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铀矿科普—2铀在地壳中的分布及存在形式

来源:     发布时间:2018年11月12日 16:40     作者:系统管理员    

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  铀在地壳中的分布及存在形式

  地球的总质量为5.974×1027克,总体积为1.083×1027立方厘米,如此大的星球,我们只能通过与其他星体成分对比近似地计算出各种元素在地球中的含量。通过科学家对地球中铀、钍含量的计算结果可知,铀在地壳中的平均含量最大,在大气圈中的平均含量最小。其中,铀在天然水中的平均含量虽然较小,但因其与人类活动密切相关,也不可忽视,如:大气降水中铀平均含量约为2.5×10-8g/L,海洋水中铀平均含量为3.2×10-6g/L,淡水湖中铀平均含量约1.03×10-6g/L,咸水湖中铀平均含量约20×10-6g/L,河水中铀平均含量约0.6×10-6g/L,地下水中铀含量变化幅度最大,介于1×10-8~0.ng/L之间,较难获得其平均含量。

  一、铀在地壳中的分布

  地球经过46亿年的演化,地壳(0~35km)、地幔(35~2900km)和地核(2900~6370km)3个层圈中的铀、钍含量已不同于原始地球星体,而大部分聚集到地壳中,愈向地球中心,其含量逐渐减少,现今地壳中的铀含量已经是地球平均值的234倍(表1-1,图1-5)。

  地壳中铀的平均含量约(3~5)×10-6,即平均每吨地壳物质中约含(3~5)g铀,但在各种岩石中的含量很不均匀,铀、钍主要富集于硅铝层(花岗岩层)。例如,花岗岩中的铀含量相对要高些,平均每吨含3.5g铀。

  表1-1 地球各圈层中铀、钍平均含量及其比值

圈层

相应陨石

U(10-6)

Th(10-6)

Th/U

UEf

ThEf

地壳

石陨石

3~5

8~10

2~3

234

180

上地幔

无球粒陨石

0.046~0.066

0.36

6~7

3.4

7.2

下地幔

石陨铁

0.005

0.02

4

0.3

0.4

地核

陨铁

0.00n

0.001

2

0.02

0.04

地球平均

球粒陨石

0.015

0.045

2~4

1.0

0.9

  注:UEf,ThEf分别为铀、钍在现今地壳中的富集系数,据J.W.Gabelman,1977。

  

  图1-5 地球不同层圈中的铀、钍含量分布图

  二、铀在三大岩石类中的分布

  (一)在岩浆岩中的分布

  铀在岩浆岩中的含量由超基性岩到酸性岩逐渐增高,一般变化是自超基性岩的0.00n ×10-6到酸性岩的n×10-6。

  (二)在沉积岩中的分布

  沉积岩中的铀含量变化幅度很大,从0.n×10-6到n×10-5。随沉积物的粒度变细和有机质的增加其含量升高。砂岩一般(0.45~4.0)×10-6,黏土岩(2~4.5)×10-6,碳酸盐岩中的铀含量则较稳定,为2×10-6左右。当沉积岩中含炭和有机质时铀含量可迅速增高。

  (三)在变质岩中的分布

  铀在变质岩中的分布较复杂,一般来说,不同的变质岩类有不同的铀含量,如长英质岩类中的铀含量就比铁镁质岩类和碳酸盐岩类要高;同一岩类中,不同变质程度岩石的含铀性也有差异,如绿片岩铀含量常高于云母片岩。

  三、铀在地壳中的存在形式

  地壳中铀的存在形式主要有三种,由于成岩地质条件的不同,铀常以不同的形式出现。

  (一)铀矿物形式

  这是最重要的存在形式,在原生和表生成因两大类矿物中,表生成因铀矿物以其颜色鲜艳为特征,并与原生成因铀矿物(颜色较深、暗)相区别。

  (二)类质同像置换形式

  铀的类质同像置换能力较强,它即可进行等价的类质同像置换,又可以进行异价的类质同像置换。铀与其他元素之间的类质同像置换,形成了一系列的含铀矿物,如铀钍矿、方钍矿、独居石等。

  (三)分散吸附状态形式

  这是一种非常普遍的存在形式,铀主要吸附在晶体表面、解理面与晶纹裂隙面上,以及溶解在矿物的结晶水、溶液包裹体和粒间溶液中,有的被岩石中的炭质、沥青质所吸附。

  四、铀矿物

  矿物是地壳中天然的物理、化学和生物作用的产物。矿物除少数为自然元素外,绝大多数是自然化合物。

  铀矿物是以铀为基本组分的矿物,是铀元素在地壳中存在的重要形式。迄今,世界上已发现的铀矿物和含铀矿物约500种,其中铀矿物200余种,但真正具有工业价值、可作为铀矿资源开发利用的仅20余种。我国产出的铀矿物大约60种。

  (一)铀矿物分类

  铀矿物有不同的分类,早期有按化学成分、成因分类两种方案。上世纪50年代后期,铀矿物晶体化学研究取得了很大进展,70年代提出了铀矿物的晶体化学分类。按晶体化学分类方案,铀矿物被分为四价铀矿物和六价铀矿物两大类(表1-2)。除了铀矿物,还有大量的含铀矿物。含铀矿物分为以下三类:

  (1)铀呈类质同象混入物的含铀矿物;

  (2)铀呈吸附质的含铀矿物;

  (3)铀呈铀矿物超显微包裹体的含铀矿物。

  (二)常见铀矿物

  1.晶质铀矿

  晶质铀矿主要成分是UO2,为铀的氧化物,往往含有呈类质同象的钍、稀土以及铅、钙、铁、硅等成分。属等轴晶系,硬度5.5~6,比重7.5~10.0,不透明,半金属、金属光泽,暗钢灰色到天鹅绒黑色,有的变成褐黑色到浅绿黑色,为典型的内生铀矿物(照片1-1),是目前提炼铀的主要矿物原料,主要见于富铀花岗岩、伟晶岩、高温热液矿床和变质岩矿床。

  表1-2 铀矿物的晶体化学分类

四价铀矿物

六价铀矿物

分 类

典型矿物

分 类

典型矿物

1氧化物类

1.1铀的简单氧化物

1.2铀的复杂氧化物

1.2.1铀和钛的复杂氧化物

1.2.2铀和钼的复杂氧化物

2铀的硅酸盐类

3铀的磷酸盐类

晶质铀矿、沥青铀矿、铀黑

钛铀矿、斜方钛铀矿、铈铀钛铁矿

褐钼铀矿、紫钼铀矿

铀石、铀钍石

稀土磷铀矿、稀土磷钙铀矿

1铀酰氢氧化物和重铀酸盐

1.1简单铀酰氢氧化物

1.2复杂铀酰氢氧化物

1.3重铀酸盐

2铀酰硅酸盐

3铀酰磷酸盐

4铀酰砷酸盐

5铀酰钒酸盐

6铀酰碳酸盐

7铀酰硫酸盐

8铀酰钼酸盐

9铀酰亚硒酸盐

10铀酰亚碲酸盐

11铀酰复酸盐

柱铀矿、水丝铀矿、橙红铀矿

黄钡铀矿、黄钙铀矿、红铅铀矿

水标铀矿、纤铋铀矿

硅钙铀矿、硅镁铀矿、硅钾铀矿

钙铀云母、铜铀云母、芙蓉铀矿

钙砷铀云母、翠砷铜铀矿、砷铀矿

钒钙铀矿、钒钡铀矿、钒铀矿

纤碳铀矿、菱铀矿、菱钙铀矿

水硫铀矿、水铀矾、铜铀钒

钼铀矿、钼钙铀矿、水钼铀矿

硒钡铀矿、硒铜铀矿、高硒铜铀矿

碲铅铀矿、碲铀矿、高碲铀矿

板菱铀矿、湘江铀矿、铁铝硫磷铀矿

  2.沥青铀矿

  沥青铀矿是晶质铀矿的变种,与晶质铀矿结构完全相同,属等轴晶系,是四价铀和六价铀以不同比例组成的氧化物,化学成分极为复杂,而且很不稳定,含量变化大;摩氏硬度3~5.5,比重5.3~7.73,乌黑色、墨黑色到灰黑色,条痕绿黑色到褐黑色。具肾状、葡萄状等似胶结构(照片1-2)。

  沥青铀矿是一种铀的氧化物,主要产于热液型铀矿床中,在沉积、沉积变质、淋积等其他成因的铀矿床中亦有不同程度的出现。其矿物共生组合也多种多样,在自然界中广泛发育,也是一种最主要的工业矿物。

  3.钛铀矿

  钛铀矿是一种分布较广的原生铀矿物,是铀和钛的复杂氧化物,但种类较少,目前只发现了7种矿物。我国已找到四种铀的复杂氧化物,其中包括钛铀矿、斜方钛铀矿、镧铀钛铁矿及其褐钼铀矿。单斜晶系,硬度4.8~6.5,比重4.13~5.7,不透明至半透明,沥青光泽,黑色、褐黑色(照片1-3)。

  钛铀矿多形成于高温条件下,在我国多见于热液钠交代型铀矿床和伟晶岩型铀矿床中。在石英卵石砾岩型铀矿床中作为重要的工业铀矿物,经常与晶质铀矿、锐钛矿共生。

  4.铀石

  铀石为四价铀的硅酸盐,是分布较广的原生铀矿物。四方晶系,硬度4.5~5.5,比重4.39~5.18,玻璃光泽至半金属光泽,透明至不透明,无解理,性脆,黑色、褐黑色、灰褐色(照片1-4,方锡珩提供)。

  铀石是提取铀的主要矿物原料之一,广泛发育于热液型(花岗岩型和火山岩型)和沉积砂岩型铀矿床中。在热液铀矿床中它常与沥青铀矿和其他金属硫化物、金属砷化物共生。

  5.硅钙铀矿

  硅钙铀矿为含水的钙铀酰的硅酸盐,单斜晶系,晶体透明,常呈纤维状、放射状、束状、毛毡状、致密块状及薄膜状集合体;硬度2~3,比重3.6~3.9,玻璃光泽及丝绢光泽,性脆,柠檬黄、浅稻黄、浅黄白色(照片1-5)。

  硅钙铀矿属表生铀矿物,广泛发育于铀矿床氧化带内。

  6.铜铀云母

  铜铀云母是铀矿床氧化带常见的表生铀矿物。四方晶系,常呈鳞片状、叶片状堆积体、晶族、致密的皮壳和粉末状薄膜出现;硬度2~2.5,比重3.22,透明至半透明,玻璃至半金刚光泽,性脆,翠绿至草绿色,少见葱绿、果绿色(照片1-6)。

  铜铀云母分布于氧化带的较深部位,比钙铀云母更接近于破坏了的原生铀矿体,经常与钙铀云母共生或连生。

  7.钙铀云母

  钙铀云母是铀矿床氧化带常见的表生铀矿物。四方晶系,硬度2~2.5,比重3.05~3.20,透明至半透明,玻璃光泽,性脆,黄、淡绿黄、黄绿、深黄绿色(照片1-7)。

  钙铀云母广泛分布于各种类型铀矿床和铀矿化点的的氧化带内,亦产于各类富铀岩石的裂隙面上,常见的共生与伴生矿物有:磷钙铀矿、铜铀云母、镁铀云母、硅钙铀矿和β硅钙铀矿等。

  8.钒钙铀矿

  钒钙铀矿是常见的表生铀矿物。斜方晶系,晶面呈金刚至蜡状光泽,解理面具珍珠光泽,硬度约为2,比重3.3~3.6,半透明至不透明,黄、金黄或柠檬黄色,有时带淡绿色色调(照片1-8)。

  钒钙铀矿产于热液型铀钒矿床的氧化带和富铀、钒的沉积矿床、淋积矿床中。其共生与伴生矿物有钒钾铀矿、板菱铀矿、硅钙铀矿、钙铀云母、方解石、褐铁矿和黄钾铁钒中。

照片1-1晶质铀矿

照片1-2葡萄状沥青铀矿

照片1-3 致密块状钛铀矿

照片1-4 铀石

照片1-5 硅钙铀矿

照片1-6铜铀云母

照片1-7钙铀云母

照片1-8钒钙铀矿

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