塔木素地區(qū)鈾成礦作用的計算機模擬

門宏 李有民 侯樹仁 崔偉

摘要：本文以塔木素鈾礦床的水文地球化學(xué)參數(shù)為依據(jù)，通過PHREEQC軟件的模擬，計算出該地區(qū)氧化還原電位的臨界值為-26.63mv～59.77mv，同時發(fā)現(xiàn)水中鈾主要以UO2（CO3）22-和UO2（CO3）34-的形式存在，然后通過簡化的鈾成礦過程用計算機軟件進行模擬，將CH4與H2S的混合氣體通入礦床地下水后，發(fā)現(xiàn)鈾的化合物沉淀作用明顯。

關(guān)鍵詞：水文地球化學(xué)參數(shù)；水中鈾的存在形式；鈾成礦機理；計算機模擬

1. 礦床自然地理及水文地質(zhì)概況

1.1 礦床自然地理

塔木素鈾礦床地處內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟阿拉善右旗境內(nèi)，位于塔木素蘇木南部。礦床內(nèi)交通較為便利，礦床與阿拉善右旗、阿拉善左旗及額濟納旗均有公路相通（圖1-1）。

地勢總體北西高、南東低。一般海拔標(biāo)高1270m～1330m，相對標(biāo)高約60m。地表景觀以戈壁荒漠為主，多見不連續(xù)的沙丘。區(qū)內(nèi)水系、植被不發(fā)育。水系多為季節(jié)性水流和干河床，礦床南西部零星分布大小不等的湖泊，常年地表水體有樹貴湖等，由于強烈蒸發(fā)，湖水濃縮，礦化度增大，結(jié)晶沉淀，大部分湖泊底部形成食鹽、芒硝等礦產(chǎn)。區(qū)內(nèi)植被主要有荒漠殘林草原植被和灌木草原植被兩種，荒漠殘林草原植被主要為梭梭、紅柳等；

1.2 礦床水文地質(zhì)概況

礦床距北部蝕源區(qū)較近，屬地下水徑流區(qū)，礦區(qū)處于相對低洼的位置，略高于當(dāng)?shù)厍治g基準面。地下水受氣候、地形、地貌、巖性等因素控制。據(jù)鉆探揭露顯示，礦床范圍內(nèi)分布的含水巖組主要有第四系松散孔隙潛水含水巖組和下白堊統(tǒng)巴音戈壁組含水巖組。

巴音戈壁組上段地下水在盆地邊緣及淺部為潛水，向盆地中心和深部過渡為層間承壓水。潛水通過下部含水層出露部位由補給區(qū)沿徑流方向進行補給。水動力條件受氣候、地形、地貌、巖性及斷裂構(gòu)造等因素控制。地下水流向與地勢降低方向相同，為北西向南東方向，補給區(qū)位于北西部隆起區(qū)，總體上向南西方向徑流（圖1-2）。

2. 地下水氧化還原電位參數(shù)的確定

礦床水文地球化學(xué)環(huán)境是在盆地的沉積演化過程中逐漸形成的，在實際的研究與應(yīng)用中，各種水文地球化學(xué)參數(shù)被用來描述研究區(qū)內(nèi)地下水的化學(xué)條件，表征水文地球化學(xué)條件的參數(shù)主要有：地下水的化學(xué)組分含量、Ph、Eh、溶解氧和氧化還原電位等參數(shù)。

在鈾成礦過程中，地下水的水文地球化學(xué)作用必不可少，因而水文地球化學(xué)參數(shù)與鈾成礦都有密切關(guān)系。影響鈾在水中的沉淀條件主要有鈾在水中的飽和度和鈾的存在形式，在這里引用飽和指數(shù)（SI）的概念來判斷鈾在水中是否沉淀：

當(dāng)SI>0時，鈾的絡(luò)合物為過飽和狀態(tài)；

當(dāng)SI=0時，鈾絡(luò)合物與鈾的氧化物處于溶解與沉淀的平衡狀態(tài)；

當(dāng)SI<0時，鈾的絡(luò)合物為未飽和狀態(tài)。

由于在礦床鉆孔中未收集到地下水的Eh數(shù)據(jù)，且所取水樣之鉆孔均為見礦孔或礦化孔，理論上幾個地下的鈾氧化物的SI應(yīng)大于“0”。為了研究鈾在礦床地下水中與相關(guān)鈾礦物的平衡情況，利用PHREQQC軟件進行不同Eh值的SI模擬，計算了某些主要鈾氧化物的飽和指數(shù)（表2-1）。從表中可以看出，當(dāng)?shù)叵滤械腅h接近“0”或為0附近的某個鄰域內(nèi)，鈾氧化物的SI即為正值，說明該條件下水中鈾開始沉淀。

為了確定地下水中鈾氧化物發(fā)生沉淀時Eh的臨界值，利用軟件將飽和指數(shù)SI設(shè)定為“0”，進行Eh的反演計算（表4-2） 。從表中可以看出，在礦床地下水現(xiàn)有pH值、鈾濃度和水溫等條件下，氧化還原電位的臨界值為-26.63mv～59.77mv。

3. 鈾成礦作用模擬

3.1 水中鈾的存在形式

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)孔的參數(shù)資料，用地球化學(xué)模擬軟件PHREEQC對地下水中鈾的存在形式進行分析（表3-1），從表中可以看出，礦床地下水中的鈾主要存在形式為UO2（CO3）2-2和UO2（CO3）3-4，兩者基本占90%以上，而UO2、CO32-基本小于10%。說明礦床中鈾的遷移可能是以鈾酰碳酸鹽的形式進行的。

3.2 水中鈾的沉淀過程模擬

作為砂巖型鈾成礦過程中最常見的還原介質(zhì)，地層中的油氣常常被用做解釋水中鈾沉淀的主要原因，經(jīng)過查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)在成礦過程中起到還原作用的主要是甲烷和硫化氫。它們是動、植物殘骸在地下經(jīng)過微生物分解及地溫和壓力作用下形成的最常見的有機物，是天然氣的主要成分，塔木素鈾礦床在后期成礦作用中，含鈾含氧水遇到地層中的還原性氣體，或遇到沿深部斷裂溢出的天然氣，是形成后期改造成因的鈾礦體的主要因素。還原氣體的成礦反應(yīng)的成礦機理是：

上述的還原作用在與氧化作用此消彼長的漫長過程中，最終形成鈾元素在過渡帶中富集沉淀成礦，同時也產(chǎn)生了過渡帶中赤鐵礦、磁鐵礦與黃鐵礦共存和次生方解石、鈣質(zhì)膠結(jié)物的局部富集等砂巖型鈾礦中常見的地質(zhì)現(xiàn)象。

為了模擬含鈾含氧水與還原物質(zhì)反應(yīng)的過程（3-2、3-3），將深部還原劑簡化為CH4與H2S，并使兩種氣體與地下水進行模擬反應(yīng)。

具體步驟：將CH4與H2S以五種不同的量（0.0，1.0，5.0，10.0，50.0mmol）加入到礦床地下水中，CH4與H2S的相對比例分別為1.0和0.5。黃鐵礦、方解石、石膏和白云石允許溶解以達到平衡，二氧化碳分壓保持為102.5（地下水中正常分壓）。另外，達到過飽和時，允許生成沉淀，初始Eh為300mv，參與反應(yīng)的地下水量為1L（表3-2）。

從上表可以看出，在1L鉆孔水中加入1.0mmol的混合氣體，鈾氧化物即過飽和。在加入1.0mmol的混合氣體后，飽和指數(shù)SI已基本達到極值，之后再增加混合氣體的反應(yīng)量，飽和指數(shù)SI已不再有顯著的增高。

在撰寫本論文時，本人所在單位沒有進行該類實驗的條件及相關(guān)儀器設(shè)備。通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)其他研究人員已經(jīng)在實驗室條件下進行了類似的研究工作。過程如下：實驗選取采自沉積盆地中的天然氣為氣體反應(yīng)物，與富含鈾酰離子的水溶液進行成礦作用的模擬實驗。在低溫實驗條件下，將所采盆地的天然氣通入到含有鈾酰離子的水溶液中進行還原反應(yīng)。將得到的產(chǎn)物進行了X-射線粉末衍射測試及掃描電鏡分析，得到的反應(yīng)產(chǎn)物的主要成分為UO2。該實驗成果為本論文所模擬的CH4與H2S混合氣體通過礦床內(nèi)地下水溶液反應(yīng)的可行性提供了有力的證據(jù)。

參考文獻：

[1] 侯樹仁等.內(nèi)蒙古巴音戈壁盆地塔木素鈾礦床H8-H72線普查.核工業(yè)二〇八大隊，2013.

[2] 史維俊.鈾水文地球化學(xué)原理.原子能出版社，1990.

[3] 蔡義各.油、氣、煤在鈾成礦過程中作用的實驗?zāi)M.西北大學(xué)，2008.