活性炭吸附測氡在鈉交代熱液型鈾礦勘查中的應(yīng)用
——以龍首山成礦帶芨嶺地區(qū)為例

王 剛，邵 東，婁漢生

(核工業(yè)二○三研究所，陜西 咸陽 712000)

氡是唯一的天然放射性氣態(tài)元素，是無色、無味、化學性質(zhì)穩(wěn)定的稀有氣體(賈國相等，2005)。氡氣測量作為地球物理勘探工作中便捷、有效的放射性探測技術(shù)，具有靈敏度高、精度高、抗干擾強、探測深度大等優(yōu)點(劉波等，2015；楊明等，2018)，在鈾礦勘查、確定煤礦采空區(qū)和火區(qū)、預測地震、尋找隱伏斷層和地下水等眾多領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用(劉菁華等，2000；楊建軍等，2008；劉敦旺等，2009b；陳希泉等，2011；王詩東等，2011；李源輝等，2016；趙丹等，2018)。測氡方法眾多，主要分瞬時和累積兩類，常用的有硫化鋅閃爍室法、RaA測氡法、活性炭吸附法、徑跡蝕刻法、α卡法、氡管α法和熱釋光法等(方孟，2018；季洪偉，2014)，其中活性炭累積測氡法是氡法測量中應(yīng)用最為廣泛、工作效率最高，也是最為有效的方法之一(王志宏等，2014)。

前人運用活性炭測氡法對砂巖型、火山巖型、鈣結(jié)巖型等眾多類型的鈾礦進行了相關(guān)研究(王勇等，2017；張樂等，2018；王浩鋒等，2019；吳澤民等，2019)，取得了明顯的找礦成果，但缺少對典型鈉交代熱液型鈾礦床的相關(guān)研究工作。龍首山芨嶺鈾礦床作為我國北方最為典型的鈉交代熱液型鈾礦床備受地質(zhì)專家和學者關(guān)注，前人對該鈾礦床進行了較為細致的研究(趙如意，2016；宋振濤等，2017；張甲民等，2017；王剛等，2018)，積累了大量的地質(zhì)找礦和科研成果。隨著新一輪“攻深找盲”的深入，筆者以龍首山成礦帶芨嶺地區(qū)為研究對象，運用活性炭吸附測氡方法，通過大比例尺剖面測量，在總結(jié)區(qū)內(nèi)重點地段氡濃度曲線特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新找礦和地質(zhì)科研成果，分析了影響氡濃度曲線特征的主要因素，探討了其在芨嶺鈾礦勘查中的作用，以期為科學指導礦床深部和外圍找礦提供物探依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

龍首山成礦帶位于阿拉善地塊西南緣，是祁連-秦嶺鈾成礦省的重要組成部分。芨嶺地區(qū)位于龍首山中東段，研究區(qū)內(nèi)地層以前寒武系結(jié)晶基底為主，古元古界龍首山巖群(Pt1l)內(nèi)部支離破碎，層序不清，是一套經(jīng)角閃巖相變質(zhì)作用改造的強烈變質(zhì)變形地體，具古陸核性質(zhì)(宮江華等，2011，2013)。中元古界墩子溝群(Pt2d)陸源碎屑沉積和新元古界韓母山群(Pt3hm)碳酸鹽-碎屑沉積不整合于龍首山巖群之上。區(qū)內(nèi)早古生代巖漿活動強烈，種類較多且分布廣泛，巖漿演化較為完整，發(fā)育由陸殼重熔巖漿經(jīng)結(jié)晶分異形成的中性-酸性-堿性侵入巖系列(趙如意，2016)，演化晚期出現(xiàn)的鈉交代巖為龍首山地區(qū)鈾成礦奠定了豐富的物源基礎(chǔ)。芨嶺地區(qū)斷裂構(gòu)造同樣發(fā)育(張偉等，2017)，按走向劃分主要有三個方向，NWW向、近EW向和近SN向，無論從數(shù)量還是規(guī)模上看，均是以NWW向斷裂構(gòu)造為主，這組走向斷裂控制了芨嶺地區(qū)乃至龍首山成礦帶的現(xiàn)今構(gòu)造格局(圖1)。

芨嶺鈾礦床受北西西向南傾的馬路溝斷裂構(gòu)造F101控制，其是一條逆沖兼具右行走滑的斷裂，斷裂走向延伸較好，但規(guī)模和產(chǎn)狀變化很大。目前已知鈾礦體發(fā)育在F101斷裂下盤的鈉交代巖、似斑狀花崗巖和閃長巖蝕變帶內(nèi)，礦體形態(tài)分布較復雜，主要呈透鏡狀、扁豆狀和不規(guī)則狀向北西側(cè)伏，礦體埋藏從南東到北西逐漸加深，除少量礦體露出地表外，其余均為盲礦體。此外，區(qū)內(nèi)還發(fā)育北西西向北傾晚期破礦斷裂F105，其錯斷早期F101斷裂的同時也將深部發(fā)育的鈾礦體截切。

2 活性炭吸附測氡方法

2.1 活性炭測氡原理

鈾礦勘查中氡氣測量的主要對象是鈾系產(chǎn)生的222Rn，其是氡同位素系列中最重要的核素(楊亞新等，2007)。研究表明，比空氣分子質(zhì)量大的氡主要以縱向向上運移為主(方孟，2018)，而活性炭對氡有強吸附力，當深部的氡沿斷裂構(gòu)造和裂隙向上運移到達活性炭表面時，氡分子很快被吸附，使得在活性炭周圍的空氣中氡濃度低于探杯內(nèi)的氡濃度。根據(jù)擴散原理，進入到探杯內(nèi)的氡射氣，在濃度差的作用下，將源源不斷地朝著活性炭自動擴散。在常溫干燥、靜態(tài)條件下，活性炭吸附可以在短時間內(nèi)達到平衡(劉泰峰等，2004)。在一定條件下，活性炭吸附的氡氣量與被吸附地點的氡濃度成正比(楊亞新等，2003)，因此，通過測量被活性炭所吸附的氡衰變子體γ強度從而計算氡濃度值，可間接反映出地下氡濃度的分布情況，從而達到識別深部盲礦體的目的。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

活性炭吸附氡的影響因素較多。實踐證明，水蒸氣是活性炭吸附氡的最大影響因素(方孟，2018)，活性炭一旦受潮，就大大降低了對氡的吸附能力，甚至完全失效。運動分子的能量與溫度有關(guān)，溫度升高，運動分子的能量增加，不易被吸附，且已被吸附的分子容易解吸(季洪偉，2014)，因此，高溫條件下不利于氡的吸附?；钚蕴繙y量期間的氣候同樣對測量成果有一定影響，多風的季節(jié)會使蓋層中的氡大量向大氣中擴散致使?jié)舛冉档?，影響最終測量結(jié)果。因此，選擇在溫度適中、較為干燥的無風天氣進行野外工作，能夠有效降低各項不利因素的影響，準確反映測量數(shù)據(jù)的真實性。

室內(nèi)準備階段，在吸附器中首先裝入30 g具有發(fā)達微孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的活性炭，開口處填入3～5 g硅膠干燥劑并用膠帶固定保證其處于密封狀態(tài)。野外數(shù)據(jù)采集時，在儲氣條件較好的位置布點，在吸附器上做好標記，并用便攜式GPS定位系統(tǒng)確定點位。研究表明，野外活性炭測氡法采樣最優(yōu)埋深為40 cm(李偉等，2013)，因此將裝有活性炭的吸附器埋于深40 cm、直徑大于10 cm的探坑中，坑底鋪平，以保持自然通氣狀態(tài)，之后用土掩埋壓實。劉敦旺等(2009a)對活性炭吸附氡濃度與埋置時間關(guān)系研究認為5至7天氡濃度能達到平衡，因此埋置時間為7天能夠達到測量目的。吸附器埋置7天后取出，用HD-2003活性炭測氡儀依次進行測量，即可得到相應(yīng)氡濃度值，同時選取5%的工作量進行檢查測量，確保數(shù)據(jù)的可靠性。

3 活性炭測氡剖面特征

3.1 剖面部署

在對芨嶺地區(qū)地質(zhì)背景詳細了解的基礎(chǔ)上，結(jié)合近幾年鉆探施工取得的成果和認識，在芨嶺鈾礦床及外圍重點地段共布設(shè)活性炭吸附測氡剖面9條(圖1)，其中PMⅠ、PMⅡ、PMⅢ是在筆者通過地表地質(zhì)調(diào)查和鉆孔編錄詳細了解鈾礦體和斷裂構(gòu)造特征的前提下布設(shè)的3條已知礦區(qū)剖面，而PM01、PM02、PM03和PM04、PM05、PM06分別布設(shè)在芨嶺外圍地段和馬路溝地段，這二者均是芨嶺地區(qū)鈾礦勘查的未知地段，以期通過這6條未知礦區(qū)剖面與3條已知礦區(qū)剖面數(shù)據(jù)分析和對比，為下一步鈾礦勘查提供依據(jù)。

活性炭吸附測氡剖面點距為10 m，共采集氡濃度數(shù)據(jù)536個。對研究區(qū)氡濃度測量值進行背景值及異常下限統(tǒng)計分析，異常極值共52個，對剔除異常極值后的484個樣本進行檢驗，基本符合正態(tài)分布(圖2)，采用對數(shù)平均值法確定氡濃度背景值為2 635.1 Bq/m3，考慮到研究區(qū)氡濃度背景值普遍較高，選取背景值的5倍為異常下限，即1 3175.5 Bq/m3，更有利于對深部礦致異常引起氡濃度異常的信息提取(趙希剛等，2013)。

3.2 已知礦區(qū)剖面特征

(1)PMⅠ剖面上鈾礦體直接在地表出露，規(guī)模中等，馬路溝斷裂構(gòu)造在其南側(cè)，傾角68°～72°，受馬路溝斷裂帶影響，南側(cè)上盤發(fā)育的大理巖破碎程度較高，而北側(cè)下盤的蝕變似斑狀花崗巖和鈾礦體相對完整。通過數(shù)據(jù)分析可知(圖3)，在110～240 m段異常極值高、范圍大，且連續(xù)性很好，在190 m處氡濃度值達到最大，為84 674.1 Bq/m3，峰背比達32.1，該處正是地表鈾礦體出露地段，南側(cè)馬路溝斷裂構(gòu)造F101由于上盤破碎程度較高導致氡濃度異常范圍較大且值也較高，達35 000 Bq/m3以上，北側(cè)氡濃度值逐漸減小也反映了蝕變帶過渡到正?；◢弾r和閃長巖的特點。

(2)PMⅡ剖面上鈾礦體埋深在400 m以下，規(guī)模較大，賦存于馬路溝斷裂F101下盤，斷裂傾角較陡74°～78°，此外，還在北部斷裂構(gòu)造及其揭露到少量鈾礦體和蝕變帶。在100 m處異常極值為16 064.4 Bq/m3，峰背比為6.1，反映出馬路溝斷裂F101和深部的鈾礦化信息，而異常值較PMⅠ低的原因主要為礦體埋深較深；在250～380 m處異常范圍較大，表現(xiàn)為雙峰異常，最高值為21 022.3 Bq/m3，峰背比為8.0(圖3)，這是受馬路溝斷裂北部的多條次級斷裂影響，其值比F101斷裂附近的極值還高則說明北部可能發(fā)育有規(guī)模較大的鈾礦體。

(3)PMⅢ剖面上鈾礦體埋深較淺，規(guī)模較小，南側(cè)的馬路溝斷裂構(gòu)造近直立，傾角>80°，巖石在斷裂帶附近破碎程度較高。剖面上發(fā)育2個異常極值點和1個異常段，極值點在130 m和210 m處，氡濃度值分別為70 140.5 Bq/m3和86 270.6 Bq/m3，峰背比分別為26.6和32.7(圖3)。130 m處異常點為斷裂構(gòu)造所致，210 m處異常點則較好地反映了淺部存在的鈾礦體，斷裂構(gòu)造和鈾礦體產(chǎn)狀均較陡，導致氡濃度極值點兩側(cè)曲線斜率也較陡；異常段位于260～290 m，異常值均超過70 000 Bq/m3，峰背比大于26.6，地表調(diào)查顯示該段有裂隙較發(fā)育的蝕變帶存在。

在排除溫度、濕度和風力作用等因素對活性炭吸附測氡的影響外，綜合3條已知礦區(qū)剖面對比分析，認為鈾礦體的埋深、規(guī)模和斷裂構(gòu)造產(chǎn)狀等因素對氡濃度曲線有較大影響。剖面證實鈾礦體賦存位置均顯示較高的氡濃度值，說明氡濃度曲線能較好地反映鈾礦化，但受礦體埋深和規(guī)模影響較大，埋深越淺、規(guī)模越大則氡濃度值越高，且礦體埋深對氡濃度值的影響遠大于規(guī)模。研究發(fā)現(xiàn)氡濃度值較高的地方往往斷裂構(gòu)造或裂隙較發(fā)育，這與氡氣沿裂隙上升的特點相符，但曲線特征受斷裂構(gòu)造產(chǎn)狀影響，在極值兩側(cè)表現(xiàn)出不同的曲線斜率。鈾礦體附近斷裂構(gòu)造的產(chǎn)狀導致氡濃度極值點兩側(cè)斜率不同，斷裂傾向一側(cè)曲線斜率較小，反之斜率較大(如PMⅠ)，而當斷裂構(gòu)造近直立時極值點兩側(cè)斜率近似相同(如PMⅢ)，這一特征可能與馬路溝斷裂為逆沖性質(zhì)的斷裂，逆沖作用致使斷裂上盤裂隙、節(jié)理發(fā)育有關(guān)。此外，礦體相對于斷裂分布位置不同也會導致氡濃度曲線有所差異：發(fā)育礦體的斷裂一側(cè)往往氡濃度異常范圍要大于無礦體一側(cè)(如PMⅡ)，斷裂和礦體產(chǎn)狀較平緩則異常范圍較大，斷裂和礦體產(chǎn)狀較陡，則異常范圍較小。這些規(guī)律和認識有利于識別含礦斷裂構(gòu)造的分布和產(chǎn)狀特征，對深部鈾礦體預測也有指導意義。

3.3 未知礦區(qū)剖面特征

芨嶺外圍地段馬路溝斷裂F101出露明顯，斷裂帶附近巖石較破碎，地表可見大量鈉交代巖和蝕變帶發(fā)育。前人在此地段施工的鉆孔顯示揭穿馬路溝斷裂后出現(xiàn)了規(guī)模較大的蝕變帶，發(fā)育典型的赤鐵礦化和鈉長石化，但未揭露到鈾礦體。通過芨嶺外圍地段3條未知礦區(qū)剖面的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)(圖4)，PM01剖面氡濃度極值為8 383.9 Bq/m3，小于芨嶺地區(qū)氡濃度異常下限，PM03剖面氡濃度極值為17 167.8 Bq/m3，略高于芨嶺地區(qū)氡濃度異常下限，地表地質(zhì)調(diào)查顯示這兩條剖面上馬路溝斷裂F101與南北向晚期斷裂構(gòu)造錯斷特征明顯，結(jié)合鉆孔中發(fā)現(xiàn)的大量高嶺土化和褐鐵礦化，推斷此處可能受后期構(gòu)造活動影響較大，使得馬路溝斷裂下盤的鈾礦化氧化遷移，未能在氡濃度曲線上有所顯示。與PM01和PM03不同的是，在PM02剖面上氡濃度極值較高，且氡濃度剖面與地質(zhì)和能譜剖面對應(yīng)性較好，通過數(shù)據(jù)分析和對比發(fā)現(xiàn)，在110 m和500 m處氡濃度極值達63 419.3 Bq/m3和50 014.6 Bq/m3，峰背比分別為24.1和19.0，此處正是馬路溝斷裂F101和一個井斷裂F132的地表露頭，驗證馬路溝斷裂是控礦斷裂的同時暗示一個井斷裂可能也是一條控礦斷裂，且礦體可能埋深較淺，考慮到芨嶺外圍地區(qū)斷裂規(guī)模減小且發(fā)育多期次構(gòu)造活動，認為鈾礦體規(guī)?？赡懿淮?。從曲線形態(tài)來看，均是異常極值點兩側(cè)快速降低到背景值，推斷斷裂構(gòu)造向深部延伸產(chǎn)狀較陡，礦體形態(tài)很可能近直立。

馬路溝地段F101斷裂出露較明顯，規(guī)模較芨嶺地區(qū)有逐漸變小的趨勢，沿斷裂帶北側(cè)零星發(fā)育鈉交代巖和少量蝕變帶。近兩年對馬路溝地段的找礦工作成果較好，相繼發(fā)現(xiàn)了一批工業(yè)鉆孔，但鈾礦化的走向連續(xù)性和斷裂構(gòu)造產(chǎn)狀及其向深部的延伸情況尚未完全明了，有待進一步查證。通過馬路溝地段3條未知礦區(qū)剖面的數(shù)據(jù)分析和氡濃度曲線與地質(zhì)剖面對比發(fā)現(xiàn)(圖5)，馬路溝斷裂構(gòu)造地表出露處在各剖面中均有所顯示，且斷裂以北往往有氡濃度異常極值出現(xiàn)，但就剖面整體特征而言，雖這3條剖面氡濃度極值均大于研究區(qū)的異常下限，但極值僅僅是芨嶺外圍地段的1/5～1/3，且從PM04剖面向西延伸至PM06剖面氡濃度值有明顯減弱的趨勢。PM04剖面上氡濃度異常范圍主要位于250～310 m，存在2個氡濃度異常高值，最大值為28 921.3 Bq/m3，峰背比為11.0，依據(jù)剖面PMⅢ的特征，認為南側(cè)極值由近直立的馬路溝斷裂構(gòu)造引起，北側(cè)極值很可能是鈾礦化線索的反映。PM05剖面在200～350 m處存在2個異常極值，異常值范圍為14 050.5～15 536.2 Bq/m3，異常極值較小但規(guī)模較大，推斷為馬路溝斷裂以北可能存在規(guī)模較大的蝕變帶，但鈾礦化程度可能較弱。PM06剖面220 m處出現(xiàn)氡濃度異常極值，為13 957.3 Bq/m3，略大于異常下限，地表調(diào)查顯示該處出露2 m寬的構(gòu)造破碎帶，極值南側(cè)斜率較緩，認為馬路溝斷裂在此處可能南傾，且斷裂帶深部可能發(fā)育規(guī)模較小的鈾礦化。

4 討論及結(jié)論

依據(jù)以往對芨嶺地區(qū)的鈾礦地質(zhì)勘查成果和認識，在綜合分析活性炭吸附測氡剖面測量結(jié)果的基礎(chǔ)上，在芨嶺外圍地段PM01至PM03線上施工的ZKJ41-1和ZKJ45-1鉆孔揭露到了淺部較為厚大的蝕變帶和鈉交代巖，但未見到工業(yè)鈾礦體，可能與礦體向深部延伸產(chǎn)狀較陡有關(guān)，考慮到該地段發(fā)育多條近南北向晚期斷裂，且活動時代較新，認為后期斷裂構(gòu)造的疊加導致馬路溝斷裂構(gòu)造和鈾礦化的復雜化，且鉆孔中大量高嶺土化和褐鐵礦化的出現(xiàn)顯示該地段近地表發(fā)育后期蝕變作用，暗示淺部的鈾礦化很可能已經(jīng)被破壞，而較高的氡濃度極值則可能是深部鈾礦化的反映，表明深部有較大的找礦潛力，因此建議繼續(xù)對深部進行探索，同時還應(yīng)當加強馬路溝斷裂以北的一個井斷裂地段鈾礦勘查工作。在馬路溝地段PM04至PM06范圍內(nèi)施工的ZKJ115-1和ZKJ127-1鉆孔中揭露到了工業(yè)鈾礦體，將馬路溝地段的見礦范圍擴大到了1.25 km，同時印證礦體規(guī)模由東向西逐漸較小，這與氡濃度曲線變化分析結(jié)果相一致。

通過芨嶺地區(qū)活性炭吸附測氡應(yīng)用，表明其在識別鈉交代熱液型鈾礦化信息方面是有效的，氡濃度曲線能夠較好地反映斷裂構(gòu)造和鈾礦化。測量結(jié)果顯示芨嶺外圍地區(qū)及其以北和馬路溝西部分地段具備較好的成礦潛力，但鈾礦化規(guī)模較芨嶺礦床有逐漸變小的趨勢，而馬路溝斷裂構(gòu)造產(chǎn)狀由東向西伴隨著南傾-近直立-南傾的轉(zhuǎn)變和后期構(gòu)造活化共同導致了鈾礦體形態(tài)和分布的復雜性。