全球铀矿的开采方式分为常规采铀和地浸采铀,硬岩铀矿常用常规开采,而砂岩型铀矿通常采用地浸开采方式。地浸采铀是原地浸出开采铀矿的简称,其基本原理是对可地浸砂岩型铀矿按一定网度布置工艺钻孔,通过注液钻孔把按一定配方配制的溶浸液注入天然埋藏条件下、含铀的可渗透岩层中,使浸出剂在矿石孔隙或裂隙渗透过程中与铀及其有用成分接触,发生一系列物理化学反应生成含铀溶液,并向负压方向渗流,经抽液孔被抽至地表,输送到加工车间进行处理,从而获得铀产品的复杂过程^[1]。这种以铀的化合物(U O22+、UO₂SO₄、[UO₂(SO₄)₂]^2-、[ UO2(SO4)3]^4-、UO₂CO₄、[UO₂(SO₄)₂]^2-、 [UO2(SO4)3]^4-)和其他离子/粒子(H⁺、Na⁺、Mg²⁺、S O42-、Cl^-、C O32-等)作为溶质随浸出液在地层中流动而迁移/聚集的过程称为地浸采铀“溶质运移”过程。在地浸采铀开采的过程中必然形成地浸溶液的浓度梯度分布范围并伴随产生一系列溶质运移过程,此范围和过程涉及到溶液的矿体覆盖范围(率)、资源回收率和地下水体离子交换范围及控制等众多重要问题,对范围和过程的监控极为必要。目前国内外对此还没有成熟的相关方法,相关研究也极为不足。

地浸采铀通常在具有“泥岩—砂岩—泥岩”交替的“三明治”型地层中进行,铀矿体主要赋存于地层中某一层位(通常为白垩系地层或侏罗系地层)的砂岩中。铀矿储层的上方和下方应各具有一个比较连续的泥岩地层,承压地下水浸没该砂岩储矿地层,因此该储层称为“含矿含水层”。含矿含水层上覆泥岩层和下部泥岩层分别称为隔水顶板和底板,理想的隔水顶板和底板是连续均一的稳定致密泥岩层,具有良好的不透水性能,含矿含水层中的地下水和浸出液溶液不会与相邻的上覆和下伏砂岩层发生“越流”,浸出液只会在本层发生渗流。

在地层剖面方向,由于抽液孔和注液孔之间存在水头差,在含矿含水层会形成地浸浸出液/矿层水将沿着水头差的方向由注液孔流向抽液孔的流场。地浸井场的地下水流场流动状态遵从三维非稳定流动性方程^[2]:

(1)$\nabla \cdot (K \nabla h)=S_{s}\frac{\partial h}{\partial t}+W$

其中:K为渗透系数;h为水头高度;S_s为储水系数;t为时间;W为单位体积的源汇项。利用该流动性方程结合有限差分数值解法^[3]可得到三维地下水流场模型,并进行流场状态计算。

地下水系统中溶质的种类复杂,其运移运动状态也是一个十分复杂的问题。溶质在地下水系统中的运移运动主要的运动状态主要分为对流扩散运动、弥散运动、吸附解析和生物降解等主要过程。Paul F. Hudak将溶质运移运动机制主要归类为对流扩散运动和水动力弥散两种。因此,溶质运移过程可笼统归纳为遵从对流—弥散方程^[4]:

(2)$\frac{\partial c}{\partial l}=\nabla \cdot(D \cdot\nabla)+\nabla(uc)$ ,

式中:c为溶液中某种组分的浓度,u为实际平均流速矢量,D为水动力弥散系数。若考虑到吸附解析、生物降解等作用和溶质扩散的三维性,上述方程可进一步转化为下面的三维瞬态溶质控制方程:

(3)∂(θCk)∂t=∂∂xiθDij∂Ck∂xj-∂∂xi(θviCk)+qsCsk+∑Rn

其中:θ为地下介质的孔隙度(无量纲),C^k为k物质的溶解浓度(mL^-3),t为时间,x_i、x_j分别为坐标轴x、y方向的坐标,D_ij为水动力弥散系数张量(L²/T),v_i为渗流或线形孔隙水流速度(L/T),q_s为单位体积含水层源汇体积流量(T^-1),C^k为源汇流中物质k的浓度(mL^-3), ∑Rn为物理、化学和生物反应项(mL^-1)。

由于地浸井场通常由若干组抽孔—注孔单元组成抽注井网,在抽注过程中会在含矿含水层形成抽—注液水力梯度阵列。浸出液原液中的各种粒子/离子(H⁺、Na⁺、S O42-、C O32-)及经过地层溶解带出的各种粒子/离子(Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺、UO₂SO₄、UO₂SO₄)会在地层含矿含水层中按照上述规律(式(1)~式(3))逐渐积累,浓度逐渐升高,扩散/分布范围逐渐扩大,在抽注时间达到一定的长度后逐渐趋于稳定,形成一个稳定的溶浸范围(图1)。

地浸采铀抽注作业开始后会逐渐在井场下方含矿含水层中形成由H⁺、S O42-、UO₂SO₄、UO₂SO₄、Na⁺、Cl^-、Mg²⁺、Ca²⁺、Al³⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等离子/粒子为溶质的多种溶质的复杂溶液体系,其溶质离子/粒子种类/浓度与周围水体差异在施加外界一次场电(磁)场的条件下会产生明显的二次场异常,因此浸出液体系可能具有明显的电磁物性特征,采用电磁类地球物理勘探方法具有可行性。

鉴于浸出液体系为带电离子/粒子水溶液体系,可分别对其导电性能和激发极化性能进行研究,因此分别采用可控源音频大地电磁法(CSAMT)与时间域激发极化法(TDIP)进行联合地球物理监测。

CSAMT法采用频率范围为0.25~8 192 Hz(音频频段)的人工场源供电,激发地下岩石,在电流经过时产生电位差,接收不同供电频率产生一次场电位,利用不同频率在地层中的不同穿深,观测电导率差异产生的一次场电位和磁场强度变化^[5]。其电阻率ρ表达式为

(4)ρ=0.2T|Z|=0.2TEH2。

式中:Z为波阻抗,E为电场强度,H为磁场强度,T为供电时间。式(4)体现出在各向同性的均匀的大地介质条件下,地面电磁场的振幅测量值和介质电阻率之间的关系。此关系式被称为卡尼亚视电阻率,是电磁法最基本的关系式^[6]。

激电是岩、矿石及其所含水溶液在电流作用下发生的复杂电化学过程的结果,利用激电效应来探查地下地质情况的分支电法称为激发极化法。在地球物理学和地球物理工程应用中,通常利用极化率(η(T,t))来对地下介质的激发极化效应的程度进行定量研究:

(5)η(T,t)=ΔU2(T,t)ΔU(T)×100%,

式中:ΔU(T)为总电位差,ΔU₂(T,t)是供电时间为T和断电后t时刻测得得二次电位差。可看出极化率是与供电时间T和测量延迟时间t有关的物理参数。

二连盆地基底由元古界和古生界组成,沉积盖层主要包括侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系^[7]。试验区钻孔揭露的地层自上而下为古近系伊尔丁曼哈组(E₂y)、下白垩统赛汉组上段(K₁s²)、赛汉组下段(K₁s¹)^[8]。其中,古近系伊尔丁曼哈组(E₂y)埋深56.68~59.40 m,由一套泥岩、含砂泥岩与砂岩互层组成,构成研究目标区域条件试验段区域性隔水顶板;下白垩统赛汉组上段是目标区域主要赋铀层位,由多个韵律层叠加组成,每个韵律层底部由粗粒的砂砾岩、泥质砾岩、含粒粗砂岩组成,向上渐变为中粗砂岩、中细砂岩、细砂岩,砂岩固结程度低,并以泥岩或粉砂岩结束,其中中间泥岩层常缺失或成透镜状产出,整个砂体构成试验矿床条件试验区主要含矿含水层;下白垩统赛汉组下段由一套灰色泥岩、粉砂岩夹煤层组成,构成试验矿床条件试验区域性隔水底板(图1、图2)。

试验区含矿含水层由赛汉组上段辫状河砂体组成,结构疏松,填隙物以粘土矿物为主,属中等透水—强透水的岩石,总体呈现出不稳定的泥—砂—泥结构^[9,10,11]。

结合二连盆地三侧向电阻率测井数据与电磁法反演结果,可以得到二连盆地电性参数统计结果(表1,表2)。从表中可以看出,二连盆地沉积盖层主要可以分为3个电性层:新近系、第四系上覆表层中低阻电性层、白垩系低阻电性层和侏罗系中阻电性层。其中:①新近系、第四系上覆表层中低阻电性层总体表现为岩层电阻率一般小于100 Ω·m,岩性主要为干燥砂岩、火山碎屑岩和砾石等;②白垩系低阻电性层总体上电阻率较低一般小于15 Ω·m,粗砂和砂砾岩相对偏大约为40~60 Ω·m,岩性主要为泥岩、泥质砂岩、粉砂岩、砂岩和砂砾岩等,具有分布厚度大电性稳定的特点;③侏罗系中阻电性层总体电阻率处于中值,体现为一般小于100 Ω·m部分层位可达到200 Ω·m,岩性主要表现为泥岩、砂岩、火山碎屑岩炭质页岩等。

同时,二连盆地的不同岩性岩石的极化率统计结果可见表3。

试验矿床位于内蒙古锡林郭勒盟苏尼特左旗某苏木。试验区位于二连盆地内部,南距苏尼特左旗约35 km。矿区地处内蒙古高原腹地,区域总体地势为北西部和南东部隆起区地势相对较高,表现为丘陵地形,海拔高程1 100~1 400 m;中部坳陷区为地势相对低凹的草原,局部为沼泽,某地矿床地势平坦,海拔高程900~1 100 m;体现为由两侧蚀源区向盆地内表现为阶梯状地貌特征。

试验区的地浸试验单元为一组“四注一抽”的“五点型”试验单元,即由4个注液孔等间距地构成一个正方形区域,抽液钻孔位于正方形区域的中心位置,即正方形的对角线交点。其中,4个注液孔沿顺时针方向分别为KZ1-1、KZ2-1、KZ2-2、KZ1-2,抽液孔为KC1-1(图4)。抽—注孔间距为25.00 m,注—注孔间距为35.35 m,整个抽注单位为35.35 m×35.35 m的正方形单元,且该正方形单元与正北向所夹方位角为27°。

如图4所示,试验区CSAMT测网及激发极化法中梯测网都以抽液孔为中心布设,点距与线距均为10 m,即:网度为18 m×18 m的方形网。但激发极化法测量电极距MN=50 m。

测网纵向测线方向为NE27°—SW207°,横向测线方向为NW297°—SW117°;纵向测线以NS02起编,其线号由西向东递增,最大线号为NS19;横向测线号以WE01起编,其点、线号由南向北递增,最大线号为WE18。

4.3.1 可控源音频大地电磁测深试验方案

可控源音频(CSAMT)方案使用加拿大凤凰公司(Phoenix)生产的V8多功能电磁探测系统和MTU-5大地电磁系统进行野外数据采集。野外观测采用电性源作为激励源,供电极AB位于试验区西侧,AB布极方向平行于纵向测线(即NE27°)、极距1 000 m,收发距D为7 000 m;由V8多功能电磁探测系统的发电机及TXU-30发射机向地下发送频率为9 600~1.333 3 Hz的40个频点电磁场信号,每一频点信号发送时间为1 min,整套频率发送40 min。

4.3.2 时间域激发极化法中间梯度(TDIP)装置试验方案

TDIP野外数据采集时观测系统的布置如图4所示,供电极AB布极方向为NE27°,其连线过测网中心点(即:抽液孔),极距500 m。测网位于AB中间点(1/3)AB范围内,线距10 m,点距10 m,测量极距MN为50 m,其观测系统为“激电纵向中梯观测系统”,视极化率(η_s)定义为:η_s= U2MNUMN×100%。

野外观测使用北京地质仪器厂生产的DWJ-3B微机激电仪进行正向短脉冲观测,其“时间制式”为:正向供电2 s ,断电2 s,停电3 min。为了选择合理的观测“延时”,在正式进行激电中梯观测之前,设置了0.2、0.24、0.32、0.48、0.8 s等5个“延时”进行试验观测,结果表明采用0.2 s“延时”的观测结果激电异常幅度较大,异常分布特征较明显。野外观测时,AB供电电流为10 A,并进行100%重复观测,因此观测数据的质量良好。

本次地球物理勘探采用CSAMT和激发极化中梯装置法(TDIP)结合的地球物理电法组合勘探方法。这两种方法的组合主要基于地浸井场中沉积砂岩与浸润“浸出液”的砂岩之间的电阻率和激发极化特性的差异来圈定地浸开采过程“浸出液”的分布范围,从而达到监控砂岩型铀矿“地浸开采”效果的目的。

CSAMT实测数据的处理主要使用加拿大凤凰公司的CMTPro和WingGlink软件。首先需要将实测数据的时间序列导入到CMTPro软件中变为频率域数据,待导入成功进行坐标检查、频率选择和飞点剔除等工作,在数据检查正常的情况下导出视电阻率和阻抗相位的频率响应文件,其文件为适合WingGlink读取的软件格式的文本文档。在此基础上,绘制各观测点的CSAMT实测视电阻率和相位测深曲线。

研究过程中使用大地电磁测深(MT)的非线性共轭梯度(NLGC)二维反演算法^[13,14]对研究区域的各条测线的可控源音频大地电磁测深(CSAMT)的“波区”数据进行二维反演,获得纵向和横向各剖面的二维电性结构模型。纵向测线从NS02—NS19,各条剖面数据二维反演的RMS分别为1.40、1.33、1.26、1.36、1.16、1.21、1.11、1.02、1.06、1.09、1.45、1.46、1.24、1.52、1.40、1.45、1.21和1.25;而横向测线从WE01—WE18 各条剖面数据二维反演的RMS分别为1.47、1.25、1.24、1.38、1.25、1.38、1.29、1.00、1.10、1.24、1.51、1.43、1.12、1.62、1.11、1.13、1.35和1.46。可见,各条测线CSAMT数据的二维反演模型是可靠的。图5是NS10线实测视电阻率和相位数据拟断面图和二维反演模型正演计算数据拟断面图的比较,这也进一步证明了CSAMT数据二维反演的可靠性。

最终结果采用反演计算的TM模式输出结果,因其相对更接近地下原始状态^[15]。图6为穿过采取抽注单元和紧邻包络抽注单元的5条纵向CSAMT剖面的二维反演断面,5条剖面均为NE—SW走向,与正北方向夹角为27°。NS08-NS12的分布分别为由西至东,NS10位于正中央穿过采区抽注单元抽孔位置。由图中标识的抽注孔投影位置可看出采区抽注单元地下电阻率结构特征分布与抽注孔空间位置的相应关系。由剖面图可见NS08、NS09和NS10剖面地表下方20 ~120 m范围内存在一低阻异常带,低阻异常的电阻率值约在20~50 Ω·m 之间,异常幅值约20 Ω·m,深度在40~50 m之间;在NS08线,KZ1-2注液孔的位置没发现相应的电阻率异常;而在KZ1-1位置则见有一组近水平椭圆状分布的低阻异常,其中心大致与KZ1-1注液孔吻合;该异常带延续到NS10线,其范围向南扩展到KC1-1抽液孔位置。

位于研究区东部的NS12线,在KZ2-2注液孔位置发现大规模、电阻率约10~50 Ω·m 的低阻异常带,由地表延深到100 m,其幅值小于20 Ω·m,中心深度约40~60 m;异常带沿剖面呈斜“U”形分布,向北西向拓展与KZ2-1注液孔连通。该异常横跨到相邻的NS11线上,规模增大,呈南东倾斜的椭圆状分布,异常中心与KC1-1抽液孔在剖面的投影位置吻合。

总体上看,低阻异常带的规模由西到东呈现出由小到大的趋势,分布范围由西北向东南逐渐扩展。

图7为控制研究区北部抽注单元和紧邻包络抽注单元的4条横向CSAMT剖面的二维反演断面。由南向北为WE09、WE10、WE11和WE12,剖面走向NW297°—SE117°。采区抽注孔的相关位置投影已标注于图中,其中KZ1-1和KZ2-1注液孔位于WE12线上,在两注液孔之间发现一组电阻率为40~50 Ω·m的低阻异常体,规模不大,顶、底面分别在20 m和100 m深度,似椭圆状向东倾,呈近南北走向,向南延伸达WE09线下方;低阻异常带中心偏KC1-1抽液孔东侧,而异常带规模最大、电阻率最低(约20 Ω·m)的位置则在WE11线。

根据激发极化法原理及数据处理要求对实测数据进行处理,并绘制研究区0.2 s延时的激电中梯视极化率剖面平面(图8),以及利用Surfer绘图软件编绘0.2 s延时的激电中梯视极化率(η_s)平面等值线(图9)。

研究区内大多数测点的视极化率(η_s)观测值为1.5%~1.7%,这即表明区内激电中梯的激电场较为稳定,其背景值在1.5%~1.7%之间。但是,在中心抽注单元、抽注单元南西侧20~60 m位置,以及抽注单元西侧的小部分地区却分布有明显的低视极化率异常带,其η_s变化范围为0.5%~1.1%。特别需要指出,在中央抽注单元的低视极化率异常带与SW向的低视极化率异常带是相互连接的,从而形成区内一组沿NE向展布、穿越中心抽注单元,特征明显的低视极化率异常带;其为研究区内主要的激电中梯异常。

5.4.1 电阻率角度

根据研究区域内岩石电阻率测定结果可见,区内发育的岩性除了古近系伊尔丁曼哈组泥岩的平均电阻率为8 Ω·m左右,为区内的低阻层外,其余白垩系的沉积岩大多为电阻率在n×10~n×10² Ω·m的中、高阻体。赋铀层及含水层位为下白垩统赛汉组上段,由多个韵律层叠加组成,每个韵律层底部由粗粒的砂砾岩、泥质砾岩、含粒粗砂岩组成,向上渐变为中粗砂岩、中细砂岩、细砂岩,砂岩固结程度低,并以泥岩或粉砂岩结束;该层位平均电阻率小于35 Ω·m,为中等导电性的地层。但研究区内CSAMT探测发现的低阻异常带电阻率在20~50 Ω·m之间,异常幅值小于20 Ω·m,可见区内所发现的低阻异常带的结构特征可能反映了古近系泥岩和下白垩统赋铀及含水层位的分布规律;异常带的下部电阻率升高的层位,则是赋铀层和含水层位的反映。由此推测,区内所发现的低阻异常带下部,即60~110m深度范围,异常的分布特征很可能反映了地下溶浸开采过程“溶浸液”与“含矿浸液”的分布状态。此外,相关研究表明:对于土壤/岩层的地下水体系而言,其电导率(电阻率倒数)与全盐含量存在线性关系^[16],如图10所示。当地下水全盐含量在0.5~10 g/kg(接近含矿含水层的情况)的范围内时,其电导率变化范围为0.02~4.5 S/m,相当于电阻率变化范围为0.22~50 Ω·m,这与低阻异常带的电阻率变化范围吻合度极高。因此可以认为二维反演结果的低阻梯度带反映了地下溶浸开采过程“溶浸液”与“含矿浸液”的分布状态。探测结果大致与区内5口抽、注液孔的地质和水文资料(图2、图3)^[11]吻合。

所以,由图6、图7所示的低阻异常带分布特点可见,研究区东部和西北部的断裂构造和岩石裂隙比西南部发育好,因而KZ2-2、KZ2-1和KZ1-1的注液效果远比KZ1-2明显,其所注入的“溶浸液”与“含矿浸液”的覆盖面积也大得多。而图7中的4条剖面的电性结构,进一步反映了研究区即地浸开采矿区北部断裂构造及裂隙比西南部发育;由KZ1-1和KZ2-1孔注入的“溶浸液”及形成的“含矿浸液”大致沿近南北向运移;“溶浸”范围基本集中在矿区东部和北部的中间地带。

5.4.2 极化率角度

由激发极化法的极化率等值线图(图9)可以看出,研究区内大多数测点的视极化率观测值为1.5%~1.7%,表明区内激电中梯的激电场较为稳定,与表3中提供的二连地区砂岩极化率相吻合。但位于井场抽注单元下方有大片团块状地低极化率梯度带产出,其梯度带边缘的极化率约低于背景极化率值0.5%左右,中心极化率约低于背景值1%左右,分布状态呈现出由抽注单元中心向南西方向扩散的趋势。上述低极化率梯度带的分布状态与试验井区的地下水流向(地下水流向为NE—SW向)相吻合,其分布范围和分布形态很可能与试验井场下方的地浸浸出液溶质高浓度区域相关。低极化率梯度带很可能是由于地浸溶液在地层中的扩散和流动中产生的一系列物理/化学作用导致孔隙度增大所产生的——对于酸法地浸而言,注入地下的溶液中含有大量的H⁺,与矿层岩石中的碳酸盐岩会产生化学反应导致碳酸盐岩被溶解,从而导致井场下方的孔隙孔径变大,极化电位下降,从而导致极化率下降。

本项目通过对目标井场区域进行可控源音频大地电磁(CSAMT)和时间域激发极化法中梯装置(TDIP)两种地球物理方法,对地浸试验井场下方的浸出液分布范围的进行监测,并对其溶质运移过程进行了分析研究,得到了如下结论:

1) 通过地球物理综合监测得到了一组包含地下低阻梯度带信息的可控源音频大地电磁法(CSAMT)二维反演结果和一组包含低极化率梯度带的时间域激电平面极化率等值线图。

2) 可控源音频大地电磁法(CSAMT)中的低阻梯度带为整体连续的规模低阻片区(团块),分布范围为地表下15~200 m范围,其中15~80 m部分主要反映区域隔水顶板及其上方的低阻岩层(泥质岩层),80~120 m部分主要为含矿含水层中高浓度地浸浸出液溶质水体部分的二维反演映射。

3) 时间域激发极化法中梯装置(TDIP)平面极化率等值线图中出现了主体分布于抽注单元下方并具有向南西方向扩散趋势的连续片状低极化率梯度带,极有可能反映出地下含矿含水层中高浓度地浸浸出液水体的平面状态。