吐哈盆地十紅灘鈾礦床物質(zhì)組分及地球化學(xué)特征

劉治國，楊冰彬，趙旭，王騰

（核工業(yè)二〇三研究所，陜西 咸陽 71200）

針對(duì)十紅灘鈾礦床成因，傅成銘、權(quán)建平、權(quán)志高等從構(gòu)造，逢瑋、陳振等從水文地質(zhì)，權(quán)建平等從含鈾目的層沉積體系，尚高峰、喬海明等從有機(jī)質(zhì)與微生物作用與鈾礦化關(guān)系等方面進(jìn)行了研究。礦床物質(zhì)組分及元素地球化學(xué)特征對(duì)成礦作用具良好指示作用，為重要勘查標(biāo)志。本文以十紅灘鈾礦床不同礦帶侏羅系含鈾礦層為研究對(duì)象，對(duì)砂體整體分選性、結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度及元素地球化學(xué)進(jìn)行研究，試圖揭示研究區(qū)砂巖型層間氧化型鈾礦成礦機(jī)理，認(rèn)識(shí)砂巖型鈾礦勘查地球化學(xué)標(biāo)志。

1 地質(zhì)概況

吐哈盆地為天山褶皺帶內(nèi)不規(guī)則的中新生代內(nèi)陸山間盆地，基底為中石炭統(tǒng)迪坎兒組，蓋層主要為中下侏羅統(tǒng)水西溝群，北部多見古近系鄯善群。區(qū)內(nèi)及外圍構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱，斷裂構(gòu)造主要有鷹咀崖斷裂，褶皺構(gòu)造為寬緩背斜和向斜[1]。十紅灘鈾礦床位于盆地西南緣艾丁湖斜坡帶上（圖1），鈾礦床分為南、北、中3個(gè)礦帶，含礦層位為中侏羅統(tǒng)西山窯組。南礦帶產(chǎn)礦層位為西山窯組第一巖性段，北礦帶產(chǎn)礦層為西山窯組第三巖性段，中礦帶產(chǎn)礦層為西山窯組第二巖性段。

2 產(chǎn)礦巖石特征

圖1 新疆吐哈盆地十紅灘鈾礦區(qū)構(gòu)造綱要略圖Fig.1 Structural outline map of Shihongtan uranium deposit in Turpan Hami basin

研究區(qū)南、北礦帶砂體巖性多為灰色含礫中細(xì)-中粗砂巖，疏松-較疏松為主，呈次棱角狀，以含礫不等粒狀為主，呈點(diǎn)-線接觸，顆粒支撐，膠結(jié)物少或無，次生孔隙發(fā)育，總面積率達(dá)7.8%～16.50%，以次生溶孔和破裂組合的孔隙占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，少量粒內(nèi)溶孔，形成聯(lián)通性好的網(wǎng)狀（表1）。

產(chǎn)礦巖石主要礦物包括造巖礦物（石英、長(zhǎng)石、黑云母、白云母）、重礦物、黃鐵礦、碳化植物碎屑、粘土礦物、方解石和巖屑。其中，造巖礦物中石英含量40%～50%；長(zhǎng)石含量15%～35%，主要為斜長(zhǎng)石和微斜長(zhǎng)石、條紋長(zhǎng)石；云母含量0.5%～5%，主要為黑云母，次為白云母；重礦物主要為綠簾石、電氣石、磷灰石、石榴子石；黃鐵礦、碳化植物碎屑含量0.1%～1.5%，碳化植物碎屑多呈條帶狀、棱角狀不均勻分布在巖石中；巖屑含量25%～50%，以中-基性火山巖巖屑、中酸性火山巖巖屑（安山巖、安山玢巖）、凝灰?guī)r巖屑和淺變質(zhì)巖巖屑、花崗質(zhì)巖屑為主；粘土礦物在鈾礦石中含量為15%～25%。

砂巖碎屑組分研究表明（表2），南、北礦帶砂體組分整體相似又略有不同，南、中、北礦帶均為巖屑砂巖，巖屑含量由南向北依次降低，礫巖、礫質(zhì)成分明顯減少，結(jié)構(gòu)成熟度逐漸增高，反映礦物成熟度由南到北依次降低。

西山窯組砂體受外力作用影響，砂體和碎屑產(chǎn)生大量破裂縫，次生孔隙在破裂縫基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大溶蝕，膠結(jié)物中碳酸鹽不同程度裂開及溶蝕，方解石再次填充縫隙。

目的層水解作用發(fā)育，長(zhǎng)石、云母、巖屑等在地下水長(zhǎng)期溶蝕作用下發(fā)生水解作用，形成以高嶺石、伊利石、蒙脫石、綠泥石等為主的次生粘土礦物，砂巖滲透性降低，假雜基化嚴(yán)重。

3 鈾、釷變化及地球化學(xué)參數(shù)特征

南、北礦帶地球化學(xué)特征主要為鈾、釷變化及地球化學(xué)參數(shù)（包括有機(jī)碳、總硫、二氧化碳）變化特征（表3）。

從表3可看出，灰色透水砂體鈾背景值，南礦帶相對(duì)北礦帶高，中礦帶相對(duì)南北礦帶較低。由南至北鈾背景值均較高，即由J2x1→J2x2→J2x3，為4.52×10-6→3.65×10-6→6.35×10-6，均大于鈾的地殼克拉克值3.0×10-6的1～2倍，據(jù)此認(rèn)為本區(qū)目的層西山窯組為富鈾層位。有機(jī)碳（C有機(jī)）和全硫（∑S）分布不均，南礦帶較高，北礦帶和中礦帶次之，均為灰色巖類巖石。

本區(qū)大量鈾異常-礦化暈-礦石的存在均反映了鈾的遷移富集成礦特點(diǎn)，釷在砂巖后生蝕變過程中變化微弱，Th/U變化大說明鈾的遷移富集特點(diǎn)。鈾礦化主要賦存在以黑、深灰色富含有機(jī)質(zhì)及黃鐵礦的疏松-較疏松砂巖中，呈吸附狀以鈾、鈾礦物及含鈾礦物形式存在，鈾與有機(jī)碳、全硫關(guān)系密切。

表1 目的層西山窯組孔隙特征Table 1 Porosity characteristics of Xishanyao formation

表2 目的層西山窯組砂巖組分及定名Table 2 Sandstone component and denomination of Xishanyao formation 單位：×10-2

表3 西山窯組透水砂體鈾背景值及相應(yīng)地化特征Table 3 Background values and corresponding geochemical characteristics of uranium in permeable sand bodies of Xishanyao formation

4 層間氧化帶及分帶特征

氧化帶在本區(qū)廣泛發(fā)育，包括潛水氧化帶和層間氧化帶。研究表明，南、北礦帶后生蝕變分帶特點(diǎn)除礦石帶外基本相似。

本區(qū)找礦目的層水西溝群發(fā)育層間氧化帶11層，主要位于西山窯組第一、第二、第三3個(gè)巖性段。層間氧化帶沿走向達(dá)數(shù)十公里，寬2～10 km。剖面上層間氧化帶多呈疊瓦狀、層狀排列。氧化尖滅線平面上向北突出，呈不規(guī)則蛇曲狀。層間氧化帶的分帶性，氧化明顯受巖石滲透性控制。滲透性好的砂體遭氧化呈黃、褐黃色，滲透性差的泥巖、粉砂巖、鈣質(zhì)砂巖呈玫瑰紅色，煤層很少被氧化。氧化帶顏色具對(duì)稱性，該特點(diǎn)與潛水氧化帶明顯不同，說明含氧地下水為側(cè)向運(yùn)移的承壓水。將野外地質(zhì)工作與地球化學(xué)參數(shù)分析相結(jié)合，可將后生蝕變分為4個(gè)帶（表4）。

4.1 完全氧化帶

砂體呈褐黃、黃褐色，偶見玫瑰紅色，近頂、底板發(fā)生褪色，呈灰、灰白色。該帶在本區(qū)廣泛發(fā)育，主要為褐鐵礦大量渲染巖石中碎屑物和膠結(jié)物，沿孔隙、裂隙發(fā)育，屬高鐵再沉積型。低價(jià)鐵硫化物如黃鐵礦、白鐵礦，低價(jià)含鐵碳酸鹽如菱鐵礦幾乎全部氧化。碳屑物消失，見少量褐鐵礦化結(jié)核。

4.2 不完全氧化帶

砂體呈亮黃、雜紅色砂巖，主要分布在礦體附近。亮黃色砂巖為水針鐵礦染色。雜紅色砂巖呈微粒狀血紅色赤鐵礦或水赤鐵礦染色，為黃鐵礦或菱鐵礦不完全氧化的結(jié)果，且保留假象，這種氧化屬高價(jià)鐵交代型。巖石中見少量黑云母，邊部呈淺褐黃色，同時(shí)可見極少不完全氧化的碳屑物。

4.3 礦石帶

又叫氧化-還原過渡帶，多為疏松-較疏松灰色、深灰色砂巖，其中粘土礦物發(fā)育，主要為高嶺石、伊利石、蒙脫石、粒狀黃鐵礦、白鐵礦，見少量玉髓狀石英，粉末狀碳屑物。礦石中見廣泛溶蝕交代現(xiàn)象，粘土礦物溶蝕交代巖屑、長(zhǎng)石甚至石英碎屑，礦石中存在大量的吸附狀鈾、瀝青鈾礦、鈾石，浸出率大于51%，礦段中見有含黃色斑點(diǎn)、色暈狀或呈土黃色礦石。

4.4 原生灰色巖石帶

為灰、淺灰色砂巖，含礫砂巖，砂質(zhì)礫巖等，其中黃鐵礦、菱鐵礦、碳屑物、黑云母等基本保留完好，未發(fā)生明顯變化，僅見巖屑長(zhǎng)石、黑云母和單礦物中少量長(zhǎng)石、黑云母不同程度水解，其中碳屑物鏡下為淺棕黃色，表明有機(jī)質(zhì)成熟度降低。

5 后生蝕變中常量組分變化特點(diǎn)

5.1 鋁硅酸鹽變化

表5，6分別列出南北礦帶透水砂（礫）巖的鋁硅酸鹽全分析結(jié)果。從表5，6中看出，該區(qū)砂巖屬少硫化物、少碳酸鹽的富鋁硅酸鹽碎屑巖型。礦石與含礦主巖及氧化砂巖主要組分基本一致，仍有較小差別，指示沉積、成巖環(huán)境及后生蝕變的不同。

表4 西山窯組后生蝕變分帶一覽表Table 4 A list of epigenetic alteration zone of Xishanyao formation

表5 南礦帶J2x1砂巖硅酸鹽全分析結(jié)果Table 5 Total analysis results of silicate in J2x1sandstone of South ore belt

表6 北礦帶J2x3砂巖硅酸鹽全分析結(jié)果Table 6 Total analysis results of silicate in J2x1 sandstone of North ore belt

5.1.1 SiO2的地球化學(xué)行為及特征

SiO2及硅酸鹽礦物風(fēng)化作用的地球化學(xué)行為分為3種類型：①易于溶解的硅酸鹽；②不易分解而易轉(zhuǎn)變?yōu)檎惩恋V物的硅酸鹽（如長(zhǎng)石、云母）；③輕度溶解，基本為穩(wěn)定的礦物（如石英）。表生作用中，H2O、O2、CO32-都是硅酸鹽礦物和石英分解的主要因素，中偏堿性pH=7.5時(shí)，蛋白質(zhì)非晶質(zhì)SiO2溶解度大大增加，pH=8.5時(shí)，可達(dá)220 mg/L，所形成的H4SiO4是以分子形式遷移的硅酸，在層間滲入作用中為一種“通過”組分，在酸性層間水中可發(fā)生部分沉積，即在酸性地球化學(xué)障上-層間氧化帶的前部和礦化帶后部發(fā)生沉積。本區(qū)在地球化學(xué)剖面上也發(fā)現(xiàn)SiO2和鈾的氧化物，同時(shí)析出鈾石，常出現(xiàn)碎屑石英的次生加大及玉髓的形成。據(jù)鈾礦水文地球化學(xué)，pH=7.5時(shí)，為完全氧化帶；pH=8.5時(shí)，為不完全氧化帶。

從表5，6中看出，由氧化帶→異常帶→工業(yè)礦石→灰色砂巖，SiO2明顯具波動(dòng)性，南北礦帶工業(yè)礦石帶處酸度增加，這一特征與水文地球化學(xué)鈾成礦機(jī)理一致。

5.1.2 Al2O3的地球化學(xué)行為及特征

Al2O3賦存在鋁硅酸鹽礦物中，如長(zhǎng)石、輝石、角閃石、云母等，分布廣泛。它們?cè)陲L(fēng)化作用下，均可轉(zhuǎn)化為粘土礦物，未被水溶液帶走。Al2O3在表生作用中通常為弱遷移組分，在酸性介質(zhì)中，其性質(zhì)類似稀土元素，即由層間氧化帶前部巖石中浸出，并在鈾礦石中再沉積，形成少量后生粘土礦物。

十紅灘鈾礦床南、北礦帶鈾礦石中Al2O3含量相對(duì)穩(wěn)定，為11.17×10-2～11.27×10-2。兩個(gè)礦帶較庫捷爾太鈾礦石略高，反映十紅灘鈾礦床砂巖水解作用較強(qiáng)。這與該區(qū)砂巖富含火山碎屑、花崗質(zhì)巖屑，后生蝕變過程中在相對(duì)較高的礦化水作用下發(fā)生較強(qiáng)水解作用有關(guān)。Al2O3與Th、MgO、TiO2、P2O5等變化趨勢(shì)大體一致。

6 后生蝕變帶中伴生元素特征

后生蝕變帶中伴生元素含量變化見表7。從表7中看出，氧化帶中伴生元素含量很低(K≤1)，不完全氧化帶中Se有富集現(xiàn)象（K=9.33）。礦石帶中Se，Mo，Re具明顯地球化學(xué)富集現(xiàn)象（K＞1），Re達(dá)工業(yè)指標(biāo)。

經(jīng)R型相關(guān)分析，伴生元素與鈾相關(guān)不明顯，相關(guān)系數(shù)較低(K＜0.5)，采用協(xié)方差因子旋轉(zhuǎn)，獲得良好矩陣，表明Re與U有關(guān)，Ga，V與Th有關(guān)，礦石中這種相關(guān)類型組合充分顯示了鈾成礦與復(fù)合地球化學(xué)障的存在密切相關(guān)。

表7 層間氧化帶后生分帶中U，Th、伴生元素含量變化表Table 7 Contents variation of U,Th and associated elements in the epigenetic zone of interlayer oxidation zone

7 結(jié)論

（1）十紅灘鈾礦床鈾礦物組分基本相似，含礦主巖主要巖性為長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑砂巖，為灰色巖類地化類型。碎屑組分中北礦帶含礦砂巖的分選性、結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度均比南礦帶、中礦帶好，且南、北、中礦帶孔隙結(jié)構(gòu)略有差別。

（2）南、北礦帶產(chǎn)礦層位鈾背景值較高，均為富鈾層位，后生蝕變及成礦過程中鈾發(fā)生明顯遷移和富集，同時(shí)與伴生元素V，Mo，Se，Re，Ga，Ge，Sc有不同程度遷移與富集，與U關(guān)系密切的為Se、Re；Re主要富集在鈾礦石帶中；而Se與U共同富集在礦石帶中，且具綜合利用價(jià)值。Th表現(xiàn)穩(wěn)定，后生分帶中Th/U變化很大。

（3）十紅灘鈾礦床不同礦帶中數(shù)量分布特征與礦帶C有機(jī)、Fe3+/Fe2+、∑S等因素存在相關(guān)性。礦帶鈾分布與C有機(jī)、∑S等存在正相關(guān)性，與Fe3+/Fe2+比值呈負(fù)相關(guān)性。認(rèn)為各礦帶目的層物質(zhì)組分，碳、硫和鐵等元素含量及碳酸鹽分布特征與鈾成礦形成密切相關(guān)。

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