巴音戈壁盆地塔木素鈾礦床鈾鐳平衡系數(shù)研究及其地質(zhì)意義

陳 霜，王浩鋒，劉 波，吳麗麗，苗愛生

(核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

在鈾礦勘查工作中，γ測井是極為重要的工作手段。鈾礦體空間定位、礦化品位與礦體厚度解釋、資源儲(chǔ)量估算等，都需通過γ測井來實(shí)現(xiàn)(章曄等，1990)。γ測井找鈾是在鈾鐳平衡的基礎(chǔ)上，通過探測鈾系放射性衰變系列中鐳組的γ輻射強(qiáng)度來完成的(黃隆基，1985)。由于自然界中鈾鐳的化學(xué)活性不同，鈾鐳間的平衡往往被破壞，要想通過γ測井獲得較為真實(shí)的鈾礦化信息，需要對(duì)各種放射性影響因素進(jìn)行修正(張明瑜等，2004)，這就要結(jié)合礦床的地質(zhì)情況來研究鈾鐳平衡系數(shù)。

塔木素鈾礦床是巴音戈壁盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)的特大型鈾礦床。筆者從巖礦石的鈾鐳含量、鈾鐳平衡系數(shù)計(jì)算結(jié)果及其頻譜特征等方面，對(duì)塔木素鈾礦床開展了鈾鐳平衡系數(shù)研究，并結(jié)合成礦地質(zhì)條件，探討了其地質(zhì)意義。

1 礦床地質(zhì)背景

塔木素鈾礦床位于巴音戈壁盆地三級(jí)構(gòu)造單元因格井坳陷北緣斜坡帶(圖1)，北部為宗乃山-沙拉扎山隆起。巴音戈壁盆地是以元古界、古生界為褶皺基底發(fā)育的中新生代疊合盆地，處于中朝克拉通與塔里木克拉通、天山-興安造山系與秦嶺-祁連山-昆侖造山系的交接、縫合地帶。因格井坳陷受區(qū)域構(gòu)造控制，構(gòu)造線方向總體呈北東向，構(gòu)造類型為雙斷式，在剖面上以地塹、箕狀斷塊為特點(diǎn)(圖2)。這些斷裂構(gòu)造控制了因格井坳陷的構(gòu)造演化、沉積體系類型和空間展布，制約了鈾成礦作用(呂錫敏等，2006；陳啟林等，2005；張成勇等，2015；李曉翠等，2014；孫祥等，2020)。

圖1 巴音戈壁盆地構(gòu)造分區(qū)圖Fig.1 Structural zoning map of Bayingebi basin

圖2 研究區(qū)西側(cè)G01剖面構(gòu)造特征模式圖Fig.2 Structure characteristic pattern map of G01 section on the west of study area1.下白堊統(tǒng)巴音戈壁組上段；2.下白堊統(tǒng)巴音戈壁組下段；3.二疊紀(jì)花崗巖；4.侏羅系；5.花崗巖；6.構(gòu)造斷裂

巴音戈壁盆地內(nèi)中新生界構(gòu)成了沉積蓋層的主體，鈾礦化主要賦存于下白堊統(tǒng)巴音戈壁組。研究區(qū)內(nèi)沉積蓋層劃分為下白堊統(tǒng)巴音戈壁組下段、上段和第四系(王俊林，2016),其中巴音戈壁組上段為主要賦礦目的層。

巴音戈壁組上段可分為下、中、上3個(gè)巖段，分屬于3個(gè)體系域(何中波等,2010)。下巖段屬湖侵體系域，為穩(wěn)定湖盆沉積，由深灰色和灰色泥巖組成，多發(fā)育水平層理結(jié)構(gòu)；中巖段屬高位體系域，主要為粗碎屑巖建造，由砂礫巖、中粗砂巖組成，沿河道砂體發(fā)育多層帶狀層間氧化帶；上巖段屬低位體系域，發(fā)育退積型準(zhǔn)層序組，主要由扇三角洲前緣及前三角洲沉積組成，巖性為棕色的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。

研究區(qū)已查明59個(gè)礦層，259個(gè)礦體。礦體類型包括砂巖型、砂泥巖型、后生泥巖型以及同沉積泥巖型，其中前三者與層間氧化作用、有機(jī)質(zhì)和深部流(氣)體作用密切相關(guān)，后者受泥巖的吸附作用成礦。

2 鈾鐳平衡系數(shù)研究

由于鈾的半衰期遠(yuǎn)大于其衰變子體鐳的半衰期，所以在衰變過程中，鈾會(huì)與鐳建立起放射性動(dòng)態(tài)平衡，即單位時(shí)間內(nèi)鈾衰變的原子數(shù)等于鐳及其衰變子體衰變的原子數(shù)，理論上存在下列等式：

λU×NU≈λRa×NRa

(1)

式中，N=L×M/A，λ為衰變常數(shù)，N為原子數(shù)，L為阿伏伽德羅常數(shù)(6.022×1023)，M為質(zhì)量(kg)，A為原子核的質(zhì)量數(shù)(AU=238,ARa=226)。

鈾鐳平衡系數(shù)(KP)是一個(gè)關(guān)鍵的影響因子，它決定了在計(jì)算礦床資源儲(chǔ)量時(shí)是否需要進(jìn)行參數(shù)的修正。鈾鐳平衡系數(shù)定義為表征鈾系中鈾鐳平衡狀態(tài)的物理參數(shù)，常用KP表示(黃隆基，1985)。其結(jié)果可按式(2)計(jì)算：

(2)

式中，QRa為樣品中鐳含量(%)，QU為樣品中鈾含量(%)。由式(2)得知，當(dāng)鈾鐳達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，鈾鐳之間存在固定的比值，即:QRa/QU=3.4×10-7。若KP等于1表示鈾鐳處于平衡,若KP大于1表示偏鐳,KP小于1表示偏鈾。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，把KP=(0.9～1.1)認(rèn)為鈾鐳處于平衡,KP大于1.1認(rèn)為偏鐳,KP小于0.9認(rèn)為偏鈾。

2.1 鈾-鐳樣品采集方法

為了研究鈾礦體中放射性鈾、鐳含量的變化規(guī)律及鈾、鐳放射性平衡與層間氧化帶在空間的配置關(guān)系，確定鈾礦體與圍巖的界線和礦體中鈾鐳平衡規(guī)律，在礦帶內(nèi)工業(yè)鈾礦孔和礦化孔采集鈾、鐳樣，采樣范圍以品位大于等于100×10-6的鈾礦石為主，同時(shí)兼顧品位在50×10-6～100×10-6的貧礦石。樣品測試由核工業(yè)二〇八大隊(duì)分析測試中心完成，使用的儀器為GMX50P4-83型高純鍺多道伽馬能譜儀(美國ORTEC公司)。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)主要為《巖石礦物分析》(尹明等，2011)。

2.2 鈾鐳含量特征

研究區(qū)共測定鈾鐳樣品2 797件，通過整理，剔除廢樣154件(剔除率5.51%)，最終參與計(jì)算鈾鐳平衡系數(shù)的樣品總數(shù)為2 643件。按照砂巖類邊界品位為100×10-6、泥巖類邊界品位為300×10-6來劃分礦石與非礦石。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，礦化巖石樣品1 648件，非礦化巖石樣品995件，具體見表1和圖3。

根據(jù)研究區(qū)礦化與非礦化類巖石樣品鈾、鐳含量的對(duì)比分析表明(表1，圖4)，礦化類巖石鈾更為富集，尤其是砂巖(中砂巖和細(xì)砂巖)、泥巖(粉砂巖和泥巖)中鈾含量明顯高于鐳含量；而非礦化類巖石中，鐳含量普遍高于鈾含量，說明鈾發(fā)生了活化遷出。

表1 研究區(qū)鈾鐳樣品基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Basic parameters of samples in study area

2.3 鈾鐳平衡系數(shù)特征

對(duì)研究區(qū)2 643件樣品的KP(1 648件礦化類、995件非礦化類)用不同方式進(jìn)行計(jì)算，其集中程度和離散程度如表2所示。

綜合表2和圖5發(fā)現(xiàn)，①研究區(qū)礦化類巖石KP算術(shù)平均值、鈾含量和樣長加權(quán)平均值和中位數(shù)近于1；平均絕對(duì)偏差、變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差均小于1；砂巖類(粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖)、泥巖類(粉砂巖、泥巖、泥灰?guī)r)的峰度和偏度值相對(duì)較大，表明礦化類巖石KP集中程度高，變異性較小，說明本礦床鈾鐳趨于平衡。②非礦化類巖石的KP基本大于1，整體表現(xiàn)出偏鐳的趨勢(shì)，尤其是礫巖、細(xì)砂巖偏鐳較明顯。

礦化類巖石與非礦化類巖石鈾鐳平衡系數(shù)的差異，說明在成礦過程中巴音戈壁組上段部分非礦化類巖石發(fā)生了鈾的活化遷出，在礦化巖石中發(fā)生了疊加富集，巴音戈壁組不僅是賦礦層位，還提供了豐富的鈾源。

圖3 研究區(qū)鈾鐳樣品直方圖Fig.3 Histogram of samples in study area

圖4 研究區(qū)礦化類巖石與非礦化類巖石樣品的鈾和鐳含量曲線圖Fig.4 Uranium and radium content curve of mineralized and non-mineralized samples in study area1.礦化巖石平均鈾含量;2.礦化巖石平均鐳含量;3.非礦化巖石平均鈾含量;4.非礦化巖石平均鐳含量

圖5 研究區(qū)礦化類巖石與非礦化類巖石KP結(jié)果圖Fig.5 KP results of mineralized and non-mineralized rocks in study area

計(jì)算鈾含量和樣長加權(quán)鈾鐳平衡系數(shù)平均值(Kpw)的公式為(國家國防科技工業(yè)局，2018)：

(3)

式中，Kpi為第i個(gè)樣品的鈾鐳平衡系數(shù)，Ui為第i個(gè)樣品的鈾含量(%)，Hi為第i個(gè)樣品的長度(m)，i為樣品編號(hào)，n為樣品總數(shù)(件)。

2.4 頻譜特征分析

將礦化類和非礦化類鈾鐳樣品劃分為砂巖型和泥巖型兩類，其中砂巖型包括礫巖、粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖，泥巖型包括粉砂巖、泥巖、泥灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。同時(shí)，分別對(duì)各類型中單個(gè)樣品的Kp進(jìn)行頻譜統(tǒng)計(jì)(圖6)。

圖6a,b顯示，礦化類巖石的Kp結(jié)果呈現(xiàn)正態(tài)分布特征，表明通過算術(shù)平均值法所得Kp(Kp砂巖型=1.05，Kp泥巖型=1.00)與通過樣長與鈾含量加權(quán)平均值法所得Kp(Kp砂巖型=0.97，Kp泥巖型=0.98)計(jì)算結(jié)果相差甚小，基本上可以代表礦體的鈾鐳平衡情況。

圖6c,d顯示，非礦化類巖石的Kp結(jié)果均呈偏態(tài)分布，且具有顯著的集中性特征。通過算術(shù)平均值法所得Kp(Kp砂巖型=2.01，Kp泥巖型=1.25)與通過樣長與鈾含量加權(quán)平均方法所得Kp(Kp砂巖型=1.92，Kp泥巖型=1.20)計(jì)算結(jié)果相差較大且都大于1。這2種方法均反映了礦床非礦化類巖石偏鐳。

因此，研究區(qū)礦化類巖石，鈾鐳趨于平衡，而非礦化類巖石偏鐳。

表2 研究區(qū)礦化和非礦化類巖石KP結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 2 KP results of mineralized and non-mineralized rocks in study area

圖6 研究區(qū)礦化類和非礦化巖石Kp頻譜分析圖Fig.6 Kp spectrum analysis of mineralized and non-mineralized rocks in study areaa.礦化類砂巖型；b.礦化類泥巖型；c.非礦化類砂巖型；d.非礦化類泥巖型;+∞.正無窮

2.5 與鈾(鐳)含量關(guān)系

為了研究礦化類巖石Kp隨鈾含量的變化規(guī)律,繪制了礦化類巖石Kp與其鈾含量散點(diǎn)圖(圖7a,b)。對(duì)于非礦化類巖石，由于鈾元素的活化遷出，鈾含量不能得到真實(shí)反映，故選擇其樣品的鐳含量來繪制散點(diǎn)圖(圖7c,d)。圖7a,b顯示,礦化類巖石中Kp的變化與鈾含量變化未見明顯規(guī)律性；圖7c,d顯示,非礦化類巖石中Kp越大，鐳含量越高。

圖7 研究區(qū)礦化類和非礦化類巖石Kp與其鈾含量散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter diagram of Kp and its uranium content of mineralized and non-mineralized rocks in study area

3 地質(zhì)意義探討

研究區(qū)賦礦目的層巴音戈壁組上段主要物源來自其北西部蝕源區(qū)的二疊紀(jì)花崗巖體。這些巖體的鈾含量為10.02×10-6～50.2×10-6，為富鈾巖體，其風(fēng)化物鈾浸出率高達(dá)30.00%～77.78%(1)許第橋,山科社，曹維起,等,2011.內(nèi)蒙古阿拉善右旗塔木素地區(qū)物探測量報(bào)告[R].。富鈾巖體的蝕源區(qū)在向目的層提供物源的同時(shí)滲入含鈾含氧水，致使目的層不僅具備原生的高鈾含量，同時(shí)存在著鈾的預(yù)富集(丁葉等，2012)。

巴音戈壁組沉積完成后，受造山帶雙向擠壓的影響，巴音戈壁組上段形成了大面積剝蝕天窗。大量含鈾含氧水運(yùn)移到盆地內(nèi)部，受地層“泥-砂-泥”結(jié)構(gòu)影響，含鈾含氧水與砂體內(nèi)部的還原物發(fā)生反應(yīng)，形成鈾礦化。之后，研究區(qū)又經(jīng)歷了3期大規(guī)模的鈾成礦作用(黃澎濤等，2015；肖國賢等，2017；張成勇等，2015；劉波等，2018)：①早白堊世中晚期((109.7±1.5) Ma～(115.5±1.5) Ma)，隨著斷裂活動(dòng)和火山巖噴發(fā)的發(fā)生，盆地北部抬升使含鈾含氧水聚集，在盆地內(nèi)發(fā)生層間氧化。②晚白堊世晚期-古近紀(jì)((45.4±0.6) Ma～(70.9±1.0) Ma)，伴隨著較弱的推覆抬升，盆地內(nèi)發(fā)生弱氧化；受當(dāng)時(shí)古氣候條件的影響，表生高鹽度鹵水滲入，使盆地內(nèi)巴音戈壁組上段裂縫中充填了大量碳酸鹽類；深部有機(jī)流體(還原氣體)在抬升過程中向上運(yùn)移，致使鈾元素被還原。③新近紀(jì)((12.3±0.2) Ma～(2.5±0.0) Ma)，受喜山運(yùn)動(dòng)影響，含鈾含氧水繼續(xù)向盆地內(nèi)運(yùn)移。該時(shí)期氣候干旱，盆地在封閉環(huán)境下發(fā)生強(qiáng)烈的水巖作用，鈣離子替換鈉離子，并與地下水中CO32-和HCO3-形成碳酸鹽。伴隨脫碳酸作用，鈾發(fā)生沉淀富集。

總體來說，研究區(qū)發(fā)生的鈾礦化是沉積物源、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氧化-還原作用、水化學(xué)作用、還原介質(zhì)等共同作用的結(jié)果。

放射性系列達(dá)到平衡的時(shí)間為系列中壽命最長子體的半衰期10倍(李運(yùn)祓等，1978)。鈾系子體中234U的半衰期最長為2.5×105a，因此鈾系達(dá)到平衡的時(shí)間約為250萬a。通過對(duì)塔木素鈾礦床鈾鐳平衡系數(shù)的研究，結(jié)合3期大規(guī)模鈾成礦作用，認(rèn)為本礦床鈾鐳基本處于平衡，非礦化類巖石偏鐳說明鈾礦床破壞程度大于成礦作用，部分鈾被遷出。

4 結(jié)論

(1)塔木素鈾礦床賦礦目的層巴音戈壁組上段不僅具有富鈾背景，也存在鈾的預(yù)富集。

(2)礦化類巖石鈾含量高于鐳含量；而非礦化類巖石中，鐳含量普遍高于鈾含量。礦化類巖石的鈾鐳平衡系數(shù)趨于平衡，且鈾鐳平衡系數(shù)與鈾含量不存在明顯變化規(guī)律；非礦化類巖石的鈾鐳平衡系數(shù)偏鐳，且鈾鐳平衡系數(shù)越大，鐳含量越高。

(3)塔木素鈾礦床基本處于鈾鐳平衡，非礦化類巖石鈾鐳平衡系數(shù)偏鐳說明破壞程度大于成礦作用，部分鈾被遷出。