鄂尔多斯盆地西北部特拉敖包矿产地铀矿石物质组成特征

2024-02-01张字龙贺锋李子颖刘鑫扬李华明王龙辉刘持恒李西得张艳罗腾

铀矿地质 2024年1期

张字龙，贺锋，李子颖，刘鑫扬，2，李华明，王龙辉，刘持恒，李西得，张艳，罗腾

（1.核工业北京地质研究院中核集团铀资源勘查与技术评价重点实验室，北京 100029；2.中国核工业地质局，北京 100013；3.核工业二〇八大队，内蒙古包头 014010）

鄂尔多斯盆地目前是我国最重要的产铀盆地，铀资源储量位居各盆地之首。2000—2019 年之间，铀矿地质勘查和研究的主要目标层为中侏罗统直罗组，在盆地东北部先后发现了皂火壕、纳岭沟、大营和巴音青格利等大型和特大型铀矿床及库计沟、罕台庙和泊太沟等一批铀矿产地［1］，在盆地东南部发现鸭河湾矿产地，这些铀矿均产于中侏罗统直罗组下段灰色碎屑岩建造中［1］。

2019 年在盆地西北部伊和乌素地区新发现ZKW2019-1 工业铀矿孔，自此揭开了鄂尔多斯盆地西部下白垩统第二找矿空间和找矿新层位的序幕。随着铀矿地质勘查和科研程度不断加大，在盆地西北部伊和乌素地区落实了特拉敖包特大型矿产地，也引起越来越多学者的关注并取得了一些成果认识。研究认为该地区主要赋矿层为下白垩统华池环河组［2-4］，沉积环境主要为砂质辫状河［5］，铀矿物主要为铀石和沥青铀矿［6］，巨厚层灰绿色砂体成因为油气蚀变改造［4］，铀成矿与层间氧化作用和油气蚀变改造作用密切相关，并初步建立了下白垩统铀成矿模式［7］。目前该矿产地铀成矿研究中诸多关键地质问题急需解决，如钻孔岩心揭露环河组泥岩主要呈薄层状，地表露天观察砂体中发育较多泥砾，未见稳定泥岩层，缺少层间氧化铀成矿的上下泥岩结构［8-11］，铀矿体“悬浮”于巨厚层砂体中部，且呈板状、薄层状、多层状（几层至十几层不等）产出。上述特点明显有别于层间氧化作用形成的铀矿床，铀成矿作用不明；巨厚层灰绿色砂体是原生沉积还是后生蚀变还原成因还存在争议；环河组沉积环境为辫状河还是三角洲还不明确；赋矿砂体颜色复杂多样（褐灰色、紫红色、灰绿色、灰色），与铀矿物共伴生物质成分多，铀矿化特征复杂，铀成矿机理不明。鉴于此，本文主要基于最新钻探勘查成果，聚焦于特拉敖包矿产地铀矿石物质组成特征研究，为该地区铀成矿机理研究及拓展区域找矿空间提供基础地质支撑。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地现今构造格局奠基于燕山运动中期，发展完成于喜马拉雅运动期，依据构造演化可划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、陕北斜坡、天环坳陷及西缘逆冲构造带6 个一级构造单元［12-13］。研究区位于盆地西北部伊和乌素地区，隶属于内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗，大地构造位置位于天环坳陷东北部与伊盟隆起西部和陕北斜坡带西北部过渡部位，特拉敖包矿产地位于伊盟隆起西南缘（图1）。

图1 研究区大地构造位置及铀矿地质简图（据文献［12］修改）Fig.1 Geotectonic location and uranium geology sketch of the study area（modified after reference［12］）

鄂尔多斯盆地北部中-新生代盖层沉积比较齐全，发育有三叠系、侏罗系、下白垩统、古近系、新近系和第四系。其中下白垩统志丹群在研究区自下而上发育有洛河组（K1l）、环河组（K1h）、罗汉洞组（K1lh）和泾川组（K1j）［14-16］。伊和乌素地区钻孔揭露工业铀矿体主要赋存于环河组和洛河组，罗汉洞组地表发育少量褐铁矿化与铀矿化，环河组和洛河组是下白垩统重点找矿目标层。

2 样品采集与测试

以特拉敖包矿产地下白垩统环河组上段赋矿砂岩为采集对象，以手持X 荧光仪器为放射性测量工具，选取钻孔岩心和地表露天铀含量在100×10-6以上各种颜色的矿样。样品测试由核工业地质分析测试研究中心完成，测试项目主要有岩心的扫描电镜和薄片鉴定。其中用于扫描电镜观察的样品，采用大小约1 cm3的块样，在镜下通过样品处理后观察矿石中物质三维形貌特征和能谱分析。

扫描电镜分析：使用Nova Nano SEM450 型场发射扫描电子显微镜，依据JY/T 0548—2020《扫描电子显微镜分析方法通则》和GB/T 17361—2013《微束分析沉积岩中自生粘土矿物鉴定扫描电子显微镜及能谱仪方法》进行矿物鉴定。

薄片鉴定：使用Leica 4500P 型显微镜对岩矿进行鉴定。

3 铀矿化特征

特拉敖包矿产地工业铀矿化主要赋存于下白垩统环河组上段，含砂率为94.82%～99.75%。矿体呈现中厚层、薄层板状和透镜状，主矿体埋深一般在350～450 m（图2），矿石品位为0.03%～0.06%，单层矿体厚度变异系数大，矿石品位偏低。环河组工业铀矿体主要位于深部褐灰色中粗砂岩（图3a）、灰绿色中粗砂岩、中细砂岩（图3b）和含细砾粗砂岩（图3c）、紫红色细砂岩中（图3d），其次位于含炭屑灰色中细砂岩中（图3e），地表出露的铀矿化主要位于黄色氧化砂体中发育的褐铁矿化团块和条带中（图3f）。

图2 特拉敖包矿产地钻孔连井剖面图Fig.2 Cross-section of boreholes in Telaaobao mineral occurrence

图3 特拉敖包矿产地主要代表性铀矿石Fig.3 Main representative sandstone-type uranium ore in Telaaobao mineral occurrence

4 铀矿石物质组成

4.1 岩石学特征

特拉敖包矿产地赋矿砂岩主要为褐灰色、灰绿色、紫红色、灰色含细砾粗砂岩、中粗砂岩、中细砂岩和细砂岩。砂岩碎屑颗粒多为次棱角状，主要为岩屑长石砂岩、长石岩屑砂岩、岩屑砂岩和杂砂岩。岩屑占比为30%～40%，主要为石英岩、云母石英岩、片麻岩、片岩、花岗岩、粗面岩、燧石，此外还可见少量泥岩（图4a）和炭化植物碎屑（图4b）。石英占比为40%～50%，以单晶石英为主，少量为多晶石英，除此之外还可见小颗粒自生石英。长石占比为20%～30%，长石以斜长石为主，还有少量条纹长石、微斜长石等。长石多发生绢云母化、高岭石化和绿泥石化（图4c），长石钠长石化，次生加大现象（图4d）及溶蚀现象十分普遍。杂基占比为3%～15%不等，主要为细粒的碎屑颗粒与黏土矿物。胶结物占比为3%～25%，主要包括碳酸盐、方沸石、自生黏土矿物、自生石英等。分选一般，中等磨圆，结构成熟度与成分成熟度较低。胶结物为泥质胶结、碳酸盐胶结（图4e）与铁质胶结，胶结类型多为孔隙式胶结，接触类型多为点-线接触。在褐灰色主要赋矿砂岩中可见绿泥石及赤铁矿围绕碎屑颗粒发育（图4f）。

图4 特拉敖包矿产地赋矿砂岩岩石学特征Fig.4 Petrology characteristics of mineralized sandstone in Telaaobao mineral occurrence

4.2 铀矿石物质组成特征

4.2.1褐灰色铀矿石

褐灰色矿石是特拉敖包矿产地最主要赋矿砂岩，铀含量最高。矿石中发育的铀矿物主要为铀石，其次是不明铀矿物和钛铁氧化物的混合物；发育的金属矿物主要有絮状、胶状铁氧化物、针状含铀矿物的钛铁矿、草莓状和多面形黄铁矿、板状锐钛矿，其次发育有少量自形磁铁矿、圆点形辉钼矿、菱铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿；发育的非金属矿物主要有白云母、石膏、方解石；发育的有机质为少量炭屑和少量单颗粒及流动态有机质；发育的黏土矿物主要有伊利石、片状和针叶状绿泥石、蜂窝状绿/蒙混层和蒙脱石。

在褐灰色矿石中，铀石主要有四方双锥状、短柱状和针状，多数分布于石英、长石颗粒表面溶蚀的坑洞和颗粒间孔隙中（图5a、b、c），或者分布于草莓状黄铁矿表面及周边（图5d）；不明铀矿物与钛铁氧化物通常分布于绿泥石、蒙脱石和绿/蒙混层等黏土矿物表面或矿物间（图5e、f）。矿石中黄铁矿非常发育，多数以草莓状集合体产出，单颗粒黄铁矿有六面体、八面体和五角十二面体，粒径一般1～2 μm（图5g），在单颗粒黄铁矿表面可见纳米级小颗粒的铀石（图5h、i）。在暗色有机质周边通常密集发育各种晶形的黄铁矿（图5j）。有机质多分布在颗粒表面的溶蚀孔洞中，或以流动态分布在颗粒间孔隙中，其周边多见黄铁矿、金红石和铀石（图5k、l）。未见到明显的炭化植物碎屑。

图5 褐灰色铀矿石物质组成Fig.5 The material composition of gray and dark gray uranium ore

4.2.2紫红色铀矿石

紫红色赋矿砂岩为钻孔揭露的第二种重要赋矿岩性，主要有紫红色含砾粗砂岩、中粗砂岩、细砂岩和泥质粉砂岩，偶见含炭屑砂岩。矿体呈透镜状、薄层状夹于厚层灰绿色砂体或褐灰色砂体中，其上下围岩中的铀含量明显低于紫红色赋矿岩体中铀含量。

矿石中铀矿物主要为铀石，其次为钛、铁、铀混合物，偶见沥青铀矿；金属矿物主要为各种形态的铁氧化物，见少量硒铅矿、方铅矿和稀土，偶见草莓状单颗粒黄铁矿；非金属矿物主要发育白云母、独居石、长柱状石膏和天青石等；黏土矿物主要为绿/蒙混层，其次是伊利石与绿泥石，几乎不含高岭石与蒙脱石；偶见单颗粒状有机质。

紫红色矿石中铀石比褐灰色矿石中铀石呈现更多晶形，可见到四方双锥状、多面体状、短柱状、长柱状和胶状等多种形态（图6a）；沥青铀矿主要呈现薄壳状，分布于炭屑表面（图6b）。铀矿物多分布在石英、长石等颗粒表面溶蚀的坑洞和孔隙中（图6c、d），分布于绿泥石、绿/蒙混层等黏土矿物表面或矿物间，或者分布于绒球状和絮状铁氧化物表面及周边（图6e、f），铀石能谱测量显示含有一定量的Y。矿石中金属矿物主要是铁氧化物，在石英、钾长石和钠长石颗粒表面及颗粒间发育有大量绒球状（图6g）、黄铁矿假象状（图6h）、针状、树枝状（图6i）、絮状、胶状铁氧化物颗粒和集合体，呈现薄层状和单颗粒状产出，部分铁氧化物与铀石呈相互包裹状（图6j）。矿石中绿/蒙混层以叶片绒毛状分布于碎屑颗粒表面，绿泥石呈叶片状、绒絮状分布于云母的解理缝与表面，部分为铁质绿泥石（图6k），在绿泥石表面发育有薄壳状、短柱状和不规则状铀石（图6l）。砂质泥岩矿石中偶尔见到单颗粒草莓状黄铁矿（图6m）和单颗粒有机质，在暗色有机质颗粒中包裹着单颗粒黄铁矿（图6n、o）。

图6 紫红色、棕红色铀矿石物质组成Fig.6 The material composition of purplish red and brownish red uranium ore

4.2.3灰绿色铀矿石

灰绿色砂岩为钻孔揭露次要赋矿体，铀矿物主要为铀石，其次为不明铀矿物与钛、铁氧化物的混合物；金属矿物主要有黄铁矿、磁铁矿、钛铁矿、硒铅矿、闪锌矿和不明铁氧化物；非金属矿物主要有白云母、方解石、白云石、锐钛矿，偶见石膏与角闪石；黏土矿物主要是绿/蒙混层、蒙脱石、绿泥石和伊利石；有机质可见少量炭化植物碎屑和斑点状颗粒。

灰绿色矿石中铀石晶体形态不明显，主要呈胶状、不规则状（图7a），钛、铁、铀氧化物呈不规则状分布于绿泥石等黏土矿物颗粒间及表面（图7b），铀矿物中往往含有微量的P、Y 等元素；金属矿物黄铁矿和黄铁矿假象的铁氧化物非常发育，其中黄铁矿呈现出多种晶形，大量黄铁矿主要呈草莓状和球状等集合体状产出（图7c），分布于碎屑颗粒间和黏土颗粒表面，单颗粒黄铁矿有六面体、八面体和五角十二面体（图7d）。铁氧化物部分呈现黄铁矿假象（图7e、f），部分铁氧化物被绿泥石包裹；矿石中可见少量炭化植物碎屑和有机质，其周边发育有较多黄铁矿（图7g）。在石英、钾长石和钠长石及少量炭屑和有机质等颗粒表面及颗粒间发育有大量绒球状、叶片状和针叶状绿泥石（图7h、i）。

图7 灰绿色铀矿石物质组成Fig.7 The material composition of grayish green uranium ore

4.2.4灰色铀矿石

钻孔中揭露明显呈现灰色的砂岩很少，赋矿的灰色砂岩更少见。矿石中铀矿物仅发育有少量的铀钍石（图8a）和铀与钛、铁、氧混合物（图8b），分布于蜂窝状伊/蒙混层表面和碎屑颗粒表面；金属矿物主要发育黄铁矿，其次见少量黄铜矿（图8c）和方铅矿。大量黄铁矿呈草莓状、球形集合体分布于炭化植物胞腔（图8d）、有机质（图8e）、伊/蒙混层表面和碎屑颗粒表面；非金属矿物主要有白云石、方解石、方沸石，少量片状黑云母（图8f），偶见石膏与角闪石；黏土矿物主要发育伊利石、绿泥石、绿/蒙混层与伊/蒙混层，含少量高岭石。

图8 灰色铀矿石物质组成Fig.8 The material composition of gray uranium ore

4.2.5浅黄色、黄绿色铀矿石

环河组地表出露的黄色、黄绿色砂体中常见有褐铁矿化结核，这些结核长轴一般为10～30 cm，顺层发育或沿着地表裂隙发育。这些褐铁矿结核往往具有铀异常。直径较大的结核的核心部位可见有植物碎屑和黑色炭化粉末，核心部位伽马照射量率最高，可达8～30 nC/（kg·h）。扫描电镜结果显示，在植物纤维、炭化植物胞腔及碎屑颗粒表面及周边发育大面积球形和不规则状铀与P、Y、Fe、O 混合物（图9）。这种地表淋滤作用形成的褐铁矿化铀矿石，明显的特征是富含P 和Y，在钻孔揭露的紫红色、褐红色铀矿石中也发现少量P 和Y。

图9 地表褐铁矿化铀矿石物质组成Fig.9 The material composition of brown iron mineralized uranium ore on the surface

5 讨论

5.1 赋矿砂岩岩石学特征

本次研究采集和观察的岩矿样品仅局限于特拉敖包矿产地及周边地区，样品对沉积环境仅表征特拉敖包矿产地环河组上段。通过地表露头和钻孔岩心观察，赋矿岩石以中粗砂岩-中细砂岩为主，砂砾岩和泥岩基本不发育，仅在小型河道底部发育少量含砾砂岩和泥砾（图10a）。地表露头沉积构造以小型、密集槽状交错层理为主（图10b），局部发育小型板状交错层理（图10c）和小型平行层理（图10d），水平层理不发育。显微镜鉴定显示环河组赋矿砂岩的碎屑成分主要为石英、长石和岩屑，其中长石和岩屑占比较高，成分复杂多样，岩石类型主要为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，反映物源较丰富。砂岩碎屑颗粒多为次棱角状-次圆状，磨圆中等偏差，分选一般，结构成熟度与成分成熟度均较低，反映水动力较强、沉积搬运距离较短的河道沉积。综上所述，认为特拉敖包矿产地环河组上段为辫状河三角洲平原分流河道沉积环境。

图10 环河组上段地表露头沉积构造特征Fig.10 Sedimentary structural characteristics of outcrop in the upper member of Huanhe Formation

5.2 铀矿石中物质组成特征

通过扫描鉴定可知，不同颜色铀矿石物质组成存在一定差异性（表1），下面分别讨论各种颜色矿石中铀矿物、金属矿物、非金属矿物、黏土矿物及有机质的赋存特征。

表1 特拉敖包矿产地环河组上段不同颜色铀矿石物质组成统计表Table 1 Statistics on the material composition of different colors uranium ore in the upper member of Huanhe Formation of Telaaobao mineral occurrence

5.2.1铀矿物特征

矿石中铀矿物主要为铀石，其次为钛、铁、铀混合物，偶见沥青铀矿。铀矿物主要赋存于褐灰色、灰紫红色和灰绿色矿石中的碎屑颗粒、金属矿物、非金属矿物、黏土矿物表面溶蚀的坑洞、微裂隙和颗粒间孔隙中，铀矿物赋存的微型空间与物质表面结构密切相关［17］。铀石发育有多种晶形，以典型的四方双锥状为主，其次为短柱状、针状、多面体状和不规则状，总体铀石晶形发育较好，颗粒大小不一，一般为几个微米至几百个纳米，多呈集合体形式广泛产出。其中紫红色矿石中铀石晶形最完整、颗粒最大，往往与赤铁矿混杂、相互包裹，表明该类铀矿石成矿时间较长、成矿作用较强，在氧化作用过程中铀石仍在不断生长。前人研究表明U4+在铁矿物表面可形成内层络合物［18］，U6+在Mn2+/MnO2、Fe2+/Fe（OH）3等矿物界面，也能够发生表面介导的氧化还原反应［18-20］，四氧化三铁（Fe3O4）纳米材料因比表面积大、功能基团多、活性强、便于磁性分离等优点，在吸附和分离放射性元素及重金属离子方面显示出了广阔的应用前景［21-22］。因此认为特拉敖包矿产地红色铀矿石为还原不彻底成矿产物，其成因符合李子颖等［23］提出的渗出铀成矿作用，是氧化砂岩经含铀渗出还原流体还原改造作用，红色氧化砂岩中残留的有机质和赤铁矿、褐铁矿等铁氧化物对铀的吸附作用，促进溶液中铀离子沉淀、富集、成矿。

5.2.2金属矿物特征

矿石中金属矿物种类较多，主要有黄铁矿、黄铜矿、赤铁矿、磁铁矿、闪锌矿、硒铅矿、辉钼矿、菱铁矿、钛铁氧化物等，可见少量稀土矿物。其中与铀矿物关系密切的主要为黄铁矿、赤铁矿、黄铜矿和钛铁氧化物。黄铁矿以草莓状为主，其次还见有六面体、八面体和五角十二面体等多种晶体形态，反映成矿流体多期次特征。灰绿色砂体中可见较多草莓状假象的铁氧化物，该氧化物可能为黄铁矿经过氧化作用导致S 丢失后的氧化产物。另外在钻孔岩心中也常见绿色砂体中包裹有红褐色氧化团块和紫红色泥砾发育绿色蚀变边的现象。这些特征综合反映灰绿色砂体至少经历过还原→氧化→还原的过程，是渗出还原与渗入氧化交替、叠加成因。在紫红色矿石中可见赤铁矿与铀石关系非常密切，在地表褐铁矿砂岩中可见铁氧化物与不明铀矿物关系密切。总之，特拉敖包矿产地矿石中既有中低温矿物，也有中高温矿物，可见成矿流体成分较复杂。

5.2.3非金属矿物特征

矿石中非金属矿物种类也比较多，主要有白云母、方解石、石膏、角闪石、重晶石和锐钛矿，见少量天青石和独居石。铀矿物同样与非金属矿物表面发育的孔洞等结构相关性较强，未见铀矿物与各类非金属矿物有明显的相关性，偶见蚀变黑云母解理中和蚀变破损的锐钛矿表面发育有铀石。通过钻孔岩心、地表露头观察发现，环河组砂体中普遍发育细小片状白云母，不管是细粒的粉砂岩、细砂岩还是中粗粒的中砂岩、粗砂岩，甚至是含泥砾、细砾的砂砾岩，都能见到较多顺层发育的白云母。以往学者经常将白云母沉积区视为水动力较弱的三角洲、滨浅湖等沉积环境，而特拉敖包矿产地及周边地区白云母沉积区与沉积粒度无明显相关性，说明研究区环河组沉积物源区原岩本身就是富含白云母，从而导致在环河组普遍发育白云母的现象。

5.2.4黏土矿物特征

矿石中黏土矿物较多，主要包括绿泥石、伊利石、绿/蒙混层、伊/蒙混层，少量蒙脱石，仅发育极少量高岭石。铀矿物与黏土矿物关系密切，显微镜下常见铀石和钛、铁、铀等混合物赋存在各类黏土矿物表面的孔、洞中，说明黏土矿物表面特殊的孔、洞等结构更有利于吸附铀离子导致其沉淀、结晶成铀矿物。另外，研究区环河组黏土矿物组成呈现高伊利石与绿/蒙混层，较高伊/蒙混层矿物含量，缺少高岭石的分布特点，一方面反映出研究区环河组沉积期沉积盆地总体处于干旱-半干旱气候环境，淋滤作用和化学风化作用较弱，而物理风化作用较强；另一方面反映环河组砂岩经历过后期渗出还原改造作用。

5.2.5有机质特征

矿石中有机质含量总体较少，仅在浅灰色、灰绿色和紫红色矿石中肉眼偶尔可见炭化植物碎屑，通过显微镜在各种颜色矿石中均可见少量微纳米级细小暗色斑点状有机质。目前在钻孔岩心矿石中见到的炭化植物胞腔及其周边主要发育黄铁矿，未见铀矿物；在地表褐铁矿化植物碎屑周边明显发育较多含P、Y 等元素的不明铀矿物。在显微镜下见到的各种颜色矿石中发育的微纳米斑点状有机质，其周边及表面可见发育较多黄铁矿和铀石。这种暗色斑点状有机质是炭化植物碎屑、石油裂解的沥青质还是其他生物成因有待进一步研究。