鹿井地區(qū)鈾礦化放射性信息提取與應(yīng)用

符志軍，楊亞新，羅齊彬，王帥帥，洪 昆，李星陽(yáng)

(1. 東華理工大學(xué)地球物理與測(cè)控技術(shù)學(xué)院，330013，南昌；2. 核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，330013，南昌)

0 引言

早期放射性勘探方法包括航空與地面伽馬能譜測(cè)量、地面伽馬測(cè)量，這些方法作為主要勘查方法在我國(guó)淺層鈾資源勘查中發(fā)揮著重要的作用。從20世紀(jì)50年代中期，我國(guó)就將土壤氡測(cè)量應(yīng)用于鈾礦勘查[1]。其中α徑跡測(cè)量[2]、土壤釙-210測(cè)量[3]和土壤天然熱釋光測(cè)量[4]成為尋找隱伏鈾礦的有效方法。隨后瑞典蘭德科學(xué)技術(shù)學(xué)院在研究氡遷移機(jī)制時(shí)提出地氣概念和地氣測(cè)量[5-7]。氡和地氣在土壤中遷移十分復(fù)雜，其中氡的遷移理論已得到完善，數(shù)值模擬得到發(fā)展[8]。而地氣遷移理論現(xiàn)已有發(fā)展[9]，但還沒(méi)有建立完善的數(shù)學(xué)理論模型[10]。

放射性勘探方法特點(diǎn)為直接探測(cè)地下礦體在地表形成的信息，但由于α和γ射線穿透性弱，深部礦體放射性信息無(wú)法直接測(cè)量。只能通過(guò)對(duì)深部遷移至地表所攜帶的鈾礦信息分析和提取來(lái)進(jìn)行深部鈾礦表征。而元素在覆蓋層中遷移過(guò)程中受到環(huán)境、地層結(jié)構(gòu)等諸多因素影響，使得深部信息微弱、復(fù)雜，異常解釋效果差。本文在前人基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)鹿井地區(qū)放射性勘探數(shù)據(jù)研究，探索深部鈾成礦信息識(shí)別和提取技術(shù)。

1 鈾礦弱信息形成機(jī)理

放射性勘探能夠直接、準(zhǔn)確地尋找近地表鈾礦床是毋庸置疑的。隨著氡和地氣在土壤中遷移理論的不斷完善對(duì)放射性勘探尋找深部鈾礦提供了有效依據(jù)。

氡遷移目前比較公認(rèn)的理論為深部鈾衰變子體核素從鈾礦體中釋放經(jīng)過(guò)擴(kuò)散[11]、對(duì)流[12]、接力傳遞[13]等作用沿?cái)嗔褬?gòu)造、破碎帶等連通的自由通道遷移至地表富集。這部分核素在遷移過(guò)程中不斷衰變產(chǎn)生新的核素。該過(guò)程將一部分深部鈾礦信息傳遞至地表。本次使用的地面伽馬能譜方法能夠測(cè)得地表核素含量，而土壤天然熱釋光和釙-210法本質(zhì)上都是地表土壤氡累積測(cè)量。所以這些測(cè)量方法測(cè)得的地表信息都包含有傳遞上來(lái)的深部信息。如何將深部信息從地表運(yùn)移、大氣氡滲入的疊加信息中提取出來(lái)是深部找礦關(guān)鍵所在。

地氣理論認(rèn)為巖石圈中存在一種上升氣流在經(jīng)過(guò)隱伏礦體時(shí)攜帶與礦體相關(guān)的指示元素從礦體巖地層垂直方向或一定傾斜方向抬升至地表并釋放出來(lái)，從而在礦體上方能夠形成異常[9]。地氣測(cè)量抽取地表下的含有與礦體相關(guān)的指示元素的氣體并進(jìn)行分析得出異常信息。而這種異常有可能是淺部鈾礦或者深部鈾礦在地表形成的，也有可能是兩者的疊加。需要壓制淺部礦致異常以及背景，將異常信息提取出來(lái)。

2 地質(zhì)概況與方法簡(jiǎn)介

2.1 測(cè)區(qū)鈾成礦地質(zhì)特征

鹿井地處湖南省汝城縣與江西省崇義縣接壤處，大地構(gòu)造上位于萬(wàn)洋-諸廣山隆起帶(SN 向)、常德-安仁巖石圈斷裂(NW 向)、遂川-熱水?dāng)嗔?NE 向)以及仙鵝塘斷裂(近EW 向)交匯部位(諸廣山復(fù)式巖體中段)[14]。鹿井地區(qū)內(nèi)鈾礦床、礦化點(diǎn)主要分布于豐州白堊紀(jì)紅盆的邊緣[15]，礦床類(lèi)型為花崗巖型(主要)和花崗巖外帶型，兼有花崗斑巖、細(xì)晶巖、輝綠巖等。鹿井地區(qū)內(nèi)鈾礦床均屬于中低溫?zé)嵋衡櫟V床，其成礦溫壓、成礦熱液來(lái)源、礦石物質(zhì)組成以及熱液蝕變類(lèi)型等均具有較好一致性，鈾成礦成因上屬于雙混合成因模式，具有多來(lái)源性[16]。其獨(dú)特的構(gòu)造環(huán)境及高熱流作用為區(qū)內(nèi)鈾礦活化遷移和沉淀富集提供極有利條件，從而形成極好的鈾成礦條件。鹿井地區(qū)地質(zhì)概況如圖1所示。

1-震旦系；2-寒武系；3-中奧陶統(tǒng)；4-晚白堊統(tǒng)；5-第四系；6-印支期花崗巖；7-燕山期晚期花崗巖；8-斷裂；9-測(cè)區(qū)；10-鈾礦床(點(diǎn))

測(cè)區(qū)已揭露鈾礦床較多，同時(shí)測(cè)線直接經(jīng)過(guò)大型鈾礦區(qū)和生產(chǎn)區(qū)，因此測(cè)區(qū)地表元素污染較大。在劃分其他有利靶區(qū)時(shí)應(yīng)當(dāng)慎重，盡量避開(kāi)鹿井、高昔等鈾礦揭露區(qū)。

2.2 方法簡(jiǎn)介與數(shù)據(jù)基本特征

由于鹿井地區(qū)控礦構(gòu)造以NE 向斷裂構(gòu)造為主導(dǎo)，因此放射性綜合物化探測(cè)量剖面呈NW 走向(132°)，基本垂直于NE向斷裂構(gòu)造。整個(gè)測(cè)區(qū)施工了7 條測(cè)線，線長(zhǎng)7 500 m，線距1 000 m、點(diǎn)距100 m。測(cè)量方法為地氣測(cè)量(使用儀器為自制恒流式地氣采集器)、地面伽馬能譜測(cè)量(使用儀器為申核FD-3022-I便攜式地面多道伽瑪能譜儀)、天然土壤熱釋光測(cè)量(RGD-3A熱釋光儀器測(cè)量)和土壤釙-210測(cè)量(土壤樣品)4種放射性勘探方法。共獲得能譜四道數(shù)據(jù)各533個(gè)，地氣和土壤樣品各533個(gè)，對(duì)每種方法樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鹿井測(cè)區(qū)4種方法數(shù)據(jù)基本統(tǒng)計(jì)特征

3 鈾成礦信息提取技術(shù)與應(yīng)用

3.1 區(qū)域變異系數(shù)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，變異系數(shù)定義為數(shù)據(jù)樣本的均方差與樣本的均值的比值。即

(1)

式中：v為變異系數(shù)，無(wú)量綱；σ為窗口內(nèi)樣本數(shù)據(jù)的均方差，量綱與樣本數(shù)據(jù)相同；μ為窗口內(nèi)樣本數(shù)據(jù)的均值，量綱與樣本數(shù)據(jù)相同。由此可見(jiàn)，變異系數(shù)消除了勘探數(shù)據(jù)量綱的影響，便于多種勘探方法測(cè)量數(shù)據(jù)之間的橫向?qū)Ρ确治龊驮u(píng)價(jià)。

在放射性伽馬能譜勘探測(cè)量中，變異系數(shù)值大小可反映區(qū)內(nèi)元素分布的不均勻性及其地球化學(xué)活動(dòng)程度[17]。構(gòu)造活動(dòng)引起的元素遷移以及巖石的蝕變活動(dòng)將導(dǎo)致放射性元素在空間上以及巖石巖性上進(jìn)行重新分布，從而在變異系數(shù)變化上呈現(xiàn)增高現(xiàn)象。而對(duì)于其他放射性勘探方法來(lái)說(shuō)，基于以上理論，變異系數(shù)仍可反映出元素活動(dòng)及其分布情況，具有重要的研究?jī)r(jià)值和找礦指示意義。

圖2為4種測(cè)量方法區(qū)域變異系數(shù)平面等值線圖(窗口大小為7)，從地面伽馬能譜鈾含量和土壤天然熱釋光平面等值線圖可以看到測(cè)區(qū)內(nèi)大多數(shù)已知鈾礦點(diǎn)比如鹿井、高昔等都處于鈾變異系數(shù)較大區(qū)域。同時(shí)在鹿井西南方向、橋子坑和金雞嶺附近也出現(xiàn)不同大小的變異系數(shù)高值。由于豐州盆地邊緣窗口內(nèi)巖性不一致會(huì)導(dǎo)致變異系數(shù)增大，因此鹿井西南方向處異常需要和其他方法結(jié)合來(lái)判斷。這幾處構(gòu)造斷裂較多，導(dǎo)致放射性元素遷移、再分布，形成放射性核素的差異分布，引起變異系數(shù)增大。其所產(chǎn)生的異常信息，是尋找鈾礦化的有利地帶。

(a)地面伽馬能譜

(b)地氣

(c)土壤天然熱釋光

(d)釙-210

3.2 趨勢(shì)面分析

趨勢(shì)面法是用某種形式函數(shù)所代表的數(shù)學(xué)曲面來(lái)擬合地質(zhì)特征的空間分布的統(tǒng)計(jì)分析方法。這個(gè)函數(shù)從總體上反映了采樣數(shù)據(jù)的區(qū)域性變化趨勢(shì)，稱為趨勢(shì)面部分；采樣數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)值與相應(yīng)的趨勢(shì)面值之差，稱為殘差值，即

(2)

圖3分別為4種測(cè)量方法趨勢(shì)面局部異常分量等值線圖。本次均采用二階擬合，地面能譜鈾含量、地氣鈾含量、土壤天然熱釋光值和釙-210趨勢(shì)面擬合度分別為0.49、0.44、0.45和0.38。從趨勢(shì)等值線圖可以看出，地面能譜鈾含量、地氣鈾含量、土壤天然熱釋光值局部異常分量高值分布于鹿井、高昔一帶，與已知礦床分布較吻合。說(shuō)明已知礦體在地表垂直投影面與鈾含量趨勢(shì)局部異常分量對(duì)應(yīng)。由此可以推斷金雞嶺和集溪西南方向等鈾含量趨勢(shì)局部異常分量高值范圍對(duì)應(yīng)地段有良好成礦潛力。

3.3 綜合鈾成礦有利指標(biāo)U2

根據(jù)信息提取理論，地表鈾信息的高場(chǎng)含有深部鈾礦化的信息，同時(shí)鈾釷比值高的區(qū)域也可能是礦化的反應(yīng)。由于深部隱伏鈾礦在地表表現(xiàn)的放射性信息十分微弱，因此可以通過(guò)鈾值和鈾釷比值的乘積來(lái)放大鈾信息，得出成礦有利指標(biāo)U1[19]，即：

(3)

為了壓制背景場(chǎng)，各信息量可做均方差轉(zhuǎn)換形成有利指標(biāo)U2。

(4)

(a)地面伽馬能譜

(b)地氣

(c)土壤天然熱釋光

(d)釙-210

式中：σu為窗口內(nèi)鈾含量的均方差；σTh為窗口內(nèi)釷含量的均方差。U2值越大，指示熱液型鈾成礦越有利。

從綜合鈾成礦有利指標(biāo)U2平面等值(圖4)可以看出，高值異常與測(cè)區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造及已發(fā)現(xiàn)的鈾礦體具有較好的相關(guān)性。同時(shí)在金雞嶺和鹿井西南構(gòu)造發(fā)育一帶也出現(xiàn)高值異常，對(duì)深部成礦有一定指示作用。另外，地氣U2指標(biāo)平面等值圖中在構(gòu)造不發(fā)育的豐州盆地也出現(xiàn)高值異常，同時(shí)對(duì)應(yīng)豐州盆地內(nèi)亦有小型鈾礦床揭露[20]。構(gòu)造斷裂方向會(huì)改變地氣鈾元素發(fā)展趨勢(shì)方向，但其影響作用可以理解為是在時(shí)間尺度上的，也就是說(shuō)鈾元素仍然會(huì)往覆蓋層其他位置運(yùn)移。因此，在深部鈾礦體垂直投影地表處仍可觀測(cè)到鈾異常。這也是地氣測(cè)量尋找深部礦床的一大優(yōu)勢(shì)。

(a)地面伽馬能譜

(b)地氣

3.4 方向?qū)?shù)法

數(shù)學(xué)中的方向?qū)?shù)幾何意義為一個(gè)曲面上的某點(diǎn)，從該點(diǎn)起始沿特定方向函數(shù)的變化率，即：

(5)

圖5分別為4種測(cè)量方法在132°方向的方向?qū)?shù)平面等值線圖?？梢钥吹綀D中異常走向都是為NE向，與測(cè)區(qū)NE 向斷裂構(gòu)造為主導(dǎo)基本一致，說(shuō)明測(cè)區(qū)控礦構(gòu)造發(fā)育。其中正負(fù)方向?qū)?shù)交替的強(qiáng)異常大都分布在豐州盆地邊緣、下洞子等已知鈾礦點(diǎn)附近。同時(shí)在金雞嶺、集溪-界坑、老虎龍一帶有區(qū)域較小的正負(fù)異常分布。這些地區(qū)NE向斷裂發(fā)育，表明這些區(qū)域可能存在因埋藏較深而異常被掩蓋的隱伏鈾礦體。

(a)地面伽馬能譜

(b)地氣

(c)土壤天然熱釋光

(d)釙-210

4 結(jié)論

在鹿井地區(qū)開(kāi)展了地氣測(cè)量、地面能譜測(cè)量、土壤釙-210和土壤天然熱釋光野外測(cè)量以及數(shù)據(jù)處理與信息提取工作，得到了以下幾條結(jié)論和認(rèn)知。

1)放射性勘探數(shù)據(jù)處理方法較多，本文利用方向?qū)?shù)、趨勢(shì)面分析、變異系數(shù)、綜合鈾成礦有利指標(biāo)方法提取的放射性信息異常能夠有效指示鈾礦化的有利地帶。

2)通過(guò)對(duì)比4種數(shù)據(jù)處理方法提取的隱伏鈾礦化綜合信息異常，推測(cè)金雞嶺、鹿井西南方向一帶具有較大找礦潛力，集溪、界坑一帶還需進(jìn)一步探測(cè)。

3)在提取異常信息預(yù)測(cè)有利成礦靶區(qū)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有利成礦地段均處于構(gòu)造斷裂帶處，甚至構(gòu)造斷裂帶交叉處，與鹿井地區(qū)斷裂構(gòu)造控礦的鈾成礦機(jī)制相符合。