土壤天然熱釋光法在蒙古國(guó)肯特省哈沙頓道魯高德地區(qū)鈾礦勘查中的應(yīng)用

李業(yè)強(qiáng)，楊有澤，肖 昶，榮 耀

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)輻射環(huán)境監(jiān)督站，內(nèi)蒙古 包頭014030；2.河南省核工業(yè)放射性核素檢測(cè)中心，鄭州 450002；3.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)，鄭州 450002）

蒙古國(guó)鈾礦資源十分豐富，有資料顯示，1970年探明鈾儲(chǔ)量約6萬t，而俄羅斯專家認(rèn)為蒙古國(guó)的鈾儲(chǔ)量已達(dá)約12～15萬t（2009年蒙古國(guó)鈾礦資源狀況）。本次鈾礦預(yù)查區(qū)位于蒙古國(guó)肯特省哈沙頓道魯高德地區(qū)，采用天然土壤熱釋光法測(cè)量進(jìn)行勘查。國(guó)內(nèi)、外對(duì)利用熱釋光信息進(jìn)行熱液礦床和放射性礦產(chǎn)地質(zhì)勘查已有過一些報(bào)道［1-2］。土壤天然熱釋光測(cè)量方法是指采集地表一定深度的土壤樣品，用高靈敏度的熱釋光測(cè)量裝置測(cè)量樣品中天然礦物在漫長(zhǎng)地質(zhì)年代長(zhǎng)期接受放射性核素輻照所儲(chǔ)存的能量，具有測(cè)量地質(zhì)事件時(shí)間長(zhǎng)、靈敏度高、短期干擾因素（氣象等）小等特點(diǎn)，而且土壤天然熱釋光測(cè)量方法能比較好地顯示深部鈾礦的異常［3］，是一種快速、有效、切實(shí)可行的攻深找盲方法［4-6］。

1 土壤天然熱釋光找礦原理和測(cè)量方法

1.1 找礦原理

熱釋光是指某些物質(zhì)經(jīng)過放射性輻照后，以某種能量的形式儲(chǔ)存于物質(zhì)中，當(dāng)物質(zhì)經(jīng)過加熱，儲(chǔ)存的能量將以發(fā)光的形式釋放出來的一種物理現(xiàn)象。土壤中含有大量的石英（SiO2）和方解石（CaCO3）等， 該類物質(zhì)具有這種特性：受輻照后獲得的能量，在沒有外來能量激發(fā)的情況下，可長(zhǎng)期滯留在晶體的缺陷中［6］，隨著時(shí)間的推移，其數(shù)量不斷增加。當(dāng)加熱晶體時(shí)，它們獲得的能量從缺陷中逸出，并快速?gòu)?fù)合以可見光或紫外光的形式釋放能量。在線性劑量范圍內(nèi)，晶體中熱釋光強(qiáng)度與所接受的輻射劑量成正比，樣品釋放的熱釋光強(qiáng)度反應(yīng)了空間輻射場(chǎng)的強(qiáng)弱，這種輻射場(chǎng)主要是由鈾、釷及其子體核素和鉀所引起。因此，研究熱釋光強(qiáng)度的空間分布范圍和特征，即可了解輻射體的情況，從而達(dá)到鈾礦找礦的目的［7］。

1.2 測(cè)量方法

按照土壤地球化學(xué)規(guī)范（DZ/T 0145—1994）的要求，設(shè)計(jì)鈾礦預(yù)查區(qū)測(cè)量線25條，在選取的測(cè)線上采集2 289個(gè)土壤樣品，每個(gè)測(cè)點(diǎn)取樣150～230 g，對(duì)樣品進(jìn)行篩選，等質(zhì)量分裝，并編號(hào)儲(chǔ)存（圖1）。每個(gè)樣品測(cè)量2～3次，求其平均值作為測(cè)量結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本次勘查工作使用的是FJ427A1型微機(jī)熱釋光劑量計(jì)（讀出器），儀器采用最新設(shè)計(jì)的單片機(jī)和液晶顯示器組成操作臺(tái)，既可以獨(dú)立使用，也可以和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，由計(jì)算機(jī)連接打印機(jī)。系統(tǒng)可以對(duì)經(jīng)過β、γ、中子、X射線等輻照后的熱釋光劑量元件進(jìn)行測(cè)量，讀出累計(jì)劑量值，具有參數(shù)編輯、發(fā)光曲線顯示、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)扣除本底、數(shù)據(jù)庫(kù)編輯與檢索等功能。儀器的設(shè)計(jì)符合GB10264—1988國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

圖1 土壤天然熱釋光測(cè)線布置圖Fig.1 Survey line arrangement soil natural thermoluminescence method

2.2 測(cè)試條件的選擇

測(cè)量樣品是土壤樣，根據(jù)參考文獻(xiàn)［8］～［9］，土壤樣品發(fā)光區(qū)間為 200～260℃，300～360℃，選擇測(cè)試初始條件：預(yù)熱溫度200℃，讀出溫度360℃，升溫速率20℃·s-1。通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)80、100和200目樣品進(jìn)行測(cè)量，80目的樣品測(cè)量效果最好，100和200目的樣品因孔隙度較小影響了熱釋光的釋放。根據(jù)土壤天然熱釋光測(cè)量相關(guān)經(jīng)驗(yàn)［8］，選擇顆粒度80目的土壤樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.3 影響因素討論

根據(jù)土壤樣品的發(fā)光區(qū)間，對(duì)鈾礦預(yù)查區(qū)土壤樣品測(cè)試升溫區(qū)間的選定進(jìn)行了研究。首先設(shè)讀出溫度和升溫速率不變，測(cè)試同一個(gè)樣品，預(yù)熱溫度分別取 140、160、180、200和220℃進(jìn)行測(cè)量，由圖2可見，對(duì)應(yīng)熱釋光強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)180℃后，隨著預(yù)熱溫度的增加，同一樣品的熱釋光強(qiáng)度又逐漸減小，鈾礦預(yù)查區(qū)土壤熱釋光預(yù)熱溫度確定為180℃。根據(jù)同樣的方法可確定讀出溫度，由圖3可知，讀出溫度為340℃。

圖2 預(yù)熱溫度對(duì)土壤樣品熱釋光強(qiáng)度的影響Fig.2 The influence of preheating temperature on the thermoluminescence intensity of soil samples

圖3 讀出溫度對(duì)土壤樣品熱釋光強(qiáng)度的影響Fig.3 The influence of read temperature on the thermoluminescence intensity of soil samples

升溫速率也是熱釋光測(cè)量的重要影響因素之一，為了確定測(cè)試條件，對(duì)升溫速率進(jìn)行了試驗(yàn)研究，固定預(yù)熱溫度180℃和讀出溫度340℃，升溫速率分別取15、20、25、30和35℃·s-1，由圖4可知，當(dāng)升溫速率為20℃·s-1時(shí)，熱釋光強(qiáng)度最大，隨著升溫速率的增加，熱釋光強(qiáng)度趨于平穩(wěn)，略有減小，因此在其他測(cè)試條件相同時(shí)，升溫速率選擇為20℃·s-1。

圖4 升溫速率對(duì)土壤樣品熱釋光強(qiáng)度的影響Fig.4 The influence of heating rate on the thermoluminescence intensity of soil samples

2.4 測(cè)試條件的確定

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)測(cè)量條件為：預(yù)熱溫度為180℃，讀出溫度為340℃，升溫速率為 20℃·s-1。

2.5 質(zhì)量控制

2.5.1 注意事項(xiàng)

1）由于陽(yáng)光、高溫和輻射均對(duì)土壤樣品中熱釋光強(qiáng)度有影響，為盡可能保證測(cè)量準(zhǔn)確，避免破壞土壤的熱釋光信息，采樣后要求樣品自然風(fēng)干，并應(yīng)避光、避高溫、避輻射保存。

2）儀器安裝調(diào)試完成，確定測(cè)量參數(shù)，校準(zhǔn)光源計(jì)數(shù)，測(cè)量本底，每天測(cè)量前都要進(jìn)行開機(jī)預(yù)熱半個(gè)小時(shí)以上，使儀器性能穩(wěn)定。

3）樣品放入托盤后要均勻鋪開，盡量使樣品測(cè)量厚度同一。

4）測(cè)量完畢后，清潔盛放樣品的托盤，避免影響下次測(cè)量。如出現(xiàn)托盤加熱盤變色，則需要對(duì)加熱盤進(jìn)行擦洗。

2.5.2 儀器穩(wěn)定性檢查

每天對(duì)質(zhì)控樣品3次測(cè)量，求其平均值，作為當(dāng)天儀器穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)結(jié)果，來監(jiān)測(cè)儀器的穩(wěn)定性能。根據(jù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差公式計(jì)算判斷儀器測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，計(jì)算公式如下：

式中：RSD—相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差；Xi—樣品測(cè)量值；—樣品測(cè)量平均值；n—測(cè)量次數(shù)。通過計(jì)算，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差是7.18%，小于10%，說明儀器測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性良好。

3 測(cè)量結(jié)果及分析

在勘查區(qū)內(nèi)25條測(cè)線上共測(cè)量土壤天然熱釋光2 289個(gè)點(diǎn)，熱釋光值介于0.87～288.28 mGy之間，平均4.67 mGy。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)土壤天然熱釋光法和地面γ能譜法進(jìn)行對(duì)比。地面γ能譜測(cè)量法使用FD-3013數(shù)字伽馬輻射儀和FD-3022型微機(jī)四道γ能譜儀進(jìn)行測(cè)量。選取3條比較典型且特征較明顯的測(cè)線進(jìn)行討論。

勘查區(qū)3條測(cè)線的土壤天然熱釋光測(cè)量結(jié)果如表1，由表1可見，3條測(cè)線的熱釋光平均劑量值和最小劑量值基本一致，但最大劑量值反映突出的異常值，164號(hào)測(cè)線的平均劑量值高于另外兩條測(cè)線平均劑量值，最大值是最小值的17倍。初步認(rèn)為該地段土壤受到的輻射劑量大，出現(xiàn)的異常值對(duì)找礦提供了較好的參考依據(jù)。

表1 勘查區(qū)3條測(cè)線土壤天然熱釋光測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement of soil natural themoluminescence in 3 survey lines of the exploration area

208號(hào)測(cè)線：在 208—178測(cè)點(diǎn)和 208—192測(cè)點(diǎn)之間出現(xiàn)了高值異常區(qū)段（圖5），其余部分?jǐn)?shù)據(jù)變化很小，總體平均劑量值3.11 mGy，而高值異常區(qū)段平均劑量值9.71 mGy，是總體平均劑量值的3倍，對(duì)此判斷異常點(diǎn)位置，有可能是礦脈位置。

152號(hào)測(cè)線：土壤天然熱釋光測(cè)量平均劑量是 2.85 mGy（圖 6）， 152—180測(cè)點(diǎn)和 152—204測(cè)點(diǎn)之間的異常值與γ能譜測(cè)量出現(xiàn)的異常值變化趨勢(shì)一致；在152—228測(cè)點(diǎn)和152—290測(cè)點(diǎn)之間出現(xiàn)高值異常區(qū)，與γ能譜測(cè)量結(jié)果變化趨勢(shì)一致。

164號(hào)測(cè)線：土壤天然熱釋光測(cè)量平均劑量是 4.89 mGy（圖 7）， 最大值是28.84 mGy，該段測(cè)線上熱釋光數(shù)據(jù)出現(xiàn)了1個(gè)高值異常區(qū)和4個(gè)低值異常區(qū)，高值異常區(qū)位于164—260測(cè)點(diǎn)和164—284測(cè)點(diǎn)，并且與γ能譜測(cè)量高值相一致；4個(gè)低值異常區(qū)分別位于164—100測(cè)點(diǎn)到 164—124測(cè)點(diǎn)、164—140測(cè)點(diǎn)到 164—164測(cè)點(diǎn)、164—188測(cè)點(diǎn)到164—204測(cè)點(diǎn)和164—220到164—252測(cè)點(diǎn)，最后一段的高值與γ能譜測(cè)量高值相一致。

圖5 208號(hào)測(cè)線土壤天然熱釋光測(cè)量結(jié)果Fig.5 Soil natural thermoluminescence measurement results in Survey line 208

圖6 152號(hào)測(cè)線土壤天然熱釋光與地面γ能譜測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖Fig.6 Results of soil natural themoluminescence measurement and ground γ ray spectrometry survey line 152

本次勘查工作共圈定34處土壤天然熱釋光異常場(chǎng)，其中3處異常找礦前景較好。第1處異常：異常規(guī)模大，面積0.202 km2，其中東西寬100～500 m，南北長(zhǎng)400～700 m。異常場(chǎng)內(nèi)采集樣品數(shù)28個(gè)，最低值9.10 mGy，最高值27.23 mGy，平均為13.48 mGy。該異常位于砂巖分布區(qū)，地表有少量砂礫石覆蓋，異?？赡苡呻[伏砂巖鈾礦放射性同位素富集引起；第2處異常：異常大致呈面狀展布，東西長(zhǎng)380～460 m，南北寬120～190 m，面積0.071 km2。異常場(chǎng)內(nèi)采集樣品數(shù)8個(gè)，最低值10.28 mGy，最高值43.70 mGy，平均為20.72 mGy，異常強(qiáng)度高，濃集中心和濃度分帶明顯。該異常位于砂巖分布區(qū)，地表有少量砂礫石覆蓋，異常可能由隱伏砂巖鈾礦放射性同位素富集引起；第3處異常：異常大致呈EW走向帶狀分布，東西長(zhǎng)100～800 m，南北寬100～250 m，面積0.093 km2。異常場(chǎng)內(nèi)采集樣品數(shù)12個(gè)，熱釋光值最低9.17 mGy，最高27.50 mGy，平均為14.43 mGy，該異常位于白堊系中，可能由灰黑色頁(yè)巖和黃褐色砂巖引起。

圖7 164號(hào)測(cè)線土壤天然熱釋光測(cè)量結(jié)果與地面γ能譜測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖Fig.7 Measurement results of soil natural themoluminescence and ground γ ray spectrometry in Survey line 164

4 結(jié) 論

由于不同地球化學(xué)條件下土壤礦物組合不同，土壤天然熱釋光發(fā)光曲線特征有差異［10］。通過對(duì)蒙古國(guó)哈沙頓道魯高德地區(qū)鈾礦預(yù)查區(qū)土壤的熱釋光研究，得出了土壤天然熱釋光方法的測(cè)試條件：預(yù)熱溫度180℃、讀出溫度340℃、升溫速率20℃·s-1，但筆者認(rèn)為本次測(cè)量為鈾礦的預(yù)查區(qū)，并且還有一些影響因素（樣品的均勻性、樣品采集的代表性、人為測(cè)量的不確定性等）尚未考慮，因此，該實(shí)驗(yàn)條件不是最佳加熱程序。對(duì)預(yù)查區(qū)上25條測(cè)線2 289個(gè)測(cè)點(diǎn)土壤樣品進(jìn)行測(cè)量，并與γ能譜法相對(duì)比，土壤天然熱釋光高值異常區(qū)與γ能譜測(cè)量高值相一致，結(jié)果表明，土壤熱釋光異常與地下礦體位置有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是一種有效的鈾礦勘查方法。

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