鄂尔多斯盆地伊和乌素地区铀矿物赋存形式研究

张 志 鸿

(东华理工大学地球科学学院，330013，南昌)

0 引言

传统化石燃料的日益缺乏和我国要在2060年达到碳中和的战略目标，我国对清洁能源的需求愈发强烈，加之铀矿具有能量大、污染小的优点，因此，我国逐渐加强对铀矿的勘查与开发，砂岩型铀矿是其中之一[1-6]。现已在鄂尔多斯盆地探测了多处铀矿床和铀矿点，其中在该地区侏罗系直罗组地层发现大量铀矿化点[7]，发现该地区直罗组铀矿物大多以铀石为主，且与黄铁矿、黑云母关系密切[8-9]，但在该地区白垩系目前只在地下水系统、黏土矿物沉积成岩特征有所突破[10-11]，对找铀研究尚未有重大研究。因此，本文以鄂尔多斯盆地伊和乌素地区白垩系地层为研究对象，关键是铀赋存状态及成矿作用问题的突破，利用α径迹蚀刻、电子探针、能谱扫描等测试手段，对铀的化学成分特征、赋存状态进行研究，并对本研究中的铀矿物与其他矿物颗粒赋存关系进行初步探讨，为该地区进一步找矿工作提供一定的基础支持。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地是华北克拉通中最稳定的地块[12]，自中新元古代以来，受古亚洲、特提斯和环太平洋三大构造域的相互作用，形成了复杂的演化[13]。鄂尔多斯盆地是一个四周隆起，中部凹陷，整体呈现西低东高的走势，地质时期地层不对称的沉积盆地，盆地范围广阔，它东到晋西挠褶带，西抵银川-固原一线，南起渭河隆起，北达伊盟隆起(图1)，面积约为37万km2。

1-盆地边界；2-构造单元界线；3-研究区；4-环河组；5-罗汉洞组；6-泾川组；7-大爽组；8-全新统；9-铀矿化点图1 研究区构造位置图(据[14]修改)

研究区位于鄂尔多斯盆地北西部的伊和乌素地区(图1)，基岩是由浅肉红色—灰白色石英岩、石英砂岩、结晶灰岩、大理岩、片岩和深灰色板岩组成的中上元古界沉积变质岩。伊和乌素研究区是白垩系地层，地层从下往上发育有洛河组(K1l)、环河组(K1h)、罗汉洞组(K1lh)、泾川组(K1j)，环河组可以分为下段(K1h1)和上段(K1h2)，铀矿化主要产于环河组上段(K1h2)有4层矿化。该地层位于氧化还原过渡带。

2 岩石学特征

通过岩芯观察显示：研究区岩性特征以褐红色与褐绿色砂岩为主，其中矿化段砂岩特征下段为褐绿色，上段逐渐变为褐红色(图2(a))，含有片麻岩、片麻状花岗岩、硅质岩等砾石(图2(b))，可见条带状氧化和团块状氧化(图2(c))，见少量钙质胶结，可见少量石膏(图2(d))。在显微镜下观察，碎屑成分以石英、长石、岩屑为主，胶结物以黏土矿物为主，部分可见自生绿泥石(图3(a))，颗粒接触方式以点式接触为主，颗粒间孔隙以原生孔隙为主。石英平均含量为30%，颗粒表面光滑，以次棱角状、次圆状为主，镜下可见石英被碳酸盐胶结物交代(图3(b))。长石平均含量为15%，主要是斜长石，发育蚀变作用(图3(c))。岩屑平均含量为45%，包括石英岩岩屑、硅质岩岩屑(图3(d))。

(a)矿化段，下段为褐绿色砂岩，上段为褐红色砂岩；(b)片麻状花岗岩砾石；(c)团块状褐红色氧化；(d)泥岩中条带状石膏图2 研究区矿石特征图

3 样品采集和测试仪器

本研究的矿石样品采自鄂尔多斯盆地伊和乌素地区铀矿床，主要采集于4口矿化井及部分野外露头，大部分位于环河组上段(K1h2)灰绿色中粗砂岩中。

本实验测试地点是在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成，测试仪器：JXA-8530F Plus电子探针、牛津X-Max20能谱仪。测试环境：电压15 kV，电流2.0×10-8A，二次电子分辨率3 nm，波谱通道数5 CH，电子束斑直径4 μm。

3.1 α径迹蚀刻

铀具有放射性，能产生α径迹，径迹直径一般很小，用化学方法能使径迹扩大，便于在显微镜下观察，从而找到对应的蚀刻点[15]。前人一般用于研究铀矿物的分布状态、存在形式[16]。相比于在显微镜下花费大量时间去寻找铀矿物，α径迹蚀刻快速易于操作，成本较低。总结前人的方法[17]，操作步骤如下。

1)用酒精将探针片小心擦拭干净，放置。

2)将100 mL水缓慢到入20 g NaOH中，并不断搅拌，配置成碱水溶液。

3)把胶片裁剪成略大于探针片大小，放入碱水溶液中0.5 h，去掉胶片表面的乳胶薄膜，在清水中清洗干净，确保表面不能有残留。

4)将胶片与探针片贴合，用钢针轻画出探针片轮廓，并标注好编号，再用小长尾夹夹住四周，确保完全紧贴。然后放置在常温、避光条件下，静置辐照27 d，之后取下胶片备用。

5)用克称电子秤称取40 g KOH、5 g KMnO4，将其加入到100 mL H2O中，搅拌至完全溶解，配制成蚀刻溶液。

6)用铁丝挂钩挂着胶片挂于杯壁，胶片完全浸入蚀刻溶液中，放置65 ℃的水浴锅中，并不断搅拌蚀刻溶液，充分蚀刻1 h。

7)蚀刻完毕后，将胶片取出放到清水中清洗掉蚀刻溶液，再将胶片放入1:1的HCl溶液中静置30 min，取出胶片用清水冲洗干净，干燥胶片。完成胶片蚀刻处理。

8)将处理好的胶片放置在光学显微镜下，将密集的蚀刻点用记号笔标记，再在探针片中标记对应的位置。

9)将探针片喷碳，对标记的位置进行电子探针分析，并采集相应的背散射电子图像。

3.2 α径迹蚀刻特征

一般认为，蚀刻点密集程度高的位置为铀矿物大量产出的位置，镜下观察到蚀刻点的形态有很大不同[18]。通过研究区矿化段径迹蚀刻的镜下观察发现(图4)，径迹蚀刻的形态有散点状分布、放射状分布、团块状分布、脉状分布、环带状分布等，在紫色中细砂岩和灰褐色含砾粗砂岩的胶片蚀刻点较为密集且多以团块状、脉状分布为主；褐绿色粗砂岩和灰绿色中细砂岩的胶片蚀刻点以稀疏的散点状、放射状为主。

图4 α径迹蚀刻形态分布特征

为进一步查明铀矿物颗粒与周围碎屑颗粒成分的关系，在胶片中找到蚀刻点密集的位置，并标记与探针片同一视域下对比(图5)。镜下观察到径迹形态可以总结为以下几种类型：1)径迹形态呈脉状、环带状充填石英、长石等碎屑颗粒之间，或分布在褐铁矿、黑云母等填隙物之间；2)径迹呈团块状分布在褐铁矿、黄铁矿等填隙物中；3)径迹呈放射状分布在黄铁矿等填隙物中。

图5 铀矿物α径迹蚀刻与碎屑颗粒及填隙物对应关系

4 电子探针分析

4.1 铀矿物化学成分特征

利用电子探针对研究区的铀矿物进行分析测试，选取10组测试数据。由于电子探针无法测定出有机物和水[19]，所以测试结果的总量不能达到100%。

根据表1数据分析，研究区铀矿物分为铀石、沥青铀矿2种类型。

表1 研究区铀矿物电子探针分析结果

CuO MoO3 Na2O P2O5 MnO FeO La2O3 Ce2O3 V2O3 Total 铀矿物类型-00.2963.0210.0710.198--0.10785.594铀石-00.0134.860.0240.042--0.09287.75铀石-00.2114.7300.117--0.06586.451铀石-00.0194.5210.0020.175--0.07488.33铀石-00.2652.5720.0070.324--0.09487.086铀石-0.010.232.9380.0060.228--0.08985.878铀石00.0180.1810.16903.26800085.068沥青铀矿0.0630.0120.0770.1780.2970.7250.0531.0010.04483.099沥青铀矿00.0430.5730.4470.0040.98200.3770.02197.289沥青铀矿00.0950.8920.46100.39900.1940.05897.06沥青铀矿

1)铀石是以U4+和[SiO4]4-为主要成分的硅酸盐矿物。其化学成分特点是，UO2含量为45.37%～52.255%，平均值为48.664%，SiO2含量为16.691%～19.104%，平均值为17.903%，其他成分含量较少，CaO含量为1.809%～4.061%，平均值为2.43%，Y2O3含量为9.802%～12.353%，平均值为11.035%，P2O5含量为2.572%～4.86%，平均值为3.774%。此外，MgO、PbO、TiO2、ThO2等含量平均值均小于1%。

2)沥青铀矿是U4+和U6+以不同比例组合的氧化物。其化学成分特点是，UO2含量为66.098%～80.579%，平均值为72.369%，SiO2含量为1.261%～8.454%，平均值为4.923%，其他成分，CaO含量为3.138%～4.05%，平均值为3.394%，TiO2含量为1.57%～12.508%，平均值为5.863%，FeO含量为0.399%～3.268%，平均值为1.344%，此外，ZrO2、Al2O3、MgO、CuO等含量平均值均小于1%。

铀石与沥青铀矿在电子探针化学成分进行对比，总体上表现为：铀石中UO2平均含量较低，SiO2平均含量偏高，CaO平均含量稍稍偏低。

为了较好地探究铀矿物中UO2与其他成分的相关性[20]，利用SPSS进行相关性分析，数据表明(表2)，UO2与TiO2、MoO3、Na2O相关性系数超过了0.7，存在显著正相关性；UO2与 SiO2、Al2O3、ZrO2、Y2O3等具有显著负相关性。说明UO2随着TiO2、MoO3、Na2O的含量升高而升高。

表2 研究区铀矿物相关性矩阵

进一步分析研究区铀矿床中铀石的化学成分特征，将我国北方较为典型的砂岩型铀矿[9,21-25]中铀石的主要元素含量与本研究区的进行对比(表3、图6)。结果显示，研究区铀石存在高磷高钇和低磷低钇2种类型，与开鲁盆地地区[21]和蒙其古尔地区[24]以及冷湖地区[25]铀矿床中铀石化学特征相似；另外，本研究区铀矿床中Y2O3平均值含量要高，P2O5平均值的含量差别不大。

图6 我国北方砂岩型铀矿床铀石主要元素含量对比图

表3 我国北方砂岩型铀矿床铀石主要元素含量统计表

4.2 铀矿物形态特征及分布

研究区铀矿物赋存形态多样，根据其形态、共生关系、生长位置等特征，本文总结出了以下4种形态特征。

1)铀石呈胶状或不规则状充填在方解石胶结物中，多分布在草莓状黄铁矿边部(图7(a))。表明黄铁矿含有大量Fe2+，能为U4+提供良好的还原微环境，有利于铀矿物的富集沉淀[26]。

(a)铀石(Cof)围绕石英(Q)边部产出；铀石围绕方解石(Cc)和草莓状黄铁矿(Py)边部产出；(b)铀石(Cof)围绕石英(Q)、黄铁矿(Py)、黑云母(Bt)及长石(F)边部产出；(c)沥青铀矿(Pit)充填石英(Q)裂隙及团块状黄铁矿(Py)边部产出；(d)沥青铀矿(Pit)呈脉状充填长石(F)裂隙；Cof-铀石；Pit-沥青铀矿；Q-石英；Cc-方解石；Py-黄铁矿；Bt-黑云母图7 研究区铀矿物赋存状态背散射图像

2)铀石呈细小颗粒状聚集分布在碎屑颗粒边缘，粒径介于10～100 μm之间，分布在石英、长石等颗粒的边缘或颗粒裂隙中(图7(a)、(b))，少量铀石分布在黑云母边部。

3)沥青铀矿呈不规则团块状充填在石英颗粒中，分布在团块状黄铁矿边部(图7(c))，粒径介于5～20 μm之间。

4)沥青铀矿呈脉状或放射状充填在长石颗粒裂隙内，且沥青铀矿整体呈现胶状构造(图7(d))。

5 讨论

通过α径迹蚀刻研究，蚀刻点呈脉状、团块状等的集合体形态存在，以铀矿物的形式分布在黄铁矿、黑云母等边部及裂隙中，或充填在石英、长石等碎屑颗粒边部。蚀刻点呈散点状、放射状等的分散状形态存在，对应分布在黑云母、黄铁矿、长石、石英等矿物中，推测铀可能以吸附态或类质同象形态产出[22]。

研究区铀矿物有两种类型，主要为铀石，其次为沥青铀矿。将电子探针数据进行显著性分析(表2)，UO2与TiO2、MoO3、Na2O具有显著正相关性，说明UO2随着TiO2、MoO3、Na2O的含量升高而升高。因此，TiO2、MoO3、Na2O可作为此类铀矿物的指示化合物。

电子探针数据表明，铀石中Y2O3含量为9.802%～12.353%，平均值为11.035%；而沥青铀矿中Y2O3含量为0.02%～0.574%，平均值为0.172%；两者对比，铀石中的Y元素含量明显多于沥青铀矿中的含量。马晔等[19]分析HGQ地区铀矿物，其中存在较高的Y元素，认为有后期热液的参与。陈祖伊等[27]通过对中亚地区砂岩型铀矿研究，认为Y元素以碳酸或硫酸络合物的形式迁移，在氧化-还原前锋线附近沉淀富集，即在铀矿物富矿体区域富集(图8(b))。据张超等[25]研究冷湖地区铀矿床，存在高Y和低Y 2种类型，认为是后期流体作用。在本研究区铀矿物中，存在与之类似的高Y和低Y 2种类型(图8(a))，推断可能存在后期流体成矿作用。

图8 研究区Y2O3含量分布图(a)；中亚地区不同铀矿床各分带Y元素含量分布图((b)据[28]修改)

研究区少见沥青铀矿，其中Y2O3平均含量小于1%，据相关性分析显示(表2)，UO2与Y2O3呈负相关关系，且在沥青铀矿边部含Y元素就极低，结合陈路路等[28]对Y元素的认识，推断研究区铀矿物可能为原铀矿物的残留，并且后期改造流体中含少量或不含Y元素。

2种铀矿物呈脉状、颗粒状、不规则团块状等分布在石英、长石等碎屑颗粒或黑云母、方解石等胶结物中。苗爱生等[29]在东胜铀矿床中铀石有同样的赋存状态，认为铀石是黑云母及黄铁矿后期还原沉淀产物。如图7(b)所示，铀石呈颗粒集合体分布在黑云母边部和解理缝中，在黑云母边部生长黄铁矿，铀石围绕着黄铁矿产出。因此，认为黑云母矿物蚀变的过程中，析出Fe遇到成矿流体中H2S形成黄铁矿：Fe+2H2S=FeS2(黄铁矿)+2H2↑[29]，附着在黑云母边部。黑云母、黄铁矿含有Fe2+形成了还原环境，使成矿流体中的U6+被还原沉淀，且黑云母具吸附性，有利于铀石附着。因此，推测黑云母通过吸附-还原-沉淀等复杂作用，使得铀石在黑云母边部及解理中产出。

黄铁矿与铀石、沥青铀矿密切存在，如图7(a)、(b)、(c)所示，黄铁矿呈草莓状、脉状、团块状等形态与铀矿物共生。黄铁矿是强还原介质，形成强还原环境，将含铀含氧流体中的U6+还原为U4+并富集沉淀[21]，形成铀矿物富集区。在图7(a)中可见铀石分布在草莓状黄铁矿边部，后又被方解石充填。因此，推断可能有后期流体作用。

6 结论

1)伊和乌素铀矿床中铀矿物以铀石、沥青铀矿为主，铀矿物小到数n微米，大到100 μm，主要产于矿物颗粒边部及间隙中，与黄铁矿、方解石、黑云母等矿物共生，以胶状或不规则状或细小颗粒集合体充填在胶结物或石英、长石碎屑颗粒边缘。

2)电子探针数据相关性分析显示，发现UO2与TiO2、MoO3、Na2O具有显著正相关性，可作为此类铀矿物的指示化合物。

3)铀矿物存在高Y和低Y 2种类型，可能存在后期流体成矿作用。而沥青铀矿存在极少Y元素，认为可能为原铀矿物的残留，并且后期改造流体中含少量Y元素或不含Y元素。因此，初步认为该区含铀砂岩至少存在2期不同成矿流体作用。

4)背散射图像显示，铀石分布在黑云母边部和解理缝中，认为与黑云母的吸附-还原-沉淀等复杂作用密切相关；铀石分布在草莓状黄铁矿边部，后又被方解石充填。因此，推测可能有后期流体作用。