伽马能谱法在巴丹吉林盆地周缘铀矿勘查中的应用

时间：2024-05-22

赵伟清，王青春

河北地质大学地球科学学院，河北石家庄 050031

铀资源是一种极其重要和敏感的战略资源和能源矿产，在国防和国民经济建设中具有双重地位[1]，因此做好铀矿勘查物探工作对于保障我国日益增长的核燃料需求意义重大[2]。巴丹吉林盆地属于中国北西部中新生代盆地划分的5个砂岩铀矿成矿区之一，砂岩型铀矿的矿床具有品位低、矿床规模大、可原地浸出、经济效益高等特点，是我国当前大力寻找的工业矿床类型[3-4]。地面伽马能谱测量方法是一种常用的铀矿勘查方法，可用于勘查的各个阶段，该法是地球物理勘查方法和地球化学勘查方法的巧妙结合，其作用也日益增高。本文通过使用伽马能谱法对巴丹吉林盆地周缘成矿有利区开展铀矿勘查和能谱剖面测量工作，采用不同的数据处理方法，并对高值异常进行分析，提升该法的找矿效果。

1 地质背景

巴达吉林盆地位于华北板块、西伯利亚板块与哈萨克斯坦板块平台的交汇处，被恩格尔乌苏－巴音查干缝合线横穿其中，将其分为两部分，缝合线以北地区由西伯利亚板块和哈萨克斯坦板块组成，而华北板块位于南部。巴丹吉林盆地构造相对比较复杂，因其大部分地区处于内蒙－大兴安岭古生代褶皱带上，岩浆活动比较活跃[5]。

巴丹吉林盆地区域地层简单，主要地层为古元古代、石炭系、二叠系、中侏罗统、下白垩统和第四系等。该盆地基底主要是古生界和岩浆岩，且岩浆岩的分布也比较分散，多为海西期酸性侵入岩。区域构造背景复杂，盆地周缘发育多条断裂带，这些断裂带在中生代开始影响盆地的发育，因此，巴丹吉林盆地是属于中生代两期沉积的复合型叠置盆地[6-8]（图1）。

图1 巴丹吉林盆地大地构造位置图[7]Fig.1 Tectonic location map of Badain Jaran Basin[7]

2 工作方法及数据处理

2.1 伽马能谱测量原理

伽马能谱测量方法的应用原理，主要是依靠铀（U）、钍（Th）和钾（K）等放射性元素在不同地区或环境下含量的变化规律来应用于地质找矿工作中。地壳中的铀（U）容易被氧化，常以离子形态存在与岩体中，所以具有活跃的迁移性；钾（K）和铀（U）一样是化学性质比较活泼的元素，所以也很容易发生迁移，基本上，有铀（U）元素异常的地区的钾（K）元素百分比含量不会太低；钍（Th）在放射性元素中相对稳定，形态变化不大故几乎不迁移[9]。这些放射性元素的迁移和聚集的结果就是铀矿和钍矿的形成。真正的U含量异常，除了有较高的U含量外，还应有U/K和U/Th的值都大于1[10]。除此之外，还有一些数据处理的参数对找矿也有很好的指示作用，如U含量的方差、均方差、铀富集系数、变异系数等[11-14]。

作为一种结合地球物理勘查方法和地球化学勘查方法的伽马能谱测量，它的应用原理除了放射性元素的特征能量以外，还有放射性元素在不同地质体中的种类、数量存在相应的差异[15-16]。不同类型的岩石在成因、产状等方面本就存在许多不同，所以不同岩石中铀（U）、钍（Th）和钾（K）的含量也不一样。在岩浆岩中当二氧化硅的含量升高时，铀、钍和钾的含量也随着增加[17]；在沉积岩中放射性元素含量比岩浆岩、变质岩低，含量通常反应母岩的化学性质[18]；原岩成分和变质程度是影响变质岩中U、Th、K含量主要原因，尤其是变质程度，一般来说变质程度的高低与放射性元素的含量呈反比；土壤中放射性元素含量由风化基岩中的含量决定[19]。断裂等构造位置容易发现铀矿异常，因为放射性元素的运移离不开断裂为它提供的沟通和联结的通道。同时这些通道也是岩浆热液活动有利地段，所以热液与围岩的接触带上往往形成各种蚀变，这些蚀变位置也是经常用来寻找放射性异常的目标部位[20]。

2.2 数据采集与处理

通过野外路线地质调查、地质—能谱剖面测量等方法，获得各剖面的伽马能谱数据，测制方法采用半仪器法。由地质人员直接测制，以罗盘测量导线方位角和坡度角，以测绳丈量斜距，配合以ARD-0311伽玛能谱仪进行测量。测制比例尺按1∶2 000进行，矿化异常地段加密控制。剖面制图采用投影法，使用仪器为ARD便携式伽玛能谱仪仪器分辨率≤7.5%，能量范围40 KeV～3 MeV。各剖面位置如图2所示。

图2 巴丹吉林盆地能谱剖面位置图Fig.2 Location map of energy spectrum profile in Badain Jaran Basin

根据工作区γ能谱的U异常值下限约为7×10-6（当量铀含量：区域平均值：=2.44×10-6，均方差=1.47×10-6）[21]，对放射性物探所测数据按剖面统计含量的算术平均值方差（s）、均方差（σ）、U/Th、K/Th等，再将各剖面伽马能谱测量的原始数据和地质记录经过处理后绘制地质—能谱综合剖面图，分析剖面图特征，总结变化规律。

3 结果与讨论

对研究区各剖面伽马能谱测量数据的处理结果见表1。

表1 巴丹吉林盆地伽马能谱测量数据Table 1 Gamma spectrum measurement data of Badain Jaran Basin

为了进一步分析研究区的放射性元素异常情况，分别绘制四个剖面的U、Th、K及总量（Ur）的数据折线图（图3）。

如图3（a）所示，从数据处理结果可以看出雅布赖山北缘剖面存在伽马能谱U异常和Th异常，并且通过雅布赖山北缘伽马能谱数据折线图能准确反映矿化点位置，从而发现了海西中晚期黑云母花岗岩中的石英脉矿化点，说明伽马能谱法在铀矿勘查过程中具有有效性和准确性，值得进一步研究和应用。图3（b）红柳沟伽马能谱数据图中的U、Th、K和TC值变化幅度是最小的，图3（c）孟根地区伽马能谱数据图次之，两剖面中均未见明显的放射性异常。图3（d）苇坑泉伽马能谱数据图中300 m右侧有一异常点，该点U、Th、TC值都有大幅短程增高。该剖面铀当量偏高点：伽玛能谱铀含量11.4×10-6，伽玛能谱钍含量25.3×10-6，位置与能谱数据图结果一致。苇坑泉剖面中部构造破碎带中发现的这一铀偏高点，同样验证了放射性元素在构造位置的分布规律，即多分布在断裂位置和岩浆与围岩接触的蚀变位置。

图3 巴丹吉林盆地能谱剖面数据折线图Fig.3 Brokline diagram of energy spectrum profile data in Badain Jaran Basin

由此可见，U、Th、K和TC值在矿化带位置都表现为高值异常，每个参数结果都基本一致，但有些矿化带位置的U/Th值并没有太大变化。伽马能谱法的多道性比伽马总量测量更优越，可以清晰分辨出铀、钍、钾等元素引起的异常，从而为铀矿勘查提供更具体、精确的资料。因此在研究区此法勘查铀矿过程中，伽马能谱数据处理应优先考虑单元素参数（U、Th、K）。

再以孟根地区剖面和雅布赖山北缘剖面为例，制作分析地质能谱剖面图特征，如图4、图5所示。孟根地区剖面主要出露地层为下白垩统庙沟群，岩性主要以棕色—暗棕色砂质砾岩、泥质砾岩、浅黄色粗、中砂岩夹泥岩层。其余为第四系（Q）松散砂砾、砂土。目的层（K11mg1）发育砂体4层，岩性为灰白色、浅黄色中—细砂岩，粗砂岩，成分以长石、石英、岩屑组成，岩屑以花岗岩、变质岩为主，砂体分选中等—好，次棱角状。为一套河流相沉积，砂体蚀变较强，泥—砂—泥结构发育，具备层间氧化铀成矿的基本条件。剖面中未见明显的放射性异常，其中浅黄色、灰白色砂岩层伽玛能谱铀含量一般为（1.7～1.9）×10-6；泥岩层伽玛能谱铀含量一般为（2.9～4.2）× 10-6。

图4 巴丹吉林盆地孟根地区地质伽马能谱剖面图Fig.4 Geological gamma ray spectrum profile of Menggen area，Badain Jaran Basin

图5 巴丹吉林盆地雅布赖北缘地质伽马能谱剖面图Fig.5 Geological gamma ray spectrum profile of the northern margin of Yabulai，Badain Jaran Basin

雅布赖山北缘剖面穿越地层由老到新分别为：海西中晚期黑云母花岗岩（γ42）、后期侵入伟晶岩（γρ），晚期侵入石英脉（q）。该剖面伟晶岩蚀变岩脉中见两段和一处放射性异常，第一段：伽玛能谱铀含量为（22.8～61.1）×10-6，伽玛能谱钍含量为（38.6～760.2）×10-6，厚度约2 m；一处：伽玛能谱铀含量307.8×10-6，伽玛能谱钍含量157.2×10-6，单测点控制；第二段：伽玛能谱铀含量为（80.4～983.6）×10-6，伽玛能谱钍含量为（72.3～1 933.2）×10-6，厚度约为6.9 m；矿化异常位于浅肉红色蚀变伟晶岩内接触带中。黑云母花岗岩主要分布在露头两侧及上部，靠近中间偏下部位是后期侵入形成的浅乳白色伟晶岩脉，石英脉形成时间最晚，从底部灌入伟晶岩脉中。在伟晶岩脉和石英脉接触带附近发育较为强烈的钾长石化、赤铁矿化、等蚀变作用以及次生褐铁矿化、铀矿化主要赋存在蚀变伟晶岩中，矿化蚀变带宽度1～3 m，长约50 m。雅布赖北山大面积分布海西中晚期花岗岩，受北缘查干楚鲁断裂影响，晚期相继侵入伟晶岩脉、石英脉体，形成不同期次的岩体接触关系，是雅布赖山北缘剖面中的铀矿化点的主要成因。