蒙其古尔铀矿床水动力特征及与铀成矿关系

李晓红，徐建国，王芳霞，雒凤娥

（核工业二一六大队，乌鲁木齐 830011）

蒙其古尔铀矿床位于伊犁盆地南缘矿集区，矿床规模达特大型。张占峰等阐述了构造和水动力作用是矿床层间氧化带砂岩型铀矿成矿驱动性因素［1］；王冰等认为有机质、烃等还原性物质是富大矿体形成的关键因素［2］；张虎军等认为矿床位于扇三角洲前缘分流河道，是铀成矿有利沉积相［3］；李彦龙等分析了伊犁盆地南缘水文地质特征，矿床位于狭窄式水文地质单元，为铀成矿最有利类型［4］。相对于蒙其古尔 “水成铀矿床”，还未专门从水动力学角度出发，研究层间氧化带发育特征和铀成矿关系，本文探讨了地下水在铀成矿过程中的作用。

1 地质概况

矿床位于伊犁盆地南缘构造活动区内，整体上呈东、西、南三面翘起，向北东方向敞开的屉状向斜构造形态［5］。

含矿层位主要为三工河组和西山窑组。铀矿体分别赋存于侏罗系三工河组下段和上段、西山窑组下段和上段四个层位的砂体中。赋矿层位主体为扇三角洲平原—冲积扇、辫状河沉积体系。

矿床范围内自下而上共发育有四个含矿含水层：三工河组含水层（J1s1和J1s2）、西山窑组下段含水层（J2x11亚层）和西山窑组上段含水层（J2x31亚层）。西山窑组下段和西山窑组上段含矿含水层均发育有稳定的顶、底板隔水层，与其它含水层之间不存在水力联系。三工河组下段和三工河组上段含矿含水层之间的隔水层有多处沉积缺失，存在水动力窗口，含水层之间有水力联系。

2 地下水水动力特征

矿床处于伊犁盆地南部斜坡带蒙其古尔水文地质单元：该水文地质单元宽1.11～3.62 km，呈西南窄，东北宽形态。

2.1 矿床地下水的补径排

矿床地下水径流区位于F1和F3两条阻水断裂之间，侏罗系岩层呈3°～9°向北东方向缓倾，其主要的补给源为矿床西南部的扎吉斯坦河，因此径流区地下水的主要流向为47°；此外在构造破碎带附近，地下水接受蒙其古尔沟的补给，地下水流场发生变化，局部地段水流方向为近北西向，但由构造破碎带入渗的补给量较小，对矿床内地下水的整体流向影响不大（图1）。两条断层所辖的范围内，中部流速大，而近断层处受断层影响，地下水流速相对较小，含水层的渗透系数一般小于0.10 m/d。整体上径流区地下水流速0.01～0.11 m/d， 导水系数 0.47～42.78 m2/d，水位埋深一般在-50.28～110.26 m之间。矿床东部的切金沟为局部排泄源［6］。

图1 蒙其古尔铀矿床地下水示意图Fig.1 Sketch showing the recharge of groundwater in Mengqiguer uranium deposit

2.2 含矿含水层水动力特征

矿床整体上径流区的水力坡度为0.02～0.20，地下水流速0.01～0.11 m/d，导水系数0.47～42.78 m2/d，水位埋深一般在-50.28～110.26 m之间。

三工河组下段含水层地下水水量丰富。单位涌水量为0.010～0.038 l/s·m，储水系数为3.19×10-4～5.34×10-4；地下水水位埋深较大，一般为34.78～83.50 m，在沟谷地段埋深较浅；地下水承压性较好，承压水头高度489.82～548.10 m，压力传导系数为 1.76×104～6.06×104m2/d；渗透系数一般为0.32～0.37 m/d，导水系数3.12～4.88 m2/d。

三工河组上段含水层地下水主要流向为北东向，地下水埋深79.98 m；承压水头357.82 m，压力传导系数为3.88×104m2/d；单位涌水量0.016 l/s·m；渗透系数0.50 m/d，渗透性较好；导水系数6.69 m2/d。

西山窑组下段含水层地下水水量充沛，单位涌水量0.008～0.038 l/s·m；水位埋深为10.76～41.27 m；承压水头高度在 416.96～474.73 m，水头值自西南往北东逐渐增大，压力传导系数为3.00×104～3.33×104m2/d；渗透系数一般为0.08～0.23 m/d，在F2和F3断裂处渗透系数较小；导水系数1.40～4.26 m2/d。

西山窑组上段含水层富水性较差，单位涌水量 0.011 l/s·m；水位埋深为 110.26 m；承压水头高度为195.14 m，压力传导系数为8.87×104m2/d；渗透性一般，渗透系数0.08 m/d； 导水系数 1.21 m2/d［7］。

3 层间氧化带空间展布特征

层间氧化带成因于含氧水的层间径流，地下水流场影响层间氧化带的空间展布形态。蒙其古尔铀矿床补径排体系相对较复杂，双通道的补水和层间越流使矿床范围内各含矿含水层内均发育不只一个层间氧化带，它们多是在不同水动力机制作用下形成的。矿床内地下水主流向为47°，派生出137°和317°两个次级流向。在地下水的驱动下，平面上，层间氧化带前锋线呈蛇曲状或港湾状展布，局部地段形成了中间氧化两侧还原的对冲式双侧尖灭线（图2）。剖面上，层间氧化带在F1、F2和F3断裂夹持区内呈叠瓦状排列，有的呈透镜体状发育。

3.1 三工河组下段层间氧化带

在P0线以西南，地下水主受扎吉斯坦河补给作用，三工河组下段层间氧化带前锋线在平面上分为南、北两条，呈平行走向，受地下水动力条件减弱的影响，氧化带宽度在P16线开始收窄。南、北前锋线走向在矿床内总体上呈北东—南西，受F1断裂构造破碎窗的补水作用，南部层间氧化带前锋线在P0线逐渐向断裂构造窗聚拢，北前锋线在此处陡然向北西方向延伸，与南前锋线呈近90°的夹角，在P044号钻孔附近南北向补水作用减弱，北东向补水作用的持续，北前锋线再次出现大的转折，由北西向过渡到北东向。

3.2 三工河组上段层间氧化带

层间氧化带前锋线在平面上分为南、中和北三条。北部前锋线展布于矿床中部的P11－P23线附近，形态为一封闭 “蛇曲状”，控制面积大约55 000 m2。前锋线尖灭位置与三工河组下段层间氧化带前锋线位置正好重合，这是因为在此处三工河组上、下段砂体合并，形成一个联通的窗口，含氧地下水由承压作用向上越流继续发生氧化作用，周边的地层中稳定隔水层出现，且含氧地下水的补给具有一定有限性，形成了该封闭的氧化窗口。中部前锋线展布PN00线和P55线间，控制长度大约为6 km。地下水在盆缘接受侧向补给后推动层间氧化带向盆地中心运移。由于三工河组上段含水层渗透性较好，水流变化不大，层间氧化带形态较为平缓，仅在局部地段出现舌状凸出或者收敛，该前锋线在西南部受扎吉斯坦河水补给影响在PN00线附近向F3断裂收敛。而南部前锋线展布于 P7－P44线间，靠近F1断层，控制程度较低。

图2 蒙其古尔铀矿床层间氧化带平面展布图Fig.2 Planar distribution of interlayer oxidation zone front line of Mengqiguer uranium deposit

3.3 西山窑组下段层间氧化带

在F1与F3断裂的夹持矿床内，除在矿床西南部PN0700孔附近未形成层间氧化带，形成了一灰色残留体外，P0－P55线其它地段几乎全部发生了层间氧化作用。受F1断裂构造补水和F3断裂构造阻水作用，在P0－P11线层间氧化带蜿蜒向西北凸出靠近F3断裂后在P15－P35线微凹向东南收敛，在P37－P49线受到由东南向西北方向的地下水作用，前锋线形态更为复杂化，形成 “囊状”，前锋线在P4738号钻孔附近舌状向北东凸出后，绕经P53线氧化带前锋线急剧的向南东收敛，再从P49线中部地段，氧化带前锋线向北西小幅度延伸，经P43线氧化带前锋线向南直下，在P4707号钻孔处，前锋线缓慢的平缓向北东方向延伸通过P55线出矿床。在控制范围内，层间氧化带前锋线均靠近F3断裂收敛或层间氧化作用被F3断裂截断。

3.4 西山窑组上段层间氧化带

该层位的地下水作用较弱，远小于三工河组下段和西山窑组下段。平面上，层间氧化带前锋线分为两部分，西线展布于矿床的西南部，成因于北东向的地下水作用，收敛于P32线附近，近南北向蛇曲状展布，氧化作用由西南向东北方向。东线位于矿床中部，受控于F1断裂补水和F3断裂阻水作用，呈北东—南西向蛇曲、港湾状展布于P16－P55线间， 向东延伸出矿床［8］。

4 地下水动力条件在铀成矿中的作用

典型的层间氧化带成矿模式是层间含氧、含铀水在盆缘接受补给，随着地下水向下游运动，不断带入溶解氧，水岩作用的结果使铀沉淀—活化迁移—再沉淀达到动态平衡。由于层间水的持续推动作用，层间氧化带向盆地中心运移，并在氧化-还原地球化学障发育成矿。蒙其古尔铀矿床的层间氧化带基本上发育在F1与F3断层之间，靠近山前的F1断层作为掀斜地层为较好补水断层，较远的F3断层作为阻水断层，导致层间氧化带在距离较短的F1与F3之间发育、减弱和尖灭［9-10］。

4.1 铀成矿中的水动力作用

由图1可知，自西向东水动力逐渐减弱。最西端的SK13位于补给源处，地下水流速高达84.7×10-3m/d，水中铀含量0.91 μg/L，水动力差异小，该孔无铀矿化显示。1 355～1 350 m等水位线之间，水力梯度平均0.035；地下水流速0.14×10-3～53.7×10-3m/d，平均7.88×10-3m/d， 水中铀含量 0.70～11.00 μg/L，水动力变化强，水岩作用较弱，铀矿体沿F2和F3走向双侧延伸，矿体连续性差、规模小，铀矿量约占矿床总量的20%。1 345 m与1 330 m等水位线之间，水力梯度平均0.023，地下水流速 2.4×10-3～9.9×10-3m/d， 平均3.30×10-3m/d， 水中铀含量 11.50～34.10 μg/L，水动力趋于平缓，水岩作用以溶蚀作用为主，多数达过饱和状态，有利于铀沉淀富集，矿体沿F3走向呈蛇曲状延伸，矿体规模大、连续性好、品位高的特征明显，铀矿量约占矿床总量的80%。

4.2 铀成矿中的双重补水作用

层间氧化带的侧向成矿能力在蒙其古尔铀矿床表现的非常突出，形成了三工河组的双矿带、三工河组上段和西山窑组上段剖面上的环形卷状矿体等特殊形态的矿体。除三工河组上段北矿带外，所有矿带均沿层间水径流方向成不规则带状展布，其中P0～P31线明显接受了来自矿床西南部和F1断裂构造破碎窗双重补水作用，使三工河组下段和西山窑组下段层间氧化带和铀矿体分别在P0－P23线P11－23线间形成明显的 “凹兜”状，但其最终和总体径流方向仍然是北东向的，所形成的矿体总体上也是北东向展布，这就为层间氧化带形成双矿带和剖面上的环形卷状矿体提供了可能。

4.3 铀成矿中的越流补给作用

在P11～P23线间三工河组上、下段之间的隔水层缺失，构成水动力窗，三工河组上段形成 “磨菇状”层间氧化带尖灭线闭合线，面积约为42 200 m2，说明含水层之间有水力联系。据水文孔观测：ZK416孔附近三工河组上段含水层水位标高1 339.53 m，下段水位标高 1 349.61 m［11］， 水位高差达 10 m， 水力梯度 0.17。 SKP3500－1 的 s－lg （t） 曲线呈 “S”型，佐证了越流确实存在。P11－P19线三工河组下段经层间氧化作用后已活化的铀随层间水运移至P19－P23线 “天窗”时越流至三工河组上段砂体中沉淀，持续的铀源补给和沉淀形成了高品位、大厚度的卷状富矿体。尽管铀矿体规模远远大于层间水越流后在该含矿砂体中形成的层间氧化带规模，但铀矿体的形成，至少是初期的成矿作用与越流层间氧化带的发育是有密切关系的。

4.4 铀成矿中的底部渗漏作用

西山窑组上段含矿含水层在蒙其古尔铀矿床内大致可以分为上下两个相对独立的含水层，上部含水层在区内广泛发育层间氧化带；下部含水层由于砂体连续性较差，水动力条件相当较弱，层间氧化带不发育。但在P19线南端（ZK1904孔附近）则因上层砂体底板隔水层缺失（窗口面积约为1.67×104m2），形成了向下开启的渗漏通道，含氧含铀水由上部含水层通过渗漏通道扩散至下部含水层，在下部含水层中形成层间－还原过渡带，并在该孔底部形成工业铀矿体。

5 结论

1）水动力条件不同，各层位矿体表现出各自的成矿特点。三工河组下段保留了铀矿卷形矿体产出特征，铀矿体最为稳定连续；三工河组上段因层间水 “越流”影响，铀矿化规模虽小，但是矿体富集。西山窑组下段铀矿体平面展布面积最大，但大部分缺失卷头；西山窑组上段铀矿化发育规模大，但稳定性次之。各层矿体平面上互相叠置，矿体形态各异，矿体之间空间关系较复杂。蒙其古尔铀矿床地下水流速2.4×10-3～9.9×10-3m/d的区域，更易富集成矿。

2）双重补水通道、层间越流和底部渗漏作用等水动力条件的差异是造成蒙其古尔铀矿床层间氧化带发育复杂的重要影响因素。双重补水通道、层间越流导致三工河组上段铀的超常富集。底部渗漏作用在西山窑组上段层间氧化带不发育砂体中形成了工业铀矿体。