流体动力学在铀成矿靶区预测的应用

石 旭

（广东省核工业地质局二九一大队，广东 广州 510800）

粤北诸广山岩体南部整装勘查区内铀矿床成矿“源—动—储”模式的研究中，笔者认为只考虑地球化学障（温度、围压、热液成分、Ph、Eh值等）是不够的，不论U质以何种形式迁移，离子、胶体、固体在水动力强的部位依旧可以运移。铀矿质的沉淀，在水动力、围压弱的条件下，地球化学障为含矿热液沉淀的主导因素；若围岩静水压力大，矿质可以突破化学屏障的离子聚合沉淀作用（离子电解质中和，胶体络合物沉淀聚集），继续运移，寻找热水动力弱的环境聚集沉淀。花岗岩型铀矿体的赋存部位除了受地球化学障的控制之外，更重要的是受到热液流体脉冲式运动的动力强弱控制。

1 铀矿质来源

大量数据显示，诸广山岩体南部整装勘查区范围内已知的铀矿床普遍存在矿岩时差，铀成矿和成岩不是同一作用的结果，无论是铀成矿的热液还是成矿的铀源,均与花岗岩浆的分异作用毫无关系[1]。

整装勘查区内赋矿的印支期和燕山期花岗岩为富铀基底，铀含量较高。其中，油洞岩体铀含量平均为12.3×10-6[2]，长江岩体平均铀含量高达22.3×10-6[3]，明显高于上地壳铀含量平均值2.8×10-6[4]。

因此，诸广山岩体南部整装勘查区的铀源应为中生代的富铀花岗岩基底。

2 矿质的迁移

在花岗岩的形成时，铀以固溶体的形式赋存于晶体的晶格中，碱型地幔流体中K+、Na+交代晶体中的Ca2+必然伴随着排硅、排U过程[5]，萃取的铀与矿化剂CO2结合以碳酸铀酰络合物[Na2UO2（CO3）2）]形式迁移。据统计[6]，世界各地含铀热液中各主要组合的含量表明∑CO2与UO22+的络合能力远高于其它阴离子(F-、Cl-、SO42-等 )。

2.1 理想流体元流的能量方程（伯努利方程）

理想流体不考虑流体内部质点间摩擦力导致的能量损失。元流即沿着流体流动的方向，取一小束（假设无限小的截面），这一小束看作流速方向、大小完全一致。那么有这样一个方程：

Z——位置水头（单位重力流体的势能），取同一参考面，类似于重力势能的参考面。

P/ρg——压强水头（单位重力流体的压能，ρ为流体密度，g为重力加速度），即流体的内部压力造成的测压管水柱上升的高度。

u2/2g——流速水头（单位重力流体的动能，u为流速），即流体的流动速度造成的测压管水柱上升的高度。

元流连续性方程：

方程②的含义为对于不可压缩性流体，流入的质量必与流出的质量相等，A为流体的截面积。①方程中的三种能量（位能、压能、动能）如果其中某一种单位能发生变化，则另外两种必定也跟着转变。例如对一水平管道，单位位能Z各断面相同，当管道断面变小处，该处流速加快（连续性方程②），单位动能u2/2g加大，则该处压强水头或单位压能p/ρg必然降低，当动能加大到一定程度，该处将出现负压，可将气体或气体流体吸入，这就是喷射器（或者射流泵）能抽水的原理。这表明，流体运动过程中，能量从一种形式转化为了另一种形式。

2.2 渗流

流体在空隙介质中的流动称为渗流。各地质体根据其渗透性差异，理论上可以分为隔水层和透水层。实际上，由于各岩石的胶结的不完整性和构造软弱面的广泛性，绝对的隔水层几乎不存在，因此，可以将岩石圈看做一个“流体的世界”，粒径小的岩体看做孔隙度更小的渗流。

由于中细粒花岗岩岩体的颗粒式胶结的密实度明显高于较粗粒的花岗岩，根据连续性方程u1dA1=u2dA2，由于中细粒花岗岩岩体内部的可流动空间（A）明显更小，从而导致静水压力以及热液流动速度更大，热液的搬运能力更强，较细粒的花岗岩岩体中的U矿质在碱性环境下，与CO2形成络合物在静水压力的作用下迁移，迁移走的胶体离子会导致溶解平衡方程向形成胶体的方向进一步溶解，边溶解边运走，在动力小的、地球化学障附近沉淀。

因此，诸广山岩体南部整装勘查区范围内的铀矿体多产在不同侵入岩建造的边界且靠近相对更粗粒的一侧，中细粒花岗岩岩体内几乎不产铀矿可以从热液动力上发现答案。

热液在细粒花岗岩中往粗细分界面流动的过程中，可类比于内陆河流的入海口处，由于入海口处的流动空间迅速加大，水流速下降，压能降低，水搬运能力下降，形成大量碎屑岩沉积。不同粒径的花岗岩岩体分界附近的断裂以及较粗粒的岩体本身孔隙率更高，造成压力的释放，矿质易卸载沉淀。

2.3 迁移的动力

岩体的初始地应力主要是岩体自重和地质构造运动所引起的，构造应力又包括古构造应力、新构造应力和封闭应力。古构造应力是地层经历过地质史的构造运动形成断裂、褶曲、层间错动之后的残余应力；新构造应力是地层正在经受新构造运动所引起的；圈闭应力是在非均匀变形作用下，发生在岩体组织结构内的应力。

地层中的应力在区域上或在岩体的不同部位存在巨大的差异。岩土体的变形与一般材料不同，构造破裂是一个累积的过程，含塑性的岩土体通过前期的蠕变来调整内部应力的分配，不同地质体的刚、塑性或者同一类型地质体在不同温压下应变性质不一样，当应力累积到一定程度才会产生破裂、错断应力释放。

因此，热液流体的在岩体内部围压的驱动下进行，导致热液的压强差异性除了构造运动变形的非均匀性之外，还和地质体的渗透性差异有关（渗透性差的围压大）。

3 矿质的卸载

地幔柱的脉冲式运动可能是中国东南多次成矿的动力来源和矿化剂的提供者[7]。大型的岩石圈伸展运动伴随着大规模的碱性热液上涌。

深源的含碱性热液对花岗岩基底的萃取，基底排U、排硅，矿质热液上升的过程中，减压沸腾排气，伴随矿化剂∑CO2的减少，使得碳酸铀酰络合物溶解平衡方程左移，且碱交代造成的K+、Na+离子的减少，容易由弱碱性变为弱酸性，碳酸铀酰络合物[Na2UO2（CO3）2）]稳定的弱碱性环境遭到破坏等多种因素造成铀矿质的沉淀。

4 结论

在近年的诸广山岩体南部铀矿找矿整装勘查区的工作中，得到的一个共识是铀矿体几乎是不产于细粒（中细粒）的花岗岩体中，而是更倾向产于中生代的中—粗粒的斑状黑云母花岗岩体内。

更细粒的花岗岩岩体由于岩体内部的静水压强大，从而对细粒的花岗岩岩体内的微细裂隙铀矿质冲刷萃取，在不同期次岩体接触面附近，热液运移动力突变，叠加地球化学障（温度、围压、热液成分、Ph、Eh值等）变异，矿质卸载，成矿有利部位为构造的变异部位、含矿构造与控矿构造及含矿构造之间的交叉复合部位、不同岩浆期次及不同岩体接触界面、晚期小岩体内外接触带的凹槽和圈闭部位是矿体赋存的有利部位。