利用航空伽馬能譜數(shù)據(jù)進行鈾成礦預(yù)測
——以皖南夏林一帶為例

董根旺，王琴，黃金輝，林曼曼，王猛，田亮

（1.中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071051；2.中國冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院，北京 101300；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）科學(xué)研究院，北京 100083）

航空伽馬能譜測量（簡稱航放測量）是通過在飛機等飛行器上安裝伽馬能譜測量設(shè)備進行飛行測量，根據(jù)地表巖石、土壤和大氣中天然或人工放射性核素伽馬射線能量和特征射線計數(shù)率大小的差異，來確定鉀、鈾、釷和其他放射性核素種類及其含量和分布的一種地球物理-地球化學(xué)方法。因其具有測量效率高、成本低、不受地形等因素限制的優(yōu)點，在放射性礦產(chǎn)和與放射性核素有關(guān)的鉀鹽、稀有元素礦產(chǎn)、多金屬礦產(chǎn)及油氣資源等勘查，基礎(chǔ)地質(zhì)研究（圈定火山巖、侵入巖以及地質(zhì)構(gòu)造），環(huán)境輻射本底及核應(yīng)急監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。尤其是在鈾礦資源普查、區(qū)域遠(yuǎn)景評價和總量預(yù)測以及地質(zhì)研究工作中，航空伽馬能譜測量占有極其重要的位置，是一項具有戰(zhàn)略意義的工作［1-3］。

皖南地區(qū)有較好的碳硅泥巖型鈾礦成礦潛力。碳硅泥巖型鈾礦床系指產(chǎn)于未變質(zhì)或弱變質(zhì)海相碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖、泥巖及其過渡型巖類中的鈾礦床。碳硅泥巖型鈾礦化受地層層位、巖性巖相、構(gòu)造等諸多因素控制，屬于層控疊加改造型熱液鈾礦床。鈾在礦石中主要以分散吸附狀態(tài)存在。含礦層大多形成于深水滯留還原環(huán)境或槽狀海盆還原環(huán)境中，部分形成于閉塞海灣或生物屑大量堆積的淺灘環(huán)境中。上述環(huán)境使地層中的鈾在沉積過程中得以初始富集，在之后的成巖過程中，隨著地殼增溫和壓力的增加，在熱力驅(qū)動下孔隙水發(fā)生遷移，鈾在地層中隨之產(chǎn)生再分配，在有利部位進行第二次富集，為后來的構(gòu)造-熱動力改造成礦奠定了基礎(chǔ)。碳硅泥巖型鈾礦伴（共）生有利用價值的元素種類多，含量高，鈾常與釩、鉬、鎳、銅、銀、鎵相伴，部分與鉻、砷、鎘、鎢、鉍、鈷、銻相伴［4-6］。

中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院于2017 年在皖南宣城地區(qū)開展了1:5 萬航磁、航放測量，本文利用本次測量獲得的航空伽馬能譜數(shù)據(jù)，對測區(qū)內(nèi)夏林一帶的鈾礦成礦規(guī)律進行討論。

1 地質(zhì)背景

1.1 大地構(gòu)造

研究區(qū)位于安徽省宣城市東南，東側(cè)靠近浙江省。大地構(gòu)造位置屬于下?lián)P子陸塊南東部的寧國-太平褶斷帶，西側(cè)有績溪-寧國斷裂，具構(gòu)造過渡帶的特征［7］（圖1）。

印支期和燕山期是研究區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造期。印支早期受到南東-北西向應(yīng)力擠壓，形成近NE60°向延伸的寬緩背向斜，并形成了一系列規(guī)模相對較小的次級褶皺群，形成了區(qū)域內(nèi)以北東向構(gòu)造為主體的構(gòu)造格局；同時發(fā)育了規(guī)模較大的北東向斷裂，該期斷裂具左行壓-壓扭性特征，產(chǎn)狀直立或陡傾。

印支晚期，發(fā)育北西向延伸規(guī)模較小的褶皺，疊加在印支早期褶皺上，與其次級褶皺疊加形成穹盆構(gòu)造或鼻狀構(gòu)造。燕山期以強烈的巖漿活動和大規(guī)模逆沖、伸展滑脫、斷陷斷裂活動為特色，形成了區(qū)內(nèi)現(xiàn)今復(fù)雜的構(gòu)造景觀。早期形成的北東向斷裂在印支晚期和燕山期再次活動，并新生較小規(guī)模斷裂，成為燕山期巖漿侵入活動主通道。北西向斷裂主要活動在燕山期，橫切、錯移北東向主干斷裂帶，以張扭性為主。

1.2 地層

圖1 研究區(qū)構(gòu)造綱要圖（據(jù)參考文獻［8］修改）Fig.1 Structure outline of the study area （modified after reference［8］）

圖2 研究區(qū)地質(zhì)簡圖（據(jù)參考文獻［8］修改）Fig.2 Geological sketch of the study area （modified after reference［8］）

研究區(qū)內(nèi)出露地層主要為上元古界和下古生界，各地層間多為整合-平行不整合接觸（圖2）。上元古界南華系主要出露在研究區(qū)中東部后中村附近和東南部大龍-仙霞一帶，其中休寧組（Nh1x）是研究區(qū)內(nèi)出露最老的地層，為陸源碎屑巖沉積，南沱組（Nh2n）為冰期沉積；震旦系與南華系相伴分布，并在區(qū)內(nèi)中部夏林北側(cè)有較大面積出露，受北東向和北西向兩組斷裂控制，其中藍(lán)田組（Z1l）為一套碎屑巖-碳酸鹽巖組合，上覆皮園村組為一套硅質(zhì)巖局部夾碳質(zhì)泥巖；寒武系在研究區(qū)內(nèi)廣泛出露，寒武紀(jì)初期為碳硅泥質(zhì)沉積，往上迅速演化為碳酸鹽巖、泥質(zhì)碳酸鹽巖沉積，自下而上分為荷塘組（）、大 陳嶺組（）、楊柳崗組（）、華嚴(yán)寺組（）和西陽山組（）；奧陶系總體為一套泥砂質(zhì)碎屑沉積夾少量泥質(zhì)碳酸鹽巖沉積，自下而上分別為印渚埠組（O1y）、寧國組（O1-2n）、胡樂組（O2-3h）和長塢組（O3c），主要出露在研究區(qū)中西部；下志留統(tǒng)霞鄉(xiāng)組（S1x）出露在研究區(qū)西北部，為一套深水陸棚-淺水陸棚泥質(zhì)碎屑巖建造。

1.3 巖漿巖

研究區(qū)內(nèi)主要分布3 個侵入巖體，自北向南依次為劉村巖體、唐舍巖體和仙霞巖體，均為酸性-中酸性侵入巖，成巖時代為早白堊世早期。

北東部劉村巖體侵入下古生界地層，巖體南東側(cè)與寒武系呈斷層接觸，北西側(cè)與奧陶系和志留系呈侵入接觸，局部為斷層接觸，接觸面產(chǎn)狀均較陡，多發(fā)育角巖化蝕變。侵入巖巖性主要為細(xì)粒正長花崗巖和中粗粒似斑狀二長花崗巖。

中東部唐舍巖體呈北東向侵入由前寒武紀(jì)地層構(gòu)成的背斜核部，與兩側(cè)圍巖均呈侵入接觸關(guān)系，接觸帶發(fā)育強矽卡巖化和角巖化，接觸面傾角總體較陡，為50°～80°不等。巖體巖性主要為中粒二長花崗巖和中粗粒正長花崗巖。

南東部仙霞巖體侵入南華系，接觸面產(chǎn)狀陡，局部為斷層接觸。接觸帶蝕變強烈，蝕變巖多為含鎢透輝石矽卡巖。巖體具多期次侵入特征，巖性為（中粒、細(xì)粒、巨晶斑狀）二長花崗巖→（中粗、粗中、細(xì)粒）正長花崗巖。巖體受北東向斷層和復(fù)背斜聯(lián)合控制。

2 航空伽馬能譜特征分析

航空伽馬能譜總計數(shù)率圖（圖3a）顯示，研究區(qū)總體表現(xiàn)為放射性偏高場-高場，以北部劉村巖體處高場規(guī)模最大、總計數(shù)率值最高，平均值超過2 000 cps，其高場形態(tài)與巖體出露范圍吻合，受斷裂控制的邊界清晰。巖體西南側(cè)的奧陶系也有較高的總計數(shù)率值；研究區(qū)中部向南有多處不連續(xù)的高值異常，異常中心總計數(shù)率值均在2 000 cps 以上。一個特殊的現(xiàn)象是，這些異常附近均有研究區(qū)內(nèi)極低值出現(xiàn)，總計數(shù)率值小于1 000 cps，與地質(zhì)圖對比，這些高值異常多對應(yīng)寒武系一側(cè)，而極低值對應(yīng)南華系一側(cè)；研究區(qū)總計數(shù)率背景值約為1 200 cps，唐舍巖體和仙霞巖體有較弱異常反映，且不連續(xù)。

航空伽馬能譜鉀含量和釷含量圖（圖3b、d）形態(tài)相似，北部劉村巖體呈現(xiàn)高場，航空伽馬能譜鉀含量大于2 %，釷含量大于10×10-6；唐舍巖體和劉村巖體航空伽馬能譜鉀含量較高，平均值約為1.5 %，航空伽馬能譜釷含量呈現(xiàn)偏低場。奧陶系也表現(xiàn)出有較高的航空伽馬能譜鉀、釷含量，研究區(qū)中部和南部的航空伽馬能譜鉀、釷極低值區(qū)域?qū)?yīng)南華系-寒武系，尤其是上震旦統(tǒng)地層，該區(qū)域航空伽馬能譜鉀含量低于0.6 %，釷含量低于4.5×10-6。

航空伽馬能譜鈾含量圖（圖3c）顯示，研究區(qū)中部呈現(xiàn)具有一定連續(xù)性的高值鈾異常，南部有多個孤立鈾異常，異常幅值一般超過9×10-6，最大值接近20×10-6。這些異常與航空伽馬能譜鉀含量、釷含量圖中的低值區(qū)域有較好的對應(yīng)關(guān)系，地質(zhì)上主要為上震旦統(tǒng)-下寒武統(tǒng)地層出露區(qū)。

總體而言，研究區(qū)內(nèi)航空伽馬能譜特征顯著，與區(qū)域背景相比，3 個侵入巖體均有較高的放射性元素含量，以劉村巖體放射性元素含量最高，震旦系-寒武系鉀、釷含量極低，而鈾含量極高。

圖3 研究區(qū)航空伽馬能譜陰影圖Fig.3 TC and U-Th-K content by airborne gamma spectrum in the study area

3 鈾元素遷移富集規(guī)律

為深入分析區(qū)內(nèi)放射性元素分布規(guī)律以及鈾元素遷移富集規(guī)律，利用航空伽馬能譜數(shù)據(jù)作放射性元素含量比值圖和活性鈾含量、鈾富集系數(shù)計算。各項處理數(shù)學(xué)模型見表1，處理結(jié)果見圖4。

Th/K 圖（圖4a）反映了不同地質(zhì)體釷、鉀元素相對含量分布特征。與研究區(qū)背景值相比，3 處侵入巖體均表現(xiàn)為較低的釷鉀比，且以南部仙霞巖體比值最低，結(jié)合3 處侵入巖釷、鉀元素含量差異分析，盡管其侵入期次相近，巖性相近，但具有不同的放射性地球化學(xué)特征；U/Th 圖（圖4b）更好的反映了鈾元素的活化富集特征，與航空伽馬能譜鈾含量分布圖相比，U/Th 背景更平坦，平均為0.36，顯示大部分地質(zhì)體的鈾釷平衡未被破壞，而原有鈾異常區(qū)域U/Th 值同樣為異常顯示，U/Th異常值超過2，表現(xiàn)為典型的鈾高釷低特征。求取研究區(qū)活性鈾含量，顯示全區(qū)背景值約為－0.2×10-6，整體表現(xiàn)為鈾遷入特征，尤其以現(xiàn)今鈾異常位置為極低的負(fù)值，一般小于－3×10-6，表明鈾遷入量極高；研究區(qū)內(nèi)有顯著鈾遷出的是奧陶系，區(qū)內(nèi)中南部以下奧陶統(tǒng)為主的奧陶系鈾遷出量大于1.5×10-6，相比之下，區(qū)內(nèi)3 處侵入巖體沒有明顯的鈾遷入遷出，僅劉村巖體和唐舍巖體有少量鈾遷出，遷出量約0.2×10-6，仙霞巖體總體表現(xiàn)為鈾平衡。鈾富集系數(shù)計算突出顯示了鈾元素富集區(qū)域，與現(xiàn)今鈾含量高值區(qū)和釷含量低值區(qū)吻合。

表1 航空伽馬能譜數(shù)據(jù)綜合處理方法［9-12］Table 1 Comprehensive data processing method of airborne gamma-ray spectrometry［9-12］

圖4 研究區(qū)航空伽馬能譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理陰影圖（數(shù)學(xué)模型見表1）Fig.4 Maps of radioactive parameters transformed from airborne gamma spectrum data in the study area （the mathematical models in Table 1）

總體而言，根據(jù)航空伽馬能譜數(shù)據(jù)計算，區(qū)內(nèi)侵入巖體鈾元素遷入遷出基本保持平衡，而震旦系-寒武系有大量鈾元素遷入，并且現(xiàn)今鈾含量很高。

4 鈾成礦條件分析及預(yù)測

研究區(qū)位于下?lián)P子鈾成礦帶內(nèi)的碳硅泥巖型鈾成礦區(qū)內(nèi)，處于欽杭多金屬、鈾成礦帶上。區(qū)內(nèi)夏林村北側(cè)有兩處鈾礦化點，在相似地質(zhì)條件下的江西修水一帶已發(fā)現(xiàn)有多處碳硅泥巖型鈾礦［13-14］。

4.1 鈾源層（體）及鈾礦化特征

研究區(qū)內(nèi)廣泛出露的以多層含碳、含硅頁巖及含磷層相間存在的荷塘組巖層是最重要的鈾源層和含礦層，本項目地面伽馬能譜測量其鈾含量均值超過28×10-6，并有多處超過100×10-6的測點，皮園村組的硅質(zhì)巖鈾含量極低，而所夾碳質(zhì)泥巖（頁巖）鈾含量與荷塘組相當(dāng)，同樣是重要的鈾源層。

研究區(qū)內(nèi)的189 號里石橋鈾礦點和190號白洋塢鈾礦點，均為碳硅泥巖型，產(chǎn)于寒武系荷塘組中［15］。不同品級礦石中鈾的存在形式有差異，在富礦石中鈾主要以鈾礦物形式存在，其次是以吸附態(tài)賦存在有機質(zhì)、黏土礦物、鐵的氧化物等內(nèi)部；在貧礦石中鈾主要以吸附形式存在。礦體附近硅化破碎現(xiàn)象嚴(yán)重，層間破碎帶與礦化關(guān)系較為密切。

研究區(qū)內(nèi)暫未發(fā)現(xiàn)有花崗巖型鈾礦化，但區(qū)內(nèi)3 處侵入巖體K、U、Th 含量均顯著高于揚子準(zhǔn)地臺和中國中生代的同種巖石平均值，并且3 處巖體的正長花崗巖放射性元素含量均顯著高于二長花崗巖（表2）。值得注意的是航空伽馬能譜測量的數(shù)據(jù)與實驗室樣品巖石地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)的數(shù)值差異，這是因為航空伽馬能譜測量受系統(tǒng)標(biāo)定準(zhǔn)確性、地表植被、飛行測量期間環(huán)境大氣氡變化的影響［16-17］，更主要的原因是航空伽馬能譜測量反映的是地質(zhì)體淺地表的放射性元素含量，其風(fēng)化程度較強，得到的數(shù)據(jù)與實驗室新鮮巖石樣品化驗數(shù)據(jù)相比偏低，但航空伽馬能譜測量以極高的采樣密度獲得了地質(zhì)體平面上的大量數(shù)據(jù)，測量結(jié)果更有統(tǒng)計價值［18-23］；將航空伽馬能譜測量數(shù)據(jù)與巖石地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)對比的另一個意義在于，可以對某一特定巖體放射性元素含量與更大范圍內(nèi)的同類侵入巖對比，以更深入分析其放射性元素含量特征。

根據(jù)前人巖石地球化學(xué)分析研究及本次航空伽馬能譜測量數(shù)據(jù)分析，研究區(qū)內(nèi)3 處侵入巖體均為高放射性花崗巖，劉村巖體K、Th 含量顯著高于唐舍巖體和仙霞巖體，以劉村巖體和正長花崗巖巖性放射性元素含量最高，在巖體外接觸帶和巖體內(nèi)部構(gòu)造活動位置有花崗巖型鈾礦成礦潛力。

4.2 鈾成礦預(yù)測

根據(jù)航空伽馬能譜測量數(shù)據(jù)分析，研究區(qū)內(nèi)鈾含量的極大值一般出現(xiàn)在寒武系底部荷塘組，而釷含量的極小值出現(xiàn)在下伏的震旦系頂部皮園村組，鈾釷比極大值出現(xiàn)在兩套地層整合接觸面附近，顯示鈾元素的極大值和釷元素的極小值在兩套地層中的分布有一定的規(guī)律性，但不同步。由于以往發(fā)現(xiàn)的鈾礦化多出現(xiàn)在荷塘組中，所以前人的研究更多關(guān)注荷塘組的富鈾特征和成礦性。通過分析航空伽馬能譜數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為應(yīng)將上震旦統(tǒng)-下寒武統(tǒng)作為一個整體分析其鈾成礦地質(zhì)條件，從硅質(zhì)巖到碳質(zhì)泥巖（頁巖）的沉積環(huán)境和初始鈾富集，到成巖后期（尤其是燕山期）構(gòu)造-巖漿巖活動對鈾的活化再富集，根據(jù)航空伽馬能譜異常信息擴大鈾礦找礦范圍。

表2 研究區(qū)花崗巖體K2O（K）、U、Th 含量對比［24-28］Table 2 The contents of K2O （K），U and Th of granite plutons in the study area［24-28］

航空伽馬能譜鈾含量圖上的鈾異常位置均為鈾成礦有利區(qū)域。夏林村北側(cè)幅值最高且異常連接成片的異常區(qū)域近年來已開展了比較深入的鈾礦資源調(diào)查評價工作（相關(guān)成果還未發(fā)表），在后中南側(cè)、仙霞西南以及關(guān)口附近的鈾異常是下一步值得重點關(guān)注的區(qū)域。另外，盡管區(qū)內(nèi)3 處侵入巖體并非區(qū)內(nèi)的主要鈾源體，但均有較高的放射性元素含量，尤其是北部劉村巖體。高放射性花崗巖體外接觸帶地層鈾含量高，受巖體侵入影響圍巖發(fā)生角巖化蝕變，巖體內(nèi)及邊部的斷裂成為鈾運移通道和鈾成礦地球化學(xué)屏障，有利于鈾的富集成礦［29-30］。

5 結(jié)論與建議

1）研究區(qū)內(nèi)有較好的碳硅泥巖型鈾礦找礦潛力，震旦系-寒武系的含碳地層是重點成礦層位，夏林北部的鈾異常處已發(fā)現(xiàn)多處鈾礦化點，區(qū)內(nèi)后中南側(cè)、仙霞西南以及關(guān)口附近有較好的航空伽馬能譜鈾異常顯示，建議布置地面檢查工作，尋找可能存在的碳硅泥巖型鈾礦化；

2）航空伽馬能譜測量數(shù)據(jù)與巖石地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)均表明，研究區(qū)內(nèi)侵入巖放射性元素含量較高，以劉村巖體和正長花崗巖巖性為代表，其外接觸帶及構(gòu)造發(fā)育部位是花崗巖型鈾礦成礦有利地帶；

3）航空伽馬能譜測量數(shù)據(jù)與巖石地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)獲取方式和主要應(yīng)用目的不同，但反映的都是地質(zhì)體元素含量，將其結(jié)合進行對比分析，在K、U、Th 元素分布和富集規(guī)律、侵入體巖石地球化學(xué)特征等研究中可獲得新的認(rèn)識，目前這方面的研究較少。