2.1. Cơ sở lý luận và một số khái niệm sử dụng trong luận văn
2.1.1. Tổng quan về urani và các kiểu mỏ urani trong cát kết
a. Đặc điểm địa hóa urani
* Địa hóa vơ cơ
Urani trong tự nhiên gồm 3 đồng vị: 238U chiếm 99,2739%, 235U chiếm 0,7204%, 234U chiếm 0,0058% lượng nguyên tử. Các nguyên tử urani có hạt nhân nặng và bán kính lớn. Trong tự nhiên urani khơng tồn tại ở dạng nguyên tố độc lập, mà tồn tại ở dạng hóa trị III, IV, V và VI; trong đó chỉ có urani hóa trị IV (U4+) và urani hóa trị VI (U6+) mới có ý nghĩa địa hóa học và khống vật học. Cịn urani hóa trị 3 (U3+) và urani hóa trị 5 (U5+) chỉ bền vững ở điều kiện trong phịng thí nghiệm. Tất cả các khoáng vật urani đều chứa oxy, bởi lẽ urani có ái lực mạnh với oxy. Ở điều kiện acid mạnh, ion U4+ có thể tồn tại độc lập trong dung dịch hoặc tạo thành hợp chất. Ion U6+ luôn tồn tại trong tự nhiên ở dạng UO22+. Ái lực hấp dẫn đối với oxy có vai trị quan trọng trong việc xác định đặc điểm địa hóa của urani.
- Urani hóa trị IV:
U4+ có trong rất ít khống vật, chỉ gặp trong uraninit (UO2+x) và coffinit [U(SiO1-x (OH)4x] hoặc Titanaturan, brannerit. Do đặc điểm về kích thước và cấu trúc, U4+ có thể thay thế cho các ion khác (như Th+4, Zr +4, Ce+4) trong một số khống vật. Urani hóa trị IV ít tan trong dung dịch nhiệt độ thấp. Do đặc điểm các hình dạng ion và sự cạnh tranh phản ứng thủy phân đã tạo nên các phức chất hyđroxyt urani hóa trị IV. Các phức ion hóa trị IV khác chỉ bền vững ở Eh thấp và pH tương đối thấp (axit yếu). Ngoài ion OH-
,các ion khác như SO4-2 và F-, Cl- cũng có thể tạo nên các phức ion bền vững với ion U4+. Ở điều kiện pH > 3,5 thì phức hyđroxyt urani chiếm ưu thế.
Các tài liệu về sự bền vững của phức carbonat urani được cơng bố khá đầy đủ; trong đó có bằng chứng đáng chú ý là các hợp chất cacbonat chứa urani thường không bền vững. Cheryaev đã dẫn ra các số liệu cho thấy carbonat chứa ion U4+ bắt đầu bị phân hủy ở 1000C, nhưng khi hàm lượng carbonat rất cao sẽ làm các phức
28
urani bền vững ở cả 2 trạng thái rắn và lỏng. Đây là điểm quan trọng trong việc vận chuyển urani trong dung dịch nhiệt dịch chứa hàm lượng carbonat cao hoặc áp suất CO2 cao. Nhưng ở điều kiện biểu sinh và gần mặt đất, thì phức chứa cacbonat urani kém bền vững hơn các chất hidroxit và phức chất bị thủy phân.
Tính chất tan và bền vững của U4+ trong silicat nóng chảy phụ thuộc bởi tính linh động của oxy. Calas đã chứng minh U4+ có tính tan cao trong dung dịch silicat oxy kém linh động; điều này phù hợp với mối liên quan giữa Th và U trong đá magma, urani tồn tại ở hóa trị IV rất lâu và có đặc điểm hóa học gần như Th và cả hai đều có xu hướng tập trung trong các khoáng vật thuộc giai đoạn magma muộn. Khi tính linh động của oxy tăng lên, thì urani hóa trị IV và VI đi vào trong dung dịch magma silicat nhiều hơn. Do tính linh động của oxy tăng lên, nên U và Th sẽ không đi liền nhau trong quá trình địa hóa, khi đó chúng được vận chuyển và tập trung theo phương thức khác nhau.
- Urani hóa trị VI
Trong nước tự nhiên rất điển hình, khi áp suất khí CO2 là 10-2 atm và ở điều kiện oxy hóa thì ion urani là dạng phổ biến nhất trong dung dịch acid có pH ≤ 5. Nếu Ph > 5, thì urani tạo thành 3 phức hòa tan khác nhau: UO2CO2 không bị ion hóa và 2 phức carbonat mang điện âm.
Các khống vật asenat urani và silicat urani khá phổ biến, ở hàm lượng thích hợp thì HA3O4-2 và SiO3+2 có thể kết hợp với ion urani trong mơi trường để hình thành các phức photphat urani và carbonat urani.
Sự có mặt của các ion kim loại khác như Na+,K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+… làm cho khả năng hòa tan của các hợp chất urani giảm đi, do đó các khống vật muối urani được thành tạo. Một số khoáng vật này rất bền vững, trong khi một số khác lại dễ bị hịa tan. Tính tan của các khống vật này được xếp theo thứ tự tăng dần như sau: carbonat > sunphat > photphat > asenat > silicat > vanadat.
* Địa hóa hữu cơ
Urani và một số loại vật chất hữu cơ có mối liên hệ chặt chẽ với nhau và đã được người ta biết đến từ lâu. Các vật chất hữu cơ tự nhiên hấp phụ được urani đều
29
chứa nhóm mang oxy. Về phương diện này, các hợp chất urani hữu cơ và vô cơ là giống nhau. Urani hoặc ion urani liên kết với nguyên tử oxy trong các hợp chất, cơ chế để urani thành tạo các phức chất với các chất hữu cơ hòa tan là trao đổi ion, hấp thụ hóa học… Các chất hữu cơ mà urani có liên hệ nhiều nhất là các chất humit, chúng có liên quan hoặc có nguồn gốc từ chất mùn, là vật chất do sự phân hủy khơng hồn tồn sinh vật như: Than bùn, linhit, than đá, bùn trong đầm lầy….
Các nhà nghiên cứu như Walker, Leven Thal Moore, Granêls, Pommer, Schmit, Kochenov….có những nhận định: Nếu môi trường địa chất giàu vật chất hữu cơ và H2S thì đầu tiên vật chất hữu cơ sẽ hấp phụ urani và sau đó urani bị khử bởi vật chất hữu cơ và H2S. Rbozkhova đã chỉ ra rằng: sự hấp phụ lớn nhất bởi vật chất hữu cơ khi mơi trường có độ pH = 5÷7,5.
b. Khái qt về kiểu mỏ urani trong cát kết
* Khái niệm:
Mỏ urani trong cát kết được thành tạo trong cát kết arko, nguồn gốc sơng suối, có những lớp kẹp độ thấm nước kém hơn. Dạng tồn tại ban đầu của urani là hóa trị 4+, khoáng vật chủ yếu là pitchblend và uraninit. Vật chất hữu cơ liên quan đến khống hóa thường có nguồn gốc là thực vật trên cạn. Yếu tố quan trọng dẫn đến thành tạo quặng urani là sự tác động của 2 đối tượng khác nhau về địa hóa: khử và oxy hóa. Khi bị oxy hóa, urani chuyển từ hóa trị IV sang hóa trị VI. Trạng thái hóa trị khơng những quan trọng đối với các dạng khống hóa urani trong cát kết mà còn quan trọng đối với các dạng khống hóa urani khác. Urani hóa trị VI có xu hướng bị hịa tan và đi vào dung dịch, cịn urani hóa trị IV có xu hướng tách khỏi dung dịch và lắng đọng lại. Trong quá trình hịa tan hay kết tủa của urani liên quan chặt chẽ với sự thành tạo hay phá hủy của pyrit, tác nhân khử chủ yếu là sulfua Hyđro (H2S) và vật chất hữu cơ. Khả năng của H2S là chuyển urani từ hóa trị VI sang hóa trị IV.
Cát kết mang quặng thường có cấp độ hạt mịn tới thơ và có thành phần từ cát kết acko, grauvaclitoit, cát kết thạch anh. Các thân quặng có thể ở dạng vỉa cũng có
30
khi ở dang cắt chéo tầng trầm tích. Ranh giới giữa quặng và đá thường không rõ ràng, đôi khi chuyển tiếp từ từ và không đều đặn.
Yếu tố địa hóa – vật lý quan trọng nhất đối với quặng hóa là: - Độ thấm nước.
- Nhân tố hấp phụ như than, vật chất hữu cơ. - Các chất khử gồm các chất carbon, sulfua.
Nguồn cung cấp urani từ q trình rửa rũa các loại đá gốc có tuổi trước 400 triệu năm chủ yếu là các đá trầm tích núi lửa và các đá granit chứa urani.
Nguồn cung cấp urani từ quá trình rửa rũa các loại đá gốc có tuổi trước 400 triệu năm. Căn cứ vào hình thái thân quặng, mối liên quan về không gian với cấu trúc, mỏ urani trong cát kết được chia thành 3 phụ kiểu (hình 2.1):
+ Phụ kiểu mỏ dạng vỉa/chỉnh hợp (tabular/peneconcordant) + Phụ kiểu mỏ dạng cuốn (Rollfront or Roll-type)
+ Phụ kiểu kiến tạo- thạch học (Tectonic-lithologic)
Hình 2.1. Kiểu mỏ urani trong cát kết
Nguồn cung cấp urani từ quá trình rửa rũa các loại đá gốc có tuổi trước 400 triệu năm chủ yếu là các đá trầm tích núi lửa và các đá granit chứa urani.
Dựa vào hình dạng thân quặng, quan hệ khơng gian với mơi trường trầm tích và kiến trúc cũng như tổ hợp các nguyên tố đi cùng urani trong cát kết. Fransj Dahkamp (1991) đã chia các mỏ trong cát kết trên thế giới thuộc giai đoạn Mezezoi ra 3 kiểu chính như sau:
31
- Kiểu mỏ dạng vỉa (Tabula) hoặc bán chỉnh hợp, kiểu được chia thành các lớp sau:
+ Lớp mỏ urani – humit, đặc trưng cho lớp này là các mỏ ở Grants – Mỹ. + Lớp mỏ urani – vanadi, thuộc lớp này phải kể đến dải khống hóa urani của vùng,
+ Lớp mỏ urani phân bố trong lịng sơng cổ hoặc trên móng. Điển hình là mỏ Monumen (Mỹ)
- Kiểu mỏ ở mặt phân giới oxy hóa khử hoặc kiểu mỏ oxy hóa vỉa. Thuộc kiểu mỏ này gồm các lớp sau:
+ Lớp mở trong bồn trũng lục ngun có mảnh vụn hữu cơ, điển hình là mỏ Wyoming (Mỹ).
+ Lớp mỏ trong trầm tích sơng biển, thuộc loại này phải kể đến các mỏ ở bình ngun biển phía nam Bang Texas (Mỹ).
- Kiểu mỏ trầm tích kiến tạo có các mỏ urani phân bố ở khu vực Grants (Mỹ).
* Đặc điểm chính
+ Đá chứa quặng có các đặc trưng sau:
- Cát kết có khả năng thấm nước, gắn kết yếu; cát kết arko hoặc felsit; cuội kết thạch anh; bột kết ven biển hoặc do gió;
- Chủ yếu là hạt trung đến thơ; rất ít khi là hạt mịn hoặc hạt lớn; - Thường có phân lớp xiên chéo và có các thấu kính xen kẽ;
- Hệ số thấm nước khoảng 75-350 lít/m2/ngày (Austin và D’Andrea, 1978); - Có nhiều chất gây kết tủa, chất khử urani: chất hữu cơ (thực vật, humat), hydrocarbon, sunfua (H2S, pyrit …);
- Có nhiều vật liệu núi lửa trong trầm tích hoặc có các lớp trầm tích phun trào núi lửa ;
- Có các lớp khơng thấm nước xen kẹp (sét kết);
+ Khống hóa
32
- Thân quặng có dạng vỉa (tabular), dạng cuốn (roll-front)…
- Ranh giới khống hóa với đá vây quanh có thể rõ ràng hoặc không rõ ràng;
2.1.2. Một số khái niệm, thuật ngữ sử dụng trong luận văn
a. Mơ hình hóa
* Khái niệm:
Mơ hình hố là sự thể hiện một cách trừu tượng hay cụ thể của một quá trình hay một hiện tượng nào đó tương đương với đối tượng hay quá trình đang nghiên cứu theo một ý nghĩa nào đó. Mơ hình hố là phương tiện để nhận thức các quy luật tự nhiên và được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau của khoa học kỹ thuật.
Mơ hình hóa là một khoa học về mô phỏng, giản lược các thông số thực nhưng vẫn diễn tả được tính chất của từng thành phần trong mơ hình. Mơ hình khơng hồn tồn là một vật thể hiện thực, nhưng nó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về đối tượng nghiên cứu. Mơ hình hóa là phương pháp nghiên cứu cấu trúc của đối tượng tự nhiên phức tạp. Trong thăm dò địa chất các mỏ khoáng, A.E. Kajdan (1977) chỉ rõ:
Mơ hình là phương tiện để nhận thức các quy luật cho phép kết luận về các tính chất đặc trưng nghiên cứu nhờ nhận thức từ mơ hình được thành lập. Mơ hình được thiết lập trên cơ sở lý thuyết tương tự.
Trong lĩnh vực khoa học địa chất, mơ hình hố được sử dụng để nhận thức các đối tượng, hoặc các quá trình địa chất và được sử dụng khá rộng rãi trong lĩnh vực thăm dị khống sản. Như vậy, mơ hình hóa là một giải pháp nghiên cứu, điều tra, kiểm định và đánh giá nhằm tìm hiểu, giải thích, dự đốn, dự báo và lựa chọn các phương pháp tìm kiếm, thăm dị mỏ khống. Mơ hình mỏ khống hoặc các tính chất quan trọng nào đó của mỏ khoáng thường được thực hiện bằng phương pháp quy nạp hoặc mơ phỏng. Sản phẩm của q trình mơ hình hóa có thể là một mơ hình cụ thể quan sát được bằng mắt thường (sơ đố dạng khối, bình đồ, mặt cắt địa chất…) hoặc mơ hình được quy nạp dưới dạng một cơng thức tốn học, cịn gọi là mơ hình trừu tượng. Ngày nay, với cơng nghệ thơng tin phát triển, nhiều nhà nghiên
33
cứu địa chất quan niệm: mơ hình là một cấu trúc mơ tả đối tượng địa chất đã được tối giản hóa theo đặc điểm hoặc diễn biến của một quá trình, một hiện tượng, một khái niệm hoặc một hệ thống địa chất nào đó. Mơ hình có thể là một hình ảnh hoặc một vật thể thu nhỏ hoặc phóng đại, hoặc chỉ làm gọn dưới dạng phương trình tốn học, một cơng thức vật lý, một phần mềm máy tính để mơ tả một thực thể địa chất thông qua tài liệu thu thập thực tế mang tính điển hình. Tư tưởng cơ bản của mơ hình hóa là bằng con đường nghiên cứu và khai thác mơ hình để nhận được khái niệm tin cậy về tính chất của đối tượng địa chất cần nghiên cứu.
Một cách tổng qt, tất cả các mơ hình phải có 3 thành tố: thơng tin đầu vào, tiến trình xử lý thơng tin và thông tin đầu ra.
Theo dấu hiệu và q trình được mơ hình hố, người ta chia ra các dạng sau: - Mơ hình hố cấu trúc mỏ, đặc điểm hình dạng và điều kiện thế nằm của các thân quặng.
- Mơ hình hố sự phân bố của các thơng số địa chất thân quặng (chiều dày, hàm lượng, trữ lượng điểm,..).
- Mơ hình hố các quá trình địa chất đã diễn ra và đang diễn ra trong lịng đất; Đó là sự thay đổi hình dạng, tính chất của thân khống theo thời gian và khơng gian.
Hiện nay, để nhận thức đối tượng nghiên cứu theo các giai đoạn thăm dò, khai thác mỏ, cũng như mô tả định lượng sự biến hố các tính chất địa chất thân khoáng, người ta thường sử dụng 4 loại mơ hình:
- Mơ hình dạng biểu đồ, sơ đồ (mơ hình dạng mặt cắt địa chất liên hợp); - Mơ hình hình học mỏ;
- Mơ hình vật lý;
- Mơ hình tốn địa chất.
* Đặc tính biến hố của quặng hố
Khi nghiên cứu về đặc điểm biến hóa khơng gian của quặng hóa thường phải làm sáng tỏ 3 phương diện của sự biến hóa sau:
34
+ Quy luật của sự biến hóa (hình 2.2) - Biến đổi điều hịa và có quy luật
- Biến đổi điều hịa và khơng có quy luật - Biến đổi nhảy vọt, gián đoạn và có quy luật
- Biến đổi nhảy vọt, gián đoạn và khơng có quy luật
a b c d
Hình 2.2 : Đặc tính của sự biến đổi quặng hóa a- Biến đổi điều hịa và có tính chất qui luật a- Biến đổi điều hịa và có tính chất qui luật
b- Biến đổi điều hịa khơng có qui luật
c- Biến đổi nhẩy vọt gián đoạn có qui luật
d- Biến đổi nhẩy vọt, gián đoạn khơng có qui luật
+ Mức độ biến hóa
Mức độ biến hóa quặng hóa đều được hiểu như là kích thước dao động của tính chất cần nghiên cứu, tức biên độ lệch so với giá trị kỳ vọng toán của chúng. Mức độ biến hóa thường được đo bằng các chỉ số khác nhau, tuỳ theo sự lựa chọn của nhà nghiên cứu. Hiện có rất nhiều chỉ số, song thường trong thăm dò địa chất, người ta thường sử dụng hệ số biến thiên (V).
+ Cấu trúc của sự biến hóa
Sự biến hóa các thơng số trong từng khối đá hay tích tụ khống sản riêng lẻ đều có đặc điểm riêng của chúng. Điều đó được thể hiện ở chỗ sự biến đổi đặc điểm quặng hóa ở khối này so với khối khác có sự khác nhau cả về mức độ lẫn đặc tính của sự biến hóa. Trong tự nhiên thường gặp các dạng cấu trúc:
- Biến đổi nhảy vọt, gián đoạn và có quy luật.
- Biến đổi nhảy vọt, gián đoạn và khơng có quy luật.
Tuỳ thuộc vào điều kiện tạo quặng, sự biến hóa của các tính chất quan trọng