伊犁盆地闊斯加爾地區(qū)西山窯組上段鈾鐳平衡系數(shù)特征及其地質(zhì)意義

苗辰若

(核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830011)

在鈾礦勘探工作中，γ測(cè)井解釋成果是鈾資源估算的重要基礎(chǔ)資料，鈾鐳平衡系數(shù)是修正γ測(cè)井解釋的重要參數(shù)。γ測(cè)井的實(shí)質(zhì)是通過探測(cè)238U衰變子體226Ra及子體產(chǎn)生的γ放射性強(qiáng)度，間接評(píng)估鈾-鐳處于平衡狀態(tài)下的鈾含量(李強(qiáng)等，2016；張青海，2018；封志兵等，2021；李巨初等，2011；章曄等，1990；夏彧等，2018a；秦臻等，2020)。由于地浸砂巖型鈾礦形成過程中，以含礦砂體具有良好的滲透性為前提，廣泛分布著溶解-沉淀作用，鈾及其衰變子體往往產(chǎn)生空間分離，出現(xiàn)鈾鐳平衡被破壞的現(xiàn)象(黃建國(guó)，2017)。因此，準(zhǔn)確分析與研究礦層鈾鐳平衡系數(shù)特征，了解礦層鈾鐳平衡狀態(tài)，對(duì)于了解礦層鈾的遷移和富集特征、鈾礦床資源量修正等問題具有重要意義。

伊犁盆地南緣是我國(guó)天然鈾的重要礦產(chǎn)區(qū)，闊斯加爾位于伊犁盆地南緣中西段，毗鄰烏庫(kù)爾其鈾礦床，具有較大的鈾礦資源潛力(邱余波等，2015；李勇等，2020)。筆者以闊斯加爾地區(qū)西山窯組上段為例，通過對(duì)礦層鈾鐳的測(cè)定分析和計(jì)算研究，闡明該礦層的鈾鐳平衡系數(shù)特征及其地質(zhì)意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

伊犁盆地屬于天山造山帶中的伊犁-中天山微地塊，是在塔里木板塊和哈薩克斯坦板塊的南北對(duì)沖擠壓應(yīng)力作用下形成的大型內(nèi)陸山間坳陷盆地(張國(guó)偉等，1999；廖世南，1992)。闊斯加爾位于伊犁盆地南部斜坡帶中段(圖1)，構(gòu)造形態(tài)主要形成于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，為次級(jí)微隆起區(qū)，稱烏庫(kù)爾其微凸起(1)核工業(yè)二一六大隊(duì),2005.新疆察布查爾縣烏庫(kù)爾其鈾礦床勘探地質(zhì)報(bào)告[R].。闊斯加爾地區(qū)蓋層從上至下依次為第四系、新近系、中侏羅統(tǒng)頭屯河組、中下侏羅統(tǒng)水西溝群，基底為下二疊統(tǒng)中酸性火山碎屑巖。水西溝群自下而上劃分為八道灣組、三工河組和西山窯組，有7個(gè)沉積旋回(Ⅰ～Ⅶ)，其中鈾礦體主要賦存于西山窯組下段和上段砂體中。西山窯組厚度約170 m，沉積相及巖性見圖2。

圖1 伊犁盆地闊斯加爾地區(qū)大地構(gòu)造位置Fig.1 Tectonic location of Kuosijiaer area of Yili basin

在闊斯加爾地區(qū)施工的多個(gè)鉆孔均揭露到工業(yè)鈾礦體，鈾礦體主要賦存于西山窯組上段(Ⅶ)，在西山窯組下亞段(Ⅴ22)少數(shù)鉆孔發(fā)現(xiàn)工業(yè)鈾礦化。經(jīng)多鉆孔剖面對(duì)比，地層呈多期次旋回，見多層泥巖夾層，單旋回砂體厚度穩(wěn)定，呈正韻律展布，發(fā)育有利于砂巖型鈾礦形成的“泥-砂-泥”層間氧化帶結(jié)構(gòu)。各含礦砂體除局部地段因隔水層缺失砂體合并外，基本相對(duì)獨(dú)立發(fā)育，在空間形態(tài)上呈層狀或帶狀、透鏡狀產(chǎn)出。研究區(qū)含礦地層巖性以含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖為主，少量為細(xì)砂巖。礫石含量整體偏低，巖性結(jié)構(gòu)疏松，為含鈾流體能夠不斷運(yùn)移提供良好通道，另含礦段下部為灰色砂巖為主的還原環(huán)境，內(nèi)有有機(jī)質(zhì)富集形成的還原障，有利于鈾礦體的形成(夏彧等，2018b)。

2 鈾鐳樣品采集與分析方法

2.1 樣品采集

本次鈾鐳樣品均采集于鉆孔γ測(cè)井異常段，且依照《鈾鐳平衡系數(shù)測(cè)量規(guī)程》(國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局，2018)和《地浸砂巖型鈾礦取樣規(guī)范》(國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),2002)要求與方法進(jìn)行取樣：

①用于測(cè)定的鈾鐳平衡系數(shù)樣品在研究區(qū)地域分布上應(yīng)有代表性，樣品數(shù)量大于等于200個(gè)；樣品編錄測(cè)值峰型與γ測(cè)井礦段峰型相符，位置相互對(duì)應(yīng)。

②樣品礦段取芯率≥75%；取樣封邊礦段樣品鈾含量≥0.01%。

③樣品巖芯表面要清洗干凈，采用劈半法連續(xù)取樣，對(duì)于巖芯破碎地段應(yīng)均勻揀塊取樣，樣品長(zhǎng)度一般為0.1～0.2 m為宜。

經(jīng)樣品統(tǒng)計(jì)，滿足采集要求并參與計(jì)算的鈾鐳樣品共217件，均位于西山窯組上段(J2x3)，樣品取樣位置分布詳見圖3，樣品巖性為中砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖、砂礫巖(圖4)。

2.2 分析方法及結(jié)果

樣品測(cè)定由核工業(yè)二一六大隊(duì)檢測(cè)研究院分析測(cè)試中心完成，鈾、鐳含量均采用γ閃爍法(中華人民共和國(guó)核工業(yè)部,1986)測(cè)定，鈾鐳自動(dòng)分析儀器型號(hào)為ZXB-Ⅱ(核工業(yè)203研究所制)，檢出限均為0.001%。表1為研究區(qū)滿足鈾鐳平衡系數(shù)計(jì)算要求的217件樣品分析結(jié)果，可以看出鈾鐳樣品均為滲透性好的中粗砂巖，其鈾含量與鐳含量分析結(jié)果大多不同，說明闊斯加爾地區(qū)西山窯組上段層段鈾鐳平衡遭到破壞。

3 鈾鐳平衡系數(shù)特征

3.1 鈾鐳平衡系數(shù)的計(jì)算

依據(jù)《鈾鐳平衡系數(shù)測(cè)量規(guī)程》(國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局，2018)，鈾鐳平衡系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

圖2 闊斯加爾地區(qū)西山窯組柱狀圖Fig.2 Histogram of Xishanyao Formation in Kuosijiaer area1.含礫砂巖；2.砂巖；3.泥巖；4.煤層

式中：Kp,i是以單樣品鈾、鐳米百分?jǐn)?shù)之和的比值，確定單樣品的鈾鐳平衡系數(shù)，無量綱；Kp,d為以礦段樣品鈾、鐳米百分?jǐn)?shù)之和的比值，確定礦段的鈾鐳平衡系數(shù)；Kp為以樣品鈾的米百分?jǐn)?shù)為權(quán)，確定含礦地層的鈾鐳平衡系數(shù)修正值；CRa,i為樣品分析鐳含量的數(shù)值(%)；CU,i為樣品分析鈾含量的數(shù)值(%)；h為樣品長(zhǎng)度(m)；n為計(jì)算Kp,d時(shí)的礦段樣品數(shù)，計(jì)算Kp時(shí)則為礦段數(shù)；3.4×10-7為鈾鐳平衡時(shí)鈾與鐳之間的質(zhì)量比值，無量綱。

3.2 西山窯組上段鈾鐳平衡系數(shù)分布特征

3.2.1 鈾鐳平衡系數(shù)頻譜曲線分布特征

各種類型鈾礦床鈾鐳平衡系數(shù)的分布情況大致有2類：①鈾鐳樣品平衡系數(shù)頻譜分布曲線有一定變化規(guī)律，曲線總體上呈單峰形狀的正態(tài)分布(李繼安等，2013)。圖5a表示樣品鈾鐳平衡系數(shù)為0.9～1.1，表示該區(qū)域進(jìn)行γ測(cè)井解釋和資源估算評(píng)價(jià)時(shí)無需平衡破壞修正。圖5b和c顯示鈾鐳平衡系數(shù)頻譜分布曲線峰值偏向縱軸兩側(cè)，說明該區(qū)域的鈾礦床或?qū)游烩欒D平衡遭到破壞，需要對(duì)γ測(cè)井解釋和資源估算評(píng)價(jià)進(jìn)行鈾鐳平衡破壞修正。②鈾鐳樣品平衡系數(shù)頻譜分布曲線沒有變化規(guī)律(圖5d)，呈多峰起伏，形態(tài)嚴(yán)重不對(duì)稱，說明該區(qū)域鈾礦床或礦體鈾鐳平衡遭到無序破壞。

表1 鈾鐳樣品分析結(jié)果表Table 1 Analysis results of uranium-radium samples

續(xù)表1

續(xù)表2

3.2.2 鈾鐳平衡系數(shù)特征

經(jīng)計(jì)算西山窯組上段鈾鐳平衡系數(shù)為0.84(表2)，其中樣品鈾鐳平衡系數(shù)為0.66～1.16，平均值為0.89，變異系數(shù)為15.09%。對(duì)單樣品鈾鐳平衡系數(shù)進(jìn)行頻率分布分析(圖6),頻率分布曲線峰值具有向左偏的特點(diǎn)，形態(tài)上基本服從正態(tài)分布，但樣品數(shù)值離散程度變化相對(duì)較大，統(tǒng)計(jì)結(jié)果明顯偏鈾。

圖3 鈾鐳樣品取樣分布圖Fig.3 Distribution of uranium radium samples1.西山窯組上段低平米鈾礦帶；2.西山窯組上段工業(yè)鈾礦帶；3.工業(yè)孔；4.低平米鈾量孔；5.礦化孔；6.西山窯組上段層間氧化帶前鋒線；7.鉆孔號(hào)；8.取樣位置；9.鈾鐳平衡樣品及數(shù)量

表2 西山窯組上段樣品鈾鐳平衡系數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of uranium-radium equilibrium coefficient of samples from upper Xishanyao Formation

3.3 Kp,i與單樣品鈾含量的關(guān)系

從圖7可知，Kp,i隨著單樣品鈾含量的增加有一定的減小趨勢(shì)，即Kp,i與單樣品鈾含量呈一定的負(fù)相關(guān)性。在樣品鈾含量小于0.20%時(shí)，Kp,i值為0.5～1.5，分布較為集中；鈾含量大于0.20%時(shí)，Kp,i值變化范圍相對(duì)較小，樣品分布較為分散。鈾含量高的樣品層段往往鈾鐳平衡系數(shù)偏低，顯示偏鈾，而鈾含量低的樣品層段鈾鐳平衡系數(shù)普遍較高，明顯偏鐳，表明鈾含量低的層段存在鈾元素的遷出，鈾含量高的層段存在鈾元素的富集現(xiàn)象。樣品中鈾元素的遷移活動(dòng)明顯，說明闊斯加爾地區(qū)西山窯組上段鈾成礦一直持續(xù)至今，礦段中鈾元素存在富集疊加現(xiàn)象(姜濤等，2016)。經(jīng)本次研究發(fā)現(xiàn)，Kp,d與礦段鈾含量(圖8a)及厚度(圖8b)相關(guān)性不明顯。

3.4 Kp,d在礦體不同部位的變化特征

對(duì)于鈾礦體來說，不同部位的鈾鐳樣品平衡系數(shù)呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律(表3)。卷頭礦體樣品鈾鐳平衡系數(shù)比翼部小，總體上處于偏鈾狀態(tài)，表明鈾鐳平衡系數(shù)小的層段其鈾成礦富集作用越明顯。

表3 礦體不同部位鈾鐳平衡系數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of uranium-radium equilibrium coefficient in different parts of ore body

圖4 鉆孔取樣巖芯巖性圖Fig.4 Core lithology maps of borehole samplingA.灰色砂礫巖；B.淺黃色砂礫巖；C.灰色含礫粗砂巖；D.灰色粗砂巖；E.淺黃色粗砂巖；F.淺紅色粗砂巖；G.淺黃色中砂巖；H.灰色中砂巖

圖5 鈾鐳平衡系數(shù)頻率曲線分布圖Fig.5 Spectrum curves distribution of equilibrium coefficient of uranium-radium

3.5 Kp，i與巖礦石粒度的變化特征

研究區(qū)所取鈾鐳樣品鈾鐳平衡系數(shù)變化范圍為0.45～2.65(表4)，加權(quán)平均值為0.84。其中，中粒砂巖鈾鐳平衡系數(shù)加權(quán)平均值為0.90，在樣品中占比為6.0%；粗粒砂巖、含礫粗砂巖、砂礫巖鈾鐳平衡系數(shù)加權(quán)平均值分別為0.84、0.84和0.80，在樣品中占比為94.0%。由表4可知，單樣品鈾鐳平衡系數(shù)隨礦石粒度的增大而減小，隨著礦石粒度由細(xì)到粗，其層段滲透性越好。研究區(qū)巖性結(jié)構(gòu)疏松，為礦層中鈾元素的遷移提供良好通道，在具備優(yōu)良水動(dòng)力的條件下，易于在構(gòu)造及沉積環(huán)境有利的層段富集成礦。

表4 鈾鐳平衡系數(shù)與礦石粒度的變化特征統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistical table of uranium-radium equilibrium coefficient and mineral particle size variation

4 結(jié)論

通過對(duì)闊斯加爾西山窯組上段的礦石樣品鈾鐳平衡系數(shù)分析研究，得出以下結(jié)論：

圖6 西山窯組上段鈾鐳平衡系數(shù)頻率分布曲線Fig.6 Frequency distribution curve of uranium radium equilibrium coefficient of upper Xishanyao Formation

圖7 Kp,i與單樣品鈾含量關(guān)系Fig.7 Relationship between Kp,i and uranium content of single sample

圖8 Kp,d與礦段鈾含量(a)及厚度(b)關(guān)系Fig.8 Correlation between uranium-radium equilibrium coefficient and uranium content(a), and thickness of ore section(b)

(1)闊斯加爾鈾成礦區(qū)西山窯組上段鈾鐳平衡系數(shù)為0.84，其中樣品鈾鐳平衡系數(shù)介于0.66～1.16，算術(shù)平均值為0.89，均方差為0.13，變異系數(shù)為15.09%。鈾鐳平衡系數(shù)頻率曲線形態(tài)近似服從正態(tài)分布，峰值位于縱坐標(biāo)左側(cè)，顯示偏鈾，應(yīng)對(duì)研究區(qū)域γ測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行解釋修正，從而準(zhǔn)確估算闊斯加爾成礦區(qū)鈾資源量。

(2)單樣品鈾鐳平衡系數(shù)隨著鈾含量的增加有一定的減小趨勢(shì)，其與單樣品鈾含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。鈾含量高的樣品層段往往鈾鐳平衡系數(shù)偏低，顯示偏鈾，而鈾含量低的樣品層段鈾鐳平衡系數(shù)普遍較高，明顯偏鐳，表明鈾含量低的層段存在鈾元素的遷出，鈾含量高的層段存在鈾元素的富集現(xiàn)象。研究區(qū)鈾礦體的不同賦存部位呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，卷頭礦體樣品鈾鐳平衡系數(shù)比翼部小，即鈾鐳平衡系數(shù)小的層段其鈾成礦富集作用越明顯。

(3)隨著樣品巖石粒度由細(xì)到粗的變化，鈾鐳平衡系數(shù)逐漸減小，其層段砂體滲透性逐漸變好，為砂體中鈾元素的遷移提供良好通道，加之研究區(qū)地處伊犁盆地南緣斜坡帶，其西南方向呈微凸構(gòu)造，水動(dòng)力條件良好，層段中鈾鐳平衡遭破壞，遇到富含有機(jī)質(zhì)的還原環(huán)境，最終利于鈾成礦。