馮世榮，孫瀟，賈為衛(wèi)，胡志偉

（核工業(yè)二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011）

20 世紀50—60 年代，前人在準噶爾盆地南緣頭屯河流域硫磺溝-廟爾溝地段中侏羅統(tǒng)頭屯河組（J2t）發(fā)現(xiàn)了硫磺溝、萬家窯鈾礦點及哈薩墳、淺水河鈾異常點。近年來，在準噶爾盆地南緣樓莊子地段發(fā)現(xiàn)了樓莊子鈾礦產(chǎn)地，顯示了樓莊子地段具有良好的找礦潛力［1］。礦產(chǎn)地、礦點及異常點分布于準噶爾盆地南緣天山山前斷褶帶第一排背斜帶內(nèi)［2-3］。隨著樓莊子鈾礦產(chǎn)地地質(zhì)生產(chǎn)工作的進展，以該礦產(chǎn)地為契機是否能夠向中侏羅統(tǒng)廣泛出露的樓莊子以西至石梯子地區(qū)拓展引起了地質(zhì)工作者關注。樓莊子礦產(chǎn)地鉆孔巖心比較完整而且孔口高程高于當?shù)厍治g基準面頭屯河，其含礦層及其圍巖的透水性及含水性如何有待于研究。本文利用研究區(qū)煤田水文地質(zhì)及鈾礦勘查鉆孔資料，嘗試從水文地質(zhì)角度對其進行綜合整理、編制圖件及分析研究，針對樓莊子以西至石梯子地區(qū)拓展和樓莊子礦產(chǎn)地含礦層及其圍巖的透水性及含水性問題進行初步探索。

1 地質(zhì)背景

1.1 地層

研究區(qū)中—新生界地層從三疊系到新近系出露齊全，為陸相沉積巖建造（圖1）。

圖1 樓莊子-石梯子地區(qū)中—新生界水文地質(zhì)綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive hydrogeological column of Mesozoic-Cenozoic stratums in Louzhuangzi-Shitizi area

三疊系中—下統(tǒng)為紫紅色夾灰綠色礫巖、砂巖及泥巖；中—上統(tǒng)為灰色、灰黃色及灰綠色砂巖、泥巖及炭質(zhì)泥巖夾菱鐵礦結(jié)核。侏羅系中—下統(tǒng)為灰色、灰綠色礫巖、砂巖、泥巖夾煤層，為含煤建造；中—上統(tǒng)為灰色、灰綠色、褐色、褐紅色、紫紅色礫巖、砂礫巖及泥巖。白堊系下統(tǒng)為灰色、灰綠色、黃綠色、紫紅色及棕紅色礫巖、鈣質(zhì)礫巖、砂巖及泥巖；上統(tǒng)為棕色、灰紅色、磚紅色礫巖夾紅褐色砂質(zhì)泥巖、砂巖、粉砂巖，富含鈣質(zhì)及少量鈣質(zhì)結(jié)核。古近系為灰色、灰綠色、紫紅色、褐紅色、淺褐紅色相間的礫巖、砂巖及泥巖沉積。新近系以褐色、褐紅色、棕紅色、棕黃色為主及灰色、灰綠色為次的礫巖、砂巖及砂質(zhì)泥巖建造。第四系為沖洪積礫石、砂，風成砂、黃土，砂質(zhì)粘土。

1.2 構(gòu)造

研究區(qū)位于天山造山帶與準噶爾地塊的接觸帶［4］，海拔高程低于2 000 m，屬于次造山帶（圖2）。從圖上分析，研究區(qū)北部為狹窄呈雁形排列的背斜構(gòu)造帶，同時遭到了逆沖斷裂構(gòu)造破壞。中南部為南翼寬闊北翼狹窄的向斜構(gòu)造。東部則為博格達晚古生代裂陷槽向西延伸的郝家溝凸起［5］。因其持續(xù)抬升和向西擠壓在近東西方向形成了較為寬緩凸凹相間的構(gòu)造形態(tài)，可能是造成了諸如呼圖壁河、三屯河及頭屯河河谷向東位移的主要原因，也是局部改變地下水動力場形態(tài)的因素之一。斷裂構(gòu)造主要有兩 組［5］，即F1和F2。F1呈北西西—南東東走向，具有壓扭（左旋）性質(zhì)，北盤向北西平移（或走滑）。F2呈近東西展布，基本上沿著背斜帶發(fā)育，具擠壓性質(zhì)，上盤向南逆沖推覆，對背斜造成了破壞。

圖2 樓莊子-石梯子地區(qū)構(gòu)造簡圖Fig.2 Structural sketch of Louzhuangzi-Shitizi area

研究區(qū)中—新生代地層中存在以下3 個不整合構(gòu)造面［6］：

第一，下白堊統(tǒng)清水河組（K1q）與上侏羅統(tǒng)喀拉扎組（J3q）之間的不整合面。區(qū)域上屬于角度不整合面，但僅在呼圖壁河觀測到了這種現(xiàn)象，與下伏層位夾角小于10°。

第二，古近系紫泥泉子組（E1-2z）與上白堊統(tǒng)東溝組（K2d）之間的不整合面。區(qū)域上屬于角度不整合面，與下伏地層夾角也小于10°。

第三，新近系獨山子組（N2d）與塔西河組（N1t）之間。區(qū)域上他們屬于整合接觸，但是在頭屯河流域的硫磺溝-廟爾溝段為角度不整合面，而且具有超覆現(xiàn)象，與下伏地層夾角大于10°。上覆獨山子組（N2d）也向北傾斜，傾角小于10°。通過這一現(xiàn)象可以初步做出如下判斷：在獨山子組（N2d）沉積之前，研究區(qū)的構(gòu)造格局基本形成或定型；獨山子組（N2d）沉積之后，該地區(qū)以抬升為主，同時伴生著地層的傾斜，并且遭受了強烈的剝蝕作用。

總之，由于上述構(gòu)造因素的影響，造成了侏羅系沿著天山造山帶北緣呈狹窄帶狀出露地表，并且形成了南高北低的地形地貌特征，也遭受了較強褶皺及斷裂變形。在現(xiàn)今構(gòu)造格局形成之前，也就是在獨山子組（N2d）沉積之前，雖然在中—新生界存在兩個角度不整合構(gòu)造面，但是他們的上覆層位與下伏層位的夾角都小于10°，因此該地區(qū)總體呈單斜構(gòu)造帶，地下水在露頭區(qū)接受補給，然后向北徑流排泄，具有完備的地下水補給、徑流、排泄的水動力機制，有利于地下水持續(xù)不斷地補給、徑流及交替。而形成之后，也就是在獨山子組（N2d）沉積之后，以強烈抬升運動為主側(cè)向掀斜為輔，特別是研究區(qū)北部的背斜構(gòu)造不斷隆起及遭受逆沖斷裂的破壞，使其水動力場遭到了破壞，向北徑流的速度及水交替強度減弱甚至停止，出現(xiàn)了南部露頭區(qū)即使有充足的水源也補給不到含水層的不利局面。

2 樓莊子-石梯子地區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 自然地理概況

研究區(qū)地勢南高北低，南部山區(qū)海拔2 700～3 400 m，北部平原區(qū)海拔750～1 000 m，相對高差較大，河谷切割強烈，多形成下切較大的“V”字型河谷。屬于大陸性干旱氣候，年平均氣溫7.2 ℃，年最高氣溫39.4 ℃，最低氣溫?31.4 ℃。年平均降雨量193.6 mm，年平均蒸發(fā)量1 755.8 mm，年平均無霜期164 天。6～8 月為雨季，每年10 月中、下旬開始結(jié)冰，翌年3 月中、下旬開始解凍，多年平均風速2.1 m/s。

區(qū)內(nèi)河流近南北向，從南向北徑流，從東向西有烏魯木齊河、頭屯河、三屯河、呼圖壁河、塔西河、瑪納斯河等。其特征值見表1［7］。由表1 分析可見，研究區(qū)內(nèi)的河流年平均最小徑流量基本上都大于（1×108）m3，并為常年性河流，水源相對充足。

表1 研究區(qū)主要河流1956—2000 年徑流量特征值Table 1 The characteristic runoff-values of main rivers in the study area in 1956—2000

2.2 含水巖組基本特征

依據(jù)樓莊子-石梯子地區(qū)中新生界出露、鉆孔揭露及水文地質(zhì)特征將中新生界劃分為以下含水巖組及含水亞巖組（圖1）：

三疊系含水巖組（T），劃分為兩個亞巖組：即倉房溝群含水亞巖組（TⅠ）和小泉溝群含水亞巖組（TⅡ）。含水層一般位于每個亞巖組下段或底部，由礫巖及砂巖組成。

侏羅系含水巖組（J）劃分為6 個亞巖組：即八道灣組含水亞巖組（JⅠ）、三工河組含水亞巖組（JⅡ）、西山窯組含水亞巖組（JⅢ）、頭屯河組含水亞巖組（JⅣ）、齊古組含水亞巖組（JⅤ）及喀拉扎組含水亞巖組（JⅥ）。含水層一般位于每個亞巖組下段或底部，由礫巖及砂巖組成。其重點是西山窯組含水亞巖組（JⅢ）和頭屯河組含水亞巖組（JⅣ）。

白堊系含水巖組（K）劃分為5 個亞巖組：即清水河組含水亞巖組（KⅠ）、呼圖壁河組含水亞巖組（KⅡ）、勝金口組含水亞巖組（KⅢ）、連木沁組含水亞巖組（KⅣ）及東溝組含水亞巖組（KⅤ）。含水層一般位于每個含水亞巖組的下段或底部，而東溝組含水亞巖組含水層主要位于中下段，由礫巖、砂礫巖及砂巖組成。

古近系含水巖組（E）劃分為紫泥泉子組含水亞巖組（EⅠ）、安集海河組含水亞巖組（EⅡ）及沙灣組含水亞巖組（EⅢ）3 個亞巖組。含水層位于每個含水亞巖組的下段或底部，由礫巖、砂礫巖及砂巖組成。

新近系含水巖組（N）劃分為塔西河組含水亞巖組（NⅠ）和獨山子組含水亞巖組（NⅡ）。含水層由礫巖、砂礫巖及砂巖組成，厚度較大，穩(wěn)定性較好。

第四系含水巖組（Q）分布于工區(qū)北部及東部。含水層為沖洪積礫石及砂，局部厚度較大，較為穩(wěn)定。

2.3 構(gòu)造對地下水動力條件的影響

根據(jù)現(xiàn)有資料分析及綜合整理，編制了中侏羅統(tǒng)地下水水位等高線圖（圖3）。從圖上分析，總體上中侏羅統(tǒng)地下水由南向北徑流。但是，由于天山造山帶的強烈抬升及郝家溝凸起隆升向西擠壓，造成了研究區(qū)河床的中上游切割強烈，相對高差可達800 m，也導致本區(qū)河流中上游地下水由河谷間向河床徑流。

圖3 樓莊子-石梯子地區(qū)中侏羅統(tǒng)地下水等高線圖Fig.3 Contour of groundwater level of Middle Jurassic in Louzhuangzi-Shitizi area

北西西—南東東向F1斷裂組，具有左旋特征，對兩盤地下水動態(tài)有影響，造成兩盤地下水存在水位差。其北部背斜構(gòu)造帶隆起于地表之上（相對高差可達500 m），又疊加了阻水逆沖斷裂破碎帶，形成了一道天然地下水阻水構(gòu)造帶，改變了之前地下水動力場狀態(tài)，減緩了地下水徑流速度，降低了地下水交替強度。在中南部向斜構(gòu)造，同樣減緩或阻止了向斜區(qū)域地下水徑流速度及水交替強度?？傊搮^(qū)域現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)延長了研究區(qū)地下水交替周期或者迫使地下水交替停止，較大地影響了地下水的補給、徑流及排泄，即出現(xiàn)因排泄不暢通導致研究區(qū)在補給“窗口”有充足的水源也補給不到含水巖層中的不利局面。

在東部，顯然郝家溝凸起的抬升并向西延伸，造成研究區(qū)近東西向形成寬緩凸凹相間構(gòu)造形態(tài)，影響到了研究區(qū)地下水動力場特征，改變了這一區(qū)段河床之間的地下水轉(zhuǎn)向河床排泄，不利于含氧含鈾水向含水層的持續(xù)補給及鈾礦化的持續(xù)發(fā)育。

通過上述構(gòu)造格局和地下水動力狀態(tài)分析，推測在獨山子組（N2d）沉積之前，該區(qū)域地下水應順著地層傾向由南向北徑流，有利于地下水徑流及交替，有利于含氧含鈾水及鈾礦化滾動式向前不斷遷移，為鈾的持續(xù)富集形成工業(yè)礦床創(chuàng)造良好的條件［8-9］。但形成之后，由于受北部背斜阻水構(gòu)造帶以及東西向?qū)捑彵?、向斜不斷抬升運動的影響，阻礙或改變了地下水向北徑流的地下水動力環(huán)境，減緩或阻止了含水砂體后生氧化蝕變及砂巖型鈾礦化的發(fā)育。

2.4 地下水化學特征

研究區(qū)中侏羅統(tǒng)含水巖組地下水化學圖顯示，中侏羅含水巖組地下水礦化度沿著整體徑流方向增高幅度較大；水質(zhì)類型從硫酸·重碳酸型演化為氯化物型，演化較快。地下水pH值為7.27～12.27，為堿性水、弱堿性水（圖4）。有氧參與時，則有利于鈾的活化及遷移［10］。

綜合分析，上述地下水化學特征可間接地證實：由于存在著背斜構(gòu)造，阻水構(gòu)造帶又疊加了東西向?qū)捑彵场⑾蛐睒?gòu)造，減緩或阻止了地下水的徑流及交替，造成水巖接觸時間延長，迫使地下水沿著其整體徑流方向礦化度快速增高、加快了水質(zhì)類型演化。易溶的堿金屬、堿土金屬及鹵素元素等容易發(fā)生水巖之間的物質(zhì)交換，就造成了地下水中堿金屬離子和氯離子富集。該地區(qū)地下水化學特征，也揭示現(xiàn)階段不利于地下水交替，減緩了氧化劑及鈾的帶入［11］，不利于含水巖組砂體的后生氧化蝕變及砂巖型鈾礦化的持續(xù)富集。

總之，研究區(qū)位于中低山區(qū)，年降水量充沛，常年性河流發(fā)育，地下水的補給水源豐富。中侏羅統(tǒng)含水巖組結(jié)構(gòu)較合理，有利于地下水補給-徑流，具備層間氧化帶砂巖型鈾礦化的發(fā)育及不斷富集成礦的水文地質(zhì)條件。但是，由于構(gòu)造因素的影響改變了這一有利條件；在獨山子組（N2d）沉積之前，研究區(qū)屬于單一的單斜構(gòu)造形態(tài)，地下水動力條件對砂巖型鈾礦富集成礦有利［12］；而獨山子組（N2d）沉積之后，由于北部背斜阻水構(gòu)造帶的形成，則不利于鈾礦化持續(xù)富集。這一推論也被研究區(qū)地下水水化學特征間接證實。同時，由于研究區(qū)南部地勢較高，切割剝蝕較為強烈，對層間氧化帶及砂巖型鈾礦的發(fā)育影響較大［13］，是找礦中不得不考慮的因素。

3 樓莊子鈾礦產(chǎn)地透水性及含水性

樓莊子鈾礦產(chǎn)地位于昌吉市硫磺溝鎮(zhèn)樓莊子村西北約5 km 處，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個工業(yè)鉆孔，是近幾年發(fā)現(xiàn)的具有良好成礦潛力地段。其含礦層及其圍巖的透水性及含水性引起了關注。

3.1 含礦層透水性分析

為了解含礦層及其圍巖的透水性，在樓莊子礦產(chǎn)地的一些鉆孔中采集了少量孔隙度及滲透率樣來初步評價礦產(chǎn)地含礦層及其圍巖的透水性，測試結(jié)果見表2。

從表2 可以看出，采集的樣品基本上為粗砂巖，測試結(jié)果與巖石粒度關系較小。從圖5可以明顯看出，當孔隙度＞15% 時，滲透率＞（100×10-3）μm2，換算的滲透系數(shù)＞0.1 m/d；當孔隙度＜15%時，滲透率＜（50×10-3）μm2，換算的滲透系數(shù)＜0.02 m/d，降低非常明顯；均表明含礦層及其圍巖是透水性，但其透水性有強弱之分。影響透水性強弱的因素有：一是孔隙中填隙物含量的高低。填隙物含量低，孔隙度大，滲透率高，透水性好；含量高，孔隙度小，滲透率低，透水性弱。二是砂巖的分選性及磨圓度。分選性及磨圓度好則滲透率高、透水性好；差則滲透率低、透水性差。三是不合理的采樣位置選擇影響到了對含礦層及其圍巖透水性的評價。如果樣品采集于達到工業(yè)意義的礦段及其圍巖中，則滲透率高，透水性好；然而采集于薄層的礦化異常段及其圍巖或接近泥巖夾層中，則滲透率低，透水性弱。

圖5 樓莊子礦產(chǎn)地砂巖孔隙度與滲透率關系Fig.5 The relation diagram of sandstone porosity and permeability in Louzhuangzi ore field

經(jīng)對比分析，上述滲透率參數(shù)高的樣品，如ZKA51 及ZKA31 等鉆孔采集的樣品，一般位于工業(yè)礦段的圍巖或穩(wěn)定疏松分選性好的砂巖中。而滲透率參數(shù)低的樣品則采集于薄層的礦化異常段及其圍巖或接近泥巖夾層中，如在ZKA61 鉆孔采集的3 個樣品：KSA61-1 采集于異常段上部的薄層細砂巖中，KSA61-2 采集于兩層薄層礦化段之間，KSA61-3 采集于薄層礦化段的下翼，在工業(yè)礦化段及其圍巖內(nèi)并沒有采集樣品。因此樣品采集位置是造成該孔樣品測試數(shù)據(jù)偏低的主要原因。從以上分析可知，砂巖透水性強弱是上述3 個因素綜合的結(jié)果，但前兩個是客觀因素，而后者為主觀因素［14］?？傊蓸游恢玫倪x擇對含礦層及其圍巖透水性的評價影響較大?？陀^合理地選擇樣品采樣位置所獲得的水文地質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，不僅可以對含礦層或含礦圍巖透水性做出客觀評價，而且可以用于將來地浸試驗塊段選擇及其評價工作［15］。

總之，通過對上述含礦層及其圍巖滲透性參數(shù)的測試分析，認為樓莊子鈾礦產(chǎn)地含礦層或含礦圍巖是透水的，只不過透水性具有強弱之分。偏低的數(shù)據(jù)主要是因為采樣段的選擇引起的。因此，在采集鉆孔巖心孔隙度滲透性樣品時應注意對采樣段的合理選擇。

3.2 含礦層含水性分析

樓莊子鈾礦產(chǎn)地地勢較高（大于1 300 m），距離含礦層的露頭區(qū)較近，約2～3 km。并且露頭區(qū)高于當?shù)厍治g基準面100 m 以上（頭屯河河谷）。因此，認為含礦層及其圍巖可能不含水。由于煤田抽水試驗段選擇的特殊性，也不能簡單地利用已有煤田水文孔參數(shù)進行含礦層及其圍巖的含水性評價。但可通過剖面圖的形式說明含礦層及其圍巖是否含水。ZK45-5 號和ZK50-4 號水文地質(zhì)鉆孔，分別位于樓莊子鈾礦產(chǎn)地以南0.4 km 和1.5 km 處。其頭屯河含水亞巖組（JⅣ）地下水位分別為156.40 m 和182.85 m（圖6）。

圖6 樓莊子鈾礦產(chǎn)地含礦層與地下水水位關系Fig.6 The relation of ore-bearing strata and groundwater level in Louzhuangzi ore field

從圖6 可以明顯看出，樓莊子鈾礦產(chǎn)地由南向北地下水從層間無壓水向承壓水轉(zhuǎn)變，其含礦層及其圍巖位于層間承壓水分布區(qū)，而且承壓水頭可達到100 m 或100 m 以上。據(jù)此，樓莊子鈾礦產(chǎn)地位于層間承壓性含水層中，礦產(chǎn)地的含礦層及其圍巖是含水的。影響含水性的主要因素有砂巖的粒度、分選性、磨圓度、填隙物的含量及疏松度。而含水性如何，有待于針對含礦層及其含水圍巖采用其他工作方法確定。

總之，初步認為樓莊子鈾礦產(chǎn)地含礦層及其含水圍巖既透水也含水，只是透水性有強弱、含水性有富弱差別。砂體中的填隙物含量低、粒度大、分選性磨圓度好及砂體疏松含水性就豐富、透水性就好，反之亦然。

4 結(jié)論

經(jīng)過對研究區(qū)構(gòu)造格局、水文地質(zhì)條件及樓莊子礦產(chǎn)地水文地質(zhì)參數(shù)分析研究認為：

1）新近系獨山子組（N2d）沉積之前，樓莊子-石梯子地區(qū)地下水動力條件對于層間砂體的后生氧化蝕變及砂巖型鈾礦化發(fā)育是有利的。但是在新近系獨山子組（N2d）沉積之后，由于北部背斜阻水構(gòu)造帶的再次強烈隆升，減緩或阻止了地下水的徑流速度及水交替強度，使含礦砂體后生氧化蝕變及鈾礦化向前滾動式發(fā)育減緩或停止，又疊加了強烈切割剝蝕作用是對后生氧化蝕變及砂巖型鈾礦化發(fā)育不利的。

2）認為樓莊子鈾礦產(chǎn)地的含礦砂體是含水的也是透水的，只是同一層巨厚砂體不同層段的含水性及透水性有差異。

3）認為以樓莊子鈾礦產(chǎn)地向西至石梯子一帶，地下水動力條件有利于層間氧化帶及鈾礦化的發(fā)育，并在該帶局部地段的中侏羅統(tǒng)中已發(fā)現(xiàn)黃色、淺紅色氧化蝕變砂巖，建議加強對這一地區(qū)層間氧化帶及鈾礦化的研究和開展部分地面調(diào)查及鉆孔查證等探索工作。