棉花坑鈾礦床地熱水文地球化學(xué)條件及成因研究

方曉騏,祁家明,曹豪杰,唐仕堯

（核工業(yè)二九〇研究所，廣東 韶關(guān) 512029）

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地熱背景

棉花坑鈾礦床地處廣東省仁化縣長江鎮(zhèn)境內(nèi)，位于閩贛后加里東隆起西南緣與湘、桂、粵北海西-印支坳陷的結(jié)合部東南緣的諸廣南部巖體中部。區(qū)內(nèi)出露的主要巖性為中?；◢弾r，巖石結(jié)構(gòu)致密堅硬，裂隙不發(fā)育，其含水性極微弱，僅地表風(fēng)化帶中含弱的基巖風(fēng)化裂隙潛水。

諸廣巖體南部內(nèi)斷裂構(gòu)造具有多向性、規(guī)模大、活動頻繁、性質(zhì)多變和等間距分布的特點，這是巖體內(nèi)能形成多個大型鈾礦床的重要因素。主要構(gòu)造有NWW向棉花坑斷裂帶和NE向油洞斷裂帶2組，而礦床直接充水斷裂帶為棉花坑斷裂帶（圖1）。

圖1 棉花坑礦床地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map of Mianhuakeng deposit

棉花坑斷裂：在地表呈現(xiàn)出“V”形溝谷，產(chǎn)狀：走向60°～70°，傾向SE，傾角75°～80°，主要由糜棱巖和碎裂花崗巖所組成的破碎帶，發(fā)育中等至強絹云母化、綠泥石化和硅化，說明北東斷裂活動具有多階段性［1］。根據(jù)斷裂帶擦痕方向說明，棉花坑斷裂帶早期為壓扭性質(zhì)的斷裂帶；而根據(jù)礦脈的錯移方向看，成礦后期形成了張扭性質(zhì)的斷裂帶。

2 區(qū)域地下水類型

沿棉花坑斷裂帶發(fā)育的地下水含水類型有風(fēng)化殼網(wǎng)狀裂隙-孔隙水、花崗巖區(qū)斷裂構(gòu)造裂隙水和基巖裂隙水3種：

風(fēng)化殼網(wǎng)狀裂隙-孔隙水：賦存于花崗巖風(fēng)化帶中，受地形切割強烈影響，地表溪流及河谷發(fā)育，有利于地下水運移，對裂隙潛水和構(gòu)造裂隙水具有一定的補給作用。

花崗巖基巖裂隙水：區(qū)內(nèi)巖性單一，主要為中粒黑云母花崗巖，由于巖石致密堅硬，賦存條件較差。

花崗巖斷裂構(gòu)造裂隙水：構(gòu)造裂隙水主要賦存在成礦后的石英脈晶洞、硅化碎裂巖及碎裂花崗巖的張性裂隙中，富水程度不均，自上而下減弱。其淺層冷水水質(zhì)類型主要為HCO3—Ca·Na型水，深部熱水水質(zhì)類型主要為HCO3—Na型水，礦化度最高達0.3 g·L-1，p H值6.7～7.6。

3 研究區(qū)水文地球化學(xué)特征

3.1 研究區(qū)水文地球化學(xué)特征

圖2 研究區(qū)水樣取樣分布圖Fig.2 Map showing the water sampling location in the study area

通過對礦區(qū)周邊的水體水化學(xué)取樣得到的分析結(jié)果，地下熱水水化學(xué)類型主要為HCO3—Na，地表水及泉水化學(xué)類型主要為HCO3－Na·Ca。棉花坑深部基巖裂隙熱水接受大氣降水補給后，在裂隙中徑流時間長，巖石中各種礦物成分導(dǎo)致地下熱水中各種離子及礦化度相比泉水及地表水高；而地表水及泉水分布在礦區(qū)溝谷處，受大氣降雨直接補給，因此礦化度相對較低。

由圖3水化學(xué)Piper圖可將研究區(qū)地下熱水及其補給區(qū)的地下冷水分為3組。分別為：棉花坑鈾礦床地下熱水，礦床附近出露的泉水及補給區(qū)的地表冷水。

圖3 研究區(qū)地下水水化學(xué)Piper三線圖Fig.3 Hydrochemistry Piper diagram of groundwater in the study area

表1 研究區(qū)水質(zhì)離子摩爾百分數(shù)一覽表Table 1 A list of water quality molar percentages in the study area

A組為來自棉花坑鈾礦床地全身下熱水，主要為賦存于NE向的棉花坑斷裂全身帶的構(gòu)造裂隙水。水化學(xué)類型多為HCO3—Na型水。其水化學(xué)組分相似。水中主要離子為和Ca2+，陽離子含量大小排序為Na+＞Ca2+＞K+，陰離子含量大小排序為＞Cl-。

B組為研究區(qū)礦床附近出露的泉水。水化學(xué)類型主要為HCO3—Ca·Na型水。水中主要離子為、Ca2+、Na+，陽離子含量大小排序為Ca2+＞Na+＞K+，陰離子含量大小排序為＞Cl-。

C組為補給區(qū)的地表水。水化學(xué)類型主要為HCO3—Ca·Na型水。水中主要離子為、Ca2+和Na+，陽離子含量大小排序為Na+＞Ca2+＞K+，陰 離 子 含 量 大 小 排 序 為＞Cl-。

3.2 地下熱水化學(xué)特征分析

地下熱水偏硅酸含量超過地表水和泉水約4～8倍［5］，是由于分布較廣的花崗巖中往往含硅較高，且棉花坑斷裂帶規(guī)模較大，往深部延續(xù)性較好，儲水空間較為可觀，有充足的時空條件。地下水徑流緩慢，循環(huán)途徑較長，是地下水中偏硅酸等離子遷移富集的有利條件。

雖然地下熱水與淺層地下水、泉水等補給來源都為大氣降水，礦物組分差異可以看出，經(jīng)過巖層的深層滲濾作用，礦物組分發(fā)生了改變，主要差異陽離子主要為Ca2+，陰離子為HCO3-、SO42-，應(yīng)是由于地下水在徑流作用下，溶濾出構(gòu)造帶內(nèi)富集的各種礦物導(dǎo)致，該指標的差異性顯示出地下熱水更易溶濾出巖層中的礦物組分，可能對深部找礦具有一定的指導(dǎo)意義。

3.3 熱儲溫度計算

地熱溫標類型很多各種溫標都有其適用條件，根據(jù)地熱田的具體條件選用。K/Mg地熱溫標代表不太深處熱水貯集層中的熱動力平衡條件，尤其適用于50～300℃中低溫地熱系統(tǒng)，這時液體與宿主巖體的全部礦物組合之間并未達到平衡〔2〕，根據(jù)《地熱地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010）附錄A可知計算方法為：

式中：C2—水中鉀的濃度，mg·L-1；C3—水中鎂的濃度，mg·L-1。該式代表不太深處熱儲層中的熱動力平衡條件，適用于中低溫地熱田。

根據(jù)以上水化學(xué)資料計算，研究區(qū)地熱水K/Mg地球化學(xué)溫標估算的棉花坑斷裂帶中熱儲溫度為67.78℃，井口涌水實測水溫為46℃，考慮淺層冷水混合作用，孔深377 m鉆孔實測溫度為51℃，因此使用的K/Mg地球化學(xué)溫標估算的熱儲溫度接近于井底實際情況。地下熱水的Na+、K+含量均高于泉水及地表水，Ca2+、和含量明顯高于地下冷水，而Cl-濃度為3.04 mg·L-1，低于其他泉水，常規(guī)組分含量的差異顯示出地下熱水與上部冷水交換并不頻繁，而偏硅酸含量遠遠高于地表水及泉水表示地下熱水活動緩慢且滯留時間長，溫度較為穩(wěn)定。

4 地下熱水成因探討

1）區(qū)內(nèi)地下熱水來源于大氣降水，補給區(qū)位于棉花坑河上游至南山一帶海拔650～1150 m的區(qū)域［5］，地表水易通過風(fēng)化花崗巖裂隙及斷裂帶中基巖裂隙所形成的通道滲濾，再經(jīng)于下部的熱源混融增溫再運移或通過熱傳導(dǎo)使含水體受熱，使較冷的地下水變?yōu)闊崴?/p>

2）礦床內(nèi)地熱源主要是分散在巖體中的熱量。礦床內(nèi)侵入燕山早期的巖體復(fù)雜多變，從另一角度闡明了該區(qū)域內(nèi)巖漿活動強烈，熱源深度較大且向深部延伸。地下熱水中硫酸根離子含量的增高，說明地下水與巖體在深部產(chǎn)生水/巖（在熱能的驅(qū)使下）交換，巖體余熱提供了熱源。

3）棉花坑鈾礦床附近斷裂帶多屬壓扭性斷裂帶，對儲水導(dǎo)水是不利的，但棉花坑斷裂帶切割了一組SN向構(gòu)造蝕變斷裂帶產(chǎn)生構(gòu)造復(fù)合，斷裂發(fā)生轉(zhuǎn)折，在斷裂發(fā)生偏轉(zhuǎn)的部位可能具有張性或張扭性，從而產(chǎn)生地下水通道。而根據(jù)棉花坑鈾礦床涌水孔位置來看，多集中在北部，即棉花坑斷裂與SN向構(gòu)造帶的區(qū)域構(gòu)造交匯部位附近，驗證了深部交匯部位可能具有張性，為地下熱源提供儲水空間。

4）棉花坑礦區(qū)地熱系統(tǒng)是一個在花崗巖巖體中發(fā)育起來的裂隙介質(zhì)深循環(huán)對流型地熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要熱源為巖石熱能，在正常的區(qū)域熱背景下，深部受到加熱的地下水就會上升，而溫度較低地下水則會下降和側(cè)向運動以填補空位，運動至深部受到加熱后再上升，形成地熱循環(huán)。在由補給區(qū)地下水通過棉花坑斷裂帶內(nèi)的深循環(huán)將地殼深部的熱量帶至排泄區(qū)，儲存于棉花坑斷裂帶深部硅化帶晶洞、裂隙中，形成礦區(qū)的中低溫熱水資源。

圖4 棉花坑礦床深部地下熱水概念模型剖面示意圖Fig.4 Conceptual model for deep underground hot water in Mianhuakeng deposit

5 結(jié)論

1）棉花坑地下熱水的形成是大氣降水以棉花坑斷裂帶為補給通道，經(jīng)過長時間的徑流作用到達深部熱源，受到巖石熱能交換加熱，并儲存于構(gòu)造復(fù)合部位，鉆孔揭露后涌出。

2）棉花坑礦床地下熱水水化學(xué)類型與地表水及大氣降水區(qū)別明顯，主要體現(xiàn)于偏硅酸離子、硫酸根離子及重碳酸根離子濃度異常，初步判別為地下水在經(jīng)過漫長的滲流下，在熱能的驅(qū)使下溶濾出巖石的常量組分所致，且徑流時間長，地下熱水層位穩(wěn)定。

3）根據(jù)K/Mg溫標計算得出棉花坑礦床熱儲溫度為67.78℃，與鉆孔涌出熱水對比，由K/Mg溫標計算得出的熱儲溫度較為可信，K/Mg溫標計算方法適用于該地區(qū)熱儲溫度的計算。