伽馬能譜法在巴丹吉林盆地周緣鈾礦勘查中的應(yīng)用

趙偉清，王青春

河北地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050031

鈾資源是一種極其重要和敏感的戰(zhàn)略資源和能源礦產(chǎn)，在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有雙重地位[1]，因此做好鈾礦勘查物探工作對(duì)于保障我國(guó)日益增長(zhǎng)的核燃料需求意義重大[2]。巴丹吉林盆地屬于中國(guó)北西部中新生代盆地劃分的5個(gè)砂巖鈾礦成礦區(qū)之一，砂巖型鈾礦的礦床具有品位低、礦床規(guī)模大、可原地浸出、經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，是我國(guó)當(dāng)前大力尋找的工業(yè)礦床類型[3-4]。地面伽馬能譜測(cè)量方法是一種常用的鈾礦勘查方法，可用于勘查的各個(gè)階段，該法是地球物理勘查方法和地球化學(xué)勘查方法的巧妙結(jié)合，其作用也日益增高。本文通過使用伽馬能譜法對(duì)巴丹吉林盆地周緣成礦有利區(qū)開展鈾礦勘查和能譜剖面測(cè)量工作，采用不同的數(shù)據(jù)處理方法，并對(duì)高值異常進(jìn)行分析，提升該法的找礦效果。

1 地質(zhì)背景

巴達(dá)吉林盆地位于華北板塊、西伯利亞板塊與哈薩克斯坦板塊平臺(tái)的交匯處，被恩格爾烏蘇－巴音查干縫合線橫穿其中，將其分為兩部分，縫合線以北地區(qū)由西伯利亞板塊和哈薩克斯坦板塊組成，而華北板塊位于南部。巴丹吉林盆地構(gòu)造相對(duì)比較復(fù)雜，因其大部分地區(qū)處于內(nèi)蒙－大興安嶺古生代褶皺帶上，巖漿活動(dòng)比較活躍[5]。

巴丹吉林盆地區(qū)域地層簡(jiǎn)單，主要地層為古元古代、石炭系、二疊系、中侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)和第四系等。該盆地基底主要是古生界和巖漿巖，且?guī)r漿巖的分布也比較分散，多為海西期酸性侵入巖。區(qū)域構(gòu)造背景復(fù)雜，盆地周緣發(fā)育多條斷裂帶，這些斷裂帶在中生代開始影響盆地的發(fā)育，因此，巴丹吉林盆地是屬于中生代兩期沉積的復(fù)合型疊置盆地[6-8]（圖1）。

圖1 巴丹吉林盆地大地構(gòu)造位置圖[7]Fig.1 Tectonic location map of Badain Jaran Basin[7]

2 工作方法及數(shù)據(jù)處理

2.1 伽馬能譜測(cè)量原理

伽馬能譜測(cè)量方法的應(yīng)用原理，主要是依靠鈾（U）、釷（Th）和鉀（K）等放射性元素在不同地區(qū)或環(huán)境下含量的變化規(guī)律來應(yīng)用于地質(zhì)找礦工作中。地殼中的鈾（U）容易被氧化，常以離子形態(tài)存在與巖體中，所以具有活躍的遷移性；鉀（K）和鈾（U）一樣是化學(xué)性質(zhì)比較活潑的元素，所以也很容易發(fā)生遷移，基本上，有鈾（U）元素異常的地區(qū)的鉀（K）元素百分比含量不會(huì)太低；釷（Th）在放射性元素中相對(duì)穩(wěn)定，形態(tài)變化不大故幾乎不遷移[9]。這些放射性元素的遷移和聚集的結(jié)果就是鈾礦和釷礦的形成。真正的U含量異常，除了有較高的U含量外，還應(yīng)有U/K和U/Th的值都大于1[10]。除此之外，還有一些數(shù)據(jù)處理的參數(shù)對(duì)找礦也有很好的指示作用，如U含量的方差、均方差、鈾富集系數(shù)、變異系數(shù)等[11-14]。

作為一種結(jié)合地球物理勘查方法和地球化學(xué)勘查方法的伽馬能譜測(cè)量，它的應(yīng)用原理除了放射性元素的特征能量以外，還有放射性元素在不同地質(zhì)體中的種類、數(shù)量存在相應(yīng)的差異[15-16]。不同類型的巖石在成因、產(chǎn)狀等方面本就存在許多不同，所以不同巖石中鈾（U）、釷（Th）和鉀（K）的含量也不一樣。在巖漿巖中當(dāng)二氧化硅的含量升高時(shí)，鈾、釷和鉀的含量也隨著增加[17]；在沉積巖中放射性元素含量比巖漿巖、變質(zhì)巖低，含量通常反應(yīng)母巖的化學(xué)性質(zhì)[18]；原巖成分和變質(zhì)程度是影響變質(zhì)巖中U、Th、K含量主要原因，尤其是變質(zhì)程度，一般來說變質(zhì)程度的高低與放射性元素的含量呈反比；土壤中放射性元素含量由風(fēng)化基巖中的含量決定[19]。斷裂等構(gòu)造位置容易發(fā)現(xiàn)鈾礦異常，因?yàn)榉派湫栽氐倪\(yùn)移離不開斷裂為它提供的溝通和聯(lián)結(jié)的通道。同時(shí)這些通道也是巖漿熱液活動(dòng)有利地段，所以熱液與圍巖的接觸帶上往往形成各種蝕變，這些蝕變位置也是經(jīng)常用來尋找放射性異常的目標(biāo)部位[20]。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

通過野外路線地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)—能譜剖面測(cè)量等方法，獲得各剖面的伽馬能譜數(shù)據(jù)，測(cè)制方法采用半儀器法。由地質(zhì)人員直接測(cè)制，以羅盤測(cè)量導(dǎo)線方位角和坡度角，以測(cè)繩丈量斜距，配合以ARD-0311伽瑪能譜儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)制比例尺按1∶2 000進(jìn)行，礦化異常地段加密控制。剖面制圖采用投影法，使用儀器為ARD便攜式伽瑪能譜儀儀器分辨率≤7.5%，能量范圍40 KeV～3 MeV。各剖面位置如圖2所示。

圖2 巴丹吉林盆地能譜剖面位置圖Fig.2 Location map of energy spectrum profile in Badain Jaran Basin

根據(jù)工作區(qū)γ能譜的U異常值下限約為7×10-6（當(dāng)量鈾含量：區(qū)域平均值：=2.44×10-6，均方差=1.47×10-6）[21]，對(duì)放射性物探所測(cè)數(shù)據(jù)按剖面統(tǒng)計(jì)含量的算術(shù)平均值方差（s）、均方差（σ）、U/Th、K/Th等，再將各剖面伽馬能譜測(cè)量的原始數(shù)據(jù)和地質(zhì)記錄經(jīng)過處理后繪制地質(zhì)—能譜綜合剖面圖，分析剖面圖特征，總結(jié)變化規(guī)律。

3 結(jié)果與討論

對(duì)研究區(qū)各剖面伽馬能譜測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果見表1。

表1 巴丹吉林盆地伽馬能譜測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1 Gamma spectrum measurement data of Badain Jaran Basin

為了進(jìn)一步分析研究區(qū)的放射性元素異常情況，分別繪制四個(gè)剖面的U、Th、K及總量（Ur）的數(shù)據(jù)折線圖（圖3）。

如圖3（a）所示，從數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以看出雅布賴山北緣剖面存在伽馬能譜U異常和Th異常，并且通過雅布賴山北緣伽馬能譜數(shù)據(jù)折線圖能準(zhǔn)確反映礦化點(diǎn)位置，從而發(fā)現(xiàn)了海西中晚期黑云母花崗巖中的石英脈礦化點(diǎn)，說明伽馬能譜法在鈾礦勘查過程中具有有效性和準(zhǔn)確性，值得進(jìn)一步研究和應(yīng)用。圖3（b）紅柳溝伽馬能譜數(shù)據(jù)圖中的U、Th、K和TC值變化幅度是最小的，圖3（c）孟根地區(qū)伽馬能譜數(shù)據(jù)圖次之，兩剖面中均未見明顯的放射性異常。圖3（d）葦坑泉伽馬能譜數(shù)據(jù)圖中300 m右側(cè)有一異常點(diǎn)，該點(diǎn)U、Th、TC值都有大幅短程增高。該剖面鈾當(dāng)量偏高點(diǎn)：伽瑪能譜鈾含量11.4×10-6，伽瑪能譜釷含量25.3×10-6，位置與能譜數(shù)據(jù)圖結(jié)果一致。葦坑泉剖面中部構(gòu)造破碎帶中發(fā)現(xiàn)的這一鈾偏高點(diǎn)，同樣驗(yàn)證了放射性元素在構(gòu)造位置的分布規(guī)律，即多分布在斷裂位置和巖漿與圍巖接觸的蝕變位置。

圖3 巴丹吉林盆地能譜剖面數(shù)據(jù)折線圖Fig.3 Brokline diagram of energy spectrum profile data in Badain Jaran Basin

由此可見，U、Th、K和TC值在礦化帶位置都表現(xiàn)為高值異常，每個(gè)參數(shù)結(jié)果都基本一致，但有些礦化帶位置的U/Th值并沒有太大變化。伽馬能譜法的多道性比伽馬總量測(cè)量更優(yōu)越，可以清晰分辨出鈾、釷、鉀等元素引起的異常，從而為鈾礦勘查提供更具體、精確的資料。因此在研究區(qū)此法勘查鈾礦過程中，伽馬能譜數(shù)據(jù)處理應(yīng)優(yōu)先考慮單元素參數(shù)（U、Th、K）。

再以孟根地區(qū)剖面和雅布賴山北緣剖面為例，制作分析地質(zhì)能譜剖面圖特征，如圖4、圖5所示。孟根地區(qū)剖面主要出露地層為下白堊統(tǒng)廟溝群，巖性主要以棕色—暗棕色砂質(zhì)礫巖、泥質(zhì)礫巖、淺黃色粗、中砂巖夾泥巖層。其余為第四系（Q）松散砂礫、砂土。目的層（K11mg1）發(fā)育砂體4層，巖性為灰白色、淺黃色中—細(xì)砂巖，粗砂巖，成分以長(zhǎng)石、石英、巖屑組成，巖屑以花崗巖、變質(zhì)巖為主，砂體分選中等—好，次棱角狀。為一套河流相沉積，砂體蝕變較強(qiáng)，泥—砂—泥結(jié)構(gòu)發(fā)育，具備層間氧化鈾成礦的基本條件。剖面中未見明顯的放射性異常，其中淺黃色、灰白色砂巖層伽瑪能譜鈾含量一般為（1.7～1.9）×10-6；泥巖層伽瑪能譜鈾含量一般為（2.9～4.2）× 10-6。

圖4 巴丹吉林盆地孟根地區(qū)地質(zhì)伽馬能譜剖面圖Fig.4 Geological gamma ray spectrum profile of Menggen area，Badain Jaran Basin

圖5 巴丹吉林盆地雅布賴北緣地質(zhì)伽馬能譜剖面圖Fig.5 Geological gamma ray spectrum profile of the northern margin of Yabulai，Badain Jaran Basin

雅布賴山北緣剖面穿越地層由老到新分別為：海西中晚期黑云母花崗巖（γ42）、后期侵入偉晶巖（γρ），晚期侵入石英脈（q）。該剖面?zhèn)ゾr蝕變巖脈中見兩段和一處放射性異常，第一段：伽瑪能譜鈾含量為（22.8～61.1）×10-6，伽瑪能譜釷含量為（38.6～760.2）×10-6，厚度約2 m；一處：伽瑪能譜鈾含量307.8×10-6，伽瑪能譜釷含量157.2×10-6，單測(cè)點(diǎn)控制；第二段：伽瑪能譜鈾含量為（80.4～983.6）×10-6，伽瑪能譜釷含量為（72.3～1 933.2）×10-6，厚度約為6.9 m；礦化異常位于淺肉紅色蝕變偉晶巖內(nèi)接觸帶中。黑云母花崗巖主要分布在露頭兩側(cè)及上部，靠近中間偏下部位是后期侵入形成的淺乳白色偉晶巖脈，石英脈形成時(shí)間最晚，從底部灌入偉晶巖脈中。在偉晶巖脈和石英脈接觸帶附近發(fā)育較為強(qiáng)烈的鉀長(zhǎng)石化、赤鐵礦化、等蝕變作用以及次生褐鐵礦化、鈾礦化主要賦存在蝕變偉晶巖中，礦化蝕變帶寬度1～3 m，長(zhǎng)約50 m。雅布賴北山大面積分布海西中晚期花崗巖，受北緣查干楚魯斷裂影響，晚期相繼侵入偉晶巖脈、石英脈體，形成不同期次的巖體接觸關(guān)系，是雅布賴山北緣剖面中的鈾礦化點(diǎn)的主要成因。

4 結(jié)論

（1）U、Th、K和TC值在礦化帶位置都表現(xiàn)為高值異常，所有參數(shù)結(jié)果都基本一致。由于U異常部分一般伴隨有Th異常，礦化帶U/Th值的變化可能并不明顯，所以在伽馬能譜數(shù)據(jù)處理選擇參數(shù)時(shí)單元素參數(shù)（U、Th、K）的處理效果明顯好于比值參數(shù)（U/Th、K/Th）的處理效果。

（2）使用伽馬能譜測(cè)量方法在勘查中發(fā)現(xiàn)了海西中晚期黑云母花崗巖中的石英脈礦化點(diǎn)，證明此法的實(shí)用性和有效性，值得進(jìn)一步使用并總結(jié)勘查模式，應(yīng)用于今后的鈾礦勘查工作中。

（3）斷裂為放射性元素的運(yùn)移提供了通道，同時(shí)這些通道也是巖漿熱液活動(dòng)有利地段，因此放射性元素多分布在斷裂位置和巖漿與圍巖接觸的蝕變位置，對(duì)礦化點(diǎn)的分析驗(yàn)證了這一規(guī)律的有效性，表明其可為放射性元素勘查起到指示作用。