活性炭測(cè)氡法在鄂爾多斯盆地南部雙龍地區(qū)砂巖型鈾礦勘查中的應(yīng)用

張 樂(lè)，郭 磊，劉磊磊，袁 立，李宇飛，白兆華

（中陜核工業(yè)集團(tuán)二一一大隊(duì)有限公司，西安 710024）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，清潔能源（核能）在人們?nèi)粘Ｉ钪姓加械谋戎貙⒉粩嘣龃?，核電將?huì)成為未來(lái)的必然趨勢(shì)，因此國(guó)家和社會(huì)將會(huì)對(duì)鈾礦勘查提出更高的要求［1-2］。雙龍地區(qū)位于鄂爾多斯盆地黃土高原南部，樹木叢生，植被繁茂，覆蓋率達(dá)85%以上，屬低中山地貌區(qū)。研究區(qū)鈾礦（化）體主要賦存于中侏羅統(tǒng)直羅組砂巖中，基巖出露情況較差，同時(shí)黃土覆蓋較厚，采用常規(guī)地面伽馬總量測(cè)量效果不明顯。

氡（222Rn）是天然鈾系中的一種氣體放射性元素，它具有較大的遷移性［3］，通過(guò)系統(tǒng)測(cè)定氡及其子體的放射性含量的變化可以尋找深部鈾礦體［4-6］?；钚蕴繙y(cè)氡法是一種累積測(cè)量方法，該方法相比較于其他測(cè)氡方法具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：探測(cè)深度較大、抗干擾性強(qiáng)、精度高等［7］。

綜合考慮工作區(qū)地質(zhì)、自然地理?xiàng)l件，在雙龍鈾礦床周圍開展活性炭測(cè)氡法測(cè)量，目的是查明氡氣濃度分布規(guī)律，分析其與鈾礦（化）體的空間展布關(guān)系，為下一步鈾礦勘查工作提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地北鄰興—蒙褶皺帶，南接秦—祁褶皺帶，東與山西地塊相接，西與阿拉善地塊毗鄰，是一個(gè)在古生代地臺(tái)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 “具有雙重基底結(jié)構(gòu)”的不對(duì)稱坳陷盆地，面積大約 25×104km2（圖 1A、B）［7］。研究區(qū)位于盆地南部次級(jí)構(gòu)造單元伊陜斜坡與渭北斷隆的過(guò)渡部位（圖1C），由于受到印支運(yùn)動(dòng)的影響，在雙龍—南峪口地區(qū)形成了一系列近東西向的隆起。由南向北構(gòu)造形變減弱，隆起規(guī)模變小，地層逐漸變新。

圖1 雙龍地區(qū)大地構(gòu)造位置圖 （A、B、C）和地質(zhì)簡(jiǎn)圖（D）（據(jù)陜西核工業(yè)211大隊(duì)）Fig.1 The tectonic location （A，B，C）and geologic sketch of Shuanglong area （D）（After Geological Party No.211， Nuclear Industry Geological Bureau of Shaanxi Province）

研究區(qū)內(nèi)與砂巖型鈾礦化關(guān)系密切的地層為延安組（J2y）、直羅組（J2z），其中直羅組下段為主要鈾礦化層位，延安組為隔水底板，直羅組上段為隔水頂板，構(gòu)成了典型的泥-砂-泥地層結(jié)構(gòu)，有利于鈾礦形成（圖1D）。延安組（J2y）巖石類型為灰色、深灰色、灰黑色，淺灰色細(xì)砂巖、粉砂巖為主，夾粉砂質(zhì)泥巖、薄層煤線及薄煤層；直羅組上段巖石類型為紫紅色、紫灰色泥巖、粉砂巖及少量細(xì)砂巖；直羅組下段（鈾礦化層）巖石類型為淺灰色、灰色、深灰色、黃褐色、紫灰色、紫紅色等細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖，頂部為薄層灰綠色泥巖、粉砂巖；其中鈾礦化主要產(chǎn)于淺灰色、灰色、深灰色粗碎屑巖中。

2 測(cè)量方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 活性炭法找鈾原理

將碳化物隔絕空氣加熱，再高溫蒸餾處理的炭就是活性炭，它對(duì)氡氣具有很強(qiáng)的吸附力。通過(guò)測(cè)量被活性炭吸附的氡及子體濃度，圈定異常，指導(dǎo)深部尋找鈾礦體［8-9］。

2.2 方法試驗(yàn)

本次試驗(yàn)所用的儀器為核工業(yè)北京地質(zhì)研究院生產(chǎn)的HD—2003（編號(hào)：D13060）活性炭測(cè)氡儀。由于該地區(qū)前期未開展過(guò)活性炭測(cè)氡工作，因此在工作之前進(jìn)行了深度和時(shí)間試驗(yàn)研究，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2.1 埋置深度試驗(yàn)

埋置深度的確定是為了消除或者減少表層覆蓋物的不同和氣象變化等引起的干擾。本次試驗(yàn)分別選取20～80 cm進(jìn)行試驗(yàn)研究，不同深度各1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)7個(gè)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，探坑深度40～80 cm的氡濃度趨于一致 （圖2A）。因此活性炭測(cè)氡工作中埋置深度選取40 cm。

2.2.2 埋置時(shí)間試驗(yàn)

埋置時(shí)間的確定目的是使氡及其子體的體積盡量達(dá)到最大值，以便于提高測(cè)量精度，同時(shí)減少不利因素影響。本次試驗(yàn)分別選取1～8 d進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，埋置5 d氡濃度最大（圖2B）。因此活性炭測(cè)氡工作中埋置時(shí)間選取5 d。

2.3 野外工作方法

2.3.1 制作吸附器

將烘烤干的活性炭裝入15 g，放入少量絲綿防止活性炭受潮；封裝5 g變色硅膠覆蓋于絲綿之上，然后用絲綿堵住吸附器口并蓋上蓋子。在白色瓶子外面貼上膠布，編上號(hào)碼。隨機(jī)選擇5個(gè)樣品進(jìn)行本底測(cè)量，取平均值為本底值。

2.3.2 定點(diǎn)

野外工作小組根據(jù)設(shè)定的GPS到達(dá)測(cè)點(diǎn)后，首先對(duì)選擇合適的地方作為探坑位置。遇到巖石露頭、亂石堆、田地等地區(qū)，調(diào)整測(cè)點(diǎn)至適當(dāng)位置。

2.3.3 埋置吸附器

圖2 不同埋置深度和不同埋置時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果曲線圖Fig.2 The test result curves of different burial depths and different burial times

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，本地區(qū)探坑深為40 cm，坑底直徑大于10 cm測(cè)量結(jié)果較理想。工作過(guò)程中首先記錄測(cè)量點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)、坐標(biāo)、巖性、坑內(nèi)干濕情況等，并對(duì)坑內(nèi)伽馬值進(jìn)行測(cè)量。然后打開白色瓶子蓋子，將其與黃色瓶子連接起來(lái)，輕輕插在探坑中央，并用松土壓緊密封（防止翻倒），用土掩埋探坑踩實(shí)。

2.3.4 收集吸附器

從埋置吸附器之日算起，第5天收集吸附器。根據(jù)埋置樣品順序號(hào)依次取出。取塑料瓶時(shí)，拿住瓶子底部或者上部，取出瓶子后，立即蓋好瓶蓋。記錄下收集吸附器的日期、時(shí)間。將收集的吸附器放置于放射性較弱的陰涼環(huán)境中。

2.3.5 樣品測(cè)量

使用前，儀器在石家莊國(guó)家二級(jí)計(jì)量站標(biāo)定合格后投入使用。測(cè)量樣品前，根據(jù)已知標(biāo)準(zhǔn)源（1 050 min-1）對(duì)儀器 “三性”進(jìn)行檢查。測(cè)量樣品時(shí)，每個(gè)樣品測(cè)量時(shí)間1 min，測(cè)量?jī)纱?，?jīng)過(guò)儀器修正的計(jì)數(shù)率數(shù)值×儀器系數(shù)即為測(cè)點(diǎn)的氡濃度。遇到較高的數(shù)值（＞5 000 min-1），進(jìn)行重復(fù)檢查測(cè)量，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.4 數(shù)據(jù)處理

本次在雙龍鈾礦體上，布設(shè)1∶25 000活性炭測(cè)氡工作（30 km2），根據(jù)礦體走向，選取測(cè)線方向0°，線距為250 m，點(diǎn)距為50 m，共計(jì)46條線，2 419個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖3）。

圖3 雙龍地區(qū)活性炭測(cè)氡圖Fig.3 Scope of activated carbon radon measurement in Shuanglong area

為了研究研究區(qū)氡濃度分布特點(diǎn)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)2 419個(gè)測(cè)量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布，氡濃度主要集中在 3 000～4 500 Bq·m-3（圖 4）。

圖4 雙龍地區(qū)氡濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布圖Fig.4 Statistical histogram of randon data of Shuanglong area

測(cè)量數(shù)值處理分為7步（表1）：數(shù)據(jù)處理后，氡濃度背景值為3 441.2 Bq·m-3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 1 091.5 Bq·m-3，異常下限為 5 624.2 Bq·m-3。工作區(qū)氡濃度最高為30 771.6 Bq·m-3，最低為239.5 Bq·m-3，異常點(diǎn)數(shù)為151個(gè)，占總點(diǎn)數(shù)的6.3%。

3 測(cè)量結(jié)果

為了直觀表示出每一條剖面測(cè)線上不同測(cè)點(diǎn)氡濃度變化特征，對(duì)工作區(qū)氡濃度較高的測(cè)線做剖面圖（圖5）。把連續(xù)出現(xiàn)3點(diǎn)及以上的異常點(diǎn)地段劃分為異常區(qū)段。工作區(qū)氡濃度較高測(cè)線的異常段統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，異常點(diǎn)、段分布在12條剖面 （12～18、21～24和35號(hào)剖面）。

為了對(duì)異常進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用異常襯度、異常峰值等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)將異常襯度強(qiáng)度按照＞1.5、＞1.3～＜1.5、＞1.0～＜1.3分別劃分為較高、中等、較弱［10-11］。通過(guò)處理數(shù)據(jù)，雙龍地區(qū)氡濃度總平均異常強(qiáng)度為6 623.2 Bq·m-3，異常襯度為1.92，異常強(qiáng)度較高。單條剖面中，異常段內(nèi)異常強(qiáng)度較高（襯度＞1.5）；同時(shí)，部分剖面的局部地區(qū)異常強(qiáng)度較其他高 （12號(hào)剖面27～31測(cè)點(diǎn)、17號(hào)剖面37～49測(cè)點(diǎn)等），顯示出氡氣濃度局部較富集（表3）。

以17號(hào)剖面為例，在37～49號(hào)點(diǎn)異常段內(nèi)共有13個(gè)連續(xù)異常點(diǎn)，異常峰值為10 505.9 Bq·m-3，平均異常強(qiáng)度為6 770.1 Bq·m-3， 異常襯度為 2.0。

表1 雙龍地區(qū)氡濃度數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 1 Processed results of radon concentrations in Shuanglong area

圖5 雙龍地區(qū)6條測(cè)線氡濃度剖面圖Fig.5 Six profiles showing the radon concentration in Shuanglong area

在異常強(qiáng)度較高的剖面中 （12～14、16～18、23等），異常長(zhǎng)度＞200 m（異常點(diǎn)＞4個(gè)），異常較連續(xù)；同時(shí)17號(hào)剖面異常長(zhǎng)度局部為600 m （異常點(diǎn)13個(gè)），說(shuō)明該異常范圍大且連續(xù)。

根據(jù)區(qū)內(nèi)氡濃度分布特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合本區(qū)不同性質(zhì)鉆孔（鈾工業(yè)孔、鈾礦化孔、鈾異?？?、無(wú)礦孔）分布特點(diǎn)，作圖時(shí)用Surfer8.0軟件繪制氡濃度等值線，用濃度分帶（＞8 000、 8 000～6 500、 6 500～5 000、5 000～3 500和＜3 500 Bq·m-3） 圈定測(cè)區(qū)氡濃度等值線圖。

表2 雙龍地區(qū)氡濃度異常評(píng)價(jià)Table 2 Evaluation of radon concentration anomalies in Shuanglong area

區(qū)內(nèi)氡濃度等值線圖表明：氡濃度異常主要分布在區(qū)內(nèi)中部，呈較連續(xù)帶狀分布。在主要異常段內(nèi)，異常值相對(duì)較高，異常襯度較大。氡濃度大于背景值且成區(qū)帶分布范圍主要有2個(gè)，中西部分布于松林莊—騾馬店—墩臺(tái)梁一帶，面積約為14 km2；東部分布于古坡溝—松樹臺(tái)—官莊村一帶，呈不連續(xù)片狀，面積約為8 km2（圖6）。

圖6 雙龍地區(qū)氡濃度等值線圖Fig.6 Contour map of randon concentration in Shuanglong area

按照氡濃度＞5 000 Bq·m-3圈定的異常范圍主要分布在區(qū)內(nèi)中部的騾馬店—墩臺(tái)梁附近，異常呈近南—北帶狀展布，大致可以分為3條異常帶：東部焦家溝帶、中部騾馬店帶、西部墩臺(tái)梁帶。異常帶長(zhǎng)約2.5 km，寬約3.5 km，面積約5 km2。

4 解釋與結(jié)論

根據(jù)雙龍地區(qū)以往鈾礦勘查成果，該地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)、砂體規(guī)模、砂體厚度、砂體埋深、古層間氧化帶發(fā)育情況、水文地質(zhì)條件及煤田孔自然伽瑪特征等均顯示具有較好的鈾成礦地質(zhì)條件［10］。根據(jù)目前已發(fā)現(xiàn)不同性質(zhì)鉆孔（工業(yè)孔、礦化孔等）特點(diǎn)及氧化帶發(fā)育特征，初步確定了氧化-還原帶前鋒線位置。通過(guò)對(duì)比氡異常分布與氧化-還原帶前鋒線空間展布關(guān)系：區(qū)內(nèi)中西部和東部氡濃度較高，與氧化還原帶前鋒線的邊界位置相當(dāng)；值得注意的是在中西部騾馬店附近，在氧化帶前鋒線的北側(cè)，發(fā)現(xiàn)了一定范圍的較高異常。通過(guò)與南側(cè)鉆孔見(jiàn)礦進(jìn)行對(duì)比，北側(cè)存在較大的找礦前景。

通過(guò)對(duì)比已施工鉆孔與氡氣異?？臻g分布特點(diǎn)，兩者具有一定的聯(lián)系（圖6）。鈾工業(yè)孔多數(shù)＞5 000 Bq·m-3；鈾異?？住⑩櫟V化孔多數(shù)分布于3 500～5 000 Bq·m-3，個(gè)別位于 5 000～6 500 Bq·m-3； 無(wú)礦孔多數(shù)分布于＜3 500 Bq·m-3。其中東部較西部的鈾礦孔氡濃度較低，可能與該區(qū)處于兩條大溝系附近和上覆地層較薄有關(guān)，導(dǎo)致氡氣沿溝系不斷逸散，引起氡濃度與鈾礦孔空間分布呈不協(xié)調(diào)關(guān)系。

區(qū)內(nèi)氡濃度測(cè)量結(jié)果表明，松林莊—騾馬店—墩臺(tái)梁與古坡溝—松樹臺(tái)—官莊村一帶異常面積較大、連續(xù)性較好、異常較明顯。綜合分析區(qū)內(nèi)已有資料，同時(shí)結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)背景，認(rèn)為該區(qū)中西部局部地段騾馬店地區(qū)鈾成礦潛力較大，下一步需進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

綜上所述，初步得出以下結(jié)論：

1）活性炭測(cè)氡法能快速高效的圈定土壤氡濃度的異常分布，為黃土覆蓋區(qū)砂巖型鈾礦找礦工作具有指導(dǎo)意義。

2）氡氣異常分布規(guī)律與鉆孔分布：①無(wú)礦孔多數(shù)分布于＜3 500 Bq·m-3；②鈾異常孔、鈾礦化孔多數(shù)分布于3 500～5 000 Bq·m-3，個(gè)別位于5 000～6 500 Bq·m-3；③工業(yè)鈾礦孔多位于＞5 000 Bq·m-3。

3）工作區(qū)內(nèi)兩個(gè)氡濃度異常區(qū)：中西部松林莊—騾馬店—墩臺(tái)梁一帶和東部古坡溝—松樹臺(tái)—官莊村一帶。其中中西部騾馬店附近異常分布范圍可作為鈾礦的重點(diǎn)預(yù)測(cè)區(qū)，下一步需進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。