山西省臨縣紫金山地區(qū)U、Th、K三種放射性元素特征分析

丁江燕，張新軍，曹志勇

(太原理工大學礦業(yè)工程學院，太原 030024)

地面伽馬能譜技術具有儀器輕便、工作效率高等優(yōu)點[1]。近年來，中國許多學者利用地面伽馬能譜技術在鈾礦、銅礦、螢石礦、稀土礦、地質填圖方面開展了相關研究[2-6]。對于放射性礦產鈾礦的地球化學特征和鈾礦中鈾的賦存狀態(tài)的研究已有大量報道[7-9]，主要集中在鈾的成因、遷移、賦存位置及其礦化特征等方面。但對于放射性礦產，少有學者同時對其鈾、釷、鉀三種放射性元素的分布規(guī)律、含量、賦存狀態(tài)進行研究?；诖耍瑢ψ辖鹕降貐^(qū)放射性礦產鈾、釷、鉀三種放射性元素的分布規(guī)律、含量和賦存狀態(tài)進行相關研究。紫金山地區(qū)是中國著名的堿性巖地區(qū)，近年來許多學者對其進行了研究。黃錦江[10]對紫金山地區(qū)進行了巖石學特征和成因研究，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)巖體是五次熔融作用的產物；楊永恒等[11]討論了紫金山地區(qū)熱力構造對鄂爾多斯盆地東部煤、煤層氣、鈾礦形成過程的影響；楊興科等[12-13]對研究區(qū)進行了SHRIMP(單顆粒鋯石定年中的離子探針質譜法)測年和動力學研究。目前，關于紫金山地區(qū)的研究主要集中在巖石成因、同位素測年、熱力構造運動方面，而對該地區(qū)放射性礦產的分布研究較少。因此選取紫金山地區(qū)的巖石為研究對象，采用地面伽瑪能譜和顯微鏡鏡下分析二者相結合的方法，研究紫金山地區(qū)放射性礦產鈾、釷、鉀異常分布規(guī)律、含量和賦存狀態(tài)，為下一步地質工作提供依據(jù)，以達到找礦的目的。

圖1 紫金山地區(qū)地質圖Fig.1 Geological map of Zijinshan region

1 伽瑪能譜儀介紹

研究所用的伽瑪能譜儀型號為FD-3022-I，主要技術參數(shù)：探測器：Φ2″×2.4″BGO(Bi4Ge3O12)晶體；能量分辨率：≤12%(對137Cs)；含量測量范圍：eU(當量鈾)：1～1 000×10-6(Ur)；eTh(當量釷)：1～1 000×10-6(Ur)；eK(當量鉀)：0.2%～100%；相對偏差E的要求：eU、eTh：E≤7%；eK：E≤12%；使用環(huán)境：溫度：0～50 ℃；相對濕度≤90%(50 ℃)。

2 研究區(qū)地質概況

研究區(qū)位于山西省臨縣城NW330°方向、直線距離23 km的甘草溝村-水磨川村一帶，其地理坐標為110°50′14″E～110°52′35″E，38°07′00″N～38°08′52″N。紫金山地區(qū)周圍的水系有兩個流向:一是近南北向的，如湫水河的中上游、紫金山南麓的清涼寺溝、月鏡溝等;二是近東西向的，如興縣的蔚汾河、研究區(qū)西側的八堡水等，沿東西向拉伸斷層發(fā)育或沿西北和東北的扭轉面追蹤。平面呈橢圓形，面積約23 km2，巖體內部各類巖石呈不規(guī)則的環(huán)狀或馬蹄形分布，生成順序為越往巖體中心，生成越晚。

紫金山地區(qū)地質圖如圖1所示，區(qū)域出露的地層由老到新有中生界三疊系；新生界新近系、第四系，分述如下：中生界三疊系由砂頁巖組成，屬于三疊系二馬營統(tǒng)上部的陳家梁組，為紫金山巖體的圍巖，新生界新近系，主要巖性為礫巖及紅土，礫巖在區(qū)內出露較少，僅見于切割較深的溝谷兩側，厚度2～5 m，礫石成分不一；新生界第四系，在區(qū)內大面積分布，主要為淺黃色亞沙土，中夾透鏡狀的礫石層和不穩(wěn)定的古土壤層，厚67～89 m。

3 測量方法及處理

3.1 工作方法

伽馬掃面網(wǎng)度為100 m×40 m，工作量為11.83 km2，測線方位為東西向。儀器在石家莊國家模型站進行了標定，同時對儀器的準確性、穩(wěn)定性、一致性進行檢查，均滿足誤差要求。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 計算平均值及標準偏差

首先根據(jù)實測的能譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計鉀、鈾、釷元素含量、比值、標準偏差(S0)等參數(shù)，為資料解釋提供依據(jù)，計算公式如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

3.2.2 異常下限的確定

異常下限公式如式(3)～式(5)所示：

偏高暈：

c0+s0≤Q

(3)

增高暈：

c0+2s0≤Q

(4)

異常暈：

c0+3s0≤Q

(5)

式中：c0為地質體eU(或eTh、eK)的背景含量；s0為背景含量的標準偏差；Q為異常暈的eU(或eTh、K)含量。

鉀、鈾、釷的數(shù)據(jù)處理采用物探數(shù)據(jù)常用的統(tǒng)計背景值、計算標準差、確定異常下限，表1為鈾、釷、鉀3種元素的偏高暈、增高暈、異常暈取值范圍。

表1 紫金山地區(qū)巖石中鈾、釷、鉀分級表Table 1 Classification of uranium,thorium and potassium in Zijin mountain region

4 討論

4.1 U、Th異常特征研究

圖2 鈾元素等值線Fig.2 Uranium element contour

利用SUFER軟件分別得到U、Th等值線，如圖2、圖3所示。由紫金山地區(qū)巖石中鈾、釷元素平面等值線(圖2、圖3)和地質圖(圖1)可知，鈾、釷元素異常分布在黑云輝石巖、霞石正長巖。磷灰石和榍石是含鈾、釷的副礦物[14]，對黑云輝石巖和霞石正長巖采樣后，將樣本送到華北有色地質勘查局燕郊中心實驗室做鏡下鑒定分析，分析結果如圖4、圖5所示。

圖3 釷元素等值線Fig.3 Thorium element contour

圖4 黑云輝石巖顯微鏡下分析圖Fig.4 Microscope analysis of biotite pyroxenolite

圖5 霞石正長巖顯微鏡下分析圖Fig.5 Microscope analysis of nepheline syenite

圖4為黑云輝石巖顯微鏡下分析圖。經鑒定：①霓輝石(Agt)：55%～70%，柱狀，柱長0.2～4 mm不等，晶粒新鮮，局部形成晶粒集合體；②正長石(Or)：17%～14%，不規(guī)則狀，粒徑完全充填于霓輝石晶粒間隙，其形態(tài)取決于空間形態(tài)，可見卡式雙晶，基本無蝕變；③黑云母(Bt)：16%～17%，暗棕色，鱗片狀，片徑0.5～3 mm，大晶粒中常包嵌霓輝石、磷灰石、磁鐵礦等；④磷灰石：4%～5%，柱狀，柱長0.05～0.3 mm，主要包嵌于霓輝石和黑云母晶粒中；⑤榍石(Spn)：3%～4%，短柱狀及楔狀，柱長0.1～1 mm，稀散分布；⑥不透明礦物：1%～3%，顆粒不規(guī)則，粒徑0.05～0.3 mm，由磁鐵礦組成，均勻分布于巖石中。

圖5為霞石正長巖顯微鏡下分析圖。經鑒定：①正長石(Or)：65%～70%，半自形板狀，粒度0.2～3 mm，其中大部分不顯雙晶，少數(shù)具雙晶，晶粒表面有弱泥化；②霓石(Aeg)：20%～25%，草綠色，柱狀，柱長0.5～2 mm，晶粒常與鐵云母、黑榴石、榍石共生；③黑云母(Bt)：10%～14%，深褐色，葉狀，直徑0.2～1.5 mm，常形成于霓石邊緣；④榍石(Spn)：1%～5%，短柱狀及楔狀，柱長0.1～0.5 mm，稀散分布；⑤黑榴石(Mln)：1%～5%，暗褐色，粒狀，極高突起，均質性，粒徑0.05～0.5 mm，常呈粒狀集合體與霓石、鐵云母伴生；⑥不透明礦物：少量，顆粒不規(guī)則，粒徑0.03～0.1 mm，成分可能為磁鐵礦，零星可見。

由圖4、圖5可知，黑云灰石巖中的磷灰石、榍石和霞石正常巖中的榍石是引起紫金山地區(qū)鈾、釷異常的主要副礦物。

4.2 K異常研究

圖6 鉀元素等值線Fig.6 Potassium element contour map

從紫金山地區(qū)地質圖1、圖6可以看出，K異常分布在黑云母輝石正長巖。鉀長石是含鉀的主要礦物，有兩種形式：微斜長石、正長石[14]。對黑云母輝石正長巖采樣后，送到華北有色地質勘查局燕郊中心實驗室做鏡下鑒定分析，鏡下分析如圖7所示。

圖7 黑云母輝石正長巖顯微鏡下分析圖Fig.7 Microscope analysis of biotite pyroxene syenite

顯微鏡下鑒定可知：①正長石(Or)：85%～90%，半自形板狀，主要粒徑2～5 mm，少數(shù)粒徑<2 mm，大部分無雙晶，少數(shù)具卡式雙晶，晶面具微弱泥化；②白云石(Dol)：10%～15%，主要粒徑為主粒徑為0.1～1 mm分布于正長石晶粒間隙及孔隙，用茜素紅-鐵氰化鉀染色法對薄片染色，晶粒不著色，為白云石反應特征；③不透明礦物：少量，不規(guī)則顆粒狀，可見立方晶體形狀，粒徑0.03～0.2 mm，分布在正長石晶粒間隙，成分可能為鐵質礦物和黃鐵礦，部分已褐鐵礦化。

由圖6、圖7知，黑云母輝石正長巖中的正長石引起紫金山地區(qū)鉀異常長的主要礦物，約占整個巖石的85%～90%。

5 結論

(1)紫金山地區(qū)鈾、釷元素異常分布在黑云輝石巖和霞石正長巖中；鉀元素異常分布在黑云母輝石正長巖中。

(2)紫金山地區(qū)鈾、釷、鉀元素異常含量分別為6×10-6～9.5×10-6、14×10-6～28×10-6、7.5×10-6～10×10-6。

(3)紫金山地區(qū)鈾、釷元素異常的原因是黑云輝石巖和霞石正長巖中的磷灰石、榍石引起的，鉀元素異常的原因是黑云母輝石正長巖中的正長巖引起的；榍石和磷灰石占黑云輝石巖總量的7%～11%，榍石占霞石正長巖總量的1%～5%，正長石在黑云母輝石正長巖中的占總量的85%～90%。

(4)可見通過地面伽瑪能譜和顯微鏡鏡下分析二者相結合的方法可以分析紫金山地區(qū)放射性礦產鈾、釷、鉀異常分布規(guī)律、含量、賦存狀態(tài)。

(5)黑云輝石巖、霞石正長巖、黑云母輝石正長巖為今后放射性礦產突破所在，應該對該區(qū)進行地面伽瑪能譜剖面工作，點距為10 m，目的是發(fā)現(xiàn)更準確的放射性礦產分布異常區(qū)；再對放射性礦產異常區(qū)進行槽探及鉆探工程驗證。