烏庫爾齊鈾礦床鐳-氡放射性平衡系數(shù)計(jì)算及討論

羅　義

烏庫爾齊鈾礦床鐳-氡放射性平衡系數(shù)計(jì)算及討論

羅義

（四川省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，成都 610061）

從分析鐳-氡放射性平衡破壞的原因出發(fā)，以新疆烏庫爾齊可地浸砂巖型鈾礦床為例，探討了鐳-氡放射性平衡系數(shù)的計(jì)算方法，并對不同的計(jì)算方法進(jìn)行了討論。該系數(shù)的取得，為烏庫爾齊鈾礦床測井?dāng)?shù)據(jù)的修正、礦體邊界的劃分、鈾礦資源量的計(jì)算提供了科學(xué)依據(jù)。

鈾礦床；砂巖型；鐳-氡放射性平衡系數(shù)；烏庫爾齊

鈾礦勘查過程中，伽瑪測井是鈾礦勘查的重要手段。通過伽瑪測井，可確定礦體的空間位置、品位及厚度等［1］。影響伽瑪測井解釋結(jié)果的因素較多，需要通過各種參數(shù)修正才能得到準(zhǔn)確的儲量估算，在可地浸砂巖型鈾礦中，鐳-氡放射性平衡系數(shù)就是其中較為重要的修正參數(shù)之一［2］。在可地浸砂巖型鈾礦鉆探勘查過程中，由于隔水層揭穿，加之鉆進(jìn)過程中井液泥漿的循環(huán)，壓力使圍巖和含礦層均出現(xiàn)了井液侵入帶，井液的侵入和氣體擴(kuò)散作用使得鈾礦化層的含鈾含礦水出現(xiàn)了局部的鐳-氡放射性不平衡現(xiàn)象，使得礦層原有的鐳-氡放射性平衡遭到破壞，其結(jié)果導(dǎo)致終孔測井的伽瑪照射量率降低，從而不能客觀的評價(jià)鈾礦層的厚度和品位。現(xiàn)以新疆伊犁盆地烏庫爾齊鈾礦床的鐳-氡放射性平衡系數(shù)計(jì)算為例，簡要介紹其理論、計(jì)算方法，進(jìn)行不同方法對比。

1　壓氡現(xiàn)象對伽瑪測井解釋的影響

伽瑪測井是利用放射性探測儀器在鉆孔內(nèi)測量來自巖礦石中放射性物質(zhì)衰變過程中產(chǎn)生的伽瑪照射量率來反演鈾礦化品位和厚度的物探方法。放射性物質(zhì)在衰變過程中，同時(shí)伴隨著α、β和 γ射線的產(chǎn)生。γ射線的穿透能力較強(qiáng)（與α和β射線相比），在鈾系中γ射線主要與RaA（218PO）、RaB（214Pb）及RaC（214Bi）有關(guān)，當(dāng)純鈾與UX1和UX2+UZ 達(dá)到放射性平衡時(shí)，純鈾所放出的γ射線僅為鈾-鐳放射性系列γ射線能量的1.5%。在放射性系列中，鈾系列的鈾-鐳-氡處于放射性平衡時(shí)，伽瑪測井結(jié)果能準(zhǔn)確反映出礦層鈾含量的高低。伽瑪測井時(shí)測量的γ射線大多數(shù)能量來自鈾系氡（222Rn）的短壽子體218PO（RaA）、214Pb（RaB）、214Bi （RaC），包括226Ra在內(nèi)鈾系列的長壽子體對伽瑪測井影響非常小，因此226Ra與222Rn 的放射性不平衡時(shí)，對測井結(jié)果影響很大。222Rn 是一種單原子氣體，能溶于水和有機(jī)溶劑中，能被強(qiáng)烈的吸附于各種活性物質(zhì)的表面，特別是煤和硅膠。氡從鐳鹽中的釋放取決于其物理特性，因此溫度、壓力等變化非常容易造成氡的遷移或者鐳-氡放射性平衡的破壞［3］。

地浸砂巖型鈾礦鉆探勘查過程中，由于循環(huán)井液泥漿壓力大于含礦段含水層的壓力，井液泥漿將會侵入鈾礦層巖石孔隙，使得層間水及溶解于其中的氡（222Rn）一起被擠壓而離開孔壁，這一過程被稱為壓氡現(xiàn)象。壓氡現(xiàn)象的存在破壞了鐳-氡之間的放射性平衡，導(dǎo)致伽瑪測井結(jié)果偏低。同時(shí)，鉆進(jìn)過程中，泥漿侵入井壁周圍一定范圍，也會在井壁形成一層厚厚的泥漿餅，都會對伽瑪射線有一定的屏蔽吸收作用，會使伽瑪測井照射量率數(shù)值偏低。

影響鐳-氡放射性平衡系數(shù)變化的主要原因是氡的遷移或屏蔽作用。氡在砂體中隨含鈾水一起遷移，或者沿?cái)嗔褞?、裂隙帶析出后出現(xiàn)局部增高。氡通過擴(kuò)散和對流的途徑伴隨氣流和水流進(jìn)行遷移，在有利的條件下，對流遷移是氡遷移的最主要方式。雖然影響鐳-氡放射性平衡系數(shù)變化的因素較多，但鐳-氡飽和后的放射性平衡系數(shù)主要與沉積地質(zhì)環(huán)境、礦石鈾含量、砂體的滲透性和鉆探方法等因素有關(guān)。由于鉆探過程中井液的循環(huán)及砂體中含鈾含氧水的運(yùn)動，礦層中的鐳和氡的累積或遷移都會造成鐳-氡放射性平衡的破壞，而氡（222Rn）又是鐳（226Ra）的次級衰變產(chǎn)物，氡是一種放射性氣體，很容易隨著鉆探貫穿礦層或井液循環(huán)而流失，因此含礦鉆孔中的鈾-鐳-氡總是處于動態(tài)平衡狀態(tài)，其平衡很容易受到了破壞，這種破壞會使實(shí)測的γ射線強(qiáng)度與平衡鈾系所應(yīng)有的射線強(qiáng)度之間產(chǎn)生差別。因此在進(jìn)行鈾礦伽瑪測井時(shí)研究評價(jià)鐳-氡放射性平衡是非常重要的。

2　鐳-氡平衡系數(shù)的測定

2.1物探參數(shù)孔成井工藝及流程

進(jìn)行鐳-氡放射性平衡系數(shù)研究的物探參數(shù)孔必須設(shè)計(jì)在工業(yè)礦塊段，并且保證成井鉆孔內(nèi)有工業(yè)鈾礦層，工作流程如下［4］:

鉆探施工設(shè)計(jì)-布孔鉆探（取芯、地質(zhì)編錄、物探編錄）-完井（成井）-換漿沖孔-伽瑪測井、綜合測井-擴(kuò)孔-下套管對頂板封井止水-檢查頂板止水質(zhì)量-清水沖孔-孔底封井止水-伽瑪觀察測井（連續(xù)觀測30天）。

圖1　ZK41779物探參數(shù)孔觀測曲線圖

烏庫爾齊鈾礦床的物探參數(shù)孔依據(jù)設(shè)計(jì)開孔后，目的層鉆探孔徑110mm，孔徑與其它勘探孔大小一致，取芯率不小于85% ，鉆探過程中經(jīng)過巖心地質(zhì)編錄、物探編錄和水文編錄，完鉆后經(jīng)過伽瑪測井和綜合測井確定了鈾異常或礦化層的位置、品位及含礦含水層的頂、底板厚度和位置，為進(jìn)一步擴(kuò)孔、止水器設(shè)計(jì)制作、套管下放及含礦層頂?shù)装宸饩顾峁┝丝煽康臄?shù)據(jù)資料。

圖2　ZK35725-1物探參數(shù)孔觀測曲線圖

2.2測井觀測及計(jì)算方法

第二，加大投入力度。按照公共財(cái)政要求，加大對水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，確保當(dāng)年本級財(cái)政可用財(cái)力的2%~4%用于水利建設(shè)。繼續(xù)收足用好防洪保安資金、水利建設(shè)基金、水資源費(fèi)和南水北調(diào)基金，認(rèn)真落實(shí)城市建設(shè)維護(hù)稅15%用于城市防洪建設(shè)、土地出讓金純收益15%用于農(nóng)業(yè)土地開發(fā)和水利建設(shè)的政策，保證配套資金及時(shí)足額到位。積極運(yùn)用市場機(jī)制，廣泛吸納社會資金，逐步建立多元化水利投入新機(jī)制。

鐳-氡放射性平衡系數(shù)的測定采用連續(xù)伽瑪觀察測井來完成。這次野外工作使用的FD-3019伽瑪測井儀配合TYSC-3Q數(shù)字綜合測井儀進(jìn)行連續(xù)伽瑪測井。測井時(shí)電動絞車提升電纜和探管，深度由光電碼盤自動提供給中央處理器，計(jì)算機(jī)專用數(shù)據(jù)采集軟件在電纜提升時(shí)以0.05m的點(diǎn)距連續(xù)自動采集數(shù)據(jù)并存盤，自動化程度高，人為影響因素少。

依據(jù)規(guī)范［5］每個(gè)物探參數(shù)孔伽瑪觀察測井時(shí)間需要30天以上，前4天每8小時(shí)測井一次，后5～7天每天測井一次，之后每2～3天測井1次，直到氡氣飽和后，測井結(jié)果相對不變化為止。根據(jù)下套管前的γ測井結(jié)果，區(qū)分出延伸到圍巖的并處于滲透性巖石中的鈾礦段，計(jì)算出礦段內(nèi)的各測點(diǎn)γ照射量率的和（ΣI0），在該界限內(nèi)根據(jù)狀態(tài)觀測結(jié)果計(jì)算鈾礦段內(nèi)各測點(diǎn)γ照射量率（已經(jīng)鐵套管和沖洗液吸收修正）的和（ΣIi），以γ照射量率I為縱坐標(biāo)，以時(shí)間t為橫坐標(biāo)作出I-t關(guān)系圖，假定ΣI0=A，t=O，然后把各點(diǎn)用平滑曲線連接起來得到一條曲線，該圖稱之為壓氡狀態(tài)觀測曲線圖。在滲透性鈾礦段中若存在著氡壓縮效應(yīng)的現(xiàn)象，則可公式（1）計(jì)算出鐳─氡放射性平衡系數(shù)修正值PRn［2］。

PRn=ΣIO/ΣIi……………（1）

（1）式中：PRn-鐳-氡放射性平衡系數(shù)；ΣIO-壓氡狀態(tài)觀測曲線始端的γ照射量率測量值，nC/（kg·h）；ΣIi-壓氡狀態(tài)觀測曲線尾端的γ照射量率測量值，nC/（kg·h）。

圖3　ZK44965-1物探參數(shù)孔觀測曲線圖

3　鐳-氡放射性平衡系數(shù)的確定

3.1物探參數(shù)孔測量及計(jì)算鐳-氡放射性平衡系數(shù)結(jié)果

烏庫爾齊鈾礦床共施工了ZK41779、ZK35725-1和ZK46965-1共3個(gè)物探參數(shù)孔。參數(shù)孔的設(shè)計(jì)和觀測方法如規(guī)范［5］。壓氡狀態(tài)觀測曲線分別如圖1、圖2、圖3所示。

從圖1～3中看出氡在鉆孔中的積累現(xiàn)象顯示明顯。利用式（1）計(jì)算出ZK41779孔的鐳-氡放射性平衡系數(shù)為0.742；ZK35725-1孔為0.861；ZK46965-1孔為0.884。3個(gè)孔的鐳-氡放射性平衡系數(shù)平均值為0.829。由于巖石粒度、孔隙度等差異，三個(gè)鉆孔觀測曲線形態(tài)不盡一致，但增長趨勢還是十分明顯的，證明了鉆探過程中，鐳氡放射性平衡破壞現(xiàn)象的存在。

本區(qū)所施工的物探參數(shù)孔充分證實(shí)了在鉆進(jìn)過程中鐳-氡放射性平衡遭到了破壞，定量確定鐳-氡放射性平衡破壞修正值則采用巖礦心分析結(jié)果與伽瑪測井解釋結(jié)果對比的方法［6］。具體計(jì)算方法是：選用對應(yīng)礦段上伽瑪測井解釋的鐳線儲量與化學(xué)分析鐳線儲量加權(quán)值之比，求出單樣段鐳-氡放射性平衡系數(shù)，然后再用化學(xué)分析鐳線儲量加權(quán)平均法按（3）式計(jì)算出全區(qū)總的鐳-氡放射性平衡系數(shù)。確定修正值樣品選擇原則為：①采用儲量計(jì)算塊段內(nèi)的樣品；②礦段內(nèi)鈾含量≥0.01%；③樣品礦段位置應(yīng)與γ測井解釋礦段位置相互對應(yīng)；④剔除不合格礦段數(shù)量不應(yīng)大于符合以上條件礦段總數(shù)的5%；⑤礦心采取率≥85%。［7］單礦段鐳-氡放射性平衡系數(shù)計(jì)算公式為［6］：

（2）式中：PRni─單礦段鐳─氡放射性平衡系數(shù)；H2i·R2ai─單礦段γ測井解釋的鐳線儲量，m·%；H1i·R1ai ─單礦段礦心樣品分析的鐳線儲量，m·%。在計(jì)算時(shí)應(yīng)注意的幾點(diǎn)：①此處的伽瑪測井解釋結(jié)果是指經(jīng)濕度修正后的鐳的含量，如果伽瑪測井解釋結(jié)果沒經(jīng)濕度修正，則應(yīng)對分析結(jié)果進(jìn)行濕度修正，以保證對比雙方條件一致；②此處的礦段采取率是根據(jù)樣品分析結(jié)果，鈾含量大于0.01%的礦段的實(shí)際采取率，對于采取率不夠100%的，應(yīng)將分析結(jié)果修正為100%。

全區(qū)總的鐳-氡放射性平衡系數(shù)計(jì)算公式為：

（3）式中： PRn─礦床總鐳─氡放射性平衡系數(shù)；其余參數(shù)如公式（2）中參數(shù)。

烏庫爾齊鈾礦區(qū)鐳-氡平衡系數(shù)計(jì)算表

表中經(jīng)過（3）式計(jì)算出鐳-氡放射性平衡系數(shù)為0.843。礦心取樣總長度69.4m，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的20m。伽瑪測井解釋結(jié)果與礦心取樣分析結(jié)果的米百分?jǐn)?shù)相對誤差為2.83%，小于規(guī)范［5］5%的要求。因此，認(rèn)為該區(qū)鐳-氡放射性平衡系數(shù)的確定方法是合理的，修正系數(shù)值是客觀的、準(zhǔn)確的。

3.3兩種計(jì)算鐳-氡放射性平衡系數(shù)結(jié)果對比

從上面兩種方法計(jì)算出的鐳-氡放射性平衡系數(shù)的相對誤差為1.69%，小于10%的規(guī)范［6］要求。

4　鐳-氡放射性平衡系數(shù)計(jì)算方法的討論

本文用了兩種計(jì)算鐳-氡放射性平衡系數(shù)的方法。方法1：利用物探參數(shù)孔和γ測井結(jié)果計(jì)算；方法2：利用伽瑪測井資料與巖礦心分析結(jié)果對比計(jì)算。雖然兩種方法計(jì)算的結(jié)果都可以在資源量計(jì)算中使用，但采用方法1的物探參數(shù)孔施工工期和觀測周期比較長，但是方法1計(jì)算結(jié)果比方法2要科學(xué)、合理的多。

首先，通過方法1計(jì)算的鐳-氡放射性平衡系數(shù)比方法2得出的結(jié)果誤差小，方法2從鉆探過程中的深度測量誤差到樣品深度調(diào)整誤差及分析誤差等誤差累加較大，且這些誤差是不可避免的。其次通過方法1計(jì)算的鐳-氡放射性平衡系數(shù)比方法2得出的結(jié)果受人為因素影響小，方法2得出的結(jié)果受人為的巖心顛倒、礦心拉長、采取率計(jì)算等人為因素的影響。而方法1計(jì)算的鐳-氡放射性平衡系數(shù)從終孔測井（生產(chǎn)）到狀態(tài)觀測采用同一臺γ測井儀，消除了儀器的系統(tǒng)誤差，同時(shí)在測量過程中最大程度地保持了礦層的原始狀態(tài)，不受測量條件變化的影響。最后，還有采取率的問題，盡管相應(yīng)規(guī)范［5］要求，方法2中礦段采取率不低于85%，但沒有采上來的礦心有可能是鈾含量高的礦樣，也可能是鈾含量低的礦樣，對此，一般在計(jì)算過程中采用對采取率修正的辦法，但無論怎樣修正，必然存在用高品位結(jié)果代替低品位（未采上來的為低品位）或者用低品位代替高品位的情況，而方法1前后觀測數(shù)據(jù)連續(xù)、客觀地記錄了礦段中放射性照射量率的變化情況。由于以上原因，方法2所采用的數(shù)據(jù)可信度比方法1采用的數(shù)據(jù)低的多。從前述的計(jì)算結(jié)果也可以看出，雖然兩種方法求得的烏庫爾齊鈾礦床的鐳-氡放射性平衡系數(shù)誤差只有1.69%，但通過方法2得出的烏庫爾齊鈾礦床39個(gè)單礦段的鐳-氡放射性平衡系數(shù)變化范圍為0.33～1.11，最大值約是最小值的3.4倍，最小值與最大值的相對誤差達(dá)70.27%；而方法1得出的3個(gè)鐳-氡放射性平衡系數(shù)變化范圍為0.742～0.884，最小值與最大值的相對誤差只有16.06%。我們知道，在砂巖型鈾礦存在井液的鉆進(jìn)中，鐳-氡放射性平衡系數(shù)最大為1（沒有任何壓氡效應(yīng)，這在可滲透性砂巖中幾乎是不可能的），但方法2計(jì)算的結(jié)果大于1的礦段卻有8段，占全部組合樣段的20.51%。

盡管規(guī)范［5］規(guī)定，在沒有物探參數(shù)孔或物探參數(shù)孔數(shù)量小于相應(yīng)規(guī)定的情況下，通過方法2可以得出該區(qū)的鐳-氡放射性平衡系數(shù)，并且當(dāng)其計(jì)算結(jié)果小于0.9時(shí)，應(yīng)對γ測井資料解釋進(jìn)行修正。但鑒于以上的討論和實(shí)踐，筆者認(rèn)為通過方法2得出的鐳-氡放射性平衡系數(shù)受人為因素、采取率等因素影響較大，可信度較低。在條件允許的情況下，利用方法1求得鐳-氡放射性平衡系數(shù)是較為科學(xué)的。

［1］ EJ/T 611-2005伽瑪測井規(guī)范［S］.2005

［2］ EJ/T 1214-2006 地浸砂巖型鈾礦資源/儲量估算指南［S］.2007

［3］ 魯挑建，姜啟明. 放射性地球物理勘查M］.哈爾濱工程大學(xué)出版社，2009，7

［4］ EJ/T 1052-1997 放射性礦產(chǎn)資源鉆探規(guī)程［S］.1997

［5］ EJ/T 1230-2008地浸砂巖型鈾礦鐳氡平衡系數(shù)測量規(guī)程［S］.2008

［6］ EJ/T 1030-1996鈾礦射氣系數(shù)測定規(guī)范［S］.1997

［7］ EJ/T 1158-2002地浸砂巖型鈾礦取樣規(guī)范［S］.2003

Calculation of Radium-Radon Radioactive Equilibrium Coefficient of the Wukuerqi in-situ Leaching Sandstone-Type Uranium Deposit

LUO Yi
（Sichuan Institute of Uranium Geology， Chengdu 610061）

This paper makes an approach to calculation methodology of radium-radon radioactive equilibrium coefficient of the Wukuerqi in-situ leaching sandstone-type uranium deposits in Xinjiang. The resultant parameters provide scientific base for correction of radioactivity logging， determination of cut-off grade and resources/reserves estimation.

in-situ leaching sandstone-type uranium deposit； Ra-Rn radioactive equilibrium coefficient；calculation； Wukuerqi

P619.14；P631.6

A

1006-0995（2015）04-0562-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.04.019

2015-01-14

羅義（1981-），男，四川成都人，工程師，從事放射性地球物理勘探