甘肃省龙首山成矿带放射性水文地质特征浅析

王 刚， 邵 东， 陈云杰， 赵如意

(1.核工业二〇三研究所，陕西 咸阳 712000；2.中国地质科学院 矿产资源研究所，北京 100037)

研究区属于秦祁昆成矿域，祁连—秦岭成矿省，龙首—祁连成矿带的龙首山成矿亚带(徐志刚，2004；谭文娟等，2012)，是我国著名的铀成矿带，区内分布有5个不同类型的铀矿床，分别为芨岭钠交代型铀矿床、新水井钠交代型铀矿床、革命沟硅质脉型铀矿床、红石泉伟晶岩型铀矿床和金边寺淋积型铀矿床(施文静等，1993；王承花，2010；陈云杰等，2013；赵如意等，2013)，以及上百个铀矿化异常点带。

随着近年来铀矿勘查工作的开展，在龙首山成矿带进行放射性水文地质特征的研究，对找矿工作具有一定的帮助作用。

1 区域地质概况

1.1 自然地理特征

龙首山呈中—低山地貌，地势西高东低，处于我国西北内陆干旱气候区。区内干燥多风，降水十分稀少,据气象资料统计，蒸发量为降水量的11倍。龙首山地区分布三条水系，最西段属黑河流域，最东段属石羊河流域，中部属金川河流域。除金川河流经研究区外，再无其它地表水流*① 赵如意，王刚，陈云杰，等.2016.甘肃省龙首山成矿带火石岭—马路沟地区铀矿预查成果报告[R].核工业二〇三研究所.② 赵如意，王刚，陈云杰，等.2016.甘肃省龙首山成矿带铀资源调查评价成果报告[R].核工业二〇三研究所.

1.2 地质概况

龙首山地区位于华北板块西南缘的阿拉善地块南缘，其南接河西走廊过渡带，北邻潮水盆地(图1)，在漫长的地质历史中经历了多旋回地质构造演化(陈云杰等，2014；聂利等，2016)。研究区出露最老的地层为古元古界龙首山岩群，是在古裂谷环境下沉积的双峰式火山岩及碎屑岩、碳酸盐岩经历角闪岩相变质作用之后形成的一套强烈变质、变形地质体，其次为中元古界墩子沟岩群和新元古界孩母山岩群，最新地层为山前坳陷沉积的古近系红色碎屑岩及新近系(陈云杰等,2015a,2015b)；岩浆岩分布广泛，主要岩性由闪长岩、伟晶状花岗岩、似斑状钾长花岗岩、二长花岗岩和正长岩。岩浆岩的铀、钍、钾丰度由基性-中性-酸性-碱性依次增高(张宽谋，1989)；褶皱和断裂主构造线为NW向，是由早古生代北祁连加里东造山运动形成。EW向构造较早，被NW向构造穿切，最晚的构造方向为SE向。

图1 龙首山地区地质简图Fig.1 Geological sketch map of the Longshoushan area1.全新统；2.中新统；3.白垩统；4.侏罗统；5.寒武系；6.元古界；7.闪长岩；8.花岗闪长岩；9.花岗岩；10.碱性岩；11.断层及编号；12.复向斜及编号；13.背斜及编号；14.向斜及编号；15倒转背斜及编号；16.倒转向斜及编号；17.铀矿床

2 地下水类型及水文地质分区

龙首山地区各类地下水补给方式均以大气降水渗透补给为主，地下水露头极为稀疏，平均每7.23 km2一个天然或人工水点。

2.1 地下水类型划分

通过对研究区资料的整理和综合分析，认为研究区地下水类型可划分为第四系孔隙潜水，孔隙、裂隙层间水和构造、风化裂隙水三个类型，具体特征如下(表1)：

(1) 第四系孔隙潜水。分布于较大沟谷底部的冲积、洪积砂砾卵石层及南北两翼的山前冲积、洪积扇和倾斜平原中(王刚等，2015)。水位埋深0.30～16.50 m，最深达60 m，泉涌水量0.033～1.140 L/s，最大15.20 L/s。水化学类型以SO4·Cl(SO4·CI·HCO3)—Na(Na·Ca，Na·Mg)为主，次为Cl·SO4—Na，矿化度0.36～5.90 g/L，pH值介于7.20～9.30，铀底数1.34×10-6g/L，氡底数5.6爱曼。

(2) 孔隙、裂隙层间水。分布于内部山间断陷、拗陷盆地中，以龙首山北缘最发育。水位埋深0.10～43.45 m，最深达369.06 m，泉涌水量0.014～2.970 L/s，最大涌水量6.98 L/s。水化学类型以SO4·Cl(SO4·CI·HCO3)—Na(Na·Ca，Na·Mg)为主，次为Cl·SO4—Na(Na·Mg)，矿化度0.51～7.32 g/L，pH值介于7.20～9.10，铀底数8.0×10-6g/L，氡底数5.4爱曼。

(3) 构造、风化裂隙水。分布于龙首山地区出露最为广泛的变质岩和岩浆岩中。变质岩水位埋深0.3～26.74 m，最深达100.34 m，水化学类型SO4·Cl—Na·Mg(Na，Na·Ca)为主，次为SO4·HCO3—Mg·Na·Ca(Ca·Mg)，矿化度为0.38～4.84 g/L，PH值介于7.00～8.64，铀底数6.4×10-6g/L，氡底数6.6爱曼。岩浆岩水位埋深0.40～32.92 m，最深达84.12 m，泉涌水量0.014～2.39 L/s，水化学类型SO4·Cl—Na· Ca(Na，Na·Mg)为主， 次为Cl·SO4—Na(Na·Ca)，矿化度为0.52～4.96 g/L，pH值介于7.32～9.00，铀底数2.45×10-6g/L，氡底数7.5爱曼。

2.2 水文地质分区

依据含水层岩性、含水性、地下水补给、埋藏条件、水动力条件和水化学类型，进行水文地质分区。全区共分6个水文地质分区，分别是新生界新近系坡积、冲积、洪积潜水区；中新生界侏罗系、白垩系、古近系孔隙层间水区；上古生界泥盆系、石炭系、二叠系孔隙裂隙层间水区；下古生界寒武系构造、风化裂隙水区；元古界变质岩构造裂隙水区，该区又可分为3个亚区，分别是灰岩、大理岩构造裂隙水亚区，片岩、千枚岩、混合岩、风化裂隙水亚区，变质砂岩、砾岩构造裂隙水亚区；岩浆岩风化构造裂隙水区*① 赵如意，王刚，陈云杰，等.2016.甘肃省龙首山成矿带火石岭—马路沟地区铀矿预查成果报告[R].核工业二〇三研究所.② 赵如意，王刚，陈云杰，等.2016.甘肃省龙首山成矿带铀资源调查评价成果报告[R].核工业二〇三研究所.

3 放射性水化学特征

3.1 区域水化学特征

龙首山地区地层含水性弱，地下水资源贫乏，并且蒸发作用强烈，水动力条件差，排泄不利，径流缓慢，致使水化学类型复杂，表现干旱气候区水化学特性。

随着含水岩层不同，水质成分也有所差别。第四系潜水，沉积岩孔隙、裂隙水，由于所处地理位置不同而遭受不同程度的蒸发作用，既有重碳酸盐硫酸盐水，亦有氯化物硫酸盐水，以硫酸盐氯化物水或硫酸盐水为主；变质岩构造裂隙水化学复杂，有重碳酸盐硫酸盐水，亦有硫酸盐水，以硫酸盐氯化物水为主；岩浆岩类风化、构造裂隙水化学成分较为复杂，有重碳酸盐水，亦有氯化物硫酸盐水，以硫酸盐氯化物为主。

通过综合分析研究，研究区地下水放射性水化学特征可归纳为以下几点：

(1)全区各含水层地下水都以SO4.Cl—Na(Na·Ca，Na·Mg)为主，次为Cl·SO4—Na(Na·Mg)或Na(Na·Mg)或SO4·HCO3—Mg·Na。

(2) 全区地下水都呈弱碱性，pH值介于7.20～9.00，个别呈弱碱性，pH值介于9.10～9.30。

(3) 由于地下水补给交替条件差以及强烈蒸发作用，使地下水的矿化度普遍增高，而且变化幅度大(0.36～7.32 g/L)，经统计各类含水层地下水的矿化度，其平均值均为1.00 g/L以上，最高可达1.64 g/L。

(4) 由于水动力条件差和在强烈蒸发作用下，不仅使水中盐类浓度增高，而且造成了铀的浓缩，表现为地下水中铀含量的变化幅度较大，而且各类岩石水中铀的平均含量都较高(6.4×10-6～2.45×10-6)。区内沉积岩孔隙、裂隙水，变质岩构造裂隙水的放射性元素含量较低，其底数铀为6.40×10-6g/L，氡为5.4～6.6爱曼。第四系潜水由于受蒸发浓缩及下伏基岩风化裂隙水补给，故第四系潜水铀底数达1.35×10-6g/L，氡5.6爱曼。岩浆岩风化构造裂隙水的放射性元素含量明显高于前者，其底数铀为2.45×10-6g/L，氡7.5爱曼，这显然是由于该区岩浆岩中铀的丰度较上述地层高的缘故所致。

3.2 芨岭矿化区钠交代岩铀矿床的水化学成分和放射性化学特征

(1) 区域花岗岩地下水的水化学类型以SO4·Cl—Na(Na·Mg)型为主，由于芨岭、新水井矿床范围内常出现Cl·SO4—Na·Mg(Na)型水，并且新水井矿床以该类型为主。

(2) 在整个区域内，花岗岩地下水的矿化度介于0.81.90 g/L，由于上述矿床内绝大多数样品超过1.90 g/L，最高到4.60 g/L。

(3) 区域花岗岩水中Na+含量介于100～300 mg/L，Na+/M(矿化度)介于0.070～0.200，而在已知的铀矿床和铀矿化点，水中Na+含量明显增高，达到360～1 100 mg/L(图2)，Na+/M增高到0.190～0.302。

(4) 区域花岗岩水中Ca2+含量变化于95～140 mg/L，Ca2+/M比值为0.073～0.129。进入铀矿床及铀矿化点，水中Ca2+含量则有所降低，为40～110 μg/L(图3)，Ca2+/M则降为0.020～0.045。

图2 花岗岩地下水中钠离子含量与矿化度关系Fig.2 Relation of sodium ion content and mineralization of granite groundwater

图3 花岗岩地下水中钙离子含量与矿化度关系Fig.3 Relation of calcium ion content and mineralization of granite groundwater

(5)无矿化花岗岩水中铀含量变化为4.00×10-6～1.6×10-4g/L，底数为2.70×10-5g/L，氡浓度为5～72爱曼，底数14爱曼。在矿床及矿化点范围内，铀含量增高到1.00×10-4～2×10-2g/L，氡浓度增高到38～1 490爱曼。镭含量为5.00×10-12～1.6×10-10g/L(表2)。在碱交代型铀矿床范围，形成了地下水中放射性元素含量、Na+含量及矿化度增高，Ca2+减低的复合水异常，从而确定了龙首山地区寻找碱交代型铀矿化的水化学综合找矿标志，该标志曾被用于评价钻孔水化学找矿，实际取样结果，在新水井矿床南带、103号异常点，均被发现有上述复合水晕。

3.3 放射性水形成条件和与岩石含铀性的关系

表2 芨岭成矿区放射性水文地球化学对比表

(1)龙首山成矿带钠交代型铀矿床都属中低温热液铀矿化，严格受马路沟断裂控制，铀矿化赋存于该断裂的次级东西向压扭性构造控制的钠交代体中。

①赋矿钠交代体强烈破碎，大大增加了岩石孔隙度和比表面积，为地下水的渗透及其对围岩的溶解、溶滤创造了条件，因此出现了地下水矿化度增高的现象。

②矿化区地下水中Na+和Ca2+含量的相反增减关系，是水中的Ca2+与富钠的蚀变岩石发生了显著的离子交换作用的结果，即：

Ca2+(水中)+2 Na+(蚀变岩石中)→2 Na+(水中)+Ca2+(蚀变岩石中)

从而破坏了地下水在正常花岗岩中所建立的平衡关系，促使交换方式向右进行。

③矿区内次生高岭土存在证明了岩石在溶有碳酸(CO2=38 μg/L)的地下水作用下，进行化学风化作用，从而大大加剧了岩石被水溶解和溶滤作用的进程：

2NaAeSi3O2+2CO2+3H2O=2 Na++2HCO3-+H4Ae2Si2O9+4SiO4

地下水中Na+获得了补充。矿化区地下水在Ca2+含量减少的情况下，HCO3-含量反而升高，亦充分证明了这种风化作用的存在。

由于该区铀矿床内金属硫化物甚少，矿床水中SO42-含量无明显特殊反映，而且比值SO42-/Cl-与正常花岗岩水亦无区别。

(2)龙首山成矿带革命沟硅质脉型铀矿床含矿岩石主要为硅质角砾岩和蚀变角闪岩，矿石坚硬，表生作用不发育，地下水及其活动对矿床破坏作用不强。

革命沟花岗岩的风化裂隙及构造裂隙中，常含有微弱的潜水。水井水位深0.61～1.30 m，单位涌水量0.85 L/s。泉的流量小于0.07 L/s，水化学类型属SO4—Ca·Na型，矿化度0.87～1.93 g/L，由于本区花岗岩铀的丰度较高和受蒸发作用影响，水中铀含量为2.8×10-5～2×10-4g/L，个别达到3×10-4g/L，氡浓度16～41爱曼，个别达143爱曼。

(3)龙首山成矿带淋积型铀矿床含矿岩性为早古生代中细粒花岗闪长岩，受NWW向区域断裂带控制，属次生淋积型矿床。矿区为山前低丘陵地形，地表遍复松散新近系坡积、洪积砾石及土层，矿区内部各种断裂构造和风化裂隙普遍发育，岩石极为破碎，以致成为碎裂花岗岩、碎裂花岗闪长岩、断层角砾岩等，矿区地下水化学成份类型具有明显的垂直分带性，由于大气降水的渗透补给，岩石中放射性元素含量不断淋滤、富集，从而形成小型次生淋积型铀矿床。

4 放射性水异常特征

4.1 自然底数和放射性水异常的确定

龙首山地下水放射性元素的自然底数分为偏高、增高、异常三级圈定放射性水晕，水中氡采用历年来地下水氡浓度底数的经验的5倍作为氡浓度的异常值，按新近系、沉积岩、变质岩、岩浆岩划分统计单元，各类地下水自然底数和异常值见表3。

表3 龙首山地区地下水铀、氡数理统计表

4.2 放射性水异常分布特点

通过龙首山地区水化学调查，全区3 247.6 km2面积上共找到地下水天然及人工露头点449个。其中龙首山西段1 216.9 km2面积上共找到地下水天然及人工露头点179个，占水点总数的0.6%；氡浓度达到异常值的2.8%。龙首山中段1 689.7 km2面积上共找到地下水天然及人工露头点234个，铀含量达到异常值的27个，占水点总数的13.5%；其中铀、氡都达到异常值的32个，占水点总数的4.7%。龙首山东段341 km2面积上共找到地下水天然及人工露头点36个，铀、氡都达到异常值者1个，占水点总数的2.8%(表4)。

龙首山中段水点中铀和氡的异常比例较高，是由于在龙首山中段分布有新水井和芨岭2个钠交代型铀矿床，以及上百个铀矿化异常点，铀矿化均受马路沟断裂及其次级断裂控制，呈串珠状排列，基岩裂隙水受深部铀矿化影响，沿断裂运移出露，形成了放射性水异常点所致。

5 结论

通过对龙首山成矿带放射性水文地质特征的研究，得出以下结论：

(1)钠交代型铀矿床矿化区地下水中Na+和Ca2+含量呈负相关关系，是水中Ca2+与富钠的蚀变岩石发生离子交换作用的结果，与铀成矿过程中热液蚀变的去硅去钙富钠作用相一致。所以龙首山成矿带地下水中放射性元素含量、Na+含量及矿化度增高，Ca2+含量减低的复合水异常特征，是龙首山地区寻找碱交代型铀矿化的水化学找矿标志。

(2)对水样采集点进行投图研究，发现串珠状排列的地表水点与深部构造的走向一致；串珠状排列的放射性地表水异常点与深部控矿构造和铀矿化的走向一致，为深部铀矿化的走向延伸情况探索提供了方向和依据。