松辽盆地钱家店铀矿床地浸开采水文地质条件研究

任锦荣，夏毓亮，张振强，林 垚

(1.中核通辽铀业有限责任公司，内蒙古 通辽 028000；2.核工业北京地质研究院，北京 100029；3.核工业二四○研究所，辽宁 沈阳 110032)

钱家店铀矿床位于松辽盆地南部，是中国为数不多的大型砂岩型铀矿床，包括6个矿块。前人对该矿床的研究多集中于成矿条件[1]、成矿特征与成矿作用[2-4]、成矿规律[5]、矿床成因与成矿模式[6]、控矿因素[7]方面；而对地浸开采至关重要的水文地质条件研究较少。2009年对该矿床钱Ⅱ块开展了CO2+O2工艺的地浸开采，生产中对含矿含水层特征和地下水特点、承压水水化学特征、含矿含水层渗透性等进行了大量研究和试验。本研究对有代表性地段的水文地质条件进行总结，以期对该矿床其他块区地浸开采提供指导。

1 地质背景

钱家店铀矿床位于松辽盆地南部，处于开鲁坳陷钱家店凹陷中，如图1所示。

1.1 地层

自下而上分为上白垩统青山口组(K2qn)、姚家组(K2y)、嫩江组(K2n)[8]。青山口组(K2qn)岩性顶部为紫红色粉砂质泥岩，下部为紫红色泥质粉砂岩。姚家组(K2y)下段(K2y1)厚65～70 m，以浅灰色、灰色细砂岩为主，夹少量中细粒砂岩及粉砂岩、泥岩，顶部有厚5～6 m的紫红色泥岩层，为下段与上段的分界线，中下部有厚0.5～4 m的薄层红色泥岩，两层泥岩之间有厚30～40 m的砂体；上段厚65～70 m，以浅灰、灰色细砂岩为主，夹少量中细砂岩及粉砂岩、泥岩，砂岩中夹有多层紫红色泥岩及灰色泥岩薄层或透镜体。嫩江组(K2n)厚30～60 m，以泥岩为主，色暗，含贝类化石，水平层理发育；自下而上粒度变细，下部为细砂岩、粉砂岩夹泥岩，上部以灰、深灰色泥岩为主，夹粉砂岩；泥岩中夹有薄层鲕粒灰岩。

1.2 构造

晚白垩世嫩江运动使得区域构造运动由张性转为压性、压扭性，产生挤压褶皱及断裂[9]。矿床处在乌日吐芒哈隐伏背斜西翼，核部为青山口组，两翼依次为姚家组下段、上段及嫩江组。

断裂构造不太发育。以NNE向断裂为主，NW向断裂次之。1号断裂位于西部，是切穿基底的主要断层，上部倾角一般70～80°，向下渐变为30～40°，延伸距离远(>25 km)、断距大(2 000 m)，1号断裂为控盆构造。2号断裂延伸方向与1号断裂平行，为1号断裂的派生断裂。

1—断裂；2—凹陷；3—盆地界线；4—石油参数孔；5—城镇；6—铀矿床。图1 钱家店铀矿床构造位置Fig. 1 Tectonic location of Qianjiadian uranium deposit

1.3 地形地貌

地形平坦，堆积地形发育，南部和北部为大片的风沙区，风成微地形颇为发育。地形相对高差5～10 m。北西略高，南部略低。地貌以草地为主，局部有小范围沙地及农田。

1.4 矿产资源

主要矿产资源为煤炭和石油，还有铁、锌、钨、铜矿及富含铌、钽、铍、锆等稀有和重稀土矿，还有天然硅砂和石墨矿。

2 矿床水文地质特征

矿体主要赋存于姚家组下段和上段砂体中。矿体形态较简单，主要为板状、似层状[10]；矿体走向NE，倾角2～7°。含矿岩性主要为灰细粒长石砂岩，含中砂细粒长石砂岩；其次为灰色泥质粉砂岩，灰色粉砂质泥岩、泥岩等。

所选水文地质试验段位于钱Ⅱ块区，如图2所示，共4个试验段、9个水文孔。钻孔主要布置在姚家组下段和上段。钱Ⅱ-SW-14C孔为姚家组上段含水层，其余8个水文孔均为姚家组下段含矿含水层(K2y1)，如表1、图3所示。

表1 水文地质试验段所含钻孔及研究对象Table 1 Drill holes and research objects in the hydrogeological test section

1—铀矿孔；2—水文地质孔；3—水文地质试验段及编号；4—水文地质抽水孔；5—水文地质孔(抽水、抽注水时做抽水孔，注水时做注水孔)；6—水文地质孔(抽注水时做注水孔，抽水时做观测孔)。图2 钱Ⅱ铀矿块水文地质试验段平面分布图Fig. 2 Plane distribution of hydrogeological test section of QianⅡuranium ore block

1—第四系；2—上白垩统嫩江组；3—上白垩统姚家组上段；4—上白垩统姚家组下段；5—泥岩隔水层。图3 水文地质试验段水文孔剖面图Fig. 3 Hydrologic hole profile in the hydrogeological test section

2.1 含水层与隔水层划分

矿床可分为4个含水层[11],各含水层之间分布有相应的隔水层，见表2。姚家组上段含水层为姚家组下段含矿含水层的直接上覆含水层，本研究中的含矿含水层指姚家组下段赋存矿体的含水层。

表2 钱家店铀矿床含水层与隔水层Table 2 Aquifer and aquiclude of Qianjiadian uranium deposit

2.2 含水层特征

2.2.1 上白垩统姚家组上段(K2y2)含水层

位于上白垩统嫩江组(K2n)含水层与上白垩统姚家组下段(K2y1)含矿含水层之间。依据钱Ⅱ块13～16试验矿段钻孔揭露和钱Ⅱ-SW-14C孔水文地质试验成果，可知其基本特征如下。

该组含水层岩性以浅灰色、灰色细砂岩为主，局部含薄层灰色、紫红色泥岩、粉砂质泥岩及灰色泥质粉砂岩。该组地层埋深为141.70～170.00 m，厚度为60.20～83.50 m，其间夹2～3层灰色、紫红色泥岩、粉砂质泥岩(厚度2.00～5.00 m)。

据钱Ⅱ-SW-14C孔揭露，该含水层隔水顶板位置为166.30～170.00 m，厚度为3.70 m；岩性主要为紫红色泥岩，隔水性能良好。含水层位置为170.00～231.00 m，厚度为61.00 m；岩性主要为浅灰色细砂岩、灰色细砂岩，夹多层灰色、浅红色粉砂质泥岩。该层位底部仅见铀矿化，没有工业矿体。据该区段水文孔揭露，该含水层的隔水底板位置为218.90～238.20 m，厚度为3.00～5.20 m；岩性为紫红泥岩、粉砂质泥岩，致密，隔水性能良好。

该含水层含水岩石的矿物成分以钾长石为主，少量斜长石或微斜长石；其颗粒多为次棱角次圆状，分选性一般。岩屑多为沉积碎屑。填隙物以泥质为主，其次为粉砂质，见少量铁质、硅质和钙质，泥质分布不均匀；以颗粒支撑、孔隙式胶结为主，局部见泥质呈团块状，杂基支撑，基底式胶结，较疏松。含水岩石颗粒相对比较均匀，含水岩层粉粒+黏土成分一般为7.17%～41.55%，平均为15.50%。

据钱Ⅱ-SW-14C孔揭露，该承压含水层水位埋深较浅，静水位为5.97 m，承压水头为164.03 m，单位涌水量为0.13 m3/(h·m)，导水系数为3.50 m2/d，渗透系数为0.07 m/d，该含水层富水性和渗透性较弱。

2.2.2 上白垩统姚家组下段(K2y1)含矿含水层

根据4个试验段水文孔揭露显示，该组地层在矿床内埋深为218.9～238.2 m，厚度为63.00～71.20 m，平均厚度为65.40 m，部分地段夹2～5层灰色、浅紫红色泥质粉砂岩、泥岩，单层厚度为0.70～2.50 m。

2.2.2.1 含水岩性特征

含矿含水层含水岩性主要为浅灰色、浅红色含粉砂的细-中粒砂岩、中细砂岩、细砂岩，其次为细砂岩和少量粉-细砂岩。其矿物成分以石英、黏土为主，含少量长石、云母，局部含炭屑。宏观上，该含水层砂岩多为厚层状块状构造、水平层理、斜层理、波状层理、交错层理等沉积构造发育。

K2y1含矿含水层岩石以中、细粒成分为主，粗粒成分较少。在试验段的K2y1含矿含水层中共取129件岩石颗粒样品，分析显示均以中细粒成分为主。

2.2.2.2 含矿含水层厚度及其与矿层厚度比值

钱Ⅱ-SW-13～16试验段含矿含水层厚度为48.40～59.80 m(该厚度已剔除含水层中不透水透镜状薄层的厚度)，平均厚度为54.74 m。含矿含水层局部夹有2～5层不透水的透镜状薄层。不透水薄层岩性为紫红色泥岩、灰色泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等。试验段含矿含水层埋深、厚度及其与矿层厚度比值见表3。

表3 试验段含矿含水层埋深、厚度及其与矿层厚度比值Table 3 Buried depth and thickness of ore-bearing aquifer in the test section and its ratio to the thickness of ore bed

2.2.2.3 水位埋深、承压水头

K2y1含矿含水层地下水水位埋深较浅，一般为5.94～13.08 m，静水位标高为147.42～153.16 m，承压水头高度为217.96～372.49 m。

2.2.2.4 水文地质试验参数

依据试验段抽水试验成果，计算出试验段含矿含水层主要水文地质参数，见表4。各试验段钻孔注水试验及抽注水(连通)试验结果见表5、表6。

表4 姚家组下段含矿含水层主要水文地质参数Table 4 Main hydrogeological parameters of ore-bearing aquifer in lower member of Yaojia Fm

表5 试验段钻孔注水试验结果Table 5 Waterflood test results of drillhole in test section

表6 试验段钻孔抽注水试验结果Table 6 Pumping and waterflood test results of drillhole in test section

由于地层岩性、试验段位置不同，4个试验段的主要水文地质参数略有差异。从表4可看出，试验段钻孔单位涌水量为0.080～0.255 m3/(h·m)，导压系数为9.6×104～1.3×105m2/d，储水系数为4.0×10-5～1.6×10-4，导水系数为5.02～8.34 m2/d，渗透系数为0.10～0.15 m/d。

注水试验均在天然状态下进行，均为“一注一抽”试验。从表5、表6可看出，抽水孔单位涌水量与注水试验单位注水量相差不大，表明该含矿含水层富水性、渗透性较弱，导致单孔注液能力有限。

2.3 隔水层特征

2.3.1 非含矿含水层的隔水层

上白垩统嫩江组(K2n)含水层隔水顶板岩石主要为灰色、紫红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩等。埋深一般为167.50～192.20 m；厚度一般为2.00～7.40 m。隔水顶板为灰色、紫红色粉砂质泥岩，厚度为2.20～5.40 m。其隔水底板，即上白垩统姚家组上段含水层隔水顶板，岩性主要为紫红色泥岩，局部为浅红色粉砂质泥岩。据9个水文孔资料，该隔水层埋深一般为167.50～192.20 m，厚度为1.60～3.40 m；岩性为紫红色泥岩、粉砂质泥岩；致密、坚硬，隔水性良好。

2.3.2 含矿含水层的隔水层

上白垩统姚家组下段含矿含水层隔水顶板，即姚家组上段含水层隔水底板，其岩石主要由紫红色泥岩、紫红色粉砂质泥岩、紫红色泥质粉砂岩组成。据9个水文孔资料，其隔水顶板顶面埋深一般为218.90～238.20 m，厚度为3.00～5.20 m；隔水底板顶面埋深一般为292.30～318.50 m，厚度一般为1.50～6.40 m。隔水底板岩石以紫红泥岩为主，局部为紫红粉砂质泥岩，紫红色泥岩，致密坚硬，不透水，隔水性良好。

3 承压水水化学、水文地球化学及放射性水化学特征

3.1 上白垩统姚家组上段(K2y2)承压水

矿床试验段钱Ⅱ-SW-14C孔姚家组上段承压含水层水样的水化学分析结果见表7，承压水矿化度为580 mg/L，pH为7.65，水化学类型为HCO3·Cl-Na型。其水样的水文地球化学指标和放射性水化学指标见表8。承压水Eh为430 mV，溶解氧质量浓度为3.45 mg/L，无H2S，铁离子总量不大，ρ(Fe3+)/ρ(Fe2+)大于1，水中铀质量浓度为4.60 μg/L，水中氡活度浓度为14.72 Bq/L。

表7 姚家组上段含水层承压水水化学特征Table 7 Hydrochemical characteristics of aquifer in the upper member of Yaojia Fm mg/L

表8 姚家组上段含水层承压水水文地球化学及放射性水化学特征Table 8 Hydrogeochemical and radioactive hydrochemical characteristics of aquifer in the upper member of Yaojia Fm

3.2 姚家组下段(K2y1)承压水

钱Ⅱ-SW-13～16试验段8个水文孔12次抽水试验取样分析结果见表9。含矿含水层承压水矿化度一般为3.64～4.89 mg/L，pH为7.15～7.79，其水化学类型为HCO3· Cl-Na型及Cl·HCO3-Na型。

表9 姚家组下段含水层承压水水化学特征Table 9 Hydrochemical characteristics of aquifer in the lower member of Yaojia Fm mg/L

8个水文孔18次定深取样分析见表10。含水层承压水水文地球化学指标Eh为404～429 mV，溶解氧为3.29～4.12 mg/L，无H2S；铁离子总量不大，ρ(Fe3+)/ρ(Fe2+)大于1或约为1；水中铀质量浓度为130.0～312.0 μg/L，水中氡活度浓度为31.56～75.28 Bq/L。姚家组下段含矿含水层承压水处于弱氧化或氧化-还原过渡环境，含矿层水中铀含量一般略高于围岩水中铀含量，其他化学成分及地球化学指标变化不大。

表10 姚家组下段含水层承压水水文地球化学、放射性水化学特征Table 10 Hydrogeochemical and radioactive hydrochemical characteristics of aquifer in the lower member of Yaojia Fm

含矿含水层岩石呈灰色，局部呈灰褐色，褐铁矿化后蚀变现象较明显，其承压水化学特征是矿床在较复杂的水动力地球化学条件下形成的。

4 地浸可行性综合评价

根据含矿含水层及其顶底板隔水层结构和水文地质条件对地浸的影响程度[12-14]，将该矿床地下水水文地质参数与《地浸砂岩型铀矿水文地质勘查规范》(EJ/T 1194—2005)对照，结果见表11。

表11 钱家店砂岩型铀矿地浸水文地质条件评价Table 11 Evaluation of hydrogeological conditions for in-situ leaching of Qianjiadian sandstone type uranium deposit

由表11可知，钱家店铀矿床钱Ⅱ-SW-13～16试验段属于地浸砂岩型铀矿床水文地质条件简单-中等类型，参数评价结果为较有利，基本具备地浸条件。其中水文地质结构、水位埋深、承压水头高度对地浸最有利；单孔涌水量、黏粒含量、岩石分选性、胶结程度、含矿层与非含矿层渗透系数对地浸有利；渗透系数、矿化度较为有利；含矿含水层厚度、岩石粒度、含矿含水层与矿层厚度比值对部分地段有利、部分地段较有利。

钱Ⅱ块西南部地浸开采已成功运行，与钱Ⅱ-SW-13～16试验段水文地质条件具有相似性的地段，地浸开采工艺可供参考。

5 结论

钱家店矿床属于地浸砂岩型铀矿水文地质条件简单-中等类型，水文地质结构、水位埋深、承压水头高度对地浸有利；单孔涌水量、黏粒含量、岩石分选性、胶结程度、含矿层与非含矿层渗透系数比值对地浸有利；渗透系数、矿化度较有利；含矿含水层厚度、岩石粒度、含矿含水层与矿层厚度比值对部分地段有利，部分地段较有利。钱家店矿床基本具备地浸条件。