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    二連盆地鈾礦床放射性水文地球化學(xué)異常特征研究

    2017-07-05 15:22:44林效賓李西得鄒耀林謝惠麗陶思遠(yuǎn)
    世界核地質(zhì)科學(xué) 2017年2期
    關(guān)鍵詞:二連鈾礦床水化學(xué)

    林效賓,李西得,鄒耀林,謝惠麗,陶思遠(yuǎn)

    (核工業(yè)北京地質(zhì)研究院, 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029)

    二連盆地鈾礦床放射性水文地球化學(xué)異常特征研究

    林效賓,李西得,鄒耀林,謝惠麗,陶思遠(yuǎn)

    (核工業(yè)北京地質(zhì)研究院, 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029)

    作為鈾礦勘查的一種有效方法, 20 世紀(jì)放射性水文地球化學(xué)找礦發(fā)展迅速并取得了良好的找礦效果。以二連盆地中東部地區(qū)放射性水化學(xué)資料為基礎(chǔ),通過(guò)解析努和廷鈾礦床及賽漢高畢鈾礦床的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及放射性水化學(xué)異常特征,探討了二連盆地沉積成巖型及古河道砂巖型兩種不同成因類(lèi)型鈾礦床的放射性水化學(xué)異常暈的形成機(jī)理。

    二連盆地; 鈾礦床; 放射性水文地球化學(xué)找礦; 異常評(píng)價(jià)

    水文地球化學(xué)找礦在 20 世紀(jì) 30—40 年代就已在尋找有色金屬礦中發(fā)揮作用,作為分支學(xué)科之一的鈾水文地球化學(xué)(放射性水文地球化學(xué))找礦方法在 20 世紀(jì) 50—80 年代也得以快速發(fā)展,全國(guó)重點(diǎn)鈾成礦區(qū)帶大部分開(kāi)展了 1∶20 萬(wàn)放射性水化學(xué)調(diào)查工作, 并取得了良好的找礦效果[1-3]。

    鈾水文地球化學(xué)找礦具有低成本、高效率、快速度和尋找隱伏礦體的特點(diǎn),尤其是勘查初期對(duì)縮小找礦靶區(qū)具有重要的參考意義[1-2]。 二連盆 地 騰 格爾 坳 陷 被 渾 善 達(dá)克沙漠所覆蓋,工作條件較差,且石油、煤炭等行業(yè)地質(zhì)資料較少,制約了鈾礦勘探進(jìn)度,因此勘查前期需要一種快速、經(jīng)濟(jì)、大面積圈定鈾成礦有利區(qū)段的方法,而坳陷內(nèi)星羅棋布的機(jī)井及水文孔決定了鈾水文地球化學(xué)調(diào)查無(wú)疑為首選的勘查手段之一。筆者近兩年在二連盆地騰格爾坳陷開(kāi)展鈾水文地球化學(xué)調(diào)查工作,并圈定了多個(gè)異常片。但作為一種方法,其有自身的應(yīng)用條件,圈定的遠(yuǎn)景區(qū)受到各種質(zhì)疑,比如說(shuō)放射性水化學(xué)遠(yuǎn)景片對(duì)指導(dǎo)找鈾礦有無(wú)意義?地表潛水異常與深層鈾礦體的關(guān)系?諸如此類(lèi)的問(wèn)題得不到釋疑,必然會(huì)阻礙放射性水文地球化學(xué)找礦成果的應(yīng)用。

    筆者主要從二連盆地已知礦床入手,通過(guò)解析重點(diǎn)鈾礦床的水文地質(zhì)條件及放射性水化學(xué)異常特征,解釋二連盆地鈾礦床的放射性水文地球化學(xué)異常形成機(jī)理,從而指導(dǎo)異常片(暈)的評(píng)價(jià)及鈾礦水化學(xué)找礦。

    1 二連盆地放射性水化學(xué)異常調(diào)查現(xiàn)狀

    二連盆地由5個(gè)坳陷、1個(gè)隆起組成, 已探明的鈾礦床主要集中于中東部的烏蘭察布和馬尼特兩大坳陷內(nèi),主要包括努和廷、蘇崩、查干、巴彥烏拉、哈達(dá)圖、賽漢高畢等鈾礦床。

    1983—1993 年核工業(yè)系統(tǒng)在二連盆地進(jìn)行了大面積的 1:5 萬(wàn)~1:10 萬(wàn)的放射性水化學(xué)概查,其工作范圍包括川井、烏蘭察布、馬尼特 3 個(gè)坳陷及騰格爾坳陷西部, 并按 1:20萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)圖幅編制了相應(yīng)的圖件及報(bào)告。從二連盆地中東部放射性水化學(xué)異常與鈾礦體的位置可以看出,沉積成巖型鈾礦床與放射性水化學(xué)異常的對(duì)應(yīng)關(guān)系較好,古河道型鈾礦床放射性水化學(xué)異常信息較弱(圖 1), 主要是由于當(dāng)時(shí)找礦重心為硬巖型鈾礦床,造成部分圖幅坳陷區(qū)內(nèi)控制水點(diǎn)采集較少,并且將其與蝕源區(qū)高鈾含量的第四系潛水進(jìn)行了合并統(tǒng)計(jì), 造成了異常信息的弱化[4-8]。

    圖 1 二連盆地中東部放射性水化學(xué)異常圖[4-8](修改)Fig.1 Map of radioactive hydrogeochemicalanomaly in the middle and eastern parts of Erlian basin[4-8](modified)

    根據(jù)鈾礦床的成因及放射性水化學(xué)異常特征,初步可將二連盆地的鈾水文地球化學(xué)異常分為沉積成巖型及古河道砂巖型兩大類(lèi),按照礦床特征、水文地質(zhì)條件又可細(xì)分為努和廷式、賽漢高畢式、巴彥烏拉式及哈拉圖式等四種類(lèi)型。

    2 沉積成巖型放射性水文地球化學(xué)異常

    努和廷、蘇崩、查干等鈾礦床均屬沉積成巖型成因,這類(lèi)鈾礦床產(chǎn)于區(qū)域的低洼排泄地帶,為面狀湖相、沼澤相沉積,礦體埋藏較淺,地下水放射性水化學(xué)異常顯示較好,多分布于發(fā)現(xiàn)的礦床、礦點(diǎn)的上方或周邊,其中努和廷鈾礦床已經(jīng)達(dá)到超大型規(guī)模,其放射性水化學(xué)異常也最具代表性。

    2.1 努和廷鈾礦床地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

    努和廷鈾礦床位于額仁淖爾凹陷中央斷裂帶中段的鞍部,晚白堊世構(gòu)造層處于努和廷次級(jí)凹陷的中心。礦床內(nèi)出露地層主要有上白堊統(tǒng)二連組、古近系和第四系。主要含礦層位為二連組下段上亞層下部,多產(chǎn)在下細(xì)、上粗的反韻律層的中部泥巖、粉砂巖中。其屬典型的沉積成巖型鈾礦床,礦體受湖相沉積控制,在剖面上呈兩端向中心下凹的弧形薄板狀,北西端和南東端向礦體中心緩傾斜,總體近于水平。

    礦床位于區(qū)域地下水徑流區(qū)靠近排泄區(qū)的一側(cè),含水巖組主要有第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水含水巖組、上白堊統(tǒng)二連組下段碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙層間水含水巖組(劃分為上下兩個(gè)含水層)和下白堊統(tǒng)巴彥花群賽漢組碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙層間水含水巖組。水文地球化學(xué)、同位素水文學(xué)及有機(jī)地球化學(xué)等數(shù)據(jù)表明,努和廷鈾礦床成礦作用具有明顯的同生沉積富集后生地下水改造的特征[9]。 礦床地下水一方面接受南東部鄰區(qū)同層地下水側(cè)向補(bǔ)給,另一方面接受北西部含水層組出露區(qū)的第四系潛水補(bǔ)給,礦床大部分地段因二連組上段厚層泥巖覆蓋而難以接受大氣降水補(bǔ)給;礦床地下水主要由南東向北西徑流,至烏蘭推饒木一帶地下水近地表出露;礦床西北部烏蘭推饒木一帶是上白堊統(tǒng)二連組層間水的局部排泄區(qū),在雨季又是上白堊統(tǒng)二連組層間水的補(bǔ)給區(qū)[9-13]。

    2.2 努和廷礦區(qū)放射性水文地球化學(xué)異常特征及形成機(jī)理

    努和廷鈾礦區(qū)附近放射性水化學(xué)異常片產(chǎn)于第四系與古近系中,下伏上白堊統(tǒng)二連組, 面積 133 km2, 異常面積 6 km2, 呈 NE 向的橢圓形,由鈾水異常點(diǎn)1個(gè),增高點(diǎn)1個(gè),偏高點(diǎn)3個(gè),氡水異常點(diǎn)1個(gè),氡水增高點(diǎn)1個(gè)組成。鈾濃集中心比較明顯,水中鈾含量一 般 1.87 ×10-5~4.86 ×10-5g·L-1, 最 高3.83×10-4g·L-1, 最高異常系數(shù) 36.8。 異常片水 化 學(xué) 類(lèi) 型 以 Cl·SO4-Na 型 水 為 主 , 其 次 為Cl-Na 型 水 , 礦 化 度 0.6~7.18 g·L-1,pH 值7.50~7.90。 水中放射性同位素比值234U/238U=1.54±0.05、230Th/232Th=13.4、226Ra/228Ra=0.76與已知礦床相似,表明水異常片由礦區(qū)外圍放射性暈水引起[4]。 地下水中的 Fe、 Sr、 Mn、Ba、 Mo 等元素含量在鈾礦化部位明顯增高,其中 Fe、 Mn、 Sr 的含量增幅最大[9]。

    圖2 努和廷鈾礦床放射性水文地球化學(xué)圖Fig.2 Map of radioactive hydrogeochemicalin Nuheting uranium deposit

    地下水放射性異常片主要分布于努和廷鈾礦床的上部及地下水的排泄地帶(圖 2), 雖然鈾礦體產(chǎn)于泥巖中,上部被二連組上段及古近系泥巖或粉砂質(zhì)泥巖隔水層所覆蓋,但隔水層是個(gè)相對(duì)的概念,自然界中并不存在絕對(duì)不發(fā)生滲透的巖層,它還取決于時(shí)間尺度,當(dāng)所研究的某些水文地質(zhì)過(guò)程涉及的時(shí)間尺度相當(dāng)長(zhǎng)時(shí),任何巖層都可視為可滲透的[14]。 所以, 在 成 礦 期 后, 以 數(shù) 十 百 萬(wàn) 年計(jì)的水-巖作用過(guò)程中,僅有數(shù)十米厚的蓋層可被看作是弱透水層,上部礦體在地下水徑流方向上必然能形成放射性水異常暈,且水中鈾、 氡異常濃集的中心基本一致(圖 3)。

    3 古河道砂巖型放射性水文地球化學(xué)異常

    此類(lèi)礦床位于巴彥烏拉—賽漢高畢—齊哈圖日格鈾成礦帶(以下簡(jiǎn)稱(chēng)巴—賽—齊鈾成礦帶)內(nèi), 現(xiàn)已落實(shí)巴彥烏拉大型鈾礦床、 賽漢高畢小型鈾礦床和哈達(dá)圖鈾礦床[15-16]。 鈾礦體產(chǎn)于下白堊統(tǒng)賽漢組上段河流相沉積層中的微相變異部位,主要為河床滯留、心灘或邊灘砂體。

    3.1 巴—賽—齊鈾成礦帶放射性異常特征

    按成礦流體滲入作用方式不同,古河道砂巖型鈾礦床氧化作用分為垂向潛水氧化、側(cè)向(谷坡)層間氧化、順向(河道走向)層間氧化3種不同類(lèi)型:賽漢高畢地段主要發(fā)育垂向古潛水氧化作用,鈾礦體主要產(chǎn)于河道中心和河道變緩、變寬部位殘留的富含還原介質(zhì)的砂體中,呈透鏡狀、層狀;巴彥烏拉地段主要發(fā)育側(cè)向?qū)娱g氧化作用,地下水自河道北側(cè)向南、南西徑流,發(fā)育的氧化砂體尖滅于河道中心,在氧化前鋒線附近形成復(fù)雜卷狀鈾礦體;哈達(dá)圖地段主要發(fā)育強(qiáng)烈的順向?qū)娱g氧化作用,氧化砂體順河道自南向北發(fā)育,在河道兩側(cè)幫殘留富含有機(jī)質(zhì)的灰色原生帶,并在兩側(cè)幫形成板狀、似層狀鈾礦體[15]。

    自始新世晚期以來(lái),二連盆地大面積覆蓋了一層紅色泥巖,阻隔了含礦含水層與上部含水層的水力聯(lián)系,使地下水運(yùn)動(dòng)變緩慢,承壓水頭增高,但含礦層水動(dòng)力條件并非完全處于停滯狀態(tài),其仍接受隆起區(qū)基巖裂隙水和大氣降水滲入并沿古河道砂體徑流,并能在斷層、裂隙發(fā)育部位或隔水層相對(duì)變薄部位以越流方式與上部含水層發(fā)生水力聯(lián)系。簡(jiǎn)言之,古河道型鈾礦床仍受現(xiàn)代地貌、構(gòu)造、水文地質(zhì)條件的影響,在流經(jīng)礦體的地下水中往往會(huì)形成放射性水化學(xué)分散暈。

    圖 3 努和廷鈾礦床放射性水化學(xué)異常形成示意圖 (據(jù)核工業(yè)二〇八大隊(duì), 2008, 修改)Fig.3 Sketch of formation of radioactive hydrogeochemicalanomaly in Nuheting uranium deposit(Modified after Geological Party No.208, CNNC, 2008)

    圖4 巴—賽—齊鈾成礦帶放射性水化學(xué)特征Fig.4 Radioactive hydrogeochemical characteristics of Ba-Sai-Qi uranium metallogenic belt

    前已述及,因前期勘查重點(diǎn)不同,造成坳陷內(nèi)放射性水化學(xué)異常信息被弱化,僅賽漢高畢地區(qū)異常暈較明顯,巴彥烏拉及哈達(dá)圖 地 區(qū) 只 見(jiàn) 有 水 中 鈾 高 值 區(qū) (圖 4)[4-8], 另 外在巴彥烏拉鈾礦床勘探過(guò)程中發(fā)現(xiàn)地下水中氡濃度可達(dá)上千 Bq·L-1[17]。 下面以賽漢高畢鈾礦床為例,對(duì)其放射性水化學(xué)異常成因進(jìn)行簡(jiǎn)述。

    3.2 賽漢高畢鈾礦床地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

    賽漢高畢鈾礦床位于塔木欽凸起北側(cè)的準(zhǔn)寶力格與古托勒凹陷中,地層主要發(fā)育下白堊統(tǒng)巴彥花群騰格爾組、下白堊統(tǒng)巴彥花群賽漢組、上白堊統(tǒng)二連組、古近系伊爾丁曼哈組、古近系呼爾井組、新近系通古爾組、新近系寶格達(dá)烏拉組和第四系等。礦體產(chǎn)于下白堊統(tǒng)賽漢組上段古河道砂體中,受氧化-還原過(guò)渡帶控制,可劃分為曼德林和威仁兩個(gè)礦化地段。 晚白堊世-古新世長(zhǎng)期的風(fēng)化淋濾過(guò)程中是古潛水氧化作用的主要時(shí)期,在上覆地層沉積后大部分地段得到封存而氧化作用減弱或以層間氧化作用為主。氧化帶主體順河道從南向北發(fā)育,表現(xiàn)為氧化砂體由南向北逐漸變薄,另外也存在從河道邊幫向中心發(fā)生側(cè)向氧化作用[18]。

    古河道水動(dòng)力機(jī)制是含氧含鈾水得以成礦的必備條件,在齊哈圖日格-賽漢高畢地區(qū)河流相砂體作為地下水運(yùn)移通道和富集場(chǎng)所,與盆地構(gòu)造-沉積演化等條件一起決定著地下水的補(bǔ)-徑-排機(jī)制。 地下水接受蝕源區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給和大氣降水的垂向補(bǔ)給,沿河道緩坡或側(cè)幫滲入,在河道中心或低洼匯水蒸發(fā)排泄。

    3.3 賽漢高畢礦區(qū)放射性水文地球化學(xué)異常特征及形成機(jī)理

    異常片位于賽漢高畢(本巴圖)南約 7 km處, 由兩個(gè)鈾異常點(diǎn)組成, 面積約 6 km2。 異常片東南部 6 km 處有單氡異常點(diǎn)一處。 在異常片的外圍分布著 7個(gè)鈾增高點(diǎn), 10個(gè)鈾偏高點(diǎn),2個(gè)鈾氡偏高點(diǎn);在氡異常點(diǎn)外圍分布著 3個(gè)氡偏高點(diǎn)(其中一個(gè)鈾增高; 一個(gè)鈾偏高)。 水異常片長(zhǎng)軸方向呈 NE 向, 與古河道走 向 一 致 。 水 中 同 位 素 比 值234U/238U=1.07± 0.06、230Th/232Th =1.42 ~1.75、226Ra/228Ra =1.13~1.36 在與鈾礦化有關(guān)肯定值或接近肯定值范圍內(nèi)[5]。

    筆者曾利用 GMS地下水模擬軟件模擬了賽漢高畢地區(qū)的地下水水動(dòng)力條件,并利用Modpath 模塊示蹤了賽漢高畢地段礦化段水質(zhì)點(diǎn)滲流至排泄區(qū)的路徑,得出地下水在巖層滲流的過(guò)程中遇巖性變化可發(fā)生垂向流動(dòng),示蹤流線終點(diǎn)與潛水鈾異常片重合較好(圖 5)[19]。 古河 道 改 向 或 與 基 巖 接 觸 部 位或遇斷層等情況,均可造成異常水排泄于地表形成地下水異常暈,因氡氣的擴(kuò)散能力高于水中鈾元素,地下水徑流方向上,鈾水的異常濃集中心要晚于鈾水異常濃集中心出現(xiàn)(圖 6)。

    4結(jié)論

    1) 從大的時(shí)間尺度上, 鈾礦體上部的泥巖蓋層可被看作是弱透水層,含礦含水層中的地下水在徑流過(guò)程中能在斷層、裂隙發(fā)育部位或隔水層相對(duì)變薄部位與上部含水層發(fā)生水力聯(lián)系;鈾礦體多受現(xiàn)代水文地質(zhì)條件的影響。

    2) 沉積成巖后期改造型鈾礦床, 受后生地下水改造作用,因埋藏較淺兼之泥巖的滲透能力較弱,地下水異常暈主要分布于礦體的上部及附近地下水的排泄區(qū);水中鈾、氡異常濃集的中心基本一致, 并伴有 Fe、 Sr、Mn等元素的明顯增高。

    圖5 賽漢高畢地區(qū)含礦砂層地下水正向示蹤流線平面示意圖Fig.5 Schematic diagram of the groundwater positive tracer flow line of ore bearing sand layer in Saihangaobi area

    圖6 賽漢高畢鈾礦床放射性水化學(xué)異常形成示意圖Fig.3 Sketch showing formation of radioactive hydrogeochemicalanomaly in Saihangaobiuranium deposit

    3) 古河道型鈾礦床產(chǎn)于河流相砂體中,水動(dòng)力機(jī)制受盆地構(gòu)造-沉積演化等條件控制,地下水接受蝕源區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給和大氣降水的垂向補(bǔ)給,沿河道緩坡或側(cè)幫滲入,在河道中心或低洼匯水蒸發(fā)排泄;地下水異常暈主要分布于地下水徑流方向的中下游水動(dòng)力條件發(fā)生改變的部位,古河道改向或與基巖接觸部位或遇斷層等情況均可造成淺層地下水異常暈的形成;因氡氣的擴(kuò)散能力高于水中鈾元素,地下水徑流方向上,氡水的異常濃集中心要早于鈾水異常濃集中心出現(xiàn)。

    4) 隨著分析儀器、 數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展和成熟,鈾水文地球化學(xué)找礦研究應(yīng)兼顧地下水放射性元素 (U、 Rn、 Ra、 He 等)、 伴生元素 (Mo、 V 等)、 同位素 (鈾系、 釷系) 等信息的綜合提取,提高異常解釋、評(píng)價(jià)水平;應(yīng)用成熟的成礦理論,將構(gòu)造演化、沉積盆地分析、水文地質(zhì)條件、水-巖作用研究與放射性水化學(xué)調(diào)查有機(jī)結(jié)合,建立自然地理-地質(zhì)-水文地質(zhì)環(huán)境的鈾水文地球化學(xué)模式, 能夠更好地指導(dǎo)找礦。

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    [17]申科峰, 康世虎, 唐大偉, 等.內(nèi)蒙古蘇尼特左旗巴彥烏拉鈾礦床 (B255-B415 線)普查地質(zhì) 報(bào)告[R].包頭:核工業(yè)二〇八大隊(duì), 2008.

    [18]蔡彤, 童波林, 陳鳳興, 等.內(nèi)蒙古蘇尼特左旗賽漢高畢地區(qū)鈾礦普查工作總結(jié)報(bào)告[R].包頭:核工業(yè)二〇八大隊(duì), 2012.

    [19]林效賓, 王志明, 郝偉林, 等.GMS軟件在二連盆地賽漢高畢地區(qū)古河道砂巖型鈾礦床水文地 質(zhì) 條 件 研 究 中 的 應(yīng) 用 [J].世 界 核 地 質(zhì) 科 學(xué) ,2015, 32(1):19-23.

    Study on radioactive hydrogeochemical characteristics in uranium deposit of Erlian basin

    LIN Xiaobin, LI Xide, ZOU Yaolin, XIE Huili, TAO Siyuan
    (CNNC Key Laboratory of Uranium Resource Exploration and Evaluation Technology, Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China)

    As an effective method for uranium exploration, radioactive hydrogeochemical prospecting in the 20th century has developed rapidly and has obtained good prospecting effect.Based on the data of radioactive hydrochemistry in the middle and eastern parts of Erlian basin, The geological,hydrogeological conditions and the characteristics of radioactive hydrogeochemical of the Nuheting uranium deposit and the Saihangaobi uranium deposit was analyzed, the formation mechanism of radioactive hydrogeochemical halo was discussed for uranium deposits of sedimentary diagenesis and paleo-channel sandstone type in Erlian basin.

    Erlian basin; uranium deposit; radioactive hydrogeochemical prospecting; abnormal evaluation

    P619.14; P641.3

    A

    1672-0636(2017)02-0080-07

    10.3969/j.issn.1672-0636.2017.02.003

    中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查子項(xiàng)目 “二連盆地騰格爾坳陷鈾礦資源遠(yuǎn)景調(diào)查”(編號(hào): 12120115018301) 資助。

    2016-12-06

    林效賓(1984— ), 男, 山東菏澤人, 工程師, 主要從事鈾礦水文地質(zhì)工作。E-mail: linbin58@126.com。

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