地氣測量方法在熱液型鈾礦床的試驗研究

王東升，王 勇，劉洪軍，王曉賽

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029；2.中國核科技信息與經(jīng)濟研究院，北京100048；3.中國地質(zhì)大學（北京）地球科學與資源學院，北京100083）

1 氣測量方法背景

20世紀80年代初，L.Malmqvist和K.Kristiansson通過對Rn的遷移機理研究，提出氡氣及其子體隨著深部上升氣流向上遷移的理論，并將這種遷移模式擴展到其他金屬元素的研究，隨后瑞典的波立登礦業(yè)公司（Boliden Mineral）和隆德（Lund）科學技術(shù)學院核物理系針對這種遷移特征共同推出了地氣測量方法［1］。

地氣測量方法是以“微氣泡流”經(jīng)過礦體時，能夠?qū)⒌V體擴散出的微量組分攜帶至地表［2］理論為基礎(chǔ)。對地氣測量實際上就是對地氣流所攜帶上來的金屬元素進行測量，引起異常的含礦物質(zhì)以納米微粒形式遷移，這種微顆粒具有類氣體的性質(zhì)且可以克服重力影響，隨地氣流一起垂直遷移到地表，地氣攜帶微粒物質(zhì)遷移到地表富集后形成多種元素異常，這種異?？煞从成畈侩[伏礦物質(zhì)的相關(guān)特性，此類遷移模式為深穿透地球化學提供了理論依據(jù)［3-5］。

目前地氣測量方法在隱伏構(gòu)造預(yù)測、金屬礦勘查、油氣勘查評價及地熱資源勘查等方面已取得一些應(yīng)用成果［6-7］。雖然地氣方法在很多領(lǐng)域取得了較好的研究成果，但以隱伏型鈾礦勘查為主要對象的應(yīng)用研究相對較少。因此本次試驗?zāi)康氖翘剿麟[伏熱液型鈾礦勘查新方法的可行性。

2 研究區(qū)地質(zhì)特征

大官廠鈾礦床位于華北陸塊北緣色爾騰山—太仆寺旗巖漿弧（Ar3）Ⅲ級構(gòu)造單元與北北東向大興安嶺中新生代火山巖漿帶的交切復合部位［8］。深部構(gòu)造位置為沽源幔凹區(qū)。鈾礦床產(chǎn)在沽源火山盆地蔡家營—大官廠北東向火山斷陷東端大官廠火山塌陷洼地中，受潛火山型破火山口控制。

研究區(qū)基底為新太古界紅旗營子群角閃斜長巖、黑云斜長片麻巖、變粒巖，條帶狀、均質(zhì)斑狀鉀質(zhì)混合巖構(gòu)成。古元古代形成呈串珠狀分布的富鈾鉀質(zhì)混合巖化中心，鈾含量由原1.6×10-6增至5.0×10-6～7.0×10-6，盆地富鈾基底形成，為盆地鈾成礦奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

含礦層為上侏羅統(tǒng)張家口組三段火山溢流相鉀質(zhì)流紋巖，薄層流紋巖、球粒狀流紋巖及噴發(fā)相的晶屑凝灰?guī)r、熔結(jié)凝灰?guī)r和火山侵入相次流紋斑巖。含礦層（體）巖石化學成分以富SiO2（平均含量75.10%），富鉀（K2O含量5.72%），貧CaO、MgO為特點。富LREE，δEu為0.07～0.11，Sr86∕Sr87比值為0.72，鈾含量10.0×10-6～15.0×10-6為殼源重熔型富鈾酸性火山巖。

NE向F45貫通性基底斷裂、近SN向獨石口—沽源貫通性基底斷裂FH（Ⅰ）、NEE向FH（Ⅱ）-2貫通性斷裂是礦區(qū)的主要控礦斷裂構(gòu)造，三者交匯部位控制了晚侏羅世張家口晚期火山巖漿活動及鈾-鉬礦的成礦作用。

研究區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育二疊紀花崗閃長巖、花崗巖，中侏羅世細粒花崗巖，似斑狀花崗巖，晚侏羅世次流紋斑巖、花崗斑巖，次粗面巖、石英正長斑巖等。

大官廠鈾礦床為典型的引爆碎裂鉀質(zhì)流紋巖型（火山熱液型）鈾鉬礦床，是晚侏羅世晚期、白堊紀、古近紀3次火山巖漿熱液地質(zhì)事件作用的結(jié)果。礦床成礦時代主要為2個時期，浸染狀鈾礦，其U-Pb等時線年齡為67.7±Ma，屬晚白堊世晚期礦化，成礦溫度大于200℃；脈狀鈾礦，其U-Pb等時線年齡為31.76±0.32 Ma，屬古近紀漸新世。新近紀時期，區(qū)內(nèi)表現(xiàn)整體斷塊抬升，在含氧地下水淋濾作用下，在礦床上部形成水針鐵礦，軟錳礦和黃鉀鐵礬和次生鈾礦物硅鈣鈾礦等。

3 地氣測量試驗

3.1 測點布置

根據(jù)已知礦體位置，在其周圍布置3條測量線。1、2號測線北端橫貫區(qū)域斷裂，測線中間位置穿過大官廠鈾礦體隱伏實測區(qū)域。測線方向為SE160°和SW250°，長度分別為2.1 km、1.6 km、1.8 km，1、2號測線點距均為20 m，3號測線中間段點距為20 m，兩側(cè)各7個點距為40 m（圖1）。逐點記錄線號、點號、捕集器號及地表地貌特征，全區(qū)共采集樣品260組，聚氨酯樣品和超純稀酸液樣各一份。

圖1 大官廠鈾礦地氣測量實際材料及地質(zhì)略圖Fig.1 Geologic sketch and geogas sampling in Daguangchang uranium deposit

3.2 介質(zhì)處理

地氣樣品中鈾及其伴生元素含量很低，所以在采樣前需要對捕集介質(zhì)做降本底處理。通過對留白樣的分析對比，聚氨酯泡塑降本底后，U、Cu元素含量為原始含量58%左右，Pb、Gd等元素含量為原始含量40%左右（表1）。

3.3 取樣方法及裝置簡介

表1 聚氨酯泡塑降本底處理元素含量前后對比Table 1 Comparison table of elements content before and after reducing the background with polyurethane foam

在大官廠鈾礦區(qū)的地氣測量采用瞬時采樣法。采樣裝置由螺旋采樣器、過濾器、捕集器和1.5 L定量抽氣筒組成，各部分用硅膠導管連接（圖2）。

圖2 地氣樣品采集示意圖Fig.2 Schematic of the sampling device for collecting geogas

3.4 野外工作方法

按設(shè)計點位，每個采樣點用鋼釬打6個孔，孔深0.6～0.8 m，孔距1～1.5 m，兩種采樣介質(zhì)各抽取3個孔的地氣。將螺旋采樣器旋于孔中，擰緊使其封閉，用硅膠管將裝有微孔濾膜（孔徑0.45μm）的過濾器和捕集裝置連接。采樣均采用手提式抽氣筒，一次性均抽氣3升（2筒×1.5 L），液樣采集抽取地氣使其通過裝有超純稀酸（20 mL）的U型瓶，液樣采樣后轉(zhuǎn)入到潔凈處理的樣品瓶中；泡塑樣采集抽取地氣通過裝有泡塑的補集裝置，泡塑樣品完成采集后，回室內(nèi)立即轉(zhuǎn)入至潔凈處理過的自封袋，放置陰涼、密封儲存。

3.5 樣品分析

地氣測量樣品分析由實驗室利用ICP-MS方法測試，泡塑樣品需經(jīng)特定的焦化、灰化、溶樣三步處理后進行分析；液體樣品直接分析。測量元素包括U、Th、Mo、Pb及REE等14種典型與成礦有關(guān)的元素。

4 地氣測量異常特征

參與鈾礦物組成的陽離子主要是親石元素（惰性氣體型離子和靠近惰性氣體型離子一側(cè)的過渡型離子）中的K、Na、Ca、Mg、Ba、Al、Ti、Th、Y、REE、Nb、Ta和Mn等，其次是親硫元素（銅型離子）中的Cu、Pb、Zn、Bi、Ti以及親鐵元素（過渡型離子）中的Fe、Co、Ni和Mo等，此次試驗根據(jù)熱液型鈾礦的成礦特征，選取多種典型元素進行分析對比，具體情況如下所述。

通過試驗分析對比，以泡塑為采樣介質(zhì)的捕集效果和抗干擾能力都好于以超純稀酸為采樣介質(zhì)的效果。

在1號勘探線的區(qū)域斷裂和礦體上方，多種元素顯示出明顯異常，其中U、Pb、Cr異常最為突出（圖3），兩種方法測定的U異常顯示，液體補集在測線位置300～700 m出現(xiàn)明顯低值異常，與泡塑樣品測定明顯不同，分析原因可能是在這段地區(qū)實測取樣時降水較多，地表土較濕潤，而其余地段兩種采樣異常符合度較高，推測濕潤土壤對液樣采集效果影響較大；說明超純稀酸捕集方法不僅受礦體位置、構(gòu)造、地形等多因素影響，還受到地表土壤含水量的影響。

泡塑捕集方法測定的U異常準確地在礦體附近和構(gòu)造斷裂周圍出現(xiàn)高值異常，目標元素U的最高含量達到21.3×10-9，達到平均值的5倍以上，這對定位隱伏礦體位置，推測隱伏構(gòu)造有很大指示作用。與U有關(guān)的伴生元素Th、Mo、Pb在礦體上方及構(gòu)造斷裂附近也顯示明顯異常。此外，液樣中Ag、Er、Gd、Nd、Co、Mo在礦體正上方出現(xiàn)異常。

2號勘探線斜穿多條斷裂，在中后段直穿鈾工業(yè)化鉆孔正上方。通過典型的微量金屬元素異常對比分析（圖4）可以看出，在礦體的正上方（埋深超過150 m），泡塑中的U含量普遍超背景值的2～4倍，向兩側(cè)逐漸變?yōu)楸尘爸狄韵?，且在已知礦體上的異常襯度較大，變異系數(shù)大致在0.5～0.7，Pb、Cu、Nd、Zn地氣異常與U的異常位置基本一致。目標U異常出現(xiàn)于礦體附近，但異常值不明顯，推測原因可能受地表溫度、土壤濕度等因素影響嚴重。

圖3 大官廠試驗區(qū)鈾礦1號線泡塑和液樣U、Pb、Cr異常對比剖面圖Fig.3 Geogas abnormal contrast profile of U，Pb，Cr in plastic foam and liquid for Line 1 at Daguanchang

地氣異常的這種規(guī)律，也驗證了亞微米級顆粒金屬元素異常是由地氣垂向遷移引起的，異常高值區(qū)出現(xiàn)在礦體正上方和構(gòu)造斷裂附近。

3號勘探線垂直于兩條實測斷裂，斜穿見礦工業(yè)孔。同樣在地質(zhì)構(gòu)造斷裂及礦體周圍出現(xiàn)了多種元素高值異常，與地質(zhì)構(gòu)造位置符合度較高（圖5）。

圖4 大官廠試驗區(qū)鈾礦2號線泡塑和液樣U、Pb、Cr異常對比剖面圖Fig.4 Geogas abnormal contrast profile of U，Pb，Cr in plastic foam and liquid for Line2 at Daguanchang

兩種采樣方法中U及伴生元素Th、Mo等高值異常均出現(xiàn)于構(gòu)造裂隙附近；Cu、Gd、Ni等元素高值異常出現(xiàn)位置與礦體和構(gòu)造裂隙位置相一致；泡塑中的W、Er和液樣中的W、Pb元素高值異常出現(xiàn)在礦體正上方；通過多種元素異常的出現(xiàn)位置推斷，地氣測量在隱伏構(gòu)造預(yù)測、多金屬礦勘查方面具有較好的指示性。

圖5 大官廠試驗區(qū)鈾礦3號線泡塑U、Pb、Cr剖面圖Fig.5 Geogas profile of U，Pb，Cr in plastic foam for Line 3 in Daguanchang uranium deposit

5 結(jié)論

1）由于地氣攜帶物質(zhì)垂直遷移的特征，導致異常值一般出現(xiàn)在礦體上方附近，但異常的連續(xù)性不明顯，且呈現(xiàn)大幅跳躍狀態(tài)，甚至出現(xiàn)部分元素單點異常情況，在礦體上方的地氣異常，多表現(xiàn)為多元素異常位置相互吻合的分布特征。

2）不同采樣介質(zhì)針對目標U的研究發(fā)現(xiàn)，使用泡塑作為捕集介質(zhì)的采樣方法在抗干擾能力和捕集能力均優(yōu)于超純稀酸溶液，并且能夠在隱伏鈾礦體上方，顯示出清晰的地氣異常。

3）試驗結(jié)果表明，利用地氣測量勘查埋深超過300 m的隱伏熱液型鈾礦是可行的。