蒙其古爾鈾礦床水動力特征及與鈾成礦關系

李曉紅，徐建國，王芳霞，雒鳳娥

（核工業(yè)二一六大隊，烏魯木齊 830011）

蒙其古爾鈾礦床位于伊犁盆地南緣礦集區(qū)，礦床規(guī)模達特大型。張占峰等闡述了構造和水動力作用是礦床層間氧化帶砂巖型鈾礦成礦驅動性因素［1］；王冰等認為有機質、烴等還原性物質是富大礦體形成的關鍵因素［2］；張虎軍等認為礦床位于扇三角洲前緣分流河道，是鈾成礦有利沉積相［3］；李彥龍等分析了伊犁盆地南緣水文地質特征，礦床位于狹窄式水文地質單元，為鈾成礦最有利類型［4］。相對于蒙其古爾 “水成鈾礦床”，還未專門從水動力學角度出發(fā)，研究層間氧化帶發(fā)育特征和鈾成礦關系，本文探討了地下水在鈾成礦過程中的作用。

1 地質概況

礦床位于伊犁盆地南緣構造活動區(qū)內，整體上呈東、西、南三面翹起，向北東方向敞開的屜狀向斜構造形態(tài)［5］。

含礦層位主要為三工河組和西山窯組。鈾礦體分別賦存于侏羅系三工河組下段和上段、西山窯組下段和上段四個層位的砂體中。賦礦層位主體為扇三角洲平原—沖積扇、辮狀河沉積體系。

礦床范圍內自下而上共發(fā)育有四個含礦含水層：三工河組含水層（J1s1和J1s2）、西山窯組下段含水層（J2x11亞層）和西山窯組上段含水層（J2x31亞層）。西山窯組下段和西山窯組上段含礦含水層均發(fā)育有穩(wěn)定的頂、底板隔水層，與其它含水層之間不存在水力聯系。三工河組下段和三工河組上段含礦含水層之間的隔水層有多處沉積缺失，存在水動力窗口，含水層之間有水力聯系。

2 地下水水動力特征

礦床處于伊犁盆地南部斜坡帶蒙其古爾水文地質單元：該水文地質單元寬1.11～3.62 km，呈西南窄，東北寬形態(tài)。

2.1 礦床地下水的補徑排

礦床地下水徑流區(qū)位于F1和F3兩條阻水斷裂之間，侏羅系巖層呈3°～9°向北東方向緩傾，其主要的補給源為礦床西南部的扎吉斯坦河，因此徑流區(qū)地下水的主要流向為47°；此外在構造破碎帶附近，地下水接受蒙其古爾溝的補給，地下水流場發(fā)生變化，局部地段水流方向為近北西向，但由構造破碎帶入滲的補給量較小，對礦床內地下水的整體流向影響不大（圖1）。兩條斷層所轄的范圍內，中部流速大，而近斷層處受斷層影響，地下水流速相對較小，含水層的滲透系數一般小于0.10 m/d。整體上徑流區(qū)地下水流速0.01～0.11 m/d， 導水系數 0.47～42.78 m2/d，水位埋深一般在-50.28～110.26 m之間。礦床東部的切金溝為局部排泄源［6］。

圖1 蒙其古爾鈾礦床地下水示意圖Fig.1 Sketch showing the recharge of groundwater in Mengqiguer uranium deposit

2.2 含礦含水層水動力特征

礦床整體上徑流區(qū)的水力坡度為0.02～0.20，地下水流速0.01～0.11 m/d，導水系數0.47～42.78 m2/d，水位埋深一般在-50.28～110.26 m之間。

三工河組下段含水層地下水水量豐富。單位涌水量為0.010～0.038 l/s·m，儲水系數為3.19×10-4～5.34×10-4；地下水水位埋深較大，一般為34.78～83.50 m，在溝谷地段埋深較淺；地下水承壓性較好，承壓水頭高度489.82～548.10 m，壓力傳導系數為 1.76×104～6.06×104m2/d；滲透系數一般為0.32～0.37 m/d，導水系數3.12～4.88 m2/d。

三工河組上段含水層地下水主要流向為北東向，地下水埋深79.98 m；承壓水頭357.82 m，壓力傳導系數為3.88×104m2/d；單位涌水量0.016 l/s·m；滲透系數0.50 m/d，滲透性較好；導水系數6.69 m2/d。

西山窯組下段含水層地下水水量充沛，單位涌水量0.008～0.038 l/s·m；水位埋深為10.76～41.27 m；承壓水頭高度在 416.96～474.73 m，水頭值自西南往北東逐漸增大，壓力傳導系數為3.00×104～3.33×104m2/d；滲透系數一般為0.08～0.23 m/d，在F2和F3斷裂處滲透系數較小；導水系數1.40～4.26 m2/d。

西山窯組上段含水層富水性較差，單位涌水量 0.011 l/s·m；水位埋深為 110.26 m；承壓水頭高度為195.14 m，壓力傳導系數為8.87×104m2/d；滲透性一般，滲透系數0.08 m/d； 導水系數 1.21 m2/d［7］。

3 層間氧化帶空間展布特征

層間氧化帶成因于含氧水的層間徑流，地下水流場影響層間氧化帶的空間展布形態(tài)。蒙其古爾鈾礦床補徑排體系相對較復雜，雙通道的補水和層間越流使礦床范圍內各含礦含水層內均發(fā)育不只一個層間氧化帶，它們多是在不同水動力機制作用下形成的。礦床內地下水主流向為47°，派生出137°和317°兩個次級流向。在地下水的驅動下，平面上，層間氧化帶前鋒線呈蛇曲狀或港灣狀展布，局部地段形成了中間氧化兩側還原的對沖式雙側尖滅線（圖2）。剖面上，層間氧化帶在F1、F2和F3斷裂夾持區(qū)內呈疊瓦狀排列，有的呈透鏡體狀發(fā)育。

3.1 三工河組下段層間氧化帶

在P0線以西南，地下水主受扎吉斯坦河補給作用，三工河組下段層間氧化帶前鋒線在平面上分為南、北兩條，呈平行走向，受地下水動力條件減弱的影響，氧化帶寬度在P16線開始收窄。南、北前鋒線走向在礦床內總體上呈北東—南西，受F1斷裂構造破碎窗的補水作用，南部層間氧化帶前鋒線在P0線逐漸向斷裂構造窗聚攏，北前鋒線在此處陡然向北西方向延伸，與南前鋒線呈近90°的夾角，在P044號鉆孔附近南北向補水作用減弱，北東向補水作用的持續(xù)，北前鋒線再次出現大的轉折，由北西向過渡到北東向。

3.2 三工河組上段層間氧化帶

層間氧化帶前鋒線在平面上分為南、中和北三條。北部前鋒線展布于礦床中部的P11－P23線附近，形態(tài)為一封閉 “蛇曲狀”，控制面積大約55 000 m2。前鋒線尖滅位置與三工河組下段層間氧化帶前鋒線位置正好重合，這是因為在此處三工河組上、下段砂體合并，形成一個聯通的窗口，含氧地下水由承壓作用向上越流繼續(xù)發(fā)生氧化作用，周邊的地層中穩(wěn)定隔水層出現，且含氧地下水的補給具有一定有限性，形成了該封閉的氧化窗口。中部前鋒線展布PN00線和P55線間，控制長度大約為6 km。地下水在盆緣接受側向補給后推動層間氧化帶向盆地中心運移。由于三工河組上段含水層滲透性較好，水流變化不大，層間氧化帶形態(tài)較為平緩，僅在局部地段出現舌狀凸出或者收斂，該前鋒線在西南部受扎吉斯坦河水補給影響在PN00線附近向F3斷裂收斂。而南部前鋒線展布于 P7－P44線間，靠近F1斷層，控制程度較低。

圖2 蒙其古爾鈾礦床層間氧化帶平面展布圖Fig.2 Planar distribution of interlayer oxidation zone front line of Mengqiguer uranium deposit

3.3 西山窯組下段層間氧化帶

在F1與F3斷裂的夾持礦床內，除在礦床西南部PN0700孔附近未形成層間氧化帶，形成了一灰色殘留體外，P0－P55線其它地段幾乎全部發(fā)生了層間氧化作用。受F1斷裂構造補水和F3斷裂構造阻水作用，在P0－P11線層間氧化帶蜿蜒向西北凸出靠近F3斷裂后在P15－P35線微凹向東南收斂，在P37－P49線受到由東南向西北方向的地下水作用，前鋒線形態(tài)更為復雜化，形成 “囊狀”，前鋒線在P4738號鉆孔附近舌狀向北東凸出后，繞經P53線氧化帶前鋒線急劇的向南東收斂，再從P49線中部地段，氧化帶前鋒線向北西小幅度延伸，經P43線氧化帶前鋒線向南直下，在P4707號鉆孔處，前鋒線緩慢的平緩向北東方向延伸通過P55線出礦床。在控制范圍內，層間氧化帶前鋒線均靠近F3斷裂收斂或層間氧化作用被F3斷裂截斷。

3.4 西山窯組上段層間氧化帶

該層位的地下水作用較弱，遠小于三工河組下段和西山窯組下段。平面上，層間氧化帶前鋒線分為兩部分，西線展布于礦床的西南部，成因于北東向的地下水作用，收斂于P32線附近，近南北向蛇曲狀展布，氧化作用由西南向東北方向。東線位于礦床中部，受控于F1斷裂補水和F3斷裂阻水作用，呈北東—南西向蛇曲、港灣狀展布于P16－P55線間， 向東延伸出礦床［8］。

4 地下水動力條件在鈾成礦中的作用

典型的層間氧化帶成礦模式是層間含氧、含鈾水在盆緣接受補給，隨著地下水向下游運動，不斷帶入溶解氧，水巖作用的結果使鈾沉淀—活化遷移—再沉淀達到動態(tài)平衡。由于層間水的持續(xù)推動作用，層間氧化帶向盆地中心運移，并在氧化-還原地球化學障發(fā)育成礦。蒙其古爾鈾礦床的層間氧化帶基本上發(fā)育在F1與F3斷層之間，靠近山前的F1斷層作為掀斜地層為較好補水斷層，較遠的F3斷層作為阻水斷層，導致層間氧化帶在距離較短的F1與F3之間發(fā)育、減弱和尖滅［9-10］。

4.1 鈾成礦中的水動力作用

由圖1可知，自西向東水動力逐漸減弱。最西端的SK13位于補給源處，地下水流速高達84.7×10-3m/d，水中鈾含量0.91 μg/L，水動力差異小，該孔無鈾礦化顯示。1 355～1 350 m等水位線之間，水力梯度平均0.035；地下水流速0.14×10-3～53.7×10-3m/d，平均7.88×10-3m/d， 水中鈾含量 0.70～11.00 μg/L，水動力變化強，水巖作用較弱，鈾礦體沿F2和F3走向雙側延伸，礦體連續(xù)性差、規(guī)模小，鈾礦量約占礦床總量的20%。1 345 m與1 330 m等水位線之間，水力梯度平均0.023，地下水流速 2.4×10-3～9.9×10-3m/d， 平均3.30×10-3m/d， 水中鈾含量 11.50～34.10 μg/L，水動力趨于平緩，水巖作用以溶蝕作用為主，多數達過飽和狀態(tài)，有利于鈾沉淀富集，礦體沿F3走向呈蛇曲狀延伸，礦體規(guī)模大、連續(xù)性好、品位高的特征明顯，鈾礦量約占礦床總量的80%。

4.2 鈾成礦中的雙重補水作用

層間氧化帶的側向成礦能力在蒙其古爾鈾礦床表現的非常突出，形成了三工河組的雙礦帶、三工河組上段和西山窯組上段剖面上的環(huán)形卷狀礦體等特殊形態(tài)的礦體。除三工河組上段北礦帶外，所有礦帶均沿層間水徑流方向成不規(guī)則帶狀展布，其中P0～P31線明顯接受了來自礦床西南部和F1斷裂構造破碎窗雙重補水作用，使三工河組下段和西山窯組下段層間氧化帶和鈾礦體分別在P0－P23線P11－23線間形成明顯的 “凹兜”狀，但其最終和總體徑流方向仍然是北東向的，所形成的礦體總體上也是北東向展布，這就為層間氧化帶形成雙礦帶和剖面上的環(huán)形卷狀礦體提供了可能。

4.3 鈾成礦中的越流補給作用

在P11～P23線間三工河組上、下段之間的隔水層缺失，構成水動力窗，三工河組上段形成 “磨菇狀”層間氧化帶尖滅線閉合線，面積約為42 200 m2，說明含水層之間有水力聯系。據水文孔觀測：ZK416孔附近三工河組上段含水層水位標高1 339.53 m，下段水位標高 1 349.61 m［11］， 水位高差達 10 m， 水力梯度 0.17。 SKP3500－1 的 s－lg （t） 曲線呈 “S”型，佐證了越流確實存在。P11－P19線三工河組下段經層間氧化作用后已活化的鈾隨層間水運移至P19－P23線 “天窗”時越流至三工河組上段砂體中沉淀，持續(xù)的鈾源補給和沉淀形成了高品位、大厚度的卷狀富礦體。盡管鈾礦體規(guī)模遠遠大于層間水越流后在該含礦砂體中形成的層間氧化帶規(guī)模，但鈾礦體的形成，至少是初期的成礦作用與越流層間氧化帶的發(fā)育是有密切關系的。

4.4 鈾成礦中的底部滲漏作用

西山窯組上段含礦含水層在蒙其古爾鈾礦床內大致可以分為上下兩個相對獨立的含水層，上部含水層在區(qū)內廣泛發(fā)育層間氧化帶；下部含水層由于砂體連續(xù)性較差，水動力條件相當較弱，層間氧化帶不發(fā)育。但在P19線南端（ZK1904孔附近）則因上層砂體底板隔水層缺失（窗口面積約為1.67×104m2），形成了向下開啟的滲漏通道，含氧含鈾水由上部含水層通過滲漏通道擴散至下部含水層，在下部含水層中形成層間－還原過渡帶，并在該孔底部形成工業(yè)鈾礦體。

5 結論

1）水動力條件不同，各層位礦體表現出各自的成礦特點。三工河組下段保留了鈾礦卷形礦體產出特征，鈾礦體最為穩(wěn)定連續(xù)；三工河組上段因層間水 “越流”影響，鈾礦化規(guī)模雖小，但是礦體富集。西山窯組下段鈾礦體平面展布面積最大，但大部分缺失卷頭；西山窯組上段鈾礦化發(fā)育規(guī)模大，但穩(wěn)定性次之。各層礦體平面上互相疊置，礦體形態(tài)各異，礦體之間空間關系較復雜。蒙其古爾鈾礦床地下水流速2.4×10-3～9.9×10-3m/d的區(qū)域，更易富集成礦。

2）雙重補水通道、層間越流和底部滲漏作用等水動力條件的差異是造成蒙其古爾鈾礦床層間氧化帶發(fā)育復雜的重要影響因素。雙重補水通道、層間越流導致三工河組上段鈾的超常富集。底部滲漏作用在西山窯組上段層間氧化帶不發(fā)育砂體中形成了工業(yè)鈾礦體。