洪海溝鈾礦床Ⅶ旋回水化學(xué)條件與鈾源分析

王福東，張磊，陳程，魏顯珍

（1.核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830011；2.中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津 300191）

關(guān)鍵字 洪海溝地區(qū)；水化學(xué)條件；成礦規(guī)律；鈾源分析

0 引言

洪海溝鈾礦床位于新疆伊犁盆地南緣，是核工業(yè)地質(zhì)系統(tǒng)近幾年新發(fā)現(xiàn)的大型可地浸砂巖型鈾礦床（陳奮雄等，2016a），目前洪海溝鈾礦床已經(jīng)進(jìn)入到試驗(yàn)原地浸出開采階段。砂巖型鈾礦床的形成是受多種因素綜合控制的結(jié)果，包括大地構(gòu)造背景與鈾源條件、巖相巖性、盆地古氣候、水文地球化學(xué)條件等（陳祖伊，2002）。已有的研究主要集中在巖性（董亞棟等，2016）、巖相（馮建輝等，1999；邱余波等，2014）及煤鈾共生（王毛毛等，2015；賈志勇等，2020）等方面。伊犁盆地南緣已發(fā)現(xiàn)的鈾礦床在成礦條件方面具有一定的成礦共性：均以二疊系凝灰?guī)r為主要的成礦物質(zhì)來源，構(gòu)造背景基本一致，均發(fā)育在南部構(gòu)造斜坡帶中，賦礦地層中下侏羅統(tǒng)水西溝群為一套潮濕氣候下形成的含煤碎屑建造，含豐富的有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦等特征（李盛富等，2006）。邢東旭等（2014）總結(jié)了洪海溝地區(qū)地下水的水化學(xué)分帶。以往研究對(duì)于洪海溝鈾礦床的主要含礦層位Ⅶ旋回砂體的水化學(xué)條件特征和成礦階段鈾源問題均缺少具體的探討。本文結(jié)合鉆探資料，根據(jù)水化學(xué)特征，總結(jié)鈾成礦規(guī)律及鈾礦物來源，為今后鈾礦勘探工作提供經(jīng)驗(yàn)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

伊犁盆地在大地構(gòu)造單元?jiǎng)澐稚蠈儆谔焐皆焐綆е械囊晾?中天山微地塊，盆地南緣的近東西向斷裂帶發(fā)育于華力西晚期，展布于石炭系和二疊系中，多為擠壓逆沖斷層（陳奮雄等，2016b）。盆內(nèi)次級(jí)斷裂以近南北向張性斷裂和北東向扭性斷裂為主（張國偉等，1999）。中新生代地層在每個(gè)斷階上總體呈向北緩傾的單斜構(gòu)造，地層發(fā)育較齊全。盆地斜坡帶東、西段后期構(gòu)造活動(dòng)，尤其是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度有明顯差異，西部構(gòu)造活動(dòng)較弱，為向北緩傾的單斜構(gòu)造；東部構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，由一系列排列緊密的背、向斜組成，斷裂發(fā)育，局部中新生界在山前倒轉(zhuǎn)產(chǎn)出（圖1）。研究區(qū)位于伊犁盆地南緣斜坡帶西部構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定區(qū)，其構(gòu)造分區(qū)屬于次級(jí)構(gòu)造單元洪海溝西部凹陷，向東與庫捷爾太微凸相毗鄰。

圖1 伊犁盆地南緣構(gòu)造分區(qū)圖（據(jù)陳奮雄等，2016c修改）

2 礦床地質(zhì)特征

2.1 地層

上古生界為研究區(qū)的直接基底和主要的物源區(qū)，為一套海相火山噴發(fā)沉積、海相—海陸過渡相碎屑巖沉積組合，主要巖性為流紋巖、英安巖、安山巖、玄武巖、凝灰?guī)r以及凝灰質(zhì)角礫巖、火山碎屑巖，在盆地南部山區(qū)出露。

洪海溝鈾礦床中新生代蓋層總體齊全，僅缺失上侏羅統(tǒng)。中新生代蓋層不整合覆蓋于石炭系或二疊系中酸性火山巖、火山碎屑巖之上。受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，造成中新生代發(fā)生了規(guī)模較大的沉積間斷（J～N），表現(xiàn)為地層之間的不整合接觸和地層的缺失。

研究區(qū)內(nèi)蓋層為三疊系中上統(tǒng)小泉溝群、侏羅系、新近系和第四系。侏羅系水西溝群巖石的韻律變化及其組合在剖面上的重疊，反映了水西溝群沉積過程中因地殼的差異運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致沉積環(huán)境變化的規(guī)律，盡管這種韻律變化在局部發(fā)育并不十分完善，但在礦區(qū)卻具有規(guī)律性和可比性，根據(jù)這種規(guī)律性將水西溝群自下而上劃分為4個(gè)組、8個(gè)沉積旋回和若干亞旋回（用Ⅰ～Ⅷ表示）（阿種明和張新科，2003）。組與旋回對(duì)應(yīng)關(guān)系為：八道灣組對(duì)應(yīng)Ⅰ～Ⅳ旋回，三工河組和西山窯組下段對(duì)應(yīng)Ⅴ旋回，西山窯組中—上段對(duì)應(yīng)Ⅵ—Ⅶ旋回，頭屯河組對(duì)應(yīng)Ⅷ旋回。

2.2 鈾礦化層位

洪海溝鈾礦體產(chǎn)出于侏羅系地層Ⅶ旋回砂體中，空間上鈾礦體形態(tài)呈典型的卷狀，部分呈板狀；在平面上，礦體在氧化帶前鋒線位置賦存。近年來，通過對(duì)礦床主含礦層巖性-巖相的深入分析，發(fā)現(xiàn)在單斜構(gòu)造背景條件下，層間含氧含鈾水在砂體內(nèi)的滲流狀態(tài)主要受到含礦砂體展布形態(tài)的制約，表現(xiàn)為層間氧化帶收斂于砂體突變（沉積微相相變）部位，層間含氧含鈾水與含礦砂體構(gòu)成動(dòng)與靜的關(guān)系，砂體空間展布約束著層間氧化流體的運(yùn)移，砂體的非均質(zhì)性造成層間氧化帶分層，進(jìn)而控制鈾礦體的空間產(chǎn)出狀態(tài)。洪海溝鈾礦床為典型的單斜構(gòu)造中的層間氧化帶型水成鈾礦床（王軍和耿樹芳，2009）。

3 研究區(qū)水化學(xué)特征

3.1 水文地球化學(xué)特征

地下水的環(huán)境特征決定于地下水的水化學(xué)成分、標(biāo)型元素（或化合物）含量及pH值、Eh值等。標(biāo)型元素（或化合物）在含水層中隨著地下水的流動(dòng)而遷移，決定著地下水的水文地球化學(xué)環(huán)境。同時(shí)，水-巖作用的結(jié)果也會(huì)影響標(biāo)型元素（或化合物）的含量，使得地下水的水文地球化學(xué)環(huán)境發(fā)生改變。這種改變正是鈾氧化溶解或還原沉淀的重要條件（王福東和魏顯珍，2015）。研究區(qū)地下水可劃分為HCO3型、HCO3·SO4型、SO4·HCO3型、SO4·Cl和SO4·Cl·HCO3混合型等4個(gè)水帶，平面上地下水的礦化度由補(bǔ)給區(qū)向排泄區(qū)逐漸增大，同時(shí)表現(xiàn)為以K01線為中軸線，向兩側(cè)增大，水質(zhì)類型變化特征與礦床內(nèi)地下水的流向吻合（圖2）。

圖2 洪海溝地區(qū)地下水水化學(xué)圖

據(jù)水文地球化學(xué)調(diào)查資料（表1），礦床南部基巖裂隙水溶解氧含量大于7.00 mg/L，F(xiàn)e2+/Fe3+為0.71，Eh值為434.90 mV，pH值7.65～8.25，表明補(bǔ)給區(qū)基巖裂隙水具有較強(qiáng)的氧化性，有利于基巖中的鈾氧化進(jìn)入地下水中，同時(shí)基巖裂隙水中含U元素的含量較高，同樣說明了這一點(diǎn)。

表1 洪海溝鈾礦床Ⅶ旋回水文地球化學(xué)參數(shù)表

礦床地下水pH值7.20～8.88，為弱堿性；水中鈾含量因取樣位置原因達(dá)0.90×10-6～40.60×10-6g/L，略高于基巖裂隙水；Eh值-88～396 mV，顯示氧化還原特征，處于過渡帶；Fe2+/Fe3+為0.02～2.00，水中溶解氧含量較小，一般為1.50～4.51 mg/L。以上表明中生代侏羅系Ⅶ旋回地層中不同位置分別存在著氧化、還原的水文地球化學(xué)環(huán)境。

3.2 Ⅶ旋回含礦含水層水動(dòng)力特征

研究區(qū)內(nèi)Ⅶ旋回含礦含水層地下水水量豐富，單位涌水量為0.016～0.098 L/s·m，地下水水位埋深由南東向北西逐漸增大，一般為52.75～120.94 m；地下水承壓性較好，承壓水頭高度116.25～484.65 m，壓力傳導(dǎo)系數(shù)為0.63×104～5.35×104m2/d，滲透系數(shù)一般為0.31～1.13 m/d，導(dǎo)水系數(shù)5.05～16.07 m2/d。通過對(duì)第Ⅶ旋回含水層地下水礦化度與洪海溝地表水礦化度的對(duì)比（表2），說明洪海溝地表水對(duì)含礦含水層地下水有補(bǔ)給作用。含礦層在接受第四系潛水和洪海溝河水的入滲補(bǔ)給后，順地層的傾向流動(dòng)。因此在研究區(qū)地下水的流向總體呈北西向。

表2 洪海溝鈾礦床Ⅶ旋回含礦含水層地下水化學(xué)成分橫向變化與補(bǔ)給距離關(guān)系表

4 水化學(xué)條件與鈾成礦的關(guān)系

洪海溝鈾礦床Ⅶ旋回礦體為后生的水成鈾礦，地下水在成礦過程中起著至關(guān)重要的作用（李細(xì)根和黃以，2001）。富含氧的大氣降水入滲察布查爾山北坡古生代石炭紀(jì)、二疊紀(jì)地層風(fēng)化裂隙中，其中的還原態(tài)鈾被氧化溶解并向侏羅系Ⅶ旋回砂體含水層入滲侏羅系承壓含水層中，在水頭壓力的作用下沿地層傾向向北西形成地下徑流。地下水?dāng)y帶著被氧化的鈾元素順層遷移，至東曼里以北約2 km的隱伏斷裂（侏羅系各層承壓水排泄源）處，由于斷層的減壓釋氣作用而使地下水的化學(xué)成分發(fā)生如下變化：

釋氣作用使地下水中CO2濃度降低，使上述各平衡向右移動(dòng)，結(jié)果導(dǎo)致水中離子含量升高。在侏羅系Ⅶ旋回地層中大量還原劑（有機(jī)炭含量一般0.1%～0.4%，最高達(dá)4.7%，洪海溝西部的有機(jī)炭含量高于東部）的作用下，發(fā)生還原而以瀝青鈾礦形式沉淀于有機(jī)物含量較高的巖石顆粒表面。

礦體形成后，含氧地下水不斷從上游補(bǔ)充，一方面繼續(xù)溶解巖石中較高品位的分散狀態(tài)的鈾元素，另一方面對(duì)礦體尾部的鈾元素再次氧化遷移。當(dāng)巖石中還原劑將地下水中氧化劑消耗到一定程度，水的氧化-還原電位（Eh水）值小于六價(jià)鈾被還原為四價(jià)鈾的氧化-還原電位臨界值（Eh臨）時(shí)，六價(jià)鈾就再次被還原為四價(jià)鈾而沉淀下來。地下水這種不斷的氧化、還原、再氧化、再還原過程，使得鈾礦體不斷地溶解重新沉淀而向前“推移”。由于含水層中地下水粘滯性的差異，使得靠近頂?shù)装宀课坏叵滤魉傩?，?dǎo)致了含水層頂?shù)撞康叵滤锈櫾貎?yōu)先還原沉淀，因此，鈾礦體多形成為卷狀（劉銘艷和張占鋒，2007），其形成機(jī)制與水動(dòng)力條件關(guān)系見圖3。

圖3 層間氧化帶砂巖型鈾礦成礦模式圖

綜上所述，完整的地下水補(bǔ)給-徑流-排泄體系既是地下水運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在動(dòng)力，又是鈾元素溶解遷移和富集成礦的必要條件。

5 洪海溝鈾礦床鈾源分析

目前，關(guān)于洪海溝鈾礦床的鈾源問題尚未有比較統(tǒng)一的全面認(rèn)識(shí)，不過結(jié)合臨近庫捷而太礦床對(duì)鈾源的分析，現(xiàn)階段比較一致的觀點(diǎn)是外部和內(nèi)部的鈾源對(duì)成礦可能都有重要貢獻(xiàn)（李彥龍，1997）。以下對(duì)內(nèi)部和外部鈾源進(jìn)行全面分析。

（1）內(nèi)部鈾源。鈾是在沉積作用時(shí)與砂體一起沉淀的，形成于早－中侏羅紀(jì)（J1-2）含礦建造形成期。對(duì)于內(nèi)部鈾源的分析建立在大量樣品的檢測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)基礎(chǔ)上。由樣品的分析結(jié)果表明：鈾元素在層間氧化帶各地球化學(xué)分帶中的變化規(guī)律性最明顯（表3），鈾在氧化帶含量最低，平均為7.47×10-6，隨氧化程度減弱，鈾含量不斷增高，過渡帶含量急劇上升達(dá)最高值，超過100×10-6，到原生巖石帶鈾含量降為13.26×10-6，略高于氧化帶（李細(xì)根，2002）。說明在地下水氧化還原性砂體而形成層間氧化帶發(fā)育過程中，砂體中的鈾元素明顯發(fā)生了活化并向前遷移。這一過程導(dǎo)致地層砂體中原生的約44%的鈾被活化遷移至氧化帶鋒線位置沉淀下來，并隨著氧化帶的前移而不斷重復(fù)活化-沉淀。

表3 層間氧化帶各地球化學(xué)分帶中U與C有、S全及價(jià)態(tài)鐵含量統(tǒng)計(jì)表

由以上分析可得出，在礦體卷頭部位中有一部分鈾來源于原生還原砂體，數(shù)量可由氧化帶的規(guī)模確定。由于Ⅶ旋回的氧化帶規(guī)模有限，所以由地層內(nèi)部鈾源所成礦體只占礦床很小一部分。

（2）外部鈾源。對(duì)洪海溝礦床來講，外部蝕源區(qū)的鈾源在成礦中也起著重要的作用。由于礦床南部蝕源區(qū)出露的石炭系—二疊系各巖性單元及中酸性侵入巖體含鈾性好，廣泛分布的中酸性火山巖及火山碎屑巖平均鈾含量為5.8×10-6～9.7×10-6，Th/U值平均2.72。其中石炭系腦蓋組（C2n）的各種凝灰?guī)r現(xiàn)代鈾含量相對(duì)較高，其中鈾平均值為17.5×10-6，鈾丟失率占67%以上，鈾浸出率達(dá)20%。鈾于近地表的花崗巖和凝灰?guī)r中淋出從而為鈾礦床的生成提供了主要的來源，且這些鈾的活化時(shí)間較晚，大約于上新世—全新世才發(fā)生活化（劉陶勇，2004）。因?yàn)檫@一時(shí)期新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展，盆地抬升，蝕源區(qū)與盆地蓋層落差明顯加大，古生代地層構(gòu)成的察布查爾山隆起構(gòu)成了補(bǔ)給區(qū)的水文地質(zhì)體，在盆地中心的東西向隱伏大斷裂構(gòu)成了盆地區(qū)域排泄源。此時(shí)侏羅系Ⅶ旋回地層形成了完整的補(bǔ)-徑-排層間承壓水動(dòng)力系統(tǒng)。富含的含氧含鈾水在水動(dòng)力機(jī)制下源源不斷的進(jìn)入洪海溝Ⅶ旋回地層，并在有機(jī)質(zhì)、硫等還原性介質(zhì)的作用下而沉淀富集。

6 結(jié)論

（1）研究區(qū)目的層砂體具有穩(wěn)定的補(bǔ)-徑-排體系，且這一體系持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，始于上新世以前。這一特點(diǎn)為含氧含鈾水持續(xù)的自山區(qū)進(jìn)入地層空間上提供了運(yùn)移通道，時(shí)間上提供了一個(gè)長(zhǎng)期的穩(wěn)定的環(huán)境。同時(shí)侏羅系Ⅶ旋回地層砂體厚度10.0～30.0 m之間，與上下含礦含水層之間無水力聯(lián)系。砂體成分主要為長(zhǎng)石和石英，易溶礦物及碳酸鹽含量較少，顆粒成分均一，結(jié)構(gòu)疏松，含礦砂體透水性好，這些為鈾提供了賦存的空間。

（2）研究區(qū)地下水可劃分為HCO3型、HCO3·SO4型、SO4·HCO3型及SO4·Cl和SO4·Cl·HCO3混合型等4個(gè)水帶。以上4個(gè)水化學(xué)類型分帶沿地下水流向展布。隨著地下水環(huán)境的改變，水中鈾離子的組分也發(fā)生了很大的變化。這一水化學(xué)環(huán)境的差異為鈾的活化或者沉淀提供了動(dòng)力條件。

（3）洪海溝鈾礦床Ⅶ旋回砂體中的鈾元素只有少部分來自于與砂體同時(shí)代沉積的內(nèi)部鈾源。其中大部分礦體中的鈾是在含礦建造形成完整的補(bǔ)-徑-排體系之后由含氧水從礦床南部山區(qū)的花崗巖和凝灰?guī)r淋濾并攜帶進(jìn)入Ⅶ旋回砂體中。這些進(jìn)入砂體中的鈾經(jīng)過多次的活化、沉淀過程的滾動(dòng)疊加，礦體就緩慢的從很小的點(diǎn)成長(zhǎng)為有規(guī)模的礦體。