相山火山盆地鄒家山鈾礦床溫熱水分布特征及其找礦意義

湯國平，龐文靜，張運濤，，向君峰，李珍

（1.江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六一大隊，江西 鷹潭 335000；2.江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六一大隊院士工作站，江西 鷹潭 335000）

鄒家山礦床是相山鈾礦田中的典型代表之一，自20 世紀60 年代以來進行了系統(tǒng)的地溫測量，積累了160 個鉆孔的測溫資料。鄒家山鈾礦床溫熱水的分布嚴格受著鄒家山-石洞斷裂構(gòu)造和火山塌陷構(gòu)造復合控制，并有斷裂構(gòu)造脈狀承壓溫熱水。大量的鉆孔測溫和水文地質(zhì)資料反映了溫熱水與地溫異常場、鈾礦化、斷裂構(gòu)造在空間展布上的一致性。通過整理鉆孔井溫資料、抽水成果，分析了溫熱水的空間分布規(guī)律、溫熱水的各種影響因素，總結(jié)了地溫、溫熱水與鈾礦化的關(guān)系，從礦床溫熱水水化學入手，提出溫熱水對鈾礦勘查具有指導意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

相山火山盆地為形成于中元古界基底變質(zhì)巖之上的繼承式盆地。下白堊統(tǒng)火山雜巖在盆地東部置于下石炭統(tǒng)華山嶺組變質(zhì)石英砂巖和上三疊統(tǒng)安源組煤盆之上；在盆地西部被白堊紀紅盆沉積物所覆蓋?；鹕脚璧貎?nèi)廣泛出露碎斑熔巖，盆邊為不規(guī)則的弧形和半環(huán)狀的次火山巖體群所環(huán)繞［1］。碎斑熔巖總體產(chǎn)狀由四周向中心緩傾斜，上部傾角較緩，向下延伸傾角變陡，形成邊部薄、中間厚的盆形負向構(gòu)造，在剖面上形似一東厚西薄、南北勻稱的“蘑菇”（圖1）。

相山火山盆地是一個大型火山機構(gòu)，相山主火山口、火山管道及火山塌陷構(gòu)造活動形成了一系列火山構(gòu)造。根據(jù)布格重力異常和磁測△T 異常的推斷解釋［2］，相山火山盆地的構(gòu)造主要包括基底構(gòu)造和蓋層構(gòu)造?；讟?gòu)造格架主要由東西、北東及南北向3 組構(gòu)造組成，少量北西向構(gòu)造；蓋層構(gòu)造以北東向斷裂構(gòu)造為主導，也有少量北西向斷裂。

鄒家山礦床位于相山火山盆地西部，受北東向F鄒－石壓扭性斷裂構(gòu)造［3］和火山塌陷構(gòu)造復合控制。礦區(qū)地層簡單，基底為中元古界（Pt2）千枚巖、云母石英片巖，地表未出露；蓋層為下白堊統(tǒng)打鼓頂組紫紅色粉砂巖、砂礫巖（K1d1）、流紋英安巖（K1d2），鵝湖嶺組晶屑玻屑凝灰?guī)r（K1e1）及廣泛分布并出露于地表和深部的碎斑熔巖（K1e2）。厚層碎斑熔巖（300～500 m）和流紋英安巖（350～400 m）為蓋層主體巖性，也是賦礦巖層（圖2），巖石一般致密堅硬，含水性極弱。

圖1 相山火山盆地地質(zhì)構(gòu)造略圖（據(jù)江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六一大隊，2018 修改）Fig.1 Geological structure sketch of Xiangshan volcanic basin

F鄒－石由F6、F7、F10等斷裂構(gòu)造組成，斷裂帶寬100～200 m，單條斷裂呈尖滅再現(xiàn)和尖滅側(cè)現(xiàn)，走向30°～60°，傾向北西（局部南東），傾角70°～85°。火山塌陷構(gòu)造總體走向50°，傾向南東（局部北西），以褶曲和陷落拖拉撓曲的復雜形態(tài)產(chǎn)于流紋英安巖頂板變陡部位?；鹕剿輼?gòu)造與斷裂構(gòu)造多以歸并、交接或穿插的形式復合。礦床還發(fā)育次級的走向北西、近南北、北東的張性斷裂構(gòu)造裂隙帶。礦體主要賦存在F鄒－石主斷裂帶的旁側(cè)裂隙中和火山塌陷構(gòu)造變陡部位及其兩側(cè)附近流紋英安巖和碎斑熔巖中。礦床斷裂裂隙構(gòu)造是地下水（溫熱水）運動的主要通道，制約著地溫異常場的展布格局和形態(tài)。

2 水文地質(zhì)及地下水動力特征

2.1 水文地質(zhì)概況

鄒家山礦床屬贛中亞熱帶潮濕多雨氣候區(qū)，年平均氣溫16～18 ℃，年降雨量1 500～2 200 mm，年蒸發(fā)量1 100～1 500 mm，大氣平均相對濕度80%。地貌上處于燕山期火山巖組成的中等切割的剝蝕構(gòu)造中低山過渡地帶，海拔標高175～550 m，地勢總體上南東高北西低。南北兩側(cè)為與北東向斷裂構(gòu)造帶大致平行的分水嶺條帶狀山巒、中間為狹長低洼的谷地，谷地中間有一條由礦床南西段103勘探線的鞍部坡腳發(fā)源的流徑礦床匯入小芙蓉河的鄒家山小溪，構(gòu)成了一個較為完整的補給徑流至排泄區(qū)的水文地質(zhì)單元，是地下水（溫熱水）的徑流－排泄（為主）區(qū)。礦區(qū)內(nèi)地表水體發(fā)育，有小芙蓉河、鄒家山小溪及書堂河，其中鄒家山小溪流徑礦床中部，最大流量19.579 m3/s，最高水位標高200.38 m，最小流量0.002 5 m3/s，最低水位標高198.54 m［4］。

圖2 鄒家山鈾礦床地質(zhì)略圖（據(jù)江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六一大隊，1993 修改）Fig.2 Sketch geology map of Zoujiashan uranium deposit

由于礦床所處大地構(gòu)造單元為華南褶皺系，構(gòu)造運動在燕山晚期-喜山期紅盆形成至今相當長的地質(zhì)時期內(nèi)，一直處于相對穩(wěn)定和松弛階段。壓扭性的F鄒－石斷裂構(gòu)造經(jīng)外力作用長期剝蝕，在地貌上已成為低洼谷地，受大氣降水補給的溫度較低的第四系孔隙水、基巖風化裂隙水及淺部循環(huán)的基巖裂隙水，對沿斷裂構(gòu)造經(jīng)深循環(huán)加熱的承壓上涌的溫熱水起著冷卻作用，礦床內(nèi)溫度較高的上升泉少，多以孔隙裂隙下降泉的形式出露，這在野外的水文地質(zhì)測量中得到了證實。

2.2 地下水動力特征

礦床地下水流向由南向北，大氣降水為礦床地下水的主要補給來源。據(jù)鉆孔資料，礦床地下水沿陡傾裂隙由深部向淺部運動，產(chǎn)生了由陡變緩的側(cè)向轉(zhuǎn)彎，地下水的運動速度也隨著發(fā)生變化。由蓋層碎斑熔巖和透水性弱的壓扭性斷裂構(gòu)造F6、F10構(gòu)成了半封閉的水文地質(zhì)環(huán)境，水運動交替相對遲緩。鉆孔抽水試驗表明，單位涌水量為0.023 9～0.051 3 L/（s·m），滲透系數(shù)0.202 38～0.258 57 m/d。在F7斷裂構(gòu)造兩側(cè)出現(xiàn)13 個涌水孔，其涌水量0.066～0.916 L/（s·m），水頭高0.65～12.7 m。

3 地溫特征及溫熱水分布規(guī)律

3.1 礦床地溫特征

礦床地溫是用熱敏電阻測溫儀實測井液溫度實現(xiàn)的，也即地溫是孔壁巖溫和井液溫度的綜合反映。根據(jù)中科院和華東地質(zhì)學院聯(lián)合測溫組對靜井兩年余的ZK76-32 等5 個鉆孔測溫準穩(wěn)態(tài)測溫與穩(wěn)態(tài)測溫對比，測溫誤差與二六一大隊準穩(wěn)態(tài)測溫結(jié)果對比僅高0.5～1.5 ℃［5］。說明礦床井溫資料反映地溫基本可靠。本文所采用的160 個鉆孔的測溫資料為準穩(wěn)態(tài)測溫。

選擇該礦床遠離斷裂及火山塌陷構(gòu)造，及鄰近礦床不同深度的鉆孔測溫結(jié)果，求得區(qū)域上正常地溫梯度為3.06 ℃/100 m（表1）。經(jīng)統(tǒng)計礦床常溫帶深度為30 m。

根據(jù)礦床測溫數(shù)據(jù)，將平均地溫梯度大于區(qū)域正常地溫梯度平均值3.06 ℃/100 m，或孔深300 m（相當于－10 m 標高）井溫高于25 ℃定為異常，礦床地溫場具如下特征：

1）地溫異常的分布與區(qū)域性基底斷裂及其裂隙導水密切相關(guān)

揭穿F鄒－石基底斷裂（F6、F6′）的鉆孔，一般出現(xiàn)相對增高的井溫，剖面地溫等值線圖上出現(xiàn)凸形地溫異常，如ZK33-30，孔深225 m處揭穿F6，井溫達30 ℃，較同剖面等標高的井溫高4～6 ℃，孔深860 m 處的井溫60 ℃，平均地溫梯度5.24 ℃/100 m，較正常地溫梯度高2.18 ℃/100 m。剖面上可以看出，F(xiàn)7和其賦存的地下水對F6起著降溫的作用（圖3a）。

2）地溫異常與火山塌陷構(gòu)造及其裂隙導水密切相關(guān)

火山塌陷構(gòu)造是鄒家山礦床的隱伏構(gòu)造，埋深200～300 m，由北東向南西逐漸加深，斷距長達100～250 m，該構(gòu)造巖石－晶屑玻屑凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖受構(gòu)造力的作用，結(jié)構(gòu)變松，部分厚度變薄，陡峭部位0～15 cm，平緩處5～20 m，變陡部位巖石局部破碎似層間碎裂巖。鉆孔揭露該構(gòu)造，一般有較明顯的井溫異?；蛟谄拭嫔铣霈F(xiàn)相對增高的井溫，如ZK71-10 孔深780 m 揭露火山塌陷構(gòu)造，出現(xiàn)涌水，孔口混合水溫28.2 ℃，構(gòu)造處井溫46.5 ℃，地溫梯度4.00 ℃/100 m，較正常地溫梯度高0.94 ℃/100 m。從剖面圖看，火山塌陷構(gòu)造涌水處的井溫較同標高的要低，這與靠近F7有關(guān)，反映了F7是賦存著相對火山塌陷構(gòu)造裂隙水溫度更低的地下水，對地溫起著降溫作用（圖3b）。

表1 區(qū)域正常地溫梯度計算結(jié)果表Table 1 The calculation results of normal regional geothermal gradient

圖3 鄒家山鈾礦床鉆孔地溫剖面圖（據(jù)江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六一大隊，1993 修改）Fig.3 Geothermal temperature section of boreholes in Zoujiashan uranium deposit

3）地溫異常與基底斷裂F6和火山塌陷構(gòu)造的復合密切相關(guān)

基底斷裂和火山塌陷構(gòu)造的復合，在鄒家山礦床的諸多剖面可見，反映了構(gòu)造活動的繼承性?！皬秃蠘?gòu)造”與地溫的關(guān)系密切，如ZK31-10（圖3c），在－30 m 處揭露次級裂隙帶水，涌出孔口的水溫19 ℃，至－230 m標高揭露“復合構(gòu)造”，水溫為23 ℃，留孔觀測出現(xiàn)了孔口混合水溫28.2 ℃的溫熱水。從該剖面看，存在著階梯狀火山塌陷構(gòu)造，塌陷斷塊間的次級裂隙構(gòu)造發(fā)育，沿次級裂隙構(gòu)造深循環(huán)的熱水承壓上涌，拓寬了地溫高場在剖面上的范圍寬約700 m。

4）地溫分布反映著礦床地下水的補給徑流特征

如前所述，隨著遠離基底斷裂（F6）和火山塌陷構(gòu)造及其復合構(gòu)造部位，地溫有由高（正異常）逐漸變低至正?；蚋停ㄘ摦惓＃┑内厔荨５偷販胤从持鴾\層地下水（溫度低的水）的補給區(qū)，淺層冷水運動方向以下滲水流為主，水的運動方向與剖面地溫增加的方向一致?？拷麱6和火山塌陷構(gòu)造相對增高的正異常地溫，反映溫熱水的承壓徑流區(qū)，在剖面上溫熱水承壓向上運動，運動方向與地溫減小的方向一致。

3.2 礦床溫熱水的分布規(guī)律

礦床溫熱水測溫與地溫測溫所用儀器及方法基本相同，區(qū)別在于溫熱水測溫對象為地下水。鄒家山礦床地下水溫度為24.3～40.2 ℃，根據(jù) 《水文地質(zhì)手冊》 中的“地下水的溫度分類”和“地下熱水的溫度分類”標準，可稱為溫熱水。其分布具有以下規(guī)律：

1）礦床溫熱水露頭的帶狀性分布

鄒家山礦床溫熱水的分布嚴格受F鄒－石和火山塌陷構(gòu)造控制，溫熱水露頭呈帶狀分布于剝蝕構(gòu)造谷地及其兩側(cè)的山坡。水的溫度有自F鄒－石兩側(cè)向中心部位增高趨勢，溫度變化范圍24.3～40.2 ℃。溫熱水的承壓性較弱，水頭較低，最高水頭高出地表14.46 m。礦床涌水鉆孔（泉）的水溫一般大于20～25 ℃，最高達34.5 ℃，最大涌水量3.30 m3/h。礦床溫熱水等水位線的變化與地形等高線基本一致，溫熱水的流向與地表徑流方向基本一致，由南西流向北東。

2）礦床溫熱水的垂向分布

礦床溫熱水補給源于大氣降水，這已由溫熱水中氫氧同位素和礦床不同類型的地下水、地表水化學成分及組分間特征所證實［5］。大氣降水在經(jīng)孔隙及斷裂構(gòu)造往下滲透過程中，由于地熱增溫而不斷加熱。

依據(jù)SiO2的溶解度與水溫成正相關(guān)和基于水熱流體與SiO2的化學平衡關(guān)系，采用“特魯斯德爾”熱傳導冷卻公式計算了溫熱水的形成溫度（表2）。

表2 溫熱水形成溫度計算結(jié)果表Table 2 The calculated temperature for the formation of thermal water

式中：C—SiO2的含量，mg/L。

據(jù)表2，溫熱水形成溫度為79.6～91.8 ℃，其循環(huán)深度按下式計（概）算。

式中：H—溫熱水形成的深度，m；G—地熱增溫級，以區(qū)域的平均值32.68 m/℃計；TH—相應溫熱水中SiO2含量形成深度的溫度，℃；TB—恒溫帶溫度，取值17.5 ℃；h—恒溫帶深度，取值30 m。

計算結(jié)果，溫熱水的形成與循環(huán)深度為2 092～2 490 m。

據(jù)溫熱水中可溶性SiO2含量計算，循環(huán)至2 500 m 深度形成了熱水，熱水因其密度減小而產(chǎn)生自身浮力，在高勢能高密度水的驅(qū)動下，沿陡傾角的F鄒－石（F6）和火山塌陷構(gòu)造上升，與淺部斷裂構(gòu)造水及派生次級基巖裂隙帶中的水混合，構(gòu)成溫熱水循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，基底斷裂F6和火山塌陷構(gòu)造是熱水上升的主要通道。由于溫熱水系統(tǒng)中的斷裂構(gòu)造及裂隙構(gòu)造帶在空間展布、物質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)的不同，導致富水性和滲透性差異。

4 礦床溫熱水對找礦勘查的意義

鄒家山礦床地溫異常場與溫熱水呈帶狀分布，一般寬300～500 m、最寬為700 m，已控制長1 700 m，并繼續(xù)向南西和北東（北北東）方向延伸。礦床溫熱水的分布特征、水化學特征及與鈾礦化的關(guān)系，所表現(xiàn)出的規(guī)律與標志，對鈾礦找礦工作起著指導的作用。

F鄒－石是礦床溫熱水形成與循環(huán)的主要通道，既嚴格控制著礦床溫熱水的分布，也制約著礦床地溫異常場的展布格局。溫熱水、地溫異常場與鈾礦化具空間展布的一致性。因此，構(gòu)成了“地溫法”找礦的地質(zhì)標志。

礦床溫熱水以較高的水溫和某些組分的高含量區(qū)別于其他類型的地下水［8］（表3）。礦床地下水中可溶性SiO2含量≥35 mg/L、F－含量≥1.6 mg/L，這些組分既是溫熱水出現(xiàn)的重要標志。水中HCO3－≥170 mg/L、Ca2＋≥40 mg/L、礦化度≥0.23 g/L、pH 值≥7.0～8.0，是溫熱水的化學組分含量值，可作為尋找鈾礦的間接標志。

鄒家山礦床溫熱水主要來自大氣降水的滲入補給。滲入的通道是裸露于地表或近地表陡傾角張（扭）性斷裂，及其旁側(cè)較大的補給區(qū)范圍內(nèi)具張性（或張扭性）裂隙構(gòu)造。大氣降水沿裂隙往地殼深部滲入過程中，降水隨下滲深度的增加，升溫水的溶解能力增強，水的礦化度增高。富含O2及CO2的大氣降水淋濾氧化帶中的U6＋、F－、Ca2＋等，并沿構(gòu)造裂隙向下滲透，隨著下滲深度的加大溫度升高，水中CO2含量增高，并繼續(xù)淋濾圍巖中的各種化學組分，如U6＋、F－、Ca2＋、Na＋、K＋、Fe2＋、H2S 等，為礦體形成提供了充足的成礦物質(zhì)和還原劑。

水熱系統(tǒng)排泄區(qū)發(fā)生的降溫、減壓脫氣和混合作用等造成鈾沉淀富集，形成瀝青鈾礦、方釷石、螢石、方解石和赤鐵礦組合。通過水-巖相互作用，最終形成了富含F(xiàn)、SiO2的含鈾熱水溶液［9］。水熱溶液在其運移、循環(huán)過程中，由于物理、化學條件的變化，導致溶液中金屬元素含量增高，直到淀積，相山礦田成礦元素U 的淀積，是水熱溶液運移過程中水-巖反應的動態(tài)、平衡的產(chǎn)物［10］。根據(jù)江西二六一大隊在相山地區(qū)的找礦實踐，當溫熱水中鈾含量≥1.04×10-6g/L、氡濃度≥220 Bq/L、鐳含量≥3×10-11g/L，是尋找鈾礦的直接標志。

運用上述規(guī)律性認識與標志，結(jié)合地質(zhì)規(guī)律，可對相山地區(qū)尋找鈾礦床起到了積極作用。如在鄒家山鈾礦床－90 m 中段等溫線圖的北東部出現(xiàn)了兩個方向的較高溫度場，一是沿主干斷裂F鄒－石斷裂向北東斷續(xù)延伸，反映了該斷裂至鄒家山并未終止，沿其繼續(xù)追索仍是找礦的主要方向［11］；二是北北東向的增溫帶，在該帶施工鉆孔均見到了工業(yè)礦，如ZK9-93 鉆孔見礦段累計厚3.40 m、平均品位0.100%。由此說明，地溫法找礦在相山地區(qū)是一種行之有效的找礦方法。

5 結(jié)論

1）鄒家山礦床地溫異常場和溫熱水的展布，嚴格地受著區(qū)域性深大斷裂F鄒－石斷裂（主要是F6）和火山塌陷構(gòu)造的控制，并與其構(gòu)造線走向基本一致。次級裂隙制約著地溫場的形態(tài)及溫熱水的分布范圍。

表3 鄒家山礦床地下水、地表水化學成分表Table 3 Chemical compositions of groundwater and surface water of the Zhoujiashan deposit

2）地溫梯度增高與富鈾層位及溫熱水的分布具有空間上的一致性。

3）鄒家山礦床地溫梯度高于F鄒－石斷裂帶旁側(cè)的次級斷裂、裂隙構(gòu)造控礦的礦床平均地溫梯度。

4）鄒家山礦床地溫受地下水影響較為明顯，受控于F6斷裂和火山塌陷構(gòu)造的溫熱水系統(tǒng)，溫熱水的溫度明顯高于巖溫；側(cè)向補給和淺循環(huán)水徑流范圍內(nèi)，裂隙水的溫度明顯低于巖溫。