伊犁盆地地下水水文地球化学特征与铀成矿条件分析

何 忧，荣 辉，黄 琨，彭 浩，万军伟

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430074)

铀资源是一种重要的战略性资源，砂岩型铀矿是我国重要的铀矿资源类型，随着我国核电的飞速发展，对铀资源的需求量持续增加，因此加强砂岩型铀矿的勘查、开发，对保障和加快核电的发展十分必要[1-5]。砂岩型铀矿的形成是水-岩相互作用的结果，其富集过程是成矿流体在储层迁移过程中与周围岩石的复杂水文地球化学作用过程[6-10]，随着成矿流体向深部的不断迁移，在以氧化-还原反应为主的水文地球化学作用下成矿流体中的6价铀(U6+)转化为4价铀(U4+)，并吸附于多孔介质的固体颗粒表面而富集成矿[11-14]。因此，研究砂岩型铀矿地区地下水的水文地球化学特征，有助于分析地下水运移过程中的水化学作用与铀成矿条件[15-18]。

伊犁盆地是我国重要的铀资源基地之一，目前在伊犁盆地南缘已发现了一系列大型砂岩型铀矿床，表明该地区具有良好的铀资源潜力[19-23]。本文以伊犁盆地为研究对象，在开展野外水文地质调查的基础上，系统采集区内不同类型、不同深度含水层的地下水样品，通过测试地下水中各化学组分及铀含量，查明区内地下水的水文地球化学及铀含量特征，分析并总结了伊犁盆地铀成矿的水文地质条件，以为盆地找矿工作提供水文地质依据。

1 伊犁盆地铀成矿水文地质背景条件

伊犁盆地是新疆西天山支脉科古琴山和察布查尔山之间所挟持的山间盆地，盆地走向总体为东西向，为一东窄西宽、向西开口的喇叭型，长约160 km，宽平均约40 km。区内地势总体为南北高中间低、东部高西部低，在地貌上表现为近似南北对称的格局，即以伊犁河河谷为中心，中部为冲积平原，向南北两侧依次为冲洪积倾斜平原、丘陵及中低山区。

伊犁盆地自三叠系以来沉积了巨厚的冲湖积陆相碎屑岩地层，根据地层岩性及空间展布特点，可以将本区划分为5个含水岩组：第四系孔隙含水岩组、白垩-第三系孔隙含水岩组、侏罗系裂隙-孔隙含水岩组、三叠系裂隙-孔隙含水岩组和前三叠系基岩裂隙含水岩组。其中，第四系孔隙含水岩组基本覆盖了整个伊犁盆地，包括分布于盆地中央的第四系冲积成因孔隙含水亚组和出露于盆地南北两侧倾斜平原的洪积-冰积成因的孔隙含水亚组；三叠系至第三系孔隙或裂隙-孔隙含水岩组仅在山前盆地边缘地段有少量出露；前三叠系基岩裂隙含水岩组主要分布在盆地外围南北两侧的山区，地层岩性主要为三叠系之前的石炭-二叠系、泥盆系、寒武-奥陶系砂岩、砾岩、灰岩、页岩、片岩、凝灰岩、凝灰质砂岩、玢岩和花岗岩等，详见图1。上述含水岩组构成垂向具多层结构的复杂地下水系统，既有表层第四系孔隙潜水-承压水含水层，同时深部还有多个承压含水层。

伊犁盆地内的孔隙或裂隙-孔隙含水岩组的主要补给来源是大气降水、雪融水、河水的入渗补给，以及来自盆地外围的地下水侧向径流补给。地下水的补给主要发生在南部和北部的盆地边缘的冲洪积倾斜平原地带，在地形和排泄基准(伊犁河谷)的控制下，地下水总体从山前向盆地中心伊犁河谷径流。一部分地下水在山前冲洪积倾斜平原与伊犁河谷冲积平原的交界带溢流成泉直接流入伊犁河，该部分地下水循环深度浅、径流条件好；另一部分地下水仍继续往深部运移，自盆地边缘向盆地中心径流至排泄区，通过断层向上越流进入第四系含水层，最终排泄入伊犁河，该部分地下水循环深度大、径流条件较差。伊犁盆地内导水断裂构造的存在，使得本区深部承压含水岩组构成了一个完整的、比较通畅的补给—径流—排泄的地下水循环系统，从而保证了含氧地下水能够从山前源源不断地渗入，持续氧化早先堆积的含铀砂体(铀储层)[24-25]，并在下游还原带富集成矿。

图1 伊犁盆地区域地质图及地下水采样点分布Fig.1 Regional geological map and distribution of groundwater samples of Yili Basin

2 水样采集与分析测试

为了查明伊犁盆地不同类型含水岩组、不同循环深度地下水的水文地球化学及铀含量特征，本次野外调查期间共采集了25组地下水样品(见图1)，其中矿坑水5组、井水2组，代表深循环地下水；泉水18组，代表浅循环地下水。每组采集3瓶水样，分别测试地下水中的阴、阳离子和铀含量，其中阴、阳离子含量的测定在中国地质大学(武汉)环境学院实验中心完成，放射性铀含量的测定在核工业包头地质矿产分析测试中心完成，分析误差均优于5%。本次采集的水样测试结果，见表1和表2。

表1 伊犁盆地泉水中化学组分及铀含量的测试结果

注：地下水中常量组分单位为mg/L;地下水中U含量单位为μg/L；地下水中总溶解固体含量(TDS)单位为g/L。下同。

表2 伊犁盆地井水和矿坑水中化学组分及铀含量的测试结果

为了便于讨论对比不同类型地下水中的水化学及铀含量特征，根据地下水中总溶解固体含量(TDS)和铀含量的大小对地下水类型进行了分级，具体分级标准见表3。

表3 地下水中TDS及铀含量的分级标准

3 伊犁盆地地下水的水化学特征分析

3. 1 浅循环地下水的水化学特征分析

本次采集的伊梨盆地泉水水样主要为铀源山区浅循环带的基岩风化裂隙水或三叠-侏罗系裂隙-孔隙潜水，该类型泉水的补给范围小、径流途径短，地下水循环深度浅，呈氧化环境，其水化学特征(见表1)主要反映的是其泉域范围内各岩石风化作用(氧化作用)的强弱。由表1可见，总体上看，本区泉水的水化学特征为中等—高TDS、高铀的SO4·Cl-Na·Ca型水，但是不同地层岩性或相同地层岩性但不同出露条件的泉水仍有一定的差异。

3.1.1 花岗岩类基岩裂隙泉水

本次采集了1个发育于石炭系花岗岩中的基岩裂隙泉水，位于东北部麻扎圩斯坦河上游西支(S23)，该泉水中TDS含量为1.02 g/L，属中等偏低TDS的SO4-Ca·Na型水，泉水中铀含量高，其浓度高达68.49 μg/L，说明了本区花岗岩矿物中富含有较多的固态铀，在水-岩相互作用下岩石中的固态铀经氧化作用转化为水溶态铀进入到地下水中。

3.1.2 火山岩及火山碎屑岩裂隙泉水

本次采集了4个石炭系火山岩及火山碎屑岩的裂隙泉水，其水化学特征可以分为两类：一类是低TDS、低铀含量的SO4-Na·Ca型水，水样点编号为S14、S22；二是中等TDS、中等铀含量的Cl·SO4-Na·Ca型水，水样点编号为S01、S15。上述差异的原因主要与地下水径流条件有关，前者是在泉域范围更小、径流途径更短，地下水与岩石的水-岩作用还不够充分的情况下；后者则反映了泉域范围稍大、径流途径略长，地下水与岩石的水-岩作用较充分情况下的水质特征。由此也说明地下水氧化带内地下水径流过程中，在水-岩作用(氧化作用)条件下，岩石中的矿物质以及固态铀将会不断地被溶解和氧化，表现出地下水的TDS和铀含量沿途逐渐增大的特征。

3.1.3 三叠系小泉沟群裂隙-孔隙泉水

本次采集了5个发育于三叠系小泉沟群裂隙-孔隙泉水，分别为位于盆地北部霍城县的煤矿上游(S20、S21)以及伊宁县北部一带(S16、S17、S18)，泉水中TDS含量大于1.5 g/L，最大达15 g/L，属中等—高TDS的SO4·Cl-Na·Ca型水，泉水中铀含量较高，其浓度大于12.4 μg/L，最大达62.09 μg/L，且泉水中的铀含量与TDS整体呈正相关关系。

上述小泉沟群裂隙-孔隙泉水水化学特征表明：盆地北部小泉沟群含水层早期曾经历了铀的富集过程，岩石中富含有较高的固态铀，但是受后期构造运动抬升的影响，出露地表的岩石遭受了强烈的风化作用，岩石中的固态铀不断地被氧化进入浅层地下水，从该处小泉沟群地层整体呈红色的特征也反映出其遭受了长期的氧化作用，见图2。

图2 盆地北部小泉沟群泉水采样点Fig.2 Location of spring sample in Xiaoquangou Group in the north of Yili Basin

3.1.4 侏罗系裂隙-孔隙泉水

本次采集了3个发育于侏罗系三工河组(J1s)的裂隙-孔隙泉水，分别位于盆地东南部(S02、S03)以及盆地北部工矿厂上游(S11)，泉水中TDS含量在0.5～1.5 g/L之间，属中等偏低TDS的SO4·Cl-Na·Ca型水，泉水中铀含量属中等，其浓度在15.65～24.62 μg/L之间，表明盆地两侧边缘出露的侏罗系三工河组含铀岩系中的铀含量较高，出露地表后也经历了一定程度的氧化作用，岩石中的化学组分及固态铀被溶解和氧化进入地下水，参与盆地中含铀流体的迁移和转换。

本次采集了2个发育于侏罗系西山窑组(J1x)的裂隙-孔隙泉水，位于盆地东南部(S07、S08)，泉水中TDS含量为1.0 g/L左右，属中等偏低TDS的SO4·Cl-Na·Ca型水，泉水中铀含量属中等偏低，其浓度在6.38～8.42 μg/L，表明盆地东南部侏罗系西山窑组含水层在氧化作用下固态铀的析出能力较弱，分析该含水层早期经历过较长的溶解和氧化阶段，铀被地下水溶解并带走，导致含水层中的铀含量较低。

3.1.5 第三系孔隙泉水

本次采集了2个发育于第三系砂砾石层中的孔隙泉水，位于盆地东北部的麻扎圩斯坦河(S24、S25)，泉水中TDS含量为2.0 g/L左右，属中等TDS、中等铀含量的SO4·Cl-Na·Mg型水，泉水中铀浓度在24.08～28.01 μg/L之间，表明第三系砂砾石层中固态铀含量较高，加之砂砾石的多孔结构使得岩石与水接触的比表面积增大，故水-岩作用比较充分，有利于岩石中的物质成分及固态铀被风化、溶解、氧化进入地下水中。

现代表层新生代第三系砂砾石层的水化学特征及水化学作用实际可以代表本区三叠-侏罗系铀储层当初沉积成岩过程中水-岩作用的特点，即伊犁盆地内部三叠-侏罗系铀储层中铀的来源有两种：一种来源是两侧山区富铀岩石(花岗岩及火山岩)的氧化，固态铀转化成水溶态铀随地表河水和地下水进入盆地；另一种来源是两侧山区富铀岩石(花岗岩及火山岩)风化形成的砂砾石，在水流搬运作用下在盆地内沉积，形成铀的预富集，然后再在含氧地下水流作用下发生氧化—迁移—富集作用。

3. 2 深循环地下水的水化学特征分析

深循环地下水是指盆地内三叠-侏罗系铀储层在盆地边缘接受降雨、雪融水、河水入渗补给以及山区地下水侧向补给后，继续向盆地深部和中央径流排泄的地下水，这部分地下水在向深部运移的过程中由于地下水氧化-还原条件以及水-岩作用的改变，其水中的化学组分也与浅循环地下水有着显著的差异，因此可以据此分析地下水在向深部运移过程中的水化学作用，进而为铀成矿条件分析提供依据。

本次主要利用深井和煤矿矿坑排水采集深循环地下水水样，其水化学特征见表2。

由表2可见，总体上看，伊犁盆地深循环地下水表现为中等—高等TDS、中等偏低铀含量的SO4·Cl-Ca·Na型水，但是不同地层岩性和不同部位地下水的水化学特征有一定的差异。

3.2.1 三叠系小泉沟群裂隙-孔隙地下水

本次在位于盆地东南部的民井中采集了小泉沟群砂岩裂隙-孔隙地下水水样(S09)，该地下水的水化学类型为中等TDS、中等铀含量的SO4·Cl-Ca·Na型水，地下水中TDS含量为1.4 g/L，铀浓度为21.38 μg/L。该点地下水中的TDS及铀含量均要高于附近地表水、浅循环地下水，由此可见该处三叠系小泉沟群铀储层在接受大气降雨、河水和雪融水等含氧水流入渗补给继续向深部迁移的过程中，仍然在继续发生着对铀储层的氧化作用，铀储层中富含的预富集的固态铀仍在不断地被氧化成水溶态铀参与地下水的循环。该处小泉沟群的氧化-还原过渡带(铀的还原沉淀区)应在该点的北部。

3.2.2 侏罗系八道湾组裂隙-孔隙地下水

本次在位于盆地北部的民井中采集了侏罗系八道湾组(J1b)砂岩裂隙-孔隙地下水水样(S12)，该地下水的水化学类型为中等TDS、中等铀含量的SO4·Cl-Na型水，地下水中TDS为1.2 g/L，铀浓度为18.76 μg/L。该点地下水中TDS及铀含量与附近浅循环地下水基本相当，可见该处侏罗系八道湾组铀储层在接受大气降雨、河水和雪融水等含氧水流入渗补给继续向深部迁移的过程中，仍然在继续发生着对铀储层的氧化作用，铀储层中富含的预富集的固态铀仍在不断地被氧化成水溶态铀参与地下水的循环。该处侏罗系八道湾组的氧化-还原过渡带应在该点的南部。

3.2.3 侏罗系西山窑组裂隙-孔隙地下水

本次在位于盆地北部的煤矿(S10、S19)和盆地东南部的煤矿(S04、S05、S06)采集了5组煤矿抽排的侏罗系西山窑组(J2x)砂岩裂隙-孔隙地下水水样，该地下水的水化学类型差异较大，可以分为以下两种类型：

(1) 中等TDS、中等偏低铀含量的SO4·Cl-Na·Ca型水，地下水中TDS含量为1.1～1.5 g/L，铀浓度为8.56～11.31 μg/L。该类型地下水主要为位于盆地东南部西山窑组煤矿的矿坑排水(S05、S06)，与该点附近同层位浅循环地下水(S07、S08)的水化学特征对比可知，其TDS和铀含量略有增高，后者的TDS含量在1.0 g/L左右，铀浓度在6.38～8.42 μg/L之间，反映该处深循环地下水仍然处于氧化带，地下水仍在继续对岩石矿物进行氧化和溶解作用，说明该铀储层的氧化-还原过渡带应在该点的北部。

(2) 中等—高TDS、低铀含量的SO4·Cl-Na·Ca型水，地下水中TDS含量一般大于2 g/L，最大达33 g/L，地下水中铀浓度小于6.59 μg/L。该类型地下水主要为位于盆地北部煤矿(S10、S19)和盆地东南部煤矿(S04)附近的矿坑排水。这种类型地下水的水化学特征表明：地下水在沿铀储层向深部运移的过程中地下水不断地溶解岩石中的主要矿物，导致水中总离子含量的增高，但是铀含量却表现出下降的特点，这是由于地下水在向深部和盆地中央运移的过程中由氧化环境逐渐变为还原环境，6价水溶态铀被逐渐还原为4价铀而被吸附于固体颗粒表面，使得地下水中铀含量降低，据此可以判定该处西山窑组铀储层已进入还原带，也就是说在盆地北部煤矿(S9、S10)、盆地东南部煤矿(S04)的南部应该存在氧化-还原过渡带，具有铀富集的水文地质条件。

4 铀成矿的水文地球化学模式分析

根据上述伊犁盆地地下水系统的特征以及不同水源水化学类型的特点，本文将伊犁盆地砂岩型铀矿形成过程中地下水(含铀流体)的水文地球化学特征从源到汇的变化，概化为如图3所示的演化模式。

图3 伊犁盆地砂岩型铀矿形成过程中地下水(含铀流体)的水文地球化学特征演化示意图Fig.3 Schematic diagram of hydrogeochemical characteristics evolution during the formation process of sandstonetype uranium deposit

4. 1 地下水补给区(氧化带)

在蚀源区或铀储层的裸露区的地下水补给区，低TDS、低铀含量的含氧大气降水、雪融水渗入到岩石的裂隙-孔隙中与岩石发生溶滤作用，岩石中的物质组分和固态铀逐渐风化、溶解、氧化进入到地下水中，使得地下水中各化学组分的含量相对增加，具体表现为地下水中TDS和铀含量的逐渐增加(见图3和图4)，但由于流程较短，水-岩相互作用一般都不够充分，尤其是在裂隙介质或降雨充沛的条件下，在地下水的氧化带表现为低TDS、低铀的HCO3-Ca型水(如S14、S28)。

图4 浅循环地下水中TDS与铀含量的关系Fig.4 Relationship between TDS and uranium content in shallow circulating groundwater

4. 2 地下水径流区(氧化-还原过渡带前锋)

当地下水继续向下游进入盆地的铀储层(地下水的径流区)，水-岩相互作用逐渐充分，地下水中的各化学组分含量都逐渐增加，岩土中的4价固态铀也不断被氧化成6价水溶态铀进入到地下水中，导致地下水中TDS和铀含量的增加，逐渐形成中等TDS、高铀含量的HCO3·SO4-Na型或SO4·Cl-Ca·Na型水，见图5。

图5 三叠系小泉沟群裂隙-孔隙地下水中TDS与铀含量的关系Fig.5 Relationship between TDS and uranium content in fissure-porous water of Triassic Xiaoquangou Group

4. 2 地下水径流-排泄区(还原带)

当地下水继续向下游进入盆地深部的铀储层(地下水的径流-排泄区)，水-岩相互作用已越来越充分，地下水中主要化学组分的含量(TDS)继续增加(直至达到饱和)，但是对于铀元素由于地下水中的氧逐渐被消耗殆尽，受还原作用的影响，水溶态的6价铀又逐渐被还原为4价铀而被吸附到岩土颗粒的表面被固化，从而导致地下水中的铀含量不升反而出现降低的现象(见图6)，这一过程使得地下水的水化学类型表现为中等-高TDS、低—中等铀含量的SO4·Cl-Ca·Na型或Cl·SO4-Na·Ca型水。

图6 侏罗系西山窑组裂隙-孔隙地下水中TDS与铀 含量的关系Fig.6 Relationship between TDS and uranium content in fissure-pore groundwater of Jurassic Xishanyao Formation

5 结 论

伊犁盆地地下水流场及氧化还原环境都呈现出以伊犁河为中心的南北对称格局，即自外围山区到中部倾斜平原再到伊犁河谷，地下水流场呈现出由潜水→潜水-承压水过渡区→承压区的变化，地下水环境则呈现为与之对应的氧化带→氧化-还原过渡带→还原带的变化。地下水在上游补给区不断氧化前三叠系以及盆地内预富集的三叠-侏罗系富铀的岩石矿物，使之转换为水溶态的铀参与到地下水的循环中，随着地下水向盆地中央伊犁河方向径流，即“铀随水去”的过程；但是随着地下水环境逐渐转变为还原态，地下水中的氧化态铀又转变为还原态铀而被吸附到含水层的岩土颗粒表面，即“水去铀留”的过程；这种水动力与水化学作用的持续进行，即形成了砂岩型铀矿的富集过程。

根据本次对伊犁盆地不同水源的水文地球化学特征的研究表明：在地下水系统补给区采集的浅循环地下水均呈现出富铀岩石经初期氧化和溶滤作用所形成的低TDS、低或中等铀含量的HCO3-Ca型水；而在地下水径流区采集的井水则往往呈现出中等TDS、中等—高铀含量的HCO3·SO4-Na型或SO4·Cl-Ca·Na型水，表现为岩石中的铀及其他物质成分已被充分氧化和溶滤进入地下水，即发生着“铀随水去”的氧化溶解过程；随着地下水继续向深部的运移，多数煤矿矿坑水则表现出高TDS、低-中等铀含量的SO4·Cl-Ca·Na型或Cl ·SO4-Na·Ca型水，地下水中溶解的矿物质总量在增加，但是铀含量不升反降，则表明地下水径流已进入还原带，地下水中的铀已被还原吸附到铀储层的固体颗粒表面，即发生着“水去铀留”的还原富集过程。地下水系统中这种在氧化-还原环境控制下由“铀随水去”→“水去铀留”的地下水循环模式决定了铀在地下水系统中的析出→迁移→富集过程。鉴于砂岩型铀矿的形成与地下水氧化还原环境密切相关，今后应加强对地下水氧化-还原电位的监测。