吐哈盆地十红滩铀矿床北矿带钙质砂岩分布特征及其对地浸开采影响

杨冰彬， 乔海明， 刘治国， 伍 群

(核工业二○三研究所，西安 710086)

十红滩铀矿床北矿带，于2009年开始地浸试验，并先后采用传统的酸法以及在南矿带取得成功的CO2+O2法进行试验，但铀的浸出率都不够理想。近些年北矿带的勘查程度不断提高，北矿带含矿层中的钙质砂岩的研究越来越引起了大家的注意，北矿带含矿含水层的钙质夹层展布特征与南矿带相似，但相对于南矿带较低，那么北矿带的钙质层是否对地浸造成影响？影响有多大？这些问题成为了北矿带地浸试验工作急需解决的问题。前人对十红滩南矿带钙质砂岩的分布特征及其影响开展过研究，指出含矿目的层中的碳酸盐含量的增多在地浸开采过程中会造成较为不利的影响，地浸开采时应考虑增加去钙工艺[1-7]。通过对北矿带钙质砂岩的微观、宏观、空间展布特征及其与铀矿体关系的研究来更直观地解释钙质砂岩的成因问题，以期对北矿带地浸开采试验提供参考意见。

1 地质背景

吐哈盆地位于我国新疆东部，为天山造山带的内陆山间盆地，十红滩铀矿床位于吐哈盆地吐鲁番坳陷的西南缘[8-10]。受该矿床中部的鹰嘴崖断裂影响，铀矿体产出位置可划分为南、中、北三个矿带[11-12]。该矿床内钻孔揭遇到的中新生代地层主要有侏罗系八道湾组(J1b)、三工河组(J1s)、西山窑组(J2x)、古近系(E)及第四系(Q)。十红滩铀矿床主要含矿层为西山窑组(J2x)。

2 钙质层分布特征

2.1 钙质层地表露头分布特征

北矿带含矿层中钙质层普遍发育，地表露头中常见有含矿层砂体呈球状风化，其成因为上部泥质胶结的疏松砂体被风化搬运，而下部钙质胶结砂体，致密，不易被风化(图1)。

图1 钙质砂岩地表露头照片Figure 1 Surface outcrop photos of calcareous sandstone

2.2 钙质层镜下分布特征

图2为钙质砂岩的岩心照片，为灰色钙质含砾中粗砂岩，钙质胶结，致密、坚硬，滴酸(10%的稀盐酸)剧烈起泡，未遭受氧化作用。通过岩矿鉴定我们发现，在成岩后期，岩石碎屑物颗粒孔隙被碳酸盐交代、充填，部分石英和长石的边缘被方解石交代(图3)。碳酸盐化交代蚀变，表明原岩孔隙中存在长期的流体作用，结合水成铀矿理论，长期稳定的流体作用是铀元素迁移、富集和沉淀的必备条件[13]。

图2 钙质砂岩岩心照片Figure 2 Calcareous sandstone core photos

A.ZK64-16，348.52m，正交偏光(+)，10×5；B.ZK64-16，507.19m，正交偏光(+)，10×5碳酸盐矿物(Cb)，片麻岩岩屑(MRF)，斜长石(Pl)，单晶石英(Q)，火山岩岩屑(VRF)图3 钙质砂岩岩心镜下照片Figure 3 Calcareous sandstone core microscopic images

2.3 钙质层厚度特征

十红滩铀矿床南北中矿带的含矿含水层普遍发育钙质层，其中在北矿带82.23%的钻孔中发现赋存1～5层钙质层(表1)。钙质层单层厚度大部分小于1.0m，其中厚度小于0.5m的占18.2%，厚度0.5～1.0m的占72.1%，厚度1.0～1.5m的占5.2%，厚度大于2.0m的2.6%(图4)。单孔钙质层厚度累计小于5m的钻孔数占比超过33%，钙质层总厚度占砂体总厚度一般不超过5%。说明钙质层在含矿含水层中表现为单层厚度薄、层数变化大等特点。

图4 十红滩铀矿床北矿带钙质层厚度特征Figure 4 Shihongtan uranium deposit north ore beltcaliche thickness features

2.4 钙质层的剖面分布特点

根据铀矿地质调查及连井剖面中可以看出，钙质层主要沿砂体上、下边部发育，砂体与泥岩、粉砂岩的过渡部位常发育钙质砂岩(图5、图6)。根据编录发现粒度较粗、分选性较好的砂体常见有钙质胶结，表现为钙质砂砾岩、粗砂岩、中砂岩多，钙质细砂岩相对较少；厚大层砂体中，底部的粗粒砂岩为钙质砂岩，可能与河道的底砾岩、冲刷面有关。此外，从表1也可以看出，同一勘探线两个相邻钻孔中的钙质层产出位置及数量也有差异，钙质层在剖面上几乎不呈连续层状产出，规律性、连续性差。岩石化学全分析测试结果显示(表2)，致密钙质砂岩与较疏松的钙质砂岩相比，后者的CaO、CO2含量明显降低，SiO2含量明显升高，同时伴随着AI2O3、K2O、Na2O的含量升高，说明钙质砂岩在去钙化的过程中伴随着黏土化作用[14-17]。

表1 北矿带西山窑组第三岩性段含矿砂体钙质层统计

续表

表2 钙质砂岩化学全分析(CO2>2%)对比分析

1-泥岩；2-细砂岩；3-中砂岩；4-粗砂岩；5-砾岩；6-煤层；7-氧化砂体；8-钙质层；9-伽马测井曲线图5 北矿带钙质砂岩分布特征(钻孔)Figure 5 North ore belt calcareous sandstone distributionfeatures (in boreholes)

3 钙质层在砂体中的分布及与铀矿化关系

大量的岩心观察、剖面研究和统计分析显示钙质层与砂体及铀矿化具有一定的分布规律，具体表现在以下两个方面。

1)层间氧化带不同亚带中的钙质层产出机率不同。在层间氧化带中，钙质层产出的基本规律是氧化带钙质层最少(图6)，氧化还原带钙质层最多，还原带较少，造成氧化带钙质层减少的原因与地下水的溶解迁移有关，而氧化还原过程中钙质层增多与铀矿物的析出有关。

图6 北矿带39号勘探线地质剖面图Figure 6 North ore belt exploration line No.39 geological section

2)在十红滩地区，通过对北矿带钻孔主含矿层剖面分析发现剖面上钙质层易产出在矿体的两翼和前部。不论是在富矿段(>0.1%)，还是贫矿段(<0.1%)钙质层均产出矿化异常的边部，纯钙质层之中铀的品位不高，这可能与其透水层差，不能接受进一步的改造成有关。

此外野外岩心及镜下观察发现，钙质层(碳酸盐)与黄铁矿和铀矿化有成因联系。根据平、剖面研究发现钙质层在空间上分布与铀矿化分布具有一致性，说明在大规模的铀矿化过程中，也形成了大量的钙质层(碳酸盐)和黄铁矿。

4 钙质层的成因

根据中侏罗统砂体中钙质层的空间分布规律及产出特点，将其分为成岩期碳酸盐和后生作用成因碳酸盐两种成因类型；前者与压实成岩作用有关，后者与层间氧化及铀成矿作用有关。但二者在宏观上较难区分。

4.1 钙质层形成机理

1)碳酸盐胶结的成岩作用。岩石在成岩过程中包括机械压实作用和碳酸盐的胶结作用。

有机物在沉积成岩过程中不断成熟，伴随有机酸及甲烷、二氧化碳和氢气等大量形成。这些气体溶解于粒间水中，在上覆地层的静压力驱动下，运移至过渡带(岩性过渡带或断裂)。在这个过程中，溶液系统突遇减压，导致二氧化碳溶解度降低逸出，碳酸钙沉淀析出。

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H++OH-

同时，在有机质富集部位，在去硫菌的促使下，发生脱硫反应：

该反应导致氢氧根含量增加，酸碱值增大，部分碳酸盐成碳酸钙沉淀析出。

2)后生蚀变导致碳酸盐溶解迁移和再沉淀。岩石形成后，在后期地质构造运动的影响下，抬升并遭受剥蚀，在这个过程中，富含氧气的地表水进入到含矿含水层，与黄铁矿等金属硫化物发生反应，导致地下水碱性度较低，碳酸盐溶解度变大，部分岩石溶解，孔隙度增大。外部溶解的多，内部溶解的少，从而导致了岩石内外特征的差异。地下水在氧化还原过渡带中碳酸盐处于(过)饱和状态，随着还原作用增强，碳酸氢根离子分解，碳酸钙沉淀析出，这是钙质层在氧化还原过渡带富集原因[18]。

4.2 钙质层对地浸开采的影响分析

钙质层对地浸的影响可分两个方面。其一是通过对渗透性的影响，降低抽注液孔抽注液量，成岩阶段形成的致密钙质砂岩透镜体，固结了砂岩，使岩石的渗透性降低，到了成矿阶段，在层间氧化-还原过渡带，伴随着铀成矿作用，部分碳酸盐固结了渗透性砂岩，另一部呈粉末状沉淀在粒间孔中降低了粒间孔的孔隙度，堵塞喉管，使矿层的渗透性降低；其二是对酸法地浸的影响，当碳酸盐含量(CO2)大于2%时，直接决定矿床难以能用酸法地浸。北矿带钙质胶结砂岩中碳酸盐含量平均9.18%，次疏松钙质胶结砂岩中碳酸盐含量平均为6.02%，疏松砂岩(CO2>2%)平均含量为2.45%。尽管疏松砂岩型的碳酸盐含量总体偏小，但是溶浸液在含水层中运移时，不可避免的与致密砂岩、次疏松砂岩接触并发生化学反应，从外向里与致密、次疏松砂岩中的碳酸发生中和反应，形成的Ca2+再与SO42-形成硫酸钙沉淀，在大量耗酸的同时，堵塞含矿含水层和抽液管线，导致抽液量急剧下降。

5 结论

岩心地质编录和剖面连接与对比发现，钙质层产出形态一般为断续分布的串珠状透镜体或不规则团块状，致密坚硬，顺层理方向发育；含矿层赋存1～9层钙质层，厚度一般小于1m，孔内最多不超过9层；致密钙质砂岩中CO2平均含量为9.18%，次疏松砂岩CO2平均含量为6.02%，疏松砂岩(CO2>2%)平均含量为2.45%；钙质砂岩具有两期成因，即成岩阶段和后生蚀变作用形成的钙质砂岩。北矿带钙质层的存在，不仅影响了矿层的渗透系数，而且决定了北矿带难以采用酸法进行地浸开采。