准噶尔盆地南缘楼庄子-石梯子地区中侏罗统铀成矿水文地质条件

冯世荣，孙潇，贾为卫，胡志伟

（核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011）

20 世纪50—60 年代，前人在准噶尔盆地南缘头屯河流域硫磺沟-庙尔沟地段中侏罗统头屯河组（J2t）发现了硫磺沟、万家窑铀矿点及哈萨坟、浅水河铀异常点。近年来，在准噶尔盆地南缘楼庄子地段发现了楼庄子铀矿产地，显示了楼庄子地段具有良好的找矿潜力［1］。矿产地、矿点及异常点分布于准噶尔盆地南缘天山山前断褶带第一排背斜带内［2-3］。随着楼庄子铀矿产地地质生产工作的进展，以该矿产地为契机是否能够向中侏罗统广泛出露的楼庄子以西至石梯子地区拓展引起了地质工作者关注。楼庄子矿产地钻孔岩心比较完整而且孔口高程高于当地侵蚀基准面头屯河，其含矿层及其围岩的透水性及含水性如何有待于研究。本文利用研究区煤田水文地质及铀矿勘查钻孔资料，尝试从水文地质角度对其进行综合整理、编制图件及分析研究，针对楼庄子以西至石梯子地区拓展和楼庄子矿产地含矿层及其围岩的透水性及含水性问题进行初步探索。

1 地质背景

1.1 地层

研究区中—新生界地层从三叠系到新近系出露齐全，为陆相沉积岩建造（图1）。

图1 楼庄子-石梯子地区中—新生界水文地质综合柱状图Fig.1 Comprehensive hydrogeological column of Mesozoic-Cenozoic stratums in Louzhuangzi-Shitizi area

三叠系中—下统为紫红色夹灰绿色砾岩、砂岩及泥岩；中—上统为灰色、灰黄色及灰绿色砂岩、泥岩及炭质泥岩夹菱铁矿结核。侏罗系中—下统为灰色、灰绿色砾岩、砂岩、泥岩夹煤层，为含煤建造；中—上统为灰色、灰绿色、褐色、褐红色、紫红色砾岩、砂砾岩及泥岩。白垩系下统为灰色、灰绿色、黄绿色、紫红色及棕红色砾岩、钙质砾岩、砂岩及泥岩；上统为棕色、灰红色、砖红色砾岩夹红褐色砂质泥岩、砂岩、粉砂岩，富含钙质及少量钙质结核。古近系为灰色、灰绿色、紫红色、褐红色、浅褐红色相间的砾岩、砂岩及泥岩沉积。新近系以褐色、褐红色、棕红色、棕黄色为主及灰色、灰绿色为次的砾岩、砂岩及砂质泥岩建造。第四系为冲洪积砾石、砂，风成砂、黄土，砂质粘土。

1.2 构造

研究区位于天山造山带与准噶尔地块的接触带［4］，海拔高程低于2 000 m，属于次造山带（图2）。从图上分析，研究区北部为狭窄呈雁形排列的背斜构造带，同时遭到了逆冲断裂构造破坏。中南部为南翼宽阔北翼狭窄的向斜构造。东部则为博格达晚古生代裂陷槽向西延伸的郝家沟凸起［5］。因其持续抬升和向西挤压在近东西方向形成了较为宽缓凸凹相间的构造形态，可能是造成了诸如呼图壁河、三屯河及头屯河河谷向东位移的主要原因，也是局部改变地下水动力场形态的因素之一。断裂构造主要有两 组［5］，即F1和F2。F1呈北西西—南东东走向，具有压扭（左旋）性质，北盘向北西平移（或走滑）。F2呈近东西展布，基本上沿着背斜带发育，具挤压性质，上盘向南逆冲推覆，对背斜造成了破坏。

图2 楼庄子-石梯子地区构造简图Fig.2 Structural sketch of Louzhuangzi-Shitizi area

研究区中—新生代地层中存在以下3 个不整合构造面［6］：

第一，下白垩统清水河组（K1q）与上侏罗统喀拉扎组（J3q）之间的不整合面。区域上属于角度不整合面，但仅在呼图壁河观测到了这种现象，与下伏层位夹角小于10°。

第二，古近系紫泥泉子组（E1-2z）与上白垩统东沟组（K2d）之间的不整合面。区域上属于角度不整合面，与下伏地层夹角也小于10°。

第三，新近系独山子组（N2d）与塔西河组（N1t）之间。区域上他们属于整合接触，但是在头屯河流域的硫磺沟-庙尔沟段为角度不整合面，而且具有超覆现象，与下伏地层夹角大于10°。上覆独山子组（N2d）也向北倾斜，倾角小于10°。通过这一现象可以初步做出如下判断：在独山子组（N2d）沉积之前，研究区的构造格局基本形成或定型；独山子组（N2d）沉积之后，该地区以抬升为主，同时伴生着地层的倾斜，并且遭受了强烈的剥蚀作用。

总之，由于上述构造因素的影响，造成了侏罗系沿着天山造山带北缘呈狭窄带状出露地表，并且形成了南高北低的地形地貌特征，也遭受了较强褶皱及断裂变形。在现今构造格局形成之前，也就是在独山子组（N2d）沉积之前，虽然在中—新生界存在两个角度不整合构造面，但是他们的上覆层位与下伏层位的夹角都小于10°，因此该地区总体呈单斜构造带，地下水在露头区接受补给，然后向北径流排泄，具有完备的地下水补给、径流、排泄的水动力机制，有利于地下水持续不断地补给、径流及交替。而形成之后，也就是在独山子组（N2d）沉积之后，以强烈抬升运动为主侧向掀斜为辅，特别是研究区北部的背斜构造不断隆起及遭受逆冲断裂的破坏，使其水动力场遭到了破坏，向北径流的速度及水交替强度减弱甚至停止，出现了南部露头区即使有充足的水源也补给不到含水层的不利局面。

2 楼庄子-石梯子地区水文地质条件

2.1 自然地理概况

研究区地势南高北低，南部山区海拔2 700～3 400 m，北部平原区海拔750～1 000 m，相对高差较大，河谷切割强烈，多形成下切较大的“V”字型河谷。属于大陆性干旱气候，年平均气温7.2 ℃，年最高气温39.4 ℃，最低气温−31.4 ℃。年平均降雨量193.6 mm，年平均蒸发量1 755.8 mm，年平均无霜期164 天。6～8 月为雨季，每年10 月中、下旬开始结冰，翌年3 月中、下旬开始解冻，多年平均风速2.1 m/s。

区内河流近南北向，从南向北径流，从东向西有乌鲁木齐河、头屯河、三屯河、呼图壁河、塔西河、玛纳斯河等。其特征值见表1［7］。由表1 分析可见，研究区内的河流年平均最小径流量基本上都大于（1×108）m3，并为常年性河流，水源相对充足。

表1 研究区主要河流1956—2000 年径流量特征值Table 1 The characteristic runoff-values of main rivers in the study area in 1956—2000

2.2 含水岩组基本特征

依据楼庄子-石梯子地区中新生界出露、钻孔揭露及水文地质特征将中新生界划分为以下含水岩组及含水亚岩组（图1）：

三叠系含水岩组（T），划分为两个亚岩组：即仓房沟群含水亚岩组（TⅠ）和小泉沟群含水亚岩组（TⅡ）。含水层一般位于每个亚岩组下段或底部，由砾岩及砂岩组成。

侏罗系含水岩组（J）划分为6 个亚岩组：即八道湾组含水亚岩组（JⅠ）、三工河组含水亚岩组（JⅡ）、西山窑组含水亚岩组（JⅢ）、头屯河组含水亚岩组（JⅣ）、齐古组含水亚岩组（JⅤ）及喀拉扎组含水亚岩组（JⅥ）。含水层一般位于每个亚岩组下段或底部，由砾岩及砂岩组成。其重点是西山窑组含水亚岩组（JⅢ）和头屯河组含水亚岩组（JⅣ）。

白垩系含水岩组（K）划分为5 个亚岩组：即清水河组含水亚岩组（KⅠ）、呼图壁河组含水亚岩组（KⅡ）、胜金口组含水亚岩组（KⅢ）、连木沁组含水亚岩组（KⅣ）及东沟组含水亚岩组（KⅤ）。含水层一般位于每个含水亚岩组的下段或底部，而东沟组含水亚岩组含水层主要位于中下段，由砾岩、砂砾岩及砂岩组成。

古近系含水岩组（E）划分为紫泥泉子组含水亚岩组（EⅠ）、安集海河组含水亚岩组（EⅡ）及沙湾组含水亚岩组（EⅢ）3 个亚岩组。含水层位于每个含水亚岩组的下段或底部，由砾岩、砂砾岩及砂岩组成。

新近系含水岩组（N）划分为塔西河组含水亚岩组（NⅠ）和独山子组含水亚岩组（NⅡ）。含水层由砾岩、砂砾岩及砂岩组成，厚度较大，稳定性较好。

第四系含水岩组（Q）分布于工区北部及东部。含水层为冲洪积砾石及砂，局部厚度较大，较为稳定。

2.3 构造对地下水动力条件的影响

根据现有资料分析及综合整理，编制了中侏罗统地下水水位等高线图（图3）。从图上分析，总体上中侏罗统地下水由南向北径流。但是，由于天山造山带的强烈抬升及郝家沟凸起隆升向西挤压，造成了研究区河床的中上游切割强烈，相对高差可达800 m，也导致本区河流中上游地下水由河谷间向河床径流。

图3 楼庄子-石梯子地区中侏罗统地下水等高线图Fig.3 Contour of groundwater level of Middle Jurassic in Louzhuangzi-Shitizi area

北西西—南东东向F1断裂组，具有左旋特征，对两盘地下水动态有影响，造成两盘地下水存在水位差。其北部背斜构造带隆起于地表之上（相对高差可达500 m），又叠加了阻水逆冲断裂破碎带，形成了一道天然地下水阻水构造带，改变了之前地下水动力场状态，减缓了地下水径流速度，降低了地下水交替强度。在中南部向斜构造，同样减缓或阻止了向斜区域地下水径流速度及水交替强度。总之，该区域现今构造形态延长了研究区地下水交替周期或者迫使地下水交替停止，较大地影响了地下水的补给、径流及排泄，即出现因排泄不畅通导致研究区在补给“窗口”有充足的水源也补给不到含水岩层中的不利局面。

在东部，显然郝家沟凸起的抬升并向西延伸，造成研究区近东西向形成宽缓凸凹相间构造形态，影响到了研究区地下水动力场特征，改变了这一区段河床之间的地下水转向河床排泄，不利于含氧含铀水向含水层的持续补给及铀矿化的持续发育。

通过上述构造格局和地下水动力状态分析，推测在独山子组（N2d）沉积之前，该区域地下水应顺着地层倾向由南向北径流，有利于地下水径流及交替，有利于含氧含铀水及铀矿化滚动式向前不断迁移，为铀的持续富集形成工业矿床创造良好的条件［8-9］。但形成之后，由于受北部背斜阻水构造带以及东西向宽缓背、向斜不断抬升运动的影响，阻碍或改变了地下水向北径流的地下水动力环境，减缓或阻止了含水砂体后生氧化蚀变及砂岩型铀矿化的发育。

2.4 地下水化学特征

研究区中侏罗统含水岩组地下水化学图显示，中侏罗含水岩组地下水矿化度沿着整体径流方向增高幅度较大；水质类型从硫酸·重碳酸型演化为氯化物型，演化较快。地下水pH值为7.27～12.27，为碱性水、弱碱性水（图4）。有氧参与时，则有利于铀的活化及迁移［10］。

综合分析，上述地下水化学特征可间接地证实：由于存在着背斜构造，阻水构造带又叠加了东西向宽缓背、向斜构造，减缓或阻止了地下水的径流及交替，造成水岩接触时间延长，迫使地下水沿着其整体径流方向矿化度快速增高、加快了水质类型演化。易溶的碱金属、碱土金属及卤素元素等容易发生水岩之间的物质交换，就造成了地下水中碱金属离子和氯离子富集。该地区地下水化学特征，也揭示现阶段不利于地下水交替，减缓了氧化剂及铀的带入［11］，不利于含水岩组砂体的后生氧化蚀变及砂岩型铀矿化的持续富集。

总之，研究区位于中低山区，年降水量充沛，常年性河流发育，地下水的补给水源丰富。中侏罗统含水岩组结构较合理，有利于地下水补给-径流，具备层间氧化带砂岩型铀矿化的发育及不断富集成矿的水文地质条件。但是，由于构造因素的影响改变了这一有利条件；在独山子组（N2d）沉积之前，研究区属于单一的单斜构造形态，地下水动力条件对砂岩型铀矿富集成矿有利［12］；而独山子组（N2d）沉积之后，由于北部背斜阻水构造带的形成，则不利于铀矿化持续富集。这一推论也被研究区地下水水化学特征间接证实。同时，由于研究区南部地势较高，切割剥蚀较为强烈，对层间氧化带及砂岩型铀矿的发育影响较大［13］，是找矿中不得不考虑的因素。

3 楼庄子铀矿产地透水性及含水性

楼庄子铀矿产地位于昌吉市硫磺沟镇楼庄子村西北约5 km 处，已经发现了多个工业钻孔，是近几年发现的具有良好成矿潜力地段。其含矿层及其围岩的透水性及含水性引起了关注。

3.1 含矿层透水性分析

为了解含矿层及其围岩的透水性，在楼庄子矿产地的一些钻孔中采集了少量孔隙度及渗透率样来初步评价矿产地含矿层及其围岩的透水性，测试结果见表2。

从表2 可以看出，采集的样品基本上为粗砂岩，测试结果与岩石粒度关系较小。从图5可以明显看出，当孔隙度＞15% 时，渗透率＞（100×10-3）μm2，换算的渗透系数＞0.1 m/d；当孔隙度＜15%时，渗透率＜（50×10-3）μm2，换算的渗透系数＜0.02 m/d，降低非常明显；均表明含矿层及其围岩是透水性，但其透水性有强弱之分。影响透水性强弱的因素有：一是孔隙中填隙物含量的高低。填隙物含量低，孔隙度大，渗透率高，透水性好；含量高，孔隙度小，渗透率低，透水性弱。二是砂岩的分选性及磨圆度。分选性及磨圆度好则渗透率高、透水性好；差则渗透率低、透水性差。三是不合理的采样位置选择影响到了对含矿层及其围岩透水性的评价。如果样品采集于达到工业意义的矿段及其围岩中，则渗透率高，透水性好；然而采集于薄层的矿化异常段及其围岩或接近泥岩夹层中，则渗透率低，透水性弱。

图5 楼庄子矿产地砂岩孔隙度与渗透率关系Fig.5 The relation diagram of sandstone porosity and permeability in Louzhuangzi ore field

经对比分析，上述渗透率参数高的样品，如ZKA51 及ZKA31 等钻孔采集的样品，一般位于工业矿段的围岩或稳定疏松分选性好的砂岩中。而渗透率参数低的样品则采集于薄层的矿化异常段及其围岩或接近泥岩夹层中，如在ZKA61 钻孔采集的3 个样品：KSA61-1 采集于异常段上部的薄层细砂岩中，KSA61-2 采集于两层薄层矿化段之间，KSA61-3 采集于薄层矿化段的下翼，在工业矿化段及其围岩内并没有采集样品。因此样品采集位置是造成该孔样品测试数据偏低的主要原因。从以上分析可知，砂岩透水性强弱是上述3 个因素综合的结果，但前两个是客观因素，而后者为主观因素［14］。总之采样位置的选择对含矿层及其围岩透水性的评价影响较大。客观合理地选择样品采样位置所获得的水文地质参数数据，不仅可以对含矿层或含矿围岩透水性做出客观评价，而且可以用于将来地浸试验块段选择及其评价工作［15］。

总之，通过对上述含矿层及其围岩渗透性参数的测试分析，认为楼庄子铀矿产地含矿层或含矿围岩是透水的，只不过透水性具有强弱之分。偏低的数据主要是因为采样段的选择引起的。因此，在采集钻孔岩心孔隙度渗透性样品时应注意对采样段的合理选择。

3.2 含矿层含水性分析

楼庄子铀矿产地地势较高（大于1 300 m），距离含矿层的露头区较近，约2～3 km。并且露头区高于当地侵蚀基准面100 m 以上（头屯河河谷）。因此，认为含矿层及其围岩可能不含水。由于煤田抽水试验段选择的特殊性，也不能简单地利用已有煤田水文孔参数进行含矿层及其围岩的含水性评价。但可通过剖面图的形式说明含矿层及其围岩是否含水。ZK45-5 号和ZK50-4 号水文地质钻孔，分别位于楼庄子铀矿产地以南0.4 km 和1.5 km 处。其头屯河含水亚岩组（JⅣ）地下水位分别为156.40 m 和182.85 m（图6）。

图6 楼庄子铀矿产地含矿层与地下水水位关系Fig.6 The relation of ore-bearing strata and groundwater level in Louzhuangzi ore field

从图6 可以明显看出，楼庄子铀矿产地由南向北地下水从层间无压水向承压水转变，其含矿层及其围岩位于层间承压水分布区，而且承压水头可达到100 m 或100 m 以上。据此，楼庄子铀矿产地位于层间承压性含水层中，矿产地的含矿层及其围岩是含水的。影响含水性的主要因素有砂岩的粒度、分选性、磨圆度、填隙物的含量及疏松度。而含水性如何，有待于针对含矿层及其含水围岩采用其他工作方法确定。

总之，初步认为楼庄子铀矿产地含矿层及其含水围岩既透水也含水，只是透水性有强弱、含水性有富弱差别。砂体中的填隙物含量低、粒度大、分选性磨圆度好及砂体疏松含水性就丰富、透水性就好，反之亦然。

4 结论

经过对研究区构造格局、水文地质条件及楼庄子矿产地水文地质参数分析研究认为：

1）新近系独山子组（N2d）沉积之前，楼庄子-石梯子地区地下水动力条件对于层间砂体的后生氧化蚀变及砂岩型铀矿化发育是有利的。但是在新近系独山子组（N2d）沉积之后，由于北部背斜阻水构造带的再次强烈隆升，减缓或阻止了地下水的径流速度及水交替强度，使含矿砂体后生氧化蚀变及铀矿化向前滚动式发育减缓或停止，又叠加了强烈切割剥蚀作用是对后生氧化蚀变及砂岩型铀矿化发育不利的。

2）认为楼庄子铀矿产地的含矿砂体是含水的也是透水的，只是同一层巨厚砂体不同层段的含水性及透水性有差异。

3）认为以楼庄子铀矿产地向西至石梯子一带，地下水动力条件有利于层间氧化带及铀矿化的发育，并在该带局部地段的中侏罗统中已发现黄色、浅红色氧化蚀变砂岩，建议加强对这一地区层间氧化带及铀矿化的研究和开展部分地面调查及钻孔查证等探索工作。