流體動力學在鈾成礦靶區預測的應用

石 旭

（廣東省核工業地質局二九一大隊，廣東 廣州 510800）

粵北諸廣山巖體南部整裝勘查區內鈾礦床成礦“源—動—儲”模式的研究中，筆者認為只考慮地球化學障（溫度、圍壓、熱液成分、Ph、Eh值等）是不夠的，不論U質以何種形式遷移，離子、膠體、固體在水動力強的部位依舊可以運移。鈾礦質的沉淀，在水動力、圍壓弱的條件下，地球化學障為含礦熱液沉淀的主導因素；若圍巖靜水壓力大，礦質可以突破化學屏障的離子聚合沉淀作用（離子電解質中和，膠體絡合物沉淀聚集），繼續運移，尋找熱水動力弱的環境聚集沉淀。花崗巖型鈾礦體的賦存部位除了受地球化學障的控制之外，更重要的是受到熱液流體脈沖式運動的動力強弱控制。

1 鈾礦質來源

大量數據顯示，諸廣山巖體南部整裝勘查區范圍內已知的鈾礦床普遍存在礦巖時差，鈾成礦和成巖不是同一作用的結果，無論是鈾成礦的熱液還是成礦的鈾源,均與花崗巖漿的分異作用毫無關系[1]。

整裝勘查區內賦礦的印支期和燕山期花崗巖為富鈾基底，鈾含量較高。其中，油洞巖體鈾含量平均為12.3×10-6[2]，長江巖體平均鈾含量高達22.3×10-6[3]，明顯高于上地殼鈾含量平均值2.8×10-6[4]。

因此，諸廣山巖體南部整裝勘查區的鈾源應為中生代的富鈾花崗巖基底。

2 礦質的遷移

在花崗巖的形成時，鈾以固溶體的形式賦存于晶體的晶格中，堿型地幔流體中K+、Na+交代晶體中的Ca2+必然伴隨著排硅、排U過程[5]，萃取的鈾與礦化劑CO2結合以碳酸鈾酰絡合物[Na2UO2（CO3）2）]形式遷移。據統計[6]，世界各地含鈾熱液中各主要組合的含量表明∑CO2與UO22+的絡合能力遠高于其它陰離子(F-、Cl-、SO42-等 )。

2.1 理想流體元流的能量方程（伯努利方程）

理想流體不考慮流體內部質點間摩擦力導致的能量損失。元流即沿著流體流動的方向，取一小束（假設無限小的截面），這一小束看作流速方向、大小完全一致。那么有這樣一個方程：

Z——位置水頭（單位重力流體的勢能），取同一參考面，類似于重力勢能的參考面。

P/ρg——壓強水頭（單位重力流體的壓能，ρ為流體密度，g為重力加速度），即流體的內部壓力造成的測壓管水柱上升的高度。

u2/2g——流速水頭（單位重力流體的動能，u為流速），即流體的流動速度造成的測壓管水柱上升的高度。

元流連續性方程：

方程②的含義為對于不可壓縮性流體，流入的質量必與流出的質量相等，A為流體的截面積。①方程中的三種能量（位能、壓能、動能）如果其中某一種單位能發生變化，則另外兩種必定也跟著轉變。例如對一水平管道，單位位能Z各斷面相同，當管道斷面變小處，該處流速加快（連續性方程②），單位動能u2/2g加大，則該處壓強水頭或單位壓能p/ρg必然降低，當動能加大到一定程度，該處將出現負壓，可將氣體或氣體流體吸入，這就是噴射器（或者射流泵）能抽水的原理。這表明，流體運動過程中，能量從一種形式轉化為了另一種形式。

2.2 滲流

流體在空隙介質中的流動稱為滲流。各地質體根據其滲透性差異，理論上可以分為隔水層和透水層。實際上，由于各巖石的膠結的不完整性和構造軟弱面的廣泛性，絕對的隔水層幾乎不存在，因此，可以將巖石圈看做一個“流體的世界”，粒徑小的巖體看做孔隙度更小的滲流。

由于中細粒花崗巖巖體的顆粒式膠結的密實度明顯高于較粗粒的花崗巖，根據連續性方程u1dA1=u2dA2，由于中細粒花崗巖巖體內部的可流動空間（A）明顯更小，從而導致靜水壓力以及熱液流動速度更大，熱液的搬運能力更強，較細粒的花崗巖巖體中的U礦質在堿性環境下，與CO2形成絡合物在靜水壓力的作用下遷移，遷移走的膠體離子會導致溶解平衡方程向形成膠體的方向進一步溶解，邊溶解邊運走，在動力小的、地球化學障附近沉淀。

因此，諸廣山巖體南部整裝勘查區范圍內的鈾礦體多產在不同侵入巖建造的邊界且靠近相對更粗粒的一側，中細粒花崗巖巖體內幾乎不產鈾礦可以從熱液動力上發現答案。

熱液在細粒花崗巖中往粗細分界面流動的過程中，可類比于內陸河流的入海口處，由于入海口處的流動空間迅速加大，水流速下降，壓能降低，水搬運能力下降，形成大量碎屑巖沉積。不同粒徑的花崗巖巖體分界附近的斷裂以及較粗粒的巖體本身孔隙率更高，造成壓力的釋放，礦質易卸載沉淀。

2.3 遷移的動力

巖體的初始地應力主要是巖體自重和地質構造運動所引起的，構造應力又包括古構造應力、新構造應力和封閉應力。古構造應力是地層經歷過地質史的構造運動形成斷裂、褶曲、層間錯動之后的殘余應力；新構造應力是地層正在經受新構造運動所引起的；圈閉應力是在非均勻變形作用下，發生在巖體組織結構內的應力。

地層中的應力在區域上或在巖體的不同部位存在巨大的差異。巖土體的變形與一般材料不同，構造破裂是一個累積的過程，含塑性的巖土體通過前期的蠕變來調整內部應力的分配，不同地質體的剛、塑性或者同一類型地質體在不同溫壓下應變性質不一樣，當應力累積到一定程度才會產生破裂、錯斷應力釋放。

因此，熱液流體的在巖體內部圍壓的驅動下進行，導致熱液的壓強差異性除了構造運動變形的非均勻性之外，還和地質體的滲透性差異有關（滲透性差的圍壓大）。

3 礦質的卸載

地幔柱的脈沖式運動可能是中國東南多次成礦的動力來源和礦化劑的提供者[7]。大型的巖石圈伸展運動伴隨著大規模的堿性熱液上涌。

深源的含堿性熱液對花崗巖基底的萃取，基底排U、排硅，礦質熱液上升的過程中，減壓沸騰排氣，伴隨礦化劑∑CO2的減少，使得碳酸鈾酰絡合物溶解平衡方程左移，且堿交代造成的K+、Na+離子的減少，容易由弱堿性變為弱酸性，碳酸鈾酰絡合物[Na2UO2（CO3）2）]穩定的弱堿性環境遭到破壞等多種因素造成鈾礦質的沉淀。

4 結論

在近年的諸廣山巖體南部鈾礦找礦整裝勘查區的工作中，得到的一個共識是鈾礦體幾乎是不產于細粒（中細粒）的花崗巖體中，而是更傾向產于中生代的中—粗粒的斑狀黑云母花崗巖體內。

更細粒的花崗巖巖體由于巖體內部的靜水壓強大，從而對細粒的花崗巖巖體內的微細裂隙鈾礦質沖刷萃取，在不同期次巖體接觸面附近，熱液運移動力突變，疊加地球化學障（溫度、圍壓、熱液成分、Ph、Eh值等）變異，礦質卸載，成礦有利部位為構造的變異部位、含礦構造與控礦構造及含礦構造之間的交叉復合部位、不同巖漿期次及不同巖體接觸界面、晚期小巖體內外接觸帶的凹槽和圈閉部位是礦體賦存的有利部位。