吐哈盆地十红滩铀矿床北矿带铀的赋存 状态研究及对地浸开采影响分析
2020-04-10杨冰彬乔海明刘治国
杨冰彬 乔海明 刘治国
摘 要：通过铀在含矿目的层西山窑组碎屑岩中各粒级的配分比例、α径迹蚀刻、电子探针，铀的价态和含氧系数等多种测试方法，对十红滩铀矿床北矿带铀的赋存状态进行了系统研究。发现北矿带矿石中60.93%～87.45%的铀赋存在粒径小于0.05 mm的填隙物中，α径迹蚀刻显示主要呈团块状、（弱）聚集状及星点状分布，铀的赋存状态主要为沥青铀矿、铀石和铀钛氧化物（含铀钛氧化物），矿石的U6+/U4+平均2.15，含氧系数平均2.58。通过本次对吐哈盆地十红滩铀矿床北矿带铀的赋存状态研究，认为对北矿带开展地浸选冶工艺具有借鉴意义。
关键词：十红滩;铀的赋存状态;α径迹蚀刻;电子探针;地浸开采
对铀的赋存状态更详细的认识不仅有利于完善含铀矿物的沉淀和富集规律，而且对于改进地浸液配比，加深对矿石形成过程的了解具重要的科学及经济意义[1]。十红滩矿床是我国典型的层间氧化带砂岩型铀矿床，具有成矿层位多、品位高、储量大的特点，矿石疏松，具备良好的地浸条件[2，3]。该矿床以鹰嘴崖断裂为界，分为南、中、北3个矿带[4]。目前在十红滩矿床南矿带地浸试验取得成功，且进入工业开采阶段。鉴于北矿带地浸试验目前处于初步试验阶段，本文在前人以水文地质为重点研究的基础上[3]，选择以北矿带铀的赋存状态为研究对象，通过铀在各粒级的配分测试、α时刻径迹实验、电子探针测试、铀的价态和含氧系数测定等方法，系统研究北矿带目的层铀的赋存状态及其影响因素，查明铀存在形式，为矿床成因解释和砂岩型铀矿地浸提供理论支持。
1 区域地质背景
十红滩铀矿床位于我国新疆东部吐哈盆地西南缘的艾丁斜坡带上[4]。该矿床划分为南、中、北3个铀矿带（图1），南带位于十红滩隆起东西两翼，北带位于十红滩鹰嘴崖断裂北侧，中带位于南北带之间[5]。含矿主岩分别为中侏罗统西山窑组（J2x）第一、三岩性段的辫状河流相砂体，属潮湿环境下的含煤碎屑岩建造，砂体主要为粗、中、细粒长石岩屑砂岩，部分为岩屑砂砾岩或砾岩[6]。层间氧化带控制着十红滩铀矿床的形成和铀矿床的分布范围，沿着承压含水层发育。走向断续延伸上百公里，倾向延伸长度为500～5 000 m，埋深为32～264 m[7]。
2 样品采集与分析测试
本次研究共采集矿石样及围岩样19件，均采自北矿带目的层西山窑组，岩性以灰色、褐黄色细砂岩、中砂岩为主（表1）。铀在各粒级的配分、α径迹蚀刻和铀的价态和含氧系数分析实验均在核工业二〇三研究所分析测试中心完成，电子探针测试和背散色图照相在核工业北京地质研究院铀资源勘查与评价技术重点实验室完成。
3 实验分析测试结果
3.1 α径迹蚀刻
α径迹蚀刻表明，北矿带铀矿物及含铀矿物主要分布于有机质及粘土矿物中及边缘，α径迹呈弱团块状及星点状（图2-a，d），或是分布于黄铁矿边缘，α径迹呈聚集状、弱聚集状（图3-a，d）。
3.2 铀在各粒级的配分
本次铀在各粒级分配实验结果显示（表2），北带矿石60.93%～87.45%的铀存在于粒径小于0.05 mm的填隙物中，与南矿带粒级配分结果（69.40%）非常相近。铀含量为0.001%～0.01%的异常样，存在于填隙物中铀占36.85%～70.48%;铀含量小于0.001%围岩样，存在于填隙物中铀仅占7.64%～16.4%，证明矿石中大部分铀为后生作用形成的，属于易浸出铀。
3.3 电子探针
电子探针分析数据指示出研究区铀矿物主要有3种形式（表3），分别是沥青铀矿、铀石和铀的钛氧化物（含铀钛铁氧化物）。
3.3.1 沥青铀矿
其中UO2含量为66.03%～87.25%，SiO2含量0.24%～4.17%，TiO2含量0.01%～11.23%，P2O5含量0.02%～0.1%，CaO含量较高，为0.95%～11.95%，各元素质量总和为88.31%～99.5%。
3.3.2 铀石
其中UO2含量为48.5%～74.18%，SiO2含量5.56%～16.90%，TiO含量0.11%～15.89%，P2O5含量2.65%～6.99%，CaO含量较高，为2.77%～11.50%。各种元素质量总和为83.96%～93.82%。
3.3.3 铀的钛氧化物（含铀钛铁氧化物）
本次研究发现铀的钛氧化物和含铀钛铁氧化物占较大比例，以UO2含量25%为限，分为铀的钛氧化物和含铀钛铁氧化物，其中铀的钛氧化物中UO2含量25.13%～73.72%，TiO2含量9.39%～46.33%，FeO含量0.40%～11.20%，CaO含量1.57%～4.07%。含铀钛铁氧化物中UO2含量5.7%～14.04%，TiO2含量61.42%～76.72%，FeO含量1.18%～5.66%，CaO含量0.67%～1.13%。
3.4 铀的价态和含氧系数
铀的价态和含氧系数数据显示（表4）1，北矿带矿石的U6+/U4+为0.37～5.39，平均2.15，即U6+/U4+>1，U6+占13.5%～84.4%，平均58.9%，即比例超过50%。含氧系数2.13～2.84，平均2.58。围岩U6+/U4+为均0.67，U6+占14.7%～53.2%，平均37.4%，含氧系数2.14～2.52，平均2.36。
4 讨论
十紅滩矿床北带矿石中60.93%～87.45%的铀存在于粒径小于0.05 mm的填隙物中，证明矿石中大部分铀为后生作用形成的，属于易浸出铀。此外，对北矿带铀异常进行了试验，发现铀含量在0.01%～0.005%吸附态铀所占份额为26.30%，可溶态铀所占份额为76.01%，也与南矿带非常相近;铀含量小于0.005%围岩中，吸附态铀所占份额仅为7.42%，但可溶态却高达43.61%，这部分资源量规模很大，认为对于提高地浸开采效率具重要意义。
α径迹蚀刻实验和电子探针测试表明，铀矿物及含铀矿物主要分布于有机质或粘土矿物中及边缘，多呈弱团块状及星点状，或分布于黄铁矿边缘，呈聚集状、弱聚集状。铀矿物主要有3种形式，分别是沥青铀矿、铀石和（含）铀钛氧化物（表3），在背散射图像下亮度表现为：沥青铀矿>铀石>铀钛氧化物 （图4，5，6）。沥青铀矿是砂岩型铀矿中易浸出的矿物类型，也是十红滩铀矿床北矿带铀的主要矿物赋存状态[8]。在扫描电镜照片中，沥青铀矿分别位于草莓状黄铁矿、胶状黄铁矿、钛铁磁铁矿、有机质周围或者绿泥石（黑云母假象）的节理中（图4-a，f），沥青铀矿的形成与其吸附性有巨大关联。然而，沥青铀矿中CaO含量（0.95%～11.95%）较高（表3），应与地下水中铀酰碳酸络离子离解时碳酸岩沉淀有关，那么北矿带可能不利于采用酸法地浸[3、9]。
铀石是十红滩铀矿床中仅次于沥青铀矿的铀矿物，所测含铀矿物大约三分之一为铀石（表3）。背散射图像下发现，其分布与沥青铀矿非常相近，分别位于钛铁磁铁矿周围，或与胶状黄铁矿、碳酸盐矿物共生，还有位于粘土矿物（黑云母假象）的节理中（图5-a，d），总体表现为后生作用成因类型，为地浸开采有利的矿物形式。
铀的钛氧化物和含铀钛铁氧化物也占有较大比例，在扫描电镜照片中，这类铀矿物主要位于粘土矿物中、钛铁矿周边（图6-a～d），多见于绿泥石的节理中（图6-a，b），其次呈环边状位于钛铁矿周围（见图6-c，d）。笔者认为这应该是绿泥石水解过程中析出钛的氧化物，作为吸附剂吸附了渗入地下水中的铀，为铀的富集成矿发挥了预富集作用。
不同产状及不同温度条件下形成的的铀简单氧化物具不同的含氧系数，对于地浸开采来说，六价铀占得比例越高、含氧系数越大，对氧化剂的消耗愈少，开采效率愈高[10]。北矿带矿石的U6+/U4+为0.37～5.39，平均2.15，U6+占13.5%～84.4%，平均58.9%，即比例超过50%，含氧系数2.13～2.84，平均2.58;围岩U6+/U4+平均0.67，U6+占14.7%～53.2%，平均37.4%，含氧系数2.14～2.52，平均2.36（表4）。对于围岩矿石具较高的U6+含量和含氧系数，但与南矿带相比，六价铀占得比例和含氧系数明显减小，因此矿石中的铀相对于围岩较易浸出，但弱于南矿带。在地浸过程中，可能需使用更多的氧化剂。
5 结论
（1） 铀矿石及围岩的粒度配分研究表明，北带矿石中60.93%～87.45%的铀赋存在粒径小于0.05 mm的填隙物中，证明矿石中大部分铀属于易浸出铀，这对于提高地浸资源量非常有利。
（2） α径迹蚀刻表明，北矿带铀矿物及含铀矿物主要分布于黄铁矿、有机质及粘土矿物缝隙中及边缘，呈团块状、（弱）聚集状及星点状分布。
（3） 电子探针测试发现，北矿带铀矿物主要有3种形式，分别是沥青铀矿、铀石和铀钛氧化物（含铀钛铁氧化物），大多数铀矿物对地浸开采有利。
（4） 北矿带矿石的U6+/U4+平均2.15，含氧系数平均2.58，利于地浸。与南矿带相比较，六价铀占得比例和含氧系数有所减小，在地浸过程中，需耗用更多的氧化剂。
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Study on the Occurrence State of Uranium in the Northern Ore Belt of the Shihongtan Uranium Deposit in the Tuha Basin，And its Impact on the In-Situ Mining
Yang Binbing1，Qiao Haiming1，Liu Zhiguo1，Zhang Xin2
（1.No.203 Institute of Nuclear Industry， Xianyang，Shaanxi，712000，China;2.Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment，East China University of Technology，Ministry of Education，Nanchang，Jiangxi，330013，China）
Abstract：In this paper，the occurrence of uranium in the northern ore belt of the Shihongtan uranium deposit and its uranium valence state were studied by means of uranium partitioning， α-track etching，electron probe and chemical analysis.It is found that 60.93%～87.45% of the uranium in the ore belt is found in the interstitial with a particle size of less than 0.05mm.The uranium is mainly composed of asphalt uranium， uranium and uranium titanium oxide （including uranium titanium oxide），α track etching shows that the star-point dispersion is scattered and weakly aggregated.The average of U6+/U4+ is 2.15，and the oxygen coefficient，with an average of 2.58，which is beneficial to in--situ mining.This study has reference significance for the study of uranium ore-forming mechanism in the northern ore belt of the Shihongtan uranium deposit in the Tuha Basin and the experimental technology of the leaching mining.
Key words：Shihongtan;Occurrence of uranium;α track etching;Electron probe;In-situ leaching mining
