釷歸一化法在松遼盆地開魯坳陷大林地區(qū)地面伽馬能譜資料處理中的應(yīng)用研究

黃笑，余弘龍，江麗，王殿學(xué)，周文博，馬振宇，張亮亮，唐國龍

(1.核工業(yè)二四三大隊(duì)，內(nèi)蒙古 赤峰 024000； 2.東華理工大學(xué) 地球物理與測控技術(shù)學(xué)院,江西 南昌 330013)

0 引言

20世紀(jì)60年代，地面伽馬能譜測量已被前蘇聯(lián)等國提出并應(yīng)用在鈾礦找礦中。之后，美國將航空伽馬能譜測量的應(yīng)用拓展到油氣田、金屬礦等能源礦產(chǎn)的勘查中[1-4]。1954年我國首次在遼寧省海城利用伽馬能譜測量尋找鈾礦。20世紀(jì)70～80年代，隨著我國航空和地面伽馬能譜儀的技術(shù)的發(fā)展[5-7]，伽馬能譜測量成為開展區(qū)域鈾礦資源勘查的重要手段。在這期間，我國大多數(shù)鈾礦床是由航空伽馬能譜發(fā)現(xiàn)的[8-9]。然而，在可地浸砂巖型鈾礦勘查中，地面伽馬能譜測量因受地面覆蓋層等的影響，找礦示蹤效果不明顯。因此，文章以松遼盆地開魯坳陷大林地區(qū)鈾礦產(chǎn)地為研究對(duì)象，對(duì)區(qū)內(nèi)地面伽馬能譜測量數(shù)據(jù)進(jìn)行釷歸一化法處理，據(jù)此分析區(qū)內(nèi)鈾元素的分布特征，探討鈾元素的遷移富集與鈾成礦之間的關(guān)系。

1 區(qū)域地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

開魯坳陷位于松遼盆地西南部，是盆地的次級(jí)構(gòu)造單元，為一晚中生代形成的斷坳型沉積坳陷[10]。其西側(cè)為興蒙海西褶皺帶、南側(cè)為內(nèi)蒙古地軸，整體走向?yàn)镹E向。大林鈾礦產(chǎn)區(qū)位于松遼盆地開魯坳陷錢家店凹陷的北東部，屬開魯坳陷與西南隆起區(qū)過渡部位(圖1)。區(qū)內(nèi)沉積蓋層主要為上白堊統(tǒng)姚家組和上白堊統(tǒng)嫩江組(圖2)，其中主要找礦目的層為上白堊統(tǒng)姚家組下段(K2y1)[11]。區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育深切基底的斷裂，鈾礦化與斷裂、深源輝綠巖在空間上密切相關(guān)[12-13]。

圖1 研究區(qū)位置及構(gòu)造單元?jiǎng)澐諪ig.1 Location of study area and interior tectonic units of the Basin

1—上白堊統(tǒng)四方臺(tái)組；2—上白堊統(tǒng)嫩江組；3—上白堊統(tǒng)姚家組；4—下白堊統(tǒng)阜新組；5—輝綠巖；6—海西期花崗巖；7—花崗巖古隆起邊界；8—斷層；9—鈾工業(yè)礦孔；10—鈾礦化孔；11—無礦孔；12—工作區(qū)范圍1—Sifangtai formation of upper Cretaceous;2—Nenjiang formation of upper Cretaceous;3—Yaojia formation of upper Cretaceous;4—Fuxin formation of lower Cretaceous;5—diabase; 6—Hercynian granite;7—boundary of granite palaeo-uplift; 8—fault;9—uranium industrial hole;10—uranium mineralization hole;11—non mineralized hole;12—workspace area圖2 大林地區(qū)構(gòu)造綱要Fig.2 Structural outline map of Dalin area

1.2 地球物理特征

區(qū)內(nèi)地面伽馬能譜測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知(表1)，區(qū)內(nèi)鈾元素、釷元素及鉀元素含量均服從正態(tài)分布。U、Th及K含量總體偏低，且含量相對(duì)比較穩(wěn)定。Th/U的平均值為4.21，但變化區(qū)間較大(0.25～9.29)，表明工作區(qū)內(nèi)鈾元素和釷元素的原始“相對(duì)平衡”狀態(tài)遭到了破壞[14]。

表1 大林地區(qū)鈾、釷、鉀含量及特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2 方法理論依據(jù)

在鈾礦勘查中，伽馬能譜測量因能直接測量鈾、釷、鉀3種放射性元素含量而被廣泛應(yīng)用于硬巖型鈾礦勘查中[15-16]。然而，在中新生代沉積盆地，因地層放射性元素含量偏低，且伽馬能譜測量結(jié)果受多因素的影響，致使伽馬能譜測量結(jié)果鈾異常指示性較弱，嚴(yán)重制約了其作用的發(fā)揮。為了突破這一制約，近幾十年來，核工業(yè)系統(tǒng)在資料解釋方法方面進(jìn)行了大量的探索，有以地質(zhì)資料為基礎(chǔ)的放射性參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析、地層最優(yōu)分割與聚類分析相結(jié)合的統(tǒng)計(jì)分析、變異系數(shù)法、結(jié)構(gòu)邏輯法、釷歸一化法等等。這些方法試圖壓制干擾，分離或突出弱異常信息，突顯深部鈾礦化信息。

在自然界中，放射性元素鈾、釷、鉀的分布受地球化學(xué)條件的影響較大，它們的基本特性是：鈾的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)較活潑，屬于典型的親氧元素。在不同的地球化學(xué)環(huán)境下，6價(jià)鈾和4價(jià)鈾可以相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)在氧化環(huán)境中可形成6價(jià)易溶于水的鈾鹽，以溶液的形式運(yùn)移；但在還原環(huán)境中，6價(jià)鈾通過還原作用轉(zhuǎn)化為4價(jià)鈾而沉淀下來；釷元素形成的化合物性質(zhì)穩(wěn)定，主要以機(jī)械遷移為主，一般不受其他因素干擾；鉀的化學(xué)性質(zhì)與鈉相似，不同環(huán)境形成的鹽類均易遷移。據(jù)鈾、釷、鉀化學(xué)特性的差異可以看出，釷元素可以真實(shí)反映出地層原始狀態(tài)下的元素分布特點(diǎn)。對(duì)于砂巖型鈾礦化，鉀是無效的，而深部的鈾元素或釷元素經(jīng)衰變產(chǎn)生的氡及其子體，可以通過斷裂構(gòu)造提供的向上運(yùn)移的通道，從而使得地表測量出來的鈾元素和釷元素含量增高[17-18]，因此可利用鈾或釷作為指示元素[19]，圈定鈾成礦有利地段。

在地面伽馬能譜測量過程中，鈾、釷、鉀元素的測量結(jié)果受地層巖性、土壤的濕度等因素的影響[20-21]。因此在砂巖型鈾礦勘查中，需壓抑地表干擾信息，突出與礦化有關(guān)的鈾元素的信息，即利用釷元素含量預(yù)測其對(duì)應(yīng)的鈾元素“理想”原始含量值(預(yù)測鈾含量值)。這種預(yù)測鈾含量值與實(shí)測值之差即認(rèn)為是消除了非礦化因素影響，是由成礦作用有關(guān)的因素引起的[22]，也是砂巖型鈾礦預(yù)測的主要放射性預(yù)測要素[23]。

已有研究表明，鈾、釷、鉀3種天然放射性元素是按一定的比例賦存于地層之中，且各元素之間呈正相關(guān)[24]，各地層U、Th之間遵循以下回歸方程：

QUy=AQTh+B，

(1)

QUd=QU-QUy，

(2)

式中：QUy為據(jù)釷含量計(jì)算得到的預(yù)測鈾含量值；A、B為方程的回歸系數(shù)；QUd為已消除非礦化因素干擾，可作為砂巖型鈾礦找礦有用信息的鈾剩差。這種將釷元素含量作為控制因素來確定預(yù)測鈾元素“理想”原始含量，稱之為釷歸一化法。

3 釷歸一化法在大林地區(qū)的應(yīng)用

3.1 方法的實(shí)施

在已有預(yù)處理的大林地區(qū)地面伽馬能譜數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)全區(qū)鈾、釷含量變化的特點(diǎn)，對(duì)全區(qū)所有測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立大林地區(qū)U-Th擬合曲線并得到回歸方程，其擬合方程為：

QUy=0.142QTh+0.517，

(3)

利用式(3)可求得大林地區(qū)各測點(diǎn)預(yù)測鈾含量值。結(jié)合式(2)，可得各測點(diǎn)歸一化鈾剩差值。

3.2 區(qū)域場分析

區(qū)內(nèi)地表均為第四系覆蓋，實(shí)測鈾的含量最低為0.10×10-6，最高含量為3.70×10-6，背景值為1.25×10-6，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.62，變異系數(shù)為49.16%，鈾含量背景值相對(duì)較低，異常暈較多，但規(guī)模較小，多呈橢圓狀、不規(guī)則面狀分布；空間上多集中在研究區(qū)中北部，異常暈分布在西佳木斯以東、后黑坨子—青龍山及愛國屯東側(cè)，異常暈(帶)整體上受NE向構(gòu)造控制，呈NE向展布，位于氧化帶附近(圖3)，反映出區(qū)內(nèi)實(shí)測鈾含量的變化與NE向構(gòu)造及氧化帶存在著較為密切的聯(lián)系。

區(qū)內(nèi)實(shí)測釷的含量最低為0.20×10-6，最高為14.00×10-6，背景值為5.18×10-6，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.60，變異系數(shù)為50.07%，總體較為平穩(wěn)。圖4表明，釷元素分布特征與鈾元素分布特征相似，具有北高南低的特征，異常暈主要分布在研究區(qū)的北部，連續(xù)性較好且面積較大，主要位于NE向構(gòu)造F2和F3兩側(cè)，整體呈近NNE向分布。

1—A號(hào)氧化帶；2—B號(hào)氧化帶；3—氧化水流向；4—正斷層；5—反轉(zhuǎn)斷層；6—鈾工業(yè)礦孔；7—鈾礦化孔1—oxidation zone A; 2—oxidation zone B; 3—flow direction of oxidation water; 4—normal fault; 5—inverted fault; 6—uranium mineralization hole; 7—non mineralized hole圖3 大林地區(qū)實(shí)測鈾含量等值線Fig.3 Contour map of measured uranium content in the Dalin area

1—A號(hào)氧化帶；2—B號(hào)氧化帶；3—氧化水流向；4—正斷層；5—反轉(zhuǎn)斷層；6—鈾工業(yè)礦孔；7—鈾礦化孔1—oxidation zone A; 2—oxidation zone B; 3—flow direction of oxidation water; 4—normal fault; 5—inverted fault; 6—uranium mineralization hole; 7—non mineralized hole圖4 大林地區(qū)實(shí)測釷含量等值線Fig.4 Contour map of measured thorium content in the Dalin area

3.3 釷歸一化處理

利用式(3)，將研究區(qū)內(nèi)地面伽馬能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行釷歸一化處理，求得各測點(diǎn)預(yù)測鈾含量值，預(yù)測鈾含量值最低為0.50×10-6，最高為2.30×10-6，背景值為1.26×10-6，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.37，變異系數(shù)為21.74%。預(yù)測鈾含量空間分布(圖5)表明，預(yù)測鈾含量與實(shí)測鈾含量整體分布相似，也具有北高南低的特征，呈NE向展布，異常暈面積增大，整體呈面狀分布于構(gòu)造及氧化帶兩側(cè)。通過預(yù)測鈾含量與實(shí)測鈾含量異常暈分布情況的對(duì)比，可知區(qū)內(nèi)鈾元素存在遷移富集現(xiàn)象。

為進(jìn)一步了解大林地區(qū)鈾礦化與鈾元素分布的關(guān)系，通過式(2)可求得區(qū)內(nèi)各測點(diǎn)釷歸一化鈾剩差值。區(qū)內(nèi)鈾剩差值最低為-1.97×10-6，最高為2.09×10-6，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.50，變異系數(shù)為-135.86%，鈾剩差變化相對(duì)較大。由圖6可知，鈾剩差異常暈大多分布在工作區(qū)北部的F2和F3斷裂兩側(cè)，受區(qū)內(nèi)氧化帶控制較為明顯。結(jié)合大林地區(qū)目前鉆探查證及地質(zhì)因素等綜合分析，大林地區(qū)鈾礦化主要受控于區(qū)內(nèi)的構(gòu)造及層間氧化作用，大致可推測出有利地段2處(即有利地段Ⅰ和Ⅱ)。其中有利地段Ⅰ位于斷裂F3及愛國屯的東側(cè)，主要受氧化帶B控制。該區(qū)異常暈集主要位于北段，中段有零星異常暈分布，該區(qū)目前已發(fā)現(xiàn)多個(gè)鈾工業(yè)礦孔；有利地段Ⅱ位于斷裂F2和F3之間的青龍山附近，異常暈呈NE向串珠狀展布，局部呈帶狀。該區(qū)為目前大林主礦體所處部位，位于氧化帶A的前鋒線附近，受氧化帶A控制較明顯。通過對(duì)大林地區(qū)鈾剩差異常與大林地區(qū)控礦因素的綜合分析可知，位于氧化帶前鋒線的鈾剩差異常暈區(qū)域極有可能為鈾礦富集區(qū)。

1—A號(hào)氧化帶；2—B號(hào)氧化帶；3—氧化水流向；4—正斷層；5—反轉(zhuǎn)斷層；6—鈾工業(yè)礦孔；7—鈾礦化孔1—oxidation zone A;2—oxidation zone B;3—flow direction of oxidation water;4—normal fault;5—inverted fault;6—uranium mineralization hole;7—non mineralized hole圖5 大林地區(qū)預(yù)測鈾含量等值線Fig.5 Contour map of predicted uranium content in the Dalin area

1—A號(hào)氧化帶；2—B號(hào)氧化帶；3—氧化水流向；4—正斷層；5—反轉(zhuǎn)斷層；6—鈾工業(yè)礦孔；7—鈾礦化孔；8—有利地段及編號(hào)1—oxidation zone A; 2—oxidation zone B; 3—flow direction of oxidation water; 4—normal fault; 5—inverted fault; 6—uranium mineralization hole; 7—non mineralized hole; 8—favorable areas and number圖6 大林地區(qū)鈾剩差等值線Fig.6 Contour map of residual uranium content in the Dalin area

4 鈾找礦有利地段

為了進(jìn)一步研究釷歸一化鈾剩差與深部鈾礦化之間的關(guān)系，通過對(duì)開魯坳陷地面伽馬能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行釷歸一化處理，提取了鈾剩差信息(圖7)。從圖7可知，開魯坳陷鈾剩差異常暈大多呈片狀、串珠狀，異常暈分布較為零散，皆位于區(qū)內(nèi)斷裂及氧化帶附近。異常暈整體呈NE向展布，與區(qū)內(nèi)斷裂及氧化帶走向一致，進(jìn)一步說明鈾異常暈受構(gòu)造及氧化帶控制較為明顯。依據(jù)大林地區(qū)鈾剩差異常暈與斷裂、氧化帶之間的關(guān)系，結(jié)合開魯坳陷已知構(gòu)造及鉆孔控制的推測氧化帶位置，可劃分出有利地段6處。其中已確定的大林地區(qū)有利地段2處，其余4處分別位于二龍山、洋井、西烏蘭花及勝利，均分布于氧化帶前鋒線。其中錢家店Ⅳ塊鈾礦床位于有利地段Ⅲ附近，與斷裂F2毗鄰；錢家店Ⅱ塊鈾礦床位于有利地段Ⅳ附近，與斷裂F1關(guān)系密切。有利地段Ⅴ及Ⅵ均位于斷裂F1西側(cè)，受氧化帶A控制較為明顯。由此可見，鈾剩差異常暈對(duì)鈾礦化信息具有一定的指示作用。

5 結(jié)論

1) 通過對(duì)大林地區(qū)地面伽馬能譜實(shí)測鈾含量、預(yù)測鈾含量及鈾剩差分布特征可知，異常暈與區(qū)內(nèi)深大斷裂關(guān)系密切。因該區(qū)斷裂對(duì)鈾成礦控制作用明顯，故釷歸一化法對(duì)該區(qū)鈾礦勘探具有一定指示作用。

1—A號(hào)氧化帶；2—B號(hào)氧化帶；3—氧化水流向；4—正斷層；5—反轉(zhuǎn)斷層；6—鈾工業(yè)礦孔；7—有利地段及編號(hào)1—oxidation zone A; 2—oxidation zone B; 3—flow direction of oxidation water; 4—normal fault; 5—inverted fault; 6—uranium mineralization hole; 7—favorable areas and number圖7 開魯坳陷鈾剩差Fig.7 Contour map of residual uranium content in Kailu Sub-basin

2) 鈾元素在氧化環(huán)境中易溶解遷移，還原環(huán)境中沉淀富集。對(duì)比鈾剩差異常暈與氧化帶的空間位置關(guān)系，表明鈾剩差異常暈可能位于氧化還原過渡帶。

3) 將鈾剩差異常暈與區(qū)內(nèi)斷裂和氧化帶的空間位置相對(duì)比，圈定有利地段6處。經(jīng)鉆探查證，有利地段Ⅰ和Ⅱ異常暈展布情況與大林地區(qū)主礦體分布相吻合；有利地段Ⅲ、Ⅳ內(nèi)已分別探明了錢家店Ⅳ、Ⅱ塊鈾礦床。

4) 利用地面伽馬能譜經(jīng)釷歸一化法，分析鈾剩差分布特征，結(jié)合區(qū)域控礦因素，在可地浸砂巖型鈾礦找礦中具有一定的指導(dǎo)作用。