塔木素铀矿床含矿层地下水储集和渗流类型分析

姚益轩， 侯树仁， 谢廷婷， 张 翀， 刘正邦， 闻振乾， 门 宏

(1.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；2. 核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010)



塔木素铀矿床含矿层地下水储集和渗流类型分析

姚益轩1， 侯树仁2， 谢廷婷1， 张 翀1， 刘正邦1， 闻振乾1， 门 宏2

(1.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；2. 核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010)

塔木素铀矿床是一个大型砂岩型铀矿床，水文地质试验表明含矿层渗透性好，钻孔涌水量大。地下水储集和渗流类型是确定铀资源开发方案时需要考虑的重要因素。通过对矿床地质勘查资料研究、岩心观察和物性参数测试可知，矿区经历了多期次断裂构造和岩浆活动，含矿层岩石致密坚硬，多数钻孔岩心中发育有裂隙构造，岩石密度大、含水率低、孔隙度小、渗透性差，含矿层地下水应以构造裂隙水为主，少量孔隙水。建议在下一步地质勘查工作中，加强对含矿层构造裂隙发育、地下水储集和渗流特点的研究。

砂岩型铀矿床；地下水；裂隙构造

姚益轩，侯树仁，谢廷婷，等.2015.塔木素铀矿床含矿层地下水储集和渗流类型分析[J].东华理工大学学报：自然科学版，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.

内蒙古巴音戈壁盆地塔木素铀矿床是一个大型砂岩型铀矿床，含矿层地下水水位埋藏浅，承压水头高，渗透性好，钻孔涌水量大。然而，研究矿床地质勘查资料*侯树仁，李有民，门宏，等. 2014.内蒙古阿拉善右旗塔木素铀矿床H15-H96线普查报告[R].核工业二〇八大队.和岩心物性参数测试结果后发现，岩石致密坚硬、密度大、含水率低、孔隙度小、渗透性差。反映岩石富水性和渗透性的多个物性参数与水文地质试验结果相互矛盾。

含矿层富水，矿石胶结疏松、具有一定的渗透性是砂岩型铀矿地浸开采的基本条件(姚益轩等，2002)；而对于常规采矿来讲，如果是构造裂隙充水且水量大的情况下，含矿层中的地下水则是威胁矿山开采的重大安全隐患。塔木素铀矿床地下水储集和渗流类型已经成为确定铀资源开发方案时需要考虑的重要因素。

1 地质水文地质条件

巴音戈壁盆地是一个在晚二叠纪褶皱带基础上发育起来的内陆断陷湖相盆地，盆地基底主要为太古界、古元古界和古生界变质岩系，盖层发育中下侏罗统、下白垩统巴音戈壁组下段、巴音戈壁组上段、上白垩统乌兰苏海组及新近系。

塔木素铀矿床地处巴音戈壁盆地因格井坳陷北缘，矿体赋存在下白垩统巴音戈壁组上段。巴音戈壁组上段分为上、中、下三个岩性段：下部泥岩段(K1b2-1)以大套深灰色、灰色泥岩为主，多见水平层理，炭屑与黄铁矿等还原介质较发育；中部砂岩段(K1b2-2)以浅红色、紫红色、褐黄色、黄色、灰色砂岩、粉砂岩为主，夹薄层泥岩和泥灰岩，粒度较粗，厚度大，可见交错层理和平行层理；上部泥岩段(K1b2-3)以灰色、深灰色、灰绿色泥岩、粉砂岩、细砂岩为主，见少量含砾砂岩，整体以细碎屑沉积物为主，发育炭屑与黄铁矿等还原介质。砂岩段为主要含矿层，上、下部泥岩段也见有工业铀矿体。

矿石岩性分为砂岩矿石和泥岩矿石2类。砂岩矿石具不等粒砂状结构，块状构造，碎屑物占岩石总量的87.6%，填隙物占12.4%。石英占碎屑物总量的40%，长石占碎屑物总量的52.6%，岩屑主要为花岗岩，占8.4%。胶结物以石膏和白云石、含铁白云石及铁白云石为主；泥岩矿石主要由泥岩、粉砂岩和泥灰岩组成，矿物成分以伊利石和高岭石为主，最高可达70%，黄铁矿一般2%～5%，炭屑最高可达30%，少量针铁矿和褐铁矿等。泥灰岩矿石中泥晶方解石最高可达70%，个别泥灰岩矿石呈构造角砾状。

巴音戈壁组上段(K1b2)碎屑岩类裂隙孔隙水分布范围广，是本区最主要的地下水类型。中部砂岩段(K1b2-2)整体表现为弱含水层，局部夹薄层强渗透性砂体，富水性及渗透性差异较大，地下水交替作用缓慢，矿化度6.76～45.30 g/L，水化学类型为Cl·SO4-Na或SO4·Cl-Na型。含水层中发育的薄层泥岩、粉砂岩起到了局部隔水层的作用，并将含水层分隔为4～6个含水亚层，亚层砂体厚度一般为10～60 m，而上部泥岩段(K1b2-3)和下部泥岩段(K1b2-1)是区域上连续稳定的隔水顶、顶板(图1)。

2 水文地质试验

2011—2013年，地质队在矿床不同部位施工了5个水文地质井，开展了单孔水文地质试验。其中ZKH64-40和ZKH36-12水文地质井抽水试验的目的层为巴音戈壁组上段含水层，按照稳定流方式进行抽水试验，采用单孔承压完整井公式计算水文地质参数；ZKH58-44、ZKH60-32和ZKH52-12水文地质井抽水试验的目的层为巴音戈壁组上段含水岩组内包含主矿体的单个含水亚层，按照稳定流方式进行抽水试验，采用单孔承压非完整井公式计算水文地质参数(表1)。

从表1可以看出，巴音戈壁组上段含水层水位埋藏浅，承压水头高，渗透性好，钻孔涌水量大。其中，ZKH60-32、ZKH58-44、ZKH52-12钻孔安装的过滤管长度相同，在抽水量大小相近的情况下，最小水位降深仅2.15 m，最大达到127.00 m，最小渗透系数0.126 m/d，最大达到1.408 m/d；ZKH64-40，ZKH36-12钻孔安装的过滤管对应巴音戈壁组上段整个含水层，与上述3个水文地质井比较，其水位降深与涌水量大小没有反应过滤管长的特点。本矿床主要水文地质参数差异大，含矿层地下水储集孔隙和导水通道呈现出明显的非孔隙类型的特征。

图1 H44号勘探线水文地质剖面示意图Fig.1 The hydrogeologic section of the exploration line H441.钻孔编号及深度；2.隔水层；3.弱渗透性砂体；4.强渗透性砂体；5.地下水等水头线；6.铀矿体；7.铀矿化体；8.巴音戈壁组上段岩性段编号

孔 号含水层厚度/m过滤管位置/m过滤管长度/m静止水位/m承压水头/m水位降深/m稳定抽水量/(m3·h-1)渗透系数/(m·d-1)影响半径/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

3 孔渗参数测试

岩石中所有孔隙空间体积之和与岩石体积的比值，称为岩石的总孔隙度。孔隙空间包括地下水不能自由流通的死孔隙和相互连通的孔隙，他们都能够储存地下水，但是对于地下水渗流而言，只有那些相互连通，允许流体在其中流动的孔隙体积才有实际意义(薛禹群，1997)，连通孔隙体积之和与岩石体积的比值称为有效孔隙度。一般情况下，同一岩石的有效孔隙度比总孔隙度少5%～10%。

岩石让水或溶液通过自身的性能叫渗透性，渗透性的好坏是用渗透系数K(也称水力传导系数)的大小来表征的，在数值上它等于水力梯度1时的渗透流速，常用cm/s或m/d表示。渗透系数不仅取决于岩石的性质，也与渗透液体的物理性质有关；渗透率k是表征岩石渗透性能的常数，仅取决于岩石的性质，与液体性质无关，通常采用cm2、D(Darcy) 或mD表示。

从塔木素铀矿床H40-12、H36-4、H36-20钻孔中采取14个圆柱状样，进行孔隙度、渗透率测试，并换算成地下水的渗透系数(表2)。

表2 孔隙度渗透率测试结果

肉眼观察40-12-4-2和36-4-5-1样，岩心致密坚硬，其孔隙度和渗透率测试结果异常。其他样品孔隙度介入5.4%～15.7%之间，平均10.68%；渗透率0.018～95.8 mD，平均11.01 mD；渗透系数小于0.01 m/d，最低1.49×10-5m/d。从测试结果看，岩石孔隙度小，渗透性极差，属于基本不渗透砂岩。巴音戈壁组上段砂岩段碎屑所占比例高，杂基含量少，碎屑颗粒较粗，原始沉积物应该具有较高的孔隙度和渗透性。但是深埋压实、碳酸盐和石膏的胶结充填，使得孔隙变小、孔隙数量变少，降低了岩石的孔隙度和渗透性(杨成田，1985；黄思静等，2011)。

4 湿度密度测试

岩石的密度与岩石矿物组成、孔隙度大小及孔隙中充填物多少、岩石所承受的压力等有关(刘宝珺，1980)。从表3可以看出，塔木素铀矿床矿石干密度高出二连盆地和伊犁盆地砂岩铀矿20%，高出鄂尔多斯盆地砂岩铀矿的16%，而湿度则只相当于其他矿床的20%～50%。高密度低湿度也反应了矿石致密，孔隙度低，富水性和渗透性差的特点。

表3 不同矿床矿石密度湿度对比

图2 塔木素地区构造体系图Fig.2 Tectonic system of Tamusu area1.岩体；2.前中生代地层；3.中新生代地层；4.硬盐壳；5.盐渍化；6.湖积淤泥；7.盐水湖；8.地表水体；9.龟裂地；10.断裂及编号；11.矿床范围

巴音戈壁组上段中部砂岩段岩石中填隙物含量6%～35%，平均14.1%，杂基仅见于少数具杂基支撑结构的岩石中，胶结物是大多数具有颗粒支撑结构的岩石中填隙物的主要组成部分，胶结物主要为碳酸盐和石膏，少量铁质胶结物。沉积物在成岩过程中经历了从地表到地下，从常温到高温、从浅埋到深埋，不断脱水压实的过程。沉积物中杂基含量少，胶结物以碳酸盐和石膏为主，以及深埋压实作用是巴音戈壁组上段岩石致密坚硬，密度大，含水率低的主要原因。

5 含矿层中的构造裂隙

图3 钻孔原始岩心中的裂隙带Fig.3 Fractured zone in the original core of the borehole

巴音戈壁盆地是一个受长期活动的断裂构造控制的中新生代沉积盆地。塔木素地区断裂构造总体上沿袭了区域断裂与控盆断裂构造的特点，构造线的总体方向为北东向、近东西向两组，与区域断裂及控盆断裂复合，不仅控制了盆地内隆坳相间的构造格局，控制了沉积相、沉积体系的类型和空间展布特点，也进一步控制了区域铀成矿作用，见图2。其中F1，F2，F3是矿区内3条主要的断裂构造，孕育于燕山早期，中、晚期达到鼎盛，喜山早期仍有活动。

图4 岩心上的裂隙及其充填物Fig.4 Fracture and filling on the core

张成勇等(2015)将巴音戈壁盆地中生代以来的构造演化分为三叠纪-侏罗纪拉分盆地发生、早白垩世拉分盆地全面发展、晚白垩世沉降拗陷和第三纪以来挤压抬升等4个阶段，在早白垩世晚期，沿阿尔金断裂带南、北两侧发育了以碱性玄武岩为主的大面积火山岩浆活动。

以巴音戈壁盆地多期次断裂构造和岩浆活动为背景，在构造应力作用下，在巴音戈壁组上段岩石中产生了延伸长度不一、张开程度不同的次一级构造裂隙。图4是从钻孔中取出的原始岩心，可以看出，在巴音戈壁组上段中部砂岩段，存在一定宽度的裂隙带，岩心断面粗糙，呈锯齿状，属张开性裂隙。

图4是不同岩心上显示的裂隙。照片A中的裂隙宽约2 cm，岩石破碎，并被后期的碳酸盐或石膏充填胶结，但裂隙一侧的裂缝仍清晰可见，属张开性裂隙。照片B和C显示的裂隙被褐铁矿充填，属闭合性的裂隙。照片D显示的裂隙面有石膏、赤铁矿及针铁矿等析出，断面不规则，属于张开性裂隙面。

构造裂隙是固结岩石在构造应力作用下发生的各种破裂错位现象，是没有明显位移的断裂。通过岩心观察发现，巴音戈壁组上段存在裂隙或裂隙带。其中被碳酸盐、石膏、铁的氢氧化物等完全胶结充填的裂隙，属于闭合性裂隙；而张开性裂隙或裂隙带则是地层中地下水的储聚场所和运移通道。

6 结论与建议

从物性参数测试结果看，巴音戈壁组上段砂岩致密坚硬，密度大，含水率低，孔隙度小，渗透性差，属于基本不渗透砂岩，岩石中含有的少量水应以死孔隙中储存的地下水为主。

水文地质试验中钻孔安装过滤管长度、水位降深、渗透系数，地下水矿化度等方面的巨大差异，反映了地下水的裂隙水属性，而且在钻孔原始岩心中也发现了张开性裂隙或裂隙带，他们是含矿层地下水最主要的储集孔隙和导水通道，地下水以裂隙水为主。

裂隙充水是威胁矿山开采、水库大坝、隧道等大型工程建设和运行的重大安全隐患。塔木素铀矿床水文地质试验钻孔涌水量都很大，裂隙水是通过岩心观察发现，根据水文地质试验与岩石物性参数测试结果初步认定的，在塔木素铀矿床地质勘查过程中也没有对构造裂隙进行过专门研究。建议针对塔木素铀矿床含矿层构造裂隙发育、地下水储集和渗流类型开展专门的地质和水文地质研究，为矿山设计和开采过程中地下水防治提供可靠的依据。

黄思静，郎咸国，兰叶芳，等. 2011.储层孔隙度-渗透率关系曲线中的截止孔隙度与储层质量[J].成都理工大学学报：自然科学版，(38)6：593-602.

刘宝珺. 1980.沉积岩岩石学[M].北京：地质出版社.

薛禹群. 1997.地下水动力学[M].北京：地质出版社.

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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

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA061802)

姚益轩(1963—)，男，硕士，研究员级高级工程师，主要从事地浸采铀技术研究与工程设计工作。

10.3969/j.issn.1674-3504.2015.04.002

P64

A

1674-3504(2015)04-0344-06