盆地热水型砂岩铀成矿的预测方法与流程

1.本发明属于盆地砂岩型铀成矿预测、铀成矿潜力评价技术领域，具体涉及一种盆地热水型砂岩铀成矿的预测方法。


背景技术：

2.我国自上世纪90年代主攻层间氧化带可地浸砂岩型铀矿床以来，相继在我国北方诸多盆地中发现了一大批砂岩型铀矿床，然而随着盆地中砂岩型铀矿床的全面揭露和研究工作的不断深入，对矿床的成因有了很多新的认识，在对铀矿石和围岩蚀变矿物的镜下鉴定和流体包裹体测温中发现，高温、高盐度的热水参与了铀成矿作用，这些热水是携带着有机质、烃类以及ch4、h2s、co2、co、h2等还原性气体，热水从地下深处沿构造上涌到地表浅部的砂岩储层中。铀矿床含矿含水层地下水氢氧同位素的检测也映证了热水的行迹。
3.利用蚀变矿物镜下鉴定和流体包裹体测温来确定盆地目的层砂体地下水为热水，需要目的层岩芯样品，并且这种层砂体地下水为热水的方法具有繁琐、耗费大，结果滞后的缺点。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种盆地热水型砂岩铀成矿的预测方法，不需要目的层岩芯样品，具有准确、简便、快捷、耗费小的优点。
5.为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：
6.盆地热水型砂岩铀成矿的预测方法，包括：
7.在圈定盆地的目的层的可渗透性砂体范围内，采集目的层砂体的地下水样品，根据地下水样品中水化学组分特征来判定盆地目的层砂体的地下水为通过通道-断裂构造涌升到地表浅部的深层热水；
8.利用水岩作用机理配合热液铀成矿机理，判定盆地热水型砂岩铀矿床的铀元素是从深层热水中析出并沉淀富集形成的。
9.进一步，运用水-岩作用理论、吉布斯水化学成因机制理论、地球化学温标及博亚尔斯基的变质水理论出判定盆地目的层砂体地下水为深层热水。
10.进一步，判定深层热水的步骤包括：
11.确定层砂体地下水的水化学组分特征，水化学组分特征的成分为：k

、na

、ca
2
、mg
2
、cl-、so
42-、hco
3-、co
32-、铀含量；
12.根据水化学组分特征，采用吉布斯法来判定盆地目的层砂体地下水为深层热水。
13.进一步，估算地下水的初始水温和埋藏深度，根据初始水温和埋藏深度来判别存在地下深部与地表浅部沟通的通道-断裂构造。
14.进一步，初始水温根据判别公式，
15.来得到，t代表地下温度(℃)；na、k、ca代表水中钠离子、钾离子、钙离子的含量(mg/l)；β代表调节系数，当t《140℃时，当t》140℃时,埋藏深度通过公式h＝ho (t
r-to)/grad t得到，h为循环深度，ho为常温带深度，tr为热储温度，to为常温带温度，grad t为地温梯度。
16.进一步，根据变质系数判定存在通道-断裂构造，变质系数小于0.75。
17.进一步，深层热水的初始温度要大于100℃。
18.进一步，深层热水的热溶解作用、蚀变作用、浓缩作用把经过预富集后的铀元素经通道-断裂构造带到了地表浅部，再经过对深层热水中携带的6价铀还原为4价铀有利的沸腾作用、混合作用、中和作用使铀元素从热水中析出沉淀富集。
19.本发明技术效果包括：
20.本发明不需要目的层岩芯样品，仅需要采集目的层砂体的地下水样品，并判定地下水为通过通道-断裂构造涌升到地表浅部的深层热水，利用水岩作用机理配合热液铀成矿机理，判定盆地热水型砂岩铀矿床的铀元素是从深层热水中析出并沉淀富集形成的，判定方法具有准确、简便、快捷、耗费小的优点。
附图说明
21.图1a是本发明中水化学成因机制gibbs模板图a；
22.图1b是本发明中水化学成因机制gibbs模板图b；
23.图2a是本发明中巴丹吉林盆地腹地及其东南边缘第四系沙漠地下水水化学组分成因机制gibbs图a；
24.图2b是本发明中巴丹吉林盆地腹地及其东南边缘第四系沙漠地下水水化学组分成因机制gibbs图b。
具体实施方式
25.以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践和再现。
26.盆地目的层地下水的来源、组成、性质对砂岩铀成矿具有至关重要的影响，地下水的活化、迁移、富集是砂岩铀成矿流体的主要作用基础。
27.盆地热水型砂岩铀成矿的预测方法，具体步骤如下：
28.步骤1：在圈定盆地的目的层的可渗透性砂体范围内，采集目的层砂体的地下水样品，根据地下水样品中水化学组分特征来判定盆地目的层砂体的地下水为通过通道-断裂构造涌升到地表浅部的深层热水；
29.需要特别指出的是，本发明所述的热水不是指现在的水温，而是指曾经是在地下深部处于高温、高压状态，地下水的初始温度＞100℃，沿断裂构造涌升到地表浅部的深层
热水。
30.1、判定盆地目的层砂体地下水为热水。
31.(1)、确定判定盆地目的层砂体地下水是否具有深层热水的水化学组分特征。
32.在盆地目的层可渗透性砂体范围内广泛采集目的层砂体地下水样品，并分析水化学组分，水化学组分特征的成分为：k

、na

、ca
2
、mg
2
、cl-、so
42-、hco
3-、co
32-、铀含量。单位为mg/l。
33.(2)、根据水化学组分特征，采用吉布斯法判断地下水样品是否为深层热水。
34.如图1a所示，是本发明中水化学成因机制gibbs模板图a；如图1b所示，是本发明中水化学成因机制gibbs模板图b。
35.地下水的水化学组分同水溶液与围岩和环境的物理、化学作用关系密切。吉布斯(gibbs)在对遍及全世界的自然水体的水质进行大量分析统计的基础上，提出了地球上自然水体的主要化学组分是由降水主导型、水-岩作用主导型和蒸发-结晶作用主导型等三种作用形成的。并创建了水化学成因机制(gibbs)投影模板。
36.gibbs模板的横坐标：
37.图1a为图1b为分式单位无量纲，离子单位为mg/l。gibbs模板的纵坐标为地下水矿化度，单位为mg/l。
38.若水化学样品投点落在了水-岩作用域，则说明该投点对应的水样曾经为深层热水，因为地下水经历水-岩作用，其水的温度只有高于60℃，水-岩作用才能进行，水-岩交换反应的速度才明显加快，低于60℃的地下水，发生水-岩交换反应的速度极其缓慢，可达百万年之久而不发生变化。
39.水-岩作用说明研究区(圈定盆地)目的层砂体地下水主要来源于地壳深处的古入渗水或沉积水(简称深层热水)，这种类型的地下水水交替迟缓、具有埋藏深、水温高、滞留时间长等特点。深层热水溶解有许多的有机质、烃类以及ch4、h2s、h2、co、co2等还原性气体组分。
40.如图2a所示，是本发明中巴丹吉林盆地腹地及其东南边缘第四系沙漠地下水水化学组分成因机制gibbs图a；如图2b所示，是本发明中巴丹吉林盆地腹地及其东南边缘第四系沙漠地下水水化学组分成因机制gibbs图b。
41.为了详细说明判定盆地目的层砂体地下水为热水，现以“巴丹吉林盆地腹地及其东南边缘第四系沙漠地下水水化学组分分析”为例，详细说明。
42.巴丹吉林盆地腹地及其东南边缘第四系沙漠取样分析结果见表1。
[0043][0044]
用gibbs模板对研究区第四系沙漠地下水取样分析结果进行投影(图2a、图2b)可知，研究区第四系沙漠地下水水化学组分投点大部分都落在水-岩作用域，只有极少部分水
样投落在蒸发-结晶域。因而得出了研究区第四系沙漠地下水水化学组分主要由水-岩作用所形成，曾经是深层热水。
[0045]
2、估算初始水温和埋藏深度。
[0046]
地下水的初始温度可以用地球化学温标进行刻度。地球化学温标就是利用水溶液在水-岩作用中溶解矿物趋于平衡状态下溶解组分比例的交换反应依赖于温度决定的，虽然随后地热流体温度持续降低，但以上“记忆”依旧会被保存，这种特性可以被用来预测地下水的温度，估算地下水初始温度采用的地球化学温标法有na-k法、k-mg法、na-k-ca法、na-k-mg法等。
[0047]
本发明在“巴丹吉林盆地腹地及其东南边缘第四系沙漠地下水水化学组分分析”事例中是采用地球化学温标na-k-ca法估算地下水的初始温度，经验公式如下：
[0048][0049]
式中：t代表地下温度(℃)；na、k、ca代表水中钠离子、钾离子、钙离子的含量(mg/l)；β代表调节系数，当t《140℃时，当t》140℃时,
[0050]
采用经验公式(1)估算的初始温度见表1。
[0051]
采用经验公式(1)估算地下水初始温度是因为采用其它地球化学温标法估算出的地下水初始温度普遍低于60℃，超越了水-岩作用的温度底限。究其原因，一是盆地地下热水溶液在向上运移的过程中产生沸腾作用，热水沸腾产生的水蒸汽逃逸改变了热流体的化学组分含量，二是深部热储层的热水与浅层冷水的稀释混合破坏了高温平衡环境，由于两者破坏了作为地热温标的某种溶质和热储中的矿物(水-岩作用)之间的平衡状态，造成了地球化学温标法估算不准和估算的不合理。
[0052]
地下深层热水要涌升到地表浅部必须要有致密隔水层的阻隔封闭作用才能实现，深层热水多数含有气体，这些气体以二氧化碳为主，在封闭条件下，地热的加热作用会使被封闭的热水沸腾，沸腾产生的蒸汽使封闭环境压力愈来愈高，以致热水、蒸气处于高压状态。构造的破坏作用开启了隔水层，使蒸汽的压力得到释放，地下热水才会沿构造涌升，当热水涌升到愈接近地表，压力则愈减少，由于压力的减少而使所含气体逐渐膨胀，气体的膨胀减小了热水的密度，这样将更有利于深层热水上升。直到深层热水上升到地表浅部为止。
[0053]
热工水力学知识告诉我们，在蒸汽产生的压力作用下，热水的沸点是压强的函数，因此高温地下水的初始温度要大于100℃。用地球化学温标(1)式估算的研究区第四系沙漠地下水初始温度普遍大于100℃，即被认为估算结果是合理的。
[0054]
地下深部热水涌到地表浅部的循环深度称为深层热水的埋藏深度。可由下式估算出来：
[0055]
h＝ho (t
r-to)/grad t
………………………
(2)
[0056]
式中：h为循环深度(m)；ho为常温带深度(m)；tr为热储温度(℃)；to为常温带温度(℃)；grad t为地温梯度(℃/l00m)。
[0057]“巴丹吉林盆地腹地及其东南边缘第四系沙漠地下水水化学组分分析”示例中，设
定巴丹吉林盆地的常温带深度为20m、常温带温度为11.5℃、地温梯度为3℃/l00m，采用研究区水样中三个原生地层水水样(样品编号为8、13、14)分析结果估算出的地下热水温度平均值为119.19℃，将设定参数带入(2)式计算出研究区第四系沙漠地下水的循环深度为3609.76米。
[0058]
3、判别是否存在地下深部与地表浅部沟通的通道-断裂构造。
[0059]
变质系数(γna

/γcl-，γ代表离子的毫克当量)是表征深部地层水变质程度的重要水文地球化学参数。在深部地层水的形成过程中，cl-离子化学性质较为稳定，其含量一般较为稳定，而na

离子则可能由于吸附、沉淀等化学反应而减少，总体上表现为深部地层水变质系数逐渐变小。但当有断裂构造与地表浅部沟通时，深部地层水混入了表层水，就会造成变质系数的增大。
[0060]
根据博亚尔斯基的理论，变质系数(γna

/γcl-)小于0.75，说明地下热水埋藏在封闭性较好的水成因环境，没有遭到断裂构造的破坏。
[0061]
变质系数(γna

/γcl-)大于0.75，说明研究区深部地层遭受了断裂构造破坏，深层热水中有表层水的混入，深层热水被稀释、地层封闭性变差。
[0062]
在“巴丹吉林盆地腹地及其东南边缘第四系沙漠地下水水化学组分分析”示例中，变质系数(γna

/γcl-)普遍大于0.75(表2)，只有三个水样(样品编号为8、13、14)的变质系数小于0.75(为原生地层水)，说明研究区深部地层遭受了断裂构造破坏，断裂构造沟通了深部和地表的联系。
[0063]
步骤2：利用水岩作用机理配合热液铀成矿机理，判定盆地热水型砂岩铀矿床的铀元素是从深层热水中析出并沉淀富集形成的。
[0064]
在总结了热水的作用机理与铀成矿的关系后，认为热水的热溶解作用、蚀变作用、浓缩作用把经过预富集后的铀元素经通道-断裂构造带到了地表浅部，再经过对热水中的6价铀还原为4价铀有利的沸腾作用、混合作用、中和作用使铀元素从热水中析出沉淀富集。
[0065]
1、热水型砂岩铀成矿的作用机理。
[0066]
在判定了研究区目的层砂体地下水为深层热水后，深层热水对铀成矿具有如下作用：
[0067]
(1)、深层热水具有溶解围岩中四价铀(u
4
)的能力和作用。
[0068]
研究区深层热水由于热作用能够溶解围岩中以晶质铀矿、含铀副矿物和分散吸咐态存在的四价铀(u
4
)。因为除少数外，绝大多数金属矿物在高温下的溶解度比在低温下要大(徐光平，翟建平，胡凯，1999)，铀矿物也不例外，所以随着温度的增高围岩中的四价铀(u
4
)矿物通常就会被热水溶液溶解出来并被氧化成六价铀(u
6
)，形成六价铀酰(uo2)
2-离子。在深部环境下，流体以还原性为特征并含有co2、h2s等气相酸性挥发组份，这些气相酸性挥发组份以二氧化碳为主，co2在热水中将形成大量的碳酸根(c0
32-)，根据纳乌莫夫(haymob)的碳酸铀酰迁移模式，六价铀酰(uo2)
2-离子与碳酸根(c0
32-)形成络合物[u02(c03)3]
4-和[u02(c03)2]
2-，这些络合物随深层热水一起迁移。
[0069]
在15mpa(相当1500米高水柱)条件下，深层热水中浸出的铀含量最大值出现在100℃。由此可见，铀矿物在溶液≤100℃的温度下其溶解度是随着溶液温度的升高而增大的。
[0070]
热溶解作用的意义是解决了深层热水的铀源问题，热水型铀成矿的铀源来自地下深部。
[0071]
(2)、深层热水具有蚀变围岩的作用和能力。
[0072]
深层热水在深部与围岩作用过程中，发生了水的组分加人到围岩中去，围岩形成了新的矿物组合，岩石的总组成也发生了变化的蚀变作用。例如：黑云母蚀变成白云母
[0073]
k(mg，fe)
·
3alsi3o
·
10(foh)2(黑云母)
→
k2o
·
3al2o3·
6sio2·
2h2o(白云母)。
[0074]
深层热水的蚀变水解作用能使溶液的ph值发生变化，分别称为酸、碱性蚀变，其中碱性蚀变有利于铀元素从围岩铀矿物中溶出，例如钾长石的绢云母化蚀变
[0075]
3kalsi3o8(钾长石) 2h

＝kal2(alsi3o
10
)(oh)2(绢云母) 6sio2 2k

[0076]
从蚀变反应方程式中可以看出，蚀变反应需要消耗流体里的氢离子(h

)，促使溶液呈碱性。前人研究得出，铀元素在碱性介质中的溶解度比在酸性介质中约大两个数量级。
[0077]
深层热水的蚀变还表现在水中携带的有机酸、烃类以及ch4、h2s、h2、co、co2等还原性气体组分会与砂岩储层发生化学反应，一旦砂岩储层先前遭受过氧化作用而成为红色砂岩，深层热水携带的还原介质组分就会与红色砂岩中的红色素—赤铁矿(fe2o3)发生下列化学反应：
[0078]
烃类：ch2o 2fe2o3 8h

＝co2 5h2o 4fe
2
[0079]
甲烷：ch4 4fe2o3 16h

＝co2 10h2o 8fe
2
[0080]
有机酸：ch3cooh 4fe2o3 16h

＝2co2 10h2o 8fe
2
[0081]
硫化氢：2h2s fe2o3 2h

＝fes2 3h2o fe
2
[0082]
…………………………………………………………
(3)
[0083]
在化学反应系列(3)式中，化学反应的结果是将赤铁矿(fe2o3)中的3价铁离子(fe
3
)还原为二价铁离子(fe
2
)，最终使砂岩储层变为绿色。
[0084]
(3)、深层热水具有流体浓缩的作用和能力。
[0085]
深层热水的浓缩作用表现在三个方面：
[0086]
其一、是热液蚀变带能“固化”水分子，从而造成自由水的减少，起到了浓缩流体的作用。例如：长石蚀变成高岭石
[0087]
na2o
·
al2o3·
6sio2(钠长石)
→
al2o3·
2sio2·
2h2o(高岭石)
[0088]
从上述蚀变反应方程式中不难看出，水分子被“固化”在蚀变矿物分子里，使自由水减少，从而导致了流体的浓缩作用。
[0089]
其二、是深层热水中富含碳质和硫质，它们都能与水起化学反应：
[0090]
2c 2h2o＝ch4 co2[0091]s2- 2h2o(高温)＝h2s 2oh-[0092]
从反应方程式中可以看出，化学反应“消耗”了水溶液，使自由水减少，导致流体浓缩。
[0093]
其三、是断裂构造在沟通了深部和地表的联系的同时为深层热水的蒸发创造了条件。深层热水蒸汽能够沿构造向外逸散，使自由水减少，起到了浓缩深层热水溶液的作用。
[0094]
浓缩作用是热水成因铀成矿中非常重要的作用。浓缩作用不仅仅是浓缩了流体，更重要的是提高了流体中铀元素的含量，使铀元素获得了进一步的集中，它是铀元素在成矿前的一次重要的预富集，为随后的铀成矿打下了坚固的基础。
[0095][0096]
此外，热溶解作用和浓缩作用最大的效果之一，就是提高了流体的矿化度，使深层热水演化的越来越浓，矿化度可高达几千～几万mg/l。已知内蒙古三个盆地的砂岩型铀矿床含矿含水层地下水主要水化学参数见表2。
[0097]
从表2中可以看出，虽然深层热水涌升到地表与表层水混合后有所稀释，但对铀成矿来说，稀释后的混合水有利于铀成矿的矿化度底限为500mg/l以上。
[0098]
(4)、深层热水的沸腾作用促进铀成矿。
[0099]
深层热水从深部经构造向地表浅部上涌的过程中会使静水压力逐渐降低，当静水压力降低到该流体的饱和气体压力时，流体再上升降压，就会产生沸腾。沸腾作用造成深层热水中溶解的气相挥发物质向外逸散，从而引起深层热水中的co
2-活度降低，导致热水中的6价铀还原为4价铀的电极电位阀值的升高，又由于气相挥发物质的向外逸散造成流体ph值升高，从而导致流体的电极电位降低，这种电极电位的一升一降非常有利于溶解铀从流体中析出沉淀。
[0100]
(5)、深层热水的混合作用促进铀成矿。
[0101]
深层热水从深部经构造向地表浅部上涌时，必然要与表层水发生混合作用，混合作用的结果，一是降低了深层热水的水温，二是稀释了经过浓缩的深层热水。
[0102]
降温作用提高了深层热水中的铀酰络合物的稳定性，从而降低了深层热水的ph值，导致热水中的6价铀还原为4价铀的电极电位阀值升高，助使流体可在较高的电极电位条件下被还原成uo2沉淀析出。
[0103]
稀释作用降低了深层热水中的co2的活度，使热水中的的铀酰络合物趋向分解，从而导致热水中的6价铀还原为4价铀的电极电位阀值升高，助使流体可在较高的电极电位条件下被还原成uo2沉淀析出。
[0104]
(6)、深层热水携带的还原物质促进铀成矿。
[0105]
深层热水携带的有机酸、烃类以及ch4、h2s、h2、co、co2等还原性气体组分会与水中的铀酰离子(uo
22
)发生还原反应：
[0106]
uo
22
h2＝uo2↓
2h

[0107]
uo
22
ch4 3h2o＝4uo2↓
hco- 9h

[0108]
uo
22
2co h2 h2o＝uo2↓
c hco- 3h

[0109]
uo
22
h2s 10oh-＝4uo2↓
so
42- 6h2o
[0110]
…………………………………………………………
(4)
[0111]
化学反应系列(4)式中，反应的结果是将深层热水中的6价铀(u
6
)还原成4价铀(u
4
)从水中析出沉淀。
[0112]
(7)、氧化砂岩绿色化促进铀成矿
[0113]
深层热水上涌到地表浅部，其携带的有机酸、烃类以及ch4、h2s、h2、co、co2等还原性气体组分一方面会与氧化砂岩储层发生化学反应(化学反应系列(3)式)，生成的二价铁离子(fe
2
)把氧化砂岩变成了绿色，同时，化学反应需要消耗水中的氢离子(h

)，从而使水中的氢氧根离子(oh-)相对增多，驱使深层热水向碱性演化。
[0114]
另一方面是水中的铀酰离子(uo
22
)也会与水中携带的还原组分发生化学反应(化学反应系列(4)式)生成uo2沉淀，同时化学反应释放出氢离子(h

)，这些氢离子(h

)会与化学反应系列(3)式生成的氢氧根离子(oh-)发生中和反应，中和反应的作用就是驱动化学反应系列(4)式的化学平衡向右侧倾斜，结果是加速了铀元素的沉淀、堆积成矿。
[0115]
纵观上述可以看出，热水型铀成矿过程就是早期酸性流体蚀变氧化形成富6价铀(u
6
)流体，晚期流体向碱性演化导致铀被还原成4价铀(u
4
)而从流体中析出沉淀的过程。由于6价铀(u
6
)从水中析出沉淀堆积的过程是重力作用的结果，因此铀矿床的产状应该是层状。
[0116]
本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离技术方案的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。