水成砂岩型铀矿床非铀矿物及对浸出的影响.doc

水成砂岩型铀矿床非铀矿物及对浸出铀的影响
王海峰1，李建东2，原渊1，董 军1，利广杰3，宋振江4，陈云龙5，许影1
（1，核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；2，中广核燃料有限公司，北京 100029；3，北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038；4，北京市大兴区质量技术监督局 北京 102600；5，北京探矿工程研究所，北京 100083）

摘要：大量的样品分析结果表明，我国已发现的水成砂岩型铀矿床中，主要非铀矿物基本相同，化学成分含量值域较窄。理论和实践证明，非铀矿物不同程度地影响铀的酸法浸出或碱法浸出。
关键词：水成；砂岩；铀矿床；非铀矿物；浸出
中图分类号：TL 212.12 文献标志码：A 文章编号：1000-8063（2013）01
1 水成砂岩型铀矿床的矿物成分
水成砂岩型铀矿床矿石的矿物组分按成因可分为两类：一类是继承围岩的物质，由母岩岩石碎屑物、有机质碎屑及黏土矿物构成，占矿物总数的98%～99%；另一类是成矿期生成的自生矿物，于海相沉积建造中发育而成，主要为黄铁矿、白铁矿及铀矿物，如沥青铀矿、铀石、铀黑等。矿石的矿物组成主要取决于矿体及其围岩的组成。表1列出了某铀矿床8个钻孔岩心揭露的矿物成分。
表1 矿石的矿物成分[1]
样号
继承围岩矿物
成矿期矿物
矿物wB/%
w(自生矿物)/%
黏土/%
化学胶结物/%
w(FeS2)/
%
铀存在形式
石英
长石
岩屑
云母
炭屑
重矿物、结核状黄铁矿
方解石
褐铁矿
UC024-1
35.2
21.6
33.6
5.0
2.1
1.5
草
莓
状
黄
铁
矿
0.5～
1.0
未测定
－
－
黄
铁
矿
、
白
铁
矿
1.0～2.0　
分散吸附　
UC024-3
36.2
18.6
39.8
3.5
0.4
1.0
7.5
－
－
沥青铀矿、铀石
UC024-4
34.0
20.8
39.4
3.5
0.4
1.0
未测定
－
－
超显微状
UC024-9
36.8
22.4
37.2
1.6
0.4
0.8
10.0
－
－
再生铀黑
KS0404-1
31.5
22.6
32.5
4.7
2.0
1.0
7.5
0.5
2.0
分散吸附
KS0404-2
34.6
24.3
33.3
3.6
0.5
1.2
6.85
无化学胶结物
分散吸附
UC0405-1
35.6
14.4
43.6
2.9
－
1.0
未测定
－
少量
分散吸附
UC0405-2
35.2
15.6
44.1
2.9
1.4
0.8
无化学胶结物
分散吸附

不同阶段的自生矿物是不同的。水成砂岩型铀矿床的代表矿物有：铁矿物，如黄铁矿（白铁矿）、褐铁矿、磁铁矿、针铁矿、赤铁矿、钛铁矿；碳酸盐矿物，如白云石、方解石、菱镁矿、菱铁矿；硅酸盐矿物，如正长石、斜长石、海绿石、锆石、绿泥石、黑云母、蛭石、榍石及黏土矿物（高岭土、蒙脱石、伊利石、水云母）；其他矿物，如石英、磷灰石、金红石等。矿石在物质成分上与围岩并无明显差别，仅铀矿物等微量组分有所不同。
2 水成砂岩型铀矿床中常见非铀矿物及其化学成分
水成砂岩型铀矿床的主要矿物为铁矿物、碳酸盐矿物、硅酸盐矿物及其他矿物，见表2[2]。
表2 水成砂岩铀矿床常见矿物化学成分
矿物类型
矿物
结构式
化学成分wB/%
铁矿物
黄铁矿
FeS2
Fe 46.67，S 53.33
褐铁矿
FeO(OH)·nH2O

磁铁矿
Fe3O4
FeO 31.03，Fe2O3 68.96
针铁矿
FeOOH
FeO3 89.9，H2O 10.1
赤铁矿
Fe2O3
Fe 70，O 30
钛铁矿
FeTiO3
Ti 31.6，Fe 36.8
碳酸盐矿物
白云石
CaMg[(CO)3]2
CaO 30.4，MgO 21.7，CO2 47.9
方解石
CaCO3
CaO 56，CO2 44
菱镁矿
MgCO3
MgO 47.6，CO2 52.4
菱铁矿
FeCO3
FeO 62.01，CO2 37.99
硅酸盐矿物
钠长石
Na[AlSi3O8]
SiO2 68.8，Al2O3 19.4，Na2O 11.8
拉长石
(Ca,Na) ×[AlSi3O8]
SiO2 50～56，Al2O3 28～32，Na2O 2.5～5.9，CaO 10～15
微斜长石
K[AlSi3O8]
SiO2 64.7～65.7,Al2O3 18.4～18.7,K2O 12.7～16.9
奥长石
(Na,Ca) ×[AlSi3O8]
SiO2 62.4，Al2O3 23.7，Na2O 8.9
CaO 5.0
钙长石
Ca[AlSi2O8]
SiO2 43.3，Al2O3 36.6，,CaO 20.1
钾长石
KAlSi3O8
SiO2 64.7，Al2O3 18.4，K2O 16.9
榍石
CaTi(SiO4)
CaO 28.6，TiO2 40.8，SiO2 30.6
锆石
Zr[SiO4]
ZrO 67.1，SiO2 32.9
角闪石
（NaCa2）·Mg,Fe,Al)5[(Si,Al)4O11]2×(OH)2
SiO2 35-60，Fe 2～40，MgO 0.5～36，CaO 0.5～29，Na2O 12.9

黑云母
K(Mg,Fe)3(Al,Fe+)Si3O10(OH,F)2
K2O 11.4，MgO 28.3，FeO 27.6,
Fe2O3 20.6，Al2O3 31.7,
SiO2 44.9，H2O 4.6，F 4.4
白云母
KAl2(AlSi3O10)(OH)2
SiO2 44～50，Al2O3 20～33，
K2O 9～11，MgO 1.32～2.0
高岭石
Al4(OH)8·[Si4O10]
Al2O3 39.5，SiO2 46.5
蒙脱石
(Ca,Na)·(Mg,Al,Fe)2·(OH)2·[(Si,Al)4O10]·nH2O
MgO 0.2～31.6，Al2O3 0.1～29.9,
Fe2O3 0～30，CaO 0.2～3.5,
Na 0.1～3.0，FeO 0.2～1.0
伊利石
(K,H2O)Al2·(OH)2·[(Si,Al)4O10]·nH2O
与白云母类似，K少，H2O多
其他矿物
石英
SiO2
Si 46.7,O 53.3
磷灰石
Ca2（PO4）3(F,OH)
CaO 54.58，P2O5 41.36，F 1.23，Cl 2.27，H2O 0.56
金红石
TiO2
Ti 60

从表2看出，水成砂岩型铀矿床矿石的化学成分来源：SiO2主要来自石英、长石、白云母、角闪石、高岭石等；Al2O3主要来自长石、黑云母、白云母及黏土矿物；K2O主要来自钾长石、微斜长石和白云母；Na2O主要来自钠长石、奥长石、角闪石等；CaO主要来自方解石、白云石、榍石及磷灰石等；MgO主要来自菱镁矿、黑云母、白云石、角闪石及蒙脱石等；P2O5主要来自磷灰石；TiO2主要来自金红石、钛铁矿和榍石，其中金红石中TiO2质量分数在95%以上；铁化合物（FeS2，FeO，Fe2O3）主要来自铁矿物，但一些非铁矿物如黑云母、角闪石等也含有铁；CO2主要来自碳酸盐矿物。
3 氧化还原作用对水成砂岩型铀矿床矿物成分的影响
3.1 氧化带、过渡带、还原带的矿物组成
按氧化程度可将水成砂岩型铀矿床分成氧化带、过渡带和还原带。
1）氧化带的岩石以黄色或黄褐色为主。与铀矿物伴随的黄铁矿被氧化成褐铁矿，部分褐铁矿脱水转化为赤铁矿及不稳定的中间产物——水针铁矿。该带的特点是Eh较高，达到100～300 mV，一般没有铀矿化。原来的灰色调岩石中普遍发育赤铁矿浸染黏土矿物现象，碳屑等有机物基本消失。
2）过渡带的岩石以灰色为主。黄铁矿与褐铁矿并存，出现成矿期叶片状、微脉状白铁矿。水中的自由氧大部分被消耗，Eh降低，为负值，六价铀还原成四价铀沉淀下来，并伴有其他元素富集。卷状矿体的卷头部位形成于该带。
3）还原带的岩石以浅灰色为主。有机质、硫化物和二价铁矿物均未被氧化，铁物相多以低价态形式存在，以黄铁矿为主，见有少量菱铁矿。Eh为负值，铀含量低，无矿化，岩石颜色保持原样，有机碳含量略低于过渡带。长石黏土化普遍，蚀变程度较低。
新疆某矿床分带特征见表3[3]。
表3 新疆某水成砂岩型铀矿床分带特征
层间氧化带
岩石颜色
蚀变
有机碳
全硫
铀矿化
褐铁矿化
黏土化
黄铁矿化
Fe3+/Fe2+
氧化带
淡-深黄
强-弱
弱-强
无
3.3
0.04
0.049
无-弱
氧化还原带
浅-深灰
弱-强
强-弱
霉状
1.6～1.8
0.07～0.15
0.06
弱-强
还原带
浅-深灰
无
弱-无
星散状
0.3～0.01
0.28
0.156
弱-无

3.2 矿物化学成分在氧化还原阶段的变化
虽然不同矿床氧化还原带的矿物成分不同，但对于水成砂岩型铀矿床来说其规律基本一致。
在新疆某矿床，各化学成分以下列特征出现：SiO2虽然受强氧化带石英溶蚀和Si元素迁出以及褪色带石英颗粒的次生的影响，但从氧化带到原生带含量变化不大；Al2O3从氧化带到还原带含量略有降低；CaO含量在氧化带最低，还原带最高；K2O、TiO2含量变化不大，总体上以过渡带含量最高；P2O5、Na2O、MgO含量总体上在氧化带变化不大，且与层间氧化作用无明显关系，以过渡带含量最低；Fe2O3含量从氧化带到原生带逐渐降低，FeO含量则逐渐升高，呈相互消长关系，但二者的总量基本保持不变，符合铁元素变化的一般规律。

4 不同铀矿床矿石的化学成分
对矿床开展地浸采铀现场试验之前，需要通过钻孔取岩心，然后在实验室进行浸出试验，包括搅拌浸出试验和柱浸试验。对矿石化学成分进行研究的主要目的是：确定试验所用浸出剂类型；确定铀含量，预测浸出液铀浓度曲线；确定耗酸和耗碱的物质成分及含量，确定酸法或碱法浸出剂；获知六价铀与四价铀的比例，确定氧化剂使用的必要性和种类。
新疆和内蒙古的24个矿体的矿石化学成分分析结果见表4。
表4 不同矿体矿石化学成分的质量分数 %
矿体
SiO2
Al2O3
K2O
Na2O
CaO
Mg2O
P2O5
CO2
FeS2
FeO
TiO2
Fe2O3
矿体1
69.73
11.9
3.09
2.16
2.11
1.07
0.197
1.18
0.16
0.68
0.37
0.79
矿体2
77.57
13.70
2.51
0.35
0.17
0.55
0.045

0.48
1.45
矿体3
76.38
11.87
2.87
0.96
0.15
0.59
0.060

0.22

矿体4
85.12
7.18
2.45
0.15
0.28
0.27

0.37
0.16
0.75

矿体5
80.55
4.0
2.89

0.03
0.72
0.055
0.19

0.48

1.87
矿体6
81.10
10.30

0.49
0.56

0.26
0.74

矿体7
76.2
10.16

0.78
1.91
0.071
0.20

0.38

矿体8
75.50
10.94
2.87
1.18
1.22
0.84

1.69
0.58
1.15

矿体9
89.68
9.0

4.26
1.36

1.52

0.33
0.80
矿体10

11.02
2.89
1.27
0.50
0.78
0.084
1.26
0.20
1.08
0.36
3.31
矿体11
74.80
11.48
2.77
0.95
0.80
0.89
0.08

1.42

2.65
矿体12
74.20
12.13
4.02
2.01
2.24
1.67

2.20
0.87
1.19
0.43

矿体13
72.27
12.08
2.69
0.61
0.63
1.31
0.10

0.24
2.55
矿体14
69.00
14.70

1.10
1.0

0.35

1.50
0.54
1.47
矿体15
64.97
11.72
2.95
1.15
2.34
2.30
0.06

1.63
0.20
2.67
矿体16
71.20
9.76

4.36
2.37
0.016

0.40
0.19
0.60
矿体17
78.07
8.63
1.91
0.10
0.15
0.38
0.053
0.29
0.24
0.39
0.25
0.46
矿体18
75.42
7.80
2.00
0.79
0.1
0.16
0.018
0.37
0.14
0.03
0.17

矿体19
87.13
7.0
2.09
0.07
0.11
0.2
0.046
0.21
0.15
0.49

矿体20
86.65
4.74
1.65
0.5
1.53
0.5
0.5

0.5
0.5
0.5
矿体21
83.90
8.27
1.78
0.5

0.5
0.5

0.5
0.5
0.5
矿体22
76.86
11.13
2.64
0.5
1.37
0.5
0.5

0.5
0.5
1.54
矿体23
84.61
7.74
2.20
0.5
0.5
0.5
0.5

0.5
0.5

矿体24
79.95
8.45
3.22
1.09
1.43
0.80
0.092

0.73
0.38
0.72

从表4看出，24个矿体的各组分分析值差别不大，特别是有些组分值域较窄，这一点在各矿体不同组分分析值的全距与平均值的比值（表5）中可以看出。
表5 不同组分分析值的全距与平均值的比值
组 分
SiO2
Al2O3
K2O
Na2O
CaO
Mg2O
P2O5
CO2
FeS2
FeO
TiO2
Fe2O3
比值
0.28
1.09　
0.86
2.49　
3.67
2.44
1.09
1.83
2.35
2.07
0.83
1.95

从整体上看出：各矿体SiO2分析值相差最小；CaO相差最大，全距是平均值的3.37倍；所有矿体的FeS2质量分数均小于2%，可用碱法浸出工艺；除12号矿体外，CO2质量分数均小于2%，适宜酸法浸出。事实上，表4所列出的一些矿体，在地浸开采试验中，既采用了碱法又采用了酸法，都有一定效果，说明了矿体具有两重性。
5 矿物成分对浸出铀的影响
5.1 非铀矿物对酸法浸出铀的影响
从酸法浸出角度考虑，可将非铀矿物划分为不溶矿物、难溶矿物和可溶矿物。不溶矿物包括石英、硅质碎屑和重矿物；难溶矿物包括长石、高岭石、伊利石、蒙脱石、云母和有机质；可溶矿物包括碳酸盐、氢氧化物、绿泥石、铁氧化物、磷灰石和硫化物。通常情况下，不溶矿物占60%～65%，难溶矿物占20%～40%，而可溶矿物（包括铀矿物）仅占3%左右。不溶矿物、难溶矿物和可溶矿物的划分并非绝对，浸出时会受到酸浓度的影响。
酸法浸出时，酸主要消耗于溶解碳酸钙、镁和铁矿物。碳酸盐与酸完全反应，而且反应时生成石膏沉淀；而镁的硫酸盐留在溶液中。按酸耗大小矿物排列如下：碳酸盐>铁的氢氧化物>水云母>黑云母>绿泥石>蒙脱石>有机物>高岭石>白云母>微斜长石>钠长石。大多数酸溶矿物为有害杂质。酸与碳酸盐反应生成CO2，易造成矿层堵塞。绿泥石和水云母与酸反应形成AL、Fe、Na和Mg离子进入溶液。
另外，铁、钙、镁的氧化物和氢氧化物、无机碳以及磷灰石属于有害杂质。pH改变时，铁和铝的化合物从溶液中析出，沉积在酸性溶液运移前缘。Fe2O3在pH为1.5时开始析出，到4.1时完全沉淀；而Al（OH）在pH为3.3～5.2范围内析出，溶液呈褐色或灰白色。
5.2 非铀矿物对碱法浸出的影响
相对于酸法浸出，影响碱法浸出的矿物较简单，主要是硫化物和有机碳，它们耗碱和耗氧化剂。此外，矿石中的钙、镁氧化物也会消耗碳酸盐：
CaSO4+Na2CO3===CaCO3+Na2SO4。
与硫酸浸出相比，碳酸盐与铀酰离子的络合速度较慢，氧气的氧化速度也慢，因此，碱法浸出过程较为温和。浸出过程中，FeS2的存在对碱浸十分不利，这是因为，
2FeS2+8Na2CO3+7½O2+7H2O===2Fe(OH)3+4Na2SO4+8NaHCO3。
铁的硫化物和碳酸盐最易氧化，所以硫化铁是最主要的耗氧物质。黄铁矿氧化产生硫酸，使pH降低，碳酸盐溶解。显然,FeS2不仅消耗氧化剂（O2），且生成的酸又会消耗碱性浸出剂，形成的Fe(OH)3沉淀还会吸附UO22+。黄铁矿和白铁矿与氧的反应比较缓慢。根据美国地浸矿山的经验,矿石中FeS2超过2%时则不适宜采用碱法浸出。
碱浸过程中，有机物被氧化产生有机酸、CO2，使pH降低，碳酸盐溶解，影响碱法浸出。
6 结论
实例证明，水成砂岩型铀矿床主要矿物成分差别不大，主要化学成分仅十几项，且值域较窄。
影响酸法浸出的矿物主要是碳酸盐和无机碳会导致酸耗增大；而对于碱法浸出，黄铁矿和有机碳是消耗浸出剂和氧化剂的主要矿物。
迄今为止，从影响地浸角度考虑，只提出了CO2和FeS2的限值，而其他化学成分尚无量化概念。因此，其他化学成分对地浸的影响尚无绝对概念。

参考文献：
[1] 核工业二一六大队.新疆察布查尔县乌库尔其铀矿床勘探地质报告[R].乌鲁木齐：核工业二一六大队.2005.
[2]别列茨基，博加特科夫，沃尔科夫，等.地浸采铀手册[M].衡阳：核工业第六研究所，2000:88-107.
[3]余达淦，吴仁贵，陈培荣.铀资源地质学[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2005：260-263.

NON-URANIUM MINERALS OF AQUEOUS SANDSTONE URANIUM DEPOSIT AND THEIR INFLUENCES TO LEACHING
WANG Hai-feng1,LI Jian-dong2,Yuan Yuan1，DONG Jun1,LI Guang-jie3,SONG Zhen-jiang4,CHEN Yun-long5,XU Ying

（1.Beijing Research Institute of Chemical Engineering and Metallurgy，Beijing 101149,China;
2.CGNPC Nuclear Fuel Co.,Ltd,Beijing 100029,China;3.Beijing Research Institute of Prospecting and Planning Ltd.,Beijing 100038;4.Beijing Bureau of Quality Technology Control of Daxing district, Beijing 102600;5.Beijing Research Institute of Exploration Engineering,Beijing 100083）

Abstract：A great deal of ore samples analysis results show that the predominant non-uranium minerals are the same among the aqueous sandstone uranium deposits discovered in China, further the values of their chemical composition fall into a narrow range, it is proved from theory and practice that these non-uranium minerals in some extent affect acid leaching and alkaline leaching.
Key words：aqueous；sandstone；uranium deposit；non-uranium mineral；leaching

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