鄂爾多斯盆地北部某砂巖型鈾礦地下水水位異常成因分析

王樂力，丁 葉，王 貴，劉正邦，高俊義，江國平，王亞奴，趙海軍

(1.核工業(yè)二〇三研究所，陜西 咸陽 712000；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；3.核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭 014010；4.中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

鄂爾多斯盆地蘊(yùn)藏著鈾、油、煤和天然氣等戰(zhàn)略資源。其中，盆地東北部砂巖型鈾礦自東向西呈帶狀展布，礦體具有規(guī)模大、連續(xù)性好、品位較高等特點(diǎn)，是中國目前規(guī)模最大的砂巖型鈾礦帶。許多學(xué)者從不同角度對(duì)鄂爾多斯盆地東北部鈾礦帶的特征、成因，以及鈾的賦存狀態(tài)等進(jìn)行了較為全面的研究[1-8]，為鈾礦勘查和區(qū)域地質(zhì)研究提供了積極指導(dǎo)。

礦山采冶部門相關(guān)學(xué)者緊跟地質(zhì)勘查成果和進(jìn)展，相繼在成礦帶中多個(gè)礦床開展了礦石工藝礦物學(xué)、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等研究，得到相關(guān)工藝參數(shù)和技術(shù)路線，為礦床開發(fā)利用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

某礦床位于鄂爾多斯盆地東北部鈾成礦帶中部，礦體埋藏較深，規(guī)模較大，礦體厚3.35 m，鈾品位0.054 2%，平米鈾量3.71 kg/m2，鈾礦化品質(zhì)較好，該礦床適宜采用CO2+O2浸出工藝[9-10]。然而在現(xiàn)場(chǎng)條件試驗(yàn)的平穩(wěn)運(yùn)行期間，試驗(yàn)區(qū)北部WN1、WN2、WN3等觀測(cè)孔含礦含水層水位出現(xiàn)異常波動(dòng)，并呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)，下降幅度約每月1 m左右，長(zhǎng)時(shí)間、大幅度的水位異常下降會(huì)對(duì)該礦床的開發(fā)方案產(chǎn)生重要影響。因此，從地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及水動(dòng)力機(jī)制入手，揭示含礦含水層產(chǎn)生水位異常的原因，旨在為空間上異層疊置的鈾礦和煤炭資源的開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部伊盟隆起構(gòu)造單元，區(qū)內(nèi)地形切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫交錯(cuò)，切割坡面陡峻，多呈“V”字型，總體表現(xiàn)為高原地貌景觀。區(qū)內(nèi)年降雨量?jī)H為190～400 mm，全年降水集中在7～9月，年蒸發(fā)量為2 000～3 000 mm，春、冬季多風(fēng)。

研究區(qū)內(nèi)賦存的地下水類型主要有松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙孔隙水[11]165。松散巖類孔隙水主要分布于區(qū)內(nèi)的溝谷中，為賦存于第四系全新統(tǒng)松散沖積物，主要接受大氣降水和白堊系地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給。碎屑巖類孔隙水在區(qū)內(nèi)廣泛分布，主要由下白堊統(tǒng)含水巖組及中侏羅統(tǒng)直羅組含水巖組組成，其中白堊統(tǒng)含水巖組主要接受大氣降水補(bǔ)給，中侏羅統(tǒng)直羅組含水巖組通過白堊統(tǒng)含水巖組間接接受大氣降水補(bǔ)給。

1.2 地質(zhì)特征

研究區(qū)地層包括三疊系延長(zhǎng)組、中侏羅統(tǒng)延安組和直羅組、下白堊統(tǒng)及第四系，其中，主要目的層中侏羅統(tǒng)直羅組與延安組呈平行不整合接觸，與上覆下白堊統(tǒng)呈角度不整合接觸[6]147。賦礦地層為中侏羅統(tǒng)直羅組，該層總體上向南西傾斜，傾角0～3°。中侏羅統(tǒng)直羅組根據(jù)沉積階段劃分為下段和上段，直羅組上段為干旱湖泊及曲流河雜色沉積，直羅組下段為典型的粗碎屑巖段，依據(jù)沉積體系又可將直羅組下段細(xì)分為下亞段和上亞段，均為重要的含鈾地層。

研究區(qū)砂巖型鈾礦主要賦存于中侏羅統(tǒng)直羅組下段下亞段中下部，礦體埋深315～630 m，平均埋深410 m，埋深受地形標(biāo)高及地層產(chǎn)狀影響明顯，總體上表現(xiàn)為由東向西、由北向南埋深逐漸增大的規(guī)律。礦體總體上由北東向南西緩傾斜，傾角1～2°。礦體距下白堊統(tǒng)底板大約220 m。

1.3 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)含水層自下而上分別為中侏羅統(tǒng)碎屑巖類含水層、下白堊統(tǒng)碎屑巖類含水層和第四系松散巖類含水層[12]123。

中侏羅統(tǒng)碎屑巖類含水層包括延安組和直羅組2個(gè)含水亞組。中侏羅統(tǒng)含水層地下水主要受河流相砂體的展布和地層產(chǎn)狀控制，區(qū)內(nèi)地下水總體流向?yàn)閺谋睎|向南西的徑流；但由于地層傾角較小，水動(dòng)力相對(duì)較弱，徑流緩慢，主要賦存層間承壓水。層間承壓水頭自東向西、自北向南由低變高。

下白堊統(tǒng)碎屑巖類含水層在區(qū)內(nèi)廣泛分布，由砂巖、砂礫巖組成，粉砂巖、泥巖不發(fā)育，區(qū)域上沒有穩(wěn)定的隔水層。地下水以潛水為主，僅局部表現(xiàn)為承壓水，富水性受地形影響較大。含水層厚度在區(qū)域上的變化趨勢(shì)是自東向西、自北向南，厚度增大，富水性也隨之增大，水位隨地形而變化，單井涌水量可達(dá)140 m3/d。下白堊統(tǒng)碎屑巖類含水層主要接受大氣降水補(bǔ)給，其徑流、排泄條件受地貌、地層結(jié)構(gòu)控制。

第四系松散巖類含水層主要分布于區(qū)內(nèi)的溝谷洼地中，富水巖性以中細(xì)砂巖為主，含水層厚度變化較大，從幾米至十幾米不等，單井涌水量一般為10～500 m3/d。

2 礦床開發(fā)技術(shù)條件

2.1 地質(zhì)條件

晚三疊世以來，鄂爾多斯盆地北部地區(qū)伴隨北部河套地區(qū)的持續(xù)隆起，于三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組不整合面上部，先后沉積了中侏羅統(tǒng)延安組含煤碎屑巖系、直羅組以辮狀河沉積為主的碎屑巖系和下白堊統(tǒng)含礫碎屑巖系，下白堊統(tǒng)與中侏羅統(tǒng)呈角度不整合接觸。其中：中侏羅統(tǒng)直羅組下段為典型的粗碎屑巖段，直羅組下段下亞段為一套辮狀河三角洲沉積體系[2]374，砂體厚度一般在27.40～94.00 m，平均66.80 m；底部為一套砂質(zhì)礫巖，厚度一般在5～80 m，為該區(qū)主要賦鈾層位。

研究區(qū)中侏羅統(tǒng)直羅組下段、下亞段主要由綠色、灰色中砂巖、中粗砂巖、粗砂巖及砂礫巖組成，具有下粗上細(xì)沉積韻律的特征。砂巖底部發(fā)育厚達(dá)20～30 m的礫巖層[6]151，砂巖以泥質(zhì)膠結(jié)為主，固結(jié)程度低，膠結(jié)疏松，分選性中等，含水性及富水性好。砂巖中泥巖夾層和鈣質(zhì)砂巖夾層相對(duì)較薄，單層厚度一般在0.2～1.5 m。

2.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)中侏羅統(tǒng)直羅組下段、下亞段含礦含水層厚度明顯受主河道砂體控制，總體上呈現(xiàn)出由河道中心向河道兩側(cè)逐漸變薄的特點(diǎn)，含礦含水層厚度一般在100.00～170.00 m，最小厚度71.0 m，最大厚度228.8 m，平均厚度131.0 m，變異系數(shù)19.7%，含水層厚度變化相對(duì)較小，穩(wěn)定性較好。含礦含水層埋深258.30～578.30 m，受地質(zhì)構(gòu)造影響，總體表現(xiàn)出北東向南西逐漸增大的特點(diǎn)。直羅組下段、下亞段含礦含水層主要賦存孔隙承壓水，地下水位埋深109.45 m，承壓水頭高度為169.55～177.00 m，如圖1、表1所示。

表1 水文地質(zhì)孔抽水試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Hydrogeological hole pumping test results

1—直羅組上段含水層；2—直羅組下段下亞段含礦含水層；3—隔水層；4—礦體；5—直羅組下段、下亞段含礦含水層等水位線；6—鉆孔及編號(hào)；7—地層代號(hào)。圖1 某鈾礦床B0號(hào)勘探線水文地質(zhì)剖面示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the hydrogeological profile of the No. B0 of a uranium deposit

含礦含水層頂板為發(fā)育穩(wěn)定、連續(xù)的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖層，底板為中侏羅統(tǒng)延安組含煤碎屑巖系，頂部第Ⅳ、Ⅴ旋回泥巖、粉砂巖，隔水性能穩(wěn)定，上述隔水層有效隔斷了直羅組下段、下亞段含礦含水層與上下含水層之間的水力聯(lián)系。

水文地質(zhì)試驗(yàn)表明：?jiǎn)慰子克?3.64～217.20 m3/d，單位涌水量0.103 2～0.103 9 L/(s·m)，含礦含水層滲透系數(shù)0.553～0.880 m/d，導(dǎo)水系數(shù)44.41～72.55 m/d(表1)。含礦含水層孔隙發(fā)育，含水性、滲透性好，單孔涌水量較大。直羅組下段下亞段地下水由北東向南西徑流，水力梯度約0.001 3(圖2)。上述水文地質(zhì)條件為礦床采用地浸技術(shù)開發(fā)提供了必要條件。

2.3 浸出條件

現(xiàn)場(chǎng)浸出試驗(yàn)采用一抽四注“五點(diǎn)型”井型結(jié)構(gòu)，抽注孔間距25 m。試驗(yàn)區(qū)礦體平均厚度6.30 m，平均鈾品位0.068 4%，平均平米鈾量9.56 kg/m2。靜水位埋深123 m，承壓水頭252 m，滲透系數(shù)0.88 m/d。

條件試驗(yàn)采用CO2+O2浸出工藝，2012年8月5日開始抽注浸出試驗(yàn)，浸出試驗(yàn)抽液量9.0～9.5 m3/h，經(jīng)預(yù)氧化后注入300～450 mg/L O2、300 mg/L CO2、1.35 g/L NH4HCO3，浸出液鈾質(zhì)量濃度峰值71.7 mg/L，平均鈾質(zhì)量濃度45 mg/L，總體上呈現(xiàn)較好的浸出效果。

3 含礦含水層地下水水位異常動(dòng)態(tài)

承壓水頭高度和含礦含水層滲透系數(shù)是地浸礦山開發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)，穩(wěn)定的承壓水頭高度是砂巖型鈾礦采用地浸技術(shù)開發(fā)的前提條件。針對(duì)該研究區(qū)含礦含水層地下水水位進(jìn)行了長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，其中：WN1、WN2、WN3為水文地質(zhì)勘探孔(圖2)，地質(zhì)勘查單位在完成1個(gè)水文地質(zhì)年監(jiān)測(cè)后進(jìn)行不定期監(jiān)測(cè)[12]207。1-Z-0303、1-C-0103、1-4-2Z等為地浸試驗(yàn)鉆孔，礦山開采單位一般根據(jù)地下水位變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1—水文地質(zhì)孔；2—礦體范圍；3—勘探線及編號(hào)；4—等水壓線；5—地下水流向；6—水文地質(zhì)孔及地下水位標(biāo)高(m)；7—地浸采鈾現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)。圖2 某鈾礦床直羅組下段下亞段含礦含水層等水位線Fig. 2 Ore-bearing aquifer contours in the lower sub-member of the lower Zhiluo Formation

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：自2010年7月5日至2011年7月5日，WN1孔地下水水位埋深基本穩(wěn)定在108.80 m左右。2011年8月至2013年7月未開展水位相關(guān)監(jiān)測(cè)工作，地下水水位變化不詳。2013年7月31日，監(jiān)測(cè)獲得WN1孔地下水水位埋深降至117.20 m，較2011年7月5日水位下降了8.39 m，對(duì)比2010年7月5日—2011年7月5日水文地質(zhì)年數(shù)據(jù)，本次獲得的WN1孔水位數(shù)據(jù)表現(xiàn)為異常動(dòng)態(tài)變化。

為此，針對(duì)WN1、WN2、WN3和地浸試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，截止2014年1月1日，WN1孔水位埋深下降至121.95 m，較2013年7月31日又下降4.75 m，累計(jì)下降13.14 m。結(jié)合WN2、WN3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究區(qū)地下水水位呈現(xiàn)出總體下降的態(tài)勢(shì)，WN1、WN2、WN3孔地下水水位自2013年7月31日至2014年1月1日平均每月下降約1 m(圖3)。

圖3 水文地質(zhì)孔水位埋深與時(shí)間關(guān)系歷時(shí)曲線Fig. 3 Duration curve of groundwater depth and time in the hydrogeological borehole

同時(shí)，對(duì)試驗(yàn)區(qū)鉆孔進(jìn)行了長(zhǎng)期水位監(jiān)測(cè)，共監(jiān)測(cè)1-Z-0303、1-C-0103、1-4-2Z等鉆孔12個(gè)，因地表起伏及地浸井場(chǎng)抽注系統(tǒng)影響，各監(jiān)測(cè)孔初始水位差異性較大，水位埋深116.90～145.00 m不等。結(jié)果表明：各監(jiān)測(cè)井地下水位埋深均有不同程度的下降，最大下降2.24 m，最小下降0.65 m(表2)，地下水水位埋深依然呈現(xiàn)總體下降趨勢(shì)。

表2 試驗(yàn)區(qū)鉆孔水位埋深統(tǒng)計(jì)Table 2 The depth of borehole water level in the test area

研究區(qū)含礦含水層地下水水位自2013年7月31日觀測(cè)以來，表現(xiàn)為異常動(dòng)態(tài)變化。截止2014年1月1日，含礦含水層地下水水位呈持續(xù)下降態(tài)勢(shì)，地下水水位異常動(dòng)態(tài)變化影響了研究區(qū)礦床開發(fā)方案的部署。

4 水位下降成因分析

4.1 地下水循環(huán)模式

中侏羅統(tǒng)直羅組下部延安組煤系，接受上覆下白堊統(tǒng)地下水在北部剝蝕區(qū)直接滲入補(bǔ)給，地下水徑流與排泄與直羅組下段下亞段含水層基本一致，局部受微古地貌起伏變化控制。延安組煤系含水層頂板主要由泥巖、粉砂巖構(gòu)成，在區(qū)域上發(fā)育較為穩(wěn)定，為一套穩(wěn)定的隔水層，延安組煤系含水層與上部直羅組下段下亞段含礦含水層無直接水力聯(lián)系(圖4)。

1—地層代號(hào)；2—下白堊統(tǒng)含水層；3—綠色砂巖；4—灰色砂巖；5—泥巖；6—煤層；7—角度不整合界線；8—平行不整合界線；9—直羅組下段下亞段層間氧化帶前鋒線；10—鈾礦體；11—地下水等水位線；12—地下水流向。圖4 鄂爾多斯盆地北部某鈾礦床地下水循環(huán)模式示意圖Fig. 4 Groundwater circulation pattern of a uranium deposit in the northern Ordos Basin

在地浸采鈾實(shí)踐過程中，由于地浸井場(chǎng)布置與主要礦體平面展布形態(tài)密切關(guān)聯(lián)，地浸井場(chǎng)一般采用“五點(diǎn)型”“七點(diǎn)型”或“行列式”井型，在平面上呈連片集中布局，地浸井場(chǎng)范圍隨主要礦體平面展布形態(tài)逐漸拓展。

在抽注動(dòng)力作用下，地浸井場(chǎng)范圍內(nèi)水動(dòng)力場(chǎng)相對(duì)較強(qiáng)。而地浸井場(chǎng)一定范圍之外，水動(dòng)力場(chǎng)相對(duì)較弱，徑流相對(duì)緩慢，地浸井場(chǎng)抽注體系對(duì)該區(qū)域地下水流場(chǎng)幾乎沒有影響。其次，地浸井場(chǎng)抽注液鉆孔只揭露至直羅組下段下亞段含礦層底部，未揭穿延安組頂部隔水層，地浸井場(chǎng)鉆孔工程對(duì)直羅組和延安組含水層系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生溝通和相互影響。因此，地浸井場(chǎng)實(shí)際上是在研究區(qū)直羅組下段下亞段含水層局部范圍內(nèi)的一個(gè)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，在浸出作業(yè)控制條件下，地浸井場(chǎng)地下水水位、水動(dòng)力場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定。

4.2 地下水水位異常動(dòng)態(tài)及成因

該鈾礦床直羅組下段下亞段含礦含水層水位埋深異常下降等值線如圖5所示?？梢钥闯?，截止2013年12月15日，WN1、WN3、WN2的地下水水位降深依次為3.77、4.92、5.23 m，地下水水位下降幅度自WN1孔3.77 m降至WN2孔5.23 m，趨勢(shì)上水位降深自東向西逐漸增大。結(jié)合直羅組下段下亞段區(qū)域含水層地下水水動(dòng)力特征，直羅組下段下亞段含水層地下水水位異常下降造成的水動(dòng)力場(chǎng)由北東-南西向轉(zhuǎn)變?yōu)楸睎|、東-南西、西向。因此，認(rèn)為直羅組下段下亞段含礦含水層地下水水位異常下降，可能與礦床西部與該含水層相關(guān)的水文地質(zhì)工程疏放水相關(guān)聯(lián)。

1—水文地質(zhì)孔；2—礦體范圍；3—勘探線及編號(hào)；4—含礦含水層水位下降等值線；5—含礦含水層水位下降趨勢(shì)；6—水文地質(zhì)孔及地下水位下降數(shù)值；7—地浸采鈾現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)。圖5 直羅組下段下亞段含礦含水層水位異常下降等值線Fig. 5 Contour of abnormal drop in water level of ore-bearing aquifers in the lower sub-member of the lower Zhiluo Formation

研究區(qū)直羅組下部延安組蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源，受上部直羅組下段下亞段含水層影響，煤層開采時(shí)往往采用采前疏放和采后疏干等措施，來降低上部含水層的空間壓力。直羅組下段下亞段含水層地下水水位異常下降，與研究區(qū)西側(cè)直羅組下部延安組煤層井下疏放水工程密切關(guān)聯(lián)。

隨著煤層采區(qū)疏放水的進(jìn)行，形成了以延安組煤層開采作業(yè)面為中心的地下水水位降落漏斗。伴隨著煤層采區(qū)工作面的陸續(xù)展開和井下疏放水的持續(xù)進(jìn)行，形成的降落漏斗致使直羅組下段下亞段含水層地下水水位持續(xù)下降。這種持續(xù)下降的態(tài)勢(shì)對(duì)地浸井場(chǎng)承壓水頭穩(wěn)定產(chǎn)生了直接威脅，而且井下疏干放水會(huì)破壞延安組煤系含水層頂板(直羅組下段下亞段含水層隔水底板)穩(wěn)定性。隨著煤層采區(qū)工作面的不斷推進(jìn)，煤層頂板不斷垮落，新產(chǎn)生的垂向裂隙帶不但破壞了直羅組下段下亞段砂巖型鈾礦空間產(chǎn)出形態(tài)，而且產(chǎn)生的裂隙帶穿過直羅組含水層頂板，進(jìn)入上覆白堊系含水層[13-14]，在局部范圍內(nèi)導(dǎo)致白堊系含水層水位持續(xù)下降，誘發(fā)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。

5 結(jié)論

通過對(duì)研究區(qū)鈾礦采區(qū)地下水位變化的分析發(fā)現(xiàn)，延安組煤炭資源開發(fā)時(shí)的疏放水作業(yè)造成了其上部直羅組下段下亞段含礦含水層水位持續(xù)下降，進(jìn)而對(duì)其上部砂巖型鈾礦礦體空間形態(tài)和含礦含水層水位穩(wěn)定產(chǎn)生了不利影響。而砂巖型鈾礦地浸井場(chǎng)是直羅組下段下亞段含水層局部范圍內(nèi)1個(gè)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，在浸出作業(yè)控制條件下，地浸井場(chǎng)地下水水位、水動(dòng)力場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，溶浸作業(yè)不會(huì)對(duì)上下含水層產(chǎn)生影響。

針對(duì)空間上異層疊置的鈾礦和煤炭資源在開發(fā)次序上應(yīng)先上后下、先鈾后煤；若煤層與鈾礦同時(shí)開采，則煤層開采作業(yè)區(qū)與地浸開采作業(yè)區(qū)需設(shè)置一定的安全距離，同時(shí)為確保井場(chǎng)承壓水頭穩(wěn)定，鈾礦地浸井場(chǎng)作業(yè)區(qū)需配套相應(yīng)的工程措施。