放射性γ測井在稀土礦床勘查中的應(yīng)用

張劭祺+張云海

摘 要：根據(jù)鉆孔巖心取樣分析結(jié)果，研究了自然界中常見的三種天然放射性元素與稀土礦床之間的關(guān)系，進(jìn)而驗證了在礦區(qū)內(nèi)進(jìn)行的放射性γ測井對判斷鉆孔是否見稀土礦和巖心取樣工作具有重要的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：稀土礦；放射性元素；放射性γ測井；關(guān)系研究

中圖分類號：F299 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0127-03

1 引言

1.1 工作目的

西峽縣太平鎮(zhèn)稀土礦床是河南省首個預(yù)測資源量達(dá)到中型的工業(yè)稀土礦床。在開展深部鉆探揭露工作中，放射性γ測井工作對鉆孔稀土礦層位置的判定和巖心取樣工作有著重要的指導(dǎo)作用。對此，通過對比γ測井測值與鉆孔取樣分析結(jié)果，了解礦區(qū)深部鉆探放射性元素與稀土礦化之間的關(guān)系，進(jìn)而驗證放射性γ測井對鉆孔巖心取樣工作的指導(dǎo)作用。

1.2 放射性元素概述

在自然界中存在最常見的放射性系列有三個，即鈾系、釷系和鉀元素的同位素40K。它們的共同特點都是原子核不夠穩(wěn)定，能夠自發(fā)的發(fā)生衰變并伴隨著放出離子或射線（可以由儀器接收并反映），這種現(xiàn)象稱為放射性衰變，而這些元素稱為放射性元素。

1.3 稀土元素

稀土，或稱稀土元素，是元素周期表中鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、钷（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu）15種元素和與鑭系的密切相關(guān)的鈧（Sc）、釔（Y）共17種元素的合稱。因天然豐度小，又以氧化物或含氧酸鹽礦物共生形式存在，故叫“稀土”。

1.4 放射性γ測井

放射性γ測井是勘查放射性礦床的一種鉆井地球物理方法。它是用γ測井儀沿井孔測量巖石和礦石的天然γ射線強(qiáng)度，并根據(jù)γ場分布來確定所穿過礦層的位置、厚度以及其中放射性元素的含量。

1.5 工作的重要性

稀土具有優(yōu)良的光電磁等物理特性，其最顯著的功能就是大幅度提高其他材料的質(zhì)量和性能，組成性能各異的新型材料和產(chǎn)品；是重要的戰(zhàn)略資源，廣泛運用于新能源、新材料、電子信息、航空航天等領(lǐng)域。

本礦床是河南省省首個預(yù)測資源量達(dá)到中型的稀土礦床，在東秦嶺特別是河南省境內(nèi)實現(xiàn)了稀土礦床找礦的新突破，本文總結(jié)了放射性γ測井在稀土礦床勘查工作中的應(yīng)用，對尋找同類型礦床有一定的借鑒作用。

2 地質(zhì)特征

礦區(qū)地質(zhì)特征：太平鎮(zhèn)稀土礦床大地構(gòu)造位置為北秦嶺（二郎坪群）巖漿島弧。二郎坪群地質(zhì)體呈NW向楔形夾持于瓦穴子斷裂和朱夏斷裂之間，主要由變質(zhì)巖和一些花崗巖類侵入體構(gòu)成。礦區(qū)出露地層為下古生界二郎坪巖群大廟組、火神廟組及新生界第四系。礦區(qū)內(nèi)巖漿巖呈侵入狀，在北部出露燕山期老界嶺復(fù)式巖體，巖性為中斑中?！?xì)粒二長花崗巖；南西部出露的是海西期中酸性二長花崗巖；中部為加里東期中酸性斜長花崗巖；東南部為加里東期閃長巖。礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，大體分為三組：北西向、北西西向、北東向斷裂。其中以北西向斷裂最為強(qiáng)烈，是主要的含稀土礦斷裂構(gòu)造，已發(fā)現(xiàn)有F1、F2、F3三條平行斷裂構(gòu)造（見圖1）。

礦體特征：稀土礦緊鄰太平鎮(zhèn)西北的大西溝-火神廟一帶，主要賦存在F1、F2、F3斷裂構(gòu)造帶內(nèi)，斷裂構(gòu)造呈NWW向近平行產(chǎn)出，間距60～180m，產(chǎn)狀213°～236°∠59°～83°，有分支復(fù)合現(xiàn)象，構(gòu)造力學(xué)性質(zhì)早期為張性，后期為壓扭性，后期北東向構(gòu)造對其破壞作用。斷裂大部分位于斜長花崗巖中，部分穿插在火神廟組和二長花崗巖內(nèi)。礦體以破碎石英-蝕變巖為主，產(chǎn)狀與斷裂產(chǎn)狀基本一致。礦體富集出現(xiàn)在產(chǎn)狀變異處，傾角較陡或平面上轉(zhuǎn)折處富集明顯。本稀土礦經(jīng)分析主要由鈰、鑭、釹三種輕稀土元素組成，主要礦物為氟碳鈰礦。礦床平均厚度2.17m，平均品位2.32%，（333）+（334）TR2O3資源量超過10萬噸，達(dá)到中型稀土礦床規(guī)模。

3 放射性元素與稀土礦之間的關(guān)系

在稀土礦物中，138La、176Lu具有天然的極低的放射性（不易為儀器接收），一般含有低的Th、U放射性元素，是異價類質(zhì)同象所致。由于Th4+、U4+的離子半徑較為接近，易和稀土礦物發(fā)生類質(zhì)同象置換，甚至形成內(nèi)潛同晶（張培善等，1985），因此在進(jìn)行礦物鑒定中未見到放射性元素的單礦物或次生礦物。

根據(jù)工作進(jìn)度，在礦區(qū)內(nèi)進(jìn)行了764件樣品進(jìn)行了稀土含量分析，對70個鉆孔樣品進(jìn)行了U、Th含量分析，在前期進(jìn)行的地表取樣工作中，k元素含量較低，故鉆孔未進(jìn)行K含量分析。

本區(qū)鉆孔樣品稀土礦品位在0.5～4%之間變化，U含量一般在0.3～30ppm之間變化，含稀土礦化時，一般在2～30ppm之間變化，最高57.6ppm；Th含量一般在2～150×10-6之間變化，最高樣品達(dá)到208.5ppm，含稀土礦化時，一般在25～150ppm，約每ω（∑REO）1%為Th含量增量為（30～35）ppm（詳見表1）。并做了鉆孔U、Th含量隨稀土含量變化的關(guān)系曲線（詳見圖2、圖3）。

另根據(jù)分析數(shù)據(jù)計算了Th/U比值，此數(shù)值變化較大，一般為0.62～790。不含礦化的圍巖斜長花崗巖的Th/U在1～6之間，明顯較低；當(dāng)含有稀土礦化時，一般在9～60之間，最高值790。

4 伽瑪測井工作

4.1 使用儀器

本次使用儀器為上海申核電子儀器廠生產(chǎn)的FD-3019改進(jìn)型閃爍γ測井儀，工作前在相關(guān)部門標(biāo)定，各項指標(biāo)符合規(guī)范要求。

4.2 工作方法

本次γ測井嚴(yán)格按照規(guī)范要求，每次測量前對儀器進(jìn)行了穩(wěn)定性檢測。測井前用清水沖洗鉆孔排除在鉆進(jìn)過程中的巖礦粉和放射性元素衰變子體氡產(chǎn)生的放射性污染，沖孔后立即進(jìn)行伽瑪測井工作，測量點距按照正常地段點距1米，異常地段點距0.1米進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，采樣時間5秒。最終經(jīng)過γ測井反褶積程序?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為照射量率單位（nC/（Kg*h）），并繪制到鉆孔柱狀圖上（見圖4、圖5）。

4.3 結(jié)果分析

通過資料綜合整理，在礦區(qū)內(nèi)施工的13個鉆孔中，有10個鉆孔伽瑪測井工作見到照射量率超過10（nC/Kg*h）的異常段，對應(yīng)測井異常位置進(jìn)行了巖心取樣分析，稀土總量全部達(dá)到了工業(yè)品位（部分樣品因厚度不足1m進(jìn)行了儲量計算合并變成了邊界礦體）。而其余3個未見礦的鉆孔伽瑪測井也沒有見到異常段（最高照射量率<10（nC/Kg*h）。因此在本項目區(qū)，伽瑪測井對鉆孔稀土礦見礦情況和巖心取樣工作有著重要的指示意義。

5 結(jié)語

通過以上圖表和數(shù)據(jù)分析，得出了下面結(jié)論：

（1）本礦區(qū)放射性元素U含量與稀土礦化呈弱正相關(guān)系，但總體來說，U元素含量偏低，未達(dá)到U礦化標(biāo)準(zhǔn)。（2）本礦區(qū)放射性元素Th含量與稀土礦化呈強(qiáng)正相關(guān)系，鉆孔分析每ω（∑REO）1% Th含量增量幅度大，是放射性物探工作在本礦區(qū)具有指示意義的根本原因。Th元素易于和稀土礦物發(fā)生類質(zhì)同象置換，甚至形成內(nèi)潛同晶，因此在肉眼觀測和礦物鑒定中不能見到Th元素單礦物或次生礦物。（3）根據(jù)計算Th/U比值，在礦區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)放射性異常且當(dāng)存在Th/U比值大于9時，則有可能成稀土礦化。（4）驗證了本礦區(qū)伽瑪測井工作對鉆孔稀土礦見礦情況和巖心取樣工作有著指導(dǎo)的意義。當(dāng)鉆孔伽瑪測井工作見到測值>10（nC/Kg*h）的異常段時，對應(yīng)位置巖心取樣分析稀土總量全部達(dá)到工業(yè)品位，當(dāng)測值<10（nC/Kg*h）時，取樣分析達(dá)不到稀土礦化品位。

通過此次研究鉆孔取樣分析結(jié)果，了解礦區(qū)內(nèi)放射性元素與稀土礦化之間的關(guān)系，也驗證了放射性γ測井工作在稀土礦深部鉆探揭露工作中的指導(dǎo)作用，對尋找同類型礦床有一定的借鑒作用，可以作為在河南省內(nèi)甚至東秦嶺地區(qū)對稀土礦床的勘查一種方法。

參考文獻(xiàn)

[1]馮必達(dá)，賈文懿，等.放射性物探方法.華東地質(zhì)勘探局教材編寫組，1983，2.

[2]葛良全.核輻射測量方法講義.成都理工大學(xué)應(yīng)用核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，2006，9.

[3]中華人民共和國核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EJ/T 831-94地面伽瑪總量測量規(guī)范 .1994，12.

[4]中華人民共和國核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EJ/T 661-2005伽瑪測井規(guī)范.2005，12.

[5]張培善，楊主明，陶克捷，等.我國鈮鉭稀土礦物學(xué)及工業(yè)利用[J].稀有金屬，2005，29（2）：57-61.