相山矿田西部温热水分布规律及地温场特征

2013-03-26饶贤华周良卿

东华理工大学学报(自然科学版) 2013年2期

饶贤华，周良卿

(江西省核工业二六一大队，江西鹰潭 335001)

相山矿田西部是相山铀矿主要成矿区域，矿田内已探明的三个大型矿床有二个(即邹家山、居隆庵铀矿床)在西部，还有若干个中、小型矿床。通过近几年来在该区勘查发现，深部存在有开采价值的工业矿体，资源量仍在不断扩大。20世纪六、七十年代在邹家山铀矿床勘查期间，发现矿床内有温热水(温热水的温度范围是依据《地热资源地质勘探规范》(GB11615-89)确定)，对矿床开采构成热害。矿山开采之初，在邹家山铀矿床(简称邹家山矿床，下同)－90 m中段有一涌水点(ZK19-20)水温达50℃，证实了该矿床确实存在温热水。热害造成的原生环境问题是影响本区采矿活动的主要因素之一。查明温热水的形成机理及分布规律是环境地质工作的主要任务。

1 地质概况

1.1 自然地理

相山矿田西部位于江西省乐安县湖溪乡。该区属赣中亚热带温暖潮湿多雨区，年均降雨量大于年均蒸发量。地貌为火山岩组成的中等切割剥蚀中低山区，山脊走向以南北向为主、北东向为辅，地形总体是东高西低、南高北低。区内地形切割厉害，坡度较陡，地表径流条件良好。

1.2 地质概况

西部地层、岩石由基底和盖层两部分组成。基底为震旦系千枚岩、云母石英片岩;盖层主要为上侏罗统鹅湖岭组的碎斑熔岩(J3e2)、打鼓顶组的流纹英安岩(J3d2)组成。

区内基底构造根据布格重力异常和磁测△T异常的推断解释，主要由东西向、北东向和南北向三组构造组成。最主要的东西向基底构造为戴坊—相山断陷带，北东向基底构造是在加里东期形成的遂川断裂的次级构造，如莲塘—邹家山—石洞断裂等。南北向基底构造有河元背—沙港断裂等。

区内的盖层构造以继承式华夏系断裂为主，火山塌陷构造、褶皱构造次之。盖层中的北东向断裂有芜头—小陂、邹家山—石洞压扭性断裂破碎带等，北西向断裂有书堂—济河口张扭性断裂带、河元背—石洞张扭性断裂破碎带等①刘牛明，李芳，章高福，等.2010.江西省乐安县居隆庵铀矿床44～70线详查地质报告.。

2 温热水形成机理与分布规律

20世纪六、七十年代，邹家山矿床部分涌水钻孔中发现孔口水温达23～29℃，之后对ZK31-10、ZK31-16两孔联合抽水过程又发现随着抽水时间的延续，水温呈上升趋势，最高达38℃②。随着勘查工作的深入，沿邹家山小溪两侧陆续又出现部分水温较高的涌水钻孔。而小溪正好位于邹家山—石洞断裂之上，通过进一步工作发现温水与构造关系密切。期间，西部地区其它矿床也出现了一些水温在25℃左右的涌水孔。从上述资料可知，在相山矿田西部除邹家山矿床有温热水外，其它矿床是否也有温热水存在?答案不确定。因此，本次选择西部地区三个在平面上大约呈东西向排列、勘探深度大的矿床(即邹家山、居隆庵、牛头山矿床)的地质、水文地质及井温测井等资料进行分析、对比及综合研究。认为本区温热水的形成条件主要有以下五个方面。

图1 相山矿田西部矿床分布示意图Fig.1 The distribution of the west Xiangshan orefield

2.1 地形地貌

矿田西部根据地形地貌及水文地质单元划分的面积确定，邹家山矿床的汇水面积达约3.5 km2，居隆庵矿床汇水面积约1.1 km2，牛头山矿床汇水面积约1.2 km2，汇水面积邹家山矿床具西部各矿床之首。以邹家山—石洞断裂构造裂隙水为代表构造裂隙含水带在邹家山矿床内形成了一个由补给、径流、排泄区逐渐过渡的完整水文地质单元。大量的地表水渗入地下为温热水提供了源源不断的水源，得天独厚的地貌条件，为地下水的下渗、运移、循环，最后形成温热水创了有利条件。

2.2 岩性

据统计资料，赋存温热水的铀矿床围岩多数为硅质板岩、花岗岩和火山岩。而本区盖层为火山岩，主要岩石以碎斑熔岩和流纹英安岩为主，这两种岩石中的铀平均丰度分别为8.59 mg/L、7.01 mg/L。岩石中放射性元素含量和岩石的密度(ρ)决定了岩石放射性元素的生热率(A)，岩石生热率用近似公式计算，结果见表1。根据三个矿床和相山第一深钻(终孔深度2 818.88 m)的相关地质资料，统计出盖层各岩石层厚(d)及基底岩石层厚(d)，按生热量g=A×d可得出各岩石放射性元素的生热量(见表2)③潘启昌.1977.6122矿床温水赋存条件的认识(科研报告).。表中结果显示，岩石中的热主要来自深部基底变质岩，其次是盖层的火山岩—碎斑熔岩和流纹英安岩。另据有关地质工作者的研究，邹家山矿床绿泥石的形成温度为217.64～295.30℃(章卫星，2007)。绿泥石是一种脉石矿物，同时作为中低温、中低压环境中稳定存在的矿物，多赋存于岩石裂隙和蚀变带中，它反映了成岩后到绿泥石形成之前岩石中的温度仍然很高。居隆庵矿床ZK40-11地质水文孔，抽水前与抽水后测得井温资料显示，抽水后测得井温要比抽水前高8.7～9.2℃(表3，图2)，说明火山岩体内的碎斑熔岩内热是引起井温增高变化的主要因素之一。

2.3 构造

邹家山矿床构造发育，北东向占主导地位的邹家山—石洞断裂是由F1、F6、F7及F10等一组大致平行的主干断裂组成，具多期活动的特点，晚期表现为压扭性。单条断裂规模不大，多条断裂呈尖灭再现或尖灭侧现所组成的断裂带，在其两侧裂隙构造发育，整体断裂构造规模大，宽度可达300 m，延展长度大于10 km。不但是盖层构造，又迁就利用了基底中的老构造，具有明显的继承性特征，故又称为基底构造。并与火山塌陷构造多以归并，交接(或穿插)的形式复合，形成的构造破碎带是矿床地下水循环运动的主要通道。由于循环于构造破碎中的构造裂隙水，具有较大的热容量和较好的对流导热性能，是地壳中最理想的载热流体(沈照理，1993)。如ZK31-10在－30 m标高揭露到次级裂隙含水带时，涌出孔口的水温只有19℃(1967年3月9日)，当施工至－230 m标高，揭露到F6断裂与火山塌陷构造复合部位构成的含水带时，水温明显升高(达23℃)，经留孔观测发现孔口涌水水温达34.5℃。张庆岚根据水中SiO2的存在形式，通过计算得出邹家山矿床温热水的循环深度达2 490 m。说明F邹－石的切割深度在基底地层中超千米以上，这种深大断裂构成了深部地热向浅部传送的良好通道。

表1 岩石中放射性元素生热率表Table 1 Heat generation rate table of radiocatice elements in rocks

表2 岩石放射性元素生热量表Table 2 Heat generation table of radiocatice elements in rocks

表3 ZK40-11抽水前、后井温资料统计表Table 3 Well temperature data statistics of ZK40-11 before and after pumping

2.4 地下水动力条件

构造裂隙水是西部地区地下水主要类型。各矿床由构造裂隙水组成的主要构造裂隙含水带特征见表4。表中结果表明牛头山和居隆庵两矿床构造裂隙含水带的单位涌水量、渗透系数及水温均小于(或低于)邹家山矿床。前二者由于断裂构造自身的特征以及构造含水带导水性能极差，有些局部构造裂隙破碎带甚至不含水，影响了地下水径流与交替循环，可见地下水的动力条件也是影响地下温热水形成的原因之一。

2.5 见矿情况

根据铀水文地球化学中的热力学理论(史维浚，1990;沈照理，1993)，能量的转化服从热力学定律。从西部各矿床的矿体埋藏深度可知，矿体埋深均超过100 m，绝大多数埋深超过300 m，可以说矿体是处于一个相对封闭环境中。在较短地史时期和范围不大的区域内，水—岩体系可视为相对封闭的局部平衡体系。在标准状态下

上述五个方面归纳起来，地下温热水形成需具备三个重要条件:一是热源;二是水源;三是通道。邹家山矿床三个条件同时具备，因此地下有温热水存在。西部其他矿床一般只具备其中一个或二个条件，所以难形成温热水。温热水的形成机理是:首先是大气降雨在重力作用下从地表向下沿孔隙、裂隙渗入形成地下水，在势能的影响下由浅向深、由西南向北东沿F邹—石构造作深循环运动，运动过程中不断吸取构造中和周围岩石等的热量，沿途地下水温度不断增高，形成地下温热水，最后通过构造、钻孔等通道流出地表。

表4 各矿床构造裂隙含水带主要参数一览表Table 4 The main parameters of each deposit’s structural fracture water zone

图2 ZK40-11抽水前、后井温曲线Fig.2 Well temperature curve of ZK40-11 before and after pumping

3 相山矿田西部地温场特征

据矿田内多个钻孔不同时段的近稳态、稳态测温资料和前苏联水文地质学家奥吉尔维的《水混合作用数学分析法》计算结果验证，矿田内井温数据基本可反映地温情况。因此，矿田西部各矿床地温特征均用井温测温资料来论述。依据井温资料统计出各矿床平均地温梯度及不同标高井(地)温梯度统计表(表5，表6)。

图3 邹家山铀矿床31线剖面井温等值线示意图Fig.3 Well temperature isoline chart of Line NO.31 in Zoujiashan uranium deposit

从表中可以看出，(1)邹家山矿床平均地温梯度最高，高出其它两矿床1℃以上;(2)邹家山矿床的地温梯度增长快，其次是牛头山矿床，最后为居隆庵矿床;(3)地温梯度大于3.0℃/100 m的标高也是邹家山矿床最高。也就是说，在西部地区邹家山矿床的地热增温级从标高100 m开始已超过正常平均值(33 m/℃)，形成的地热异常区标高亦高，并具有西低东高之势。从图3、图4可知，邹家山矿床地温梯度高值靠近F邹—石构造，其等值圈的长轴展布方向与构造走向一致。另从井温异常出现部位可以看出，井(地)温变高一般是在F邹—石构造与火山塌陷构造复合部位。而居隆庵和牛头山两矿床地温梯度高值与构造关系不明显。