伽馬能譜測井在羅辛鈾礦勘查中的應(yīng)用研究

焦倉文，馮延強(qiáng)，王恒，潘自強(qiáng)

核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029

γ測井以其經(jīng)濟(jì)、快速、穩(wěn)定的優(yōu)點，國內(nèi)多年來一直作為鈾礦勘查和鈾資源量估算的標(biāo)準(zhǔn)測井方法技術(shù)。而對于鈾鐳嚴(yán)重不平衡的砂巖型鈾礦床，或者含有豐富釷的熱液型鈾礦床，γ測井應(yīng)用會受到一定的限制。前者可利用裂變中子測井技術(shù)直接獲取鈾元素含量，后者則推薦使用伽馬能譜測井技術(shù)。L.L?vborg（1980）報道了利用GAD-6 伽馬能譜測井儀在南格陵蘭的Kvanefjeld 鈾礦床上的勘查應(yīng)用［1］。焦倉文（2021）報道了利用NP454 伽馬能譜測井儀在堿性花崗巖（Jabal Sayid）和砂巖鈾礦勘查中的應(yīng)用實例［2-3］。

羅辛鈾礦床（R?ssing uranium deposit）位于非洲南部納米比亞共和國埃龍戈省，是世界上最大的露天開采白崗巖型鈾礦床。鈾礦化主要賦存于羅辛組內(nèi)，含礦巖性主要由白崗巖和偉晶巖組成［4］。鉆探揭露的礦化層主要產(chǎn)在卡塞布組上段，礦化主要受群脈狀白崗巖脈控制，礦體多，規(guī)模大。

在羅辛礦區(qū)外圍施工57 個鉆孔，取心孔25個，全部采用金剛石巖心鉆探工藝，斜孔鉆進(jìn)；其中Z17 區(qū)施工42 個鉆孔，鉆孔傾角介于65°～70°之間，方位角295°；Z19 區(qū)施工15 個鉆孔，鉆孔傾角介于55°～65°之間，方位角150°。鉆探施工達(dá)到地質(zhì)設(shè)計深度，終孔洗井后，依次進(jìn)行伽馬總量、伽馬能譜以及井斜測量。參考鄰近羅辛（R?ssing）、湖山（Husab）、Etango 和瓦倫西亞（Valencia）礦床工業(yè)指標(biāo)［5-7］，按照測井規(guī)范［8］，設(shè)定邊界品位100×10-6（U3O8），最小可采厚度2 m，最低米百分值0.017 %（U%·m）的工業(yè)礦（化）段劃分原則，確定鉆孔礦層位置、厚度和品級。為了便于方法比對，以開展γ測井（定量γ測井）、伽馬能譜測井，以及礦心取樣的鉆孔的測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對Z17 區(qū)和Z19區(qū)分別從伽馬能譜測井解釋鈾含量與釷修正后γ測井解釋鈾含量對比，以及伽馬能譜測井解釋鈾釷含量與礦心分析鈾釷含量對比兩方面展開對比論述。

1 儀器與數(shù)據(jù)采集

用于鈾礦勘查目的的伽馬能譜測井儀強(qiáng)調(diào)小口徑、元素高含量的測定［9］。NP454 伽馬能譜測井儀，探管外徑45 mm，內(nèi)置BGO 閃爍晶體探測器直徑30 mm，長100 mm。穩(wěn)譜精度決定儀器的測量精度，NP454 設(shè)計有開機(jī)自動尋峰，溫度穩(wěn)譜粗調(diào)，以及基于自穩(wěn)源（133Ba：356 keV）動態(tài)監(jiān)測譜漂移通過調(diào)整高壓實現(xiàn)穩(wěn)譜細(xì)調(diào)。

測井速度對測井?dāng)?shù)據(jù)采集有顯著的影響，過快的測井速度引起伽馬峰漂移，也會直接影響測井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。建議礦化段的測井速度不大于3.0 m·min-1。

2 伽馬能譜測井與伽馬測井對比

在野外施工期間，根據(jù)巖心物探編錄伽馬峰值，首先對測井曲線進(jìn)行平移對齊處理，再根據(jù)鉆孔鐵套管、水位和孔徑等信息對伽馬測井解釋結(jié)果進(jìn)行鐵、水吸收修正，按照上述礦（化）段劃分原則分三個品級對伽馬測井解釋鈾含量進(jìn)行礦段組合，提供給地質(zhì)人員作為（巖）礦心分樣、取樣的依據(jù)，通常取樣樣長1 m，邊界控制樣長為0.2 m。二分之一劈心，對礦心樣編號送實驗室化學(xué)分析，共計1 664 個單樣，扣除邊界控制樣、重復(fù)樣外，參與統(tǒng)計分析對比的有效礦心分析樣為1 334 個。

2.1 對比方法

按照國內(nèi)相關(guān)規(guī)范要求［8］，γ測井解釋需經(jīng)過相關(guān)參數(shù)修正后確定礦層含量，包括鐵、水吸收修正、釷鉀修正、密度、濕度，以及有效原子序數(shù)測定等。γ測井不能區(qū)分鈾、釷，而施工鉆孔釷含量比較高，需要作釷修正，有兩種方法：1）礦層中釷鈾比值為常數(shù)時，礦層鈾含量按公式（1）修正［8］。

式（1）中：Q'U、QTh、Qγ和QU分別為礦心樣分析鈾含量、礦心樣分析釷含量、伽馬測井解釋當(dāng)量鈾含量、經(jīng)釷修正后的測井解釋鈾含量，10-6；k—釷鈾當(dāng)量系數(shù)，其含義為單位含量釷（系）元素的放射性計數(shù)與單位含量鈾（系）元素引起放射性計數(shù)的比值，與具體的儀器型號有關(guān)。本文使用的γ測井儀在核工業(yè)放射性勘查計量站（國防科技工業(yè)1313 二級計量站）測井刻度群上獲得的系數(shù)為0.392（HD4002-GM404—2005）和0.388（HD4002-GM404—2003），無量綱。2）釷鈾比值在空間位置上與鈾含量有相關(guān)關(guān)系時，鈾含量按公式（2）進(jìn)行修正［8］：

式（2）中：B(x，y，z)—釷鈾比值的空間分布函數(shù)，其他參數(shù)同公式（1）。

2.2 釷鈾比

γ測井釷修正首先需要獲取釷鈾比。通常做法是利用礦心分析鈾、釷元素含量數(shù)據(jù)，求取釷鈾比均值，或者擬合鈾與釷鈾比之間函數(shù)曲線，代入公式（2）。陳寧（2021 年）和曹云（2018 年）報道了基于湖山鈾礦床大量巖粉樣化學(xué)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計，利用釷鈾比與鈾含量呈現(xiàn)良好的冪函數(shù)關(guān)系［10-11］，對伽馬測井解釋結(jié)果進(jìn)行釷修正獲得了較好的應(yīng)用效果。張凱（2017 年）根據(jù)賦礦巖體的蝕變特征及礦體埋深的分布特征，提出了按蝕變強(qiáng)度分帶進(jìn)行釷干擾系數(shù)的修正方法［12］。

羅辛礦區(qū)外圍（Z17、Z19）經(jīng)鉆探揭露，礦（化）層釷鈾比是變化的，圖1 是對礦心分析結(jié)果進(jìn)行釷鈾比統(tǒng)計的頻率分布直方圖，其中Z17 區(qū)1 048 個單樣，Z19 區(qū)111 個組合樣。由圖1 可見，Z17 區(qū)釷含量高，鈾含量低（釷鈾比大于1.0）的礦段數(shù)量占比20 %；Z19 區(qū)釷鈾比則大部分集中在0.1～0.3 之間。

圖1 羅辛礦區(qū)外圍鉆孔礦心分析的釷鈾比分布頻率直方圖Fig. 1 Histogram of Th/U ratio based on core assay in R?ssing uranium mine area

利用礦心化學(xué)分析數(shù)據(jù)分別按不同鈾含量品級統(tǒng)計釷鈾比均值、不分級統(tǒng)計一個釷鈾比常數(shù)，以及基于伽馬能譜測井的釷鈾比針對組合礦段，按公式（1）進(jìn)行處理，以鉆孔為單位進(jìn)行米百分?jǐn)?shù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)利用伽馬能譜測井獲得的釷鈾比對γ測井解釋結(jié)果進(jìn)行釷修正后，與礦心分析數(shù)據(jù)對比誤差更小，吻合度更高（由于篇幅的限制，這里沒有列舉詳細(xì)對比結(jié)果）。說明利用伽馬能譜測井獲取待組合礦段的釷鈾比直接參與γ測井解釋結(jié)果的釷修正是合理的，其原因在于兩種測井方法的伽馬射線探測范圍、鉆孔測井環(huán)境都是一樣的（意味著修正也類似），因此礦段米百分?jǐn)?shù)超差數(shù)據(jù)相對較少，而利用礦心分析元素含量的釷鈾比來作為伽馬總量解釋結(jié)果釷修正參數(shù)的話，涉及到更多更復(fù)雜的影響因素，諸如地質(zhì)分樣、編號抄樣、送樣、劈樣、碎樣和實驗室分析等諸多環(huán)節(jié)，不可控因素更多，基于誤差累計原理，造成了對比誤差（變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)方差）相對較大的結(jié)果。

對于γ測井中鐵、水吸收修正［13］，可參考文獻(xiàn)［8］中附錄1，通過查表或者插值方法獲得；就伽馬能譜測井儀而言，野外工作之前在核工業(yè)放射性勘查計量站鈾、釷積木模型上進(jìn)行了鐵水吸收修正曲線的擬合，現(xiàn)場根據(jù)鉆孔施工參數(shù)（孔徑、鐵套管厚度及水位）對伽馬能譜測井解釋結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)修正。

需要說明的是，依據(jù)礦心分析鉀含量（表1）＜10 %及相關(guān)規(guī)范要求［8］，無需對γ測井解釋結(jié)果進(jìn)行鉀修正。

表1 礦心分析鉀元素含量統(tǒng)計表Table 1 Statistics of potassium core assay

2.3 數(shù)據(jù)分析

按照2.1 節(jié)介紹的方法，對γ測井礦段解釋鈾含量（釷修正后），與伽馬能譜測井鈾含量解釋結(jié)果，以米百分?jǐn)?shù)為單位進(jìn)行對比（表2 和3）。

表2 伽馬能譜測井與釷修正后的γ 測井結(jié)果對比表/eUTable 2 Contrast of uranium concentration and thickness of mineralization segment by spectral γ log and gross γ well log with thorium deduction

表3 伽馬能譜測井與γ 測井（釷修正）解釋鈾含量米百分?jǐn)?shù)對比Table 3 Contrast of U meter and percent per borehole between spectral γ and thorium-deducted gross γ logging

圖2 中，Z17 區(qū)，伽馬能譜測井解釋鈾含量（URAN）均值168.28×10-6，γ測井（釷修正）當(dāng)量鈾含量（QeU）均值175.65×10-6，相關(guān)系數(shù)R=0.99，變異系數(shù)CV=8.8。Z19 區(qū)，伽馬能譜測井解釋鈾含量（URAN）均值255.31×10-6，經(jīng)釷修正后的γ測井解釋當(dāng)量鈾含量（QeU）均值246.55×10-6，相關(guān)系數(shù)R=1.00，變異系數(shù)CV=11.9。，fU—釷修正后的γ測井礦段解釋GT 與伽馬能譜測井GT 之比；hγi—γ測井解釋礦段厚度，m；QCUi—釷修正后的γ測井解釋當(dāng)量鈾含量，10-6；hi—伽馬能譜測井礦段解釋厚度，m；QURANi—伽馬能譜測井解釋鈾含量，10-6。

圖2 伽馬能譜測井解釋鈾含量與γ 測井解釋鈾含量（釷修正）散點圖Fig. 2 Scatter diagram of spectral gamma uranium concentration and thorium-deducted gross gamma equivalent uranium concentration

3 伽馬能譜測井與礦心分析對比

3.1 礦心取樣與組合

基于γ測井礦（化）段解釋結(jié)果對礦心分樣、取樣，而礦（化）段的取樣并不是連續(xù)的。因此，首先需要對礦心分析數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，加權(quán)平均求取組合后礦（化）段的元素品位及厚度（深度間隔），而后按相同的深度間隔，對伽馬能譜測井原始數(shù)據(jù)依據(jù)模型刻度系數(shù)進(jìn)行元素含量解算，鐵水吸收修正等處理后，分別求取鈾、釷各自的米百分?jǐn)?shù)值。

3.2 分析對比

按不同工作區(qū)，分別對礦心單樣組合后，以散點圖形式和鉆孔累計米百分?jǐn)?shù)兩種方式進(jìn)行伽馬能譜測井與巖心分析結(jié)果的對比，前者利用均值、相關(guān)系數(shù)和變異系數(shù)等指標(biāo)考量（圖3 和4，表4）；后者以礦（化）段異常峰面積整體進(jìn)行對比（表5～7）［14-15］。

表4 伽馬能譜測井解釋鈾釷含量與礦心分析含量對比統(tǒng)計結(jié)果表Table 4 Reconciliation of uranium and thorium concentration between spectral gamma-ray log and core assay

表5 伽馬能譜測井解釋與礦心分析結(jié)果對比表（U）Table 5 Reconciliation of uranium concentration and thickness of mineralization segment by spectral γ log and core assay

表6 伽馬能譜測井與礦心分析結(jié)果對比表（Th）Table 6 Reconciliation of thorium concentration and thickness of mineralization segment by spectral γ log and core assay

圖3 伽馬能譜測井解釋鈾釷含量與礦心分析含量對比散點圖（Z17）Fig. 3 Scatter diagram of uranium and thorium concentration by spectral gamma logging and core assay in Z17

圖4 伽馬能譜測井解釋鈾釷含量與礦心分析含量對比散點圖（Z19）Fig. 4 Scatter diagram of uranium and thorium concentration by spectral gamma logging and core assay in Z19

圖3 和4 中，偏離擬合線較多的數(shù)據(jù)點（outliers），并不是測量本身引起的誤差，應(yīng)該從數(shù)據(jù)統(tǒng)計中剔除掉。

作為鉆孔實例，Z1903-03 分別從礦心分析、γ測井解釋和伽馬能譜測井解釋進(jìn)行對比（圖5，表7）。由圖5 可見，礦段160.0～163.0 m表現(xiàn)為鈾含量高，釷含量低，而190.0～193.5 m則表現(xiàn)為釷含量高，鈾含量低。由于鈾或者釷元素含量低于100×10-6，礦段1、3、8 和14 會引起比較大的相對誤差（＞10 %）；由于釷鈾比值大于5，礦段12 會引起低含量元素測量相對誤差也較大。礦段6、13，伽馬能譜測井和γ測井解釋結(jié)果的相對誤差都較大，除了超出伽馬測井儀測量范圍的原因外，有可能是伽馬測井以外的因素，如礦心取樣分析環(huán)節(jié)造成的。

表7 Z1903-03 伽馬測井與礦心分析的誤差對比表Table 7 Statistics of errors of spectral γ log and core assay of borehole Z1903-03

圖5 鉆孔Z1903-03伽馬能譜測井、γ 測井及礦心分析對比圖Fig. 5 Composite diagram of spectral γ，gross γ and core assay from borehole Z1903-03

4 誤差分析

準(zhǔn)確性（accuracy）表征測量值接近真值的程度，精確度（precision），即重復(fù)性表征測量值和任何其他測量值的接近程度［16］。Pitard（1998）推出了相對差分圖（Relative Difference Plot），用于刻畫基本測量、重復(fù)測量的重復(fù)性。

公式（3）用來估算對值（基本測量值、重復(fù)測量值）的相對差，以百分?jǐn)?shù)表示。計算的RD（%）以測量對象均值（元素含量）遞增順序排列，x軸以遞增順序排列，其中一個縱軸表示RD（%），另一個縱軸表示元素含量。這種表示方法有助于識別基本、重復(fù)測量值的變化情況，尤其是相對差較大的變化值。由于單一對值的相對差值跳動較大，通常的做法是，對其取滑動平均值。

圖6 是對394 個組合樣的基本、重復(fù)伽馬能譜測井解釋鈾釷含量的RDP 曲線圖。由圖6 可見，低含量樣本（＜100×10-6）的相對誤差有增大的趨勢，主要是受到伽馬能譜測井儀元素含量探測下限的限制；而在100×10-6以上的元素含量測量范圍內(nèi)，10 %的誤差是有保證的。

圖6 Z17 伽馬能譜基本和重復(fù)測井相對差圖Fig. 6 Relative difference plot （RDP） of basic and repeat spectral gamma logging in area Z17

伽馬能譜測井解釋鈾含量與釷修正后的伽馬測井解釋鈾含量對比結(jié)果表明，其在相關(guān)性、變異系數(shù)等參數(shù)指標(biāo)方面都普遍優(yōu)于伽馬能譜測井解釋含量與礦心分析含量的對比結(jié)果。因為探測器探測井筒周圍伽馬射線的范圍是一致的，鉆孔測井環(huán)境也是相同的（兩者測井時間相隔大約2～3 h），引起測量誤差的原因除儀器本身測量精度有差異外，主要是受釷修正方法的可靠性和可信度的制約。再者，兩者比較是基于伽馬測井解釋礦段（深度）間隔，包含了薄礦化層等情形。扣除這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)的影響，兩者接近程度會更好。

γ測井解釋與礦心分析的對比，其影響因素要復(fù)雜得多［17］，單就測量對象而言，巖（礦）心直徑?。∟Q 鉆孔巖心直徑47.6 mm），而伽馬探測器中心半徑約60 cm 范圍內(nèi)地層的伽馬射線對其計數(shù)率都有貢獻(xiàn)，后者探測范圍是前者的幾十倍（表8）［18］。礦心分樣、取樣是以γ測井礦段解釋為基準(zhǔn)，巖心采取率會影響現(xiàn)場礦心邊界的識別（測井深度與實際巖礦心存在錯位）。排除固有的不可消除的引起兩者誤差的因素，建議：1）巖心樣分析元素含量，以樣長加權(quán)進(jìn)行組合后，按米百分?jǐn)?shù)進(jìn)行對比；2）為減小誤差目的，野外及時根據(jù)測井解釋結(jié)果對礦心取樣送實驗室分析，分析產(chǎn)生誤差原因以便于及時改進(jìn)工作方法［19］；3）除了隨機(jī)穿插一定比例粉末重復(fù)樣外，適當(dāng)增加巖心復(fù)樣（coarse reject）的比例，或者送外檢實驗室分析。這樣有助于識別除實驗室分析誤差以外的因素，如劈樣、粉樣和標(biāo)記過程中的偏差等；4）巖（礦）心宜整個礦段連續(xù)分樣，同時按礦心分析結(jié)果進(jìn)行礦段組合，以米百分?jǐn)?shù)為單位，開展伽馬測井與礦心分析的對比，有助于縮小兩者之間的誤差。

表8 確定鈾含量的伽馬測井探測體積與不同鉆孔直徑下化學(xué)分析巖心樣體積之比較（據(jù)參考文獻(xiàn)［18］修改）Table 8 Contrast of the volume of rock measured to determine uranium grade by gamma logging and the geochemical assay of core for different drill hole diameters (Modified after reference [18])

另外，針對羅辛礦區(qū)85×10-6鈾金屬含量工業(yè)指標(biāo)，在保證測量精度的前提下，進(jìn)一步降低伽馬能譜測井的測量下限。

5 結(jié) 論

1）針對熱液型鈾釷混合型鈾礦勘查應(yīng)用，伽馬能譜測井是一種有潛力的技術(shù)方法。

2）礦山開采階段，可以作為一種更經(jīng)濟(jì)、高效的測井方法來取代巖心化學(xué)分析測定巖礦石的鈾品位。

3）針對小口徑γ能譜測井儀做進(jìn)一步改進(jìn)與提高，可以滿足寬量程、高精度伽馬能譜測井應(yīng)用。

致謝：感謝核工業(yè)放射性模型站的管少斌、唐曉川在積木模型測試中提供的大力幫助。