铀元素及铀矿物的基本特征.pdf

第二章 铀元素及铀矿物的基本特征 第一节 铀元素性质及铀的分布第一节 铀元素性质及铀的分布 第二节 铀矿物的基本特征第二节 铀矿物的基本特征 二、铀元素化学性质二、铀元素化学性质 一、铀元素物理性质一、铀元素物理性质 第一节 铀元素性质及铀的分布 三、铀在地壳中的分布及存在形式 第一节 铀元素性质及铀的分布 三、铀在地壳中的分布及存在形式 一、铀元素物理性质一、铀元素物理性质 U的原子序数是的原子序数是92，原子量是，原子量是238，在自然界 中有三种同位素，即 ，在自然界 中有三种同位素，即U238、、U235和和U234，其丰度分 别为 ，其丰度分 别为99.2739％％、、0.7205％％和和0.0056％％。铀的三种 同位素都有放射性，能够自发地蜕变成另一种原 子核，同时放出射线，它们的半衰期分别是 。铀的三种 同位素都有放射性，能够自发地蜕变成另一种原 子核，同时放出射线，它们的半衰期分别是 4.5109a、、7.3108a和和2.6105a。。 铀测年法图解铀测年法图解 铀的密度很大，也与其变体有关，在常温下 铀的密度很大，也与其变体有关，在常温下 αα铀的密度值为铀的密度值为19.05g/cm3。根据此值计算出铀 的原子体积为 。根据此值计算出铀 的原子体积为12.5cm3/mol。铀的其他物理性质列 入表 。铀的其他物理性质列 入表1。。 金属铀可用还原法或电解法制取。金属铀可用还原法或电解法制取。纯金属铀 外貌象钢，呈银白色，具金属光泽，微带淡蓝色 色调 纯金属铀 外貌象钢，呈银白色，具金属光泽，微带淡蓝色 色调。粉末状金属铀由于受到氧化呈灰黑色。。粉末状金属铀由于受到氧化呈灰黑色。熔 点是 熔 点是1405℃℃。铀的硬度比铜稍低，其。铀的硬度比铜稍低，其布氏硬度为 布氏硬度为 240－－260kg/mm2。硬度随着温度升高而减小，并 且与铀的变体有关。γ铀的硬度最小，以至不能 用布氏硬度测量。 。硬度随着温度升高而减小，并 且与铀的变体有关。γ铀的硬度最小，以至不能 用布氏硬度测量。 性质性质单位单位特征值特征值性质性质单位单位特征值特征值 熔点熔点℃℃1132.3导热率导热率卡卡/厘米厘米秒秒度度0.064 熔 化 热 熔 化 热 卡卡/摩尔摩尔2700.0磁化率磁化率电磁单位电磁单位/g1.7410－ －6 升 华 热 升 华 热 千卡千卡/摩尔摩尔129.0电阻率电阻率微欧姆微欧姆cm30.0 比热比热千卡千卡/摩尔摩尔0.028电 导 （电 导 （ 0 － － 20℃）℃） 微欧微欧－ －1 0.034 沸点沸点℃℃3818气化热气化热千卡千卡/摩尔摩尔110 密度密度g/cm319.05原子体积原子体积cm3/摩尔摩尔12.5 表1 金属铀的物理性质（引自王剑锋，1986）表1 金属铀的物理性质（引自王剑锋，1986） 金属铀在一定的温度和压力下发生相变金属铀在一定的温度和压力下发生相变。在 。在 1.013105Pa条件下，条件下，αα铀在铀在667.7℃相变成℃相变成β β 铀；当温度升高到铀；当温度升高到774.8℃时，℃时，ββ铀又相变成铀又相变成γ γ 铀。铀。α、β、γα、β、γ三相铀的平衡点的压力为 三相铀的平衡点的压力为 29.8108Pa，温度是，温度是798℃。当压力超过 ℃。当压力超过 29.8108Pa时，时，αα铀直接转变为铀直接转变为γγ铀。铀。 铀的三种变体的存在条件和特点列入表2。铀的三种变体的存在条件和特点列入表2。 同素异形体同素异形体α－α－Uβ－β－Uγ－γ－U 存 在 温 度 （ ℃ ） （ 存 在 温 度 （ ℃ ） （1105Pa）） ﹤﹤667.7667.7－－774.8774.8－－1132.3 晶体结构晶体结构斜方斜方 a2.854 b5.869 c4.955 四方四方 ab10.754 c5.6525 体心立方体心立方 a3.534 abc 密度（密度（g/cm3））19.0518.1317.91 机械性质机械性质延展性延展性脆性脆性塑性塑性 表2 铀的三种同素异形体的特性 （引自王剑锋，1986） 表2 铀的三种同素异形体的特性 （引自王剑锋，1986） 二、铀元素化学性质二、铀元素化学性质 铀位于铀位于周期表第三族周期表第三族，属，属锕系元素锕系元素（锕系元 素为 （锕系元 素为89Ac－－103Lr），作为锕系元素，其电子层 结构有一明显的特点，即 ），作为锕系元素，其电子层 结构有一明显的特点，即具有三个不饱和的电 子层 具有三个不饱和的电 子层－最外层（－最外层（Q）、次外层（）、次外层（P）和外数第三 层（ ）和外数第三 层（O）；并且最外层电子相等，只有两个电 子（ ）；并且最外层电子相等，只有两个电 子（7S电子），次外层中除钍（电子），次外层中除钍（Th）有两个）有两个6d 电子外，其它元素只有一个电子外，其它元素只有一个d电子或没有电子或没有d亚层。 外数第三层（ 亚层。 外数第三层（5f亚层）从镤（亚层）从镤（91号）到铹（号）到铹（103 号）逐渐被填满。号）逐渐被填满。 锕系元素包括如下锕系元素包括如下 89Ac 90Th 91Pa 92U 93Np 94Pu 95Am 96Cm 97Bk 锕钍镤锕钍镤铀 铀 镎钚镅锔铻镎钚镅锔铻 98Cf 99Es 100Fm 101Md 102No 103Lr 锎锿镄钔锘铹锎锿镄钔锘铹 价电子层结构为价电子层结构为5f36d17s2，成键的价电子为最外 层的 ，成键的价电子为最外 层的2个个s电子，次外层的电子，次外层的1个个d 电子和外数第三层 的 电子和外数第三层 的3个个f电子。根据电子的丢失程度不同，可呈现不 同的价态。如 电子。根据电子的丢失程度不同，可呈现不 同的价态。如3、、4、、5、、6几种价态，所以几种价态，所以铀 具有变价的特性 铀 具有变价的特性。。 铀是铀是92号元素，它的电子结构为号元素，它的电子结构为 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s 25f36d1 1、铀的稳定氧化态、铀的稳定氧化态 铀在参与化学反应时，铀在参与化学反应时， 价电子层失去电子的顺 序 价电子层失去电子的顺 序是先失去是先失去7s亚层电子和亚层电子和6d亚层电子而显＋亚层电子而显＋3的氧 化态，再失去部分或全部 的氧 化态，再失去部分或全部5f 亚层电子而显亚层电子而显4、、5 、、6的氧化态，其中的氧化态，其中4和和6的氧化态比较稳定， 的氧化态比较稳定， 3和和5的氧化态不稳定。的氧化态不稳定。 UO22 ＋ ＋0.052V UO2＋ ＋ ＋ ＋0.612V U4＋ －＋ －0.607 U3＋ －＋ －1.796 U 0.334V在在HCl溶液中溶液中 ①铀的标准电极电位①铀的标准电极电位 在在25℃，℃，pH1的强酸性介质中的强酸性介质中 图中最右端为还原物质，左端为氧化物质。 电极电位大于零说明化学反应自由能小于 零，反应可自发进行，关系式成立。 在碱性溶液中的电极电位均小于零，说明碱 性溶液中铀以高价态的形式可稳定存在。即在 碱性溶液中铀很容易被氧化。 图中最右端为还原物质，左端为氧化物质。 电极电位大于零说明化学反应自由能小于 零，反应可自发进行，关系式成立。 在碱性溶液中的电极电位均小于零，说明碱 性溶液中铀以高价态的形式可稳定存在。即在 碱性溶液中铀很容易被氧化。 UO2 OH2 － －0.49V UOH4 － －2.14V UOH3 － －2.17V U 在在25℃，℃，pH14的强碱性介质中的强碱性介质中 U3 ＋ ＋ ＋＋3eU E-1.796V （（酸性条件酸性条件） ） E-2.17V（（碱性条件碱性条件）） U4 ＋ ＋ ＋＋eU3 ＋ ＋ E-0.607V （（酸性条件酸性条件） ） E-2.17V（（碱性条件碱性条件）） U、、U3＋ ＋在酸碱性溶液中都是强还原剂，在 没有其它氧化剂的条件下，两者都可以把水中 的 在酸碱性溶液中都是强还原剂，在 没有其它氧化剂的条件下，两者都可以把水中 的H＋ ＋还原成 还原成H2 ，而其本身则被氧化成，而其本身则被氧化成U4＋ ＋离 子，说明 离 子，说明U、、U3＋ ＋在水溶液中不能稳定存在。 在水溶液中不能稳定存在。 ②②U、、U3＋ ＋的还原性 的还原性 在同一种元素中，同时进行着两种相 反的化学反应，一部分原子或离子被氧 化，另一部分原子或离子被还原，这种反 应称为歧化反应，或叫自身氧化还原反应。 歧化反应的发生与物质的稳定性有一定的 联系。 在同一种元素中，同时进行着两种相 反的化学反应，一部分原子或离子被氧 化，另一部分原子或离子被还原，这种反 应称为歧化反应，或叫自身氧化还原反应。 歧化反应的发生与物质的稳定性有一定的 联系。 ③③UO2＋ ＋的歧化反应 的歧化反应 UO2＋ ＋与 与UO22＋ ＋和 和U4＋ ＋之间的电位图 之间的电位图 此反应能否自发进行，可根据此反应能否自发进行，可根据△Z△Z＝－＝－nFεnFε反 应式来判断，该式中△Z为反应自由能（千 卡）， 反 应式来判断，该式中△Z为反应自由能（千 卡），n n为得失电子数，为得失电子数，F F为法拉第常数23.06 千卡/伏， 为法拉第常数23.06 千卡/伏，εε为电池电动势（伏）。为电池电动势（伏）。 UO22＋ ＋ 0.025V UO2 ＋ ＋ ＋ ＋0.612V U 4＋＋ 总反应式可写为总反应式可写为 2UO2＋ ＋UO22＋＋U4＋ ＋ 1 UO22＋ ＋eUO2＋＋ EUO2＋ ＋/UO22＋＋-E UO2＋ ＋/UO22＋＋-0.025V UO2＋ ＋eU4＋ ＋ EUO2 /U4＋ ＋0.612V 铀的稳定氧化态只在自然界只有4和6价两 种，并且4价在还原条件下稳定，6价在氧化 条件下稳定 铀的稳定氧化态只在自然界只有4和6价两 种，并且4价在还原条件下稳定，6价在氧化 条件下稳定。。 现在只要（现在只要（1）式中的）式中的E大于零，反应即能自 发进行。 大于零，反应即能自 发进行。 εε总 总 EUO2＋ ＋/UO2＋＋E UO2＋ ＋/U4＋＋ -0.0520.6120.56V 计算得出计算得出εε总 总 大于零，说明大于零，说明UO2＋ ＋的歧化反应 在酸性溶液中以能自发进行，因此 的歧化反应 在酸性溶液中以能自发进行，因此5价的氧化 态不稳定，它要同时被氧化和还原成 价的氧化 态不稳定，它要同时被氧化和还原成6价和价和4 价。价。 2、铀和铀酰的性质、铀和铀酰的性质 由于铀的稳定氧化态只有由于铀的稳定氧化态只有4和和6价两种，在 溶液中，氧化态为 价两种，在 溶液中，氧化态为4的铀是以简单的的铀是以简单的U4＋ ＋离子 形式存在；而氧化态为 离子 形式存在；而氧化态为6的铀在水溶液中很不 稳定，易与氧结合成铀酰离子（ 的铀在水溶液中很不 稳定，易与氧结合成铀酰离子（UO22＋ ＋）或重 铀酸根离子形式（ ）或重 铀酸根离子形式（U2 O72-）存在。）存在。 （（I））U4＋ ＋0.971.01 Th4＋ ＋1.021.06 TR3＋ ＋0.861.18 其中其中Y族稀土（族稀土（0.86－－0.98 ），铈族稀土（ ），铈族稀土（ 1.00－－1.18 ），由于），由于TR3＋ ＋和 和 U4＋ ＋有相似的离子 半径和性质，故相互之间极易发生置换反应， 因此，在一条件下，四价铀矿物含有 有相似的离子 半径和性质，故相互之间极易发生置换反应， 因此，在一条件下，四价铀矿物含有TR和和Th等 类质同象混入物。另外，在与稀土元素之间的 置换上，由于半径（离子）的相近性，决定了 铀倾向于置换钇族稀土元素，而钍倾向于置换 铈族稀土元素。 等 类质同象混入物。另外，在与稀土元素之间的 置换上，由于半径（离子）的相近性，决定了 铀倾向于置换钇族稀土元素，而钍倾向于置换 铈族稀土元素。 ①离子的半径①离子的半径10-10m （（II）） UO22＋ ＋（铀酰）呈哑铃型 （铀酰）呈哑铃型（见附图），其 长轴长约 （见附图），其 长轴长约6.04－－6.84 ，离子半径很大，（最大 的金属阳离子 ，离子半径很大，（最大 的金属阳离子Cs＋ ＋的离子半径是 的离子半径是1.60 ），因此 没有其它任何阳离子可与它呈类质同象，一般 ），因此 没有其它任何阳离子可与它呈类质同象，一般 Th4与 与 UO22＋ ＋不 共生，但 在复盐中 可作为一 种组分出 现。 不 共生，但 在复盐中 可作为一 种组分出 现。 U4＋ ＋呈绿色， 呈绿色，UO22＋ ＋呈黄色。离子的这种颜色 性质决定了四价铀矿物与六价铀矿物的基本色 调。 呈黄色。离子的这种颜色 性质决定了四价铀矿物与六价铀矿物的基本色 调。 ②离子的颜色②离子的颜色 （（I））U4＋ ＋呈弱碱性 呈弱碱性，当，当pH2时，时，U4＋ ＋发生水解，水 解结果具酸性反应，并最后生成 发生水解，水 解结果具酸性反应，并最后生成U（（OH））4 沉淀。沉淀。 U4＋ ＋H2 OUOH3＋ ＋H＋ ＋ U4＋ ＋4H2 OUOH4 4H＋ ＋ ③离子的酸碱性③离子的酸碱性 （（II））U6显两性显两性，但酸性较强，碱性较弱，在酸性 溶液中呈 ，但酸性较强，碱性较弱，在酸性 溶液中呈UO22＋ ＋，在碱性溶液中呈 ，在碱性溶液中呈U2 O72-。。 酸性溶液酸性溶液UO3 2H＋ ＋UO22＋＋H2 O 碱性溶液碱性溶液2UO3 2OH-U2 O72-H2 O UO22＋ ＋显碱性，存在于 显碱性，存在于pH＜＜3的介质环境中，当的介质环境中，当pH ＞＞3时，时，UO22＋ ＋发生水解，当 发生水解，当pH＞＞4时，形成氢氧化铀 酰沉淀，反应式如下 时，形成氢氧化铀 酰沉淀，反应式如下 pH＞＞3时时UO22＋ ＋H2 OUO2 OH＋ ＋H＋＋ pH＞＞4时时UO2 OH＋ ＋H2 OUO2 OH2 H＋ ＋ 当溶液碱性较强时，在溶液中存在着当溶液碱性较强时，在溶液中存在着UO22＋ ＋和 和U2O72 －－相互转化的平衡关系。 相互转化的平衡关系。 2UO22＋ ＋6OH-U2 O72-3H2 O U4＋ ＋在还原条件下稳定， 在还原条件下稳定，UO22＋ ＋在氧化条件下 稳定，两者可以相互转化。 在氧化条件下 稳定，两者可以相互转化。 UO22＋ ＋2eU4＋＋ 这种性质对铀矿物的形成和变化起着重要的作 用，如在氧化带 这种性质对铀矿物的形成和变化起着重要的作 用，如在氧化带U4＋ ＋矿物转变为 矿物转变为U6＋ ＋矿物，如 矿物，如 2UO2 O2 3H2 O2UO2 OH2 H2 O 沥青铀矿 柱铀矿沥青铀矿 柱铀矿 ④离子的稳定条件④离子的稳定条件 在胶结带在胶结带UO22＋ ＋Fe2＋＋2H 2 SUO2 FeS2 4H＋ ＋ 1．铀在地壳中的分布．铀在地壳中的分布 主要介绍铀在地壳中各类岩石中的分布情况（即 在三大岩类中的分布情况）。 主要介绍铀在地壳中各类岩石中的分布情况（即 在三大岩类中的分布情况）。 ①铀在岩浆岩中的分布①铀在岩浆岩中的分布 铀在岩浆岩中含量变化幅度很宽，由超基性岩到 酸性岩含量逐渐增高，一般变化是自超基性岩中的 铀在岩浆岩中含量变化幅度很宽，由超基性岩到 酸性岩含量逐渐增高，一般变化是自超基性岩中的 0.00nppm到酸性岩中的到酸性岩中的n个个ppm10-6，如橄榄岩类 为 ，如橄榄岩类 为0.003 －－0.006ppm ，花岗岩、流纹岩为，花岗岩、流纹岩为3.5 － － 4.8ppm。。 三、铀在地壳中的分布及存在形式三、铀在地壳中的分布及存在形式 岩浆岩中铀分布在造岩矿物和副矿物中， 在酸性岩中，浅色矿物的铀含量通常低于全岩 的平均铀含量，在深色矿物中，铀含量较高， 是浅色矿物的 岩浆岩中铀分布在造岩矿物和副矿物中， 在酸性岩中，浅色矿物的铀含量通常低于全岩 的平均铀含量，在深色矿物中，铀含量较高， 是浅色矿物的3－－5倍。 岩浆岩中含量变化的特点与铀的成矿作用 相一致，在岩浆岩中产出的铀矿床基本上产于 酸性岩或含铀较高的碱性岩中，而在超基性岩 和基性岩中，到今还未找到铀矿床的产出。 倍。 岩浆岩中含量变化的特点与铀的成矿作用 相一致，在岩浆岩中产出的铀矿床基本上产于 酸性岩或含铀较高的碱性岩中，而在超基性岩 和基性岩中，到今还未找到铀矿床的产出。 铀在大陆地壳中的相对丰度（据铀在大陆地壳中的相对丰度（据Roberton等，等，1978）） 沉积岩占地壳体积的沉积岩占地壳体积的5，地壳大陆面积的，地壳大陆面积的3/4，有 许多的铀矿床的成因与沉积岩的含铀性相关。 根据统计资料表明，沉积岩中铀含量的变化幅度很 大，从 ，有 许多的铀矿床的成因与沉积岩的含铀性相关。 根据统计资料表明，沉积岩中铀含量的变化幅度很 大，从0.nppm到到n10ppm，一般随沉积物粒度变细铀 含量升高，通常与沉积物中的 ，一般随沉积物粒度变细铀 含量升高，通常与沉积物中的P、、H2 S和有机质含量密 切相关，且呈正消长关系。 不同种类沉积岩中的铀含量砂岩一般为 和有机质含量密 切相关，且呈正消长关系。 不同种类沉积岩中的铀含量砂岩一般为0.45－ － 4.0ppm；粘土岩含铀一般为；粘土岩含铀一般为2－－4.5ppm；碳酸盐岩的含 铀量比较稳定，为 ；碳酸盐岩的含 铀量比较稳定，为2ppm左右。左右。 ②铀在沉积岩中的分布②铀在沉积岩中的分布 含铀较高的沉积岩有海相成因的磷块岩，含 铀量可达 含铀较高的沉积岩有海相成因的磷块岩，含 铀量可达50－－300ppm,它是一种重要的潜在铀 资源；海相黑色页岩，含铀亦较高，据对法国 石炭系圣希不莱特页岩的含铀量测定，高达 它是一种重要的潜在铀 资源；海相黑色页岩，含铀亦较高，据对法国 石炭系圣希不莱特页岩的含铀量测定，高达 1244ppm。铀含量在富含有机质和粘土质岩石 中偏高的原因有两个方面 。铀含量在富含有机质和粘土质岩石 中偏高的原因有两个方面 I 粘土质和有机质对铀的吸附作用；粘土质和有机质对铀的吸附作用； II 有机质分解造成的还原环境有利于海水 中的铀不断转入沉积物中，各种沉积成岩成因 及后生淋积成因的铀矿床均与上述富铀沉积岩 密切相关。 有机质分解造成的还原环境有利于海水 中的铀不断转入沉积物中，各种沉积成岩成因 及后生淋积成因的铀矿床均与上述富铀沉积岩 密切相关。 铀矿床在变质岩中的产出通常是产在中低 级变质程度的 ，在高级变质相的岩石中则很少 见，它与铀在变质岩中的分布规律相关。 铀在变质岩中的分布也非常复杂，但一般 来说，不同的变质岩类有不同的铀含量。长英 质岩类要比铁镁质岩类和碳酸盐岩类要高；同 一岩类中，不同变质岩石的含铀性也有差异。 如长英质类的岩石片麻岩 铀矿床在变质岩中的产出通常是产在中低 级变质程度的 ，在高级变质相的岩石中则很少 见，它与铀在变质岩中的分布规律相关。 铀在变质岩中的分布也非常复杂，但一般 来说，不同的变质岩类有不同的铀含量。长英 质岩类要比铁镁质岩类和碳酸盐岩类要高；同 一岩类中，不同变质岩石的含铀性也有差异。 如长英质类的岩石片麻岩U0.4－－4.6ppm ，结晶片岩，结晶片岩U1.3 －－4.9ppm ；石英岩；石英岩U 1.0ppm；铁镁石英岩；铁镁石英岩U0.2ppm。。 ③铀在变质岩中的分布③铀在变质岩中的分布 实际上上述实际上上述差别的存在是由变质原岩的的化 学成分及含铀性决定的，同时变质程度的高低 也决定着变质岩的铀含量 差别的存在是由变质原岩的的化 学成分及含铀性决定的，同时变质程度的高低 也决定着变质岩的铀含量，通常是含铀较高 的长英质类原岩，变质后岩石中的铀含量也相 对较高，并随变质程度的加深铀含量逐渐降低。 即在变质岩中铀含量由高而低的变化是 ，通常是含铀较高 的长英质类原岩，变质后岩石中的铀含量也相 对较高，并随变质程度的加深铀含量逐渐降低。 即在变质岩中铀含量由高而低的变化是 绿片岩相－绿帘－角闪岩相－低级麻粒岩相 －高级麻粒岩相－超变质作用的榴辉岩相 绿片岩相－绿帘－角闪岩相－低级麻粒岩相 －高级麻粒岩相－超变质作用的榴辉岩相。。 ①铀矿物形式①铀矿物形式这是一种重要的存在形 式，目前已经发现的有 这是一种重要的存在形 式，目前已经发现的有200余种铀矿物，但比较 常见的铀矿物只有四十余种，分内生成因和外 生成因（表生）两大类。内生成因的铀矿物如 余种铀矿物，但比较 常见的铀矿物只有四十余种，分内生成因和外 生成因（表生）两大类。内生成因的铀矿物如 晶质铀矿及变种沥青铀矿，钛铀矿晶质铀矿及变种沥青铀矿，钛铀矿，斜方钛铀 矿，铀石，铀钍矿等；表生成因的铀矿物如硅 钙铀矿，钙铀云母，铜铀云母，芙蓉铀矿，板 菱铀矿等等。外生（表生）成因铀矿物以其颜 色鲜艳为特征，并与内生成因铀矿物（颜色较 深、暗）相区别。 ，斜方钛铀 矿，铀石，铀钍矿等；表生成因的铀矿物如硅 钙铀矿，钙铀云母，铜铀云母，芙蓉铀矿，板 菱铀矿等等。外生（表生）成因铀矿物以其颜 色鲜艳为特征，并与内生成因铀矿物（颜色较 深、暗）相区别。 2．在地壳中的存在形式．在地壳中的存在形式 类质同象置换系指地球化学性质相近的元素 以可变的数量在矿物晶格中相互转换。 铀的类质同象置换能力较强，它即可以进行 等价的类质同象置换，如 类质同象置换系指地球化学性质相近的元素 以可变的数量在矿物晶格中相互转换。 铀的类质同象置换能力较强，它即可以进行 等价的类质同象置换，如U4＋ ＋与 与Th4之间，又可 以进行异价的类质同象置换，如 之间，又可 以进行异价的类质同象置换，如U4＋ ＋与 与TR3＋ ＋之 间。 由于铀与其它元素之间的类质同象置换，形 成了一系列的含铀矿物，如铀钍矿、方钍矿、独 居石、褐帘石、锆石、磷灰石、黑稀金矿－复稀 金矿等，上述矿物是砂矿床的重要组成部分。 之 间。 由于铀与其它元素之间的类质同象置换，形 成了一系列的含铀矿物，如铀钍矿、方钍矿、独 居石、褐帘石、锆石、磷灰石、黑稀金矿－复稀 金矿等，上述矿物是砂矿床的重要组成部分。 ②类质同象置换形式②类质同象置换形式 以分散吸附状态存在的铀是一种非常普遍的存在形 式，它主要赋存在岩石中的以下部位。 以分散吸附状态存在的铀是一种非常普遍的存在形 式，它主要赋存在岩石中的以下部位。 a、吸附在矿物晶体表面，解理面与晶纹裂缝面 上； 、吸附在矿物晶体表面，解理面与晶纹裂缝面 上； b、被岩石中的有机质（包括炭质、沥青质）所吸 附； 、被岩石中的有机质（包括炭质、沥青质）所吸 附； c、溶解在矿物的结晶水，液态包裹体和粒间溶液 中。 铀的吸附剂有层状硅酸盐、磷块岩、铝土矿、水云 母、钛和铁的氢氧化物以及蛋白石等。吸附作用可使 岩石、矿物中的铀含量升高。 、溶解在矿物的结晶水，液态包裹体和粒间溶液 中。 铀的吸附剂有层状硅酸盐、磷块岩、铝土矿、水云 母、钛和铁的氢氧化物以及蛋白石等。吸附作用可使 岩石、矿物中的铀含量升高。 ③分散吸附状态形式③分散吸附状态形式 在地壳的三大岩类中，由于成岩地质条件的 不同，铀的存在形式也明显不同。 在地壳的三大岩类中，由于成岩地质条件的 不同，铀的存在形式也明显不同。 在岩浆岩中，在岩浆岩中，铀的存在形式分两种情况即 侵入岩中铀可以三种形式存在；但在喷出岩 中，由于岩浆冷却迅速，其中所含的大部分铀 都以分散的方式集中在玻璃质或显微结构的基 质中。 铀的存在形式分两种情况即 侵入岩中铀可以三种形式存在；但在喷出岩 中，由于岩浆冷却迅速，其中所含的大部分铀 都以分散的方式集中在玻璃质或显微结构的基 质中。 在变质岩中，在变质岩中，由于变质作用时的温度 和压力的影响，原岩中存在的各种形式的 铀，部分或大部分都发生活化转移，或以 分散吸附形式沿岩石，矿物中的裂隙分 布，或在新的条件下以类质同象形式固定 于某些副矿物中，或随变质溶液从岩石中 迁移出去。 由于变质作用时的温度 和压力的影响，原岩中存在的各种形式的 铀，部分或大部分都发生活化转移，或以 分散吸附形式沿岩石，矿物中的裂隙分 布，或在新的条件下以类质同象形式固定 于某些副矿物中，或随变质溶液从岩石中 迁移出去。 在沉积岩中在沉积岩中，除极少数来自母岩的副矿物 中所含的铀是以类质同象形式存在以外，大部 分都有呈分散吸附状态。在富铀的沉积岩中， 则有可能见到沥青铀矿、铀石等铀矿物。 ，除极少数来自母岩的副矿物 中所含的铀是以类质同象形式存在以外，大部 分都有呈分散吸附状态。在富铀的沉积岩中， 则有可能见到沥青铀矿、铀石等铀矿物。 第二节 铀矿物的基本特征第二节 铀矿物的基本特征 一、铀矿物的化学组成一、铀矿物的化学组成 二．铀矿物的晶体化学特点二．铀矿物的晶体化学特点 三、铀矿物的物理性质三、铀矿物的物理性质 四．铀矿物的成因类型四．铀矿物的成因类型 一、铀矿物的化学组成一、铀矿物的化学组成 铀矿物的组成元素包括铀矿物的组成元素包括铀离子铀离子，，其它阳离子 其它阳离子 和和各种阴离子各种阴离子，它们之间的相互化合或络合形 成铀矿物。 一般来说，组成元素可分为如下几大类 ，它们之间的相互化合或络合形 成铀矿物。 一般来说，组成元素可分为如下几大类 1．铀矿物组成元素．铀矿物组成元素 ②阴离子组成 ①阳离子组成 ②阴离子组成 ①阳离子组成 其它阳离子或络阳离子其它阳离子或络阳离子H、、H3 O、、NH4 ①阳离子组成①阳离子组成 以亲石元素为主，其次有亲铁、亲硫元素，具体分为以亲石元素为主，其次有亲铁、亲硫元素，具体分为 碱金属元素碱金属元素K、、Na、、Cs 碱土金属元素碱土金属元素Ca、、Ba、、Mg 重金属元素重金属元素Cu、、Pb、、Zn、、Bi、、Fe、、Mn、、Co、、Ni 其它金属元素其它金属元素Al、、Th、、Tl、、Nb、、Ta、、Mo、、Tr、、Zr ②阴离子组成②阴离子组成有有O2- 、、OH-、、F-、、SiO4-、 、 PO43-、、AsO43-、、V2 O86-、、CO32-、、SO42-、、MoO42-、 、 SeO32-、、TeO32-等。 其中与铀结合的阴离子主要是 等。 其中与铀结合的阴离子主要是O2 -- ，而，而OH -- 只见极少数铀矿物中，只见极少数铀矿物中，F --只见于个别铀矿物 中，其它酸根离子与铀络合成铀的络合物。 只见于个别铀矿物 中，其它酸根离子与铀络合成铀的络合物。 在自然界中纯四价铀的矿物很少，它往往 含有 在自然界中纯四价铀的矿物很少，它往往 含有U6成分，成分，U6的产生与的产生与U4的自氧化的形成 及形成后的环境变化（氧化作用）有关，四价 铀矿物的成分复杂，矿物中各组分之间的比例 不固定， 的自氧化的形成 及形成后的环境变化（氧化作用）有关，四价 铀矿物的成分复杂，矿物中各组分之间的比例 不固定，类质同象相当普遍类质同象相当普遍；； 2．铀矿物类型．铀矿物类型 六价铀矿物绝大多数是含水矿物，六价铀矿物绝大多数是含水矿物，化学成分 比较稳定，每种矿物的金属阳离子， 化学成分 比较稳定，每种矿物的金属阳离子，UO22和络 阴离子含量之间都有固定的比值， 和络 阴离子含量之间都有固定的比值，类质同象不 发育 类质同象不 发育。。 铀矿物可分为铀矿物可分为四价铀矿物四价铀矿物和和六价铀矿物六价铀矿物。。 铀是一个放射性元素，组成铀矿物的化学成 分总是在变化。 铀是一个放射性元素，组成铀矿物的化学成 分总是在变化。铀衰变的最终产物铀衰变的最终产物－－206Pb越积 越多。 越积 越多。形成时代较早的铀矿物形成时代较早的铀矿物，，放射性衰变成 因的铅积累多 放射性衰变成 因的铅积累多，据统计，晶质铀矿中，据统计，晶质铀矿中PbO含量 最高可达 含量 最高可达20.45，，铅的含量与铀矿物形成的年 龄成正比 铅的含量与铀矿物形成的年 龄成正比，，U－－Pb法法可作为可作为测定地质年龄测定地质年龄的方 法。在中、新生代形成的沥青铀矿中含铅较 低，这是由于铀衰变时间较短的缘故。 的方 法。在中、新生代形成的沥青铀矿中含铅较 低，这是由于铀衰变时间较短的缘故。 ①四价铀矿物的晶体结构类型。①四价铀矿物的晶体结构类型。 四价铀在矿物中的离子形式存在，形成离子键 化合物，多数属离子晶格 四价铀在矿物中的离子形式存在，形成离子键 化合物，多数属离子晶格，在晶体结构中铀具 有较高的配位数，为 ，在晶体结构中铀具 有较高的配位数，为8和和6（它主要是由于（它主要是由于U4离 子半径较大的缘故） 。 离 子半径较大的缘故） 。 晶体结构类型有三种晶体结构类型有三种 二．铀矿物的晶体化学特点二．铀矿物的晶体化学特点 1．四价铀矿物的晶体化学特点．四价铀矿物的晶体化学特点 a、、配位型配位型（或称萤石型） 主要是简单氧化 物，但由于部分 （或称萤石型） 主要是简单氧化 物，但由于部分U4变成了变成了U6所以结构发生了 畸变，对称度降低，其晶格与萤石不完全相同。 所以结构发生了 畸变，对称度降低，其晶格与萤石不完全相同。 萤石型结构 － 萤石型结构 －晶质铀矿晶质铀矿 萤石型结构的对称型为萤石型结构的对称型为3L44L36L29PC b、、岛状型岛状型（（或称锆石型）是指四价铀的硅 酸盐与锆石的结构相似，在结构中，彼此孤立 的 或称锆石型）是指四价铀的硅 酸盐与锆石的结构相似，在结构中，彼此孤立 的[SiO4 ]四面体通过四面体通过U4离子相连（三角十二面 体） 。 离子相连（三角十二面 体） 。 岛状型结构 － 岛状型结构 －铀石铀石 复杂层状结构－复杂层状结构－斜方钛铀矿斜方钛铀矿 c、、层状型层状型是铀的复杂氧化物，如是铀的复杂氧化物，如U-Ti和和U-Mo 复杂氧化物具有复杂层状结构，其结构单元由 复杂氧化物具有复杂层状结构，其结构单元由 [TiO6 ]八面体或八面体或[MoO6 ]八面体组成。八面体组成。 在四价铀矿物中广泛发育着在四价铀矿物中广泛发育着U4和和Th4和 和 TR3之间的类质同象，四价铀矿物中经常含有 之间的类质同象，四价铀矿物中经常含有 Th和和TR，，Th和稀土元素矿物中也常含有和稀土元素矿物中也常含有U4， 这是由于它们之间的离子半径相近和其它性质 相似的原因所致。 ， 这是由于它们之间的离子半径相近和其它性质 相似的原因所致。 ②类质同象②类质同象 Zr4（（0.82）、）、Ca2（（1.03）也能与铀（ ）也能与铀（ U4）发生类质同象置换，但它们之间的置换通 常是单向的，属极性类质同象， ）发生类质同象置换，但它们之间的置换通 常是单向的，属极性类质同象，在锆石和磷灰 石中， 在锆石和磷灰 石中，Zr4和和Ca2常被常被U4所置换，然而在四价 铀的矿物中，尚未发现 所置换，然而在四价 铀的矿物中，尚未发现Zr4和和Ca2的类质同象混 合物。 的类质同象混 合物。 类质同象置换多发生在高温环境条件，类质同象置换多发生在高温环境条件，如伟 晶岩脉中的 如伟 晶岩脉中的晶质铀矿常含较多的晶质铀矿常含较多的Th和和TR；；而而在 中低温热液成因的沥青铀矿中只含痕量的 在 中低温热液成因的沥青铀矿中只含痕量的Th和 和 TR，有时甚至完全不含。，有时甚至完全不含。 U4矿物中也含有矿物中也含有U6 ，但它们之间不是类质同 象关系， ，但它们之间不是类质同 象关系，U6是四价铀的氧化物。是四价铀的氧化物。 变生作用变生作用系指在铀、钍衰变过程中放出的射线 作用下和核裂变碎片的作用下某些含铀、钍矿物的 晶体结构遭到破坏从而呈非晶态的现象 系指在铀、钍衰变过程中放出的射线 作用下和核裂变碎片的作用下某些含铀、钍矿物的 晶体结构遭到破坏从而呈非晶态的现象。。 发生变生作用的主要条件有二发生变生作用的主要条件有二 ④变生作用（非晶化作用）④变生作用（非晶化作用） b.矿物成分复杂如要含有易于形成络离子的变 价元素，类质同象发育，原子间相互配位复杂。 矿物成分复杂如要含有易于形成络离子的变 价元素，类质同象发育，原子间相互配位复杂。 a.矿物中含有放射性元素，如矿物中含有放射性元素，如U、、Th等。等。 容易发生变生作用的矿物有容易发生变生作用的矿物有U-Ti复杂氧化物， 含 复杂氧化物， 含U的的Nb-Ta复杂氧化物及一部分四价铀的硅酸盐。复杂氧化物及一部分四价铀的硅酸盐。 （ⅰ）具油脂光泽、沥青光泽、无解理、 贝壳状断口、半透明或碎片边缘微透光 ，密度、硬度低。 （ⅰ）具油脂光泽、沥青光泽、无解理、 贝壳状断口、半透明或碎片边缘微透光 ，密度、硬度低。 （ⅱ）光性上为均质体（或局部残留非 均质性），折光率和反射性偏低。 变生矿物的特点（相对非变生矿物而言） （ⅱ）光性上为均质体（或局部残留非 均质性），折光率和反射性偏低。 变生矿物的特点（相对非变生矿物而言） 变生矿物进一步变化的结果是，分解成各个组 成元素的简单氧化物和氢氧化物，甚至变成凝胶 变生矿物进一步变化的结果是，分解成各个组 成元素的简单氧化物和氢氧化物，甚至变成凝胶 SiO2 。