松遼盆地隱伏砂巖型鈾礦化信息探測方法

李必紅，王勇，吳國東，王東升，朱萬鋒

（核工業(yè)北京地質研究院，北京 100029）

松遼盆地隱伏砂巖型鈾礦資源潛力大，前期已在盆地南部及近盆緣地區(qū)開展了大面積的航空γ 能譜測量［1］，對盆內表生鈾礦及蝕源區(qū)鈾源條件的評價起到了重要作用，但是對隱伏鈾礦的勘查效果不太理想，需要發(fā)展穿透性強的放射性和地球化學方法技術或其組合，構建適宜盆地隱伏鈾礦化信息的探測方法。近些年來，氡及其子體與穿透性地球化學組合探測在準噶爾、二連等沉積盆地的砂巖型鈾礦勘查中得到了應用［2-3］，初步結果表明氡及穿透性地球化學測量是隱伏砂巖型鈾礦勘查的一種可行方法。

1 松遼盆地地質概況

松遼盆地位于中朝準地臺與天山-興安地槽褶皺區(qū)銜接線的北側，是地槽褶皺區(qū)的組成部分［4］。該盆地是我國東北地區(qū)的一個大型中-新生代陸相斷坳復合型盆地，盛產石油、煤、天然氣［5］。盆地基底主要由中深變質巖、淺變質巖和花崗巖組成。蝕源區(qū)巖性為中生代火山巖、海西期和燕山期花崗巖及古生代變質巖［6］。蓋層主要為上侏羅統(tǒng)火石嶺組，下白堊統(tǒng)沙河子組、營城子組、登婁庫組，上白堊統(tǒng)泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組、明水組，古近系依安組，新近系大安組、泰康組和第四系［7］。松遼盆地主要含鈾層位為下白堊統(tǒng)姚家組、青山口組和上白堊統(tǒng)明水組、四方臺組，平面上鈾礦化主要集中分布于南部西南隆起區(qū)和北部的西部斜坡區(qū)，鈾礦化主要產于河流泛濫平原相與河湖三角洲相中，僅有少量鈾礦化（異常）產于濱（淺）湖相中［8］。礦區(qū)內構造主要有北東向、近東西向和北西向幾組斷裂。其中，北東向斷裂是區(qū)域上錢家店深斷裂的次級構造。該斷裂切穿基底，與近東西向斷裂的交匯區(qū)控制了區(qū)內嫩江期之后的基性巖漿（玄武巖和輝綠巖）活動［9］。

2 隱伏砂巖型鈾礦化信息探測方法簡介

鈾礦化信息探測方法主要基于放射性地球物理和地球化學等學科以及學科交叉研究，探測和圈定鈾礦化信息異常區(qū)，為鈾資源遠景區(qū)劃分或鈾礦體定位提供技術支撐。隱伏鈾礦化信息探測方法一般指探測表層中所富集來自隱伏鈾礦化信息的技術。目前常見的方法有：伽馬能譜、氡及其子體、金屬活動態(tài)（或分量化探）、地電化探、地氣等。應用這些方法或方法組合，探測地表淺層土壤中所含的氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)或混合態(tài)物質中鈾礦化相關元素及其計量，通過分析或處理，獲取其中來自隱伏遷移元素的含量或濃度，用以推測和評價隱伏鈾礦化特征和規(guī)律，實現(xiàn)找隱伏礦的目的。

20 世紀60 至70 年代，氡及其子體測量在隱伏鈾礦勘查中迅速發(fā)展，隨后，因222Rn 半衰期僅3.825 天，理論上無法在擴散、對流作用下做幾百米的長距離遷移，出現(xiàn)了異常成因機制觀點分歧，一種是吳慧山提出的“接力傳遞”遷移機制［10］繼續(xù)推崇氡及其子體的測量方法，另一種為Malmqvist 和Kristiansson 提出的地氣測量方法［11］，認為地氣攜帶含礦化信息的納米微粒做長距離遷移。隨著地球化學分析測試水平的提高，土壤及地氣中納米微粒的測量方法不斷迭代更新，20 世紀90 年代，學者們將土壤金屬活動態(tài)測量、地電化學測量、地氣測量等方法統(tǒng)稱為深穿透地球化學方法，近年來，部分學者將其稱為穿透性地球化學方法。這些方法的主要目的是提取來自隱伏礦層的納米微粒物質，預測評價隱伏礦產資源。

針對松遼盆地地質、地形地貌特征，筆者通過已知礦區(qū)的試驗結果，選擇“活性炭吸附測氡＋元素活動態(tài)＋地氣”組合探測方法，為確保數(shù)據(jù)同源及高效采集，每個測點取樣深度統(tǒng)一為50 cm，先地氣樣品采集，再取土壤樣品，后埋置活性炭吸附測氡器。

2.1 活性炭吸附測氡

活性炭吸附測氡是采用裝有活性炭的裝置吸附土壤中氡氣，通過測量被活性炭吸附的氡及其子體衰變產生的α 粒子、β 射線、γ 射線，利用測量系統(tǒng)檢定數(shù)據(jù)，換算成土壤氡濃度，根據(jù)氡濃度分布特征及異常模式，圈定土壤氡異常區(qū)，實現(xiàn)找礦的目的。該方法具有數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好、攻深能力強和靈敏度高的優(yōu)點，是砂巖型鈾礦找礦常用的放射性地球物理方法。

本次采用累積式活性炭吸附測氡方法，測量儀器為國產HD-2003 型活性炭吸附測氡儀，設置儀器測量時間為1 分鐘，每個樣品測量次數(shù)為3 次，取平均值，活性炭吸附器埋置時間為6 天。

2.2 穿透性地球化學方法

表征隱伏鈾礦的微量元素以固、液、氣態(tài)賦存于地表土壤和地氣中，采用元素活動態(tài)測量和地氣測量兩種方法，分別探測土壤和地氣中微量元素含量。本次元素活動態(tài)測量是在金屬活動態(tài)提?。?2-14］基礎上，采用對鈾及其伴生元素具有較好提取效果的專屬提取劑對土壤中活動態(tài)鈾及其伴生元素進一步提取。地氣測量指利用捕集裝置收集土壤中的氣體，通過分析測試地氣中元素的含量，獲取來源于隱伏礦層納米微粒元素含量，分析其地球化學特征，發(fā)現(xiàn)和圈定成礦有利的地球化學異常，進行隱伏礦產探測，地氣測量是基于微氣泡流通過礦體時能夠將礦體的微量組分攜帶至地表，其實質是對氣體所攜帶的金屬元素的測量［15-17］。筆者采用中國地質科學院地球物理與地球化學勘查研究所研制的地氣測量方法，主要是采用微孔濾膜的過濾器，通過人工抽氣的方式，捕集地氣中所含納米級地球化學元素微粒。

3 隱伏砂巖型鈾礦化信息識別技術

3.1 隱伏砂巖型鈾礦化信息異常特征

我國北方砂巖型鈾礦表征氡及其子體異常大多為礦體正上方土壤氡濃度相對低，礦端相對高的異常特征［18］。剖面曲線上為“雙峰”或“兩高夾一低”等異常特征，在平面上為“環(huán)狀”異常特征。通過在松遼盆地寶龍山、大林、海力錦等已知砂巖型鈾礦區(qū)實施的活性炭吸附測氡、元素活動態(tài)、地氣三種測量方法的勘查實踐，分析礦區(qū)各剖面測線土壤氡濃度、活動態(tài)鈾含量及地氣鈾含量實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果及剖面曲線圖，發(fā)現(xiàn)活動態(tài)鈾含量及地氣中鈾含量也呈現(xiàn)上述土壤氡濃度類似的表征異常特征（表1、圖1）。因為氡是鈾的衰變系列核素鐳的子體，砂巖型鈾礦體上方表層土壤中氡濃度、活動態(tài)鈾含量以及地氣中鈾含量都部分來源于隱伏鈾礦，具有同源性，即“同族同源”。這種異常特征在剖面上表現(xiàn)為礦體兩端高值夾持的相對低值區(qū)，并向外逐漸變?yōu)檎鎏卣鳎辉谄矫嫔媳憩F(xiàn)為高值暈圈環(huán)繞的相對低值區(qū)，并向外圍逐漸變?yōu)檎龅摹碍h(huán)狀”異常特征。

表1 寶龍山礦區(qū)剖面測線氡及深穿透地球化學實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Statistic data on U and Mo content of radon and penetrating geochemical survey

圖1 寶龍山砂巖型鈾礦區(qū)土壤氡濃度剖面曲線圖Fig.1 Soil radon concentration profile and geological section of Baolongshan sandstone type uranium deposit

3.2 氡及穿透性地球化學異常找礦模式

構建鈾礦化信息異常找礦模式有利于提高直接信息找礦效率，鈾礦化信息異常與鈾礦體或礦床存在空間對應關系。表生或淺層砂巖型鈾礦對應表征氡及地球化學鈾異常，理論上鈾礦體與穿透性地球化學識別的鈾異常也是這種關系。松遼盆地已知鈾礦區(qū)勘查實踐表明，穿透性地球化學提取的鈾異常大多數(shù)在礦體的邊緣，在礦體正上方呈現(xiàn)相對低或微弱異常，這種異常特征與氡異常特征一致，筆者將隱伏砂巖型鈾礦氡及穿透性地球化學異常找礦模式歸納為以下兩種。

3.2.1 上置異常找礦模式

上置異常找礦模式是指異常位于礦體、礦化體或異常源正上方，緊靠其上或有一定空間距離的次生異常。上置異常在剖面上呈單峰或連續(xù)跳躍式異常（圖2a），在實測平面等值線圖上呈礦體正上方的圈閉地球化學異常，在空間上是從礦體向地表強度逐漸減弱的異常分布模式，這種異常通常是表生或淺層鈾礦引起，也可能由深部鈾及其伴生元素納米微粒垂直遷移引起。鈾（含衰變子體）及其伴生元素借助擴散、對流、水溶解和地氣流等遷移營力或載體不斷向地表遷移富集，形成異常。對于厚層覆蓋的干旱地區(qū)，地氣流遷移可能起到主導作用。組成地氣的微氣泡流可以穿過微裂隙、巖石或礦物間隙，甚至大分子間隙以不受阻礙的垂直方式遷移，它所攜帶超微細金屬也隨同一起遷移，在礦體上方出現(xiàn)連續(xù)的異常。

3.2.2 邊緣異常找礦模式

邊緣異常是指在礦體的邊緣呈現(xiàn)異常，異常特征是“雙峰”異常（圖2a）或單峰異常（圖2b），單峰異常往往呈現(xiàn)單峰和弱異常組合特征。異常找礦模式是邊緣異常及其所夾持的區(qū)段為找礦有利地段。針對砂巖型鈾礦，一般靠近蝕源區(qū)的異常強度大于礦體另一側異常強度。這種異常找礦模式的解釋有兩種，一種是在自然電場力作用下的遷移；另一種解釋是隨地氣流遷移，沿礦體邊緣往往是蝕變的減弱部位或由于構造裂隙的存在形成有利于氣體運行的通道，所以氣體沿此部位的流量較大，地氣及其所攜帶的鈾及多金屬元素納米微粒量相對較多，沿礦體邊緣出現(xiàn)異常峰值。

圖2 松遼盆地砂巖型鈾礦氡及穿透性地球化學異常找礦模式示意圖Fig.2 Schematic exploration diagram of radon anomaly from penetrating survey for sandstone-type uranium deposit in Songliao basin

3.3 隱伏砂巖型鈾礦化異常

穿透性地球化學勘查的目的是最大限度地直接探測來自隱伏的礦化信息，但由于數(shù)據(jù)采集或分析的原因，獲取的實測數(shù)據(jù)仍含有表生等干擾信息，需要對實測數(shù)據(jù)深挖細挑，獲取更準確的隱伏鈾礦化信息。筆者在相關分析的基礎上提出穿透性地球化學元素類相關分析方法。

3.3.1 類相關系數(shù)技術簡介

成礦元素及其伴生元素在礦體覆蓋層遷移賦存的過程中因地質、地球化學、水文等條件可能發(fā)生分異，導致表征異常分離。類相關分析是根據(jù)成礦元素或其主要伴生元素與其他相關元素的相關系數(shù)高低進行元素分類，形成一個或多個組合元素集，按如下公式（1）分別對組合元素集數(shù)據(jù)處理，將處理后的數(shù)據(jù)按平均值加3 倍均方差的計算方法確定異常下限，劃分元素活動態(tài)及地氣鈾類和鉬類異常區(qū)，然后根據(jù)鈾類和鉬類異常區(qū)的疊合、套合區(qū)，判斷隱伏鈾礦找礦遠景區(qū)。

式中：CEij—地球化學類中各元素含量，10-9；rij—相關系數(shù)；VCA—類相關系數(shù)分值。

3.3.2 類相關系數(shù)分析在寶龍山礦區(qū)應用效果

寶龍山鈾礦產于姚家組（K2y）灰色砂體中，已揭露礦體埋深約280～360 m，礦體上覆蓋嫩江組（K2n）灰色、灰黑色泥質粉砂巖、泥巖及第四系黏土。分布在礦體的兩端北東向斷裂（F2、F3）及泥巖和輝綠巖（βμ）層是影響氡及穿透性地球化學遷移的重要因素。在礦體的西北端斷裂位置及東南端斷裂附近形成兩處明顯的氡和活動態(tài)鈾異常，礦體范圍內表征氡、穿透性鈾為低值區(qū)，僅地氣鈾存在強度較低的弱異常，在兩個斷裂之間礦體范圍內鉬異常明顯，這種異常對鈾礦預測有較大的多解性，不利于找礦靶區(qū)準確預測，為此，采用穿透性地球化學元素類相關分析技術進行數(shù)據(jù)處理，提高異常與礦體吻合度。根據(jù)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計（表2、表3），寶龍山礦區(qū)地氣及活動態(tài)鈾含量分別為平均2.66×10-9和79.6×10-9，鉬含量 平均為6.94×10-9和87.3×10-9，地氣和活動態(tài)鈾和鉬相關系數(shù)分別為0.004 和0.13，活動態(tài)鈾和鉬相關系數(shù)偏低說明兩者在隱伏鈾礦覆蓋層的遷移和賦存過程中發(fā)生了分異。根據(jù)相關系數(shù)，將鈾礦化相關元素分為鈾和鉬兩個地球化學類。地氣鈾類元素包括：U-Th-Pb，地氣鉬類包括：Mo-V-Bi-Se，元素活動態(tài)鈾類元素包括：U-Th-V-Pb-Y，元素活動態(tài)鉬類元素包括：Mo-Re-Se。應用穿透性地球化學類相關分析提取技術，形成寶龍山礦區(qū)鈾類和鉬類相關分析提取分值異常區(qū)，從處理結果看（圖3），在礦體范圍內鈾類、鉬類套合、疊合異常明顯，異常與鈾礦體吻合度明顯提高，處理后的異常更有利于圈定隱伏砂巖型鈾礦異常遠景區(qū)。應用結果表明穿透性地球化學元素類相關分析技術對砂巖型鈾礦地球化學勘查數(shù)據(jù)解釋具有較好的應用效果。

圖3 寶龍山礦區(qū)氡及穿透性地球化學異常綜合圖Fig.3 Comprehensive anomaly of soil radon and penetrating geochemical survey at Baolongshan metallization area

表2 元素活動態(tài)和地氣鈾、鉬含量數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 2 statistics on U and Mo content of element activity and geogas survey

表3 地氣及活動態(tài)元素相關系數(shù)Table 3 Correlation coefficient of element activity and geogas survey

4 結論

1）隱伏砂巖型鈾礦表征氡、活動態(tài)鈾及地氣中鈾異常特征基本一致，異常特征在剖面上表現(xiàn)為礦體兩端高值夾持的相對低值區(qū)，并向外逐漸變?yōu)檎龅摹半p峰”異常；在平面上表現(xiàn)為高值暈圈環(huán)繞的相對低值區(qū)，并向外圍逐漸變?yōu)檎龅摹碍h(huán)狀”異常。

2）總結歸納出兩種隱伏砂巖型鈾礦氡及穿透性地球化學找礦模式，一種是上置異常找礦模式，這是典型的地表或淺層鈾礦異常找礦模式；另一種是邊緣異常找礦模式，典型的為“雙峰”異常。

3）應用效果表明，穿透性地球化學元素類相關分析是一種隱伏鈾礦勘查遠景區(qū)圈定的有效數(shù)據(jù)處理技術。