航空能譜測(cè)量數(shù)據(jù)在砂巖型鈾礦找礦預(yù)測(cè)中的應(yīng)用＊

楊 艷，林子瑜

（東華理工大學(xué)，撫州 344000）

砂巖型鈾礦是賦存于中新生代沉積盆地中的重要核能資源，指富含U6＋（以絡(luò)合離子或分子形式存在）的地下水滲透到盆地砂巖透水層中，在砂體中運(yùn)移至氧化－還原地球化學(xué)障附近發(fā)生沉淀富集形成的外生后成鈾礦床［1，2］，地表被沉積蓋層覆蓋，多為隱伏礦體。近年來(lái)，隨著砂巖型鈾礦找礦工作的開(kāi)展，利用航空能譜測(cè)量數(shù)據(jù)開(kāi)展砂巖型鈾礦成礦預(yù)測(cè)受到越來(lái)越多地質(zhì)工作者的重視和關(guān)注。

航空放射性測(cè)量作為鈾礦資源潛力預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)最直接、有效的物探方法，測(cè)量數(shù)據(jù)蘊(yùn)含豐富的找礦信息［3］。雖然它反映的是地表巖石的放射性特征，但可以利用測(cè)量鈾、釷、鉀元素的地球化學(xué)特征差異，建立航空能譜測(cè)量多元素特征參數(shù)組合，提取砂巖型鈾礦成礦的預(yù)測(cè)要素。因此，在澳大利亞弗羅姆湖地區(qū)砂巖型鈾礦找礦預(yù)測(cè)中，利用航空能譜測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)弗羅姆湖地區(qū)砂巖型鈾礦的鈾、釷、鉀元素的地球化學(xué)特征差異，建立并計(jì)算古鈾量、活性鈾、地球化學(xué)活動(dòng)性指數(shù)等航空能譜測(cè)量特征參數(shù)，分析該區(qū)盆地構(gòu)造、古河道展布以及地層巖性等地質(zhì)特征，在ARCGIS 10 平臺(tái)上融合并識(shí)別出鈾源區(qū)、鈾元素遷入?yún)^(qū)、氧化－還原地球化學(xué)障等成礦預(yù)測(cè)要素，從而圈定研究區(qū)砂巖型鈾礦找礦的有利區(qū)。

1 弗羅姆湖地區(qū)砂巖型鈾礦地質(zhì)特征

收集弗羅姆湖地區(qū)地質(zhì)資料，在ARCGIS 10平臺(tái)上按地質(zhì)特征、鈾礦床、航空能譜測(cè)量等專題組，以樹(shù)形結(jié)構(gòu)方式集成了弗羅姆湖地區(qū)砂巖型鈾礦專題信息系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)在ARCGIS平臺(tái)上輸出弗羅姆湖地區(qū)砂巖型鈾礦地質(zhì)簡(jiǎn)圖（圖1）。

圖1 澳大利亞弗羅姆湖地區(qū)砂巖型鈾礦地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig．1 Generalized geological map of sandstone－type uranium deposit in the Frome Lake region of Australia

弗羅姆湖地區(qū)位于南澳大利亞新生代盆地—卡拉伯納亞盆地中。盆地蓋層主要由第三紀(jì)淺海沉積物組成，上覆第四紀(jì)陸源沉積物。盆地基底為前寒武紀(jì)柯拉莫尼克拉通變質(zhì)巖，基底巖石基本被年輕沉積物所覆蓋，只在少部分地區(qū)見(jiàn)到露頭，包括弗林德斯山脈上的芒特潘因特、芒特巴貝奇以及奧拉里山脈上的威利亞馬，這些巖石出露區(qū)巖體中含有大量富鈾花崗片麻巖、花崗質(zhì)和長(zhǎng)英質(zhì)斑巖、長(zhǎng)英質(zhì)火成巖以及變質(zhì)沉積物等（鈾含量均值為4．8×10－6），為研究區(qū)砂巖型鈾礦的形成提供了豐富的鈾源。

本區(qū)已探明的大型砂巖型鈾礦床3 個(gè)，中型3個(gè)，小型2個(gè)，還有許多鈾礦點(diǎn)。盆地內(nèi)已發(fā)現(xiàn)多條第三紀(jì)古河道的痕跡，且已知鈾礦床基本富集于這些古河道沉積物中，故本區(qū)鈾元素的遷移富集與古河道展布有關(guān)。晚中新世構(gòu)造運(yùn)動(dòng)抬升了弗林德斯山脈，形成了弗羅姆湖灣的西部邊緣，奧拉里和巴里爾兩條山脈向南部和東部形成了一個(gè)堰州和分水嶺［4］。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)不同巖性（層）的放射性含量（表1），可知研究區(qū)不同巖層巖性的鈾含量差異大。鈾元素的高場(chǎng)區(qū)位于芒特潘因特、芒特巴貝奇以及威利亞馬這三個(gè)古老富鈾花崗片麻巖、花崗質(zhì)和長(zhǎng)英質(zhì)斑巖、長(zhǎng)英質(zhì)火成巖以及變質(zhì)沉積物的出露區(qū)，鈾元素的均值范圍為（2．2～6．4）×10－6；鈾元素偏低場(chǎng)區(qū)和低場(chǎng)區(qū)分別位于第三系砂巖、粉砂巖和第四紀(jì)沉積巖中，鈾含量均值范圍為（0．9～1．3）×10－6；研究區(qū)元古代基底巖層中的鈾（2．2～6．4）×10－6、釷（19．3～33．9）×10－6、鉀（1．8～3．1）×10－6含量均明顯高于新生代沉積巖層鈾（0．9～1．3）×10－6、釷（8．1～8．5）×10－6、鉀（0．8～1．0）×10－6含量，且不同巖性（層）的鈾含量變異系數(shù)變化大，故研究區(qū)屬于理想的鈾礦成礦區(qū)。

表1 弗羅姆湖地區(qū)航空能譜測(cè)量不同巖性（層）的U、Th、K 含量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical of U，Th，K contents by using of airborne radioactive spectrum measurement in different strata（litho horizons）in the Frome Lake region

2 航空能譜測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理

2．1 航空能譜測(cè)量數(shù)據(jù)源

在澳大利亞官方地球科學(xué)網(wǎng)上的地球物理歸檔數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（Geophysical Archive Data Delivery System）中下載了航空能譜測(cè)量數(shù)據(jù)。下載的數(shù)據(jù)為經(jīng)地形初步校正、3×3窗口低通濾波處理和重新采樣網(wǎng)格化處理的數(shù)據(jù)，網(wǎng)格間距為100×100m，投影基準(zhǔn)面為GDA94，數(shù)據(jù)格式為ER MAPPER（＊．ers）。U 和Th 的單位為ppm（10－6），K 的單位為pct（%）。

2．2 預(yù)處理

在對(duì)航空能譜測(cè)量數(shù)據(jù)做深入分析前，使用軟件ARCGIS 10和ERDAS IMAGINE 9．2先對(duì)航空能譜測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了投影轉(zhuǎn)換、統(tǒng)一背景值、去極值等處理。由于澳大利亞規(guī)定的礦權(quán)區(qū)申請(qǐng)單位為Sub－Block（1′×1′大小的網(wǎng)格），為了未來(lái)應(yīng)用的系統(tǒng)性和成礦預(yù)測(cè)的實(shí)用性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新采樣處理，采樣的方法為雙線性內(nèi)插法，采樣后數(shù)據(jù)網(wǎng)格大小為0．25′×0．25′。

3 航空能譜測(cè)量數(shù)據(jù)處理

3．1 航空能譜測(cè)量特征參數(shù)建立的依據(jù)

航空能譜測(cè)量是一種多參數(shù)的地球化學(xué)找礦方法，可以同時(shí)獲得放射性總道計(jì)數(shù)和鈾、釷、鉀3個(gè)天然放射性元素含量值［5］。在自然狀態(tài)下，不同的地球化學(xué)條件以不同方式影響著放射性元素的活動(dòng)性［6］。鈾元素的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，在還原條件下，鈾元素以四價(jià)形式（U4＋）存在，不可溶，活動(dòng)性不強(qiáng)，但在氧化條件下，四價(jià)鈾（U4＋）會(huì)轉(zhuǎn)化為六價(jià)鈾（U6＋），此時(shí)它的遷移能力很強(qiáng)，在地下水中以鈾酰離子的形式搬運(yùn)遷移。與鈾元素不同，釷元素的化學(xué)性質(zhì)相當(dāng)穩(wěn)定，常常以碎屑物形式搬運(yùn)沉積，一般不產(chǎn)生富集和分散，故在氧化環(huán)境下，鈾元素被淋失發(fā)生遷移時(shí)，釷元素則保留下來(lái)。鉀元素只有一種化合價(jià)，它在氧化和還原條件下同樣活潑，易遷移。

利用航空能譜測(cè)量U、Th、K 元素含量之間的地球化學(xué)特征差異，建立古鈾量、活性鈾、地球化學(xué)活動(dòng)性指數(shù)3個(gè)特征參數(shù)，分別用于識(shí)別弗羅姆湖地區(qū)砂巖型鈾礦鈾源區(qū)、鈾元素遷入?yún)^(qū)、氧化－還原地球化學(xué)障等成礦預(yù)測(cè)要素。

3．2 航空能譜測(cè)量特征參數(shù)的計(jì)算

3．2．1 古鈾量

古鈾量（即古鈾當(dāng)量含量），是用現(xiàn)代釷含量表征的古鈾含量［7］，其主要理論為在氧化還原條件下，鈾元素會(huì)隨著地球化學(xué)條件的改變發(fā)生四價(jià)和六價(jià)之間的轉(zhuǎn)換，被淋濾、遷移、富集，而釷元素始終為四價(jià)，被保留下來(lái)，所以說(shuō)現(xiàn)代釷元素的當(dāng)量含量和“古釷”一致；同一地質(zhì)單元內(nèi)鈾場(chǎng)和釷場(chǎng)比值基本保持不變，故可以通過(guò)鈾釷元素之間的關(guān)系計(jì)算古鈾量。古鈾量的高值區(qū)指示并可圈定砂巖型鈾礦的鈾源區(qū)。特征參數(shù)計(jì)算式如下［8，9］：

GU為每個(gè)測(cè)點(diǎn)的古鈾量；meanU／meanTh為直線方程的斜率；U、Th分別為鈾、釷元素的實(shí)測(cè)值；meanU、meanTh為研究區(qū)鈾、釷元素平均值。

根據(jù)公式1，在ERDAS IMAGINE 9．2軟件建模工具下計(jì)算弗羅姆湖地區(qū)的古鈾量GU（圖2）。根據(jù)圖2劃出三個(gè)明顯的古鈾高值區(qū)，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)特征，這些地區(qū)為古老富鈾花崗片麻巖、花崗質(zhì)和長(zhǎng)英質(zhì)斑巖、長(zhǎng)英質(zhì)火成巖以及變質(zhì)沉積物的出露區(qū)，推測(cè)這3個(gè)區(qū)域可能為弗羅姆湖地區(qū)的鈾源。為驗(yàn)證這一推測(cè)，通過(guò)計(jì)算特征參數(shù)活性鈾判斷這三個(gè)區(qū)域是否存在成巖后期鈾元素的活化遷移。

3．2．2 活性鈾

活性鈾（或鈾元素遷移量）是用來(lái)表征鈾元素與“古鈾”之間的差異表征鈾元素在成巖后期活化遷移的數(shù)值［10］。活性鈾正值表示在成巖后期存在鈾元素的遷入，負(fù)值表示鈾元素遷出。特征參數(shù)公式為：

FU為每個(gè)測(cè)點(diǎn)的活性鈾含量；U為鈾元素實(shí)測(cè)值；GU為每個(gè)測(cè)點(diǎn)的古鈾量。

根據(jù)公式2，在ERDAS IMAGINE 9．2軟件建模工具下，計(jì)算弗羅姆湖地區(qū)的活性鈾FU（圖3）。從圖3中可以看出3個(gè)活性鈾低值區(qū)，即鈾元素的活化遷出區(qū)，這3個(gè)低值區(qū)與圖2古鈾量高值區(qū)的位置吻合，表明這3個(gè)地區(qū)確實(shí)為弗羅姆湖地區(qū)的鈾源區(qū)。研究區(qū)盆地的活性鈾表現(xiàn)為相對(duì)高值區(qū)（圖3），可以判斷出該區(qū)鈾元素的遷移方向?yàn)橛膳璧厮闹芄爬细烩檸r體向盆地遷移。

3．2．3 地球化學(xué)活動(dòng)性指數(shù)

砂巖型鈾礦成礦的另一個(gè)預(yù)測(cè)要素是氧化－還原地球化學(xué)障。六價(jià)鈾在氧化條件下轉(zhuǎn)化為四價(jià)從而發(fā)生鈾元素的遷移，而在還原條件下發(fā)生沉淀富集。因此在氧化還原條件發(fā)生變化時(shí)，鈾、鉀的放射性含量數(shù)值波動(dòng)較大，而釷含量數(shù)值的波動(dòng)小，表現(xiàn)為U／Th和K／Th同時(shí)發(fā)生變化，顯示了地球化學(xué)變異帶的變化情況。特征參數(shù)公式為［11］：

TF為每個(gè)測(cè)點(diǎn)的地球化學(xué)活動(dòng)性指數(shù)；U、Th、K分別為鈾、釷、鉀元素的實(shí)測(cè)值

根據(jù)公式3，在ERDAS IMAGINE 9．2軟件建模工具下，計(jì)算弗羅姆湖地區(qū)的地球化學(xué)活動(dòng)性指數(shù)TF（圖4）。從圖4可看出盆地內(nèi)的地球化學(xué)活動(dòng)性指數(shù)為低值，是研究區(qū)的還原區(qū)；盆地周圍山脈的地球化學(xué)活動(dòng)性指數(shù)為高值，是研究區(qū)的氧化區(qū)，它們之間的過(guò)渡部分即為研究區(qū)的氧化還原地球化學(xué)障。

圖3 弗羅姆湖地區(qū)的活性鈾分布圖Fig．3 Distribution map of activated uranium containing areas in the Frome Lake region

圖4 弗羅姆湖地區(qū)地球化學(xué)活動(dòng)性指數(shù)分布圖Fig．4 Distribution map of geochemical activity indexes in the Frome Lake region

4 成礦預(yù)測(cè)要素識(shí)別

在計(jì)算得到上述3個(gè)航空能譜測(cè)量能譜特征參數(shù)后，基于ARCGIS 10平臺(tái)，利用這些參數(shù)識(shí)別弗羅姆湖地區(qū)砂巖型鈾礦成礦鈾源區(qū)和氧化－還原地球化學(xué)障等成礦預(yù)測(cè)要素。

4．1 識(shí)別鈾源區(qū)

根據(jù)研究區(qū)的古鈾量和活性鈾可知，鈾源區(qū)位于古鈾的高場(chǎng)區(qū)和活性鈾的低場(chǎng)區(qū)。為了圈出鈾源，將古鈾量和活性鈾進(jìn)行假彩色合成，古鈾量賦為紅色，活性鈾賦為綠色。鈾源區(qū)一般位于盆地周邊古老富鈾地質(zhì)體，故在假彩色合成圖上疊上盆地的范圍，即可圈出研究區(qū)的鈾源范圍。

4．2 計(jì)算鈾元素遷入?yún)^(qū)

根據(jù)活性鈾可知，活性鈾的正值區(qū)為遷入?yún)^(qū)，在ERDAS IMAGINE 9．2軟件建模工具中，通過(guò)條件判斷計(jì)算研究區(qū)鈾元素遷入?yún)^(qū)。

4．3 識(shí)別氧化－還原地球化學(xué)障

由地球化學(xué)活動(dòng)性指數(shù)可知，氧化－還原地球化學(xué)障位于地球化學(xué)活動(dòng)性指數(shù)高低過(guò)渡帶。已知鈾礦床一般在氧化－還原地球化學(xué)障處附近，根據(jù)以上兩點(diǎn)，在地球化學(xué)活動(dòng)性指數(shù)圖上識(shí)別出研究區(qū)的氧化－還原地球化學(xué)障位置。

5 成礦預(yù)測(cè)

利用航空能譜測(cè)量數(shù)據(jù)得到鈾源區(qū)、鈾元素遷入?yún)^(qū)、氧化－還原地球化學(xué)障等成礦預(yù)測(cè)要素，對(duì)弗羅姆湖地區(qū)砂巖型鈾礦成礦進(jìn)行預(yù)測(cè)。由弗羅姆湖地區(qū)砂巖型鈾成礦模式可知，該區(qū)找礦有利區(qū)位于新生代盆地內(nèi)的氧化－還原地球化學(xué)障附近，需要有豐富的鈾源、繼承性的古河道、后期鈾元素的遷入等成礦因素。綜合古鈾量和活性鈾識(shí)別出鈾源區(qū)，活性鈾進(jìn)一步提取得到鈾元素遷入?yún)^(qū)，從地球化學(xué)活動(dòng)性指數(shù)識(shí)別出的氧化－還原地球化學(xué)障，綜合分析研究區(qū)地質(zhì)特征，特別是古河道位置等，最后基于ARCGIS 10平臺(tái)，在弗羅姆湖地區(qū)地質(zhì)圖上識(shí)別出3個(gè)找礦有利區(qū)（圖5）。

6 結(jié)論

數(shù)據(jù)處理和成礦預(yù)測(cè)平臺(tái)的選擇非常關(guān)鍵。結(jié)合ERDAS IMAGINE 9．2 軟件建模工具和ARCGIS 10平臺(tái)，建立弗羅姆湖地區(qū)專題信息數(shù)據(jù)庫(kù)并提取了成礦預(yù)測(cè)要素，對(duì)圈定該區(qū)找礦有利區(qū)具有一定的指導(dǎo)作用。利用航空能譜測(cè)量數(shù)據(jù)并結(jié)合研究區(qū)砂巖型鈾礦成礦預(yù)測(cè)要素，對(duì)航空能譜測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)處理和提取，達(dá)到分析鈾源區(qū)、鈾元素活化遷移區(qū)及氧化－還原地球化學(xué)障位置的目的，更好地預(yù)測(cè)研究區(qū)砂巖型鈾礦找礦有利遠(yuǎn)景區(qū)。

圖5 弗羅姆湖地區(qū)航空能譜測(cè)量特征參數(shù)綜合解譯圖Fig．5 Comprehensive interpretation map of airborne radiometric survey parameters in the Frome Lake region

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