姚益軒, 侯樹仁, 謝廷婷, 張 翀, 劉正邦, 聞?wù)袂?門 宏
(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149;2. 核工業(yè)二〇八大隊(duì),內(nèi)蒙古 包頭 014010)
?
塔木素鈾礦床含礦層地下水儲(chǔ)集和滲流類型分析
姚益軒1, 侯樹仁2, 謝廷婷1, 張 翀1, 劉正邦1, 聞?wù)袂?, 門 宏2
(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149;2. 核工業(yè)二〇八大隊(duì),內(nèi)蒙古 包頭 014010)
塔木素鈾礦床是一個(gè)大型砂巖型鈾礦床,水文地質(zhì)試驗(yàn)表明含礦層滲透性好,鉆孔涌水量大。地下水儲(chǔ)集和滲流類型是確定鈾資源開發(fā)方案時(shí)需要考慮的重要因素。通過對(duì)礦床地質(zhì)勘查資料研究、巖心觀察和物性參數(shù)測(cè)試可知,礦區(qū)經(jīng)歷了多期次斷裂構(gòu)造和巖漿活動(dòng),含礦層巖石致密堅(jiān)硬,多數(shù)鉆孔巖心中發(fā)育有裂隙構(gòu)造,巖石密度大、含水率低、孔隙度小、滲透性差,含礦層地下水應(yīng)以構(gòu)造裂隙水為主,少量孔隙水。建議在下一步地質(zhì)勘查工作中,加強(qiáng)對(duì)含礦層構(gòu)造裂隙發(fā)育、地下水儲(chǔ)集和滲流特點(diǎn)的研究。
砂巖型鈾礦床;地下水;裂隙構(gòu)造
姚益軒,侯樹仁,謝廷婷,等.2015.塔木素鈾礦床含礦層地下水儲(chǔ)集和滲流類型分析[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,38(4):344-349.
Yao Yi-xuan,Hou Shu-ren,Xie Ting-ting,et al.2015.Occurrence and seepage flow types of the ore-bearing seam groundwater in Tamusu uranium deposit[J].Journal of East China Institute of Technology (Natural Science), 38(4):344-349.
內(nèi)蒙古巴音戈壁盆地塔木素鈾礦床是一個(gè)大型砂巖型鈾礦床,含礦層地下水水位埋藏淺,承壓水頭高,滲透性好,鉆孔涌水量大。然而,研究礦床地質(zhì)勘查資料*侯樹仁,李有民,門宏,等. 2014.內(nèi)蒙古阿拉善右旗塔木素鈾礦床H15-H96線普查報(bào)告[R].核工業(yè)二〇八大隊(duì).和巖心物性參數(shù)測(cè)試結(jié)果后發(fā)現(xiàn),巖石致密堅(jiān)硬、密度大、含水率低、孔隙度小、滲透性差。反映巖石富水性和滲透性的多個(gè)物性參數(shù)與水文地質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果相互矛盾。
含礦層富水,礦石膠結(jié)疏松、具有一定的滲透性是砂巖型鈾礦地浸開采的基本條件(姚益軒等,2002);而對(duì)于常規(guī)采礦來講,如果是構(gòu)造裂隙充水且水量大的情況下,含礦層中的地下水則是威脅礦山開采的重大安全隱患。塔木素鈾礦床地下水儲(chǔ)集和滲流類型已經(jīng)成為確定鈾資源開發(fā)方案時(shí)需要考慮的重要因素。
巴音戈壁盆地是一個(gè)在晚二疊紀(jì)褶皺帶基礎(chǔ)上發(fā)育起來的內(nèi)陸斷陷湖相盆地,盆地基底主要為太古界、古元古界和古生界變質(zhì)巖系,蓋層發(fā)育中下侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)巴音戈壁組下段、巴音戈壁組上段、上白堊統(tǒng)烏蘭蘇海組及新近系。
塔木素鈾礦床地處巴音戈壁盆地因格井坳陷北緣,礦體賦存在下白堊統(tǒng)巴音戈壁組上段。巴音戈壁組上段分為上、中、下三個(gè)巖性段:下部泥巖段(K1b2-1)以大套深灰色、灰色泥巖為主,多見水平層理,炭屑與黃鐵礦等還原介質(zhì)較發(fā)育;中部砂巖段(K1b2-2)以淺紅色、紫紅色、褐黃色、黃色、灰色砂巖、粉砂巖為主,夾薄層泥巖和泥灰?guī)r,粒度較粗,厚度大,可見交錯(cuò)層理和平行層理;上部泥巖段(K1b2-3)以灰色、深灰色、灰綠色泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖為主,見少量含礫砂巖,整體以細(xì)碎屑沉積物為主,發(fā)育炭屑與黃鐵礦等還原介質(zhì)。砂巖段為主要含礦層,上、下部泥巖段也見有工業(yè)鈾礦體。
礦石巖性分為砂巖礦石和泥巖礦石2類。砂巖礦石具不等粒砂狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,碎屑物占巖石總量的87.6%,填隙物占12.4%。石英占碎屑物總量的40%,長(zhǎng)石占碎屑物總量的52.6%,巖屑主要為花崗巖,占8.4%。膠結(jié)物以石膏和白云石、含鐵白云石及鐵白云石為主;泥巖礦石主要由泥巖、粉砂巖和泥灰?guī)r組成,礦物成分以伊利石和高嶺石為主,最高可達(dá)70%,黃鐵礦一般2%~5%,炭屑最高可達(dá)30%,少量針鐵礦和褐鐵礦等。泥灰?guī)r礦石中泥晶方解石最高可達(dá)70%,個(gè)別泥灰?guī)r礦石呈構(gòu)造角礫狀。
巴音戈壁組上段(K1b2)碎屑巖類裂隙孔隙水分布范圍廣,是本區(qū)最主要的地下水類型。中部砂巖段(K1b2-2)整體表現(xiàn)為弱含水層,局部夾薄層強(qiáng)滲透性砂體,富水性及滲透性差異較大,地下水交替作用緩慢,礦化度6.76~45.30 g/L,水化學(xué)類型為Cl·SO4-Na或SO4·Cl-Na型。含水層中發(fā)育的薄層泥巖、粉砂巖起到了局部隔水層的作用,并將含水層分隔為4~6個(gè)含水亞層,亞層砂體厚度一般為10~60 m,而上部泥巖段(K1b2-3)和下部泥巖段(K1b2-1)是區(qū)域上連續(xù)穩(wěn)定的隔水頂、頂板(圖1)。
2011—2013年,地質(zhì)隊(duì)在礦床不同部位施工了5個(gè)水文地質(zhì)井,開展了單孔水文地質(zhì)試驗(yàn)。其中ZKH64-40和ZKH36-12水文地質(zhì)井抽水試驗(yàn)的目的層為巴音戈壁組上段含水層,按照穩(wěn)定流方式進(jìn)行抽水試驗(yàn),采用單孔承壓完整井公式計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù);ZKH58-44、ZKH60-32和ZKH52-12水文地質(zhì)井抽水試驗(yàn)的目的層為巴音戈壁組上段含水巖組內(nèi)包含主礦體的單個(gè)含水亞層,按照穩(wěn)定流方式進(jìn)行抽水試驗(yàn),采用單孔承壓非完整井公式計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)(表1)。
從表1可以看出,巴音戈壁組上段含水層水位埋藏淺,承壓水頭高,滲透性好,鉆孔涌水量大。其中,ZKH60-32、ZKH58-44、ZKH52-12鉆孔安裝的過濾管長(zhǎng)度相同,在抽水量大小相近的情況下,最小水位降深僅2.15 m,最大達(dá)到127.00 m,最小滲透系數(shù)0.126 m/d,最大達(dá)到1.408 m/d;ZKH64-40,ZKH36-12鉆孔安裝的過濾管對(duì)應(yīng)巴音戈壁組上段整個(gè)含水層,與上述3個(gè)水文地質(zhì)井比較,其水位降深與涌水量大小沒有反應(yīng)過濾管長(zhǎng)的特點(diǎn)。本礦床主要水文地質(zhì)參數(shù)差異大,含礦層地下水儲(chǔ)集孔隙和導(dǎo)水通道呈現(xiàn)出明顯的非孔隙類型的特征。
圖1 H44號(hào)勘探線水文地質(zhì)剖面示意圖Fig.1 The hydrogeologic section of the exploration line H441.鉆孔編號(hào)及深度;2.隔水層;3.弱滲透性砂體;4.強(qiáng)滲透性砂體;5.地下水等水頭線;6.鈾礦體;7.鈾礦化體;8.巴音戈壁組上段巖性段編號(hào)
孔 號(hào)含水層厚度/m過濾管位置/m過濾管長(zhǎng)度/m靜止水位/m承壓水頭/m水位降深/m穩(wěn)定抽水量/(m3·h-1)滲透系數(shù)/(m·d-1)影響半徑/mZKH64-4065.28441~538978.31433.3910.246.270.21747.80ZKH60-3299.66497~5071010.38426.822.156.421.408100.50ZKH58-4417.50493~5031010.40420.4056.606.320.226269.00ZKH52-1211.70523~5331013.45370.05127.007.320.126345.00ZKH36-12127.90378~5301529.28389.826.7117.151.13571.80
巖石中所有孔隙空間體積之和與巖石體積的比值,稱為巖石的總孔隙度??紫犊臻g包括地下水不能自由流通的死孔隙和相互連通的孔隙,他們都能夠儲(chǔ)存地下水,但是對(duì)于地下水滲流而言,只有那些相互連通,允許流體在其中流動(dòng)的孔隙體積才有實(shí)際意義(薛禹群,1997),連通孔隙體積之和與巖石體積的比值稱為有效孔隙度。一般情況下,同一巖石的有效孔隙度比總孔隙度少5%~10%。
巖石讓水或溶液通過自身的性能叫滲透性,滲透性的好壞是用滲透系數(shù)K(也稱水力傳導(dǎo)系數(shù))的大小來表征的,在數(shù)值上它等于水力梯度1時(shí)的滲透流速,常用cm/s或m/d表示。滲透系數(shù)不僅取決于巖石的性質(zhì),也與滲透液體的物理性質(zhì)有關(guān);滲透率k是表征巖石滲透性能的常數(shù),僅取決于巖石的性質(zhì),與液體性質(zhì)無關(guān),通常采用cm2、D(Darcy) 或mD表示。
從塔木素鈾礦床H40-12、H36-4、H36-20鉆孔中采取14個(gè)圓柱狀樣,進(jìn)行孔隙度、滲透率測(cè)試,并換算成地下水的滲透系數(shù)(表2)。
表2 孔隙度滲透率測(cè)試結(jié)果
肉眼觀察40-12-4-2和36-4-5-1樣,巖心致密堅(jiān)硬,其孔隙度和滲透率測(cè)試結(jié)果異常。其他樣品孔隙度介入5.4%~15.7%之間,平均10.68%;滲透率0.018~95.8 mD,平均11.01 mD;滲透系數(shù)小于0.01 m/d,最低1.49×10-5m/d。從測(cè)試結(jié)果看,巖石孔隙度小,滲透性極差,屬于基本不滲透砂巖。巴音戈壁組上段砂巖段碎屑所占比例高,雜基含量少,碎屑顆粒較粗,原始沉積物應(yīng)該具有較高的孔隙度和滲透性。但是深埋壓實(shí)、碳酸鹽和石膏的膠結(jié)充填,使得孔隙變小、孔隙數(shù)量變少,降低了巖石的孔隙度和滲透性(楊成田,1985;黃思靜等,2011)。
巖石的密度與巖石礦物組成、孔隙度大小及孔隙中充填物多少、巖石所承受的壓力等有關(guān)(劉寶珺,1980)。從表3可以看出,塔木素鈾礦床礦石干密度高出二連盆地和伊犁盆地砂巖鈾礦20%,高出鄂爾多斯盆地砂巖鈾礦的16%,而濕度則只相當(dāng)于其他礦床的20%~50%。高密度低濕度也反應(yīng)了礦石致密,孔隙度低,富水性和滲透性差的特點(diǎn)。
表3 不同礦床礦石密度濕度對(duì)比
圖2 塔木素地區(qū)構(gòu)造體系圖Fig.2 Tectonic system of Tamusu area1.巖體;2.前中生代地層;3.中新生代地層;4.硬鹽殼;5.鹽漬化;6.湖積淤泥;7.鹽水湖;8.地表水體;9.龜裂地;10.斷裂及編號(hào);11.礦床范圍
巴音戈壁組上段中部砂巖段巖石中填隙物含量6%~35%,平均14.1%,雜基僅見于少數(shù)具雜基支撐結(jié)構(gòu)的巖石中,膠結(jié)物是大多數(shù)具有顆粒支撐結(jié)構(gòu)的巖石中填隙物的主要組成部分,膠結(jié)物主要為碳酸鹽和石膏,少量鐵質(zhì)膠結(jié)物。沉積物在成巖過程中經(jīng)歷了從地表到地下,從常溫到高溫、從淺埋到深埋,不斷脫水壓實(shí)的過程。沉積物中雜基含量少,膠結(jié)物以碳酸鹽和石膏為主,以及深埋壓實(shí)作用是巴音戈壁組上段巖石致密堅(jiān)硬,密度大,含水率低的主要原因。
圖3 鉆孔原始巖心中的裂隙帶Fig.3 Fractured zone in the original core of the borehole
巴音戈壁盆地是一個(gè)受長(zhǎng)期活動(dòng)的斷裂構(gòu)造控制的中新生代沉積盆地。塔木素地區(qū)斷裂構(gòu)造總體上沿襲了區(qū)域斷裂與控盆斷裂構(gòu)造的特點(diǎn),構(gòu)造線的總體方向?yàn)楸睎|向、近東西向兩組,與區(qū)域斷裂及控盆斷裂復(fù)合,不僅控制了盆地內(nèi)隆坳相間的構(gòu)造格局,控制了沉積相、沉積體系的類型和空間展布特點(diǎn),也進(jìn)一步控制了區(qū)域鈾成礦作用,見圖2。其中F1,F(xiàn)2,F(xiàn)3是礦區(qū)內(nèi)3條主要的斷裂構(gòu)造,孕育于燕山早期,中、晚期達(dá)到鼎盛,喜山早期仍有活動(dòng)。
圖4 巖心上的裂隙及其充填物Fig.4 Fracture and filling on the core
張成勇等(2015)將巴音戈壁盆地中生代以來的構(gòu)造演化分為三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)拉分盆地發(fā)生、早白堊世拉分盆地全面發(fā)展、晚白堊世沉降拗陷和第三紀(jì)以來擠壓抬升等4個(gè)階段,在早白堊世晚期,沿阿爾金斷裂帶南、北兩側(cè)發(fā)育了以堿性玄武巖為主的大面積火山巖漿活動(dòng)。
以巴音戈壁盆地多期次斷裂構(gòu)造和巖漿活動(dòng)為背景,在構(gòu)造應(yīng)力作用下,在巴音戈壁組上段巖石中產(chǎn)生了延伸長(zhǎng)度不一、張開程度不同的次一級(jí)構(gòu)造裂隙。圖4是從鉆孔中取出的原始巖心,可以看出,在巴音戈壁組上段中部砂巖段,存在一定寬度的裂隙帶,巖心斷面粗糙,呈鋸齒狀,屬?gòu)堥_性裂隙。
圖4是不同巖心上顯示的裂隙。照片A中的裂隙寬約2 cm,巖石破碎,并被后期的碳酸鹽或石膏充填膠結(jié),但裂隙一側(cè)的裂縫仍清晰可見,屬?gòu)堥_性裂隙。照片B和C顯示的裂隙被褐鐵礦充填,屬閉合性的裂隙。照片D顯示的裂隙面有石膏、赤鐵礦及針鐵礦等析出,斷面不規(guī)則,屬于張開性裂隙面。
構(gòu)造裂隙是固結(jié)巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生的各種破裂錯(cuò)位現(xiàn)象,是沒有明顯位移的斷裂。通過巖心觀察發(fā)現(xiàn),巴音戈壁組上段存在裂隙或裂隙帶。其中被碳酸鹽、石膏、鐵的氫氧化物等完全膠結(jié)充填的裂隙,屬于閉合性裂隙;而張開性裂隙或裂隙帶則是地層中地下水的儲(chǔ)聚場(chǎng)所和運(yùn)移通道。
從物性參數(shù)測(cè)試結(jié)果看,巴音戈壁組上段砂巖致密堅(jiān)硬,密度大,含水率低,孔隙度小,滲透性差,屬于基本不滲透砂巖,巖石中含有的少量水應(yīng)以死孔隙中儲(chǔ)存的地下水為主。
水文地質(zhì)試驗(yàn)中鉆孔安裝過濾管長(zhǎng)度、水位降深、滲透系數(shù),地下水礦化度等方面的巨大差異,反映了地下水的裂隙水屬性,而且在鉆孔原始巖心中也發(fā)現(xiàn)了張開性裂隙或裂隙帶,他們是含礦層地下水最主要的儲(chǔ)集孔隙和導(dǎo)水通道,地下水以裂隙水為主。
裂隙充水是威脅礦山開采、水庫(kù)大壩、隧道等大型工程建設(shè)和運(yùn)行的重大安全隱患。塔木素鈾礦床水文地質(zhì)試驗(yàn)鉆孔涌水量都很大,裂隙水是通過巖心觀察發(fā)現(xiàn),根據(jù)水文地質(zhì)試驗(yàn)與巖石物性參數(shù)測(cè)試結(jié)果初步認(rèn)定的,在塔木素鈾礦床地質(zhì)勘查過程中也沒有對(duì)構(gòu)造裂隙進(jìn)行過專門研究。建議針對(duì)塔木素鈾礦床含礦層構(gòu)造裂隙發(fā)育、地下水儲(chǔ)集和滲流類型開展專門的地質(zhì)和水文地質(zhì)研究,為礦山設(shè)計(jì)和開采過程中地下水防治提供可靠的依據(jù)。
黃思靜,郎咸國(guó),蘭葉芳,等. 2011.儲(chǔ)層孔隙度-滲透率關(guān)系曲線中的截止孔隙度與儲(chǔ)層質(zhì)量[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,(38)6:593-602.
劉寶珺. 1980.沉積巖巖石學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社.
薛禹群. 1997.地下水動(dòng)力學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社.
楊成田. 1985.試論沉積巖層構(gòu)造裂隙的展布規(guī)律及其水文地質(zhì)作用[J].西安地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào),(7)2:53-58.
姚益軒,劉乃忠,霍建黨,等. 2002.砂巖鈾礦床原地浸出開采條件評(píng)價(jià)[J].鈾礦冶,21(4):12-19.
張成勇,聶逢君,侯樹仁,等. 2015.巴音戈壁盆地構(gòu)造演化及其對(duì)砂巖型鈾礦成礦的控制作用[J].鈾礦地質(zhì),(31)3:384-412.
Occurrence and Seepage Flow Types of the Ore-bearing Seam Groundwater in Tamusu Uranium Deposit
YAO Yi-xuan1, HOU Shu-ren2, XIE Ting-ting1, ZHANG Chong1,LIU Zheng-bang1, WEN Zhen-qian1, MEN Hong2
(1.Beijing Institute of Chemical Engineering and Metallurgy, CNNC, Beijing 101149, China;2. No.208 Geological Party, CNNC, Baotou 014010, China)
Tamusu uranium deposit is a large-scale sandstone-type uranium deposit. Hydrography experiment shows discharge from drilling is great and permeability of the Ore-bearing seam is excellent. The occurrence and seepage flow types of groundwater is necessarily important factor when the project of uranium resource exploration is determined. According to study of deposit’s geologic exploration date, core’s observation and test results of physical character’s parameter, the results show that there are several fracture tectonic and magmatic activities in the mining area. The Ore-bearing rock is hard, compact, have low water yield property, few porosity and poor permeability. The groundwater mainly consists of fissure-water, and some few pore-water. It is suggested that further study on geology and hydrography aims at the development of and the characteristics of the occurrence and seepage flow.
sandstone-type uranium deposit;groundwater;fissure structure
2015-08-27
國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA061802)
姚益軒(1963—),男,碩士,研究員級(jí)高級(jí)工程師,主要從事地浸采鈾技術(shù)研究與工程設(shè)計(jì)工作。
10.3969/j.issn.1674-3504.2015.04.002
P64
A
1674-3504(2015)04-0344-06