松遼盆地錢家店鈾礦床地浸開采水文地質(zhì)條件研究

任錦榮，夏毓亮，張振強，林 垚

(1.中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；3.核工業(yè)二四○研究所，遼寧 沈陽 110032)

錢家店鈾礦床位于松遼盆地南部，是中國為數(shù)不多的大型砂巖型鈾礦床，包括6個礦塊。前人對該礦床的研究多集中于成礦條件[1]、成礦特征與成礦作用[2-4]、成礦規(guī)律[5]、礦床成因與成礦模式[6]、控礦因素[7]方面；而對地浸開采至關(guān)重要的水文地質(zhì)條件研究較少。2009年對該礦床錢Ⅱ塊開展了CO2+O2工藝的地浸開采，生產(chǎn)中對含礦含水層特征和地下水特點、承壓水水化學(xué)特征、含礦含水層滲透性等進行了大量研究和試驗。本研究對有代表性地段的水文地質(zhì)條件進行總結(jié)，以期對該礦床其他塊區(qū)地浸開采提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

錢家店鈾礦床位于松遼盆地南部，處于開魯坳陷錢家店凹陷中，如圖1所示。

1.1 地層

自下而上分為上白堊統(tǒng)青山口組(K2qn)、姚家組(K2y)、嫩江組(K2n)[8]。青山口組(K2qn)巖性頂部為紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，下部為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖。姚家組(K2y)下段(K2y1)厚65～70 m，以淺灰色、灰色細砂巖為主，夾少量中細粒砂巖及粉砂巖、泥巖，頂部有厚5～6 m的紫紅色泥巖層，為下段與上段的分界線，中下部有厚0.5～4 m的薄層紅色泥巖，兩層泥巖之間有厚30～40 m的砂體；上段厚65～70 m，以淺灰、灰色細砂巖為主，夾少量中細砂巖及粉砂巖、泥巖，砂巖中夾有多層紫紅色泥巖及灰色泥巖薄層或透鏡體。嫩江組(K2n)厚30～60 m，以泥巖為主，色暗，含貝類化石，水平層理發(fā)育；自下而上粒度變細，下部為細砂巖、粉砂巖夾泥巖，上部以灰、深灰色泥巖為主，夾粉砂巖；泥巖中夾有薄層鮞?；?guī)r。

1.2 構(gòu)造

晚白堊世嫩江運動使得區(qū)域構(gòu)造運動由張性轉(zhuǎn)為壓性、壓扭性，產(chǎn)生擠壓褶皺及斷裂[9]。礦床處在烏日吐芒哈隱伏背斜西翼，核部為青山口組，兩翼依次為姚家組下段、上段及嫩江組。

斷裂構(gòu)造不太發(fā)育。以NNE向斷裂為主，NW向斷裂次之。1號斷裂位于西部，是切穿基底的主要斷層，上部傾角一般70～80°，向下漸變?yōu)?0～40°，延伸距離遠(>25 km)、斷距大(2 000 m)，1號斷裂為控盆構(gòu)造。2號斷裂延伸方向與1號斷裂平行，為1號斷裂的派生斷裂。

1—斷裂；2—凹陷；3—盆地界線；4—石油參數(shù)孔；5—城鎮(zhèn)；6—鈾礦床。圖1 錢家店鈾礦床構(gòu)造位置Fig. 1 Tectonic location of Qianjiadian uranium deposit

1.3 地形地貌

地形平坦，堆積地形發(fā)育，南部和北部為大片的風(fēng)沙區(qū)，風(fēng)成微地形頗為發(fā)育。地形相對高差5～10 m。北西略高，南部略低。地貌以草地為主，局部有小范圍沙地及農(nóng)田。

1.4 礦產(chǎn)資源

主要礦產(chǎn)資源為煤炭和石油，還有鐵、鋅、鎢、銅礦及富含鈮、鉭、鈹、鋯等稀有和重稀土礦，還有天然硅砂和石墨礦。

2 礦床水文地質(zhì)特征

礦體主要賦存于姚家組下段和上段砂體中。礦體形態(tài)較簡單，主要為板狀、似層狀[10]；礦體走向NE，傾角2～7°。含礦巖性主要為灰細粒長石砂巖，含中砂細粒長石砂巖；其次為灰色泥質(zhì)粉砂巖，灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等。

所選水文地質(zhì)試驗段位于錢Ⅱ塊區(qū)，如圖2所示，共4個試驗段、9個水文孔。鉆孔主要布置在姚家組下段和上段。錢Ⅱ-SW-14C孔為姚家組上段含水層，其余8個水文孔均為姚家組下段含礦含水層(K2y1)，如表1、圖3所示。

表1 水文地質(zhì)試驗段所含鉆孔及研究對象Table 1 Drill holes and research objects in the hydrogeological test section

1—鈾礦孔；2—水文地質(zhì)孔；3—水文地質(zhì)試驗段及編號；4—水文地質(zhì)抽水孔；5—水文地質(zhì)孔(抽水、抽注水時做抽水孔，注水時做注水孔)；6—水文地質(zhì)孔(抽注水時做注水孔，抽水時做觀測孔)。圖2 錢Ⅱ鈾礦塊水文地質(zhì)試驗段平面分布圖Fig. 2 Plane distribution of hydrogeological test section of QianⅡuranium ore block

1—第四系；2—上白堊統(tǒng)嫩江組；3—上白堊統(tǒng)姚家組上段；4—上白堊統(tǒng)姚家組下段；5—泥巖隔水層。圖3 水文地質(zhì)試驗段水文孔剖面圖Fig. 3 Hydrologic hole profile in the hydrogeological test section

2.1 含水層與隔水層劃分

礦床可分為4個含水層[11],各含水層之間分布有相應(yīng)的隔水層，見表2。姚家組上段含水層為姚家組下段含礦含水層的直接上覆含水層，本研究中的含礦含水層指姚家組下段賦存礦體的含水層。

表2 錢家店鈾礦床含水層與隔水層Table 2 Aquifer and aquiclude of Qianjiadian uranium deposit

2.2 含水層特征

2.2.1 上白堊統(tǒng)姚家組上段(K2y2)含水層

位于上白堊統(tǒng)嫩江組(K2n)含水層與上白堊統(tǒng)姚家組下段(K2y1)含礦含水層之間。依據(jù)錢Ⅱ塊13～16試驗礦段鉆孔揭露和錢Ⅱ-SW-14C孔水文地質(zhì)試驗成果，可知其基本特征如下。

該組含水層巖性以淺灰色、灰色細砂巖為主，局部含薄層灰色、紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及灰色泥質(zhì)粉砂巖。該組地層埋深為141.70～170.00 m，厚度為60.20～83.50 m，其間夾2～3層灰色、紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖(厚度2.00～5.00 m)。

據(jù)錢Ⅱ-SW-14C孔揭露，該含水層隔水頂板位置為166.30～170.00 m，厚度為3.70 m；巖性主要為紫紅色泥巖，隔水性能良好。含水層位置為170.00～231.00 m，厚度為61.00 m；巖性主要為淺灰色細砂巖、灰色細砂巖，夾多層灰色、淺紅色粉砂質(zhì)泥巖。該層位底部僅見鈾礦化，沒有工業(yè)礦體。據(jù)該區(qū)段水文孔揭露，該含水層的隔水底板位置為218.90～238.20 m，厚度為3.00～5.20 m；巖性為紫紅泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，致密，隔水性能良好。

該含水層含水巖石的礦物成分以鉀長石為主，少量斜長石或微斜長石；其顆粒多為次棱角次圓狀，分選性一般。巖屑多為沉積碎屑。填隙物以泥質(zhì)為主，其次為粉砂質(zhì)，見少量鐵質(zhì)、硅質(zhì)和鈣質(zhì)，泥質(zhì)分布不均勻；以顆粒支撐、孔隙式膠結(jié)為主，局部見泥質(zhì)呈團塊狀，雜基支撐，基底式膠結(jié)，較疏松。含水巖石顆粒相對比較均勻，含水巖層粉粒+黏土成分一般為7.17%～41.55%，平均為15.50%。

據(jù)錢Ⅱ-SW-14C孔揭露，該承壓含水層水位埋深較淺，靜水位為5.97 m，承壓水頭為164.03 m，單位涌水量為0.13 m3/(h·m)，導(dǎo)水系數(shù)為3.50 m2/d，滲透系數(shù)為0.07 m/d，該含水層富水性和滲透性較弱。

2.2.2 上白堊統(tǒng)姚家組下段(K2y1)含礦含水層

根據(jù)4個試驗段水文孔揭露顯示，該組地層在礦床內(nèi)埋深為218.9～238.2 m，厚度為63.00～71.20 m，平均厚度為65.40 m，部分地段夾2～5層灰色、淺紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，單層厚度為0.70～2.50 m。

2.2.2.1 含水巖性特征

含礦含水層含水巖性主要為淺灰色、淺紅色含粉砂的細-中粒砂巖、中細砂巖、細砂巖，其次為細砂巖和少量粉-細砂巖。其礦物成分以石英、黏土為主，含少量長石、云母，局部含炭屑。宏觀上，該含水層砂巖多為厚層狀塊狀構(gòu)造、水平層理、斜層理、波狀層理、交錯層理等沉積構(gòu)造發(fā)育。

K2y1含礦含水層巖石以中、細粒成分為主，粗粒成分較少。在試驗段的K2y1含礦含水層中共取129件巖石顆粒樣品，分析顯示均以中細粒成分為主。

2.2.2.2 含礦含水層厚度及其與礦層厚度比值

錢Ⅱ-SW-13～16試驗段含礦含水層厚度為48.40～59.80 m(該厚度已剔除含水層中不透水透鏡狀薄層的厚度)，平均厚度為54.74 m。含礦含水層局部夾有2～5層不透水的透鏡狀薄層。不透水薄層巖性為紫紅色泥巖、灰色泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等。試驗段含礦含水層埋深、厚度及其與礦層厚度比值見表3。

表3 試驗段含礦含水層埋深、厚度及其與礦層厚度比值Table 3 Buried depth and thickness of ore-bearing aquifer in the test section and its ratio to the thickness of ore bed

2.2.2.3 水位埋深、承壓水頭

K2y1含礦含水層地下水水位埋深較淺，一般為5.94～13.08 m，靜水位標(biāo)高為147.42～153.16 m，承壓水頭高度為217.96～372.49 m。

2.2.2.4 水文地質(zhì)試驗參數(shù)

依據(jù)試驗段抽水試驗成果，計算出試驗段含礦含水層主要水文地質(zhì)參數(shù)，見表4。各試驗段鉆孔注水試驗及抽注水(連通)試驗結(jié)果見表5、表6。

表4 姚家組下段含礦含水層主要水文地質(zhì)參數(shù)Table 4 Main hydrogeological parameters of ore-bearing aquifer in lower member of Yaojia Fm

表5 試驗段鉆孔注水試驗結(jié)果Table 5 Waterflood test results of drillhole in test section

表6 試驗段鉆孔抽注水試驗結(jié)果Table 6 Pumping and waterflood test results of drillhole in test section

由于地層巖性、試驗段位置不同，4個試驗段的主要水文地質(zhì)參數(shù)略有差異。從表4可看出，試驗段鉆孔單位涌水量為0.080～0.255 m3/(h·m)，導(dǎo)壓系數(shù)為9.6×104～1.3×105m2/d，儲水系數(shù)為4.0×10-5～1.6×10-4，導(dǎo)水系數(shù)為5.02～8.34 m2/d，滲透系數(shù)為0.10～0.15 m/d。

注水試驗均在天然狀態(tài)下進行，均為“一注一抽”試驗。從表5、表6可看出，抽水孔單位涌水量與注水試驗單位注水量相差不大，表明該含礦含水層富水性、滲透性較弱，導(dǎo)致單孔注液能力有限。

2.3 隔水層特征

2.3.1 非含礦含水層的隔水層

上白堊統(tǒng)嫩江組(K2n)含水層隔水頂板巖石主要為灰色、紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖等。埋深一般為167.50～192.20 m；厚度一般為2.00～7.40 m。隔水頂板為灰色、紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，厚度為2.20～5.40 m。其隔水底板，即上白堊統(tǒng)姚家組上段含水層隔水頂板，巖性主要為紫紅色泥巖，局部為淺紅色粉砂質(zhì)泥巖。據(jù)9個水文孔資料，該隔水層埋深一般為167.50～192.20 m，厚度為1.60～3.40 m；巖性為紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖；致密、堅硬，隔水性良好。

2.3.2 含礦含水層的隔水層

上白堊統(tǒng)姚家組下段含礦含水層隔水頂板，即姚家組上段含水層隔水底板，其巖石主要由紫紅色泥巖、紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、紫紅色泥質(zhì)粉砂巖組成。據(jù)9個水文孔資料，其隔水頂板頂面埋深一般為218.90～238.20 m，厚度為3.00～5.20 m；隔水底板頂面埋深一般為292.30～318.50 m，厚度一般為1.50～6.40 m。隔水底板巖石以紫紅泥巖為主，局部為紫紅粉砂質(zhì)泥巖，紫紅色泥巖，致密堅硬，不透水，隔水性良好。

3 承壓水水化學(xué)、水文地球化學(xué)及放射性水化學(xué)特征

3.1 上白堊統(tǒng)姚家組上段(K2y2)承壓水

礦床試驗段錢Ⅱ-SW-14C孔姚家組上段承壓含水層水樣的水化學(xué)分析結(jié)果見表7，承壓水礦化度為580 mg/L，pH為7.65，水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Na型。其水樣的水文地球化學(xué)指標(biāo)和放射性水化學(xué)指標(biāo)見表8。承壓水Eh為430 mV，溶解氧質(zhì)量濃度為3.45 mg/L，無H2S，鐵離子總量不大，ρ(Fe3+)/ρ(Fe2+)大于1，水中鈾質(zhì)量濃度為4.60 μg/L，水中氡活度濃度為14.72 Bq/L。

表7 姚家組上段含水層承壓水水化學(xué)特征Table 7 Hydrochemical characteristics of aquifer in the upper member of Yaojia Fm mg/L

表8 姚家組上段含水層承壓水水文地球化學(xué)及放射性水化學(xué)特征Table 8 Hydrogeochemical and radioactive hydrochemical characteristics of aquifer in the upper member of Yaojia Fm

3.2 姚家組下段(K2y1)承壓水

錢Ⅱ-SW-13～16試驗段8個水文孔12次抽水試驗取樣分析結(jié)果見表9。含礦含水層承壓水礦化度一般為3.64～4.89 mg/L，pH為7.15～7.79，其水化學(xué)類型為HCO3· Cl-Na型及Cl·HCO3-Na型。

表9 姚家組下段含水層承壓水水化學(xué)特征Table 9 Hydrochemical characteristics of aquifer in the lower member of Yaojia Fm mg/L

8個水文孔18次定深取樣分析見表10。含水層承壓水水文地球化學(xué)指標(biāo)Eh為404～429 mV，溶解氧為3.29～4.12 mg/L，無H2S；鐵離子總量不大，ρ(Fe3+)/ρ(Fe2+)大于1或約為1；水中鈾質(zhì)量濃度為130.0～312.0 μg/L，水中氡活度濃度為31.56～75.28 Bq/L。姚家組下段含礦含水層承壓水處于弱氧化或氧化-還原過渡環(huán)境，含礦層水中鈾含量一般略高于圍巖水中鈾含量，其他化學(xué)成分及地球化學(xué)指標(biāo)變化不大。

表10 姚家組下段含水層承壓水水文地球化學(xué)、放射性水化學(xué)特征Table 10 Hydrogeochemical and radioactive hydrochemical characteristics of aquifer in the lower member of Yaojia Fm

含礦含水層巖石呈灰色，局部呈灰褐色，褐鐵礦化后蝕變現(xiàn)象較明顯，其承壓水化學(xué)特征是礦床在較復(fù)雜的水動力地球化學(xué)條件下形成的。

4 地浸可行性綜合評價

根據(jù)含礦含水層及其頂?shù)装甯羲畬咏Y(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件對地浸的影響程度[12-14]，將該礦床地下水水文地質(zhì)參數(shù)與《地浸砂巖型鈾礦水文地質(zhì)勘查規(guī)范》(EJ/T 1194—2005)對照，結(jié)果見表11。

表11 錢家店砂巖型鈾礦地浸水文地質(zhì)條件評價Table 11 Evaluation of hydrogeological conditions for in-situ leaching of Qianjiadian sandstone type uranium deposit

由表11可知，錢家店鈾礦床錢Ⅱ-SW-13～16試驗段屬于地浸砂巖型鈾礦床水文地質(zhì)條件簡單-中等類型，參數(shù)評價結(jié)果為較有利，基本具備地浸條件。其中水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水位埋深、承壓水頭高度對地浸最有利；單孔涌水量、黏粒含量、巖石分選性、膠結(jié)程度、含礦層與非含礦層滲透系數(shù)對地浸有利；滲透系數(shù)、礦化度較為有利；含礦含水層厚度、巖石粒度、含礦含水層與礦層厚度比值對部分地段有利、部分地段較有利。

錢Ⅱ塊西南部地浸開采已成功運行，與錢Ⅱ-SW-13～16試驗段水文地質(zhì)條件具有相似性的地段，地浸開采工藝可供參考。

5 結(jié)論

錢家店礦床屬于地浸砂巖型鈾礦水文地質(zhì)條件簡單-中等類型，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水位埋深、承壓水頭高度對地浸有利；單孔涌水量、黏粒含量、巖石分選性、膠結(jié)程度、含礦層與非含礦層滲透系數(shù)比值對地浸有利；滲透系數(shù)、礦化度較有利；含礦含水層厚度、巖石粒度、含礦含水層與礦層厚度比值對部分地段有利，部分地段較有利。錢家店礦床基本具備地浸條件。