活性炭測氡在五彩灣地區(qū)砂巖型鈾礦勘查中的應(yīng)用

楊龍泉，吳國東，趙丹，田渴新

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團鈾礦資源勘查與評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029）

活性炭測氡在五彩灣地區(qū)砂巖型鈾礦勘查中的應(yīng)用

楊龍泉，吳國東，趙丹，田渴新

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團鈾礦資源勘查與評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029）

介紹了活性炭測氡在鈾礦勘查中的工作原理及方法，采用HD—2003型活性炭測氡系統(tǒng)在五彩灣地區(qū)進行了氡氣測量。試驗結(jié)果表明該方法能快速圈定氡濃度異常區(qū)并能很好地反映隱伏構(gòu)造信息。

活性炭測氡；鈾礦勘查；五彩灣地區(qū)

氡（222Rn）是天然放射性元素鈾系中的一個氣體放射性元素，有較大的遷移特性［1］，測量氡及其子體的放射性活度或含量的變化可用于尋找深部鈾礦體［2-6］?；钚蕴繙y氡方法是一種累積測量，與其他測氡方法相比較，活性炭測氡法具有較高的精度、靈敏度、抗干擾性強及地下微弱信息探測效果明顯等特點。五彩灣位于新疆維吾爾自治區(qū)吉木薩爾縣北部，該地區(qū)主要為沙漠、戈壁區(qū)。由于沙漠、戈壁中沙礫流動性大，保氣效果差，常規(guī)的抽氣式測氡方法測量效果不理想。為了能夠較好地評價五彩灣地區(qū)的鈾礦找礦前景，選擇累積式的活性炭測氡方法進行測量。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于準噶爾中新生帶盆地東部，大地構(gòu)造位置處于卡拉麥里晚古生代褶皺帶和北天山東段博格達晚古生代褶皺帶夾持區(qū)內(nèi)。

組成盆地基底有：古生代晚期中酸性花崗巖，古生界鈣堿性系列中酸性火山巖、火山碎屑巖以及古生界海相、海陸過渡相砂巖、泥灰?guī)r等。

蓋層沉積巖層可分為3個沉積階段。

1）二疊紀裂陷階段

上二疊統(tǒng)平地泉組（P2p）主要由碎屑巖和泥巖組成，火山活動極弱。碎屑巖主要為砂礫巖至粉砂巖，泥巖為灰黑色、暗色富含有機質(zhì)。

2）中生代坳陷階段

三疊紀是以紅色地層為主，不整合在平地泉組（P2p）之上。以灰綠色夾棕紅色、紫紅色礫巖、砂巖、泥灰?guī)r互層。除奇臺隆起東部未接受沉積外，其他地區(qū)均有沉積，厚度＞298 m。

從侏羅紀開始，本區(qū)轉(zhuǎn)入多層型以面狀沉積為特征的泛地塊發(fā)育期，在卡拉麥里山前坳陷內(nèi)，由南向北增厚，在大井地段出現(xiàn)大于1 000～1 400 m的沉積厚度區(qū)。其沉積組合以砂泥巖和含煤沉積占絕對優(yōu)勢，到晚侏羅世以紅色、雜色砂巖層為主。具體巖性為：下侏羅統(tǒng)八道灣組（J1b），底部為厚達100 m左右的礫巖層，其中有3層砂巖單層厚15～20 m。上部為巨厚層狀砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細砂巖為主夾薄層灰色細礫巖及3～6層薄煤層，厚約300 m。

下侏羅統(tǒng)三工河組（J1s），為一套較粗的碎屑巖，由灰色礫巖、砂巖夾泥巖組成，厚度200 m。中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x），是區(qū)內(nèi)的主要含煤層。中上侏羅統(tǒng)石樹溝群（J2-3sh），主要巖性為雜色碎屑巖夾泥巖，局部夾薄層灰?guī)r、石膏及鈣結(jié)巖，厚108 m。

白堊紀時盆地抬升退縮，主要巖性是巨厚細碎屑巖為主夾泥巖粉砂巖，厚度0～369 m。下部為巨厚層狀黃灰色細礫巖夾粉砂巖、泥巖；上部為巨厚的黃灰色砂巖。

3）新生代萎縮抬升階段

區(qū)內(nèi)缺失古近系，大慶溝南部出露新近系（N2），主要為紅色細砂巖、粉砂巖和泥巖互層夾有薄層石膏。

盆地斷裂的形成主要是由于華力西中、晚期西伯利亞古板塊與塔里木古板塊相向運動，作用于準噶爾地塊，導(dǎo)致外壓內(nèi)張的結(jié)果。地塊邊部斷裂多為逆沖推覆式，地塊內(nèi)部則以張裂為主。展布上以NE和NW向為主，SN和ES向次之。

盆地的侵入巖主要有加里東期、華力西期兩期，其中以華力西中晚期為主，多為巨大巖基，屬鉀長花崗巖序列。巖體多沿褶皺走向延伸，為受斷裂控制的巖基。與圍巖多呈侵入接觸，角巖化明顯，大巖基多為粗粒似斑狀結(jié)構(gòu)。

2 方法與原理

2.1 活性炭找鈾礦原理

活性炭是由優(yōu)質(zhì)果殼為原料，經(jīng)高溫過熱蒸汽活化精制加工而成。具有吸附快、過濾性能好、耐酸堿、化學(xué)穩(wěn)定性好和氣流阻力小等特點，對放射性氣體氡具有極強的吸附能力。地下隱伏的鈾礦體，由于鈾元素的放射性衰變原因，其惟一氣態(tài)放射性衰變子體氡主要通過擴散、對流等作用而到達地面土壤層。可以利用活性炭對氡的吸附性，通過收集土壤氣中的氡，測量氡子體衰變的γ射線強度達到找鈾的目的。

2.2 測量儀器

本次使用的測量儀器是核工業(yè)北京地質(zhì)研究院生產(chǎn)的HD—2003型新型活性炭測氡儀。主要技術(shù)指標：能量閾值50 keV；穩(wěn)定度≤5%；重復(fù)性≤10%；靈敏度≥0.001 5 CPS·（Bq·m-3）-1。

2.3 野外工作方法

按工作目的及要求設(shè)計測網(wǎng)大小及測線方向，根據(jù)現(xiàn)場具體情況，試驗選擇測線方向為EW向，線距為500 m，點距為100 m。測量操作步驟如下：

1）活性炭吸附器組裝：用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱將活性炭進行烘烤干燥，將干燥后的活性炭裝入吸附器中，再覆蓋一層硅膠，最后用絲綿堵住吸附器口并蓋好蓋子。

2）活性炭吸附器的埋置：按照工作安排和測線分布，到測點后，挖掘錐形探坑，坑口直徑15～20 cm，坑底直徑為10～12 cm，坑深為40 cm，需保證坑底較平整。將活性炭吸附器倒置于坑底中央，套上塑料薄膜或塑料袋，在周圍先用松土壓緊密封，然后用土填埋?？禹敱砻娴耐寥缿?yīng)壓緊并高出地面，以防坑內(nèi)進水。記下埋置時間、地質(zhì)和地貌情況。

3）活性炭吸附器回收：6 d之后，按照埋置順序和時間刨土取出活性炭吸附器并迅速分離活性炭吸附器和罩杯，迅速蓋好活性炭吸附器并密封，吸附器標簽上寫好取出時間并記錄在野外記錄本上。

4）樣品測量：樣品取回放置3 h后測量，測量前后需進行儀器穩(wěn)定性檢查。

2.4 試驗參數(shù)選擇

2.4.1 埋置時間

根據(jù)氡衰變平衡規(guī)律，活性炭捕集器理想埋置時間一般為30 d［7］。由于活性炭捕集器吸附氡氣的能力受多種因素的影響。主要的影響因素有：地氣所含水分以及CO2等氣體；晝夜溫差形成的水汽；硅膠干燥劑吸水能力。埋置時間太短、吸附量少也會影響探測精度［3］，同時考慮長時間的埋置受天氣和人文因素的影響，工作效率將降低。所以確定適宜的埋置時間對吸附效果和工作效率具有重要意義。在研究區(qū)進行了埋置時間實驗，結(jié)果如圖1，根據(jù)實驗結(jié)果和野外實際情況，統(tǒng)一埋置時間為6 d。

圖1 不同埋置時間實驗結(jié)果曲線圖Fig.1The test curves at different times of burying

2.4.2 埋置深度

活性炭埋置深度一般根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)、地貌景觀條件和工作效率綜合確定。根據(jù)實驗結(jié)果，不同蓋層環(huán)境最佳埋置深度不一樣，沙地，最佳坑深為為70～80 cm（圖2），土壤發(fā)育地段為30～50 cm，巖層出露地段為20～30 cm，綜合考慮，統(tǒng)一坑深為40 cm。土壤發(fā)育地段保證穿過腐植層。

圖2 不同埋置深度實驗曲線圖Fig.2The test curves of different burial depths

3 數(shù)據(jù)處理與解釋

本次試驗設(shè)計測量比例尺為1∶5萬，測量網(wǎng)格為500 m×100 m，20條測線，測線方向為EW向，近似垂直于地層走向。具體位置如圖3所示。

圖3 五彩灣地區(qū)活性炭測氡范圍圖（據(jù)劉紅旭，2010）Fig.3Scope of activated carbon randon measurement in Wucaiwan area（After LIU Hongxu，2010）

為確定研究區(qū)氡濃度背景值及標準差，首先對研究區(qū)的原始數(shù)據(jù)分布特征進行了統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)基本符合對數(shù)正態(tài)分布（圖4）。

圖4 五彩灣地區(qū)原始氡濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分布圖Fig.4Distribution map of statistical original radon data of Wucaiwan area

用對數(shù)平均值法確定背景值［8］，其計算公式（1）：

式中：X—用對數(shù)平均值法確定的背景值對數(shù)，其反對數(shù)為背景值的真值；Xi—第i個點的氡濃度值；n—測氡點的個數(shù)。

背景值的標準差為：

式中：S—以對數(shù)形式的標準差；其他符號同公式（1）。

以平均值加1倍標準差為偏高暈下限，平均值加2倍標準差為高暈下限，平均值加3倍標準差作為異常暈的下限，5倍平均值作為異常點的下限。研究區(qū)氡異常及暈級下限見表1。

圖5為研究區(qū)土壤氡濃度的平面等值圖。從圖中清楚地看出土壤氡異常主要呈團塊狀，且連續(xù)性較好，主要分布在研究區(qū)的中部偏西，在異常區(qū)塊內(nèi)氡異常強度較大，最大氡濃度值為763 470 Bq·m-3。異常點主要分布在斷裂和氧化前鋒線之間，推測該處的氡異常主要受斷裂和氧化前鋒線影響。

表1 五彩灣地區(qū)氡異常及暈下限Table 1Randon concentration anomaly and lower limit value of halos in Wucaiwan area

圖5 五彩灣地區(qū)土壤氡濃度平面等值圖Fig.5Contour map of soil randon concentration in Wucaiwan area

從區(qū)域氡異常的分布來看，主要分布在下侏羅統(tǒng)三工河組（J1s）。土壤中氡異常是多信息疊加形成。土壤中測點222Rn的產(chǎn)生主要由兩部分構(gòu)成［3］：1）原生氡氣。由測點位置有限小空間內(nèi)土壤中正常放射性鈾系核素238U，…，226Ra的衰變產(chǎn)生的；2）外來氡氣。由非測量點位置的放射性鈾系核素238U，…，226Ra衰變產(chǎn)生的，包括深部遷移、地表運移和大氣氡的滲入。深部遷移受氡源體到測點之間的地質(zhì)環(huán)境影響；地表運移受地表景觀條件影響；大氣氡滲入受氣象條件影響；該異常區(qū)域的氡異常強度較大，異常襯度最大值為278，一般情況下來自地表運移和大氣氡滲入產(chǎn)生的氡異常襯度達不到278，推測該處異常點的氡主要來自三工河組（J1s）深部砂體。據(jù)地質(zhì)報告顯示研究區(qū)三工河組（J1s）底部砂體中存在發(fā)育較好的層間氧化帶，綜合測氡結(jié)果推測該地層為成礦有利地層。

4 結(jié)論

活性炭測氡方法在新疆五彩灣地區(qū)的應(yīng)用結(jié)果表明，該方法能快速圈定土壤氡濃度的異常分布，為鈾礦勘查提供參考依據(jù)。研究區(qū)內(nèi)土壤氡異常主要呈團塊狀，異常分布在斷裂和氧化前鋒線間，該處異常主要受構(gòu)造控制，推測該處氡氣主要來自三工河組深部砂體，三工河組為成礦有利地層。

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［8］中國核工業(yè)集團公司.EJ/T605—1991氡及其子體測量規(guī)范［S］.北京：中國核工業(yè)集團公司，1991.

Application of activated carbon radon measurement method for uranium exploration in Wucaiwan area

YANG Longquan，WU Guodong，ZHAO Dan，TIAN Kexin
（CNNC Key Laboratory of Uranium Resource Exploration and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

The principle of activated carbon radon measurement of uranium exploration is presented in the paper.HD—2003 type activated carbon instrument was used to measure radon in Wucaiwan area，the test results show that this method could quickly delineate radon anomaly in regions and has good response to concealed structure.

activated carbon radon measurement；uranium exploration；Wucaiwan area

P631；P619.14結(jié)果A

1672-0636（2015）03-0159-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2015.03.006

2015-02-04；

2015-04-13

楊龍泉（1987—），男，福建漳州人，助理工程師，主要從事核地球物理勘探研究。

E-mail：yanglongquan@briug.cn