地球科学与环境学报 JournalofEarthSciencesandEnvironment
Vol.28No.2Jun.2006
鄂尔多斯盆地东胜铀矿成矿作用研究
李金宝1,车 明2,李 鑫1,李继宏1,李荣西1
(1.长安大学地球科学与国土资源学院,陕西西安710054;2.长庆油田公司第四采油厂,陕西靖边718500)
[摘要] 对东胜铀矿提出了物源、地层、古气候等3种成矿因素。岩相学与成矿矿物学研究表明,铀矿石中含有大量的方解石,并且长石与高岭石含量呈正相关,铀矿化与有机质也有一定的联系。结合铀矿地质特征初步分析认为,东胜铀矿是在氧化带铀元素以碳酸铀酰络合物搬运,在酸性介质条件下,还原带长石碎屑蚀变为高岭石,并有钙离子析出。当碳酸铀酰络合物从氧化带迁移到还原带,遇有大量钙离子时发生分解,出现铀矿石与方解石同时沉淀现象,有机质的还原作用也是铀矿沉淀的主要因素,经漫长的地质作用富集成工业矿体。[关键词] 成矿因素;高岭石;方解石;铀氧化带;铀还原带;东胜铀矿;内蒙古;鄂尔多斯盆地[中图分类号] P619.14 [文献标识码] A [文章编号] 1672-6561(2006)02-0037-04
PreliminaryStudyonMetallizationofDongshengUOreinOrdosBasin
LIJin-bao,CHEMing,LIXin,LIJi-hong,LIRong-xi
1
2
1
1
1
(1.SchoolofEarthSciencesandResourcesManagement,Chang’anUniversity,Xi’an710054,Shaanxi,China;
2.FourthOilProductionFactory,ChangqingOilfield,Jingbing718500,Shaanxi,China)
Abstract:ThispaperputsforwardfivemineralizationelementsforUoreinDongshengarea,includingstructuralelement,formationfactor,lithologicelementandpaleoclimatefactor.ReflectanceofX-raydiffractionanalysisshowstheUoreincludeslotsofcalcite,andhaspositivecorrelationbetweenfeldsparandkaoliniteperformurani-umelementstransportedbycomplexuranylcarbonate(Na2[UO2(CO3)3])inoxidationzone.Whenreductionzoneinacidicmedium,thefragmentsoffeldsparalterintokaolinite,separatingCaion.Complexuranylcarbonatetransportformoxidationzonetoreductionzone,itwilldecompositionwhenmeetmanyCaions,showingthepre-cipitationofuraniumoreandcalcite.ThereductionfunctionoforganicsubstanceplayanimportantroleintheprecipitationofUore.
Keywords:mineralizationelements;kaolinite;calcite;Uoxidationzone;Ureductionzone;DongshengUdepos-it;InnerMongoliaAutonomousRegion;OrdosBasin
红色砂、泥岩层厚0.5～1m,灰绿色砂、泥岩厚0.2
1 东胜铀矿地质特征
东胜铀矿赋存于侏罗系直罗组。直罗组在东胜铀矿区可分为上、下两个岩性段,下段岩性是灰绿色砂岩与灰绿色泥岩交互出现。砂、泥岩厚0.2
～1m,顶部有煤层,其厚度0.5m;上段岩性是紫红色砂岩、泥岩与灰绿色砂岩、泥岩交互出现。紫
[收稿日期] 2005-09-10
～0.4m,向上逐渐过度为紫红色砂岩。直罗组上段、下段沉积时处于两种截然不同的沉积环境。
铀矿体位于直罗组下段底部,控矿地层是辫状河砂体,砂体厚20～40m。矿体顶板是灰绿色泥岩隔水层,矿体底板是延安组顶部白色砂质高岭土矿隔水层。矿体与断裂关系不明显。含矿地层中含有丰富的有机质、炭屑、植物残骸。
[基金项目] 国家重点基础研究发展规划(973)项目(2003CB2146005)
[作者简介] 李金宝(1953-),男,甘肃甘谷人,工程师,从事矿产地质及矿相学研究。
38地球科学与环境学报 第28卷
1-铀矿;2-第四系;3-下白垩统志丹群杂色碎屑岩;4-中侏罗统延安组杂色碎屑岩夹煤层及油页岩;5-中侏罗统直罗组杂色碎屑岩夹薄煤层;6-三叠系;7-二叠系;8-石炭系;9-奥陶系;10-寒武系;11-前寒武系
图1 鄂尔多斯盆地东胜地区地质略图Fig.1 ABriefGeologyMapinDongshengArea
东胜铀矿矿化最早年龄为160Ma,最晚为
2 东胜铀矿成矿因素分析
2.1 物源因素
铀元素在地壳中的含量为1.7×10
-6
8Ma,主要成矿年龄在95～120Ma,相当于晚侏罗至早白垩系
,其地球
[3]
。铀矿的成矿作用经历了漫长的地
质演化过程。
从鄂尔多斯盆地沉积构造演化特征可以看出,自晚古生代以来该盆地一直在整体上升,由海相地
层转变为内陆湖相、河流相。特别是东胜以北的大青山,印支燕山运动以来一直在上升,导致侏罗、白垩纪的古地貌北高南低,水流方向自北朝南向盆地中心汇集[79]。大青山地区风化的花岗岩、变质岩被河流搬运到下游东胜地区沉积,形成富含铀元素的沉积地层。
2.2 地层因素
根据国内外报道的砂岩型铀矿具有泥砂泥岩性结构。这种岩性结构对含铀元素的地下水起到上、下屏蔽作用。依据花岗岩、沉积岩中的铀元素的含量,铀元素增加1000～10000倍,才能富集成工业矿体,根据前述成矿年龄推断,其时限需几千万年。在这样漫长的成矿作用过程中,如果没有上层泥岩阻挡,遇到干旱气候,将导致蒸发量增大,含铀地下水向上运移,使铀元素分散,不能富集成矿。如果没有下层泥岩阻挡,含矿地下水会一直向w(U)/%3.5×10-43.2×10-4
化学特性是亲氧元素,因此在酸性花岗岩中其含量
[1]
最高,其次是沉积岩(表1)。
表1 不同岩石中铀元素的丰度值
Tab.1 AbundanceofUElementsintheDifferentRocks
岩石类型超基性岩基性岩中性岩
w(U)/%3×10-75×10-51.8×10-8
岩石类型酸性岩沉积岩(粘土岩)
由表1可以看出,酸性岩中铀含量是超基性岩的1200倍,是基性岩的7倍,是中性岩的17000倍。因此酸性岩是重要的铀源。
东胜地区北邻大青山,该区主要岩性是古老的变质岩,混合岩、片麻岩、片麻状二长花岗岩以及燕山期侵入的钾长花岗岩。不同时期大规模侵入的大型花岗岩体为铀矿形成打下了较好的物源基础。基底太古界、中元古界变质岩系中局部地段有较高的含铀量,最高可达30.5×10-6[26]
。第2期 李金宝,等:鄂尔多斯盆地东胜铀矿成矿作用研究39
下渗流,使铀元素分散不能富集成矿。因此只有在具有泥砂泥这样结构的地层中,含铀元素的地下水才能被限制在相对封闭的空间范围内,源源不断地定向流动,使铀元素富集成矿。东胜铀矿含矿地层具有这种泥砂泥结构。
东胜铀矿含矿岩性是灰白色粗粒长石石英砂岩,其结构疏松,孔隙度大,含有大量的有机质和炭屑,这种岩石有利于含铀地下水的渗流,岩石中含的大量有机质是铀元素沉淀的还原剂。2.3 古气候因素
大量研究表明[4],对于层间氧化带型铀矿,既需要有原生还原条件下形成的含有机物的灰色砂岩,又需要在其成矿阶段出现炎热干旱的强氧化古气候环境。在潮湿的古气候条件下有利于形成天然气、石油、煤层和原生还原性地层,它是使地下水中高价铀还原成低价铀而沉淀的地球化学障。在干旱的古气候条件下有利于形成高价氧化铀而溶于地下水进行迁移。因此古气候由潮湿向干旱变化时期有利于形成铀矿,也就是说在干旱的古气候时期才能在富含有机质的灰色砂岩中形成层间氧化带型铀矿。
东胜铀矿赋存于直罗组下段,呈灰色、灰绿色,含有大量的有机质和炭屑,并有煤层,说明其沉积时是温暖潮湿的古气候环境;而直罗组上段以及中侏罗安定组都是紫红色砂岩、泥岩及少量砾岩。白垩系地层全为红色砂岩、砾岩。从直罗组上段至白垩纪一直是干旱气候环境,地层及地下水中含氧量增大,易于形成层间氧化带。从大青山物源区搬运的沉积物中铀矿物被氧化成高价铀溶于地下水中进行搬运,在东胜地区遇到还原环境发生沉淀。
岩石样号
(3)呈易溶铀有机质络合物形式迁移。其以不同的腐殖酸盐络合物方式被搬运(如Na4[UO2(CnHmCOOH)]形成于中—弱碱性条件,pH值在4.7～8时最稳定)。
(4)呈铀的胶溶体[UO2(OH)2]形式迁移。这种胶体带正电荷,pH在5～8时最稳定。3.2 还原带铀元素的沉淀
为了详细研究该矿床的成矿作用,在核工业208地质大队ZKA183-37钻井岩心样的矿体部位系统采集样品,这种井下岩心中采样没有地表风化干扰因素,其代表了原始地下流体相互作用使矿质沉淀的信息。在矿体中按等间距采3个样品,矿体顶、底板围岩分别采样,在室内研磨加工,全样品均过200目筛之后进行分析,确定岩石中各种矿物的相对含量(表2)。
表2 铀矿体及其顶、底板围岩中各种矿物相对含量Tab.2 ComparativePercentsofSeveralMineralsinUOreBodyandtheWallRocksAboveItandBellowIt
深
度/m
矿物含量wB/%
岩 性
蒙伊高绿黄方石脱利岭泥铁解石石石石矿石英
绿色泥岩(矿体顶板)绿色中细粒砂岩灰色粗粒砂岩(矿体)灰色粗粒砂岩(矿体)灰色粗粒砂岩(矿体)白色砂质泥岩(矿体底板)灰白色砂质泥岩
262225361800
866654
17111814162169
534000
2022200
00
1828
微钠斜
长长石石98351403
710710900
N1130.4N2141.5N3143.9N4146.5N5150.4N6159.8N7163.6
22169900
10202628
3 铀元素的迁移与沉淀
3.1 表生作用下铀元素的迁移方式
表生条件下铀的迁移可以以碎屑及悬浮体搬运,大部分铀迁移形式为:
(1)呈硫酸盐形式,UO2SO4(硫酸铀酰)多见为热液硫化矿床风化后常见的迁移形式。其在中性至酸性溶液中稳定,在碱性溶液中发生沉淀。
(2)呈碳酸铀酰络合物Na2[UO2(CO3)3]和Na4[UO2(HCO3)6]形式迁移。这种络和物在理论上及实验室中已得到证明,特别是在碱性介质条件下易生成易溶络合物,进行迁移。1638
表中数据由西安地质矿产研究所测试(配有日本理学D/MAX-rA高功率旋转阳极X射线衍射仪),2005;岩石样采自ZKA183-37钻井,层位为中侏罗直罗组
根据X射线衍射分析,含铀矿砂岩中微斜长石、钠长石含量与砂岩中粘土矿物高岭石呈正相关,如表3在N5号样品中2种长石总和23%,5个样品中含量最高;相应的高岭石含量是21%,也是最高。在N3号样品中,2种长石含量最低;相应的高岭石含量也最低。这种相关性说明岩石中有部分高岭石是由长石在有机酸介质条件下蚀变而来。按质量作用定律,在相同介质条件下,长石含量越40地球科学与环境学报 第28卷
++
地析出UO22,含UO22离子的溶液沿着具有上、下
高,它转变为高岭石的数量越大。长石在酸性介质条件下转化为高岭石的反应2CaAl2SiO8+2H2O+4H=
长石
Al4[Si4O10](OH)8+2Ca
高岭石
在这个反应中溶液中释放出钙离子。氧化带风化的铀元素在碱性介质条件下以碳酸铀酰络合物Na2[UO2(CO3)3]和Na4[UO2(HCO3)6]形式向下渗透迁移,在还原带遇到有机酸分解长石转化为高岭石时释放的钙离子,发生铀矿和方解石的同时沉淀,其反应
Na2[UO2(CO3)3]+2Ca
2+
2++
泥岩隔水层的砂岩层定向流动,遇地层中有机质、
H2S等还原剂,就被还原沉淀形成铀矿物。经漫长的地质作用过程富集成工业矿体(图2)。
1-花岗岩;2-砂岩;3-泥岩;4-地
=
+
2-
下水流动方向;5-还原介质流动方向
Ca(CO3)+UO2+2Na+CO3
方解石 铀矿
图2 东胜铀矿成矿模式
Fig.2 MetallogenicModelMapinDongshengUOre
上述反应中铀矿发生矿化时有方解石的沉淀。在连续采样分析的6个样品中,铀矿石N3、N4、N5样品中含有大量的方解石(表3),而矿体顶、底板围岩都不含方解石。这种证据充分说明铀元素以Na2[UO2(CO3)3]络合物的形式在溶液中搬运。
表3 长石与高岭石含量呈正相关
Tab.3 PositiveCorrelationBetweenFeldsparWithKaolinite
样号
长 石
(微斜长石+钠长石)
高岭石方解石
N523219
N218180
N111170
N415169
N3101422
5 结论
(1)东胜铀矿的形成受各种因素所控制。物源、地层、古气候三方面因素缺一都不能成矿。
(2)在氧化带碱性条件下铀元素溶解向下迁移;遇还原带酸性介质中和沉淀富集。
(3)铀元素富集成工业矿体要经过漫长的地质成矿过程。
[ 参 考 文 献 ]
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4 矿床成因模式
燕山运动早期,鄂尔多斯盆地北侧大青山地区不断抬升,伴随有大量花岗岩侵入,形成盆地内部北高南低的地貌特征。盆地水系是自北朝南向盆
地中心汇聚,因此北侧风化的富含铀的花岗岩、变质岩碎屑被源源不断地搬运到东胜地区沉积。在干旱炎热的古气候环境下,砂岩中大量铀元素氧化溶解,以[UO2(CO3)]络合离子向地下深处渗流。富含铀元素的层间水流经还原带时,这里有大量有机酸分解长石时析出的钙离子,于是出现方解石和铀矿物的同时沉淀。另外,在东胜铀矿体的上部地层中含有大量的钙化木,这种钙化木是水溶液中的碳酸铀酰络合物分解交代树木所形成。当碳酸铀酰络合物交代木质,发生碳酸钙沉淀后,水中不断
2-
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