放射性γ測井在稀土礦床勘查中的應用

張劭祺+張云海

摘 要：根據鉆孔巖心取樣分析結果，研究了自然界中常見的三種天然放射性元素與稀土礦床之間的關系，進而驗證了在礦區內進行的放射性γ測井對判斷鉆孔是否見稀土礦和巖心取樣工作具有重要的指導作用。

關鍵詞：稀土礦；放射性元素；放射性γ測井；關系研究

中圖分類號：F299 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0127-03

1 引言

1.1 工作目的

西峽縣太平鎮稀土礦床是河南省首個預測資源量達到中型的工業稀土礦床。在開展深部鉆探揭露工作中，放射性γ測井工作對鉆孔稀土礦層位置的判定和巖心取樣工作有著重要的指導作用。對此，通過對比γ測井測值與鉆孔取樣分析結果，了解礦區深部鉆探放射性元素與稀土礦化之間的關系，進而驗證放射性γ測井對鉆孔巖心取樣工作的指導作用。

1.2 放射性元素概述

在自然界中存在最常見的放射性系列有三個，即鈾系、釷系和鉀元素的同位素40K。它們的共同特點都是原子核不夠穩定，能夠自發的發生衰變并伴隨著放出離子或射線（可以由儀器接收并反映），這種現象稱為放射性衰變，而這些元素稱為放射性元素。

1.3 稀土元素

稀土，或稱稀土元素，是元素周期表中鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、钷（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu）15種元素和與鑭系的密切相關的鈧（Sc）、釔（Y）共17種元素的合稱。因天然豐度小，又以氧化物或含氧酸鹽礦物共生形式存在，故叫“稀土”。

1.4 放射性γ測井

放射性γ測井是勘查放射性礦床的一種鉆井地球物理方法。它是用γ測井儀沿井孔測量巖石和礦石的天然γ射線強度，并根據γ場分布來確定所穿過礦層的位置、厚度以及其中放射性元素的含量。

1.5 工作的重要性

稀土具有優良的光電磁等物理特性，其最顯著的功能就是大幅度提高其他材料的質量和性能，組成性能各異的新型材料和產品；是重要的戰略資源，廣泛運用于新能源、新材料、電子信息、航空航天等領域。

本礦床是河南省省首個預測資源量達到中型的稀土礦床，在東秦嶺特別是河南省境內實現了稀土礦床找礦的新突破，本文總結了放射性γ測井在稀土礦床勘查工作中的應用，對尋找同類型礦床有一定的借鑒作用。

2 地質特征

礦區地質特征：太平鎮稀土礦床大地構造位置為北秦嶺（二郎坪群）巖漿島弧。二郎坪群地質體呈NW向楔形夾持于瓦穴子斷裂和朱夏斷裂之間，主要由變質巖和一些花崗巖類侵入體構成。礦區出露地層為下古生界二郎坪巖群大廟組、火神廟組及新生界第四系。礦區內巖漿巖呈侵入狀，在北部出露燕山期老界嶺復式巖體，巖性為中斑中粒～細粒二長花崗巖；南西部出露的是海西期中酸性二長花崗巖；中部為加里東期中酸性斜長花崗巖；東南部為加里東期閃長巖。礦區內斷裂構造發育，大體分為三組：北西向、北西西向、北東向斷裂。其中以北西向斷裂最為強烈，是主要的含稀土礦斷裂構造，已發現有F1、F2、F3三條平行斷裂構造（見圖1）。

礦體特征：稀土礦緊鄰太平鎮西北的大西溝-火神廟一帶，主要賦存在F1、F2、F3斷裂構造帶內，斷裂構造呈NWW向近平行產出，間距60～180m，產狀213°～236°∠59°～83°，有分支復合現象，構造力學性質早期為張性，后期為壓扭性，后期北東向構造對其破壞作用。斷裂大部分位于斜長花崗巖中，部分穿插在火神廟組和二長花崗巖內。礦體以破碎石英-蝕變巖為主，產狀與斷裂產狀基本一致。礦體富集出現在產狀變異處，傾角較陡或平面上轉折處富集明顯。本稀土礦經分析主要由鈰、鑭、釹三種輕稀土元素組成，主要礦物為氟碳鈰礦。礦床平均厚度2.17m，平均品位2.32%，（333）+（334）TR2O3資源量超過10萬噸，達到中型稀土礦床規模。

3 放射性元素與稀土礦之間的關系

在稀土礦物中，138La、176Lu具有天然的極低的放射性（不易為儀器接收），一般含有低的Th、U放射性元素，是異價類質同象所致。由于Th4+、U4+的離子半徑較為接近，易和稀土礦物發生類質同象置換，甚至形成內潛同晶（張培善等，1985），因此在進行礦物鑒定中未見到放射性元素的單礦物或次生礦物。

根據工作進度，在礦區內進行了764件樣品進行了稀土含量分析，對70個鉆孔樣品進行了U、Th含量分析，在前期進行的地表取樣工作中，k元素含量較低，故鉆孔未進行K含量分析。

本區鉆孔樣品稀土礦品位在0.5～4%之間變化，U含量一般在0.3～30ppm之間變化，含稀土礦化時，一般在2～30ppm之間變化，最高57.6ppm；Th含量一般在2～150×10-6之間變化，最高樣品達到208.5ppm，含稀土礦化時，一般在25～150ppm，約每ω（∑REO）1%為Th含量增量為（30～35）ppm（詳見表1）。并做了鉆孔U、Th含量隨稀土含量變化的關系曲線（詳見圖2、圖3）。

另根據分析數據計算了Th/U比值，此數值變化較大，一般為0.62～790。不含礦化的圍巖斜長花崗巖的Th/U在1～6之間，明顯較低；當含有稀土礦化時，一般在9～60之間，最高值790。

4 伽瑪測井工作

4.1 使用儀器

本次使用儀器為上海申核電子儀器廠生產的FD-3019改進型閃爍γ測井儀，工作前在相關部門標定，各項指標符合規范要求。

4.2 工作方法

本次γ測井嚴格按照規范要求，每次測量前對儀器進行了穩定性檢測。測井前用清水沖洗鉆孔排除在鉆進過程中的巖礦粉和放射性元素衰變子體氡產生的放射性污染，沖孔后立即進行伽瑪測井工作，測量點距按照正常地段點距1米，異常地段點距0.1米進行了數據采集，采樣時間5秒。最終經過γ測井反褶積程序將采集的數據轉換為照射量率單位（nC/（Kg*h）），并繪制到鉆孔柱狀圖上（見圖4、圖5）。

4.3 結果分析

通過資料綜合整理，在礦區內施工的13個鉆孔中，有10個鉆孔伽瑪測井工作見到照射量率超過10（nC/Kg*h）的異常段，對應測井異常位置進行了巖心取樣分析，稀土總量全部達到了工業品位（部分樣品因厚度不足1m進行了儲量計算合并變成了邊界礦體）。而其余3個未見礦的鉆孔伽瑪測井也沒有見到異常段（最高照射量率<10（nC/Kg*h）。因此在本項目區，伽瑪測井對鉆孔稀土礦見礦情況和巖心取樣工作有著重要的指示意義。

5 結語

通過以上圖表和數據分析，得出了下面結論：

（1）本礦區放射性元素U含量與稀土礦化呈弱正相關系，但總體來說，U元素含量偏低，未達到U礦化標準。（2）本礦區放射性元素Th含量與稀土礦化呈強正相關系，鉆孔分析每ω（∑REO）1% Th含量增量幅度大，是放射性物探工作在本礦區具有指示意義的根本原因。Th元素易于和稀土礦物發生類質同象置換，甚至形成內潛同晶，因此在肉眼觀測和礦物鑒定中不能見到Th元素單礦物或次生礦物。（3）根據計算Th/U比值，在礦區內發現放射性異常且當存在Th/U比值大于9時，則有可能成稀土礦化。（4）驗證了本礦區伽瑪測井工作對鉆孔稀土礦見礦情況和巖心取樣工作有著指導的意義。當鉆孔伽瑪測井工作見到測值>10（nC/Kg*h）的異常段時，對應位置巖心取樣分析稀土總量全部達到工業品位，當測值<10（nC/Kg*h）時，取樣分析達不到稀土礦化品位。

通過此次研究鉆孔取樣分析結果，了解礦區內放射性元素與稀土礦化之間的關系，也驗證了放射性γ測井工作在稀土礦深部鉆探揭露工作中的指導作用，對尋找同類型礦床有一定的借鑒作用，可以作為在河南省內甚至東秦嶺地區對稀土礦床的勘查一種方法。

參考文獻

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