洪海溝鈾礦床Ⅶ旋回水化學條件與鈾源分析

王福東，張磊，陳程，魏顯珍

（1.核工業二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011；2.中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津 300191）

關鍵字 洪海溝地區；水化學條件；成礦規律；鈾源分析

0 引言

洪海溝鈾礦床位于新疆伊犁盆地南緣，是核工業地質系統近幾年新發現的大型可地浸砂巖型鈾礦床（陳奮雄等，2016a），目前洪海溝鈾礦床已經進入到試驗原地浸出開采階段。砂巖型鈾礦床的形成是受多種因素綜合控制的結果，包括大地構造背景與鈾源條件、巖相巖性、盆地古氣候、水文地球化學條件等（陳祖伊，2002）。已有的研究主要集中在巖性（董亞棟等，2016）、巖相（馮建輝等，1999；邱余波等，2014）及煤鈾共生（王毛毛等，2015；賈志勇等，2020）等方面。伊犁盆地南緣已發現的鈾礦床在成礦條件方面具有一定的成礦共性：均以二疊系凝灰巖為主要的成礦物質來源，構造背景基本一致，均發育在南部構造斜坡帶中，賦礦地層中下侏羅統水西溝群為一套潮濕氣候下形成的含煤碎屑建造，含豐富的有機質和黃鐵礦等特征（李盛富等，2006）。邢東旭等（2014）總結了洪海溝地區地下水的水化學分帶。以往研究對于洪海溝鈾礦床的主要含礦層位Ⅶ旋回砂體的水化學條件特征和成礦階段鈾源問題均缺少具體的探討。本文結合鉆探資料，根據水化學特征，總結鈾成礦規律及鈾礦物來源，為今后鈾礦勘探工作提供經驗。

1 區域地質背景

伊犁盆地在大地構造單元劃分上屬于天山造山帶中的伊犁-中天山微地塊，盆地南緣的近東西向斷裂帶發育于華力西晚期，展布于石炭系和二疊系中，多為擠壓逆沖斷層（陳奮雄等，2016b）。盆內次級斷裂以近南北向張性斷裂和北東向扭性斷裂為主（張國偉等，1999）。中新生代地層在每個斷階上總體呈向北緩傾的單斜構造，地層發育較齊全。盆地斜坡帶東、西段后期構造活動，尤其是新構造運動強度有明顯差異，西部構造活動較弱，為向北緩傾的單斜構造；東部構造活動強烈，由一系列排列緊密的背、向斜組成，斷裂發育，局部中新生界在山前倒轉產出（圖1）。研究區位于伊犁盆地南緣斜坡帶西部構造相對穩定區，其構造分區屬于次級構造單元洪海溝西部凹陷，向東與庫捷爾太微凸相毗鄰。

圖1 伊犁盆地南緣構造分區圖（據陳奮雄等，2016c修改）

2 礦床地質特征

2.1 地層

上古生界為研究區的直接基底和主要的物源區，為一套海相火山噴發沉積、海相—海陸過渡相碎屑巖沉積組合，主要巖性為流紋巖、英安巖、安山巖、玄武巖、凝灰巖以及凝灰質角礫巖、火山碎屑巖，在盆地南部山區出露。

洪海溝鈾礦床中新生代蓋層總體齊全，僅缺失上侏羅統。中新生代蓋層不整合覆蓋于石炭系或二疊系中酸性火山巖、火山碎屑巖之上。受區域構造運動影響，造成中新生代發生了規模較大的沉積間斷（J～N），表現為地層之間的不整合接觸和地層的缺失。

研究區內蓋層為三疊系中上統小泉溝群、侏羅系、新近系和第四系。侏羅系水西溝群巖石的韻律變化及其組合在剖面上的重疊，反映了水西溝群沉積過程中因地殼的差異運動導致沉積環境變化的規律，盡管這種韻律變化在局部發育并不十分完善，但在礦區卻具有規律性和可比性，根據這種規律性將水西溝群自下而上劃分為4個組、8個沉積旋回和若干亞旋回（用Ⅰ～Ⅷ表示）（阿種明和張新科，2003）。組與旋回對應關系為：八道灣組對應Ⅰ～Ⅳ旋回，三工河組和西山窯組下段對應Ⅴ旋回，西山窯組中—上段對應Ⅵ—Ⅶ旋回，頭屯河組對應Ⅷ旋回。

2.2 鈾礦化層位

洪海溝鈾礦體產出于侏羅系地層Ⅶ旋回砂體中，空間上鈾礦體形態呈典型的卷狀，部分呈板狀；在平面上，礦體在氧化帶前鋒線位置賦存。近年來，通過對礦床主含礦層巖性-巖相的深入分析，發現在單斜構造背景條件下，層間含氧含鈾水在砂體內的滲流狀態主要受到含礦砂體展布形態的制約，表現為層間氧化帶收斂于砂體突變（沉積微相相變）部位，層間含氧含鈾水與含礦砂體構成動與靜的關系，砂體空間展布約束著層間氧化流體的運移，砂體的非均質性造成層間氧化帶分層，進而控制鈾礦體的空間產出狀態。洪海溝鈾礦床為典型的單斜構造中的層間氧化帶型水成鈾礦床（王軍和耿樹芳，2009）。

3 研究區水化學特征

3.1 水文地球化學特征

地下水的環境特征決定于地下水的水化學成分、標型元素（或化合物）含量及pH值、Eh值等。標型元素（或化合物）在含水層中隨著地下水的流動而遷移，決定著地下水的水文地球化學環境。同時，水-巖作用的結果也會影響標型元素（或化合物）的含量，使得地下水的水文地球化學環境發生改變。這種改變正是鈾氧化溶解或還原沉淀的重要條件（王福東和魏顯珍，2015）。研究區地下水可劃分為HCO3型、HCO3·SO4型、SO4·HCO3型、SO4·Cl和SO4·Cl·HCO3混合型等4個水帶，平面上地下水的礦化度由補給區向排泄區逐漸增大，同時表現為以K01線為中軸線，向兩側增大，水質類型變化特征與礦床內地下水的流向吻合（圖2）。

圖2 洪海溝地區地下水水化學圖

據水文地球化學調查資料（表1），礦床南部基巖裂隙水溶解氧含量大于7.00 mg/L，Fe2+/Fe3+為0.71，Eh值為434.90 mV，pH值7.65～8.25，表明補給區基巖裂隙水具有較強的氧化性，有利于基巖中的鈾氧化進入地下水中，同時基巖裂隙水中含U元素的含量較高，同樣說明了這一點。

表1 洪海溝鈾礦床Ⅶ旋回水文地球化學參數表

礦床地下水pH值7.20～8.88，為弱堿性；水中鈾含量因取樣位置原因達0.90×10-6～40.60×10-6g/L，略高于基巖裂隙水；Eh值-88～396 mV，顯示氧化還原特征，處于過渡帶；Fe2+/Fe3+為0.02～2.00，水中溶解氧含量較小，一般為1.50～4.51 mg/L。以上表明中生代侏羅系Ⅶ旋回地層中不同位置分別存在著氧化、還原的水文地球化學環境。

3.2 Ⅶ旋回含礦含水層水動力特征

研究區內Ⅶ旋回含礦含水層地下水水量豐富，單位涌水量為0.016～0.098 L/s·m，地下水水位埋深由南東向北西逐漸增大，一般為52.75～120.94 m；地下水承壓性較好，承壓水頭高度116.25～484.65 m，壓力傳導系數為0.63×104～5.35×104m2/d，滲透系數一般為0.31～1.13 m/d，導水系數5.05～16.07 m2/d。通過對第Ⅶ旋回含水層地下水礦化度與洪海溝地表水礦化度的對比（表2），說明洪海溝地表水對含礦含水層地下水有補給作用。含礦層在接受第四系潛水和洪海溝河水的入滲補給后，順地層的傾向流動。因此在研究區地下水的流向總體呈北西向。

表2 洪海溝鈾礦床Ⅶ旋回含礦含水層地下水化學成分橫向變化與補給距離關系表

4 水化學條件與鈾成礦的關系

洪海溝鈾礦床Ⅶ旋回礦體為后生的水成鈾礦，地下水在成礦過程中起著至關重要的作用（李細根和黃以，2001）。富含氧的大氣降水入滲察布查爾山北坡古生代石炭紀、二疊紀地層風化裂隙中，其中的還原態鈾被氧化溶解并向侏羅系Ⅶ旋回砂體含水層入滲侏羅系承壓含水層中，在水頭壓力的作用下沿地層傾向向北西形成地下徑流。地下水攜帶著被氧化的鈾元素順層遷移，至東曼里以北約2 km的隱伏斷裂（侏羅系各層承壓水排泄源）處，由于斷層的減壓釋氣作用而使地下水的化學成分發生如下變化：

釋氣作用使地下水中CO2濃度降低，使上述各平衡向右移動，結果導致水中離子含量升高。在侏羅系Ⅶ旋回地層中大量還原劑（有機炭含量一般0.1%～0.4%，最高達4.7%，洪海溝西部的有機炭含量高于東部）的作用下，發生還原而以瀝青鈾礦形式沉淀于有機物含量較高的巖石顆粒表面。

礦體形成后，含氧地下水不斷從上游補充，一方面繼續溶解巖石中較高品位的分散狀態的鈾元素，另一方面對礦體尾部的鈾元素再次氧化遷移。當巖石中還原劑將地下水中氧化劑消耗到一定程度，水的氧化-還原電位（Eh水）值小于六價鈾被還原為四價鈾的氧化-還原電位臨界值（Eh臨）時，六價鈾就再次被還原為四價鈾而沉淀下來。地下水這種不斷的氧化、還原、再氧化、再還原過程，使得鈾礦體不斷地溶解重新沉淀而向前“推移”。由于含水層中地下水粘滯性的差異，使得靠近頂底板部位地下水流速小，導致了含水層頂底部地下水中鈾元素優先還原沉淀，因此，鈾礦體多形成為卷狀（劉銘艷和張占鋒，2007），其形成機制與水動力條件關系見圖3。

圖3 層間氧化帶砂巖型鈾礦成礦模式圖

綜上所述，完整的地下水補給-徑流-排泄體系既是地下水運動的內在動力，又是鈾元素溶解遷移和富集成礦的必要條件。

5 洪海溝鈾礦床鈾源分析

目前，關于洪海溝鈾礦床的鈾源問題尚未有比較統一的全面認識，不過結合臨近庫捷而太礦床對鈾源的分析，現階段比較一致的觀點是外部和內部的鈾源對成礦可能都有重要貢獻（李彥龍，1997）。以下對內部和外部鈾源進行全面分析。

（1）內部鈾源。鈾是在沉積作用時與砂體一起沉淀的，形成于早－中侏羅紀（J1-2）含礦建造形成期。對于內部鈾源的分析建立在大量樣品的檢測數據總結基礎上。由樣品的分析結果表明：鈾元素在層間氧化帶各地球化學分帶中的變化規律性最明顯（表3），鈾在氧化帶含量最低，平均為7.47×10-6，隨氧化程度減弱，鈾含量不斷增高，過渡帶含量急劇上升達最高值，超過100×10-6，到原生巖石帶鈾含量降為13.26×10-6，略高于氧化帶（李細根，2002）。說明在地下水氧化還原性砂體而形成層間氧化帶發育過程中，砂體中的鈾元素明顯發生了活化并向前遷移。這一過程導致地層砂體中原生的約44%的鈾被活化遷移至氧化帶鋒線位置沉淀下來，并隨著氧化帶的前移而不斷重復活化-沉淀。

表3 層間氧化帶各地球化學分帶中U與C有、S全及價態鐵含量統計表

由以上分析可得出，在礦體卷頭部位中有一部分鈾來源于原生還原砂體，數量可由氧化帶的規模確定。由于Ⅶ旋回的氧化帶規模有限，所以由地層內部鈾源所成礦體只占礦床很小一部分。

（2）外部鈾源。對洪海溝礦床來講，外部蝕源區的鈾源在成礦中也起著重要的作用。由于礦床南部蝕源區出露的石炭系—二疊系各巖性單元及中酸性侵入巖體含鈾性好，廣泛分布的中酸性火山巖及火山碎屑巖平均鈾含量為5.8×10-6～9.7×10-6，Th/U值平均2.72。其中石炭系腦蓋組（C2n）的各種凝灰巖現代鈾含量相對較高，其中鈾平均值為17.5×10-6，鈾丟失率占67%以上，鈾浸出率達20%。鈾于近地表的花崗巖和凝灰巖中淋出從而為鈾礦床的生成提供了主要的來源，且這些鈾的活化時間較晚，大約于上新世—全新世才發生活化（劉陶勇，2004）。因為這一時期新構造運動進一步發展，盆地抬升，蝕源區與盆地蓋層落差明顯加大，古生代地層構成的察布查爾山隆起構成了補給區的水文地質體，在盆地中心的東西向隱伏大斷裂構成了盆地區域排泄源。此時侏羅系Ⅶ旋回地層形成了完整的補-徑-排層間承壓水動力系統。富含的含氧含鈾水在水動力機制下源源不斷的進入洪海溝Ⅶ旋回地層，并在有機質、硫等還原性介質的作用下而沉淀富集。

6 結論

（1）研究區目的層砂體具有穩定的補-徑-排體系，且這一體系持續的時間較長，始于上新世以前。這一特點為含氧含鈾水持續的自山區進入地層空間上提供了運移通道，時間上提供了一個長期的穩定的環境。同時侏羅系Ⅶ旋回地層砂體厚度10.0～30.0 m之間，與上下含礦含水層之間無水力聯系。砂體成分主要為長石和石英，易溶礦物及碳酸鹽含量較少，顆粒成分均一，結構疏松，含礦砂體透水性好，這些為鈾提供了賦存的空間。

（2）研究區地下水可劃分為HCO3型、HCO3·SO4型、SO4·HCO3型及SO4·Cl和SO4·Cl·HCO3混合型等4個水帶。以上4個水化學類型分帶沿地下水流向展布。隨著地下水環境的改變，水中鈾離子的組分也發生了很大的變化。這一水化學環境的差異為鈾的活化或者沉淀提供了動力條件。

（3）洪海溝鈾礦床Ⅶ旋回砂體中的鈾元素只有少部分來自于與砂體同時代沉積的內部鈾源。其中大部分礦體中的鈾是在含礦建造形成完整的補-徑-排體系之后由含氧水從礦床南部山區的花崗巖和凝灰巖淋濾并攜帶進入Ⅶ旋回砂體中。這些進入砂體中的鈾經過多次的活化、沉淀過程的滾動疊加，礦體就緩慢的從很小的點成長為有規模的礦體。