北京：中國標準出版社，2010.

11 中華人民共和國教育部.掃描電子顯微鏡分析方法通則：JY/T 0584—2020[S].北京：中國標準出版社，2020.

12 王 果，華仁民，秦立峰.烏庫爾其地區(qū)層間鈾成礦過程中的流體作用研究[J].礦床地質，2000（4）：340-349.

13 江文劍.新疆伊犁盆地南緣侏羅系物源分析及盆山關系研究[D].成都：成都理工大學，2017：15-16.