勘查地球化學土壤掃面方法在哈達圖砂巖型鈾礦區(qū)的試驗研究

王勇，王東升，韓娟，吳國東

（核工業(yè)北京地質研究院，中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室，北京 100029）

勘查地球化學技術方法在我國礦產資源勘查領域具有重要地位，該方法能夠在巖石出露區(qū)、坡積物覆蓋區(qū)、殘積物覆蓋區(qū)的找礦工作中，快速有效地發(fā)現元素異常并進行追索，達到指導找礦的目的。但是，在運積物覆蓋區(qū)、沼澤覆蓋區(qū)、沙漠覆蓋區(qū)等困難景觀區(qū)，該方法卻存在著無法找到可靠的、具有可追溯性的元素異常這一問題，原因在于此類困難景觀區(qū)地表覆蓋物的物源具有多樣性且與深部巖石無關。我國鈾礦的主要勘查類型為砂巖型鈾礦和熱液型鈾礦。砂巖型鈾礦具有儲量規(guī)模大、開采方式綠色環(huán)保等優(yōu)勢，其大多位于盆地內或盆地邊緣并有一定埋深，如二連盆地的巴彥烏拉鈾礦床、哈達圖鈾礦床，鄂爾多斯盆地的大營鈾礦床等。我國盆地分布廣泛、面積巨大，已陸續(xù)發(fā)現了若干砂巖型鈾礦，但仍具有廣闊的勘查空間及潛力。因此，如何通過地表的化探工作發(fā)現與深部礦化相關的異常信息成為了鈾礦勘查地球化學工作者的一大挑戰(zhàn)。

在針對砂巖型鈾礦的化探研究中，大多數學者致力于大比例尺高精確定位礦體的方法技術研究，柯丹等人使用地電化學方法在巴彥烏拉、大營等砂巖型鈾礦進行了試驗，發(fā)現地電提取U 異常主要出現在隱伏鈾礦體的正上方略寬于礦體地表投影范圍，以跳躍的鋸齒狀高值形式存在，可以作為深部找礦的指示標志［1］；尹金雙等人通過砂巖型鈾礦土壤分量化探研究，探索性提出了一套勘查砂巖型鈾礦的優(yōu)選方法組合： 地質理論預測-Eh4 測量-分量化探法-綜合評價-鉆探工程［2］；郭華等人通過在古寧渾迪砂巖型鈾礦開展元素活動態(tài)分量探測研究，認為大部分地表鈾分量異常均與深部含礦目的層中的鈾礦化或鈾異常相對應，驗證了方法的有效性［3］。而在小比例尺的盆地覆蓋區(qū)化探區(qū)域調查研究方面，研究工作相對較少，姚文生等人通過-200 目全量土壤化探方法在鄂爾多斯盆地的試驗研究，發(fā)現富含細粒級地表結層是半干旱盆地砂巖型鈾礦區(qū)域地球化學勘查方法的有效采樣介質［4］；張必敏、徐善法等人在十紅灘鈾礦所在的吐哈盆地使用U-MML 專用提取劑進行了1:100 000 的土壤化探填圖，發(fā)現了隱伏鈾礦帶所在區(qū)域的強烈活動態(tài)鈾異常，推斷其為活動態(tài)鈾的垂向遷移所致［5］，并提出了砂巖型鈾礦找礦的U、Se、La 指示元素組合［6］。

綜合對比發(fā)現，針對二連盆地區(qū)域的地球化學勘查技術方法研究相對較少，本次研究工作選取哈達圖隱伏砂巖型鈾礦所在區(qū)域作為實驗區(qū)，開展了土壤地球化學區(qū)域測量方法技術的研究，以探索適用于二連盆地砂巖型鈾礦勘查的土壤地球化學區(qū)域測量方法。

1 試驗區(qū)地質簡況

哈達圖鈾礦床位于烏蘭察布坳陷的中東部，哈達圖北部為巴音寶力格隆起、塔木欽隱伏凸起，西部為東方紅凸起，東部和南部為蘇尼特隆起。大地構造上處于西伯利亞板塊和古華北板塊的碰撞接觸帶［7］。烏蘭察布坳陷基底主要由古元古界和古生界組成?；装l(fā)育四條主要斷裂構造，由北向南分別為賀根山斷裂（NEE）、賽烏蘇斷裂（NEE）、索倫斷裂（NEE）、溫都爾廟斷裂（EW）。烏蘭察布坳陷被阿爾善特-本巴圖凸起和江岸-塔木欽塔拉凸起分隔為北、中、南三個次級凹陷帶，整體呈北東向展布［8］。

烏蘭察布坳陷基底巖性主要為古老變質巖系及華力西—燕山期基性-中酸性侵入巖，中新生代蓋層發(fā)育較為完善，主要為上侏羅統(tǒng)查干諾爾組（J3c）、下白堊統(tǒng)阿爾善組（K1a）、騰格爾組（K1t）、賽漢組（K1s）、上白堊統(tǒng)二連組（K2e）及古近系和新近系、第四系等［9］。

哈達圖礦床含礦目的層主要為下白堊統(tǒng)賽漢組上段，可劃分為3 個亞層，主要為砂質辮狀河相沉積及曲流河相沉積，平面上整體呈東南向分布，砂體寬度在5～25 km 之間，砂體厚度在85～280 m 之間。礦體主要賦存于賽漢組上段第一、第二亞層，平面上呈北東向展布，形態(tài)主要為透鏡狀及層狀，礦體埋深約在250～350 m 之間［10］。礦石巖性主要為灰色、黑灰色砂巖、砂質礫巖，多含碳質碎屑和細晶黃鐵礦。研究顯示，鈾主要以超顯微、顯微狀鈾礦物 （瀝青鈾礦、鈾石、鈾的磷酸鹽）形式存在，少量為含鈾礦物（稀土礦物、獨居石、鋯石、釷石）形式產出。含礦砂巖發(fā)育的蝕變主要受到表生含氧含鈾流體的影響，發(fā)育有褐鐵礦化、赤鐵礦化、黃鐵礦化、黏土化等［11-12］。

2 試驗方法

2.1 野外樣品采集

掃面工作方法采樣密度為1 個/4 km2，在哈達圖隱伏砂巖型鈾礦上方區(qū)域進行加密，加密后采樣密度為1 個/1 km2。采樣點位布設于采樣格子中心，但在實際取樣中，選取格子中低洼匯水處進行采集，若地勢平坦，則在中心點位采集。采集土壤樣品為深度－10～－30 cm 的砂土或砂質壤土。野外樣品曬干后分別過10 目篩、100 目篩、200 目篩，樣品不少于100 g，裝袋并記錄?？傆嬐瓿?22 個采樣點，控制面積約768 km2，試驗區(qū)位置及采樣點位見圖1。

2.2 分析測試方法

圖1 哈達圖試驗區(qū)氧化還原界面及試驗取樣點位示意圖Fig.1 Diagram of REDOX interface and sampling position in Hadatu deposit

土壤樣品的總量分析、同位素分析測試工作在核工業(yè)北京研究院分析測試研究所完成，偏提取相態(tài)分析工作在河南省巖石礦物測試中心完成。實驗室內將-10 目及-100 目樣品使用球磨機分別磨至-200 目后溶解，-200 目樣品直接溶解，土壤樣品使用ICP-MS方法分別測量其U、Th、Mo、V、Se 等微量元素含量，另選取兩條橫跨哈達圖礦體測線的-200 目土壤樣品，其一使用偏提取方法進行U、Th、Mo、V、Se 等微量元素相態(tài)分析，其二使用Gasbench-IRMS 法進行碳質膠結物的C、O 同位素分析，通過半熔法提取土壤中的全硫同位素，利用EA-IRMS 法測定其硫同位素組成。

ICP-MS 方法測定元素種類、檢出限、測量范圍見表1；S 同位素分析精度優(yōu)于±0.2‰，C 同位素分析精度優(yōu)于±0.1 ‰，O 同位素分析精度優(yōu)于±0.2‰。

2.3 地球化學圖件制作

本文中地球化學圖使用Surfer 軟件克里格方法進行插值，并繪制等值線圖，成圖色階使用累計頻率劃分，分別為0%、0.5%、2.5%、7.5%、15%、25%、40%、60%、75%、85%、92.5%、97.5%、99.5%、100%。相態(tài)、同位素折線圖使用excel 及coreldraw 軟件聯合成圖。

表1 ICP-MS 方法元素檢出限及測量范圍/10-6Table 1 Detecion limits and measurement ranges of elements/10 -6 by ICP-MS method

3 試驗結果與討論

3.1 區(qū)域微量元素含量特征

哈達圖試驗區(qū)-10 目樣品的元素含量見表2。為討論哈達圖試驗區(qū)微量元素在土壤中的分布特征，將其中-10 目樣品中元素含量與我國黃土區(qū)、半干旱荒漠區(qū)水系沉積物及內蒙興安-吉黑造山帶出露地殼的元素含量［13］相對比（表3）。與中國黃土相比，哈達圖試驗區(qū)-10 目土壤中U、Th、Mo、V、Pb、Bi、Zr、Hf、La、Y、Sc 這11 項元素含量較低，Se 與黃土中含量相似；與半干旱荒漠區(qū)水系沉積物相比，除Se、Sc 無法對比外，-10 目土壤中其余10 項元素含量均較低；與內蒙興安-吉黑造山帶出露地殼相比，-10 目土壤中U、Th、V、Zr、Hf、La、Y、Sc 這8 項元素含量較低，Mo、Pb、Bi 三項元素含量相近，Se 含量較高?？梢园l(fā)現，-10 目土壤中以U 為主的目標元素相對三種景觀的平均含量均較低，造成這種現象的原因可能有兩種： ①土壤中的風成砂含量較高，由于風成砂的主要成分為石英或長石等富含主量元素的物質，勢必降低樣品中微量元素含量；②哈達圖區(qū)域土壤中，有機質和黏土含量均很低，很難將微量元素保存其中，微量元素容易隨降水進行遷移，運移至地勢低洼處，這樣易導致元素在洼地的富集，而洼地周邊元素整體含量偏低。

3.2 不同粒度土壤樣品間微量元素含量特征

表4、表5 分別為-100 目土壤樣品及-200 目土壤樣品微量元素含量特征表，綜合表1 中-10 目土壤樣品微量元素含量特征，可以發(fā)現不同元素在不同粒級土壤中的含量變化規(guī)律不同，其中U、Th、V、Se、Bi、Zr、Hf、La、Y、Sc 這10 項元素在樣品中的平均含量隨粒度的減小而顯著增高；而Mo、Pb 兩項元素在-100 目土壤樣品中含量最高，并且在-200 目樣品中，含量稍有降低，并無明顯變 化，說 明Mo、Pb 兩項元素在-100 目、-200 目兩個粒度范圍中，含量是較均勻的?？傮w來說，篩分細粒級樣品能夠達到降低外來風成砂含量對總體樣品中微量元素影響的目的。

表2 哈達圖試驗區(qū)-10 目土壤樣品微量元素含量/10-6Table 2 Trace elements content/10-6 of -10 mesh soil samples in Hadatu research area

表3 我國黃土、半干旱荒漠水系沉積物及出露地殼微量元素含量/10-6［13］Table 3 Content of trace elements/10-6 in Loess，semi-arid desert stream sediments and exposed crust in China

表4 哈達圖試驗區(qū)-100 目土壤樣品微量元素含量/10-6Table 4 Elements content/10-6 of -100 mesh soil samples in Hadatu research area

表5 哈達圖試驗區(qū)-200 目土壤樣品微量元素含量/10-6Table 5 Elements content/10-6 of -200 mesh soil samples in Hadatu research area

三種粒級中微量元素含量最大值的變化規(guī)律與平均值的變化規(guī)律有所區(qū)別，在最大值的對比中，發(fā)現U、Th、Mo、V、Se、Pb、Bi、Zr、Hf、La、Y、Sc 所有12 項元素在-200目樣品中含量最高，說明篩分細粒級樣品能夠提高元素異常的含量。

在明確篩分細粒級樣品能夠降低風成砂干擾提高微量元素平均含量及最大值的前提下，對三種粒級中微量元素變異系數（表6）進行比較，探討其對整體數據離散程度的影響。可以發(fā)現： 在-10 目樣品中，U、Mo、V、Y、Sc 五項元素的變異數最大；-100 目樣品中，各項元素變異系數均無最大值；-200 目樣品中，Th、Se、Pb、Bi、Zr、Hf、La 7 項元素變異系數為最大，可認為能夠有效提高這7 項元素的異常襯度。U 的變異系數雖然在-10 目樣品中最大，這是由于在標準差變化不大的情況下，U 在-10 目及-200 目的平均值變化較大造成的。

3.3 鈾及伴生元素空間分布特征

圖2 為哈達圖試驗區(qū)三種粒度的土壤U地球化學圖，可以發(fā)現三種不同粒級土壤中，U 的總體分布趨勢是相似的，在礦區(qū)西北部、南部及東南一側均有較高的U 異常，但是也有一定的區(qū)別，-200 目樣品U 與推測斷裂構造處對應關系最好；-200 目樣品東南一側區(qū)域U 異常距離哈達圖南部主礦體區(qū)域偏東北約7 km，異常南部向東有一定的延伸，其延伸方向也與地下水沿古河道自南西向北東遷移［14-15］有對應關系，因此將地球化學異常與水文地質情況相結合，能夠達到圈定成礦遠景區(qū)的目的。綜合認為-200 目微細粒取樣方法能夠在保持分布趨勢的情況下，更多的反應出深部構造、成礦相關信息。

圖3、4 分別為哈達圖試驗區(qū)U 及伴生元素組合異常圖及Bi、Zr、Hf、La、Y、Sc組合異常圖。其中Se、Bi 兩項元素異常以片狀異常形式分布于測區(qū)西側，異常范圍在隱伏礦體正上方，與隱伏礦體空間對應關系最好。在測區(qū)東北部的推測隱伏斷裂構造處，U、Th、V、Zr、Hf、La、Y 7 項元素都有一定強度的異常顯示，其中Th、Zr、Hf、La、Y 等元素都為比較穩(wěn)定的親石元素，也側面印證了推斷隱伏斷裂構造的準確性。在東南一側U的異常區(qū)內部，除零星的Mo 異常，并無其他元素異常共存，因此U 異常成因與隱伏斷裂處并不完全相同，初步推測其異常偏西側存在相對規(guī)模較小的隱伏破碎帶，流經隱伏礦體的富鈾層間水與潛水發(fā)生交換，大量呈離子態(tài)U 進入潛水，在地表蒸發(fā)作用及氧化作用的共同作用下，U 被地表土壤所富集。

3.4 元素不同存在相態(tài)分布特征

測區(qū)中部測線樣品平行進行了微量元素逐步偏提取方法的測試工作，相態(tài)由弱到強分別為水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、腐殖酸結合態(tài)、鐵錳結合態(tài)、強有機結合態(tài)及殘渣態(tài)。表7 為-200 目土壤樣品偏提取相態(tài)分析測線U 含量數據，可以發(fā)現，U 在殘渣態(tài)中含量最高，范圍為（1.73～6.65）×10-6；在其余各相態(tài)中，U 含量均為10-9級，大部分樣品從水溶態(tài)到鐵錳結合態(tài)U 含量有隨相態(tài)增強而升高的趨勢，在強有機態(tài)U 含量有所降低，造成這種現象的原因為哈達圖試驗區(qū)土壤以砂土為主，土壤中有機質含量低。除EQ12-15 總量的U 異常點外，發(fā)現ZHD1-30點位存在較明顯的水溶態(tài)異常。對比Th、Mo、V、Se、Pb 等元素（圖5），發(fā)現ZHD1-30點位存在多元素的綜合異常。由于水溶態(tài)含量在所有相態(tài)中最低，所以在全量數據中無法體現其異常，此元素綜合異常與周圍隱伏礦體存在較好的空間對應關系，具有很好的指示意義，很有可能為深部成因。在后期的遠景區(qū)普查詳查工作中，細粒級土壤樣品水溶態(tài)偏提取方法可作為一種定位隱伏礦體的方法進行深入的研究工作。

表6 哈達圖試驗區(qū)不同粒級土壤樣品微量元素含量變異系數Table 6 Coefficient of variation of trace elements content of grain size soil samples in Hadatu research area

圖2 哈達圖試驗區(qū)三種粒度土壤樣品U 含量等值線圖Fig.2 Contour map of uranium content in 3 grain size soils samples in Hadatu research area

圖3 哈達圖試驗區(qū)-200 目土壤U 及其伴生元素組合異常圖Fig.3 Combined anomaly map of U and its associated elements of 200 mesh soils samples in Hadatu research area

圖4 哈達圖試驗區(qū)Bi、Zr、Hf、La、Y、Sc組合異常圖Fig.4 Muti-elementary anomaly map of Bi、Zr、Hf、La、Y、Sc in Hadatu research area

表7 偏提取相態(tài)分析測線U 含量/10-9Table 7 Uranium contents/10-9 of profile in different phases by partial extraction

圖5 哈達圖試驗區(qū)測線偏提取水溶態(tài)U 及其伴生元素含量折線圖Fig.5 Content profile of water soluble state U and its associated elements in Hadatu research area

3.5 測區(qū)土壤樣品穩(wěn)定同位素特征

測區(qū)南部測線土壤樣品進行了全巖的硫同位素、碳質膠結物的碳同位素、氧同位素分析工作。本次測試得到的-200 目土壤中的硫同位素δ34S 為-9.7‰～4.5‰，平均值為-1.14‰。碳同位素δ13C 為-8.8‰～-2.3‰，平均值為-5.06‰，氧同位素δ18O 為-15.2‰～-4.5‰，平均值為-7.69‰。

硫同位素組成在自然界中變化范圍大，硫同位素的分餾主要由于動力學分餾效應、熱力學效應和物理化學效應造成的。在表生環(huán)境中，土壤的pH 值，氧逸度等物理化學條件可以影響硫同位素的組成。測線的硫同位素特征與氧化還原帶的分布基本吻合（圖6），整體呈現出氧化帶上方富集重同位素，還原帶上方富集輕同位素的特征。在表生氧化環(huán)境下，土壤里硫一般以硫酸鹽、有機硫、黃鐵礦硫的形式存在，相對富集重硫同位素，在地表水的作用下，富含輕硫的物質容易在還原帶以還原性硫保存造成其同位素組成相對較低。

圖6 哈達圖試驗區(qū)測線硫同位素比值折線圖Fig.6 Sulfur isotope ratio profile in Hadatu research area

碳同位素組成表現為與有機碳源有關的碳具有較高的δ13Cv-PDB值，與無機碳相關的則具有較低的δ13Cv-PDB值。與大氣水有關的碳酸鹽的δ13Cv-PDB值處于-1‰～-5‰，有機碳的δ13Cv-PDB值較低。二連盆地底部煤、油氣資源豐富，該區(qū)域煤層氣中甲烷含量占比高達90%多，且其碳同位素比值低至-62.5‰～60.1‰［16］。推測碳酸鹽δ13C 的偏負可能與底部甲烷氣體有關（圖7）。氧同位素組成更多與形成的溫度與環(huán)境相關，且形成后容易受到大氣降水的影響。因此其同位素的變化相對碳同位素的變化小，呈現出更平整的同位素比值的剖面線。

4 結論

1） -200 目表層土壤作為取樣目標的化探方法，能夠在保持全量（-10 目）土壤元素分布特征的情況下，提取到與深部隱伏構造、礦體賦存部位等相關的深部信息，可作為二連盆地預測遠景區(qū)的地球化學工作方法。Se、Bi兩項元素異常范圍與隱伏礦體有較好的空間對應關系，可作為找礦指示元素，但其異常成因有待深入探討。

2） -200 目剖面土壤樣品偏提取相態(tài)分析表明，隱伏礦體附近顯示出土壤水溶態(tài)的U及伴生元素綜合異常，位于深部隱伏礦體的垂向投影位置，空間對應關系較好。

3） 硫同位素組成的分布特征與賦礦地層氧化帶及原生砂巖地層分布空間有一定對應關系，是否能用于推測氧化還原過渡帶有待進一步研究。

圖7 哈達圖試驗區(qū)測線碳、氧同位素比值折線圖Fig.7 Carbon and oxygen isotope ratio profile in Hadatu research area

致謝：核工業(yè)北京地質研究院劉武生、李西德、吳曲波等三位研究人員對研究區(qū)的選址及試驗方法的選擇給予了建議及指導，齊天驕提供了地質資料，劉漢彬、張彥輝等人及時提供了分析測試數據。在此對上述人員一并表示感謝！