地面伽马能谱测量在铀矿勘查中的应用——以黑龙江伊春威岭异常区为例

时间：2024-05-22

王睿，李占龙，林泽付

(1.黑龙江省第五地质勘查院，哈尔滨 150090；2.黑龙江省地质调查研究总院，哈尔滨 150036)

0 引言

地面伽马能谱测量是探测陆地介质放射的伽马射线，并依据射线能量计算放射性核素含量的方法，寻找放射性异常或放射性增高地段，借以发现放射性矿床的一种放射性测量方法[1]。地面伽马能谱测量是铀矿普查的主要方法，它适用于各种地形、地貌和气候条件。在基岩出露良好和覆盖层不厚的地区尤为有利，可以测定岩(矿)石或土壤中所含铀、钍、钾的含量，研究铀元素迁移、富集与蚀源区确定、铀矿床评价，圈定铀异常(矿化)范围和成矿远景区。实践证明该方法很有成效，我国铀矿床大都是由地面伽马测量发现的[2]。方法缺点是测量深度浅，受多种因素影响，铀异常评价工作难度较高。另外自然界中铀系80%以上的γ射线，都是由镭及其子体衰变时所释放出来的，能谱测量的指示元素是镭而不是铀，其结果中的铀含量也是当量铀含量[3]。在实际工作中，应注重地质、地球化学、地球物理条件等多方面综合分析，才能做出异常正确的估价，进一步提高和扩大了地面伽马能谱测量的找矿效果。因此，笔者以伊春威岭地区的放射性异常为例，利用伽马能谱测量成果数据深度挖掘，并结合区域地质条件，探讨放射性异常成因及铀成矿前景。

1 区域地质背景

研究区位于小兴安岭-张广才岭(造山带)内，是黑龙江省最重要的铅、锌、银、铁、钨、钼、金等多金属共生的成矿带，地层主要为新-中元古界东风山岩群基底变质岩，多被后期侵入岩或火山岩侵入覆盖，致使变质地质体遭受破坏、零星分布，多呈残留的小块地质体。变质岩以区域变质岩为主，由于受到多期变质作用和动力、热接触变质作用叠加，使区域变质岩改造强烈，达到低-中压角闪岩相(图1)。

图1 研究区地质及能谱数据点位图Fig.1 Location of regional geological and the measuring point of energy spectrum data measurement

研究区内，宝泉组上部为紫灰色粉砂泥质板岩夹灰白色变余钙质石英砂岩透镜体及薄层英安玢岩质凝灰熔岩；下部为紫灰色粉砂泥质板岩夹白色细粒萤石化大理岩透镜体及碧玉岩型条带状钙硅质岩。于汤旺河断裂带东侧呈北西-北北西向分布，倾角48°，受构造变质作用影响，岩石不同程度变质，发生片理化、片麻化、糜棱岩化。岩石风化强烈，较破碎。侵入岩以晚三叠世正长花岗岩组(T3ξγ)为主，总体呈灰白-浅肉红色中细、中粗粒正长花岗岩，糜棱岩化花岗岩，岩石变质程度较高，糜棱岩化强烈。

晚三叠世正长花岗岩西部发育一条北西向糜棱岩化花岗岩脉，原岩为正中细、中粗粒正长花岗岩、二长花岗岩，受汤旺河断裂压扭应力作用，岩石发生错动，并由强烈塑性作用形成糜棱岩化变形，该类蚀变与研究区所处地质构造背景相符。

2 数据来源及数据处理方法

研究区内来源数据主要来源于2010年—2012年，覆盖黑龙江省小兴安岭地区的航空放射性测量及相应的查证工作。采用核工业航测遥感中心产ARD多道伽马能谱仪进行数据采集，能谱仪均通过国防科技工业1313二级计量站检定，各仪器之间具有良好的一致性，相对误差均不超过±5%；仪器稳定性好，当eU含量≤10×10-6时，绝对误差≤2×10-6，eU含量>10×10-6时，相对误差<20%；Th含量≤15×10-6时，绝对误差≤3×10-6，Th含量>15×10-6时，相对误差<20%；K含量≤5%时，绝对误差≤1%，K含量>5%时，相对误差<20%，所测数据质量符合规范要求。

研究区内共完成地面伽马能谱测量点4 701个，测量数据包括U、Th、K及伽玛总量。测网密度采用100×20，异常段局部加密采取数据。测线方向采用45°垂直于区域航放异常带及主构造线走向方向，目的是明确地面伽马异常范围，研究铀元素迁移富集规律。

3 地面伽马能谱特征

3.1 岩石伽马能谱特征

统计分析小兴安岭北部部分地质单元放射性特征参数(表1)，可以帮助了解研究区各地质单元放射性元素的丰度、离散程度，判定蚀源区的铀源情况和目的单元的含铀性，确定各地质单元放射性元素的背景值，为航放异常信息提取提供借鉴[4]。

1)全新统主要分布于汤旺河两岸及研究区中部沟谷、地势低洼地区，岩性以腐殖土、坡积砂砾土为主，铀、钍平均含量低于全区背景值，钾含量与背景值相近，铀、钍标准偏差Sd和变异系数Cv低于全区背景值，钾标准偏差Sd和变异系数Cv高于全区背景值。

2)砂岩主要分布于汤旺河两岸，铀、钍、钾平均含量、标准偏差Sd和变异系数Cv低于全区背景值。

3)凝灰岩主要出露于研究区北部侏罗系中统太安屯组及中部奥陶系下统宝泉组地层内，其铀元素平均含量、标准偏差Sd和变异系数Cv略高于全区背景值，钍、钾平均含量、标准偏差Sd和变异系数Cv低于全区背景值。表明铀元素在中酸性火山岩地层内含量较高，具有一定程度的富集现象，而钍、钾元素无富集现象，说明火山岩地层中的放射性异常属于纯铀异常，属于较好铀蚀源区。

4)正长花岗岩岩体铀、钍、钾平均含量高于全区背景值，标准偏差Sd和变异系数Cv低于全区背景值，表明该区花岗岩中铀、钍、钾含量较高，但分布不均匀，成矿潜力较低。

5)二长花岗岩在研究区内大面积出露，其铀、钍、钾平均含量高于全区背景值，铀、钍标准偏差Sd略高于全区背景值，钾标准偏差Sd低于全区背景值，三种元素变异系数Cv低于全区背景值，表明该区花岗岩中铀、钍、钾含量较高，但分布不均匀，成矿潜力较低。

6)碎裂岩化花岗岩，主要分布于汤旺河两侧，呈北东向带状分布，与区域主构造线方向一致，铀、钍平均含量、标准偏差Sd和变异系数Cv高于全区背景值，钾平均含量、标准偏差Sd和变异系数Cv低于全区背景值，表明碎裂岩化花岗岩中铀、钍含量较高，分布不均匀，存在局部富集现象，尤其汤旺河南段东岸，铀元素富集明显，具备成矿潜力。

3.2 伽马能谱异常特征

本次研究利用公式：

Cv=S/X

(1)

式中：X为平均值；S为标准偏差；Cv为变异系数。

图2 威岭地区铀、钍、钾能谱异常分布图Fig.2 Gamma anomaly distribution characteristic of uranium, thorium and potassium in the Weiling area(a)铀元素异常分布图；(b)钍元素异常分布图；(c)钾元素异常分布图

对地面伽马能谱采集到U、K、Th元素数据进行处理，计算出各特征参数并形成等值线图(图2)，其中铀最高值为18.5×10-6，钍最高值为28.9×10-6，钾最高值为6.0×10-2。

铀异常晕总体呈北西向带状沿汤旺河东岸展布，规模较大，空间分布特征明显。异常伴有铀高晕、偏高晕，异常晕下限计算(表2)。异常总体宽150 m～700 m，长约3 100 m，赋存于奥陶系中统宝泉组(O1-2b)与晚三叠世正长花岗岩组(T3ξγ)接触部位内的北西-南东向片麻状花岗岩体内，其在空间分布是朝着构造活动和岩浆活动强烈的地方集中，而含量中等或者较低的侵入体，则处于构造活动较平静的区域。

4 能谱特征参数

地壳不同类岩石中铀、钍绝对含量可能差异很大；但Th/U比值比较恒定，大约在3～4之间[5]，与中国沉积层Th/U≈4.4、中国上陆壳Th/U≈3.1接近[6]，显示岩浆作用过程中Th、U具有相似的地球化学行为。但铀、钍地球化学性质差异较大，铀易受后期环境影响，活化、迁移流失，钍则较稳定而保存于原地。局部钍铀比值的变化是后期构造或者热液活动中钍、铀分离的结果。低Th/U预示后期有二次铀的富集，是成矿有利指示因素；高Th/U则预示铀有迁移流失，不利于铀富集成矿[7]。

古铀量(Gu)通常指岩石形成时的铀含量，在一个包含铀迁出、迁入的较大区域内，求得该区域内钍量与铀量之比，可以反映铀钍元素未发生分离时的初始比值[8]，这样就可以利用公式计算出古铀量。

(2)

表1 岩石伽马能谱特征统计表Tab.1 Characteristics of rock gama-ray spectrum parameters

表2 伽马能谱异常划分标准Tab.2 Classification criteria of gama-ray spectrum

图3 研究区地质及铀元素迁移对比图Fig.3 The comparison map of geology and uranium migration in the study area(a)研究区地质图；(b)铀元素等值线图；(c)古铀含量等值线图

本次工作中，利用ARD多道伽马能谱仪在研究区内以100 m×20 m的网度进行野外测量，共采集数据4 701组，经检查测量表明数据是可靠的。能谱特征参数Th/U反映了低温氧化环境下U、Th分离程度和矿化叠加程度，而本次研究中反应U、Th未分离时的比值采用的是包括本区在内的整个汤旺河异常带，总面积19 km2。包括了28%的能谱高场和72%的背景及低场区，采用了8 263组地面能谱数据，计算出：

(3)

区域性钍铀比：

(4)

表3 异常样品分析结果Tab.3 The analysis results of abnormal samples

图4 成矿模式图Fig.4 Metallogenic model diagram

进而求出每个测点的古铀含量值。

通过能谱测量铀含量与古铀含量的对比(图3)，能反映铀的迁入、迁出状态，快速判断铀成矿有利地段。

由图2可见，铀异常晕总体呈北西向带状沿汤旺河东岸展布，异常规模较大，规律明显，铀含量平均值为29.94×10-6，最高值为70.7×10-6，异常伴有铀高晕、偏高晕，且范围较大，总体宽为150 m～700 m，长约3 100 m，赋存于奥陶系中统宝泉组(O1-2b)与晚三叠世正长花岗岩组(T3ξγ)接触部位内的北西-南东向片麻状花岗岩体内，呈北西向带状分布，异常总体较高，规模较大，空间分布特征明显。

通过图2(b)、图2(c)，铀元素的迁移、富集过程均局限于糜棱岩化带内，北部岩体内古铀量存在两处铀浓集中心A1、A2，对比现代铀含量发现铀元素在糜棱岩化带内有向南部A异常中心迁移的过程，而中部岩体古铀量浓集中心B1则向南迁移至B处。在区域地质背景上，A、B两处浓集中心均位于糜棱岩化带与宝泉组断接触面附近，表明了富铀岩浆热液的迁移活动与接触面处的蚀变作用使后期铀元素富集的主要成因。

对地面伽马异常浓集中心进行槽探揭露验证，地质背景均为糜棱岩化花岗岩、片麻状正长花岗岩。分别在U异常中心采取分析样品，分析结果(表3)显示：铀含量平均值约为85×10-6，最高值为108.51×10-6；钍含量平均值约为155.93×10-6，最高值为180.32×10-6，与地面能谱测量结果对比发现，铀矿化异常位置基本相符，但分析成果钍铀比远低于地表能谱数据，应为土壤吸收导致，且土壤对不同能级伽马射线的吸收率存在差异。

5 成因分析

研究区内铀异常主要在奥陶系中下统宝泉组地层及三叠纪晚世正长花岗岩体间的糜棱岩化花岗岩脉上，异常分布受岩体、构造控制，且经历了多期叠加改造作用，异常成因主要有以下几个方面：

1)区域上北西、北东向汤旺河断裂构造发育，笔者认为这是一条极为重要的区域性构造，大体上把威岭地区分为东西两部分，自断裂形成以后，威岭东、西两分布的地质特征出现了较大的差异，最直观的表现是东部侵入岩明显多于西部。东部侵入岩体和铀异常受断裂控制，该断裂主要是继承古生代发育的雏形而追踪发育，两侧岩体、岩层中节理有切割现象，花岗岩均遭破碎，并有热液活动，表明断裂活动时间较长且有强烈的继承性活动，具有张扭性特征[6]。

2)区域上印支期二长花岗岩、正长花岗岩依次先后侵入，呈近北东向分布，吞蚀、破坏原始地层及构造，促使北东-南西向引张力的加强，切割已形成岩体及地层，同时受区域构造应力影响，产生不同程度变质，北西向的糜棱岩化正长花岗岩表现为由浅、暗色矿物(多为黑云母，少量角闪石)断续定向分布形成，有的连续，由长英物质组成，表明条带、片麻理是变形与变质结晶几乎同时作用下的产物。片麻理表现为岩浆结晶期的钾长石、石英的定向或黑云母的集中定向，反映出挤压应力状态下的强力就位特征。

3)威岭地区东部含铀的糜棱岩化正长花岗岩体，遭受多期强烈而复杂的变质变形作用(图4)，其含矿岩体特征具有典型的岩浆岩型铀矿成因特点，即高硅、碱质、铝和低钙、镁的特点，里特曼指数(δ)：1.79～2.13，为钙碱性岩石；铝饱和指数(ASI)A/CNK>1，为过铝质岩石[7]。在岩浆演化分异过程中，晚三叠世正长花岗岩边缘相铀相对富集，通常而言，铀矿化体是岩浆演化分异的产物，在侵入过程中岩浆中铀元素丰都不断增加富集，以至于晚期就位的岩浆相对富铀，这一点通过前面古铀含量可以看出，晚期就位的正长花岗岩体富铀，铀含量分别为5.22×10-6、4.59×10-6，最高值分别为20.90×10-6、22.00×10-6，而在威岭地区则是区域岩浆多期次活动的中心，形成了断裂-花岗岩带叠加复式花岗岩体，其中最具有控矿意义的是富铀岩体与浅变质岩体之间的接触带，浅变质地层、岩体在本文中指的是经历了区域变质作用的宝泉组地层和后期侵入的正长花岗岩，其分别形成了变质石英砂岩、板岩及糜棱岩化正长花岗岩。按花岗岩体、地层与成矿构造组合形成关系，可划分为层断亚型的线型铀矿化[9]，表现为线状构造(汤旺河断裂)-接触面-裂隙带组合(糜棱岩化正长花岗岩带)。

综上所述，该区域内花岗岩由于岩浆分异作用，铀元素背景值较高，经北西向糜棱岩化花岗岩脉后期补充侵入及多期次热液活动等完成了铀的预富集。另外，北西向的汤旺河断裂活动同样影响着铀元素局部富集，其体现为提供了含铀热液运移通道、存矿空间等，这点从古铀量和现代铀含量对比(图2)不难发现，铀的迁移都是沿着花岗岩接触带的微细断裂构造和北西向次级断裂进行的。