烏庫爾齊鈾礦床鐳-氡放射性平衡系數計算及討論

羅　義

烏庫爾齊鈾礦床鐳-氡放射性平衡系數計算及討論

羅義

（四川省核工業地質調查院，成都 610061）

從分析鐳-氡放射性平衡破壞的原因出發，以新疆烏庫爾齊可地浸砂巖型鈾礦床為例，探討了鐳-氡放射性平衡系數的計算方法，并對不同的計算方法進行了討論。該系數的取得，為烏庫爾齊鈾礦床測井數據的修正、礦體邊界的劃分、鈾礦資源量的計算提供了科學依據。

鈾礦床；砂巖型；鐳-氡放射性平衡系數；烏庫爾齊

鈾礦勘查過程中，伽瑪測井是鈾礦勘查的重要手段。通過伽瑪測井，可確定礦體的空間位置、品位及厚度等［1］。影響伽瑪測井解釋結果的因素較多，需要通過各種參數修正才能得到準確的儲量估算，在可地浸砂巖型鈾礦中，鐳-氡放射性平衡系數就是其中較為重要的修正參數之一［2］。在可地浸砂巖型鈾礦鉆探勘查過程中，由于隔水層揭穿，加之鉆進過程中井液泥漿的循環，壓力使圍巖和含礦層均出現了井液侵入帶，井液的侵入和氣體擴散作用使得鈾礦化層的含鈾含礦水出現了局部的鐳-氡放射性不平衡現象，使得礦層原有的鐳-氡放射性平衡遭到破壞，其結果導致終孔測井的伽瑪照射量率降低，從而不能客觀的評價鈾礦層的厚度和品位。現以新疆伊犁盆地烏庫爾齊鈾礦床的鐳-氡放射性平衡系數計算為例，簡要介紹其理論、計算方法，進行不同方法對比。

1　壓氡現象對伽瑪測井解釋的影響

伽瑪測井是利用放射性探測儀器在鉆孔內測量來自巖礦石中放射性物質衰變過程中產生的伽瑪照射量率來反演鈾礦化品位和厚度的物探方法。放射性物質在衰變過程中，同時伴隨著α、β和 γ射線的產生。γ射線的穿透能力較強（與α和β射線相比），在鈾系中γ射線主要與RaA（218PO）、RaB（214Pb）及RaC（214Bi）有關，當純鈾與UX1和UX2+UZ 達到放射性平衡時，純鈾所放出的γ射線僅為鈾-鐳放射性系列γ射線能量的1.5%。在放射性系列中，鈾系列的鈾-鐳-氡處于放射性平衡時，伽瑪測井結果能準確反映出礦層鈾含量的高低。伽瑪測井時測量的γ射線大多數能量來自鈾系氡（222Rn）的短壽子體218PO（RaA）、214Pb（RaB）、214Bi （RaC），包括226Ra在內鈾系列的長壽子體對伽瑪測井影響非常小，因此226Ra與222Rn 的放射性不平衡時，對測井結果影響很大。222Rn 是一種單原子氣體，能溶于水和有機溶劑中，能被強烈的吸附于各種活性物質的表面，特別是煤和硅膠。氡從鐳鹽中的釋放取決于其物理特性，因此溫度、壓力等變化非常容易造成氡的遷移或者鐳-氡放射性平衡的破壞［3］。

地浸砂巖型鈾礦鉆探勘查過程中，由于循環井液泥漿壓力大于含礦段含水層的壓力，井液泥漿將會侵入鈾礦層巖石孔隙，使得層間水及溶解于其中的氡（222Rn）一起被擠壓而離開孔壁，這一過程被稱為壓氡現象。壓氡現象的存在破壞了鐳-氡之間的放射性平衡，導致伽瑪測井結果偏低。同時，鉆進過程中，泥漿侵入井壁周圍一定范圍，也會在井壁形成一層厚厚的泥漿餅，都會對伽瑪射線有一定的屏蔽吸收作用，會使伽瑪測井照射量率數值偏低。

影響鐳-氡放射性平衡系數變化的主要原因是氡的遷移或屏蔽作用。氡在砂體中隨含鈾水一起遷移，或者沿斷裂帶、裂隙帶析出后出現局部增高。氡通過擴散和對流的途徑伴隨氣流和水流進行遷移，在有利的條件下，對流遷移是氡遷移的最主要方式。雖然影響鐳-氡放射性平衡系數變化的因素較多，但鐳-氡飽和后的放射性平衡系數主要與沉積地質環境、礦石鈾含量、砂體的滲透性和鉆探方法等因素有關。由于鉆探過程中井液的循環及砂體中含鈾含氧水的運動，礦層中的鐳和氡的累積或遷移都會造成鐳-氡放射性平衡的破壞，而氡（222Rn）又是鐳（226Ra）的次級衰變產物，氡是一種放射性氣體，很容易隨著鉆探貫穿礦層或井液循環而流失，因此含礦鉆孔中的鈾-鐳-氡總是處于動態平衡狀態，其平衡很容易受到了破壞，這種破壞會使實測的γ射線強度與平衡鈾系所應有的射線強度之間產生差別。因此在進行鈾礦伽瑪測井時研究評價鐳-氡放射性平衡是非常重要的。

2　鐳-氡平衡系數的測定

2.1物探參數孔成井工藝及流程

進行鐳-氡放射性平衡系數研究的物探參數孔必須設計在工業礦塊段，并且保證成井鉆孔內有工業鈾礦層，工作流程如下［4］:

鉆探施工設計-布孔鉆探（取芯、地質編錄、物探編錄）-完井（成井）-換漿沖孔-伽瑪測井、綜合測井-擴孔-下套管對頂板封井止水-檢查頂板止水質量-清水沖孔-孔底封井止水-伽瑪觀察測井（連續觀測30天）。

圖1　ZK41779物探參數孔觀測曲線圖

烏庫爾齊鈾礦床的物探參數孔依據設計開孔后，目的層鉆探孔徑110mm，孔徑與其它勘探孔大小一致，取芯率不小于85% ，鉆探過程中經過巖心地質編錄、物探編錄和水文編錄，完鉆后經過伽瑪測井和綜合測井確定了鈾異常或礦化層的位置、品位及含礦含水層的頂、底板厚度和位置，為進一步擴孔、止水器設計制作、套管下放及含礦層頂底板封井止水提供了可靠的數據資料。

圖2　ZK35725-1物探參數孔觀測曲線圖

2.2測井觀測及計算方法

第二，加大投入力度。按照公共財政要求，加大對水利基礎設施建設的投入，確保當年本級財政可用財力的2%~4%用于水利建設。繼續收足用好防洪保安資金、水利建設基金、水資源費和南水北調基金，認真落實城市建設維護稅15%用于城市防洪建設、土地出讓金純收益15%用于農業土地開發和水利建設的政策，保證配套資金及時足額到位。積極運用市場機制，廣泛吸納社會資金，逐步建立多元化水利投入新機制。

鐳-氡放射性平衡系數的測定采用連續伽瑪觀察測井來完成。這次野外工作使用的FD-3019伽瑪測井儀配合TYSC-3Q數字綜合測井儀進行連續伽瑪測井。測井時電動絞車提升電纜和探管，深度由光電碼盤自動提供給中央處理器，計算機專用數據采集軟件在電纜提升時以0.05m的點距連續自動采集數據并存盤，自動化程度高，人為影響因素少。

依據規范［5］每個物探參數孔伽瑪觀察測井時間需要30天以上，前4天每8小時測井一次，后5～7天每天測井一次，之后每2～3天測井1次，直到氡氣飽和后，測井結果相對不變化為止。根據下套管前的γ測井結果，區分出延伸到圍巖的并處于滲透性巖石中的鈾礦段，計算出礦段內的各測點γ照射量率的和（ΣI0），在該界限內根據狀態觀測結果計算鈾礦段內各測點γ照射量率（已經鐵套管和沖洗液吸收修正）的和（ΣIi），以γ照射量率I為縱坐標，以時間t為橫坐標作出I-t關系圖，假定ΣI0=A，t=O，然后把各點用平滑曲線連接起來得到一條曲線，該圖稱之為壓氡狀態觀測曲線圖。在滲透性鈾礦段中若存在著氡壓縮效應的現象，則可公式（1）計算出鐳─氡放射性平衡系數修正值PRn［2］。

PRn=ΣIO/ΣIi……………（1）

（1）式中：PRn-鐳-氡放射性平衡系數；ΣIO-壓氡狀態觀測曲線始端的γ照射量率測量值，nC/（kg·h）；ΣIi-壓氡狀態觀測曲線尾端的γ照射量率測量值，nC/（kg·h）。

圖3　ZK44965-1物探參數孔觀測曲線圖

3　鐳-氡放射性平衡系數的確定

3.1物探參數孔測量及計算鐳-氡放射性平衡系數結果

烏庫爾齊鈾礦床共施工了ZK41779、ZK35725-1和ZK46965-1共3個物探參數孔。參數孔的設計和觀測方法如規范［5］。壓氡狀態觀測曲線分別如圖1、圖2、圖3所示。

從圖1～3中看出氡在鉆孔中的積累現象顯示明顯。利用式（1）計算出ZK41779孔的鐳-氡放射性平衡系數為0.742；ZK35725-1孔為0.861；ZK46965-1孔為0.884。3個孔的鐳-氡放射性平衡系數平均值為0.829。由于巖石粒度、孔隙度等差異，三個鉆孔觀測曲線形態不盡一致，但增長趨勢還是十分明顯的，證明了鉆探過程中，鐳氡放射性平衡破壞現象的存在。

本區所施工的物探參數孔充分證實了在鉆進過程中鐳-氡放射性平衡遭到了破壞，定量確定鐳-氡放射性平衡破壞修正值則采用巖礦心分析結果與伽瑪測井解釋結果對比的方法［6］。具體計算方法是：選用對應礦段上伽瑪測井解釋的鐳線儲量與化學分析鐳線儲量加權值之比，求出單樣段鐳-氡放射性平衡系數，然后再用化學分析鐳線儲量加權平均法按（3）式計算出全區總的鐳-氡放射性平衡系數。確定修正值樣品選擇原則為：①采用儲量計算塊段內的樣品；②礦段內鈾含量≥0.01%；③樣品礦段位置應與γ測井解釋礦段位置相互對應；④剔除不合格礦段數量不應大于符合以上條件礦段總數的5%；⑤礦心采取率≥85%。［7］單礦段鐳-氡放射性平衡系數計算公式為［6］：

（2）式中：PRni─單礦段鐳─氡放射性平衡系數；H2i·R2ai─單礦段γ測井解釋的鐳線儲量，m·%；H1i·R1ai ─單礦段礦心樣品分析的鐳線儲量，m·%。在計算時應注意的幾點：①此處的伽瑪測井解釋結果是指經濕度修正后的鐳的含量，如果伽瑪測井解釋結果沒經濕度修正，則應對分析結果進行濕度修正，以保證對比雙方條件一致；②此處的礦段采取率是根據樣品分析結果，鈾含量大于0.01%的礦段的實際采取率，對于采取率不夠100%的，應將分析結果修正為100%。

全區總的鐳-氡放射性平衡系數計算公式為：

（3）式中： PRn─礦床總鐳─氡放射性平衡系數；其余參數如公式（2）中參數。

烏庫爾齊鈾礦區鐳-氡平衡系數計算表

表中經過（3）式計算出鐳-氡放射性平衡系數為0.843。礦心取樣總長度69.4m，遠大于規范要求的20m。伽瑪測井解釋結果與礦心取樣分析結果的米百分數相對誤差為2.83%，小于規范［5］5%的要求。因此，認為該區鐳-氡放射性平衡系數的確定方法是合理的，修正系數值是客觀的、準確的。

3.3兩種計算鐳-氡放射性平衡系數結果對比

從上面兩種方法計算出的鐳-氡放射性平衡系數的相對誤差為1.69%，小于10%的規范［6］要求。

4　鐳-氡放射性平衡系數計算方法的討論

本文用了兩種計算鐳-氡放射性平衡系數的方法。方法1：利用物探參數孔和γ測井結果計算；方法2：利用伽瑪測井資料與巖礦心分析結果對比計算。雖然兩種方法計算的結果都可以在資源量計算中使用，但采用方法1的物探參數孔施工工期和觀測周期比較長，但是方法1計算結果比方法2要科學、合理的多。

首先，通過方法1計算的鐳-氡放射性平衡系數比方法2得出的結果誤差小，方法2從鉆探過程中的深度測量誤差到樣品深度調整誤差及分析誤差等誤差累加較大，且這些誤差是不可避免的。其次通過方法1計算的鐳-氡放射性平衡系數比方法2得出的結果受人為因素影響小，方法2得出的結果受人為的巖心顛倒、礦心拉長、采取率計算等人為因素的影響。而方法1計算的鐳-氡放射性平衡系數從終孔測井（生產）到狀態觀測采用同一臺γ測井儀，消除了儀器的系統誤差，同時在測量過程中最大程度地保持了礦層的原始狀態，不受測量條件變化的影響。最后，還有采取率的問題，盡管相應規范［5］要求，方法2中礦段采取率不低于85%，但沒有采上來的礦心有可能是鈾含量高的礦樣，也可能是鈾含量低的礦樣，對此，一般在計算過程中采用對采取率修正的辦法，但無論怎樣修正，必然存在用高品位結果代替低品位（未采上來的為低品位）或者用低品位代替高品位的情況，而方法1前后觀測數據連續、客觀地記錄了礦段中放射性照射量率的變化情況。由于以上原因，方法2所采用的數據可信度比方法1采用的數據低的多。從前述的計算結果也可以看出，雖然兩種方法求得的烏庫爾齊鈾礦床的鐳-氡放射性平衡系數誤差只有1.69%，但通過方法2得出的烏庫爾齊鈾礦床39個單礦段的鐳-氡放射性平衡系數變化范圍為0.33～1.11，最大值約是最小值的3.4倍，最小值與最大值的相對誤差達70.27%；而方法1得出的3個鐳-氡放射性平衡系數變化范圍為0.742～0.884，最小值與最大值的相對誤差只有16.06%。我們知道，在砂巖型鈾礦存在井液的鉆進中，鐳-氡放射性平衡系數最大為1（沒有任何壓氡效應，這在可滲透性砂巖中幾乎是不可能的），但方法2計算的結果大于1的礦段卻有8段，占全部組合樣段的20.51%。

盡管規范［5］規定，在沒有物探參數孔或物探參數孔數量小于相應規定的情況下，通過方法2可以得出該區的鐳-氡放射性平衡系數，并且當其計算結果小于0.9時，應對γ測井資料解釋進行修正。但鑒于以上的討論和實踐，筆者認為通過方法2得出的鐳-氡放射性平衡系數受人為因素、采取率等因素影響較大，可信度較低。在條件允許的情況下，利用方法1求得鐳-氡放射性平衡系數是較為科學的。

［1］ EJ/T 611-2005伽瑪測井規范［S］.2005

［2］ EJ/T 1214-2006 地浸砂巖型鈾礦資源/儲量估算指南［S］.2007

［3］ 魯挑建，姜啟明. 放射性地球物理勘查M］.哈爾濱工程大學出版社，2009，7

［4］ EJ/T 1052-1997 放射性礦產資源鉆探規程［S］.1997

［5］ EJ/T 1230-2008地浸砂巖型鈾礦鐳氡平衡系數測量規程［S］.2008

［6］ EJ/T 1030-1996鈾礦射氣系數測定規范［S］.1997

［7］ EJ/T 1158-2002地浸砂巖型鈾礦取樣規范［S］.2003

Calculation of Radium-Radon Radioactive Equilibrium Coefficient of the Wukuerqi in-situ Leaching Sandstone-Type Uranium Deposit

LUO Yi
（Sichuan Institute of Uranium Geology， Chengdu 610061）

This paper makes an approach to calculation methodology of radium-radon radioactive equilibrium coefficient of the Wukuerqi in-situ leaching sandstone-type uranium deposits in Xinjiang. The resultant parameters provide scientific base for correction of radioactivity logging， determination of cut-off grade and resources/reserves estimation.

in-situ leaching sandstone-type uranium deposit； Ra-Rn radioactive equilibrium coefficient；calculation； Wukuerqi

P619.14；P631.6

A

1006-0995（2015）04-0562-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.04.019

2015-01-14

羅義（1981-），男，四川成都人，工程師，從事放射性地球物理勘探