二、铀在表生作用中的地球化学

1. 第八章 外生铀矿概论 一、外生铀矿床概述 二、铀在表生作用中的地球化学

2. 一、外生铀矿床概述 1.概念：外生铀矿床主要是指在地表附近，由外生作用形成的铀矿床。 外生作用是指地球岩石圈与水圈、大气圈、生物圈之间相互发生的各种复杂的物理化学作用的综合。

3. 一、外生铀矿床概述 2.外生作用下铀迁移、沉淀特征概述。 ①形成富铀层位。在外生作用下，自然界的岩石及铀矿床遭受破坏和改造，形成新的风化产物，由于铀元素地球化学性质活泼，大部分铀呈UO22+ 离子的形式迁移，搬运至河流，内陆盆地或浅海中，在有利的环境下被吸附、还原沉淀，形成初始富铀层位或沉积铀矿床；　

4. 一、外生铀矿床概述 2.外生作用下铀迁移、沉淀特征概述。 ②形成机械沉积砂矿。一部分呈机械破碎物形式被流水带走，搬运至河谷、湖盆、滨海，在有利环境下沉淀，形成机械沉积砂矿床； 　　机械沉积砂矿床可产于两种环境条件： 　　地史早期还原环境下的沉积砂矿往往经历后期的改造，如石英卵石砾岩型铀矿，铀的来源主要在沉积阶段，其工业意义大； 　　氧化环境下形成的砂矿主要由含铀矿物组成，目前不具工业意义。

5. 一、外生铀矿床概述 2.外生作用下铀迁移、沉淀特征概述。 ③形成残积铀矿。另有少部分铀则残留在原地，被风化残积物吸附，形成风化壳型铀矿床。 　　风化壳铀矿床的规模一般不大，其工业意义也相当有限。其他原生沉积铀矿床虽然有时形成有相当规模，但不普遍。在外生作用中，更为重要的是一些原始富铀层位或沉积铀矿床经过后期改造，使铀发生再富集而形成的后生铀矿床。

6. 3.外生铀矿床成因认识的过程 同生砂矿成因 同生成岩成因 后生成因 矿床成因认识的转变，形成了后生砂岩型铀矿成矿新的勘查方法。

7. 4.外生铀矿床工业特点 　本类矿床分布广泛，在世界各地均有产出，以品位低、储量大、杂质少、选冶条件好为特征。

8. 第八章 外生铀矿概论 一、外生铀矿床概述 二、铀在表生作用中的地球化学

9. 二、铀在表生作用中的地球化学 1、铀在风化作用中的地球化学特征 2、铀在沉积作用中的地球化学特征 3、影响铀表生迁移和聚集的主要因素 4、铀后生聚集的地球化学特征

10. 1、铀在风化作用中的地球化学特征 ①矿物抗风化的能力。在风化过程中，铀主要通过岩石和矿物的破坏和分解从岩石和矿物中分离和释放出来，铀从各种矿物释放出来的难易程度不一，一般情况下其稳定性大小顺序为： 氧化物＞硅酸盐＞硫化物和碳酸盐 　造岩矿物中最稳定是石英，副矿物中最稳定是锆石、独居石，碱性长石比斜长石稳定，云母类矿物中黑云母最容易被破坏和分解。

11. 1、铀在风化作用中的地球化学特征 ②风化作用方式。自然界中硅酸盐造岩矿物的风化主要表现为水解作用，通过水解铀被大部分释放出来。 　　我国某铀矿床中二云母花岗岩的铀含量为27×10-6，完全氧化带岩石中铀含量降到2.7×10-6；法国巴比尔埃认为，花岗岩中的铀至少有一半可以在地表风化期间被淋滤出来。

12. 1、铀在风化作用中的地球化学特征 ③铀在风化中的表现形式。在风化壳和土壤的形成过程中，一部分铀聚集在粘土矿物中。特别是伊利石，蒙脱石，多水高岭石等吸附能力较强的矿物中，而土壤中的有机质，特别是植物死亡后形成的腐殖质，对铀的吸附和聚集起着重大作用。 　　一部分铀同其他元素一起进入各种天然水体，向水盆地及海洋迁移，构成天然水体及沉积物中的铀含量。

13. 1、铀在风化作用中的地球化学特征 　铀在天然水中具有较强的迁移能力，比硅、磷、钾等高，与钙、镁、钠、锌属于同一组。铀在风化壳中不可能形成像残积铝土矿那样的残积型矿床。铀在表生还原环境中为四价，迁移系数≤0.1，同铝、钛、钍、锡、锆及其他弱活动元素相类似。强还原性质水体中铀含量极低，通常为n×10-7g/L左右。 　铀在氧化环境和还原环境中的迁移强度相差很大，比值达两个数量级，这是铀区别于许多其他元素的重要地球化学特征。

14. 1、铀在风化作用中的地球化学特征 ④干旱条件下铀的迁移富集。在干旱条件下，风化壳中的有机物质不仅数量很少，而且由于迅速氧化分解而不产生有机酸，风化壳的水溶液呈碱性。 　　地表水分不断蒸发，铀和其他碱金属由于毛细管作用被带到地表，与石膏、碳酸盐类聚集在一起，可形成钙结岩型铀矿化，澳大利亚西部的伊利里矿床就是一例。

15. 1、铀在风化作用中的地球化学特征 　　⑤铀同位素分馏。铀在风化过程中另一特点是同位素234U的活动较238U为大，导致风化岩中铀同位素分馏，234U与238U的平衡比值降低到0.63－0.68。

16. 二、铀在表生作用中的地球化学 1、铀在风化作用中的地球化学特征 2、铀在沉积作用中的地球化学特征 3、影响铀表生迁移和聚集的主要因素 4、铀后生聚集的地球化学特征

17. 2、铀在沉积作用中的地球化学特征 风化过程中从岩石、矿物内带出的铀，一部分呈溶解状态转入地表水和地下水中，另一部分仍聚集在岩石风化壳和土壤之中。 　风化产物可进一步被水、冰川、风等搬运，其中主要是水的搬运。随着风化壳和土壤的剥蚀，铀将以各种形式进入水体，然后被迁移到水盆地中。

18. 1) 铀在天然水体中主要迁移方式 ①呈溶解状态迁移在地表水中溶解状态的铀有以下形式： 络阴离子形式。主要是碳酸络合铀酰离子形式。 河水和海水的pH值为7－8.5，有利于碳酸络合铀酰离子的形成和存在。海水中的铀大部分呈UO2（CO3）34-形式存在。UO2（CO3）34-约占溶解铀总浓度（ΣU＝1.4×10-8mol/l）的98%左右。在含SO42-的酸性水体中，铀呈硫酸络合铀酰离子形式存在。

19. 1) 铀在天然水体中主要迁移方式 ①呈溶解状态迁移 UO22+或UO2OH+形式。由于它们必须在氢离子浓度较高的酸性介质中才能稳定存在，所以只有在湿热气候条件下的酸性水体中，铀才主要以UO22+和UO2OH+形式迁移。 有机化合物形式。在气候温暖，雨量充沛，植被发育的地区，由于存在大量腐殖质，铀可与腐殖酸、富里酸等形成有机络合物，并以有机络合物形式迁移。

20. 1) 铀在天然水体中主要迁移方式 ②呈吸附状态搬运 地表水中有相当一部分铀随同各种悬浮微粒被各种胶体质点（主要是粘土矿物）所吸附，呈吸附状态被水搬运。 河水的铀含量与混浊度呈正比，含粘土质点较多而混浊的河水，其铀含量比一般河水的高5－10倍。 以前苏联南乌拉尔的河水为例，实际测得的结果是，混浊河水的铀含量高达6.5×10－5g/L，但过滤后的清洁河水中，铀含量降低到5.2×10－6g/L。

21. 1) 铀在天然水体中主要迁移方式 ③呈矿物形式搬运 少量铀赋存于独居石、烧绿石、锆石等物理和化学性质十分稳定的矿物中呈矿物态被水搬运。现代的晶质铀矿和沥青铀矿在表生氧化带中很快被氧化分解，它们呈矿物碎屑搬运的距离极为有限，但在古老的地质时期，即22亿年前大气圈由于缺失游离氧而呈强还原性质的环境下铀可呈晶质铀矿等矿物形式直接被水搬运。

22. 2) 铀沉积的一般规律 同生碎屑沉积物中的铀含量一般只与同类碎屑岩的背景含量相当。 在同生沉积阶段，铀直接从水体聚集到沉积物中的数量不多，一般仅构成该沉积物的本底含量。

23. 2) 铀沉积的一般规律 ①铀的沉积与岩相古地理条件以及地球化学环境的关系密切。富含陆源碎屑的近岸浅水相或浅海相沉积物的铀含量较高，大陆架沉积物的铀含量较高，平均为3×10-6；远海以化学沉积为主的深水相沉积物的铀含量较低，大洋盆地中深海沉积物如放射虫海泥的铀含量较低，只有(1-1.8)×10 -6。

24. 2) 铀沉积的一般规律 ②不同沉积岩的含铀性差异较大。 粘土岩的铀含量最高，为（3-4）×10 -6，碳酸盐岩石的铀含量较低，平均为2.2 ×10 -6。 粉砂岩、砂岩中铀含量的变化幅度很大，其取决于碎屑矿物和胶结物的成分，纯石英砂岩的铀含量很低，只有0.45 ×10 -6，长石砂岩中的铀含量可达n×10 -6。 蒸发岩中铀含量普遍偏低，白云岩铀含量较碳酸盐岩低，岩盐的铀含量最低，只有（0.1-0.2）×10 -6。

25. 3) 成岩阶段中铀的迁移、聚集和再分配 沉积物在水盆地底部堆积成层后，松散沉积物开始发生成岩作用。原始沉积物在成岩作用中由于压力、Eh、pH等物理－化学条件的变化而发生脱水、重结晶和胶结等作用，使其中部分组分如铀、铁、磷、硅、钙等发生转移和再分配，生成黄铁矿、方解石、石英等一系列自生矿物和各种结核。

26. 3) 成岩阶段中铀的迁移、聚集和再分配 ①成岩初始阶段形成局部还原环境。在成岩作用的初始阶段，沉积物中的动植物残体在微生物参与下开始腐烂分解，游离氧很快被耗尽，产生了较多的H2S、CO2、NH3、CH4等组分，Eh值显著降低，从而在软泥表层下面形成强烈的还原环境。

27. 3) 成岩阶段中铀的迁移、聚集和再分配 ②铀在海底软泥中的富集。 据分析，海底软泥中50－100cm深处的Eh值已呈负值，而200－250cm处的Eh值降低到-100－-22mv，个别情况下甚至达到-300mv。 软泥与底面水体的地球化学环境截然不同，Eh值一旦降低到-200－-250mv时，海底软泥水中的部分铀就被H2S还原为U（OH）4沉淀。铀的沉淀使软泥中孔隙水的铀含量比海水低一个数量级左右。上述作用促使底面海水中的铀不断地扩散到软泥中来，结果导致富含有机质的软泥的铀含量明显增高。

28. 3) 成岩阶段中铀的迁移、聚集和再分配 ③形成含铀较高的海相黑色页岩。 海相黑色页岩的铀含量最高，常达(80-100)×10-6。黑色页岩普遍富含镍、钼、钴、钒、铜、稀土等多种元素，都不属生物富集元素，即铀聚集与生物活动无关，与有机残体埋深分解过程中产生的强还原环境的条件下的聚集有关。铀和其他元素的主要来源是大陆风化壳，部分元素（Si、P、Cu等）也可能是海底火山活动的产物。

29. 3) 成岩阶段中铀的迁移、聚集和再分配 ④形成含铀结核。铀在成岩作用中富集的另一重要表现是形成各种含铀结核。 沉积岩中结核的种类很多，成因不一，但富含铀的结核大多是在成岩阶段形成的。 含铀结核按成分可分为磷质结核、炭质结核和硅质结核。

30. 3) 成岩阶段中铀的迁移、聚集和再分配 总体而言，铀在成岩阶段，一般仅形成铀含量较高的磷块岩、黑色页岩及碳、硅、泥岩等铀源层。这些含铀层位不仅为铀在后生作用中富集成矿提供了重要的铀源，并且本身还是规模巨大的潜在铀矿资源。 在成岩作用中，除铀外常伴随有其他金属元素如钒、镍、钴、磷、硒等的富集，必须重视对它们的综合利用。

31. 二、铀在表生作用中的地球化学 1、铀在风化作用中的地球化学特征 2、铀在沉积作用中的地球化学特征 3、影响铀表生迁移和聚集的主要因素 4、铀后生聚集的地球化学特征

32. 3、影响铀表生迁移和聚集的主要因素 1) Eh值和pH值 ①天然水体中的pH值及Eh值对表生作用中铀的地球化学特征影响较大。 铀属两性元素，在酸性溶液中大多呈络阳离子，而当溶液pH值增高时，铀则趋向于形成各种络阴离子。铀在酸性介质中形成UO22+和UO2OH+。在缺乏络离子配位体（CO32-、SO42-、PO43-等）的条件下，随着介质pH值的增高，U4+和UO22+发生水解，分别以氢氧化物U（OH）4和UO2（OH）2形式沉淀。

33. 水体名称 pH Eh（V） 雨水 4.5－7 +0.7－+0.4 淡水 6－8 +0.5 海水 8 +0.4 地下水（表层） 6－8 +0.4－+0.2 热泉 1.2－9.5 +0.7－+0.185 矿坑水（氧化） 2.5－7.0 +0.8－+0.15 泥炭沼泽水 5－6 +0.6－-0.1 淡水沉积物 6－7 +0.5－-0.2 海底沉积物 7－8 +0.3－-0.25 碱性土壤水 10 表　各种天然水体的pH值和Eh值（据L.G.M.巴斯，1960）

34. 1) Eh值和pH值 ②碳酸根离子的浓度对铀的溶解度有很大影响。铀在弱碱性介质中易与碳酸根生成十分稳定的络离子。 水系中形成的铀分散晕范围：碳酸盐岩大于硅质岩。 在沼泽地带，泥炭沉积物的pH值低至3.5，导致水体中的碳酸络合铀酰离子解体，铀被还原沉淀或为泥炭所吸附，形成含铀泥炭。

35. 1) Eh值和pH值 ③铀和伴生元素的地球化学分带。由于它们在地球化学性质上的差异，常在不同的Eh值环境中沉淀，形成一定的地球化学分带。 例如，在砂岩型铀矿床中，铀与硒、钼等元素经常伴生，但硒沉淀的Eh值偏高，硒常在Eh为正值的含氧水中先于铀沉淀下来。钼则相反，其沉淀的Eh值较铀的为低。因而钼分布在沿层间氧化带的倾向分布的铀矿体的下方，分布范围甚广，距离铀矿体可达1.5km左右。

36. 分带 层间氧化带 铀聚集带 未氧化的无矿岩石 完全氧化亚带 不完全氧化亚带 铀矿带 铀晕 层间水流动方向 矿化 Se 自然硒 U(Fe)铀黑，沥青铀矿 Mo(U，Fe)胶硫钼矿 铀黑，黄铁矿 铁的存在形式 Fe2O3.nH2O针铁矿，水针铁矿 FeS2黄铁矿，白铁矿 图 铀矿床中Se－U－Mo分布示意图

37. 2) 吸附作用 ①概念：吸咐作用系指一种物质将周围介质的分子，原子或离子吸着粘附到自身表面以降低其表面自由能的作用。 通常称具有吸附能力的物质为吸附剂，被吸附的物质叫吸附质。 铀呈吸附状态赋存于表生带的岩石和矿物中，是表生铀地球化学的一个重要特点。

38. 2) 吸附作用 大部分铀呈分散吸附状态赋存于层状铝硅酸盐矿物中，只有极少一部分以铀矿物形式存在。 地表水中的分散铀易被河流底部细粒沉积物和土壤中的粘土矿物，以及铁、锰、钛的氢氧化物吸附，其吸附量一般同水中铀浓度呈正比。

39. 2) 吸附作用 ②各种沉积岩及矿物吸附铀的能力按以下顺序递减： 褐煤＞磷块岩＞褐铁矿＞粘土＞灰岩＞砂岩。 同一种吸附剂其变质程度愈深，结晶程度愈好，颗粒愈粗大则吸附铀的能力愈弱。

40. 2) 吸附作用 ③矿物的胶状变种具有较大吸附能力。 矿质胶体的吸附能力受介质pH值影响很大，有机质胶体（煤、腐殖酸）吸附铀的能力在pH＝5-6的弱酸条件下最强，当介质的酸度增强到pH＝3-3.5时，发生铀的解吸，天然泥炭沼泽水（pH值约为5-6）的地球化学环境对铀的吸附和聚集是十分有利的。硅胶的吸附能力在碱性介质中表现最强。

41. 2) 吸附作用 ④铀的吸附量与溶液中其他组分的存在有关。 在硫酸型水溶液中，UO22+很容易被各种吸附剂吸附，但当溶液中含有一定数量的CO32－（＞n×10－7当量浓度）时，吸附剂吸附UO22+的能力减弱为原有吸附能力的1/20，这是因为溶液中的UO22+与CO32－结合成带有与吸附剂同名（负）电荷的碳酸络合铀酰离子，从而降低了吸附剂对铀的吸附能力。

42. 3) 扩散作用 ①概念：在静止介质中，各种粒子（原子、离子、分子、胶粒等）的无序热运动使一些粒子从浓度较高部位向浓度较低方向迁移，并至体系中粒子的浓度最终趋向均一，这种运动叫扩散作用。

43. 3) 扩散作用 ②扩散方式：UO22+的扩散作用是通过氧化还原作用来进行的。 富含有机质和粘土质的沉积物在成岩过程中，由于有机物分解产生的强还原环境以及粘土矿物的吸附作用，一部分铀得以沉淀固定下来，造成孔隙溶液中铀的浓度降低，形成一定浓度差。扩散作用会使得周围沉积物（岩石）孔隙溶液中的铀不断地朝此方向扩散并聚集在富含有机质的岩层中。

44. 4) 铀与有机物质的关系 A、铀在土壤中主要聚集在有机质含量偏高的腐殖土层之中。有时可形成局部的放射性异常。黑色页岩、炭板岩（包括石煤）以及部分褐煤的铀含量普遍偏高，达n×10-5，局部甚至可达n×10-4－n×10-3。 沉积岩的铀含量常与有机炭含量呈正消长关系。

45. 4) 铀与有机物质的关系 B、铀在部分动植物残体中显著富集。 苏格兰泥盆系砂岩中鱼骨残体的铀含量高达15×10-4；前苏联曾发现由含铀鱼骨化石层组成的工业铀矿床；含铀地沥青的分布相当广泛，在美国安布罗西亚湖的巨型铀矿床中，铀与地沥青密切共生。

46. ①铀在生物体内的分布特点 C、各种生物体中的铀含量： 动物体中的铀含量低，一般小于0.0n×10-6； 陆地植物灰分中的铀含量通常为0.0n×10-6； 土壤的铀含量（1－4×10-6）； 在水生植物中，除少数低等藻类植物的铀含量较高外，一般植物的铀含量低于沉积岩的铀含量。

47. ①铀在生物体内的分布特点 铀的生物吸收系数约为0.0n－0.00n。 铀在外生作用中的地球化学行为与氮、磷、钾、钠等元素迥然不同，不属于生物富集元素。绝大部分生物在生长过程中并不积累铀。 铀在有机物质中的富集同生物死亡后有机体分解形成的强还原环境及有机质聚合成的复杂高分子化合物（腐殖质、腐泥质等）有关。

48. ②铀在有机物质中富集的机理 主要原因是：还原作用、吸附作用和形成有机化合物的化学反应。 A、有机物质的还原作用表生带中的动植物体死亡后迅速为微生物所分解，形成各种简单的无机化合物如CH4、H2、CO2、NH3等。在缺氧条件下，这些无机化合物可以与SO42-，NO3-，Fe2O3等发生氧化－还原反应，例如SO42-被CH4还原为H2S： CH4＋SO42-→ H2S＋CO32-＋H2O

49. ②铀在有机物质中富集的机理 在有机质周围由于存在H2S，造成强烈的还原环境，在还原条件下，促使水溶液中的六价铀还原沉淀。 有机物质中聚铀能力最强的是腐殖质，其次是腐泥质。腐殖质是由各种简单有机化合物（CH4、NH3等）经过聚合而形成的一种成分和结构都十分复杂的高分子化合物。主要由黄腐酸(Fulvic acid)又称富啡酸和胡敏酸(Humic acid)组成，在腐植质中，主要是黄腐酸中铀有明显富集，显示了其有密切关系，而胡敏酸则不明显。

50. ②铀在有机物质中富集的机理 北京核工业地质研究院近年研究发现黄腐酸中铀含量高，胡敏酸（有的资料中译为腐植酸）中铀含量低。有机质对铀具有明显的控制作用，铀主要同有机质中的腐殖酸（黄腐酸+胡敏酸）有关，当样品中的腐殖酸被提取时，大部分铀也同时被提取，致使残渣中铀含量大为降低。 在有机物质的各组分中，腐殖酸具有最大的还原能力，其△Eh值达450mv。纳乌莫夫曾作过腐殖酸使UO3还原为沥青铀矿的实验，取得了成功。