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鈾礦科普—2鈾在地殼中的分布及存在形式

來源:     發布時間:2018年11月12日 16:40     作者:系統管理員    

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  鈾在地殼中的分布及存在形式

  地球的總質量為5.974×1027克,總體積為1.083×1027立方厘米,如此大的星球,我們只能通過與其他星體成分對比近似地計算出各種元素在地球中的含量。通過科學家對地球中鈾、釷含量的計算結果可知,鈾在地殼中的平均含量最大,在大氣圈中的平均含量最小。其中,鈾在天然水中的平均含量雖然較小,但因其與人類活動密切相關,也不可忽視,如:大氣降水中鈾平均含量約為2.5×10-8g/L,海洋水中鈾平均含量為3.2×10-6g/L,淡水湖中鈾平均含量約1.03×10-6g/L,咸水湖中鈾平均含量約20×10-6g/L,河水中鈾平均含量約0.6×10-6g/L,地下水中鈾含量變化幅度最大,介于1×10-8~0.ng/L之間,較難獲得其平均含量。

  一、鈾在地殼中的分布

  地球經過46億年的演化,地殼(0~35km)、地幔(35~2900km)和地核(2900~6370km)3個層圈中的鈾、釷含量已不同于原始地球星體,而大部分聚集到地殼中,愈向地球中心,其含量逐漸減少,現今地殼中的鈾含量已經是地球平均值的234倍(表1-1,圖1-5)。

  地殼中鈾的平均含量約(3~5)×10-6,即平均每噸地殼物質中約含(3~5)g鈾,但在各種巖石中的含量很不均勻,鈾、釷主要富集于硅鋁層(花崗巖層)。例如,花崗巖中的鈾含量相對要高些,平均每噸含3.5g鈾。

  表1-1 地球各圈層中鈾、釷平均含量及其比值

圈層

相應隕石

U(10-6)

Th(10-6)

Th/U

UEf

ThEf

地殼

石隕石

3~5

8~10

2~3

234

180

上地幔

無球粒隕石

0.046~0.066

0.36

6~7

3.4

7.2

下地幔

石隕鐵

0.005

0.02

4

0.3

0.4

地核

隕鐵

0.00n

0.001

2

0.02

0.04

地球平均

球粒隕石

0.015

0.045

2~4

1.0

0.9

  注:UEf,ThEf分別為鈾、釷在現今地殼中的富集系數,據J.W.Gabelman,1977。

  

  圖1-5 地球不同層圈中的鈾、釷含量分布圖

  二、鈾在三大巖石類中的分布

  (一)在巖漿巖中的分布

  鈾在巖漿巖中的含量由超基性巖到酸性巖逐漸增高,一般變化是自超基性巖的0.00n ×10-6到酸性巖的n×10-6。

  (二)在沉積巖中的分布

  沉積巖中的鈾含量變化幅度很大,從0.n×10-6到n×10-5。隨沉積物的粒度變細和有機質的增加其含量升高。砂巖一般(0.45~4.0)×10-6,黏土巖(2~4.5)×10-6,碳酸鹽巖中的鈾含量則較穩定,為2×10-6左右。當沉積巖中含炭和有機質時鈾含量可迅速增高。

  (三)在變質巖中的分布

  鈾在變質巖中的分布較復雜,一般來說,不同的變質巖類有不同的鈾含量,如長英質巖類中的鈾含量就比鐵鎂質巖類和碳酸鹽巖類要高;同一巖類中,不同變質程度巖石的含鈾性也有差異,如綠片巖鈾含量常高于云母片巖。

  三、鈾在地殼中的存在形式

  地殼中鈾的存在形式主要有三種,由于成巖地質條件的不同,鈾常以不同的形式出現。

  (一)鈾礦物形式

  這是最重要的存在形式,在原生和表生成因兩大類礦物中,表生成因鈾礦物以其顏色鮮艷為特征,并與原生成因鈾礦物(顏色較深、暗)相區別。

  (二)類質同像置換形式

  鈾的類質同像置換能力較強,它即可進行等價的類質同像置換,又可以進行異價的類質同像置換。鈾與其他元素之間的類質同像置換,形成了一系列的含鈾礦物,如鈾釷礦、方釷礦、獨居石等。

  (三)分散吸附狀態形式

  這是一種非常普遍的存在形式,鈾主要吸附在晶體表面、解理面與晶紋裂隙面上,以及溶解在礦物的結晶水、溶液包裹體和粒間溶液中,有的被巖石中的炭質、瀝青質所吸附。

  四、鈾礦物

  礦物是地殼中天然的物理、化學和生物作用的產物。礦物除少數為自然元素外,絕大多數是自然化合物。

  鈾礦物是以鈾為基本組分的礦物,是鈾元素在地殼中存在的重要形式。迄今,世界上已發現的鈾礦物和含鈾礦物約500種,其中鈾礦物200余種,但真正具有工業價值、可作為鈾礦資源開發利用的僅20余種。我國產出的鈾礦物大約60種。

  (一)鈾礦物分類

  鈾礦物有不同的分類,早期有按化學成分、成因分類兩種方案。上世紀50年代后期,鈾礦物晶體化學研究取得了很大進展,70年代提出了鈾礦物的晶體化學分類。按晶體化學分類方案,鈾礦物被分為四價鈾礦物和六價鈾礦物兩大類(表1-2)。除了鈾礦物,還有大量的含鈾礦物。含鈾礦物分為以下三類:

  (1)鈾呈類質同象混入物的含鈾礦物;

  (2)鈾呈吸附質的含鈾礦物;

  (3)鈾呈鈾礦物超顯微包裹體的含鈾礦物。

  (二)常見鈾礦物

  1.晶質鈾礦

  晶質鈾礦主要成分是UO2,為鈾的氧化物,往往含有呈類質同象的釷、稀土以及鉛、鈣、鐵、硅等成分。屬等軸晶系,硬度5.5~6,比重7.5~10.0,不透明,半金屬、金屬光澤,暗鋼灰色到天鵝絨黑色,有的變成褐黑色到淺綠黑色,為典型的內生鈾礦物(照片1-1),是目前提煉鈾的主要礦物原料,主要見于富鈾花崗巖、偉晶巖、高溫熱液礦床和變質巖礦床。

  表1-2 鈾礦物的晶體化學分類

四價鈾礦物

六價鈾礦物

分 類

典型礦物

分 類

典型礦物

1氧化物類

1.1鈾的簡單氧化物

1.2鈾的復雜氧化物

1.2.1鈾和鈦的復雜氧化物

1.2.2鈾和鉬的復雜氧化物

2鈾的硅酸鹽類

3鈾的磷酸鹽類

晶質鈾礦、瀝青鈾礦、鈾黑

鈦鈾礦、斜方鈦鈾礦、鈰鈾鈦鐵礦

褐鉬鈾礦、紫鉬鈾礦

鈾石、鈾釷石

稀土磷鈾礦、稀土磷鈣鈾礦

1鈾酰氫氧化物和重鈾酸鹽

1.1簡單鈾酰氫氧化物

1.2復雜鈾酰氫氧化物

1.3重鈾酸鹽

2鈾酰硅酸鹽

3鈾酰磷酸鹽

4鈾酰砷酸鹽

5鈾酰釩酸鹽

6鈾酰碳酸鹽

7鈾酰硫酸鹽

8鈾酰鉬酸鹽

9鈾酰亞硒酸鹽

10鈾酰亞碲酸鹽

11鈾酰復酸鹽

柱鈾礦、水絲鈾礦、橙紅鈾礦

黃鋇鈾礦、黃鈣鈾礦、紅鉛鈾礦

水標鈾礦、纖鉍鈾礦

硅鈣鈾礦、硅鎂鈾礦、硅鉀鈾礦

鈣鈾云母、銅鈾云母、芙蓉鈾礦

鈣砷鈾云母、翠砷銅鈾礦、砷鈾礦

釩鈣鈾礦、釩鋇鈾礦、釩鈾礦

纖碳鈾礦、菱鈾礦、菱鈣鈾礦

水硫鈾礦、水鈾礬、銅鈾釩

鉬鈾礦、鉬鈣鈾礦、水鉬鈾礦

硒鋇鈾礦、硒銅鈾礦、高硒銅鈾礦

碲鉛鈾礦、碲鈾礦、高碲鈾礦

板菱鈾礦、湘江鈾礦、鐵鋁硫磷鈾礦

  2.瀝青鈾礦

  瀝青鈾礦是晶質鈾礦的變種,與晶質鈾礦結構完全相同,屬等軸晶系,是四價鈾和六價鈾以不同比例組成的氧化物,化學成分極為復雜,而且很不穩定,含量變化大;摩氏硬度3~5.5,比重5.3~7.73,烏黑色、墨黑色到灰黑色,條痕綠黑色到褐黑色。具腎狀、葡萄狀等似膠結構(照片1-2)。

  瀝青鈾礦是一種鈾的氧化物,主要產于熱液型鈾礦床中,在沉積、沉積變質、淋積等其他成因的鈾礦床中亦有不同程度的出現。其礦物共生組合也多種多樣,在自然界中廣泛發育,也是一種最主要的工業礦物。

  3.鈦鈾礦

  鈦鈾礦是一種分布較廣的原生鈾礦物,是鈾和鈦的復雜氧化物,但種類較少,目前只發現了7種礦物。我國已找到四種鈾的復雜氧化物,其中包括鈦鈾礦、斜方鈦鈾礦、鑭鈾鈦鐵礦及其褐鉬鈾礦。單斜晶系,硬度4.8~6.5,比重4.13~5.7,不透明至半透明,瀝青光澤,黑色、褐黑色(照片1-3)。

  鈦鈾礦多形成于高溫條件下,在我國多見于熱液鈉交代型鈾礦床和偉晶巖型鈾礦床中。在石英卵石礫巖型鈾礦床中作為重要的工業鈾礦物,經常與晶質鈾礦、銳鈦礦共生。

  4.鈾石

  鈾石為四價鈾的硅酸鹽,是分布較廣的原生鈾礦物。四方晶系,硬度4.5~5.5,比重4.39~5.18,玻璃光澤至半金屬光澤,透明至不透明,無解理,性脆,黑色、褐黑色、灰褐色(照片1-4,方錫珩提供)。

  鈾石是提取鈾的主要礦物原料之一,廣泛發育于熱液型(花崗巖型和火山巖型)和沉積砂巖型鈾礦床中。在熱液鈾礦床中它常與瀝青鈾礦和其他金屬硫化物、金屬砷化物共生。

  5.硅鈣鈾礦

  硅鈣鈾礦為含水的鈣鈾酰的硅酸鹽,單斜晶系,晶體透明,常呈纖維狀、放射狀、束狀、毛氈狀、致密塊狀及薄膜狀集合體;硬度2~3,比重3.6~3.9,玻璃光澤及絲絹光澤,性脆,檸檬黃、淺稻黃、淺黃白色(照片1-5)。

  硅鈣鈾礦屬表生鈾礦物,廣泛發育于鈾礦床氧化帶內。

  6.銅鈾云母

  銅鈾云母是鈾礦床氧化帶常見的表生鈾礦物。四方晶系,常呈鱗片狀、葉片狀堆積體、晶族、致密的皮殼和粉末狀薄膜出現;硬度2~2.5,比重3.22,透明至半透明,玻璃至半金剛光澤,性脆,翠綠至草綠色,少見蔥綠、果綠色(照片1-6)。

  銅鈾云母分布于氧化帶的較深部位,比鈣鈾云母更接近于破壞了的原生鈾礦體,經常與鈣鈾云母共生或連生。

  7.鈣鈾云母

  鈣鈾云母是鈾礦床氧化帶常見的表生鈾礦物。四方晶系,硬度2~2.5,比重3.05~3.20,透明至半透明,玻璃光澤,性脆,黃、淡綠黃、黃綠、深黃綠色(照片1-7)。

  鈣鈾云母廣泛分布于各種類型鈾礦床和鈾礦化點的的氧化帶內,亦產于各類富鈾巖石的裂隙面上,常見的共生與伴生礦物有:磷鈣鈾礦、銅鈾云母、鎂鈾云母、硅鈣鈾礦和β硅鈣鈾礦等。

  8.釩鈣鈾礦

  釩鈣鈾礦是常見的表生鈾礦物。斜方晶系,晶面呈金剛至蠟狀光澤,解理面具珍珠光澤,硬度約為2,比重3.3~3.6,半透明至不透明,黃、金黃或檸檬黃色,有時帶淡綠色色調(照片1-8)。

  釩鈣鈾礦產于熱液型鈾釩礦床的氧化帶和富鈾、釩的沉積礦床、淋積礦床中。其共生與伴生礦物有釩鉀鈾礦、板菱鈾礦、硅鈣鈾礦、鈣鈾云母、方解石、褐鐵礦和黃鉀鐵釩中。

照片1-1晶質鈾礦

照片1-2葡萄狀瀝青鈾礦

照片1-3 致密塊狀鈦鈾礦

照片1-4 鈾石

照片1-5 硅鈣鈾礦

照片1-6銅鈾云母

照片1-7鈣鈾云母

照片1-8釩鈣鈾礦

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