伊犁盆地蚀源区铀源条件分析

何 忧,荣 辉,彭 浩,黄 琨,马青青,万军伟

(1.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)资源学院,湖北 武汉 430074)

砂岩型铀矿是一种以砂岩为铀储层的外生铀矿床,其形成受铀源条件、铀储层的性质以及成矿流体的地球化学特征等多种因素的共同影响[1-7],其中铀源条件是砂岩型铀矿形成的物质基础和主控因素之一[8-12]。盆地内的铀主要来源于盆地周边蚀源区的含铀岩系,富铀岩石风化剥蚀后被水流搬运至盆地内沉积,构成盆地铀储层的预富集,后期在水文地球化学作用下铀储层中的铀溶出—迁移—沉淀富集成矿。岩石中铀的含量和铀的析出能力是影响砂岩型铀矿成矿规模的重要因素,也是衡量铀源条件的关键指标。

铀(U)是一种变价元素,自然界中主要以4价铀(U4+)和6价铀(U6+)的形式存在。地下水中U4+的溶解度很低,常以固态铀的形式存在于岩石中,而地下水中的U6+可与多种阴离子络合,形成易溶于水的铀酰络合物而随水迁移[13-14]。在氧化条件下,岩石中的U4+被氧化为U6+进入水中,而在还原条件下,水中U6+被还原成U4+沉淀,说明氧化还原条件控制了铀在固-液相之间的迁移转化行为[15]。盆地蚀源区的地表河流水流动性强、溶解氧含量较高,常具有氧化性,河水在流经含铀岩石的过程中,会氧化和溶解岩石中一部分铀而使得地表水中铀的含量升高,因此地表水中铀的含量可反映其流经地区岩石中铀的含量和铀的析出能力,据此可通过盆地蚀源区地表水的化学成分特征来识别盆地的铀源条件[16-19]。

伊犁盆地是我国重要的铀资源基地,经过多年的铀矿勘探实践,目前已发现多处大型砂岩型铀矿床,伊犁盆地南缘从西到东已形成长达近百公里的可地浸砂岩型铀矿带,成为中国第一个万吨级以上的大型铀资源基地[20-24]。伊犁盆地蚀源区广泛分布石炭-二叠纪中酸性侵入岩、火山岩、中基性火山岩和陆源碎屑岩,构成了盆地潜在的铀源岩,前期对伊犁盆地地下水化学特征的研究发现,氧化带内地下水中铀的含量沿流向逐渐增大,表明伊犁盆地沉积物中富含铀且具有良好的铀析出能力,然而盆地内富铀沉积物的物质来源尚不明确[25]。因此,本文以伊犁盆地为研究对象,通过系统采集流经不同类型岩石、地层的地表水样进行水文地球化学测试,分析其水化学成分及铀含量的变化特征,进而分析与识别蚀源区不同岩石类型的铀源条件,以为指导伊犁盆地砂岩型铀矿勘探提供水文地球化学依据。

1 伊犁盆地区域地质背景

伊犁盆地是新疆西天山支脉科古琴山和察布查尔山之间所挟持的山间盆地,是在前寒武纪古老地块上发展起来的中新生代盆地,盆地走向总体为东西向,呈东窄西宽、向西开口的喇叭型,长约160 km,宽平均约为40 km。区内地势总体为南北高中间低、东部高西部低,在地貌上表现为近似南北对称的格局,即以伊犁河河谷为中心,中部为冲积平原,向南北两侧依次为冲洪积倾斜平原、丘陵及中低山区。

盆地基底由中上元古界和古生界地层组成,其中中上元古界地层主要分布于盆地的北部,为一套碎屑岩和碳酸盐岩沉积,经历轻度变质作用,主要岩性包括泥岩、大理岩化灰岩、泥质灰岩、硅质灰岩、硅质岩、砂岩等；下古生界寒武-志留系地层主要分布在盆地北部山区,主要为一套碎屑岩沉积夹碳酸盐岩,主要岩性包括砂岩、粉砂岩、泥岩、灰岩、砂岩夹灰岩以及中酸性火山碎屑岩；上古生界石炭-二叠系地层广泛分布于盆地南、北两侧山区,由一套火山岩和碎屑岩组成,主要岩性包括凝灰岩、玄武岩、安山岩、凝灰质砂岩、砂砾岩等。盆地盖层为中、新生界陆相碎屑沉积地层,包括三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系,其中三叠系至侏罗系主要为砂砾岩、砂岩、泥岩夹煤层的含煤碎屑沉积；白垩系至新近系主要为一套红色的砂岩、泥岩、砂砾岩组成,两者仅分布在盆地边缘丘陵地带；第四系主要为砂、砾石、松散堆积物,广泛分布于冲积平原和冲洪积倾斜平原地区[11],详见图1。区内岩浆活动强烈,伊犁盆地南北两侧出露大量石炭-二叠系侵入岩，其中盆地北部以石炭纪侵入岩为主,呈NWW-SEE展布,岩性主要为二长花岗岩、英云闪长岩、钾长花岗岩，零星出露早二叠世的钾长花岗岩；盆地南缘乌孙山以二叠纪侵入岩为主,岩性主要为二长花岗岩、钾长花岗岩以及少量的闪长岩、花岗斑岩。

2 样品采集与测试方法

良好的铀源岩石所必备的一般条件是铀含量高而且易于析出。因此,岩石中铀的含量和铀的析出能力成为衡量铀源岩石品质的关键指标。

为了探究伊犁盆地蚀源区的铀源条件,通过对伊犁盆地蚀源区露头进行地质调查，本次系统采集了岩样76块,其中岩浆岩49块、火山碎屑岩21块、沉积岩6块,经室内镜下观察,初步鉴别铀源岩石类型、特征,并结合室内地球化学测试工作,对蚀源区各类铀源岩石中铀、钍的含量等数据分别进行定量统计,分析不同类型岩石中铀的含量特征,同时为了获取铀析出率参数,还对新鲜岩石与风化岩石进行了对比取样分析。另外，采集了不同岩石类型分布区的地表水样品20组,其中湖水样1组、河水与矿坑水混合样1组、河水18组(见图1),每组采集3瓶水样,分别用于测试地下水中阴、阳离子和铀的含量,以查明流经不同岩石类型的地表水化学特征及铀含量的变化规律,分析不同岩石铀的析出能力。为了避免降雨条件下雨水和坡面流的影响,本次采样选择研究区无降雨期间进行。水样中阴、阳离子含量的测定在中国地质大学(武汉)环境学院实验中心完成,放射性铀含量的测定在核工业包头地质矿产分析测试中心完成,样品的分析误差均优于5%。

图1 伊犁盆地区域地质图及地表水样点分布Fig.1 Regional geological map and distribution of surface water samples inYili Basin

3 结果与讨论

3.1 伊犁盆地蚀源区岩石中铀含量的特征

伊犁盆地蚀源区岩石样品中铀含量的测定结果，见表1。

由表1可知：伊犁盆地蚀源区酸性岩浆岩中铀的含量最高,铀含量的平均值为3.42～7.72 mg/kg,酸性岩浆岩中又以花岗岩最好,而在所采集的花岗岩样品中,细粒花岗岩和细粒黑云母花岗岩中铀的含量最高,分别达31.18 mg/kg和28.33 mg/kg；火山碎屑岩、沉积岩中铀的含量中等, 铀含量的平均值为2.33～3.60 mg/kg；中性岩浆岩中铀的含量最低,铀含量的平均值为0.92～1.80 mg/kg。

表1 伊犁盆地蚀源区岩石中铀含量的测定结果Table 1 Test results of rock uranium content in the source area of Yili Basin

上述研究结果表明,伊犁盆地蚀源区广泛出露的石炭-二叠系花岗岩、火山碎屑岩是区内重要的潜在铀源岩。

自然界中钍的化学性质比铀更稳定,常以不易溶解的4价离子存在,岩石风化过程中铀被氧化析出后会导致岩石中钍铀比的增加,因此可根据新鲜岩石和风化岩石中的钍铀比来分析岩石中铀的析出情况。本次采集的岩石样品中有7个花岗岩风化样品和2个流纹岩风化样品,根据岩石中铀、钍含量的测定结果可分别计算新鲜岩石样品和风化岩石样品中的铀钍比和铀析出率,其结果见表2。

表2 伊犁盆地蚀源区花岗岩和流纹岩的铀源特征Table 2 Uranium source characteristics of granite and rhyolite in the source area of Yilin Basin

由表2可知:新鲜花岗岩样品中铀含量的平均值为9.28 mg/kg,风化花岗岩样品中铀含量的平均值为5.30 mg/kg,且风化后岩石样品中钍铀比值变大,铀析出率较高,为42.89%,说明花岗岩含铀性最好,且铀析出率高,是区内良好的铀源岩；新鲜流纹岩样品中铀含量的平均值也较高,为4.49 mg/kg,但是铀析出率相对较低，为14.92%。为了进一步评价区内不同岩石中铀的析出能力,还需结合流经不同岩石分布区的地表水中铀的含量特征,综合分析伊犁盆地蚀源区的铀源条件。

3.2 伊犁盆地蚀源区地表水中化学组分及铀含量的特征

3.2.1 湖泊中水化学组分及铀含量的特征

伊犁盆地蚀源区地表水化学组分及铀含量的测定结果，见表3。

表3 伊犁盆地蚀源区地表水化学组分及铀含量的测定结果Table 3 Chemical composition and uranium content of surface water in the source area of Yili Basin

注：表中除U6+含量单位为μg/L外,其余单位均为mg/L。

现代湖泊水化学特征可以作为伊犁盆地形成时期伊犁湖盆水化学特征分析的参考依据。赛里木湖位于科古琴山北麓,是新生代的一个断陷盆地,是离研究区最近的湖泊，湖水主要靠来自科古琴山北麓基岩裂隙地下水和雪融水补给,赛里木湖补给区出露的地层岩性与伊犁盆地补给区的地层岩性基本一致,因此根据赛里木湖湖水的铀异常可知伊犁盆地具有较丰富的铀源条件。另一方面,湖水的水化学特征可以代表伊犁盆地形成早期湖盆的水化学特征,伊犁盆地早期湖盆沉积阶段也应该存在湖水的放射性铀异常,湖相沉积淤泥和泥岩中的原生沉积水中也应该含有较高浓度的铀,这可能是煤岩型铀矿形成的基础。

3.2.2 河流水中化学组分及铀含量的特征

基于MODIS数据的蒙山2001—2016年植被动态变化研究 丁少文 陈亦妍 谭丽荣 等 (4) (81)

本研究所采集的河水样品主要位于伊犁盆地的蚀源区,其河水水化学特征可以反映铀源区不同水系河水流经不同岩性地层所发生的水-岩相互作用特点以及不同子流域的铀源条件,根据子流域地层岩性的出露情况以及地表河流水经过不同地层前后铀浓度的变化,可以分析铀源区不同岩石中铀元素的相对含量及其在风化过程中铀元素的释放能力。

通过区内的主要地表水系以及同一水系在经过花岗岩前后水化学特征的差异,尤其是铀浓度的差异分析，可得到伊犁盆地蚀源区不同地层和岩石中铀的释放情况如下：

图2 伊犁盆地蚀源区河水流经花岗岩前后取样点分布图Fig.2 Distribution of riverwatersampling points before and after granite in the source area of Yili Basin

岩石类型水样编号水中铀浓度/(μg·L-1)铀浓度变化/(μg·L-1)流程长度/km铀浓度梯度/[μg·(L·km)-1]花岗岩S113.321.873.280.57S145.19火山碎屑岩S184.294.298.750.49S195.045.0412.930.39S012.190.299.960.029沉积岩S022.48S152.91S163.070.162.720.059

综上分析可知，研究区内花岗岩中不仅铀含量高,且铀的析出能力强,是研究区内重要的铀源之一。

(2) 火山岩及火山碎屑岩也是重要的铀源。伊犁盆地北部蚀源区苏阿勒马提河源头的S06水样点上游主要为石炭系凝灰质砂岩,河水实际上是由凝灰质砂岩裂隙-孔隙地下水泄流汇集而成,其水化学类型为中等TDS(1.28 g/L)重碳酸硫酸钠型水,河水中阴、阳离子含量均明显高于其他河水,河水中U6+含量高达39.05 μg/L,是其他河水的10倍。发源于二叠-石炭系火山碎屑岩的河水,如盆地南部苏阿苏河及大博乐河的上游主要为凝灰岩(S18、S19)(见图1),其河水中的铀含量达4.29～5.04 μg/L,也要略高于其他地层出露区的河水,S20水样的铀含量较高,为9.33 μg/L,主要是S19→S20的河水受到煤矿矿坑排水(侏罗系地下水)混入的影响,导致河水的TDS明显升高。因此,根据S18、S19水样点的铀含量及上游河道长度,估算火山碎屑岩区河水中铀浓度梯度约为0.39～0.49 μg/(L·km)(见表4)。

(3) 沉积岩的铀源条件较差。伊犁盆地北部大西沟上游S01、S02水样点上游主要为寒武-奥陶系的砂岩、灰岩和第三系的砂砾岩(见图1),其水化学类型为低TDS重碳酸钙型水,水中铀的含量为2.19～2.48 μg/L；麻扎圩斯坦河上游东支上游S15、S16水样水质代表了上游石炭-志留系灰岩区的水质特征[见图2(b)],水化学类型为低TDS重碳酸钙型水,河水中U6+的含量为2.91～3.07 μg/L；吉尔格浪河的S07、喀什河的S08以及特克斯河的S09水样水质代表了区内各地层混合后的水质特征(见图1),河水中U6+的含量为3.73～4.25 μg/L。上述结果表明,伊犁盆地沉积岩区河水中的铀含量低于区内河水中铀的平均含量,表明沉积岩中铀的含量较低,与沉积岩岩样中铀含量的测试结果一致。

另外,根据S01→S02水样之间的铀含量变化,可计算得到第三系砂砾岩区河水中铀浓度梯度约为0.029 μg/(L·km)(见表4)；根据S15→S16水样之间的铀含量变化[见图2(b)],可计算得到石炭系-志留系灰岩区河水中铀浓度梯度约为0.059 μg/(L·km)(见表4)，远低于区内花岗岩以及火山碎屑岩区河水中铀浓度梯度,说明沉积岩中固态铀的析出能力较弱。因此,研究区内沉积岩的含铀性和铀的析出能力均较低,铀源条件较差。

4 结 论

在野外地质调查的基础上,系统采集了伊犁盆地蚀源区不同类型岩石样品和地表水样品,测定了岩石地表水中铀的含量及其变化规律,分析了不同岩石铀的含量及铀的析出能力,得到如下结论:

(1) 伊犁盆地蚀源区和赛里木湖流域补给区的地层条件基本一致,赛里木湖水的铀异常表明伊犁盆地具有较丰富的铀源条件。

(2) 伊犁盆地蚀源区内酸性岩浆岩中铀含量最高,铀含量的平均值为3.42～7.72 mg/kg,酸性岩浆岩中又以花岗岩最好,含铀量最高达31.18 mg/kg；火山碎屑岩和沉积岩中铀含量中等,铀含量的平均值为2.33～3.60 mg/kg；中性岩浆岩中铀含量最低,铀含量平均值为0.92～1.80 mg/kg。

(3) 伊犁盆地蚀源区内地表河水流经花岗岩和火山碎屑岩区,河水中的铀含量有明显的升高,沿径流方向铀浓度梯度约为0.39～0.57 μg/(L·km),而流经沉积岩区时河水中的铀含量增幅较低,铀浓度梯度约为0.029～0.059 μg/(L·km),说明花岗岩和火山碎屑岩中固态铀的析出能力强,而沉积岩中铀的析出能力弱。

(4) 伊犁盆地蚀源区广泛分布的石炭-二叠系花岗岩的含铀性最好,且铀的析出能力强,是研究区内最重要的铀源；火山碎屑岩中含铀量中等,但铀的析出能力很强,也是区内重要的铀源；沉积岩中含铀量低，且铀的析出能力弱,铀源条件较差。