二连盆地哈达图砂岩型铀矿铀的赋存状态研究

李伟涛，李子颖，李西得，刘武生，康世虎，吕永华

（1.核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查预评价技术重点研究室，北京 100029；2.核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010）

可地浸砂岩型铀矿床是一种具有重要经济价值及战略意义的铀矿床类型。因其埋藏浅、储量规模大、开采成本低和环保等特点，已成为我国目前铀矿资源勘查的主攻方向［1］。国际原子能机构（IAEA）于2018 年12 月发布的红皮书 《铀资源、生产与需求—2018》 中披露，在全球低成本开采（＜80 USD/kgU）的铀中，原位浸出铀产量占62.3%。该类型铀矿床在我国北方中、新生代盆地如伊犁盆地、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地、二连盆地、松辽盆地等均有较好的发现［2］。哈达图矿床为二连盆地近年来发现的大型砂岩型铀矿床，其勘探成果斐然，但成矿机理及矿床成因研究薄弱。矿床中铀的赋存状态直接关系到铀地浸开采，也是了解砂岩型铀矿形成机制或矿床形成环境及成因的重要信息［3］，前人尚未对该矿床铀赋存状态进行过系统的研究。

1 地质背景

二连盆地位于内蒙古中北部，大地构造位置处于亚洲板块与西伯利亚板块缝合线部位，在内蒙古-大兴安岭褶皱基底上，燕山期拉张构造应力场作用下发育起来的大型中、新生代断陷-坳陷型叠合沉积盆地［4-6］，面积约11 万km2，盆地总体走向为北东向，向西和西南部逐渐变为北东东和近东西向，是我国重要的含油、铀、煤资源的盆地。盆地共划分为“五坳一隆”6 个构造单元，分别为北部的川井坳陷、乌兰察布坳陷、马尼特坳陷和南部的腾格尔坳陷、乌尼特坳陷及中部的苏尼特隆起。盆地东界为大兴安岭隆起，北界为巴音宝力格隆起，南界为温都尔庙隆起，西界为宝音图隆起。目前，已在二连盆地中部下白垩统赛汉组上段控制长度超过300 km 的古河道砂岩带［7］，并发现了巴彦乌拉、赛汉高毕、哈达图等古河道砂岩型铀矿床（图1）。

2 铀矿化产出

哈达图矿床位于二连盆地中西部乌兰察布坳陷中东部的齐哈日格图凹陷。含矿段砂岩为赛汉组上段辫状河沉积，下部为赛汉组下段泥岩。通过对哈达图、赛汉高毕和巴彦乌拉铀矿床的地层结构、沉积旋回进行细化研究，含矿目的层赛汉组上段自下往上可以划分为3 个亚层，每1 个亚层与1 期河道发育相对应［8］。第1 亚层发育砂质辫状河沉积，以近源沉积为主，砂岩粒度粗沉积厚度大；第2 亚层发育砂质辫状河沉积，砂体厚度约50 m；第3 亚层发育曲流河沉积，沉积物粒度较细，砂体连续性差，厚度近40 m。矿体产在第1、第2 亚层砂体中，岩性主要为黄色、灰色砂质砾岩、粗砂岩，分选差，磨圆较差，泥质胶结，较松散。

目前钻孔已控制南北长25 km 矿化带。剖面上，铀矿体、矿化呈似层状、板状展布，受黄色砂岩与灰色砂岩的界面控制，矿体产在灰色砂岩中。矿石为灰色、黑灰色砂岩、砂质砾岩，多含碳质碎屑和细晶黄铁矿（图2），较疏松，泥质胶结，分选差，磨圆较差，呈棱角-次棱角状，多含细砾，具水平层理构造，呈多旋回的下粗上细岩性变化。

图1 二连盆地中部铀矿地质图Fig.1 Uranium geology map in middle Erlian Basin

图2 哈达图铀矿床矿石（Fzk32-87，330.6 m）Fig.2 Uranium ore in Hadatu uranium deposit

3 取样及分析

本次研究共采集哈达图矿床6 个工业钻孔的7 个矿石样品，1 个矿化样品（表1），进行碎样至200 目分析微量元素含量，并磨制探针片进行薄片鉴定、α 径迹蚀刻、电子探针和扫描电镜分析，制作边长约1 cm 的立方块样进行镀碳、扫描电镜分析。分析测试工作均在核工业北京地质研究院分析测试中心完成。微量元素的测试仪器为Element XR 电感耦合等离子体ICP-MS 质谱仪，测试方法依据GB/T 14506.30—2010 《硅酸盐岩岩石化学分析方法》 第30 部分：44 个元素量测定。电子探针所用仪器为日本电子公司的JXA-8100 型电子探针，加速电压20 kv，束流1×10-8，束斑直径为1 μm，出射角40°，分析方式为波谱分析，修正方式为ZAF。扫描电镜所用仪器为FEI Nova Nano SEM 场发射扫描电子显微镜。

4 铀的存在形式

电子探针、扫描电镜、α 径迹蚀刻等分析结果表明，哈达图矿床中铀主要以超显微、显微状铀矿物为主，少量赋存在含铀矿物中。铀矿物有沥青铀矿、铀石及铀的磷酸盐。

4.1 沥青铀矿

在HD1 样品中发现了沥青铀矿。沥青铀矿以显微粒状（粒径1～1.5 μm）、超显微粒状（粒径＜1 μm）及集合体形式赋存在岩屑以及填隙物如长石、岩屑、黏土矿物、黄铁矿等表面、裂隙或溶蚀孔洞中，且多赋存在发生黏土化部位以及黏土矿物表面（图3）。如图3a、b 中，显微、超显微粒状沥青铀矿赋存在长石表面淋虑坑洞部位，而这些淋虑坑洞部位基本发生黏土化，沥青铀矿赋存在黏土矿物表面（图3c）。立方体黄铁矿表面也可见沥青铀矿，但相对于平整的晶面，坑洞部位更易赋存沥青铀矿（图3d、e）。由于填隙部位存在大量黏土矿物，因此铀矿物得以在填隙部位大量富集。可见黏土矿物、铀矿物、黄铁矿三者紧密伴生的集合体（图3e），图3f中黄铁矿、铀矿物、黏土矿物伴生区域应是类似图3e 中集合体的切面。此外，在具有植物胞腔结构黄铁矿中，也可见沥青铀矿（图3g），这可能是在黄铁矿的裂缝中充填的沥青铀矿，也可能是黄铁矿被沥青铀矿交代。图3h、i 中可以见到长石裂隙中充填的胶状黄铁矿以及立方体黄铁矿周围赋存有沥青铀矿微粒。经电子探针分析（表2），沥青铀矿中UO2含量为58.56%～84.75%，杂质有Si、P、Ca、S、Fe、Al、K 等。SiO2占比为1.01%～12.41%，P2O5占比为1.77%～8.68%，CaO 占比为1.65%～4.39%，FeO 占比为0.65%～6.21%，总量为94.54%～99.41%。SiO2含量较低，磷、钙含量未达磷钙铀矿标准且数据总量较高，应为沥青铀矿。

表1 样品性质与采样位置Table 1 Lithological characteristics and depth of samples in borehole

图3 哈达图铀矿床沥青铀矿赋存状态Fig.3 Occurring state of pitchblende in Hadatu uranium deposit

4.2 铀石

在HD27、HD1、HD55 样品中发现少量疑似铀石。铀石以超显微纺锤状微晶或集合体形式赋存在碎屑颗粒表面、黏土矿物表面等。如图4a 中微晶石英颗粒表面发现铀石，呈超显微纺锤状微晶（＜1 μm）集合体赋存。在图4b 中可见铀石赋存在碎屑颗粒表面发生黏土化部位。在图4c 中可见纺锤状铀石微晶集合体赋存在黏土矿物表面。在HD1 中一处长石裂隙中充填的胶状黄铁矿周围发现铀石（图4d），经电子探针分析，测点1UO2含量为58.77%，SiO2含量为19.31%。杂质含有P、Ca、Al、Fe 等，P2O5占比6.98%，CaO 占比3.66%，Al2O3占比2.03%，FeO 占比0.24%，总量为95.39%。鉴于该测点含2.03%的Al2O3，高于其它测点，因此数据可能受到周围长石干扰。尽管有时铀石可在热液作用下转变为沥青铀矿而呈柱状或放射状集合体假象［9］，但能谱分析显示图4c 中铀矿物Si 含量较高，并非沥青铀矿中含少量杂质Si，结合其纺锤状晶体形态，基本确定为铀石。

表2 哈达图铀矿床铀矿物电子探针成分分析结果/%Table 2 EMPA result of uranium minerals in Hadatu uranium deposit

图4 哈达图铀矿床铀石赋存状态Fig.4 Occurring state of coffinite in Hadatu uranium deposit

4.3 铀的磷酸盐

图5 哈达图铀矿床铀的磷酸盐Fig.5 Phosphate in Hadatu uranium deposit

在HD43 样品中偶见铀的磷酸盐以显微粒状（直径约2 μm）赋存在填隙物中（图5）。聂逢君等（2010）在研究二连盆地巴彦乌拉矿床及赛汉高毕矿床发现铀的磷酸盐［5］，范光等（2013）在研究与哈达图矿床相邻的赛汉高毕矿床时在国内首次发现水磷钙铀矿［10］。由于本次研究只对该类型铀矿物进行了扫描电镜及能谱分析，因此，初步定名为铀的磷酸盐。

4.4 含铀矿物

铀在含铀矿物中一般以类质同象形式存在。铀的类质同象置换能力较强，它既可以进行等价类质同象置换，如U4＋-Th4＋，又可以进行异价类质同象置换，如U4＋-REE3＋。4价铀的类质同象置换广泛地出现在富含钍、稀土等元素的简单氧化物、复杂氧化物、硅酸盐和磷酸盐矿物中。本次研究在该矿床发现的含铀矿物有含铀稀土矿物（图6a）、独居石（图6b）、锆石（图6c）、钍石（图6d）。在HD41 样品中发现含铀稀土矿物，其呈超显微粒状或集合体形式赋存在碎屑颗粒表面发生黏土化部位。

4.5 无法定名的超显微状铀状矿物

该形式铀矿物在哈达图矿床较常见，所采样矿石中均有发现，以超显微状及集合体形式赋存在黏土矿物表面（图7a）、黄铁矿表面（图7b）及有机质表面（图7c、图7d）。因其粒径极小且较分散，在进行能谱分析时仅能依据较高的铀含量确定其为铀矿物，难以从形态及成分进一步确定其类型。

4.6 离子吸附态铀

图6 哈达图铀矿床含铀矿物Fig.6 Uranous minerals in Hadatu uranium deposit

图7 超显微状铀矿物赋存在黏土矿物、黄铁矿及有机质表面Fig.7 Ultromicro uranium minerals distributed on surface of clay minerals,pyrite and organic matter

通常认为吸附态铀呈离子（主要是UO22＋和络离子）被吸附在矿物晶体表面、解理面与晶缝裂隙面上，或被岩石中的黏土矿物、有机质（包括碳质、沥青质）所吸附，或溶解在矿物的结晶水、液态包裹体和粒间溶液中。α 径迹蚀刻结果显示个别矿石（矿化）样中铀呈分散分布（图8），但进一步扫描电镜分析发现矿石中存在分散分布的超显微矿物相铀。如果仅以分散分布的蚀刻径迹来判定其反映吸附态铀则证据不充分。闵茂中（2006）曾对我国西北砂岩型铀矿铀的赋存状态进行过研究，结果表明铀并非主要以离子吸附态铀存在［11］。离子吸附态铀仅使砂岩中铀含量略升高，起到预富集作用，极少达到成矿水平［12］。有学者对一些矿床铀矿石进行化学逐级提取，结果表明，离子吸附态铀仅占3.2%［13］。

图8 样品薄片α 蚀刻径迹Fig.8 α etching tracks of thin section of samples in Hadatu uranium deposit

通过以上研究不难发现，该矿床铀与黏土矿物、黄铁矿及有机质紧密伴生，考虑到黏土矿物及有机质具有较强的附性，认为这些铀矿物是吸附在黏土矿物、黄铁矿及有机质表面上的。

5 结论

哈达图矿床矿石中铀主要以铀矿物形式存在，少量赋存在含铀矿物中。铀矿物主要呈粒径极小的显微状（粒径1～1.5 μm）、超显微状（粒径＜1 μm）铀矿物及其集合体形式吸附在黏土矿物、黄铁矿及有机质表面。部分铀矿物因其微晶形态及化学成分被识别为沥青铀矿、铀石及铀的磷酸盐，但仍有部分超显微状铀矿物由于粒径极小且相对分散分布而无法定名。含铀矿物有含铀稀土矿物、独居石、锆石、钍石等。