沙枣泉铀矿床红色矿石成因探讨

何大鹏， 王 刚， 姬海军， 何佳军， 宋 哲

(核工业二〇三研究所，陕西 咸阳 712000)

沙枣泉铀矿床红色矿石成因探讨

何大鹏， 王 刚， 姬海军， 何佳军， 宋 哲

(核工业二〇三研究所，陕西 咸阳 712000)

以沙枣泉矿床为例，主要通过研究矿床中红色砂岩型铀矿石的粒度、结构、化学成分、矿物成分以及存在形式，围绕红色矿石中铀矿物的存在形式与形成过程，展开初步的分析与探讨，阐明了沙枣泉铀矿床红色矿石的形成原因，从而证明了沙枣泉铀矿床砂岩型红色矿石的形成是存在多期次的后生改造作用，为矿床的成因类型提供了充分的依据。

红色铀矿石；铀矿物；后生改造

自20世纪以来，通过在沙枣泉地区开展了较系统的调查、评价、普查及详查工作，发现并控制了中等规模的铀矿床，对于该矿床的成因却众说纷纭，以李万华的“沉积叠加后生改造”一说为代表*李万华，姬海军，等. 2010.内蒙古阿拉善右旗沙枣泉地区铀矿预查[R].核工业二○三研究所(内部资料).，但对于砂岩型红色矿石的成因一直没有深刻的认识，本文利用最新的分析资料，对其中的主要矿石类型—红色矿石的特征及成因进行了分析，为矿床的后生改造成因类型提供了充分依据。

1 地质概况

沙枣泉断陷盆地位于华北板块阿拉善地块巴丹吉林盆地的西南部，盆地南为合黎山，北为北大山，东西长66 km，南北宽12 km，面积约792 km2，为东西向延伸的长条状狭窄形断陷*李万华，姬海军，等. 2010.内蒙古阿拉善右旗沙枣泉地区铀矿预查[R].核工业二○三研究所(内部资料).*姬海军，郭长林，等. 2012.内蒙古阿拉善右旗沙枣泉地区铀矿普查[R].核工业二○三研究所(内部资料).。盆地北部、西部蚀源区主要出露古生界中低级变质岩、中基性—中酸性火山岩，少量元古界长城系大理岩、结晶灰岩、白云质灰岩、白云岩及硅质条带状灰岩及古生代海陆相基性、中酸性火山—沉积建造，局部见加里东期、海西期花岗岩侵入体。盆地南部蚀源区主要由海西期、加里东期花岗岩类，前震旦系、震旦系变质岩系等组成。铀源条件较好，一般铀含量可达(2.07～6.06)×10-6。

盆地发育近东西向断裂F1，F2将盆地划分为三个次级构造单元(图1)，北部与南部为相对抬升块，中部(F1-2与F2-1之间)为相对凹陷带，保留了下白垩统新民堡群第二岩组上段(K1xn22)主要目的层。同时发育一组北东—北北东向断裂F3，F4，F5将盆地由西向东切割成四个断块， F3断裂以西为抬升较强烈的块体，目的层上段遭受剥蚀，F3～F5断裂之间抬升适中，目的层保留较完整，铀矿化发育，F5断裂以东为沉降块，目的层保留完整，但埋深较大，未发现铀铀矿化异常(耿海军等，2011)。

图1 内蒙古沙枣泉地区基底构造简图Fig.1 The basal structure diagram of Shazaoquan area1.中新生代地层分布区；2.蚀源区；3.基底凹陷区；4.基底等高线；5.逆断层；6.正断层

红色铀矿石主要产于下白垩统新民堡群第二岩组下段，地层属一套干旱气候环境下形成的冲积扇沉积体系，为厚层状棕(红)色夹灰色泥质砾岩、砂质砾岩、含砾泥质粗砂岩碎屑建造，其中铀矿体产于平原亚相辫状河河道外侧，上部被强烈潜水氧化，向盆地中心逐渐过渡为层间氧化，铀矿体多产于层间氧化带的下翼。

2 红色矿石特征分析

沙枣泉矿床主要产出红色与灰色两种矿石类型，灰色矿石主要产于南矿带(南部斜坡)，而红色矿石产于中矿带(中部凹陷)和南矿带，产于中矿带矿石特征主要以铁锰质胶结，矿石密度大，胶结较致密，南矿带一般为夹血红色、鲜红色，主要沿矿石的裂隙、构造面呈浸染状产出，矿石密度相对较小，泥质胶结，矿石中铁锰质含量相对较小。

2.1 矿石粒度、结构特征

红色矿石的粒度较粗，为鲜红、血红色含砾粗砂岩、中砂岩，少量砂质砾岩，分选性中等—差，次棱角状。矿石为层状、块状构造，含砾粗砂结构、泥质不等粒粗砂结构，在裂隙中填充硬锰矿、方解石等矿物，其中硬锰矿呈黑色星豆状、鲕状、斑状产出，同时发育赤铁矿化，呈条带状、团块状鲜红色(图2)，矿石胶结物为泥质，少量铁质；胶结形式以孔隙式胶结为主，少量接触式(苟学明等，2014)。碎屑支撑性质为颗粒支撑。

图2 ZKS7-2矿化段鲜红色砂质砾岩中见浅黄色次生铀矿物及黑色团块状铁锰质矿物Fig.2 The bright yellow secondary uranium mineral and black crumb iron manganese minerals in the bright red sandy conglomerate of the mineralization block

2.2 矿石的化学成分特征

通过17个红色砂岩型铀矿石的样品分析结果 (表1)，红色矿石化学成分中SiO2，CaO，Na2O含量略高于世界砂岩平均值；TiO2，Al2O3，Fe2O3，FeO，MnO，MgO，K2O，P2O5含量略低于世界砂岩平均值；而 Fe3+/Fe2+比值高达9.09，远大于1，反映矿石处于强氧化环境，这恰恰与Fe2O3，MnO，CaO含量相对较高，尤其是MnO(达到0.49%)相关，矿石的形成与富含硬锰矿及铁锰质矿物富集有直接的关系。

2.3 矿物成分

红色矿石主要为鲜红、血红色为主，夹浅灰色、灰色含砾粗砂岩、泥质中砂岩及少量砂质砾岩，粒度较粗，富含岩屑、长石等碎屑物(梁桂香等，1995)。矿石中矿物主要成分为石英、长石及岩屑(郭长林等，2013)(表2)，其中大部分矿石中发育见大量团块状黑色硬锰矿，发育强赤铁矿化，裂隙面上偶见粉末状鲜黄色次生铀矿物。

3 铀矿物特征分析

3.1 铀的存在形式

红色砂岩矿石中铀价态主要表现为+4、+6价两种(表3)，其中灰色夹红色矿石中U4+/U6+比值为1.21～2.30，均值1.73；暗红色矿石中U4+/U6+比值为0.65～1.70，均值1.13；血红色矿石中U4+/U6+比值为0.44～0.59，均值0.59；矿石中四、六价铀矿物并存，但随着蚀变颜色的增强，六价铀含量逐渐增高。

3.2 铀矿物特征

从电子探针的分析结果来看(表4)，沙枣泉红色砂岩矿石中铀矿物主要有沥青铀矿及硅钙铀矿、钒酸盐铀矿等次生铀矿物，铀矿物的划分主要参考铀矿物简表；电子径迹照相显示(图3)，中部大量的径迹密集区，其对应的矿物为炭屑、磁铁矿等，其它区域稀疏的径迹为吸附铀。说明铀的存在形式以吸附态铀为主，与岩石中的炭屑、磁铁矿等有关。

表1 沙枣泉矿床红色砂岩型铀矿石化学成分特征表

注：1.表中U含量为×10-6；2.全球平均值砂岩为克里宁(1941)数值；数据由核工业二○三研究所分析测试中心分析(2007—2012)

表2 沙枣泉矿床红色砂岩铀矿石矿物成分特征表

表3 沙枣泉矿床铀价态分析统计表

注：数据由核工业北京地质研究院和核工业二○三研究所分析测试中心分析(2008—2012)

表4 沙枣泉矿床铀矿石电子探针分析结果统计表

注：数据由北京地质研究院，核工业二○三研究所分析(2008—2012)

图3 沙枣泉矿床红色矿石YBL135样中的吸附态铀Fig.3 The adsorption state of uranium YBL135 sample in the red uranium ore of the Sha Zaoquan uranium deposit

3.2.1 次生铀矿物

硅钙铀矿：铀在其中以六价的形式出现，矿物容易随着地下水运动而发生迁移，其形成是同生沉积时期形成的沥青铀矿物等在一定条件下发生物理化学作用后形成的。其赋存状态与石英、长石等共生，沿其空洞或者裂隙面分布，呈纤维状集合体，多呈吸附状态，在电子探针照片下显亮色(图4)。该类铀矿物的形成有少量的与铁(铬)锰质矿物相关。在红色矿石中存在大量的铁、锰质矿物，部分矿石表现为铁、锰胶结，矿石的密度较大，在后期的地下水改造过程中，对前期形成的硅钙铀矿及沥青铀矿等矿物进行了再次的改造，并形成了与铁(铬)质共生的铀矿物，此类矿物的表现形式多是沿铁(铬)锰质矿物的周围分布，沿岩石的孔隙或裂隙呈吸附状态(图5)。该类铀矿物易随着地下水发生迁移，在矿石中极不稳定，所以在红色矿石中较少出现。此类矿物最突出的特点是多与粘土矿物、铁锰质矿物共生，是长石在水解的过程中与铁(铬)锰质矿物共同作用形成的结果。

钒酸盐铀矿：在电子探针下发现此类矿物在胶结物中，大都存在于矿石的孔隙、裂隙中，呈细小的板状、条状(图6)。此类矿物容易随地下水发生迁移，通常在弱碱性环境下产出，是早期形成的铀矿物的氧化产物，沙枣泉矿床此类铀矿物多在灰色矿石中出现，部分灰色夹红色矿石中可见。

3.2.2 沥青铀矿

在灰色夹红色的砂岩矿石中可见，以环状、条带状韵律出现，呈细小的胶粒或胶粒集合体形式分布于岩石的孔隙、裂隙中，一般多沿石英、长石、云母、岩屑等矿物周围或岩石的解理中以隐晶质或类质同象形式出现，呈吸附态(图7)，属同生沉积时形成的，后生改造作用不明显。

图4 钻孔ZK16-2样品中的硅钙铀矿(亮色部位)Fig.4 The uranophane uranium of samples in ZK16-2 (the light parts)

图6 钻孔ZK3-1样品中的钒酸盐铀矿(亮色部位)Fig.6 The Vanadate uranium of samples in ZK3-1 (the light parts)

图5 钻孔ZK9-6样品中的硅钙(铁、铬)铀矿(亮色部位)Fig.5 The calcium silicon (iron、chromium) uranium of samples in ZK9-6 (the light parts)

图7 ZK46-2样品中的沥青铀矿(亮色部位)Fig.7 The pitchblende of samples in ZK46-2 (the light parts)

4 红色矿石的形成及改造过程

基于铀矿物的形式、特征及四、六价铀共存等特点，结合沙枣泉盆地的构造演化特征，认为沙枣泉矿床红色矿石的形成是多期次的改造作用，其形成过程可分为四个阶段：

(1)同生沉积—成岩时期：在沉积—成岩时期，含有大量铀源的物质随着地表水水流不断的迁移，水岩作用不断加强，在进入湖相之前的平原河流亚相沉积下来，而沙枣泉下白垩统第二岩组上段岩性中的灰色层多为水下沉积产物，其中含有大量的有机物、植物残片、黄铁矿等一些具有较强吸附能力的矿物物质，铀矿物伴随着这些物质一同沉积下来，形成品位相对较低的含铀矿体，此阶段铀矿物多以四价为主，同时含有少量六价铀，铀矿物的表现形式多呈吸附状，以沥青铀矿居多。

(2)后生层间地下水改造：沉积后期，地下水沿北山及合黎山两侧向盆地中心形成侧向径流，逐渐形成潜水向层间水过渡的形态，大量的含氧含铀水对早期沉积的铀矿物发生氧化作用，由于沉积时期大量的酸性腐蚀质，使得地下水pH值酸性增强，同时含有大量铁、锰等氧化能力较强的阳离子对矿物和岩石进行了氧化，使得四价铀不断地从岩石中迁移出来，以吸附态存在于孔隙结构细小的岩层中，过程中实现了四价铀向六价铀的转变：

与此同时，在长期的长石水解等作用下，地下水的Ph值碱性不断增强，据史维俊等提出pH=7.25～11.28时，铀在溶液中主要以铀酰的形式出现(史维浚等，2005)，此时地下水中大量的铁离子，在碱性条件下形成了大量的Fe(OH)3带负电荷的胶体，过程中正好可以与带正电荷的电子相互吸附，同时完成了铀的沉淀，形成了一系列亚铁盐及铁盐在过饱和的状态下发生沉淀因而形成品位较高的矿石，此阶段属于铀矿物的再富集改造阶段，铀矿物表现出以六价形式出现，以硅酸盐铀矿物和钒酸盐铀矿物为主。

(3)后期构造期改造：在矿体形成之后，构造运动强烈，将盆地切割成不同的块段，与此同时，矿体伴随着地层的相对抬升，部分水下沉积层开始露出水面，形成地下水和潜水改造两种形式，而潜水淋滤氧化作用尤为突出，这可以从上部地层形成的大量垂向裂隙分布的石膏脉可以证明②。此时的地下水由较强的碱性逐渐向中偏碱性环境转变，对早期形成的Fe2+或其具有还原性的阳离子再一次进行氧化， Fe(OH)3胶体也逐渐形成铁的氧化物，而此时的六价铀，铀酰络合物发生较好的离解作用，逐渐沉淀下来，形成了以硅钙铀矿、钒酸盐铀矿物的富集：

UO2(OH)2↓+ H2O

UO2(OH)2↓+ H2O

沥青铀矿物在此过程中逐渐分散成粒状，部分氧化改造成其他形式，部分保留下来伴随着Fe(OH)3胶体一同富集，形成的矿物多沿孔隙、裂隙分布，因此形成了更为明显的鲜红色、血红色矿石，这也就证明了沙枣泉矿床矿石随着颜色蚀变程度的加强，其六价铀矿物的含量越来越高。如果不是由于成矿时期地下水水位上升， 形成的六价矿物会随着地下水的迁移而会再溶解迁移。

(4)后期潜水再造：地层抬升的后期，由于南矿带地层抬升幅度相对中矿带大，特别是南矿带浅部矿体矿石接受潜水淋滤改造作用再次加强，过程中完成了Fe(OH)3胶体的完全氧化，裂隙面上的氧化和矿物富集特征更为明显，该阶段是上一阶段的重复，只是改造程度较弱。

由此可以证明沙枣泉矿床的形成总体经过了四个时期的成矿阶段：同生沉积—成岩期地下水改造—构造期改造—后期潜水改造，矿体多期次的改造和富集，因此形成了品位相对较高的以红色矿石为主铀矿石类型。

5 结论

(1)通过分析红色矿石的形成过程，证明了“沉积叠加后生改造”成矿理论。

(2)证明了沙枣泉铀矿床的形成存在同生沉积—成岩期地下水改造—构造期改造—后期潜水改造等多期次改造的成矿过程。

(3)红色矿石的形成是在同生沉积—后生改造的基础上，与地下水的pH/Eh值、FeF3+含量有关，铁离子的演化同红色矿石的形成直接相关：铀矿物以四、六价形式共存，随着六价铀含量的增高，矿石颜色由灰夹红色—暗红色—血红色过渡。

耿海军，李万华，郭长林. 2011.巴丹吉林盆地沙枣泉地区构造特征及与铀成矿的关系[J].矿物学报，(增刊)：242-243.

苟学明，李万华，姬海军，等. 2014.巴丹吉林盆地沙枣泉铀矿床成矿特征与成矿模式[J].铀矿地质，30(1)：7-13.

郭长林，李万华，耿海军，等. 2013.巴丹吉林盆地沙枣泉地区铀矿化地质特征及控矿因素[J].铀矿地质，29(1)：18-23.

梁桂香，王东坡.1995.沉积岩石学[M].长寿：吉林科学技术出版社.

史维浚,孙占学.2005.应用水文地球化学[M]. 北京：原子能出版社.

Discussion On the Genetic Origin of Red Ore At the Shazaoquan Uranium Deposit

HE Da-peng, WANG Gang, JI Hai-jun, HE Jia-jun, SONG Zhe

(NO.203 Research Institute of Nuclear Industry,Xianyang,SX 712000，China)

In this paper, taking Shazaoquan deposit as an example, mainly study the particle size, structure, chemical composition, mineral composition and existing form of sandstone type red uranium ore, around the existing form and forming process of uranium mineral in red ore, explain the reasons for the formation of sandstone type red uranium ore, It is proved that the formation of sandstone type red uranium ore is the function of multiple stages of subsequent transformation, it provides a sufficient basis for the genetic type of the deposit.

red uranium ore uranium mineral subsequent transformation

2016-03-10

何大鹏(1980—)，学士学位，工程师，从事铀矿地质勘查工作，水文地质与工程地质专业。hdp-5206@163.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2016.04.003

P619.14

A

1674-3504(2016)04-0319-06

何大鹏，王刚，姬海军,等.2016. 沙枣泉铀矿床红色矿石成因探讨[J].东华理工大学学报：自然科学版，39(4)：319-324.

He Da-peng, Wang Gang,Ji Hai-jun,et al.2016. Discussion on the genetic origin of red ore at the Shazaoquan uranium deposit [J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 39(4):319-324.