哈拉阿拉特山以北中-新生代地下水渗流机制初探.pdf

第 40 卷 第 3 期2024年 5月Uranium Geology铀矿地质Vol.40 No.3May2024哈拉阿拉特山以北中-新生代地下水渗流机制初探张强，唐湘飞，何松，闫晶晶（核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011）摘要 在砂岩型铀矿形成过程中，地下水既是驱动力又是铀元素运移的载体，地下水问题一直制约着砂岩型铀的矿找矿方向。文章以岩心孔渗参数和砂体的沉积规律作为切入点，对新疆哈拉阿拉特山以北地下水渗流机制进行初步探讨，将实验室岩心孔渗分析数据作为约束条件，计算研究区目的层孔隙度和渗透率，结果表明：测井曲线计算的渗透率与岩心分析的渗透率具有较好的吻合关系，孔隙度和渗透率曲线可以表现井中砂岩的连续性变化趋势；通过对 6号、9号勘探线钻孔的渗透率梯度变化进行分析，认为渗透率在研究区总体呈现由北东到南西逐渐增高的变化规律，结合研究区的地层的演化规律，划分出 3个水文地质单元亚区。此次研究为铀矿找矿工作拓宽了找矿思路，具有重要的参考价值。关键词 渗透系数；阿尔奇公式；古地下水；砂岩型铀矿文章编号 1000-0658(2024)03-0497-09 中图分类号 P619.14 文献标志码 A众所周知，砂岩型铀矿属于后生矿床，铀元素的运移和聚集与地下水息息相关，地下水既是铀成矿的驱动力又是铀元素运移的载体，研究地下水运移规律，对铀矿找矿方向具有指导作用1-2。李秀云3对新疆和什托洛盖盆地构造演化进行研究，阐述了哈拉阿拉特山抬升对盆地的改造作用，但对构造演化与地下水运移关系分析较少。李晓红4对新疆和什托洛盖盆地的地下水补给、径流、排泄系统进行分析，但仅从大气降水、地表河流、地形地貌、构造等宏观角度出发，没有进行微观分析，存在一定局限。地下水是一个复杂的系统，在矿体形成后的地质历史时期内，地层地貌可能发生巨大变化，现今的地质现象，是经过多期次的构造演化和不同时期的地下水叠加作用而形成的5。随着近些年开展的钻探工作发现，新疆哈拉阿拉特山地区矿化机制较为复杂，地下水可能经过多期次的改变，当前在有限的资料前提下，对地下水流向判定存在困难6-8。因此针对复杂情况下的砂岩型铀矿找矿工作，本文在现有普查阶段和有限资料的前提下9，从渗透场变化特征分析地下水进入层间砂体后的最佳流向问题，从不同时期的砂体沉积规律和物源补给方向，以头屯河组为主兼顾乌伦古河组，探讨其地下水渗流机制，以待寻求突破。1 研究区概况研究区位于新疆西北部和什托洛盖盆地西里克山和哈拉阿拉特山之间，地层出露较全，主要包括乌伦古河组、头屯河组、西山窑组、三工河组等。调查发现西里克山和哈拉阿拉特山为一套古生界火山岩，棱角和次棱角状明显，岩石几乎没有风化迹象，为新近系晚期到第四系初期快速抬升并出露地表。由于西里克山和哈拉阿拉特山出露地表时间较短，提供铀源的可能较小，反之，在北部阿尔加提山出露有中酸性花岗岩，可以提供铀源。研究区主要目的层为中侏罗统头屯河组，根据地化环境差异可分为上、下两段，其中头屯河组下段属于辫状河、辫状河三角洲沉积，岩性以粗砂岩、中砂岩为主，砂砾岩、细砂岩、砾岩次之，呈灰色、灰绿色，泥基金项目 中国核工业地质局项目“新疆准噶尔盆地铀矿资源调查评价与勘查”（编号：202206）资助。收稿日期 2023-03-01 改回日期 2023-04-11第一作者 张强（1989），男，河南周口人，高级工程师，硕士，主要从事地球物理方向研究。E-mail：DOI：10.3969/j.issn.1000-0658.2024.40.044张强铀 矿 地 质第 40 卷质胶结为主，固结疏松，透水性好；头屯河组上段为半潮湿-半干旱气候条件的湖相沉积，岩性以杂色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹薄层的细砂岩为主。由于受后期多次构造运动的强烈影响，使研究区的水文地质条件变得较为复杂，不同地段的潜水和层间水联系及各自的补给、径流、排泄存在较大差异。地下水补给源主要为大气降水和河流，补给源单一，季节性强。局部松散第四系盖层，可使潜水缓慢入渗补给到下部层间砂体中，为铀成矿的有利因素10。图 1 研究区地质图Fig.1 Geological map of the study area1第四系；2上新统独山子组；3中新统塔西河组；4渐新统-始新统乌伦古河组；5上白垩统红砾山组；6下白垩统吐谷鲁群；7中侏罗统头屯河组；8中侏罗统西山窑组；9下侏罗统三工河组；10下侏罗统八道湾组；11古生界火山岩；12钾质花岗岩；13花岗斑岩；14角闪花岗岩；15角闪黑云母花岗岩；16石英斑岩及流纹斑岩；17地名；18断层；19隐伏断层；20河流。2 基本渗流原理砂岩型铀矿主要在砂岩岩体孔隙内赋存，并且表现为典型的后生成矿特征，而容矿砂体与后期的水生作用存在相互制约的内在联系。砂体骨架内的孔隙空间作为地下水的运移通道，其孔隙度和渗透率在空间上的非均质分布制约着地下水的流向。此外，高孔高渗砂体流经砂体骨架的微量元素较多，参与离子交换的概率高，是铀成矿的有利条件之一11-12。由于层间砂体的各向异性特征，当地下水流经砂体时，渗透性好的地层引导着水流方向，渗透性差的地层制约着地下水的流通，非均质铀储层通过对铀成矿流体的运移状态（分流和减速）的影响，实现对铀成矿的控制13-14。3 孔渗参数处理孔渗参数是指孔隙度和渗透率，其中岩石的固有渗透率可通过实验室分析得出，但由于岩石样品的数量有限，针对铀储层的非均质性问题则需连续采集大量岩心样本，工作量较大，所以利用测井资料来确定渗透率是目前常用的方法。测井资料可以计算孔渗参数的连续估计值，但由于是经验关系得出的，所以需要校准到直接测量值。一般的技术方法是通过岩心分析结果与解译结果进行数值拟合来弥补岩心测试结果只能记录离散点位局部信息的缺陷。本文在研究区选取测井曲线质量高、岩心采取率高、样品分析多的钻孔 D204作为研究区标准孔，求取研究区孔渗参数。498张强，等：哈拉阿拉特山以北中-新生代地下水渗流机制初探第 3期3.1 阿尔奇参数的选取阿尔奇参数包括岩性胶结指数 m和阿尔奇常数，其中岩性胶结指数 m 是一种综合反映，与孔隙结构、岩性、成岩作用相关；阿尔奇常数 主要反映岩石骨架附加导电性，因此岩性胶结指数与阿尔奇常数会随着地区不同而变化15。通过阿尔奇参数可计算密度孔隙度，公式为16：D=b-maf-ma（1）式中：D岩石密度孔隙度；b岩石密度，g/cm3；f地层流体密度，取 1.00g/cm3；ma地层岩石骨架密度，取 2.65 g/cm3。密度孔隙度易受外界干扰因素的影响，从而导致实验室岩心分析结果与实际值存在一定偏差，但密度孔隙度能反映总体孔隙大小的变化趋势，在孔渗样品较少的条件下，常用的方法是将密度孔隙度作为岩石总孔隙度带入阿尔奇公式，并采用密度空隙度与电阻率交会图法求解阿尔奇参数17。阿尔奇公式为：RtRw=am（2）式中：Rt岩石电阻率，m；Rw地层水电阻率，取0.7m18；阿尔奇常数；m岩性胶结指数；岩石总孔隙度。将公式（2）等式两边同取对数得：log()RtRw=-m log()+log(a)（3）然 后 定 义：y=log()RtRw；x=log()；b=-m；c=log()a。那么密度孔隙度和电阻率之间的关系可以表达为对数坐标系下的线性关系：y=b x+c（4）图 2 为标准孔 D204 密度孔隙度和电阻率交会图，研究显示密度孔隙度比实际孔隙度偏高，且交会图上点较为发散，所以以数据点的下离散点边界作线性拟合，求取回归系数，得到阿尔奇常数 a 为1.26，岩性胶结指数 m 为 1.85。拟合结果与阿尔奇常数为 1，岩性胶结指数为 2的理论值19较为接近。在确定研究区阿尔奇参数后，将 a 和 m 的数值带入公式（3），可计算出地层总孔隙度。图 2 钻孔 D204密度孔隙度与电阻率交会图Fig.2 Density-porosity and resistivity cross plot of borehole D2043.2 渗透率的计算根据研究区标准孔 D204 岩心分析渗透率和孔隙度拟合关系（图 3），得到渗透率估算公式：PERM=0.3399 e13.987（5）式中：PERM计算渗透率；孔隙度。经过对比分析，曲线计算结果与岩心分析孔隙度、渗透率误差小于 20%，计算结果具有较好的稳定性（表 1）。图 3 钻孔 D204渗透率与孔隙度拟合关系图Fig.3 Fitting diagram of permeability and porosity of borehole D204 499铀 矿 地 质第 40 卷表 1 钻孔 D204孔隙度和渗透率分析结果与计算结果对比表Table 1 Comparison of analyzed and calculated porosity and permeability in borehole D204样品编号KS01KS02KS03KS04KS05岩心分析孔隙度/%24.4019.2833.2024.2817.63计算孔隙度/%22.0217.9026.5827.2215.16误差/%9.757.1619.9412.1114.01岩心分析渗透率/mD9.005.2035.1913.483.90计算渗透率/mD10.525.8137.3611.334.66误差/%16.8911.736.1715.9519.494 应用效果分析4.1 单孔孔渗参数计算综上所述，以 D204 钻孔作为标准孔，根据求取的阿尔奇参数和阿尔奇公式计算出地层孔隙度，通过渗透率与孔隙度拟合关系计算出钻孔渗透率，最终得到单孔测井解译成果图（图 4）。图中地层深度道左侧为常规测井曲线，右侧依次为岩心编录、孔隙度分析道、渗透率分析道和测井解译砂岩性剖面。此次分析的目的层为头屯河组 30112 m，岩性为砂泥岩互层，渗透率采用拟合公式进行计算，计算结果显示实验室岩心分析数据与计算的渗透率曲线吻合较好，孔隙度曲线和渗透率曲线可以表现井中砂岩的连续性变化趋势。图 4 D204单孔测井解译成果图Fig.4 The logging interpretation diagram of single borehole D2041砾岩；2砂砾岩；3粗砂岩；4中砂岩；5粉砂岩；6泥岩。4.2 渗透场分析渗透场指渗透率在平面上形成的梯度变化关系。岩石的渗透率与岩石粒度大小有关，颗粒越小渗透率越小，渗透率的差异同时也控制着地下水在岩层中的流动。研究区为盲区勘探，目前工作程度较小，只进行 6号线和 9号线少量钻孔探索。本文以 6号线和 9号线侏罗系头屯河组第二层砂体作为研究的目标砂体，对其渗透率梯度变化进行分析。头屯河组第二层氧化砂体的岩性主要为浅黄色、浅褐黄色粗砂岩，还原砂体的岩性以灰色、浅灰色中砂岩、粗砂岩为主，固结疏松，透水性强（图 5、6）。根据前文所确定的本地区阿尔奇参数，分别计算 6号线和 9号线钻孔的渗透 500张强，等：哈拉阿拉特山以北中-新生代地下水渗流机制初探第 3期率，得到头屯河组第二层砂体渗透率矢量场图（图7），图中箭头的方向为矢量场梯度线方向。矢量场图反映了研究区局部范围的砂体在空间上渗透率的分异性，箭头指向表示由低渗透率地层向高渗透率地层的变化方向。目标砂体渗透性总体变化趋势为由北东向南西方向渗透率逐渐增高，在钻孔控制的最南部和最北部表现为由东到西渗透率逐渐增高的变化规律，在 6号线钻孔处表现为局部的凌乱变化趋势，推测可能是由于河道砂体沉积环境短期多次改变所造成的现象。图 5 L9线砂体剖面图Fig.5 The sand body section of exploration line L91第四系；2塔西河组；3乌伦古河组；4头屯河组；5西山窑组；6三工河组；7八道湾组；8松散冲洪积物；9砂岩；10泥岩；11煤；12钻孔编号及孔深；13氧化带前锋线及编号；14整合地质界线；15角度不整合地质界线；16平行不整合地质界线；17浅灰色、灰色；18浅灰绿色、浅黄色；19褐黄色、褐红色；20浅紫色、棕红色。图 6 L6线砂体剖面图Fig.6 The sand body section of exploration line L61第四系；2塔西河组；3乌伦古河组；4头屯河组；5西山窑组；6三工河组；7八道湾组；8和布克河组；9松散冲洪积物；10砾岩、砂砾岩、砂岩；11泥岩；12凝灰岩；13整合、平行不整合、角度不整合地质界线；14前人完成的钻孔编号及孔深；15层间氧化带及编号；16（浅）褐红色、浅紫（红）色；17（浅）黄色、（浅）褐黄色；18（浅）灰色、浅灰绿色。501铀 矿 地 质第 40 卷图 7 研究区目标砂体渗透率矢量场图Fig.7 The permeability vector field of the target sand body in the research region5 地下水渗透场演化分析渗透场分析只能表明地下水进入层间砂体时最佳的流向，但制约地下水流向的因素有多种，本文通过分析砂体粒度在空间上的展布形态，推测河道沉积中心和物源补给方向。以头屯河组砂体粒度统计为例（图8），可以看出其分布规律：6号线从南到北，钻孔ZKDL608至ZKDL601，粗砂、中砂的占比降低，细砂岩的占比增高；9 号线由北向南，即钻孔 ZKDL901 至ZKDL904，头屯河目标砂体总厚度表现为逐渐减少的趋势，砂体粒度表现为粗砂、中砂的占比逐渐降低，细砂占比逐渐增加的趋势。结合砂体厚度和粒度所占比例的分析，在头屯河目标砂体沉积时期，6号线河道沉积中心主要在钻孔 ZKDL606、ZKDL607、ZKDL605、ZKDL608及其以南的部位；9号线的河道砂体沉积中心主要在钻孔 ZKDL905、ZKDL901及其以北的位置。a b图 8 头屯河组目标砂体粒度统计图Fig.8 Statistical diagram of target sand body size in Toutunhe FormationaL6线；bL9线。502张强，等：哈拉阿拉特山以北中-新生代地下水渗流机制初探第 3期综上所述，由砂体分布比例和粒度在空间展布形态可以推测头屯河组物源补给方向为西北至东南方向。同理，推测乌伦古河组砂体沉积时期的河道沉积中心和物源补给方向为近东西向（图9）。头屯河组与乌伦古河组之间为角度不整合接触，中间有沉积间断，无法判断地层缺失时期的地质构造演化。因此可以推测从头屯河组沉积时期到乌伦古河组沉积时期，头屯河组西北地形高、东南地形低的地貌向乌伦古河组东部地形高、西部地形低的地貌转变。在此期间研究区处于东部地形不断抬升、西部地形不断沉降的阶段。图 9 研究区地下水动力示意Fig.9 Schematic diagram of groundwater dynamics in the research region1基岩区；2乌伦古河组厚层砂体河道沉积中心；3头屯河组目标砂体河道沉积中心；4胡杨林；5侏罗系底板埋深/m 及等值线；6断层；7隐伏断层及编号；8河流；9推测第四纪第下水流向；10推测侏罗纪-古近纪水流方向；11物源补给方向；12钻孔及勘探线编号；13地名；14水文地质单元亚区及编号；15可控源大地电磁测深测线及编号。从砂体沉积特征来看，本区山间盆地当代地下水水文地质单元可划分为 3 个亚区，并以侏罗系底板埋深为依据划分地层重力水流向（图 9）。第一个渗流区块为西利克山至风台凸起的北翼部分，推测地下水流向为由西向东方向，如图 9中所示；第二个渗流区块为风台凸起的南翼到胡杨林和 F1、F2断裂部分，推测地下水流向为北西至南东方向，如图 9中所示；第三个渗流区块为 F1、F2断裂至哈拉阿拉山部分，推测地下水流向为南西至北东方向，如图 9中所示。而胡杨林和 F1、F2断裂部分可看做是地下水排泄区，地下水补给来源主要为大气降水。6 结论1）以岩心实验室分析孔渗参数作为约束条件，与测井曲线计算孔渗参数作对比，提取适合于本地区的孔渗参数，并将其应用于 6号线和 9号线钻孔，计算出较为准确、连续的渗透率。2）基于渗流机理，通过对渗透率梯度变化特征分析，推测研究目标砂体最佳的渗流方向为北东至南西；根据头屯河组时期砂体粒度的分布规律，推测了头屯河组主河道砂体发育方向为北西至南东向。503铀 矿 地 质第 40 卷3）结合岩石粒度和渗透场变化特征，将研究区山间盆地划分了 3个水文地质单元亚区。参考文献1 张金带.我国砂岩型铀矿成矿理论的创新和发展 J.铀矿地质，2016，32（6）：321-332.ZHANG Jindai.Innovation and development of metallogenic theory for sandstone type uranium deposit in ChinaJ.Uranium Geology，2016，32（6）：321-332（in Chinese）.2 张金带.我国铀资源潜力概略分析与铀矿地质勘查战略 J.铀矿地质，2004，20（5）：260-265.ZHANG Jindai.Chinas uranium resource potential analysis and uranium geological exploration strategyJ.Uranium Geology，2004，20（5）：260-265（in 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change trend of sandstone in the well.Through the analysis of the permeability gradient changes of exploration lines No.6 and No.9,it was considered that the permeability in the research region generally formed a gradual increase from northeast to southwest.Combined with the evolution pattern of the strata in the research region,three hydrogeological unit sub-regions were divided in the study area,which provide important reference to the next uranium exploration.Keywords：permeability coefficient；Archie formula；ancient groundwater；sandstone-type uranium deposit 505