河北青龙铀矿田铀矿物特征

2020-09-14郭永强张振强张旭康达朝元

东华理工大学学报(自然科学版) 2020年3期

郭永强，张振强，张旭康，达朝元

(1.核工业二四三大队，内蒙古赤峰 024000；2.核工业二四〇研究所，辽宁沈阳 110032)

青龙铀矿田呈近东西向展布，长约30 km，宽约15 km，包括岭头(433)中型矿床和干沟(434)大型矿床。该矿田于1970年代被发现，至今已有多方面深入的研究。

前人对该矿田先后开展了矿床成因、成矿模式和找矿方向研究，取得了一定的成果认识(张景训，1992；范玉杰等，1997；彭志东等，2006；于宝山等，2007；商亚军等，2010；李泽明等，2020)，分别提出了火山岩型、火山沉积-火山碎屑岩型和“沉积改造、同生沉积多阶段改造成因”(1)核工业东北地勘局.1984.433铀矿田成矿模式和地质找矿判据研究(内部报告).，指出找矿重点在基底和盖层之间不整合面附近、断裂构造发育处和大青山火山机构周边。这些研究主要集中于矿田地质特征、矿床成因、成矿模式和控矿因素研究，对于矿石矿物特征方面缺乏深入研究。笔者以岩矿测试为主要手段，辅以放射性照相、X射线粉晶分析、电子探针等方法，对青龙铀矿田的铀矿物铀存在形式、结构构造、化学成分等进行研究，进一步揭示了青龙铀矿田成矿多期性和多阶段成因特征。

1 区域地质概况

青龙铀矿田位于华北地台山海关古隆起与燕辽沉降带的接壤部位，建昌盆地南部干沟地堑的南缘(图1)，属于华北陆块北缘铀成矿省青龙—兴城铀成矿带(黄净白等，2015)。

图1 青龙铀矿田区域地质图Fig.1 Geological map of the Qinglong uranium orefield1.新生界砂砾岩夹粉砂岩；2.中生界火山熔岩夹火山碎屑岩；3.古生界—中元古界浅海碎屑岩及碳酸盐岩；4.太古界中深变质岩；5.燕山期—华力西期花岗岩；6.元古代—太古代混合花岗岩；7.主要断裂带F1密云-锦西深大断裂，F2阜新-锦州大断裂，F3北票-朝阳大断裂；8.铀矿床

盆地的基底主要由太古宇混合岩、混合花岗岩、片麻岩及元古宇长城系石英砂岩、片岩和灰岩组成。盖层为侏罗系陆相沉积碎屑岩、火山碎屑沉积岩、熔岩和火山碎屑岩建造(王正邦等，1997)。地层总体表现为一老一新的二元结构特征。盖层由老至新划分为海房沟组(J2h)、兰旗组(J2l)、土城子组(J2t)和义县组(K1y)。

1.1 火山活动

火山活动主要为中生代，包括海房沟-兰旗-土城子期火山喷发-沉积旋回期。

海房沟早期为一套以砾岩为主的沉积建造，晚期表现为裂隙式小规模中-中酸性火山活动，为一套火山碎屑沉积岩。兰旗期为强烈的中性火山活动形成的火山碎屑岩和熔岩堆积。厚达 300～1 100 m。在兰旗期大规模火山喷溢后，岩浆房顶盖塌陷形成洼地，堆积形成一套巨厚的紫红色砂砾岩建造。

1.2 构造特征

褶皱构造不发育，以单斜岩层为主。断裂构造发育，其总体格架受东西向和北东向深大断裂的控制。按其主要展布方向可分为东西、北东和北西向三组：①F1东西向断裂:规模最大，形成时间最早，多次活动。既是火山断陷盆地控盆构造，又是矿田控矿构造；②F2北东向断裂：发育较好，主要分布于矿田的东侧，形成时间较晚，规模较小。倾向北西，倾角 60°～85°；③F3北西向断裂：为密集贯入脉岩束为特征，倾向南东，倾角80°，形成时代较晚，区域上与多金属矿化密切相关。

1.3 侵入岩

以燕山期岩浆活动为主，呈岩株和岩脉形式产出。早期以石盖子红色中细粒花岗岩体为主，呈南北向分布；中晚期为正长斑岩、流纹斑岩、石英斑岩、闪长岩、辉绿玢岩等。

2 铀矿化特征

含铀层位均属于海房沟组，是一套正常碎屑沉积和火山碎屑沉积，按其岩性分为3个岩段：上部为安山质砂岩、凝灰岩、凝灰角砾岩；中部为凝灰质砂岩及凝灰质复成分砾岩；下部为花岗质砾岩夹砂岩。各岩段均有工业矿体赋存。

矿体严格受层位(海房沟组)和岩性(浅色花岗质砾岩、复成分砾岩、凝灰质砂岩)控制。富大的工业矿体均赋存于含矿层的中部紫色花岗质砾岩和浅色花岗质砾岩交接部位的浅色砾岩一侧。矿体中发育大量的黄铁矿和有机质。矿体形态主要为似层状，扁豆状，少数为透镜状。矿体最大长度为800 m，宽度450 m，厚度变化较大，从几厘米到几米不等，多数为1～8 m，最厚达21.95 m。品位变化较大，平均为0.166%，最富为3.046%。

3 样品采集与分析

样品采集于433、434两个矿床钻孔岩心(64、65、67、68、76、77勘探线)。依据编录仪器测量值分别取富矿、一般矿、贫矿矿心。岩性包括凝灰质细砾岩、凝灰质粗砂岩、凝灰岩、花岗质砾岩等。X 射线粉晶衍射(XRD)法测试和电子探针分析由核工业北京地质研究院完成。电渗析、放射性照相样品由核工业东北分析测试中心完成。

3.1 X射线粉晶衍射(XRD)法

样品研磨成粉末至 300 目，取1 g，将研磨好的样品装入铝制样品架内，再将铝制样品架放入综合型多功能水平高分辨 X 射线衍射仪(德国布鲁克(BRUKER)公司，型号为D8 ADVANCE)样品台的插槽内。在设定条件下(X射线管电压40 kV，电流30 mA，阳极靶材料Cu靶，Kα辐射)采集测试样品的 X 射线粉晶衍射(XRD)图谱。使用 PDXL2 全自动分析软件分析衍射图谱，根据不同矿物不同衍射强度最终判定实验样品的主要矿物组成(李杨，2018；张凤英等，2018)。

3.2 电子探针成分分析

将样品制成光薄片，利用偏光显微镜进行观察，圈定待分析部位后做喷碳处理，最后运用电子探针进行背散射观察与微区化学成分测定(黄广文等，2017)。所用仪器为JXA-8100M 型电子探针(日本株式会社生产)和INCA Energy型能谱仪(日本株式会社生产)，测试条件为:加速电压 15.0 kV，探针电流 20.0 nA，束斑直径 <2 μm，测试过程均严格按照国家标准 GB/T 15617—2002进行。

3.3 显微放射性照相

将待研究的样品磨制成光薄片，在暗室中制乳胶板，暗室中将制备好的乳胶板胶面与片子的光面合在一起，使其紧密接触再用黑纸横卷住中间部位，两端裸露于外。然后将片子向着光源，开灯曝光，并立即关闭，用夹子夹紧，置于暗箱中，进行放射性照相感光反应。照相感光结束后，将乳板从暗箱中取出进行冲洗处理。

4 铀矿物特征

4.1 铀的存在形式

铀矿石多呈黑色、灰黑色、褐灰色、浅红色。一般肉眼难以见到铀矿物，仅在局部地段的铀矿石中见到少量沥青铀矿以微细脉存在于岩石胶结物中。

通过光片和光薄片镜下观察，结合放射性照相、显微放射性照相及电渗析，红外光谱、X射线粉晶衍射分析，铀浸出率等方面测定结果，发现铀以三种形式存在:吸附状态、单铀矿物及铀酰腐殖酸盐化合物。

(1)吸附状态。为铀的主要存在形式。α痕迹呈现短线分散状(图2a)、稀疏团状、似条带状及其他不规则状。这些α痕迹的分布位置多与含矿岩石胶结物中的微粒状黄铁矿、分散碎片状有机质、褐铁矿及黏土矿物产出位置相吻合。放射性照相的感光形态为点状、胶结状、团块状和似条带状(图2b，c)。所有这些感光部位在镜下很难观察到铀矿物，说明铀是以吸附状态存在于岩石的胶结物中。

图2 铀矿物存在形式及结构构造特征Fig.2 Features of existence form and structure of uranium mineralsa.岩石胶结物中的浓密α径迹呈胶结状(放射性感光，256×)；b.团块状、星点状(光片，放射性感光)；c.似条带状(光片)；d.密集的α径迹呈似条带状(放射性感光，80×)；e.密集的α径迹呈放射球状(放射性感光，200×)；f.铀矿物似脉状分布于有机质边缘(光片，放射性感光)；g.显微粒状沥青铀矿集合体(灰白)沿矿物粒间胶结物分布，断续呈脉状(反光，400×)；h.显微粒状沥青铀矿(黑色)分布于浅色花岗质砾岩胶结物中(单偏光，400×)；i.分布于岩石胶结物中的显微粒状沥青铀矿(灰白色)集合体形态(反光，400×)；j.交代有机质碎片(1.发丝状沥青铀矿；2.发丝状黄铁矿)(反光，400×)；k.沥青铀矿(灰白色)充填于微粒状碳酸盐中呈环状构造，环内为碳酸盐(反光，400×)；l.分布于岩石胶结物中的鱼子状、显微粒状沥青铀矿(反光，400×)；m.沥青铀矿(黑色)交代碎片状有机质炭化质细胞壁(单偏光，200×)；n.沥青铀矿呈细脉状(1.沥青铀矿；2.有机质)(反光，400×)；o.砂岩中沥青铀矿细脉的α痕迹(单偏光，400×)

铀矿石及黏土矿物的电渗析分析结果(表1，2)显示，矿石和黏土中的电渗率均很高，最高可达67.74%，最低为6.69%。如果以20%为标准来划分其存在形式，则本区绝大多数黏土中的铀都呈吸附状态存在。

表1 青龙矿田铀矿石电渗分析结果表Table 1 Electrodialysis results of uranium ore in Qinglong ore field

表2 铀矿田黏土矿物电渗率结果表Table 2 Electrodialysis results of clay minerals in uranium ore field /%

(2)呈单矿物形式存在。较少见，只占次要地位。主要铀矿物为沥青铀矿，见有极少量的氧化沥青铀矿和晶质铀矿。

在显微放射性照相α痕迹呈密集部位(图2d，e)，显微镜下能够观察到沥青铀矿。经X射线粉晶分析和红外光谱分析(表3，图3)，其与沥青铀矿标准值相似或接近，也证实为沥青铀矿。这些铀矿物多与有机质、黄铁矿、黏土矿物共生，很少单独出现，呈似脉状的沥青铀矿多分布于有机质的边缘或胶结物中(图2f，g)。

表3 沥青铀矿X射线粉晶分析结果表Table 3 Analysis results of X-raypower diffractometry of pitchblende

图3 沥青铀矿红外光谱曲线Fig.3 Infrared spectrum curve of pitchblende

(3) 铀酰腐殖酸盐化合物形式。根据不同介质条件的铀浸出试验(表4)，测得在碱性介质中铀的浸出率要比在酸性介质中高2～30倍。推测在团块状有机质中可能有铀酰腐殖酸盐化合物的存在，同时也说明以沥青铀矿单矿物形式存在的铀是极少量的。

表4 浸出率结果表Table 4 Leachingrate results

4.2 形态与结构构造

铀矿物主要为沥青铀矿，其特征如表5所示，形态和结构构造复杂。沥青铀矿在结构上有超显微粒级、显微粒级和似细脉状三种形态。

表5 沥青铀矿特征表Table 5 Characteristics of pitchblende

4.2.1 超显微粒状结构

放射性照相及显微放射性照相感光结果表明，感光为放射状，α痕迹为点同心放射状，在镜下观察不到铀矿物，但在形态上显然是单铀矿物引起的，这种痕迹多分布在有机质或者显微粒状黄铁矿部位，与胶结物相吻合。

4.2.2 显微粒状结构

结构复杂，形态多变。粒度一般为0.02～0.05 mm，最小为0.001 mm，其形态呈微粒状集合体分布于岩石胶结物中(图2h，i)。常与分散状、碎片状有机质和鱼子状、显微粒状、莓粒状、环状黄铁矿及黏土矿物的分布密切相关，具体有4种显微粒状结构：

(1)发丝状、马尾丝状结构。这种形态的沥青铀矿常分布于有机质条带内(图2j)，是铀交代有机质而呈一种交代植物组织结构的结果。

(2)环状结构。沥青铀矿呈椭圆状，环内为有机质或碳酸盐(图2k)，这是交代有机质组成的细胞壁而成，同时反映了与碳酸盐有成因的联系。

(3)鱼子状结构。这种形态的铀矿物颗粒极为细小，多在0.001 mm以下，常在岩石胶结物中成集合体状。与有机质密切相关(图2l)，有时分布在有机质内部。

(4)植物组织结构。铀矿物交代植物残骸而形成的一种植物组织结构(张成江等，2007)。铀沿有机质边缘或在有机质内部交代植物组织细胞胞腔(图2m)。这种结构在矿田内较为常见。

(5)胶状结构。沥青铀矿交代有机质碎块而形成的一种胶状结构，与460铀矿床相似(孟艳宁等，2015)。

4.2.3 似细脉状结构

这种结构较为少见，多与有机质条带密切相关。常分布在有机质条带的两侧和内部，或充填于有机质的裂隙中，或在岩石中沿裂隙分布，与巴什布拉克和巴彦乌拉矿床铀矿相似(黄净白等，2015；李盛富等，2004，2015；邢拥国等，2017)。铀矿脉的长度和宽度都很小，最宽约0.5 mm(图2n，o)。

4.3 沥青铀矿化学成分及微量元素特征

矿田中沥青铀矿富集Th(平均0.09%)、TREE(平均0.79%)，其他化学成分含量在不同矿床中相差明显(表6)，如433矿床H2O含量(平均10.60%)约是434矿床(3.59%)的3倍；SiO2含量(平均16.73%)约是434矿床(2.80%)的6倍；Pb(平均0.54%)是434矿床(1.10%)的二分之一。这些特点反映出两个矿床沥青铀矿成分有明显差别，存在不同铀成矿作用(罗朝文等，1990)。