层间氧化带砂岩型铀矿床形成机理_以伊犁盆地南缘为例

收稿日期:2003-06-12;修订日期:2004-02-16

第一作者简介:刘陶勇(1973-),男,广西博白人,地质工程师,1997年毕业于华东地质学院地球科学系,从事铀矿地质勘查工作 X 马克西莫娃 M φ,夏同庆译.层间渗入成矿作用.核工业203研究所科技情报室,1996 Y 别列里曼.夏同庆译.水成铀矿床.核工业203研究所科技情报室,1996

层间氧化带砂岩型铀矿床形成机理

——以伊犁盆地南缘为例

刘陶勇

(核工业216大队,新疆 乌鲁木齐 830011)

摘 要:通过分析铀迁移、沉淀、富集的成矿特点,结合伊犁盆地南缘铀矿床中铀矿石成分研究,分析了砂岩型铀矿成矿机理.指出在层间氧化带砂岩型铀矿床中,铀主要以碳酸铀酰络合物形式迁移,在富含有机质、硫化物、硫化氢等有效还原剂的条件下,形成强烈的地化反差还原地球化学障环境,铀还原沉淀,最后富集成矿.为指导普查找矿、开展铀矿床矿石成分研究提供参考依据. 关键词:铀迁移;铀沉淀富集;铀成矿机理

近年来,我国在层间氧化带砂岩型铀矿找矿方面,已成功地在伊犁盆地南缘、吐哈盆地等发现了层间氧化带砂岩型铀矿床.该类型矿床埋藏浅,采用地浸开采工艺,开采成本仅有传统方法的40%左右,而且环境污染小,具有很好的经济和社会效益.

1 铀的活化迁移

自然界中,层间氧化带发育最好的地区是具有干旱、半干旱气候条件的沙漠、半沙漠、干旱草地等自然地貌景观地区.此种条件下,土壤及潜水中有机质含量极低,腐植层很薄或缺乏,保证了大气中氧气与露头区富含U 的岩石、成岩期形成的富U 地层中的固态U 发生作用.该环境下形成的水溶液具正的氧化还原电位值,U 强烈不饱和,U 元素不断地从固态转变成易于迁移的离子态U,形成U 的络合物,反应方程式为:

2UO 2(固)＋O 2＋4CO 2＋2H 2O →2UO 2(CO 3)22-＋2H 2O 液

据统计,在层间氧化带发育的前部,水溶液中U 含量变化很大,从0.7×10-6~3.90×10-4 g/L,在干旱地区含氧地下水中,U 含量多为n ×10-5 g/L,比潮湿地区高1~2个数量级X .层间氧化作用的发育是由于含水层中氧化剂对地层逐渐氧化的结果,氧化作用使固态U 转变成易于迁移的6价U,形成U 的络合物;在地下水中U 可以形成6价离子(U 6+)、铀酰离子(UO 22+),或形成稳定的络合物形式,如UO 2(CO 3)22-和UO 2(CO 3)34-等.

通过对伊犁盆地南缘库捷尔太矿床、扎吉斯坦矿床、乌库尔其矿床地下水样分析,结果表明(表1):

伊犁盆地南缘铀矿床层间水pH 值为6.45~8.23,水质

类型为HCO 3 SO 4、SO 4 HCO 3时,6价U 以UO 2(CO 3)2

2-络合物为主的形式随层间水迁移,其次为UO 2(CO 3)34-形式.而水中U 含量变化较大,相差2个数量级,与层间水氧化作用的强弱有关.

2 层间含水层中铀的还原沉积

根据对不同成分水的计算结果,确定了U 氧化物还原时,当pH 为 6.5~8.5时,从层间中沉积的界限:Eh max =(0.40~0.059)pH 和Eh min =(0.045~0.03)pH.要使U 6+在一定地质环境中沉淀富集,须有充足的还原剂,在地下水中形成强烈的地化反差条件,形成相反的Eh 值,使U 产生沉淀再富集Y .即U 从层间水中沉淀的充要条件是层间水的氧化-还原电位降低到同UO 2-UO 2.25系列氧化物平衡的Eh 值.并且发现U 的络合离子越牢固、层间水中U 含量越低,U 从溶液中沉淀所需的Eh 值越低.

但是,含U 层间水同围岩互相作用并不都能导致

表1 水质类型与铀存在形式关系

Tabel 1 Relationship between water type and

mode of uranium

项目 库捷尔太矿床

扎基斯坦矿床

乌库尔其矿床

pH 值 7.31~8.23 7.10~7.50 6.45~7.83

矿化度(g/L)

0.21~0.63 0.56~0.98 0.47~1.02

水质类型 HCO 3、SO 4 HCO 3 SO 4 HCO 3

HCO 3 SO 4、

SO 4 HCO 3

水铀含量

9.0~390.0 0.70~100.0 1.42~29.40 水中U 存在形式以UO 2(CO 3)22-为主，次为UO 2(CO 3)34-

刘陶勇:层间氧化带砂岩型铀矿床形成机理

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铀矿化的形成,它仅发生在含有效铀还原剂的岩石中.

这些有效还原剂有:碳化程度低的碳质物(泥煤、褐煤等)、碳屑、2价金属的硫化物等固体还原剂,水中游离态的气体(H 2S 、烃类气体)等.这些物质有些是沉积成岩期同生形成的(如碳质物、硫化物),有些是成岩期后生成的(如烃类气体).在层间水中形成U 氧化物按下列反应方程式进行:

UO 2(CO 3)n(p-p)2-2n +(2-0.5x)e+ｘH 2O →

UO 2+X(固)+ nCO 32-(p-p)+ 0.5ｘH +

p-p

在形成铀石的情况下(沉积环境具碱性),可按下列反应方程式进行:

UO 2(CO 3)2(p-p)2-+H 4SiO 4(p-p)+2e →

USiO 4(固)+ 2CO 32-(p-p)+2H 2O 液 UO 2(CO 3)3(p-p)4-+H 4SiO 4(p-p)+2e →

USiO 4(固)+ 3CO 32-(p-p)+2H 2O 液

3 铀成矿机理

层间氧化带砂岩型铀矿床的最大特征是,具有独

特的地球化学分带性(图1),且各带具有不同的地化特征.在氧化带,固态U 在含氧水的作用下形成易于迁移的铀酰离子,过渡带形成强烈的地化反差条件,使水中的6价铀沉淀、富集.形成这种独特的地球化学分带的基本条件是:存在能够允许含O 含U 水溶液循环的可渗透性容矿岩石;有能够使含O 含U 水溶液中活动态铀固定下来的地球化学圈闭或地球化学障的存在.

首先,当含O 含U 水溶液经过透水性砂岩时,成岩期形成的富U 砂体被渐进的“冲浪”式淋滤与溶蚀,导致U 及其伴生元素有序地呈卷状沉淀富集.

其次,在氧化-还原界面,S 随细菌提供的某种特定“驱动力”,对含O 含U 水中的金属元素起“宏观调控”作用.室内实验表明:细菌细胞壁中的配位体对金属元素有较强的吸附富集能力.

再次,在层间氧化带砂岩型铀矿床中还发现,在缺S 条件下,如果透水性砂岩中含过量的腐殖酸盐,也会使U 沉淀富集.因为腐殖酸盐一方面对氧化-还原作用起缓慢催化作用,另一方面使含O 含U 水中的金属元素有序沉淀、富集. 3.1 气液还原剂成矿机制

岩石中存在易挥发的U 气体还原剂,如呈游离态或离子态存在于层间水或围岩孔隙中的H 2、H 2S 、HS -、CH 4、CO 等.这些还原剂是地下水中U 的首要还原剂,它们是由还原硫酸盐微生物活动形成或沿断裂破碎带从深部进入反应圈的,可从下列方程式得知:

SO 42-＋2C 有机＋2H 2O →H 2S ＋2CO 2＋2OH -

在含H 2S 水中,氧化-还原电位决定于S 2-=S 0+2ｅ,并可依据下列近似方程式确定:

Eh=0.145－0.03lg(α2H++αH+×10-6.8)

层间含水层中H 是一种比H 2S 还强的还原剂,在化学平衡条件下,甚至分析上还测定不出来的痕量H(10-8~10-4 mg),就能达到U 从层间水中沉淀的Eh 值区间(图2).在层间水中,如果有H 存在,则氧化-还原电位可以用下面方程式表述:

Eh=-0.03 lg pH 2-0.06pH

在Eh-pH 图中可以看到,由层间水沉淀U 的Eh 值位于H 2S 水区上部,并略有超出,含H 2S 水和U 从层间水沉淀的Eh 值范围,部分重叠又可看作在某些情况下U 在H 2S 中明显聚集;与此同时,溶液中U 含量随H 2S 水Eh 值降低而减少,表明H 2S 对U 有强还原能力,使U 6+在氧化还原过渡带还原成U 4+,并富集成矿.在扎吉斯坦矿床发现有棉絮状沥青铀矿析出体,U 从H 2S 溶液中沉淀,H 2S 气泡是铀矿物沉积在黄铁矿

图1 层间氧化带地球化学分带性特征图

Fig.1 Geochemical characteristics of interlayer oxidization zones

1.含砾粗砂岩;

2.中粗砂岩;

3.细砂岩;

4.泥质岩;

5.层间氧化尖灭线;

6.地质界线;

7.铀矿化;

8.铀晕

384 新疆地质

图2 铀氧化物沉积与硫化氢、氢的Eh-pH关系图解Fig.2 Eh-pH relationship between oxy uranium

precipitation and sulfide-hydride

表面活性地段的初始结晶中心.

3.2 固体还原剂成矿机制

岩石中除了具强还原能力的气体还原剂外,还存在固体还原剂.含O含U层间水在运移过程中,与岩石中有效固体还原剂如有机质、原生黄铁矿等有效固体还原剂发生以下化学反应:

FeS2＋3.5O2+H2O→Fe2++2SO42-+2H+

4Fe2+＋SO42-＋7H2O→FeS2+4H2O＋6H+

由于这些反应,使水的氧化-还原电位下降,水中迁移的U6+被还原成U4+沉淀下来.铀矿物集中分布在早期析出的黄铁矿表面,还常与后生球粒状和细分散状黄铁矿同时析出,或者穿插分布于碎屑颗粒的裂隙中,并且发现有纺锤晶体状硅酸盐铀石与沥青铀矿紧密共生.

通过对库捷尔太矿床、乌库尔其铀矿床和扎吉斯坦矿床的矿石物质成分研究,得知铀矿物主要为沥青铀矿,少量的铀黑和铀石形式存在X.沥青铀矿和铀石呈显微浸染状散布于岩石填隙物内.

X王成,殷建华.库捷尔太矿床第V旋回3-70号线地质勘探报告,核工业216大队,1998

在扎吉斯坦矿床,还发现木质细胞基本未变形且保存完好、成煤程度低的碳屑,与铀矿物赋存关系密切Y.该类碳屑的一个重要标志是在紫外光辐射下,不同程度地发浅褐色荧光.这些成煤程度极低的碳质,具较强的生烃能力.低变质碳质物中木质细胞结构保存完好,它是铀矿物沉积的良好空间,木质细胞腔中的成岩期黄铁矿,更是铀的良好还原剂.在碳屑木质细胞腔内,沥青铀矿呈细分散状胶粒或胶粒集合体形式,可以交代黄铁矿,分布于植物细胞腔内壁(图3).

应当指出,不是每个矿床中的碳质物都对U的沉淀富集起着重要的作用,没有碳质物存在的矿床,也能形成较富的铀矿石.如中亚的苏格拉雷矿床(该矿床是原生红色氧化地层(无还原剂)经次生还原作用再经层间氧化作用成矿)含矿围岩中不含碳质植物残骸,发现后生的硫化物、地沥青在地球化学障的活动带中起着还原剂作用.

3.3细菌(或微生物)参与成矿

乌库尔其矿床中还发现细菌(或微生物)参与成矿作用.细菌(或微生物)成矿作用包括直接成矿作用和间接成矿作用,前者指生物有机体、藻菌微生物、显微莓群等吸附、还原、沉淀元素使之富集成矿;后者指生物的衍生物——有机质吸附、还原、沉淀元素使之富集成矿,两者常共存Z.生物参与铀成矿作用的初步证据有:①沥青铀矿富集在侏罗系砂岩中植物碳屑的细胞腔内.侏罗纪陆地生长的树木等高等植物的碎屑,在成岩期被带入沉积物(成矿主岩)中,虽经碳化,但树干、树枝碳屑中的细胞腔仍不同程度地保留,沥青铀矿常富集于细胞壁及胞腔内;②发现部分沥青

Y闵茂中,王正其.新疆伊犁盆地扎基斯坦地段铀矿石物质组分研究,核工业216大队,1998

Z闵茂中,李细根.新疆察布查尔县乌库尔其地区铀矿石物质组分研究,核工业216大队,2002

(a) (b)

图3沥青铀矿与铀石析出体分布于木质细胞腔内壁

Fig.3 Occupied endotheca in cytoplast of pitchblende and coffinite a——铀石沿植物细胞(纵切面)内壁分布形成暗白色环带,胞腔内充填石英颗粒;

b——木质细胞腔(横切面)中的沥青铀矿+铀石(白色),光片,电子探针X1800

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铀矿具有微生物结构.沥青铀矿交代细胞腔内的草莓状黄铁矿或真菌的菌丝、孢子.因为草莓状黄铁矿一般认为是硫酸盐还原细菌的作用产物,因此可以推测草莓状沥青铀矿也是该类细菌作用的产物;③富矿石中存在大量已铀矿化的芽孢及藻类等微生物化石.芽孢是细菌(或真菌)在铀矿床放射性恶劣条件下,为保持其生命状态的休眠体.

4 结论

(1) 层间氧化砂岩型铀矿床中常见的铀矿物主要为沥青铀矿,还有少量的铀石和铀黑.

(2) 不管是气体、固体还原剂,还是细菌(或微生物)参与成矿作用,它们对U 均有较强的还原作用,所形成的铀矿物又具有各自的特征:由固体还原剂作用形成的铀矿物,多数分布于固体还原剂的表面,且与后生黄铁矿或碳化植物紧密共生;由气体还原剂作用形成的铀矿物,多数具棉絮状特征;而有细菌(或微生物)参与成矿作用形成的铀矿物,它们多数交代真菌

的菌丝、孢子,分布于它们细胞腔的内壁.

(3) 沿层间氧化带的发育方向,层间水中U 含量逐渐降低,直到10-5 g/L 以下,而且在无矿的层间氧化尖灭地段,含量常保持在比较高的水平上.如果在层间氧化带尖灭处,孔隙溶液中存在宽阔的U 晕,反映岩石具较弱反差的还原地球化学障,水中迁移的U 离子不能沉淀富集.

但是铀矿化的形成不取决于岩石含哪一种能起还原作用的物质,每一种还原物质都有它的特殊作用,而要在岩石中产生铀矿的高度富集,并不主要决定于成矿物质的来源,更重要的是层间水中具备强烈的地化反差条件,在层间含O 含U 水径流方向上形成高反差的氧化还原过渡带(反映在Eh 值由+200 mv 降至0~-200 mv 左右),促使U 产生沉淀、富集.层间氧化带砂岩型铀矿床形成的铀矿体,多数位于层间氧化带尖灭处外侧,严格受层间氧化尖灭线的控制;而由于还原剂的种类不同,还原剂不均匀分布于成岩期岩石中,使铀矿化表现出典型的后生富集特征.

THE ORIGIN OF INTERLAYER OXIDIZATION ZONES AT A

SANDSTONE-TYPE URANIUM DEPOSIT

——An Example From The Southern Margin Of The Ili Basin

LIU Tao-yong

(Team 216 ,Bureau of Geology ,CNNC, Urumqi,Xinjiang,830011,China)

Abstract :The paper describes the ore characteristics of uranium migration, precipitation and concentration. Uranium migration mainly occurs as uranyl carbonate in the groundwater. The precipitation and concentration of uranium under these conditions occur with concentrated organic matter and in ageochemically reducted environment. A summary of the characteristics of sandstone-type uranium mineralization and of uranium deposit research is a good basis for future exploration for uranium deposits.

Key words :migration of uranium; sedimentary accumulation of uranium; metallogenesis of uranium.