相山火山盆地邹家山铀矿床温热水分布特征及其找矿意义

2020-05-16汤国平庞文静张运涛向君峰李珍

铀矿地质 2020年2期

汤国平，庞文静，张运涛，，向君峰，李珍

（1.江西省核工业地质局二六一大队，江西鹰潭 335000；2.江西省核工业地质局二六一大队院士工作站，江西鹰潭 335000）

邹家山矿床是相山铀矿田中的典型代表之一，自20 世纪60 年代以来进行了系统的地温测量，积累了160 个钻孔的测温资料。邹家山铀矿床温热水的分布严格受着邹家山-石洞断裂构造和火山塌陷构造复合控制，并有断裂构造脉状承压温热水。大量的钻孔测温和水文地质资料反映了温热水与地温异常场、铀矿化、断裂构造在空间展布上的一致性。通过整理钻孔井温资料、抽水成果，分析了温热水的空间分布规律、温热水的各种影响因素，总结了地温、温热水与铀矿化的关系，从矿床温热水水化学入手，提出温热水对铀矿勘查具有指导意义。

1 区域地质背景

相山火山盆地为形成于中元古界基底变质岩之上的继承式盆地。下白垩统火山杂岩在盆地东部置于下石炭统华山岭组变质石英砂岩和上三叠统安源组煤盆之上；在盆地西部被白垩纪红盆沉积物所覆盖。火山盆地内广泛出露碎斑熔岩，盆边为不规则的弧形和半环状的次火山岩体群所环绕［1］。碎斑熔岩总体产状由四周向中心缓倾斜，上部倾角较缓，向下延伸倾角变陡，形成边部薄、中间厚的盆形负向构造，在剖面上形似一东厚西薄、南北匀称的“蘑菇”（图1）。

相山火山盆地是一个大型火山机构，相山主火山口、火山管道及火山塌陷构造活动形成了一系列火山构造。根据布格重力异常和磁测△T 异常的推断解释［2］，相山火山盆地的构造主要包括基底构造和盖层构造。基底构造格架主要由东西、北东及南北向3 组构造组成，少量北西向构造；盖层构造以北东向断裂构造为主导，也有少量北西向断裂。

邹家山矿床位于相山火山盆地西部，受北东向F邹－石压扭性断裂构造［3］和火山塌陷构造复合控制。矿区地层简单，基底为中元古界（Pt2）千枚岩、云母石英片岩，地表未出露；盖层为下白垩统打鼓顶组紫红色粉砂岩、砂砾岩（K1d1）、流纹英安岩（K1d2），鹅湖岭组晶屑玻屑凝灰岩（K1e1）及广泛分布并出露于地表和深部的碎斑熔岩（K1e2）。厚层碎斑熔岩（300～500 m）和流纹英安岩（350～400 m）为盖层主体岩性，也是赋矿岩层（图2），岩石一般致密坚硬，含水性极弱。

图1 相山火山盆地地质构造略图（据江西省核工业地质局二六一大队，2018 修改）Fig.1 Geological structure sketch of Xiangshan volcanic basin

F邹－石由F6、F7、F10等断裂构造组成，断裂带宽100～200 m，单条断裂呈尖灭再现和尖灭侧现，走向30°～60°，倾向北西（局部南东），倾角70°～85°。火山塌陷构造总体走向50°，倾向南东（局部北西），以褶曲和陷落拖拉挠曲的复杂形态产于流纹英安岩顶板变陡部位。火山塌陷构造与断裂构造多以归并、交接或穿插的形式复合。矿床还发育次级的走向北西、近南北、北东的张性断裂构造裂隙带。矿体主要赋存在F邹－石主断裂带的旁侧裂隙中和火山塌陷构造变陡部位及其两侧附近流纹英安岩和碎斑熔岩中。矿床断裂裂隙构造是地下水（温热水）运动的主要通道，制约着地温异常场的展布格局和形态。

2 水文地质及地下水动力特征

2.1 水文地质概况

邹家山矿床属赣中亚热带潮湿多雨气候区，年平均气温16～18 ℃，年降雨量1 500～2 200 mm，年蒸发量1 100～1 500 mm，大气平均相对湿度80%。地貌上处于燕山期火山岩组成的中等切割的剥蚀构造中低山过渡地带，海拔标高175～550 m，地势总体上南东高北西低。南北两侧为与北东向断裂构造带大致平行的分水岭条带状山峦、中间为狭长低洼的谷地，谷地中间有一条由矿床南西段103勘探线的鞍部坡脚发源的流径矿床汇入小芙蓉河的邹家山小溪，构成了一个较为完整的补给径流至排泄区的水文地质单元，是地下水（温热水）的径流－排泄（为主）区。矿区内地表水体发育，有小芙蓉河、邹家山小溪及书堂河，其中邹家山小溪流径矿床中部，最大流量19.579 m3/s，最高水位标高200.38 m，最小流量0.002 5 m3/s，最低水位标高198.54 m［4］。

图2 邹家山铀矿床地质略图（据江西省核工业地质局二六一大队，1993 修改）Fig.2 Sketch geology map of Zoujiashan uranium deposit

由于矿床所处大地构造单元为华南褶皱系，构造运动在燕山晚期-喜山期红盆形成至今相当长的地质时期内，一直处于相对稳定和松弛阶段。压扭性的F邹－石断裂构造经外力作用长期剥蚀，在地貌上已成为低洼谷地，受大气降水补给的温度较低的第四系孔隙水、基岩风化裂隙水及浅部循环的基岩裂隙水，对沿断裂构造经深循环加热的承压上涌的温热水起着冷却作用，矿床内温度较高的上升泉少，多以孔隙裂隙下降泉的形式出露，这在野外的水文地质测量中得到了证实。

2.2 地下水动力特征

矿床地下水流向由南向北，大气降水为矿床地下水的主要补给来源。据钻孔资料，矿床地下水沿陡倾裂隙由深部向浅部运动，产生了由陡变缓的侧向转弯，地下水的运动速度也随着发生变化。由盖层碎斑熔岩和透水性弱的压扭性断裂构造F6、F10构成了半封闭的水文地质环境，水运动交替相对迟缓。钻孔抽水试验表明，单位涌水量为0.023 9～0.051 3 L/（s·m），渗透系数0.202 38～0.258 57 m/d。在F7断裂构造两侧出现13 个涌水孔，其涌水量0.066～0.916 L/（s·m），水头高0.65～12.7 m。

3 地温特征及温热水分布规律

3.1 矿床地温特征

矿床地温是用热敏电阻测温仪实测井液温度实现的，也即地温是孔壁岩温和井液温度的综合反映。根据中科院和华东地质学院联合测温组对静井两年余的ZK76-32 等5 个钻孔测温准稳态测温与稳态测温对比，测温误差与二六一大队准稳态测温结果对比仅高0.5～1.5 ℃［5］。说明矿床井温资料反映地温基本可靠。本文所采用的160 个钻孔的测温资料为准稳态测温。

选择该矿床远离断裂及火山塌陷构造，及邻近矿床不同深度的钻孔测温结果，求得区域上正常地温梯度为3.06 ℃/100 m（表1）。经统计矿床常温带深度为30 m。

根据矿床测温数据，将平均地温梯度大于区域正常地温梯度平均值3.06 ℃/100 m，或孔深300 m（相当于－10 m 标高）井温高于25 ℃定为异常，矿床地温场具如下特征：

1）地温异常的分布与区域性基底断裂及其裂隙导水密切相关

揭穿F邹－石基底断裂（F6、F6′）的钻孔，一般出现相对增高的井温，剖面地温等值线图上出现凸形地温异常，如ZK33-30，孔深225 m处揭穿F6，井温达30 ℃，较同剖面等标高的井温高4～6 ℃，孔深860 m 处的井温60 ℃，平均地温梯度5.24 ℃/100 m，较正常地温梯度高2.18 ℃/100 m。剖面上可以看出，F7和其赋存的地下水对F6起着降温的作用（图3a）。

2）地温异常与火山塌陷构造及其裂隙导水密切相关

火山塌陷构造是邹家山矿床的隐伏构造，埋深200～300 m，由北东向南西逐渐加深，断距长达100～250 m，该构造岩石－晶屑玻屑凝灰岩、凝灰质砂岩受构造力的作用，结构变松，部分厚度变薄，陡峭部位0～15 cm，平缓处5～20 m，变陡部位岩石局部破碎似层间碎裂岩。钻孔揭露该构造，一般有较明显的井温异常或在剖面上出现相对增高的井温，如ZK71-10 孔深780 m 揭露火山塌陷构造，出现涌水，孔口混合水温28.2 ℃，构造处井温46.5 ℃，地温梯度4.00 ℃/100 m，较正常地温梯度高0.94 ℃/100 m。从剖面图看，火山塌陷构造涌水处的井温较同标高的要低，这与靠近F7有关，反映了F7是赋存着相对火山塌陷构造裂隙水温度更低的地下水，对地温起着降温作用（图3b）。

表1 区域正常地温梯度计算结果表Table 1 The calculation results of normal regional geothermal gradient

图3 邹家山铀矿床钻孔地温剖面图（据江西省核工业地质局二六一大队，1993 修改）Fig.3 Geothermal temperature section of boreholes in Zoujiashan uranium deposit

3）地温异常与基底断裂F6和火山塌陷构造的复合密切相关

基底断裂和火山塌陷构造的复合，在邹家山矿床的诸多剖面可见，反映了构造活动的继承性。“复合构造”与地温的关系密切，如ZK31-10（图3c），在－30 m 处揭露次级裂隙带水，涌出孔口的水温19 ℃，至－230 m标高揭露“复合构造”，水温为23 ℃，留孔观测出现了孔口混合水温28.2 ℃的温热水。从该剖面看，存在着阶梯状火山塌陷构造，塌陷断块间的次级裂隙构造发育，沿次级裂隙构造深循环的热水承压上涌，拓宽了地温高场在剖面上的范围宽约700 m。

4）地温分布反映着矿床地下水的补给径流特征

如前所述，随着远离基底断裂（F6）和火山塌陷构造及其复合构造部位，地温有由高（正异常）逐渐变低至正常或更低（负异常）的趋势。低地温反映着浅层地下水（温度低的水）的补给区，浅层冷水运动方向以下渗水流为主，水的运动方向与剖面地温增加的方向一致。靠近F6和火山塌陷构造相对增高的正异常地温，反映温热水的承压径流区，在剖面上温热水承压向上运动，运动方向与地温减小的方向一致。

3.2 矿床温热水的分布规律

矿床温热水测温与地温测温所用仪器及方法基本相同，区别在于温热水测温对象为地下水。邹家山矿床地下水温度为24.3～40.2 ℃，根据《水文地质手册》中的“地下水的温度分类”和“地下热水的温度分类”标准，可称为温热水。其分布具有以下规律：

1）矿床温热水露头的带状性分布

邹家山矿床温热水的分布严格受F邹－石和火山塌陷构造控制，温热水露头呈带状分布于剥蚀构造谷地及其两侧的山坡。水的温度有自F邹－石两侧向中心部位增高趋势，温度变化范围24.3～40.2 ℃。温热水的承压性较弱，水头较低，最高水头高出地表14.46 m。矿床涌水钻孔（泉）的水温一般大于20～25 ℃，最高达34.5 ℃，最大涌水量3.30 m3/h。矿床温热水等水位线的变化与地形等高线基本一致，温热水的流向与地表径流方向基本一致，由南西流向北东。

2）矿床温热水的垂向分布

矿床温热水补给源于大气降水，这已由温热水中氢氧同位素和矿床不同类型的地下水、地表水化学成分及组分间特征所证实［5］。大气降水在经孔隙及断裂构造往下渗透过程中，由于地热增温而不断加热。

依据SiO2的溶解度与水温成正相关和基于水热流体与SiO2的化学平衡关系，采用“特鲁斯德尔”热传导冷却公式计算了温热水的形成温度（表2）。

表2 温热水形成温度计算结果表Table 2 The calculated temperature for the formation of thermal water

式中：C—SiO2的含量，mg/L。

据表2，温热水形成温度为79.6～91.8 ℃，其循环深度按下式计（概）算。

式中：H—温热水形成的深度，m；G—地热增温级，以区域的平均值32.68 m/℃计；TH—相应温热水中SiO2含量形成深度的温度，℃；TB—恒温带温度，取值17.5 ℃；h—恒温带深度，取值30 m。

计算结果，温热水的形成与循环深度为2 092～2 490 m。

据温热水中可溶性SiO2含量计算，循环至2 500 m 深度形成了热水，热水因其密度减小而产生自身浮力，在高势能高密度水的驱动下，沿陡倾角的F邹－石（F6）和火山塌陷构造上升，与浅部断裂构造水及派生次级基岩裂隙带中的水混合，构成温热水循环网络，基底断裂F6和火山塌陷构造是热水上升的主要通道。由于温热水系统中的断裂构造及裂隙构造带在空间展布、物质成分与结构的不同，导致富水性和渗透性差异。

4 矿床温热水对找矿勘查的意义

邹家山矿床地温异常场与温热水呈带状分布，一般宽300～500 m、最宽为700 m，已控制长1 700 m，并继续向南西和北东（北北东）方向延伸。矿床温热水的分布特征、水化学特征及与铀矿化的关系，所表现出的规律与标志，对铀矿找矿工作起着指导的作用。

F邹－石是矿床温热水形成与循环的主要通道，既严格控制着矿床温热水的分布，也制约着矿床地温异常场的展布格局。温热水、地温异常场与铀矿化具空间展布的一致性。因此，构成了“地温法”找矿的地质标志。

矿床温热水以较高的水温和某些组分的高含量区别于其他类型的地下水［8］（表3）。矿床地下水中可溶性SiO2含量≥35 mg/L、F－含量≥1.6 mg/L，这些组分既是温热水出现的重要标志。水中HCO3－≥170 mg/L、Ca2＋≥40 mg/L、矿化度≥0.23 g/L、pH 值≥7.0～8.0，是温热水的化学组分含量值，可作为寻找铀矿的间接标志。

邹家山矿床温热水主要来自大气降水的渗入补给。渗入的通道是裸露于地表或近地表陡倾角张（扭）性断裂，及其旁侧较大的补给区范围内具张性（或张扭性）裂隙构造。大气降水沿裂隙往地壳深部渗入过程中，降水随下渗深度的增加，升温水的溶解能力增强，水的矿化度增高。富含O2及CO2的大气降水淋滤氧化带中的U6＋、F－、Ca2＋等，并沿构造裂隙向下渗透，随着下渗深度的加大温度升高，水中CO2含量增高，并继续淋滤围岩中的各种化学组分，如U6＋、F－、Ca2＋、Na＋、K＋、Fe2＋、H2S 等，为矿体形成提供了充足的成矿物质和还原剂。

水热系统排泄区发生的降温、减压脱气和混合作用等造成铀沉淀富集，形成沥青铀矿、方钍石、萤石、方解石和赤铁矿组合。通过水-岩相互作用，最终形成了富含F、SiO2的含铀热水溶液［9］。水热溶液在其运移、循环过程中，由于物理、化学条件的变化，导致溶液中金属元素含量增高，直到淀积，相山矿田成矿元素U 的淀积，是水热溶液运移过程中水-岩反应的动态、平衡的产物［10］。根据江西二六一大队在相山地区的找矿实践，当温热水中铀含量≥1.04×10-6g/L、氡浓度≥220 Bq/L、镭含量≥3×10-11g/L，是寻找铀矿的直接标志。

运用上述规律性认识与标志，结合地质规律，可对相山地区寻找铀矿床起到了积极作用。如在邹家山铀矿床－90 m 中段等温线图的北东部出现了两个方向的较高温度场，一是沿主干断裂F邹－石断裂向北东断续延伸，反映了该断裂至邹家山并未终止，沿其继续追索仍是找矿的主要方向［11］；二是北北东向的增温带，在该带施工钻孔均见到了工业矿，如ZK9-93 钻孔见矿段累计厚3.40 m、平均品位0.100%。由此说明，地温法找矿在相山地区是一种行之有效的找矿方法。