吐哈盆地十紅灘鈾礦床北礦帶鈣質(zhì)砂巖分布特征及其對地浸開采影響

楊冰彬， 喬海明， 劉治國， 伍 群

(核工業(yè)二○三研究所，西安 710086)

十紅灘鈾礦床北礦帶，于2009年開始地浸試驗(yàn)，并先后采用傳統(tǒng)的酸法以及在南礦帶取得成功的CO2+O2法進(jìn)行試驗(yàn)，但鈾的浸出率都不夠理想。近些年北礦帶的勘查程度不斷提高，北礦帶含礦層中的鈣質(zhì)砂巖的研究越來越引起了大家的注意，北礦帶含礦含水層的鈣質(zhì)夾層展布特征與南礦帶相似，但相對于南礦帶較低，那么北礦帶的鈣質(zhì)層是否對地浸造成影響？影響有多大？這些問題成為了北礦帶地浸試驗(yàn)工作急需解決的問題。前人對十紅灘南礦帶鈣質(zhì)砂巖的分布特征及其影響開展過研究，指出含礦目的層中的碳酸鹽含量的增多在地浸開采過程中會造成較為不利的影響，地浸開采時(shí)應(yīng)考慮增加去鈣工藝[1-7]。通過對北礦帶鈣質(zhì)砂巖的微觀、宏觀、空間展布特征及其與鈾礦體關(guān)系的研究來更直觀地解釋鈣質(zhì)砂巖的成因問題，以期對北礦帶地浸開采試驗(yàn)提供參考意見。

1 地質(zhì)背景

吐哈盆地位于我國新疆東部，為天山造山帶的內(nèi)陸山間盆地，十紅灘鈾礦床位于吐哈盆地吐魯番坳陷的西南緣[8-10]。受該礦床中部的鷹嘴崖斷裂影響，鈾礦體產(chǎn)出位置可劃分為南、中、北三個(gè)礦帶[11-12]。該礦床內(nèi)鉆孔揭遇到的中新生代地層主要有侏羅系八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)、西山窯組(J2x)、古近系(E)及第四系(Q)。十紅灘鈾礦床主要含礦層為西山窯組(J2x)。

2 鈣質(zhì)層分布特征

2.1 鈣質(zhì)層地表露頭分布特征

北礦帶含礦層中鈣質(zhì)層普遍發(fā)育，地表露頭中常見有含礦層砂體呈球狀風(fēng)化，其成因?yàn)樯喜磕噘|(zhì)膠結(jié)的疏松砂體被風(fēng)化搬運(yùn)，而下部鈣質(zhì)膠結(jié)砂體，致密，不易被風(fēng)化(圖1)。

圖1 鈣質(zhì)砂巖地表露頭照片F(xiàn)igure 1 Surface outcrop photos of calcareous sandstone

2.2 鈣質(zhì)層鏡下分布特征

圖2為鈣質(zhì)砂巖的巖心照片，為灰色鈣質(zhì)含礫中粗砂巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，致密、堅(jiān)硬，滴酸(10%的稀鹽酸)劇烈起泡，未遭受氧化作用。通過巖礦鑒定我們發(fā)現(xiàn)，在成巖后期，巖石碎屑物顆?？紫侗惶妓猁}交代、充填，部分石英和長石的邊緣被方解石交代(圖3)。碳酸鹽化交代蝕變，表明原巖孔隙中存在長期的流體作用，結(jié)合水成鈾礦理論，長期穩(wěn)定的流體作用是鈾元素遷移、富集和沉淀的必備條件[13]。

圖2 鈣質(zhì)砂巖巖心照片F(xiàn)igure 2 Calcareous sandstone core photos

A.ZK64-16，348.52m，正交偏光(+)，10×5；B.ZK64-16，507.19m，正交偏光(+)，10×5碳酸鹽礦物(Cb)，片麻巖巖屑(MRF)，斜長石(Pl)，單晶石英(Q)，火山巖巖屑(VRF)圖3 鈣質(zhì)砂巖巖心鏡下照片F(xiàn)igure 3 Calcareous sandstone core microscopic images

2.3 鈣質(zhì)層厚度特征

十紅灘鈾礦床南北中礦帶的含礦含水層普遍發(fā)育鈣質(zhì)層，其中在北礦帶82.23%的鉆孔中發(fā)現(xiàn)賦存1～5層鈣質(zhì)層(表1)。鈣質(zhì)層單層厚度大部分小于1.0m，其中厚度小于0.5m的占18.2%，厚度0.5～1.0m的占72.1%，厚度1.0～1.5m的占5.2%，厚度大于2.0m的2.6%(圖4)。單孔鈣質(zhì)層厚度累計(jì)小于5m的鉆孔數(shù)占比超過33%，鈣質(zhì)層總厚度占砂體總厚度一般不超過5%。說明鈣質(zhì)層在含礦含水層中表現(xiàn)為單層厚度薄、層數(shù)變化大等特點(diǎn)。

圖4 十紅灘鈾礦床北礦帶鈣質(zhì)層厚度特征Figure 4 Shihongtan uranium deposit north ore beltcaliche thickness features

2.4 鈣質(zhì)層的剖面分布特點(diǎn)

根據(jù)鈾礦地質(zhì)調(diào)查及連井剖面中可以看出，鈣質(zhì)層主要沿砂體上、下邊部發(fā)育，砂體與泥巖、粉砂巖的過渡部位常發(fā)育鈣質(zhì)砂巖(圖5、圖6)。根據(jù)編錄發(fā)現(xiàn)粒度較粗、分選性較好的砂體常見有鈣質(zhì)膠結(jié)，表現(xiàn)為鈣質(zhì)砂礫巖、粗砂巖、中砂巖多，鈣質(zhì)細(xì)砂巖相對較少；厚大層砂體中，底部的粗粒砂巖為鈣質(zhì)砂巖，可能與河道的底礫巖、沖刷面有關(guān)。此外，從表1也可以看出，同一勘探線兩個(gè)相鄰鉆孔中的鈣質(zhì)層產(chǎn)出位置及數(shù)量也有差異，鈣質(zhì)層在剖面上幾乎不呈連續(xù)層狀產(chǎn)出，規(guī)律性、連續(xù)性差。巖石化學(xué)全分析測試結(jié)果顯示(表2)，致密鈣質(zhì)砂巖與較疏松的鈣質(zhì)砂巖相比，后者的CaO、CO2含量明顯降低，SiO2含量明顯升高，同時(shí)伴隨著AI2O3、K2O、Na2O的含量升高，說明鈣質(zhì)砂巖在去鈣化的過程中伴隨著黏土化作用[14-17]。

表1 北礦帶西山窯組第三巖性段含礦砂體鈣質(zhì)層統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

表2 鈣質(zhì)砂巖化學(xué)全分析(CO2>2%)對比分析

1-泥巖；2-細(xì)砂巖；3-中砂巖；4-粗砂巖；5-礫巖；6-煤層；7-氧化砂體；8-鈣質(zhì)層；9-伽馬測井曲線圖5 北礦帶鈣質(zhì)砂巖分布特征(鉆孔)Figure 5 North ore belt calcareous sandstone distributionfeatures (in boreholes)

3 鈣質(zhì)層在砂體中的分布及與鈾礦化關(guān)系

大量的巖心觀察、剖面研究和統(tǒng)計(jì)分析顯示鈣質(zhì)層與砂體及鈾礦化具有一定的分布規(guī)律，具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1)層間氧化帶不同亞帶中的鈣質(zhì)層產(chǎn)出機(jī)率不同。在層間氧化帶中，鈣質(zhì)層產(chǎn)出的基本規(guī)律是氧化帶鈣質(zhì)層最少(圖6)，氧化還原帶鈣質(zhì)層最多，還原帶較少，造成氧化帶鈣質(zhì)層減少的原因與地下水的溶解遷移有關(guān)，而氧化還原過程中鈣質(zhì)層增多與鈾礦物的析出有關(guān)。

圖6 北礦帶39號勘探線地質(zhì)剖面圖Figure 6 North ore belt exploration line No.39 geological section

2)在十紅灘地區(qū)，通過對北礦帶鉆孔主含礦層剖面分析發(fā)現(xiàn)剖面上鈣質(zhì)層易產(chǎn)出在礦體的兩翼和前部。不論是在富礦段(>0.1%)，還是貧礦段(<0.1%)鈣質(zhì)層均產(chǎn)出礦化異常的邊部，純鈣質(zhì)層之中鈾的品位不高，這可能與其透水層差，不能接受進(jìn)一步的改造成有關(guān)。

此外野外巖心及鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)層(碳酸鹽)與黃鐵礦和鈾礦化有成因聯(lián)系。根據(jù)平、剖面研究發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)層在空間上分布與鈾礦化分布具有一致性，說明在大規(guī)模的鈾礦化過程中，也形成了大量的鈣質(zhì)層(碳酸鹽)和黃鐵礦。

4 鈣質(zhì)層的成因

根據(jù)中侏羅統(tǒng)砂體中鈣質(zhì)層的空間分布規(guī)律及產(chǎn)出特點(diǎn)，將其分為成巖期碳酸鹽和后生作用成因碳酸鹽兩種成因類型；前者與壓實(shí)成巖作用有關(guān)，后者與層間氧化及鈾成礦作用有關(guān)。但二者在宏觀上較難區(qū)分。

4.1 鈣質(zhì)層形成機(jī)理

1)碳酸鹽膠結(jié)的成巖作用。巖石在成巖過程中包括機(jī)械壓實(shí)作用和碳酸鹽的膠結(jié)作用。

有機(jī)物在沉積成巖過程中不斷成熟，伴隨有機(jī)酸及甲烷、二氧化碳和氫氣等大量形成。這些氣體溶解于粒間水中，在上覆地層的靜壓力驅(qū)動下，運(yùn)移至過渡帶(巖性過渡帶或斷裂)。在這個(gè)過程中，溶液系統(tǒng)突遇減壓，導(dǎo)致二氧化碳溶解度降低逸出，碳酸鈣沉淀析出。

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H++OH-

同時(shí)，在有機(jī)質(zhì)富集部位，在去硫菌的促使下，發(fā)生脫硫反應(yīng)：

該反應(yīng)導(dǎo)致氫氧根含量增加，酸堿值增大，部分碳酸鹽成碳酸鈣沉淀析出。

2)后生蝕變導(dǎo)致碳酸鹽溶解遷移和再沉淀。巖石形成后，在后期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的影響下，抬升并遭受剝蝕，在這個(gè)過程中，富含氧氣的地表水進(jìn)入到含礦含水層，與黃鐵礦等金屬硫化物發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致地下水堿性度較低，碳酸鹽溶解度變大，部分巖石溶解，孔隙度增大。外部溶解的多，內(nèi)部溶解的少，從而導(dǎo)致了巖石內(nèi)外特征的差異。地下水在氧化還原過渡帶中碳酸鹽處于(過)飽和狀態(tài)，隨著還原作用增強(qiáng)，碳酸氫根離子分解，碳酸鈣沉淀析出，這是鈣質(zhì)層在氧化還原過渡帶富集原因[18]。

4.2 鈣質(zhì)層對地浸開采的影響分析

鈣質(zhì)層對地浸的影響可分兩個(gè)方面。其一是通過對滲透性的影響，降低抽注液孔抽注液量，成巖階段形成的致密鈣質(zhì)砂巖透鏡體，固結(jié)了砂巖，使巖石的滲透性降低，到了成礦階段，在層間氧化-還原過渡帶，伴隨著鈾成礦作用，部分碳酸鹽固結(jié)了滲透性砂巖，另一部呈粉末狀沉淀在粒間孔中降低了粒間孔的孔隙度，堵塞喉管，使礦層的滲透性降低；其二是對酸法地浸的影響，當(dāng)碳酸鹽含量(CO2)大于2%時(shí)，直接決定礦床難以能用酸法地浸。北礦帶鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖中碳酸鹽含量平均9.18%，次疏松鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖中碳酸鹽含量平均為6.02%，疏松砂巖(CO2>2%)平均含量為2.45%。盡管疏松砂巖型的碳酸鹽含量總體偏小，但是溶浸液在含水層中運(yùn)移時(shí)，不可避免的與致密砂巖、次疏松砂巖接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從外向里與致密、次疏松砂巖中的碳酸發(fā)生中和反應(yīng)，形成的Ca2+再與SO42-形成硫酸鈣沉淀，在大量耗酸的同時(shí)，堵塞含礦含水層和抽液管線，導(dǎo)致抽液量急劇下降。

5 結(jié)論

巖心地質(zhì)編錄和剖面連接與對比發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)層產(chǎn)出形態(tài)一般為斷續(xù)分布的串珠狀透鏡體或不規(guī)則團(tuán)塊狀，致密堅(jiān)硬，順層理方向發(fā)育；含礦層賦存1～9層鈣質(zhì)層，厚度一般小于1m，孔內(nèi)最多不超過9層；致密鈣質(zhì)砂巖中CO2平均含量為9.18%，次疏松砂巖CO2平均含量為6.02%，疏松砂巖(CO2>2%)平均含量為2.45%；鈣質(zhì)砂巖具有兩期成因，即成巖階段和后生蝕變作用形成的鈣質(zhì)砂巖。北礦帶鈣質(zhì)層的存在，不僅影響了礦層的滲透系數(shù)，而且決定了北礦帶難以采用酸法進(jìn)行地浸開采。