二連盆地哈達圖鈾礦床覆蓋區(qū)地球化學異常源示蹤與判別

康歡，陳岳龍，李大鵬，徐云亮，房明亮

（中國地質大學（北京）地球科學與資源學院，北京 100083）

可地浸砂巖型鈾礦具有品位低、儲量大和開采效益高等特點，是當今世界鈾礦勘查的主攻類型［1］。中國砂巖型鈾礦主要分布在西北和內蒙古中、新生代盆地，依據(jù)形成礦床的主成礦作用，將砂巖型鈾礦分為沉積成巖型、潛水氧化型、層間氧化型、古熱水改造型和熱液脈型［1-2］。砂巖型鈾礦體一般產出于埋深超過100 m 的緩傾斜砂巖層的氧化-還原過渡帶中，其上沉積覆蓋較厚，地表信息微弱，直接找礦標志不明顯，常以盲礦、隱伏礦產出，導致傳統(tǒng)找礦方法（例如：車載能譜測量法、土壤化探找礦法等）無法有效地圈定該類型鈾礦床的有利成礦區(qū)段［1］。在這種大背景下，金屬活動態(tài)法［3］、氡（Rn）及其子體（210Po）放射性活度測量法［4-5］應運而生。

元素經(jīng)由深部地氣流的垂向搬運作用可從深部礦體遷移至地表，在地表覆蓋物中形成活動態(tài)疊加含量的異常［6］。部分學者認為提取地表土壤活動態(tài)鈾及其伴生元素（錸、釩、鉬、硒等）的含量對隱伏鈾礦地質找礦具有重要指示意義［7］。然而，另一部分學者在已知隱伏鈾礦床上開展地表土壤有機態(tài)鈾、水溶態(tài)鈾、鐵錳氧化物態(tài)鈾等活動態(tài)鈾及其伴生元素（釩、硒、鉬）研究，發(fā)現(xiàn)鈾礦床上方活動態(tài)鈾含量無明顯異常，認為金屬活動態(tài)測量法在鈾礦勘查中的應用前景還需大量工作進一步確認［8-9］。氡及其子體在多棒接力傳遞［10］、地氣流［6］、團簇現(xiàn)象［11］以及擴散、對流、抽吸、泵吸、地熱和地下水等作用［12］下沿巖石的孔隙、裂隙、破碎帶遷移至地表土壤、巖石中累積形成高于背景場的高異常暈，故測量土壤層中的氡及其子體濃度可間接探測覆蓋區(qū)深部鈾礦化信息。然而，隱伏構造破碎帶、礦體蓋層性質、地形和近地表氣候條件等會對地表土壤氡及其子體的測量濃度產生強烈地干擾［13］。

通過對二連盆地哈達圖砂巖型鈾礦內不同鈾品位見礦鉆孔、無礦鉆孔上方表層土壤分別開展活動態(tài)鈾、氡及其子體測量，并利用SPSS 軟件對數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗，探討地表土壤中活動態(tài)鈾、氡及其子體含量等參數(shù)對揭示隱伏砂巖型鈾礦體的指示意義。

1 研究區(qū)地質概況

圖1 哈達圖鈾礦床地質簡圖［1］Fig.1 The geological sketch of the Hadatu uranium deposit

哈達圖鈾礦床位于二連盆地烏蘭察布坳陷的齊哈日格圖凹陷內，為典型的古河谷砂巖型鈾礦床［14-16］。二連盆地中部的下白堊統(tǒng)賽漢組上段已圈定出兩條呈北東向展布的古河谷砂巖帶，并發(fā)現(xiàn)巴潤、賽汗高畢、巴彥烏拉和哈達圖等砂巖型鈾礦床［15］（圖1）。鈾礦床具有“同河谷多礦床、同河谷多類型”的特點［16］。鈾礦化主要受古河道砂體及氧化帶控制，礦體呈板狀、透鏡狀，延伸方向總體上與河谷走向一致（北北東向，圖1）。古河谷兩側發(fā)育新生代玄武巖、燕山早期花崗巖和華力西期花崗巖，其中花崗巖體含鈾量高（4.0×10-6～8.0×10-6），U/Th 值 為2.50～4.68。鈾礦化主要產于下白堊統(tǒng)賽漢組，礦體賦存于氧化帶前鋒線附近的疏松、透水性好的富含有機質的灰色砂巖中［15］。鈾礦體埋深230.14～548.69 m，厚度0.8～8.06 m，礦體品位0.0252%～0.4787%［16］。礦石中鈾的存在形式以瀝青鈾礦和吸附態(tài)鈾為主，成礦時代為晚白堊世—始新世。

2 樣品采集

2.1 鉆孔樣

結合研究區(qū)內已有研究成果，在詳細野外踏勘的基礎上在哈達圖鈾礦內選取了高品位、中品位、低品位鉆孔以及無礦鉆孔進行樣品采集。為消除含礦泥漿對表層沉積物的影響以及采樣的系統(tǒng)誤差，在對應鉆孔周圍100 cm 范圍內分別選擇東、南、西、北4個方向采集50 cm 以下土壤樣品?？紤]到粒徑160 目以下沉積物富含黏土類礦物，以及由深部遷移至地表的微粒（210Po 和活動態(tài)鈾等）與黏土類礦物具有強的吸附性等特征，我們現(xiàn)場將近地表沉積物篩分出160 目以下細粒級部分裝袋保存，以備210Po 和活動態(tài)鈾化學分析。同時，在鉆孔東、南、西、北4個方位分別進行土壤瞬時氡含量測量。

2.2 面積樣

橫向上，根據(jù)砂巖型鈾礦相帶（氧化帶、還原帶）劃分，分別選擇具有成礦潛力且已獲得鉆孔驗證的高品位鉆孔區(qū)及無礦鉆孔區(qū)分別沿勘探線（東西向）位置進行200 m×200 m 的面積采樣（采樣網(wǎng)格線距、點距均為50 m），分別測點25 個。每個測點都進行土壤瞬時氡濃度測量，并分別采集50 cm 以下土壤樣品且現(xiàn)場篩分出160 目以下細粒級部分裝袋保存，以備土壤活動態(tài)鈾和210Po 化學分析。

3 分析測試

3.1 瞬時氡測量

采用核工業(yè)北京地質研究院儀器開發(fā)研究所研制的FD216 環(huán)境氡測量儀進行土壤瞬時氡測量。該儀器以主動泵吸式連續(xù)均勻抽吸地氣流，通過過濾器過濾掉氡的老子體，進入半球腔內的氣體用金硅面壘半導體探測器測量獲得α 能譜，采用窗口設置獲取218Po能量窗口的計數(shù)率來確定土壤氡濃度。整個儀器運轉順序為：抽氣（2 min）—測量（5 min）—排氣（2 min）。野外具體操作流程分為三步：1）打孔。使用長100 cm、直 徑2 cm 的鋼釬在土壤中打孔，孔深80～100 cm；2）抽氣。將鋼釬快速拔出，插入抽氣桿，并將抽氣桿頂部地表部分用土密封壓實，避免抽氣時空氣進入孔中，然后開始抽氣；3）測量。儀器抽氣結束后進入測量過程時及時斷開抽氣桿與測量儀的連接，儀器在空氣中完成排氣過程。

3.2 210Po 分析

土壤210Po 化學分析在湖南省核工業(yè)中心實驗室完成。稱取160 目以下的土壤樣2.0 g，連同2 mol/L 鹽酸40 mL，0.4～0.5 g 抗壞血酸和套有浮圈（內徑Φ19 mm）的1.5 cm 銅片一起置于100 mL 的燒杯內，用硅膠塞蓋緊瓶口。將其固定在80 ℃的恒溫水浴搖床（SPH-110X）中，在140 cpm 振蕩頻率、振幅20 mm 條件下，振蕩150 min。停止振蕩后，用塑料鑷子取出銅片，用蒸餾水沖洗干凈后，用濾紙吸干表面水分，覆蓋上潔凈的白紙，放置9 h 后，在雙路低本底α、β 測量儀（BH1216Ⅲ）上測定銅片未涂漆面的α 計數(shù)，繪制210Po 加入量與凈α 計數(shù)率的關系曲線，從而計算出相應樣品的210Po 含量。

3.3 活動態(tài)鈾分析

土壤樣品活動態(tài)鈾分析在河南省巖石礦物測試中心完成。稱取10.0 g 土壤樣品于250 mL 聚乙烯燒杯中，并加入50 mL 新配制的活動態(tài)提取劑（10 g/L 草酸銨＋25 g/L 檸檬酸銨＋0.372 2 g/L 乙二胺四乙酸鈉＋0.393 4 g/L二乙基三胺五乙酸＋0.191 1 g/L 氨基三乙酸＋1.492 g/L 三乙醇胺），搖勻，蓋上蓋子，在恒溫振蕩器振蕩3 h，靜置21 h。用慢速定量濾紙減壓過濾，50 mL 小燒杯承接，分取濾液2.0 mL 于25 mL 比色管中，加入20 mL 3%的HNO3稀釋，混勻后，用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定。

4 測量結果及數(shù)據(jù)處理

4.1 鉆孔樣測量結果

對應鉆孔周圍100 cm 范圍內東、南、西、北四個方位的土壤210Po、瞬時氡和活動態(tài)鈾測量結果顯示（表1）：各鉆孔周圍4 個方位測得的土壤210Po 值都比較相似；土壤瞬時氡濃度值變化較大，且各平均值差異大，土壤瞬時氡濃度值明顯與鉆孔品位呈正相關關系；相反，鉆孔土壤210Po 和活動態(tài)鈾的含量與鉆孔品位之間的相關性不明顯。

表1 哈達圖砂巖型鈾礦鉆孔上方表層土壤210Po、瞬時氡和活動態(tài)鈾分析結果Table 1 Assay Results of surface soil 210Po，instantaneous radon and mobile-state uranium from borehole in Hadatu sandstone-type uranium deposit

4.2 面積樣測量結果

按照X±3S（X 為均值，S 為均方差）的標準對表2 中各面積型土壤樣品的原始數(shù)據(jù)進行篩選，剔除大于X＋3S 和小于X－3S或≤0 的異常數(shù)據(jù)，置信區(qū)間為95%［17］。剔除異常值后對各測量參數(shù)的數(shù)據(jù)求平均值、均方差及變異系數(shù)。各組數(shù)據(jù)詳見表2。

5 地球化學異常特征與判別

5.1 土壤210Po 分布特征

鉆孔上方土壤210Po 分析顯示無礦鉆孔比高品位鉆孔高（圖2），鉆孔周圍100 cm 內東、南、西、北四個方位土壤210Po 平均值也顯示無礦鉆孔比高、中品位鉆孔高（表1）。橫向上，高品位鉆孔土壤210Po 值位于剖面線的低谷，而無礦鉆孔剖面線上所有測點210Po值均比高品位鉆孔值高（圖2）。同時，高品位鉆孔區(qū)和無礦鉆孔區(qū)面積型土壤210Po 平均值相似，但在210Po 等值線圖解中高品位鉆孔落在“低谷”位置，而無礦鉆孔則落在相對的高值區(qū)（圖3）。

表2 哈達圖鈾礦床高品位鉆孔區(qū)和無礦鉆孔區(qū)表層土壤210Po、瞬時氡和活動態(tài)鈾分析結果Table 2 Assay results of surface soil 210Po，instantaneous radon and mobile-state uranium of high-grade borehole area and non-mineralization borehole area in Hadtu uranium deposit

圖2 哈達圖礦區(qū)土壤瞬時氡、210Po 和活動態(tài)鈾測量剖面圖Fig.2 Profile measurements showing soil radon and its daughter and mobile state uranium in Hadatu uranium deposit

SPSS 作為一款專業(yè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件，能夠對信息的采集、處理、分析進行全面評估和預測?？蓪Ρ葯z驗統(tǒng)計量的概率P 值與顯著性水平α（0.01 或0.05）大小，判定應拒絕零假設（P＜α）還是不應拒絕零假設（P＞α）。利用SPSS 軟件對高品位鉆孔區(qū)、無礦鉆孔區(qū)面積型土壤210Po 值進行雙樣本T 檢驗分析，結果顯示兩組數(shù)據(jù)均P＞0.05，故認為高品位鉆孔區(qū)、無礦鉆孔區(qū)上方土壤210Po 值無明顯差異。這些證據(jù)都初步證明利用地表土壤層210Po 異常來揭露地下深部的隱伏鈾礦體信息存在不確定性。

近年來，運用鉆孔巖心剖面210Po 法和土壤210Po 法分別對花崗巖型鈾礦和砂巖型鈾礦的研究表明210Po 數(shù)據(jù)低值異常和高值異常與礦體展布的真實情況不匹配［18］。通常，地質環(huán)境、U-Ra 平衡、α 粒子的反沖、團簇效應、自然電場、擴散以及對流作用等因素被認為是導致兩者出現(xiàn)差異問題的原因［6，11-12］。由于砂巖型鈾礦野外地質環(huán)境的特殊性、復雜性和不確定性，土壤210Po 濃度和礦體展布特征的解耦有待進一步的研究。

圖3 哈達圖礦區(qū)面積型土壤210Po 等值線圖Fig.3 Contour map of areal-type soil 210Po in Hadatu deposit

5.2 土壤瞬時氡分布特征

高、中、低品位鉆孔的東、南、西、北4個方位土壤瞬時氡濃度平均值與鉆孔品位呈正相關關系，分別為3 386 Bq·m-3、1 750 Bq·m-3和876 Bq·m-3（表1）。橫向上，高品位鉆孔土壤瞬時氡濃度遠高于無礦鉆孔，且其剖面測點土壤瞬時氡濃度也比無礦鉆孔剖面高（圖2）。

同時，高品位鉆孔區(qū)面積型土壤瞬時氡平均值遠高于無礦鉆孔區(qū)，利用SPSS 軟件對高品位鉆孔區(qū)、無礦鉆孔區(qū)兩組面積型土壤瞬時氡濃度值顯著性檢驗結果顯示兩組數(shù)據(jù)存在顯著差異（P＜0.001），表明土壤瞬時氡濃度在高品位鉆孔區(qū)和無礦鉆孔區(qū)土壤層中存在明顯差別（圖4）。

前人對二連盆地巴彥烏拉及其外圍地區(qū)、那仁地區(qū)的層間、潛水—層間氧化帶型鈾礦床土壤氡異常的研究也得到類似結果［4］。這種土壤瞬時氡異常特征主要受地形改造作用、蓋層地質條件、容礦空間及層間氧化帶等因素控制［13］。

5.3 土壤活動態(tài)鈾分布特征

部分研究認為，鈾及其伴生元素在地下深部地氣流垂向搬運作用下，能從深部礦體及其所形成的高含量帶遷移至地表，并在地表覆蓋物中形成活動態(tài)含量的異常［7，19］。本研究發(fā)現(xiàn)，雖然高、中、低品位鉆孔周圍東、南、西、北4 個方位土壤活動態(tài)鈾平均值依次遞減，但是無礦鉆孔土壤活動態(tài)鈾平均值比低品位鉆孔高（表1）。

橫向上，雖然高品位鉆孔上方土壤活動態(tài)鈾值明顯高于無礦鉆孔（表2），但整條剖面線活動態(tài)鈾測點平均值與無礦鉆孔相似（圖2）。同時，無礦鉆孔區(qū)面積型土壤活動態(tài)鈾平均值比高品位鉆孔區(qū)高，在活動態(tài)鈾等值線圖中，高品位鉆孔落在高值區(qū)，而沿礦體走向的兩端卻都落在低值區(qū)。相反，雖然無礦鉆孔土壤活動態(tài)鈾值落在相對低值區(qū)，但整體分布無規(guī)律，局部存在活動態(tài)鈾高場（圖5）。研究表明，砂巖型鈾礦中活動性鈾主要以鈾酰絡陽離子的形式發(fā)生遷移，遷移過程容易受地下水運動、蒸發(fā)蒸騰作用以及砂巖的孔隙、構造裂隙影響，導致隱伏礦體和地表異常的位置無法有效匹配［8-9］。所以，研究區(qū)土壤活動態(tài)鈾由深部礦體遷移至地表的量可能十分有限，而更多可能來自其自身及周圍沉積物的貢獻。

圖4 哈達圖礦區(qū)面積型土壤瞬時氡等值線圖Fig.4 Contour map of areal-type soil radon measarement in the Hadatu deposit

圖5 哈達圖礦區(qū)面積型土壤活動態(tài)鈾等值線圖Fig.5 Contour map of mobile forms of uranium comtent by areal soil measurement in Hadatu deposit

同時，SPSS 分析結果表明高品位鉆孔礦區(qū)、無礦鉆孔區(qū)兩組面積土壤活動態(tài)鈾值存在顯著差異（P＝0.013＜0.05），但這種顯著差異卻是由無礦鉆孔區(qū)土壤活動態(tài)鈾相對高于高品位鉆孔區(qū)土壤活動態(tài)鈾導致。這些證據(jù)都初步證明僅利用地表土壤層活動態(tài)鈾異常來揭露地下深部的隱伏鈾礦體信息存在不確定性。

6 結論

1）高品位鉆孔土壤210Po 值較無礦鉆孔低，落在210Po 等值線圖“低谷”處。高品位鉆孔區(qū)和無礦鉆孔區(qū)面積型土壤210Po 平均值相似，SPSS 數(shù)據(jù)顯著性檢驗結果表明兩組面積型土壤210Po 值無明顯差別（P＞0.05）。

2）高品位鉆孔土壤瞬時氡濃度遠高于無礦鉆孔，高、中、低品位鉆孔東、南、西、北4 個方位土壤瞬時氡濃度平均值隨鉆孔品位呈依次遞減。SPSS 數(shù)據(jù)顯著性檢驗表明高品位鉆孔區(qū)和無礦鉆孔區(qū)面積型土壤瞬時氡濃度差別顯著（P＜0.05）。

3）高品位鉆孔上方土壤活動態(tài)鈾呈現(xiàn)高值，但其面積型土壤活動態(tài)鈾平均值比無礦鉆孔區(qū)低。

4）分析結果初步證明在哈達圖鈾礦床，土壤瞬時氡濃度是揭示深部隱伏鈾礦體存在與否的重要參數(shù)，而土壤活動態(tài)鈾和210Po 效果不明顯。