棉花坑铀矿床地热水文地球化学条件及成因研究

方晓骐,祁家明,曹豪杰,唐仕尧

（核工业二九〇研究所，广东 韶关 512029）

1 区域地质构造及地热背景

棉花坑铀矿床地处广东省仁化县长江镇境内，位于闽赣后加里东隆起西南缘与湘、桂、粤北海西-印支坳陷的结合部东南缘的诸广南部岩体中部。区内出露的主要岩性为中粒花岗岩，岩石结构致密坚硬，裂隙不发育，其含水性极微弱，仅地表风化带中含弱的基岩风化裂隙潜水。

诸广岩体南部内断裂构造具有多向性、规模大、活动频繁、性质多变和等间距分布的特点，这是岩体内能形成多个大型铀矿床的重要因素。主要构造有NWW向棉花坑断裂带和NE向油洞断裂带2组，而矿床直接充水断裂带为棉花坑断裂带（图1）。

图1 棉花坑矿床地质构造图Fig.1 Geological structure map of Mianhuakeng deposit

棉花坑断裂：在地表呈现出“V”形沟谷，产状：走向60°～70°，倾向SE，倾角75°～80°，主要由糜棱岩和碎裂花岗岩所组成的破碎带，发育中等至强绢云母化、绿泥石化和硅化，说明北东断裂活动具有多阶段性［1］。根据断裂带擦痕方向说明，棉花坑断裂带早期为压扭性质的断裂带；而根据矿脉的错移方向看，成矿后期形成了张扭性质的断裂带。

2 区域地下水类型

沿棉花坑断裂带发育的地下水含水类型有风化壳网状裂隙-孔隙水、花岗岩区断裂构造裂隙水和基岩裂隙水3种：

风化壳网状裂隙-孔隙水：赋存于花岗岩风化带中，受地形切割强烈影响，地表溪流及河谷发育，有利于地下水运移，对裂隙潜水和构造裂隙水具有一定的补给作用。

花岗岩基岩裂隙水：区内岩性单一，主要为中粒黑云母花岗岩，由于岩石致密坚硬，赋存条件较差。

花岗岩断裂构造裂隙水：构造裂隙水主要赋存在成矿后的石英脉晶洞、硅化碎裂岩及碎裂花岗岩的张性裂隙中，富水程度不均，自上而下减弱。其浅层冷水水质类型主要为HCO3—Ca·Na型水，深部热水水质类型主要为HCO3—Na型水，矿化度最高达0.3 g·L-1，p H值6.7～7.6。

3 研究区水文地球化学特征

3.1 研究区水文地球化学特征

图2 研究区水样取样分布图Fig.2 Map showing the water sampling location in the study area

通过对矿区周边的水体水化学取样得到的分析结果，地下热水水化学类型主要为HCO3—Na，地表水及泉水化学类型主要为HCO3－Na·Ca。棉花坑深部基岩裂隙热水接受大气降水补给后，在裂隙中径流时间长，岩石中各种矿物成分导致地下热水中各种离子及矿化度相比泉水及地表水高；而地表水及泉水分布在矿区沟谷处，受大气降雨直接补给，因此矿化度相对较低。

由图3水化学Piper图可将研究区地下热水及其补给区的地下冷水分为3组。分别为：棉花坑铀矿床地下热水，矿床附近出露的泉水及补给区的地表冷水。

图3 研究区地下水水化学Piper三线图Fig.3 Hydrochemistry Piper diagram of groundwater in the study area

表1 研究区水质离子摩尔百分数一览表Table 1 A list of water quality molar percentages in the study area

A组为来自棉花坑铀矿床地全身下热水，主要为赋存于NE向的棉花坑断裂全身带的构造裂隙水。水化学类型多为HCO3—Na型水。其水化学组分相似。水中主要离子为和Ca2+，阳离子含量大小排序为Na+＞Ca2+＞K+，阴离子含量大小排序为＞Cl-。

B组为研究区矿床附近出露的泉水。水化学类型主要为HCO3—Ca·Na型水。水中主要离子为、Ca2+、Na+，阳离子含量大小排序为Ca2+＞Na+＞K+，阴离子含量大小排序为＞Cl-。

C组为补给区的地表水。水化学类型主要为HCO3—Ca·Na型水。水中主要离子为、Ca2+和Na+，阳离子含量大小排序为Na+＞Ca2+＞K+，阴 离 子 含 量 大 小 排 序 为＞Cl-。

3.2 地下热水化学特征分析

地下热水偏硅酸含量超过地表水和泉水约4～8倍［5］，是由于分布较广的花岗岩中往往含硅较高，且棉花坑断裂带规模较大，往深部延续性较好，储水空间较为可观，有充足的时空条件。地下水径流缓慢，循环途径较长，是地下水中偏硅酸等离子迁移富集的有利条件。

虽然地下热水与浅层地下水、泉水等补给来源都为大气降水，矿物组分差异可以看出，经过岩层的深层渗滤作用，矿物组分发生了改变，主要差异阳离子主要为Ca2+，阴离子为HCO3-、SO42-，应是由于地下水在径流作用下，溶滤出构造带内富集的各种矿物导致，该指标的差异性显示出地下热水更易溶滤出岩层中的矿物组分，可能对深部找矿具有一定的指导意义。

3.3 热储温度计算

地热温标类型很多各种温标都有其适用条件，根据地热田的具体条件选用。K/Mg地热温标代表不太深处热水贮集层中的热动力平衡条件，尤其适用于50～300℃中低温地热系统，这时液体与宿主岩体的全部矿物组合之间并未达到平衡〔2〕，根据《地热地质勘查规范》（GB/T 11615—2010）附录A可知计算方法为：

式中：C2—水中钾的浓度，mg·L-1；C3—水中镁的浓度，mg·L-1。该式代表不太深处热储层中的热动力平衡条件，适用于中低温地热田。

根据以上水化学资料计算，研究区地热水K/Mg地球化学温标估算的棉花坑断裂带中热储温度为67.78℃，井口涌水实测水温为46℃，考虑浅层冷水混合作用，孔深377 m钻孔实测温度为51℃，因此使用的K/Mg地球化学温标估算的热储温度接近于井底实际情况。地下热水的Na+、K+含量均高于泉水及地表水，Ca2+、和含量明显高于地下冷水，而Cl-浓度为3.04 mg·L-1，低于其他泉水，常规组分含量的差异显示出地下热水与上部冷水交换并不频繁，而偏硅酸含量远远高于地表水及泉水表示地下热水活动缓慢且滞留时间长，温度较为稳定。

4 地下热水成因探讨

1）区内地下热水来源于大气降水，补给区位于棉花坑河上游至南山一带海拔650～1150 m的区域［5］，地表水易通过风化花岗岩裂隙及断裂带中基岩裂隙所形成的通道渗滤，再经于下部的热源混融增温再运移或通过热传导使含水体受热，使较冷的地下水变为热水。

2）矿床内地热源主要是分散在岩体中的热量。矿床内侵入燕山早期的岩体复杂多变，从另一角度阐明了该区域内岩浆活动强烈，热源深度较大且向深部延伸。地下热水中硫酸根离子含量的增高，说明地下水与岩体在深部产生水/岩（在热能的驱使下）交换，岩体余热提供了热源。

3）棉花坑铀矿床附近断裂带多属压扭性断裂带，对储水导水是不利的，但棉花坑断裂带切割了一组SN向构造蚀变断裂带产生构造复合，断裂发生转折，在断裂发生偏转的部位可能具有张性或张扭性，从而产生地下水通道。而根据棉花坑铀矿床涌水孔位置来看，多集中在北部，即棉花坑断裂与SN向构造带的区域构造交汇部位附近，验证了深部交汇部位可能具有张性，为地下热源提供储水空间。

4）棉花坑矿区地热系统是一个在花岗岩岩体中发育起来的裂隙介质深循环对流型地热系统。该系统主要热源为岩石热能，在正常的区域热背景下，深部受到加热的地下水就会上升，而温度较低地下水则会下降和侧向运动以填补空位，运动至深部受到加热后再上升，形成地热循环。在由补给区地下水通过棉花坑断裂带内的深循环将地壳深部的热量带至排泄区，储存于棉花坑断裂带深部硅化带晶洞、裂隙中，形成矿区的中低温热水资源。

图4 棉花坑矿床深部地下热水概念模型剖面示意图Fig.4 Conceptual model for deep underground hot water in Mianhuakeng deposit

5 结论

1）棉花坑地下热水的形成是大气降水以棉花坑断裂带为补给通道，经过长时间的径流作用到达深部热源，受到岩石热能交换加热，并储存于构造复合部位，钻孔揭露后涌出。

2）棉花坑矿床地下热水水化学类型与地表水及大气降水区别明显，主要体现于偏硅酸离子、硫酸根离子及重碳酸根离子浓度异常，初步判别为地下水在经过漫长的渗流下，在热能的驱使下溶滤出岩石的常量组分所致，且径流时间长，地下热水层位稳定。

3）根据K/Mg温标计算得出棉花坑矿床热储温度为67.78℃，与钻孔涌出热水对比，由K/Mg温标计算得出的热储温度较为可信，K/Mg温标计算方法适用于该地区热储温度的计算。