氡氣測量在尋找隱伏鈾礦體中的應(yīng)用
——以新疆杰別特地帶為例

張 強(qiáng)，徐 平，李炎龍，唐湘飛

（核工業(yè)二一六大隊(duì)，烏魯木齊 830011）

氡氣測量在尋找隱伏鈾礦體中的應(yīng)用
——以新疆杰別特地帶為例

張 強(qiáng)，徐 平，李炎龍，唐湘飛

（核工業(yè)二一六大隊(duì)，烏魯木齊 830011）

隨著鈾礦的發(fā)展和地表勘探工作的不斷深入，在覆蓋層較厚的地區(qū)，靠傳統(tǒng)的追索地表礦化露頭信息和測量伽馬總量的組合方法，尋找大規(guī)模的鈾礦已變得越來越難，而以氡氣測量為主的深部勘探方法正逐漸被廣泛應(yīng)用。以新疆杰別特地區(qū)氡氣測量為例，介紹氡氣測量方法的理論基礎(chǔ)及運(yùn)移機(jī)制，對實(shí)測土壤氡活度濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)化變換處理，在二維平面趨勢面分析的基礎(chǔ)上建立帶地形的三維趨勢面模型。結(jié)果表明，三維趨勢面提取剩余異常信息明顯優(yōu)于二維趨勢面分析效果，從而為劃定深部鈾礦有利遠(yuǎn)景區(qū)提供有利依據(jù)。

氡氣測量；氡氣運(yùn)移；鈾礦勘探；地層構(gòu)造

在國內(nèi)，經(jīng)過若干年的勘探，地表或近地表的鈾礦資源正逐漸被探明和開采，隨著清潔能源的發(fā)展和國家的戰(zhàn)略需求，國家明確了將在十三五期間開展深部找礦的戰(zhàn)略思想。然而，當(dāng)覆蓋層較厚時(shí)，如何使用有用的物化探異常特征和有限的地表露頭信息來尋找深部隱伏鈾礦體，這是一個(gè)值得深入探討的問題。

當(dāng)鈾礦埋藏較深時(shí)，與鈾礦有關(guān)的異常信息在地表顯示較弱，這給直接利用物探方法尋找鈾礦造成了困難。如電法、地震、重力和磁法等是利用地層之間的電性、反射特性、密度和磁性差異來尋找鈾成礦環(huán)境，但這些方法并不能直接反映與鈾礦體相關(guān)的異常信息，只能尋找對鈾礦有利的成礦構(gòu)造，查明成礦目的層的展布特征，為圈定有利的成礦靶區(qū)提供依據(jù)，從而達(dá)到間接尋找鈾礦的目的［1］。傳統(tǒng)放射性方法如伽馬總量和伽馬能譜測量無法探測覆蓋層厚達(dá)數(shù)百米的隱伏鈾礦體。近些年來，地氣測量技術(shù)在深部找礦上取得很大的突破，但也存在費(fèi)用高昂，測量時(shí)間長等問題［2］。在浮土覆蓋層較厚的地區(qū)，土壤氡活度濃度測量是一種重要找礦手段，其具有穩(wěn)定性高，分析結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，并能夠指示地下鈾礦信息、地質(zhì)構(gòu)造，在尋找鈾礦過程中發(fā)揮著重要作用［3］。以氡氣測量方法為基礎(chǔ)，在二維平面趨勢面分析的基礎(chǔ)上建立帶地形的三維趨勢面模型，旨在為覆蓋層較厚和復(fù)雜地形地區(qū)的鈾礦勘探工作提供有利的指導(dǎo)。

1 深部鈾礦上方氡及子體異常的形成機(jī)理

砂巖型鈾礦和硬巖型鈾礦的高值異常在礦體上方表現(xiàn)出差異［4］。因此，在使用氡及子體測量方法作異常解釋之前，有必要對氡及其子體的形成和運(yùn)移機(jī)理進(jìn)行深入探討。

1.1 地氣作用

研究發(fā)現(xiàn)，地氣流源于地幔，地氣理論認(rèn)為整個(gè)地球內(nèi)部都在向外滲氣，而地氣異常的形成有兩種方式［5］。第1種方式為地氣流從深部向地表遷移且穿過礦體或礦帶時(shí)，將礦帶或礦體周圍的納米級金屬微粒帶至覆蓋層或近地表形成異常；另一種方式認(rèn)為礦體在形成過程中自身能夠形成與礦床組分相一致的納米級微粒，這些納米級微粒能自發(fā)向上遷移到達(dá)地表形成異常。

1.2 地下水?dāng)y帶作用

地下水?dāng)y帶作用是指礦體中的化學(xué)元素被地下水所溶解，并隨著地下水的運(yùn)移而被帶到地表附近。六價(jià)鈾可溶于水中，在還原環(huán)境下則轉(zhuǎn)變成四價(jià)鈾，并容易在酸性巖石中沉淀下來［6］，由此隨著地下水而遷移到構(gòu)造破碎帶或者裂隙中，并借助地下水作用向上遷移。

1.3 團(tuán)簇作用

當(dāng)放射性核素進(jìn)行α衰變時(shí)便會(huì)放射出α粒子。α粒子在減速后，將成為帶有兩個(gè)正電荷的氦核。帶電的氦核在周圍形成電場，形成直徑為納米級的團(tuán)簇。當(dāng)團(tuán)簇積累足夠，多個(gè)氦核上升，驅(qū)使氡向上運(yùn)移，團(tuán)簇作用便成為氡氣長距離運(yùn)移的主要?jiǎng)恿χ唬?］。

1.4 其他作用

由于地層溫度壓力的存在使得氡氣及其子體在遷移的過程中產(chǎn)生擴(kuò)散和對流作用［8］。擴(kuò)散作用是由氡氣濃度不均引起的運(yùn)移，而對流作用主要是由壓力差引起的，導(dǎo)致氡氣從壓力高的地方向壓力低的地方流動(dòng)。

2 測氡數(shù)據(jù)處理及遠(yuǎn)景區(qū)評價(jià)

2.1 工作區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆阿勒泰地區(qū)沖乎爾―杰別特地帶。杰別特地區(qū)位于克蘭泥盆－石炭紀(jì)弧后盆地中，工作區(qū)以東主要為第四系、泥盆系，工作區(qū)以西主要為較老的震旦系-下寒武統(tǒng)，并有大量的華力西中晚期花崗巖出露地表，區(qū)內(nèi)以花崗巖型鈾礦化為主，局部見偉晶巖型鈾礦化。在構(gòu)造上，整個(gè)工作區(qū)位于受控于NW向的F1斷裂控制的構(gòu)造破碎帶內(nèi)。

2.2 原始數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于氡元素的遷移、富集與地下水的運(yùn)動(dòng)及斷裂構(gòu)造密切相關(guān)，所以實(shí)測氡數(shù)據(jù)受地下斷裂構(gòu)造、地下水活動(dòng)、測量誤差等因素的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)呈非正態(tài)分布，如圖2A所示。這對后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理方法的應(yīng)用產(chǎn)生影響，故對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)化處理，對實(shí)測氡氣濃度進(jìn)行對數(shù)變換后，數(shù)據(jù)基本服從正態(tài)分布，見圖2B。

圖1 新疆杰別特地區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 The geology map of Jiebiete region，Xinjiang

圖2 土壤氡活度濃度分布直方圖Fig.2 The histogram of radon activity and concentration

2.3 背景值的確定

對工作區(qū)氡濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定測量剖面區(qū)域的背景值和異常下限，其流程如圖3所示：

圖3 測氡數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.3 Processing flow chart of Radon concentration data

程序經(jīng)過n次計(jì)算，若滿足終止條件則循環(huán)結(jié)束，輸出結(jié)果即為測氡數(shù)據(jù)的背景值，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，本文取Xn＋3σn為異常下限，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 地面氡濃度測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Results statistics of ground radon concentration measurement

2.4 趨勢面模型的建立

實(shí)際曲面可看作是由趨勢面和剩余曲面組成。趨勢面是濾掉了一些局域隨機(jī)因素的影響，代表空間測量數(shù)據(jù)在大范圍內(nèi)的變化趨勢，它受大范圍的系統(tǒng)性因素所控制；剩余曲面則反映了局部異常變化特點(diǎn)，它受局部因素和隨機(jī)因素所控制。設(shè)氡氣測量數(shù)據(jù)實(shí)際空間坐標(biāo)（xi， yi）的表示為：

式中： Z（xi， yi）， （i＝1， 2…n）—實(shí)際測量數(shù)據(jù)的空間表示；xi，yi）， （i＝1，2…n）—趨勢面擬合值；εi—剩余值。

顯然，當(dāng)（xi，yi）在空間上變動(dòng)時(shí)，上式就刻畫了實(shí)測氡氣濃度的實(shí)際分布曲面、趨勢面和剩余面之間的互動(dòng)關(guān)系。趨勢面分析應(yīng)滿足剩余值最小，趨勢值最大，這樣擬合才能達(dá)到足夠的精度。使用最小二乘算法，當(dāng)經(jīng)過n次循環(huán)，使得殘差平方和Q趨于最小，即

分別對工作區(qū)氡濃度進(jìn)行了二維平面和三維空間的一至五階趨勢面計(jì)算。其中二維趨勢面分析反映測氡數(shù)據(jù)與二維平面坐標(biāo)（xi，yi）之間的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算所得到的相關(guān)系數(shù)反映測氡數(shù)據(jù)與平面坐標(biāo)位置的相關(guān)聯(lián)程度。但是實(shí)際氡氣濃度并不只在二維平面坐標(biāo)上發(fā)生變化，還與地表覆蓋層高低起伏變化有密切聯(lián)系，筆者認(rèn)為覆蓋層的起伏變化對氡濃度有聚集和發(fā)散的作用。因此，在二維趨勢面分析的基礎(chǔ)上，嘗試作帶地形高度的三維趨勢面分析，其相關(guān)系數(shù)反映測氡數(shù)據(jù)與三維空間位置之間的相關(guān)程度。其計(jì)算結(jié)果如圖4所示，當(dāng)回歸次數(shù)較低時(shí)，二元回歸和三元回歸的相關(guān)系數(shù)差異較小，隨著回歸次數(shù)的增加三元回歸明顯高于二元回歸分析的相關(guān)系數(shù)，而后逐漸趨于平穩(wěn)變化。三元回歸較二元回歸分析具有更高的擬合精度，表明氡氣濃度與地表覆蓋層的起伏變化聯(lián)系密切。

圖4 氡氣濃度趨勢面分析相關(guān)系數(shù)分布對比圖Fig.4 The comparison chart of correlation coefficient of trend surface analysis for radon concentration

2.5 異常區(qū)評價(jià)

熱液學(xué)說表明，鈾礦體受巖漿后期熱液蝕變作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)共同控制，礦體一般產(chǎn)于地質(zhì)構(gòu)造的分支、復(fù)合、膨脹、收縮、和弧形彎折等構(gòu)造變異部位。氡氣異常解釋思路為：首先應(yīng)明確氡氣異常是否為地下斷裂、破碎等構(gòu)造為氡氣運(yùn)移提供有利的通道，將地下構(gòu)造復(fù)雜的地段作為鈾礦勘查的重點(diǎn)地段。若異常不受地下構(gòu)造控制，應(yīng)查明氡氣的來源，推測異常是否為隱伏鈾礦體控制，并以此為依據(jù)劃分有利的找礦靶區(qū)，布設(shè)合理的鉆孔加以驗(yàn)證。

如圖5所示，A為氡濃度與平面坐標(biāo)（xi，yi）的趨勢面等值線圖，圖中可以看出其趨勢面值的變化較為平穩(wěn)。B為氡濃度與三維空間坐標(biāo)（xi， yi，zi）的趨勢面等值線圖， 可以看出圖中多項(xiàng)式擬合氡濃度等值線受地形控制明顯，并隨地形呈現(xiàn)出多樣性變化。

圖6A為二元回歸分析的氡濃度剩余異常圖，從圖中可以看出異常分布較為凌亂，除連續(xù)性異常分布較為明顯外，還伴隨著零星的孤立假異常區(qū)，這些假異常區(qū)可能是由地形地貌差異等外界因素所造成的。圖6B為帶地形的三元回歸分析氡濃度剩余異常圖，與圖6A相比零星的假異常明顯減少，異常的連續(xù)性較好，在整體上呈條帶狀展布。對比結(jié)果表明，所采用的三元回歸處理方法在測氡數(shù)據(jù)減少外界干擾因素影響、消除假異常和突出真正的地下異常信息方面應(yīng)用效果較好。

異常在工作區(qū)內(nèi)成條帶狀展布，并且劃分為Rn1和Rn2兩個(gè)異常帶，如圖7所示。在整體上異常帶受F1斷層控制明顯，并且位于實(shí)測斷層偏西位置。究其原因，主要是由于整個(gè)工作區(qū)位于受F1斷層控制的構(gòu)造破碎帶內(nèi)，破碎帶的寬度為40～200 m，構(gòu)造破碎帶中巖石破碎程度較強(qiáng)烈，蝕變發(fā)育，往往存有較大的裂隙，而此構(gòu)造裂隙正是氡氣運(yùn)移的有利通道。氡氣濃度高值異常主要分布于整個(gè)工區(qū)的中部和南部，在北部并無氡氣高值異常，說明造成異常的主要原因并不僅由F1斷裂所造成的，固將Rn1和Rn2異常帶作為重點(diǎn)探索地段。此外在南北兩段異常帶中間有一條明顯的氡氣低濃度帶，該低濃度帶與地質(zhì)地形圖上經(jīng)過該處的一條溝吻合，而氡氣濃度的高低與覆蓋層的濕度有密切關(guān)聯(lián)，在同等條件下，濕度的增加會(huì)導(dǎo)致覆蓋層的儲(chǔ)氣空間和透氣性降低，導(dǎo)致氣體無法在其中流通傳導(dǎo)，降低了氡氣的含量，在兩個(gè)異常區(qū)之間形成一條氡氣低濃度帶。

圖5 氡氣濃度五階趨勢面等值線對比圖Fig.5 The comparison chart of five order-trend surface contour for radon concentration

圖6 氡氣濃度剩余異常等值線對比圖Fig.6 The comparison chart of residual anomaly isoline for radon concentration

3 結(jié)論

1）對實(shí)際氡氣測量數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)化處理、背景值統(tǒng)計(jì)分析、趨勢面模型建立，對工作區(qū)進(jìn)行遠(yuǎn)景區(qū)評價(jià)，本文研究成果在第四系覆蓋層較厚及其地形復(fù)雜的地區(qū)具有較好的應(yīng)用效果。

2）在二維平面趨勢面分析的基礎(chǔ)上建立三維空間趨勢面模型，結(jié)果表明，三維空間趨勢面的剩余異常提取效果要明顯優(yōu)于二維平面分析效果，說明實(shí)際氡濃度分布受地形因素的影響嚴(yán)重，這可為今后開展復(fù)雜地形的勘探工作的數(shù)據(jù)處理工作提供參考。

3）探明了在工作區(qū)內(nèi)，氡濃度異常受斷層控制明顯，通過氡濃度異常分析，明確了斷層在覆蓋層下的展布形態(tài)以及高異常帶和低異常區(qū)形成的原因，為下一步工作提供了理論依據(jù)。

圖7 新疆杰別特地區(qū)異常展布示意圖Fig.7 The distribution diagram of radon cocentration anomaly in Jiebiete region，Xinjiang

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Application of radon survey in the study on concealed uranium deposits—A case study of Jiebiete，Xinjiang

ZHANG Qiang， XU Ping， LI Yanlong， TANG Xiangfei
（Geological Party No.216， CNNC， Urumqi 830011， China）

With the continuous development of uranium exploration on surface， it is more and more difficult to find large-scale uranium deposits by the combination method of traditionally surface outcrop tracing and gamma survey the thick overburden area.However，the radon measurement based on deep exploration theory is used wide and wide.Radon survey was carried out in Jiebiete area of Xinjiang as an example， this paper introduces its theoretical basis and migration mechanism， process of measured solid radon activity， concentration data by normalized transformation， and establishes 3D terrain trend surface model on the basis of two-dimensional trend surface.The results showed that the residual anomaly information extracted from 3D trend surface is much better than the analysis results of twodimensional trend surface，which can provide a favorable basis for finding out concealed structure and delineating prospective area for deep uranium exploration.

radon survey； radon migration mechanism； uranium exploration； stratigraphic structure

2017-05-15

張 強(qiáng)（1989— ），男，河南周口人，助理工程師，主要從事核物探方法解釋工作。E-mail：765129472@qq.com

O613.16；P619.14

A

1672-0636（2017）04-0228-06

10．3969/j．issn．1672-0636．2017．04．007