数值模拟在砂岩型铀矿流体运移机制研究中的应用

韦晓艳，李增华，杜鹏飞，严兆彬，于炳飞，李胜苗，刘传东

（1.东华理工大学 江西省放射性地学大数据技术工程实验室，江西 南昌 330013；2.东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013；3.核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010；4.中国冶金地质总局中南地质调查院，湖北 武汉 430080；5.湖南省地质调查院，湖南 长沙 410016）

砂岩型铀矿是指产于近地表砂岩中（部分为砾岩、粉砂岩、泥岩）以外生成矿作用为主形成的铀矿床［1］。近年来，随着地浸开采技术的不断完善，砂岩型铀矿具有开采成本低且相对环保等优点，是各个国家现今重点开发对象和研究热点［2］。砂岩型铀矿的产出都与沉积盆地有关，其形成为多种地质因素综合控制的结果，其中流体在成矿作用过程中扮演着十分重要的角色，是铀活化、迁移和富集的主要介质［3-4］。流体运移机制的研究是建立综合成矿模式的重要组成部分［5］。

前人研究表明，砂岩型铀矿的成矿流体运移驱动力主要有4 种：地势差、流体超压、构造变形和流体密度差［6-11］。流体驱动力既有可能以单一驱动力为主、也可能共同作用于成矿流体。在成矿作用过程中，若存在多源驱动力时，以哪种驱动力为主，以及它们之间如何平衡？目前，流体动力学数值模拟是解决这些问题最直接有效的技术手段，它可以重现并定量化的研究成矿流体的运移过程，以及界定有利于成矿的地质条件［5］。国际上，流体动力学数值模拟在砂岩型铀矿中已有广泛的应用［6-7］。我国在这方面的应用研究还相对较少，仅Xue等（2011）［8］、郝伟林（2006）［9］等做了地势差和流体超压驱动方面的研究工作，研究基础十分薄弱，亟需开展这方面的工作。本文在分析盆地流体运移的理论模型、控制因素的基础上，总结砂岩型铀矿中流体驱动机制的研究进展，通过实例分析来揭示流体动力学数值模拟在该领域的应用前景，对今后研究方向提出展望，以资同行讨论和参考。

1 盆地流体运移机制

1.1 盆地流体运移的基本理论

盆地流体是指存在于盆地沉积物孔隙空间并通过其进行流动的任何流体（包括烃类和水）［11］。盆地流体广泛参与了沉积物的成岩、后生、成油和成矿过程。流体的流动通常遵循达西定律，可表示为：

式中，q—流速/（m·s-1）；k—渗透率/m2；μ—流体粘度/（kg·m-1·s-1）；L—渗流路径长度/m；Φ—流体势/Pa，其定义为：

式中，ρ—流体密度/（kg·m-3）；g—重力/（m·s-2）；z—高程/m；p—流体压力/Pa。流体势（Φ）是指地层中某一点的压能与该点相对某基准面（如海平面）的位能之和。流体总是从高势区向低势区运移。

由公式（1）和（2）可以看出，流体的流动速度与岩石的渗透率（k）、流体的粘度（μ）、密度（ρ）、压力（p）和高差（z）有关。

从地质学的角度看，所有这些参数，尤其是流体压力和密度、岩石形变和地形起伏，都与构造环境密切相关。不同构造环境具有不同的流体压力背景、热力场和地势差，因而造成流体流动的驱动力不同。具体来看，包括：1）与地形起伏有关的地势差驱动（又称重力驱动）；2）流体超压驱动；3）密度差驱动（又称浮力驱动）；4）构造变形。

1.2 地势差（重力）驱动的盆地流体运移

地形驱动的流体流动亦称重力驱动流动，是流体在静水压力体系下，由于地势差的存在而驱动的流体流动。

在地形起伏区，大气降水沿盆地边缘出露的透水层向下渗入盆地，在重力驱动下，盆地流体呈连续流动并向较低部位排出。大规模流体的流动方向是从盆地边缘流向盆地中心，从盆地的浅部到盆地的深部，又称为“向心流”或“渗入型流体”［11-12］。

1.3 流体超压驱动的盆地流体运移

流体超压指的是在地下某一深度流体压力大于静水压力的值［13］。流体超压的产生是由于孔隙流体支撑部分或全部上覆岩层的压力而不仅仅是上覆孔隙水的压力（静水压力）。造成这一现象的原因与孔隙度的减少或流体体积的增加有关，当孔隙度变小或流体体积变大的速率大于流体流动的补偿值时就会出现流体超压现象。流体总是由高超压区向低超压区流动［5］。

在沉积盆地中，孔隙度的减小主要是由于不均衡沉积压实作用。上覆沉积层的加厚而引起的压实作用驱动的流体运移，是促进沉积物中孔隙水排出的主要因素。压实作用下排出的水将向流体超压较小的部位流动，即主要向上、向盆地边缘、向盆地内部的水下高地部位流动［10］。

盆地内的生烃效应也会引起流体超压［10-11］。烃源岩在向油气转化过程中，固态有机质会形成液态和气态烃类和水，使其密度减小，体积膨大，烃源岩内部的压力因生成的流体进入到烃源岩的流体系统中而增大，与周围岩层形成压差，驱动流体从烃源岩中排出。流体体积增加的原因还可以是流体受热膨胀或矿物脱水作用，结果同样形成流体超压驱动流体流动［5］。

1.4 密度差（浮力）驱动的盆地流体运移

公式（2）表明流体的密度变化也会影响流体势的变化，因此也可以控制流体的流动。在沉积盆地中，流体的密度主要与温度和盐度有关。一般密度与温度成反比，与盐度成正比［5］。

温度对流体密度的影响，主要有地温梯度（温度随深度升高）和局部热异常（如岩浆侵入体）两种情况。这种由温度变化导致的密度差而引起的流动方式为热对流。理论条件下的自由热对流主要由瑞利（Rayleigh）数表现，与地温梯度、岩石渗透率、地层厚度等其他热力学参数有关。

1.5 岩石形变驱动的盆地流体运移

岩石的形变以及产生的构造一直被认为是地壳中流体流动的主要动力机制之一，岩石形变会造成局部或区域性的流体势梯度，从而推动流体的流动。当岩石产生裂缝时，岩石的应力得到释放，岩石产生扩容，在裂缝区会产生一个负压差从而驱动流体运移；当岩石上覆地层遭受剥蚀时，下伏地层岩石应力得到释放，岩石发生扩容产生负压差从而驱动流体运移。

2 砂岩型铀矿流体运移机制研究现状

2.1 地势差驱动为主导的流体运移

众多国内外研究实例表明，地势差是砂岩型铀矿床盆地流体运移的重要机制之一。如Sanford（1990）［6］认为美国San Juan 盆地板状砂岩型铀矿床的形成与地势差驱动的流体流动有关，其中盆地内的Grants 铀矿田主要产于流体向上流动的排水区。Sanford（1994）［7］进一步利用MODFLOW 软件对San Juan 盆地的地下水流系统进行了模拟，结果显示进入地下水系统的大气水主要受重力驱动流向盆地东部和北部。此外，地势差驱动的流体运移距离可达几百千米到上千千米。如Banner 等（1989）［14］对美国密苏里中部泉水和自流井含盐地下水的同位素和微量元素研究表明，这些流体最可能起源于西部约1 000 km 科罗拉多落矶山山前带的大气降水补给。Bentley 等（1986）［15］在澳大利亚大自流盆地（Great Artesian Basin）的研究中，利用同位素示踪方法也揭示出大规模的深部重力驱动流体系统。

国内学者也有类似的认识。李启荣（2000）［16］对新疆布尔津盆地砂岩型铀矿成矿水文地质条件进行分析研究，提出地势差对流体运移具有驱动作用，由高水位的补给区向低水位的排泄区运动。许来生（2005）［17］对内蒙古武川-乌兰花盆地砂岩型铀矿区进行了水文地质条件分析，识别出不同水文地质单元内的重力驱动流体运移。郝伟林（2006）［9］在水文地质和同位素水文学研究的基础上，用MODFLOW 研究了鄂尔多斯盆地东胜地区的古水动力系统，结果表明地势的高差控制了流体的运移。

Xue 等（2010）［18］利用Basin2 软件对鄂尔多斯盆地内流体流动系统进行数值模拟并建立了成矿流体运移模型，结果显示盆地流体流动主要受地势差控制，在盆地边缘相对抬升和盆地内地层轻微变倾过程中，地势差驱动流体从盆地边缘向下流向盆地中心。廉康等（2020）［19］对柴达木盆地北缘鱼卡地区砂岩型铀成矿条件分析指出鱼卡地区地形特征北高南低、东西两端高，中部低，区内浅层水受地势差驱动由北山区向盆地中侧向补给。

2.2 沉积压实和生烃作用导致的流体超压

流体超压可能是砂岩型铀矿床流体运移的又一重要机制。许多研究表明，不均衡沉积压实作用和含油盆地内的生烃作用会造成流体超压的现象。其中沉积压实作用驱动沉积物间的封存水、孔隙水或裂隙水向盆地压力较小的覆盖层较薄区、盆地边缘区、断裂发育区和断隆区流动泄压排泄，对于铀矿的形成具有一定的促进作用［10，12］。

但沉积压实作用引起的流体流动跟其他驱动力相比一般较弱，不占主导地位。如Sanford（1994）［7］通过模拟San Juan 盆地的地下水流系统，显示进入地下水系统的大气水主要受重力驱动，沉积压实起到的作用很小。Bjørlykke（1994）［20］针 对沉积 盆地流体流动系统进行模拟，结果显示与重力驱动的水流相比，压实水是地下水流量的一个非常小的组成部分，由压实驱动的孔隙水流速通常比重力驱动流速度低几个数量级。Xue 等（2010）［18］利用Basin2 对鄂尔多斯盆地流体流动进行了模拟，模拟过程中只考虑不均衡沉积压实作用时，盆地上覆沉积压实作用产生的超压力驱动渗出流，从盆地中心和下部流向盆地边缘和浅部。当同时考虑沉积压实与地势差时，沉积压实驱动的流体流动速率较为缓慢，因而流体流动主要还是受地势差控制。但是，在沉积压实作用的基础上考虑盆地生烃效应对流体流动的影响时，流体超压比没有考虑生烃效应情况下的流体超压值大了许多，并驱动流体向上、向边部流动。生烃效应是流体超压产生的主要贡献［18，21］。

2.3 构造对流体运移的作用

盆地的构造背景及其演化对于大规模的成矿作用具有重要的控制作用。盆地沉积后在成矿阶段，构造直接影响着成矿流体的补-径-排体系，制约着铀矿的产出［22］。一方面构造是流体运移的重要通道，同时构造形变也是驱动盆地流体运移的重要机制。

李启荣（2000）［16］分析了新疆布尔津盆地砂岩型铀矿的水文地质条件，认为渗出承压系统水动力区（带）沿盆内隐伏深大断裂两侧成狭窄条带状分布，断层脉状承压水在构造挤压应力作用下沿断裂自地壳深部往上运移至沉积盖层，沿层间集水砂体向断裂两侧运动，并与地势差驱动的层间渗入水相遇，二者的交替混合作用导致铀的沉淀并富集于层状砂体中。

另外深部热流体对成矿的作用得到研究者们的关注［23-24］。林双幸等（2017）［12］认为哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、俄罗斯（外乌拉圭地区）以及我国北方的中新生代盆地的铀矿床均受构造、岩浆和火山活化作用影响，受浅成中基性岩浆活动和贯穿性断裂作用，携带成矿元素的深部热流体沿活动断裂和羽状裂隙贯入到透水层并向排泄区漫流，发生热流体蚀变等地化作用形成铀矿。

开鲁盆地钱家店-白兴吐矿床及其周围断裂构造十分发育，尤其是著名的西拉木伦河断裂在矿床中直穿而过，为流体的运移提供了通道。李建国等（2020）［25］通过对钱家店砂岩型铀矿床进行蚀变矿物填图，认为在晚白垩世末期持续隆升的构造背景下，沿断裂上升的酸性还原性流体对成矿贡献巨大。

近年的铀矿年代学研究也表明不同时期的盆地构造隆升、掀斜等运动与成矿具有时空上的密切联系［26-27］，这些构造运动可能为含氧含铀流体进入成矿目的层提供了动力。

2.4 流体密度差（浮力）驱动流体运移

流体的密度差同样能够驱动流体的运移，影响流体的流向以及排泄区和补给区。Zhang等（2018）［26］对鄂尔多斯盆地北部东胜铀矿的研究认为，流入直罗组的地下水以大气降水为主，其密度远小于沉积物中已经存在的卤水的密度，这种密度差会导致大气水集中在层序上部，进而控制着铀矿化的位置。此外，Sanford（1994）［7］利用MODFLOW 软件对美国San Juan盆地板状砂岩型铀矿床的地下水流系统进行模拟时研究了盐湖水和淡水密度差对流体流动的影响，发现在向下流动的淡水流体和从盐湖向外流动的碱性流体之间存在一个界面，界面近水平并向下延伸，但实际的流动方向及速率取决于盐湖水密度和地下孔隙水的密度等因素的变化。

3 实例分析

作为砂岩型铀矿的成矿流体运移机制研究的一次初步尝试，本次实例模拟采用FLAC3D 软件研究砂岩盆地受挤压后在抬升过程中压力的变化以及流体流动情况。

3.1 使用软件简介

本次实例模拟采用FLAC 软件（Fast Lagrangian Analysis of Continua，包 括2D 和3D），该软件是美国Itasca 公司开发的，可较好地模拟岩石的构造变形，还可进行与热力场和流体场的耦合研究，在矿床学中常用来研究构造变形与流体运移［28］。FLAC 软件采用的是显式的有限差分法，以节点为计算对象，将力和质量均集中在节点上，然后通过运动方程在时域内进行求解，对于每个节点，由应力及外力利用虚功原理求节点不平衡力，再由不平衡力求出节点速率；对于每个单元，由节点速率求出应变增量，再由应变增量求应力增量及总应力。

FLAC 软件适用于非线性、大位移、大应变问题，无需额外复杂的计算。FLAC 的工作流程为建立基础的几何模型，定义模型类型（本构关系），输入各种地层参数（如粘聚力，抗拉强度和摩擦力等），确定初始条件以及边界条件，然后对工作区的构造应力场、热力场以及流体场进行模拟，给出模拟结果。

3.2 建立地质模型

针对“层间氧化带成矿模式”，本次数值模拟整体采用的是泥-砂-泥结构，构建的几何模型宽10 km，高5 km，模型包含盆地盖层和基底两大部分。盖层从下至上分别为：泥岩层→粉砂岩层→砂质泥岩层→砂岩层→泥岩层（图1）。

图1 用于数值模拟的地质概念模型Fig.1 Conceptual model used for numerical simulation

3.3 岩石物理参数

模拟采用的是FLAC3D 内置的摩尔-库伦本构模型。各地质单元的渗透率和孔隙度（表1），主要根据鄂尔多斯盆地不同地质单元的已有实测参数［29-30］，而力学参数主要来自于FLAC3D 手册或相似岩性的测试数据［31-32］。

表1 数值模拟中岩石力学和流体参数Table 1 Parameters of different rock units used in the numerical simulation

3.4 初始条件、边界条件

岩石的孔隙压力开始状态为静水压力，模型地表为透水边界，其他边界设为不透水边界，随后进行初始地应力平衡得到平衡状态。在模型左侧1 km 的范围内的格子初始了位移速度（10-8m/s）来模拟挤压和抬升的过程。

3.5 结果分析与讨论

经过4%的挤压后（即左侧边界向右位移400 m），模型中各地层已发生明显变形，出现明显的隆起（图2），隆起最大处达到420 m，地层呈现掀斜状态（图3）。在深度2 km 处的砂质泥岩中出现流体超压（图4）。流体超压的存在导致砂质泥岩中的流体往下部流动，而地表由于形成了地势差，驱动流体砂岩中的流体从左往右流动（图5）。

图2 模型挤压4%后地层的变形情况Fig.2 Deformation of strata after 4% bulk shortening

图3 模型挤压4%后模型抬升位移分布Fig.3 Displacement of Z direction after 4% bulk shortening

图4 模型挤压4%后流体压力分布，在2 km 深处的砂质泥岩中有流体超压出现Fig.4 Distribution of pore pressure after 4% bulk shortening and the overpressure within the sandy mudstone at depth of 2 km

图5 模型挤压4%后流体运移方向和速度Fig.5 Fluid direction and velocity after 4% bulk shortening

该挤压模型揭示了盆地在抬升隆起过程中，对流体压力和流动方向具有重要的控制作用。在盆地隆起过程中，成矿流体可能由于局部超压的影响，流体容易沿渗透率大的砂岩中汇集，有利于矿化的发生。同时地表的隆起也造成地势差，驱动流体的迁移。

4 结语与展望

砂岩型铀矿的形成经过了一个长期的、动态的、复杂的过程，既包括物理（动力）过程也包括化学（反应）过程，流体在成矿过程中起到关键作用。因此，流体动力学的研究不仅对建立成矿模型至关重要，对于矿床的空间定位和矿体的控制因素也有一定的指导意义。目前对于流体性质、来源的研究较为普遍，但对于不同来源流体的驱动力、压力状态、流速、流动方向和规模等物理过程的研究还较为缺乏。成矿流体动力学数值模拟技术是解决这一问题的重要途径之一，其研究结果可以提高对矿床成矿过程的认识，能合理地再现复杂的流体运移过程，定量地分析不同地质因素对流体运移的影响。通过与已有地质研究成果进行相互查证和综合对比，模拟结果可用来较为准确地揭示成矿流体的运移规律，并可直接或间接地应用于找矿勘探。因此在砂岩型铀矿成矿规律和成矿预测方面，应加强流体动力学的研究。