松遼盆地南部錢(qián)家店凹陷姚家組含水層水成鈾礦作用分析

禹寶利，張振強(qiáng)

(1.核工業(yè)二四三大隊(duì)，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.核工業(yè)二四○研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110032)

錢(qián)家店凹陷內(nèi)先后發(fā)現(xiàn)了錢(qián)家店、寶龍山等大型鈾礦床，且部分礦段已采用CO2+O2地浸開(kāi)采。自礦床發(fā)現(xiàn)以來(lái)，對(duì)凹陷構(gòu)造演化[1-2]、沉積環(huán)境[3-4]、礦物巖石學(xué)、元素地球化學(xué)特征[5-7]、后生蝕變[8-9]、成礦條件及礦化特征[10-12]、控礦因素與成礦模式[13-15]，以及礦床成因[16]等進(jìn)行了較多研究。認(rèn)為鈾礦床受“晚白堊世姚家期辮狀河道洼地、晚白堊世嫩江期末反轉(zhuǎn)隆升剝蝕構(gòu)造天窗、NNE向貫通性基底斷裂”三位一體控制，屬同生沉積后生疊加復(fù)成因型；歷經(jīng)了同生沉積成礦、油田流體疊加成礦和含氧含鈾流體疊加成礦3個(gè)階段。鈾礦化產(chǎn)于上白堊統(tǒng)姚家組砂巖中，以吸附鈾形式為主；認(rèn)為其為層間氧化成因，并與構(gòu)造、油氣、基性巖體有一定的關(guān)系。同時(shí)，對(duì)礦床的水文成礦地質(zhì)條件、地浸開(kāi)采水文地質(zhì)條件進(jìn)行了一定研究[17-18]，但未把錢(qián)家店凹陷作為整體開(kāi)展地下水成鈾礦作用綜合研究。

砂巖型鈾礦作為水成鈾礦，尤其是層間氧化帶型鈾礦的成礦作用，必須在層間承壓水中進(jìn)行，地下水的參與是成礦的關(guān)鍵。筆者從水文地質(zhì)方面對(duì)錢(qián)家店凹陷的地下水成礦作用進(jìn)行研究，以指導(dǎo)該凹陷乃至松遼盆地南部鈾找礦工作。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

錢(qián)家店凹陷為松遼盆地東南隆起區(qū)與開(kāi)魯坳陷接合部位的負(fù)向次級(jí)構(gòu)造單元(圖1)。凹陷呈NNE向帶狀展布，寬15～25 km，長(zhǎng)約100 km。其北部為架瑪吐凸起、北西為三棵樹(shù)鼻狀凸起，西部為烏蘭花凸起。錢(qián)家店、寶龍山等大中型鈾礦床及海力錦鈾礦床均分于錢(qián)家店凹陷東北部與西南隆起區(qū)結(jié)合部位。

斷裂可分為NE-NNE、EW和NW向3組，以NE-NNE向最發(fā)育，其次為EW和NW向。EW向斷裂較早，NE-NNE向斷裂次之，NW向斷裂最晚，多為正斷層。晚白堊世嫩江末期構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用，受切穿基底的貫通斷裂F1及F2控制，形成構(gòu)造天窗。

區(qū)域上屬于松遼平原遼河水文地質(zhì)單元，如圖2所示。地表水系主要為西遼河、新開(kāi)河及其支流。新開(kāi)河在其北部由西北向東南流過(guò)。

1—一級(jí)構(gòu)造單元界線(xiàn)；2—二級(jí)構(gòu)造單元界線(xiàn)；3—盆地界線(xiàn)；4—鈾礦床。圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖Fig.1 Tectonic map of the study area

2 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

研究區(qū)主要為下白堊統(tǒng)姚家組含水層，包括姚家組上段和姚家組下段含水層[17]517。

2.1 姚家組上段含水層特征

姚家組上段含水層以淺灰色、灰色細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖為主，其次為灰色中細(xì)砂巖、灰色中砂巖，夾薄層灰色和紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。埋深151.00～220.65 m，厚66.7～71.4 m。

2.2 姚家組下段含水層特征

姚家組下段含水層由多個(gè)下粗上細(xì)的韻律構(gòu)成。含水層底部常發(fā)育一薄層砂礫巖，成分主要為泥礫、基底灰?guī)r、花崗巖礫石。含水層頂部為紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，為姚家組上段與下段的隔水層，厚8～15 m。含水層頂板埋深140.0～330.5 m，底板埋深265～435 m，厚115～190 m。含水層砂巖單層厚10.0～64.5 m。砂屑成分主要為石英、長(zhǎng)石，透水性較好。含水層中見(jiàn)有斷續(xù)分布的薄層灰色或紫紅色、灰紫色泥巖透鏡體，含硫化物(黃鐵礦等)以及植物莖桿或炭屑。

3 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

姚家組承壓含水層補(bǔ)給區(qū)分布于盆地周邊區(qū)域，主要來(lái)自西北部、東南部、南部及協(xié)帶姚家組剝蝕區(qū)；徑流區(qū)位于盆地中部；寶龍山天窗及構(gòu)造F1形成的局部排泄源為排泄區(qū)。姚家組含水層地下水總體方向是由西南向東北方向和西北向東南方向，局部受排泄源的影響有所變化。潛水位標(biāo)高自東北向西南逐漸增高，總體由西南向東北方向徑流[17]517(圖2)。

姚家組含水層被上覆嫩江組泥巖剝蝕出露，為直接補(bǔ)區(qū)，接受蝕源區(qū)地下水及上部潛水含水層補(bǔ)給。補(bǔ)給區(qū)水位標(biāo)高與上部潛水含水層相同。徑流區(qū)流經(jīng)姚家組河流相沉積物，徑流中受到上覆地層壓力及阻水地質(zhì)體的影響，地下水位標(biāo)高逐漸高于第四系潛水含水層水位，為154.17～161.10 m，水位埋深3.87～16.10 m，局部自流。

姚家組承壓水通過(guò)天窗、斷裂向上部排泄(圖2)，排泄區(qū)水位標(biāo)高154.0～130.5 m。地下水流速一般為0.014～0.373 m/d；流向有2組，1組向東北方向徑流，另1組近南北方向徑流。抽水試驗(yàn)表明，姚家組滲透系數(shù)為0.149 m/d，砂體孔隙度為38.97%。

1—新近系泰康組；2—上白堊統(tǒng)嫩江組；3—上白堊統(tǒng)姚家組；4—下白堊統(tǒng)阜新組；5—輝綠巖；6—海西期花崗巖；7—地質(zhì)界限；8—?jiǎng)兾g界線(xiàn)；9—正斷裂；10—性質(zhì)不明斷裂；11—補(bǔ)給區(qū)；12—排泄區(qū)；13—徑流區(qū)；14—潛水等水位線(xiàn)；15—砂巖型鈾礦床。圖2 錢(qián)家店凹陷前第四紀(jì)水文地質(zhì)圖Fig.2 Pre-quaternary hydrographic geological map of Qianjiadian depression

4 鈾的水化學(xué)與放射化學(xué)特征

姚家組含水層水化學(xué)特征見(jiàn)表1?？梢钥闯觯瑥难a(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)，pH、溶解氧、Eh、礦化度、鈾含量呈規(guī)律性變化，明顯存在氧化還原作用，鈾元素在氧化還原過(guò)渡帶(徑流區(qū))明顯富集成礦。

表1 姚家組含水層水化學(xué)特征Table 1 Hydrochemical characteristics of Yaojia Formation aquifer

水化學(xué)類(lèi)型由補(bǔ)給區(qū)HCO3型至徑流區(qū)HCO3、HCO3·Cl型，排泄區(qū)為HCO3型。陽(yáng)離子由補(bǔ)給區(qū)Ca2+、Mg2+、Na+至徑流區(qū)以Na+為主，再到排泄區(qū)又以Na+、Ca2+為主。礦化度由補(bǔ)給區(qū)的0.75 g/L至徑流區(qū)增高到7.07 g/L，到排泄區(qū)降低為1.40 g/L。溶解氧由補(bǔ)給區(qū)6.00 mg/L至徑流區(qū)降低為5.11 mg/L，至排泄區(qū)為3.93 mg/L。Eh從補(bǔ)給區(qū)88.42 mV至徑流區(qū)陡降到-30.13 mV，至排泄區(qū)為73.57 mV。鈾質(zhì)量濃度從補(bǔ)給區(qū)24.11 μg/L至徑流區(qū)增大到550.5 μg/L，到排泄區(qū)降為15.50 μg/L；徑流區(qū)(氧化還原過(guò)渡帶)鈾質(zhì)量濃度是補(bǔ)給區(qū)的22.83倍，是排泄區(qū)的35.51倍。

從3個(gè)鈾礦床的地下水分析可以看出，從南向北，氧化還原過(guò)渡帶的地下水成分呈規(guī)律性變化，即從南部錢(qián)家店鈾礦床向北部的海力錦鈾礦床(表2)，水中pH、Eh略有降低，水質(zhì)類(lèi)型無(wú)明顯變化；但鈾質(zhì)量濃度、氡活度濃度、礦化度大幅度增加，預(yù)示北部海力錦地區(qū)具有更大的找礦潛力。

表2 錢(qián)家店-海力錦鈾礦床地下水成分Table 2 Groundwater composition of Qianjiadian—Hailijin uranium deposit

5 地下水鈾成礦作用

姚家組鈾的成礦作用是1個(gè)長(zhǎng)期不斷受改造和逐步富集的過(guò)程。地下水富集成礦如圖3所示。

地下水中鈾元素從補(bǔ)給區(qū)以Ca2[UO2(CO3)3]、Na4[UO2(CO3)3]、Ca[UO2(CO3)2]、Na2[UO2(CO3)2]形式遷移[18]，遷移過(guò)程中發(fā)生陽(yáng)離子交替作用，Ca2+逐漸被Na+取代，主要以Na4[UO2(CO3)3]、Na2[UO2(CO3)2]形式遷移進(jìn)入灰色還原環(huán)境(含炭屑、黃鐵礦)。由于深部的油田水及半封閉-封閉的地下水產(chǎn)生脫硫酸作用，形成較多H2S。H2S在水中離解產(chǎn)生的H+，促使[UO2(CO3)3]4-解體：

極少部分UO22+與Fe2+反應(yīng)氫氧化鐵，脫水形成赤鐵礦：

UO22++3H2O+2Fe2+→UO2+2Fe(OH)3。

通過(guò)以上反應(yīng)，鈾主要以分散吸附態(tài)和鈾礦物形式存在。鈾礦物與膠狀、團(tuán)塊狀、草莓狀黃鐵礦等共生。鈾的成礦具體可分為3個(gè)成礦階段，如圖3所示。

1—上白堊統(tǒng)嫩江組；2—上白堊統(tǒng)姚家組；3—上白堊統(tǒng)姚家組一段；4—上白堊統(tǒng)姚家組二段；5—下白堊統(tǒng)阜新組；6—石炭-二疊系；7—海西期花崗巖；8—鈾異常；9—鈾礦化；10—工業(yè)鈾礦體。圖3 地下水富集成礦示意圖Fig.3 Sketch diagram of ground water uranium enrichment and mineralization

5.1 沉積期鈾預(yù)富集

姚家組含水層沉積期，氣候干旱，推測(cè)早期蝕源區(qū)地下水中鈾質(zhì)量濃度可達(dá)幾十μg/L(目前蝕源區(qū)地下水平均鈾質(zhì)量濃度16.8～31.5 μg/L)，含鈾含氧地下水、河水沿河道向東南、東北方向運(yùn)移。姚家組沉積階段從蝕源區(qū)帶來(lái)的含鈾物質(zhì)與碎屑同時(shí)沿河道沉積，由于架瑪吐及協(xié)代花崗巖古隆起的分水和阻水作用，形成局部匯水區(qū)。由于古隆起的存在，在周邊低洼區(qū)域泥質(zhì)和炭屑有機(jī)質(zhì)沉積，形成泥巖、灰色砂體及砂體中呈似層狀分布的炭屑有機(jī)質(zhì)等。

姚家組沉積期氧化作用較強(qiáng)，含水層砂體多呈紅色、紫色，在炭屑有機(jī)質(zhì)分布區(qū)域，水中鈾以吸附作用為主，少部分為還原沉淀。姚家組地層中泥礫分布較多，有利于吸附作用的進(jìn)行，形成相對(duì)鈾含量高的砂體。姚家組灰色砂巖鈾品位一般為(1.77～9.57)×10-6，為鈾的初次富集。

5.2 埋藏期鈾同生成礦

隨姚家組沉積作用的結(jié)束，嫩江運(yùn)動(dòng)發(fā)生大面積海侵，沉積了以泥巖為主的嫩江組，泥巖分布穩(wěn)定，超覆下部層位。姚家組時(shí)期進(jìn)入埋藏期，該時(shí)期的水動(dòng)力條件由開(kāi)放變?yōu)榉忾]。嫩江組灰黑色泥巖富含還原物質(zhì)，形成的孔隙水具有還原性。泥巖中的孔隙水對(duì)姚家組上段砂體產(chǎn)生還原作用，形成灰色層，局部地段鈾富集。

由于姚家組下段頂部存在1層較穩(wěn)定的紅色泥巖層，嫩江組地層中的孔隙水對(duì)其影響不大；但姚家組下段本身的灰色層中有機(jī)質(zhì)和少量黃鐵礦形成較低Eh環(huán)境，在與紅色泥巖的接觸面上，由于地下水處于停滯狀態(tài)，含鈾較高的孔隙水向灰色層中擴(kuò)散，水中鈾被吸附、沉淀，周邊孔隙水繼續(xù)補(bǔ)充，直至平衡，形成鈾的再次富集。

5.3 隆升剝蝕期(隆起期)鈾后生疊加成礦

嫩江期末由于構(gòu)造反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，上白堊統(tǒng)四方臺(tái)組至新近系泰康組，凹陷區(qū)處于抬升、剝蝕淋濾階段，局部嫩江組地層全部被剝蝕形成剝蝕天窗(寶龍山天窗等)，形成局部排泄源。F1構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)通下部H2S、CH4還原性流體，使其進(jìn)入姚家組地層，對(duì)砂體再次還原，較常見(jiàn)高嶺土化酸性蝕變。

新近紀(jì)松遼盆地西南部全面上升，再次遭受剝蝕作用，缺失古新世—始新世沉積。受新近紀(jì)—第四紀(jì)的喜山運(yùn)動(dòng)差異性升降的影響，火山活動(dòng)較頻繁，新近紀(jì)末期本地段受到輝綠巖脈的侵入，含CO2熱水再次改造疊加鈾礦化。隆升剝蝕期形成了較完整的層間氧化帶成礦體系，也是鈾礦化主要富集階段[19]。

6 結(jié)論

1)從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)，pH、溶解氧、Eh、礦化度、鈾含量呈規(guī)律變化。鈾元素在徑流區(qū)(氧化還原過(guò)渡帶)具有明顯富集作用，徑流區(qū)水中的鈾是補(bǔ)給區(qū)的22.83倍。溶解氧從補(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū)明顯降低，具有層間氧化帶型水成鈾礦特征。

2)鈾元素主要以[UO2(CO3)3]4-遷移為主，與Ca2+、Na+、Mg2+組成配合物遷移進(jìn)入姚家組含水層；進(jìn)入灰色還原環(huán)境(含炭屑、黃鐵礦)時(shí)，因深部油田水的脫硫酸作用，形成較多H2S，在氧化-還原帶相互作用富集形成鈾礦化。

3)地下水鈾成礦作用分為沉積期鈾預(yù)富集、埋藏期鈾同生成礦、隆升剝蝕期(隆起期)鈾后生疊加成礦階段。主要地下成礦作用發(fā)生在隆升剝蝕期(隆起期)。