深部元素地氣遷移的分量化探證據：以郴州金獅嶺鈾多金屬礦床為例

劉幼建 謝焱石，3 譚凱旋 韓世禮 王 鵬 康春暉1

（1.南華大學資源環境與安全工程學院，湖南衡陽421001；2.衡陽市核燃料循環地質理論與技術重點實驗室，湖南衡陽421001；3.東華理工大學放射性地質與勘探技術國防重點學科實驗室，江西南昌330013）

20世紀80、90年代，瑞典學者Kristiansson K和Malmqvist L［1-3］首次提出地氣理論，隨后，我國童純菡等［4-5］、王學求等［6-7］先后利用透射電鏡和原子力顯微鏡觀察到地氣攜帶的物質是以納米微粒的形式存在，通過模擬遷移試驗驗證了該理論的可行性，并改良了地氣的提取材料和提取技術，提高了該方法的工作效率。此后地氣法被廣泛應用于尋找深部隱伏金屬礦產資源和隱伏斷裂等［8-13］。尹金雙等［14］、葛祥坤等［15-16］以地氣理論為基礎，通過選取合適的提取劑提取土壤中元素的分量信息，建立了尋找深部隱伏鈾礦的分量化探法，并先后在我國北方砂巖型鈾礦和南方粵北長排地區進行了找礦前景預測評價，圈定出了鈾分量異常帶靶區；李文平等［17］、趙丹等［18］、姜濤等［19］、劉國安等［20］、王丙華［21］等學者在分量化探法的基礎上結合傳統放射性找礦方法（γ能譜測量、土壤Rn測量）進行了深部鈾資源找礦研究，并取得了良好效果。賴靜等［22］、劉曉東等［23］、柯信［24］、曹豪杰等［25］分別采用分量化探法提取元素分量中的成礦信息，通過多元分析法分析鈾及其伴生元素的運移方式，結合鈾分量剖面指示了深部鈾礦的賦存信息。

金獅嶺鈾多金屬礦床位于湖南省郴州市東坡礦田南部的瑤山地區，曾有少量鉆探工程發現有隱伏的U-Pb-Zn多金屬礦體，是一個潛在的成礦遠景區。近年來，吳文博等［26］、郭岳岳等［27］分別采用伽馬能譜和氡濃度等方法對該地區進行了研究，在該區域鈾礦靶區圈定方面取得了一定的進展。分量化探技術是采集地表B層土壤，對其進行元素分量提取，可反映深部成礦物質隨地氣向上遷移的信息。本研究以金獅嶺鈾多金屬礦床為例，在分量化探技術的基礎上，利用多元分析方法（相關分析、聚類分析等）探究表層土壤元素分量之間的關系，再通過對元素分量曲線圖和地質剖面圖的綜合分析，證實表層土壤元素分布規律與深部鈾礦化之間的潛在聯系，為該區進一步開展找礦勘查工作提供理論依據。

1 礦區地質概況

金獅嶺鈾多金屬礦區出露的地層主要有震旦系淺變質砂巖、板巖、凝灰質長石砂巖；泥盆系中統跳馬澗組砂巖，棋梓橋組灰巖、白云質灰巖；上統佘田橋組泥質灰巖、泥質條帶灰巖，錫礦山組泥質灰巖和碎屑巖，其中棋梓橋組灰巖是主要的含礦地層（圖1）［26］。區內地質構造復雜，主體構造為近SN向的金獅嶺向斜，發育NE向、SN向、NW向、EW向等多組斷裂，這些斷裂構造相互交切、貫通，為礦區巖漿侵入和含礦流體運移與匯集成礦起到了極其重要的作用。金獅嶺礦區內雖然沒有大規模的巖漿巖出露，但是其北方10 km處即是與柿竹園超大型鎢錫鉍鉬多金屬礦床密切相關的千里山燕山期花崗巖體［26］。

2 樣品采集與元素分量測試

2.1 樣品采集與加工

考慮到鈾鐳含量對土壤氡濃度的貢獻，本研究選取金獅嶺土壤氡濃度異常明顯的3#、8#和14#線采集土壤樣品。采樣深度為40～60 cm，采樣點距為20 m，采樣的質量控制在200～300 g。將野外采集的土壤樣品在陰涼干燥的環境下風干3～5 d，避免陽光照射，確保樣品沒有受到污染，然后用木槌碾碎，裝袋保存。為了解鈾等目標元素的粒度分布情況，在3條測線上各選擇了1個土壤氡濃度異常區的樣品進行粒度試驗。將樣品攪拌均勻后，分成8等份，分別過40、60、80、100、120、140、160、180目篩，消解至溶液，然后用ICP-MS測定元素含量。不同粒度土壤樣品鈾含量分析結果見圖2。由圖2可知：粒徑小于60目時，土壤中鈾含量達到最高值。因此，對所有樣品均篩選出小于60目的樣品顆粒，取30 g裝入牛皮紙袋。

2.2 元素分量測試

本研究所有樣品分量測試是在核工業北京地質研究院分析測試研究中心完成，測試元素為Be、Ni、Cu、Zn、Nb、Mo、Cd、In、Sn、Sb、Cs、Ba、Nd、Sm、Ta、W、Pb、Bi、Th和U。具體分析流程為：稱取烘干后的試樣2.5 g，置于50 mL燒杯中，加入20 mL提取劑并攪拌均勻，靜置48 h后過濾，濾液用25 mL比色管承接，并用去離子水加至25 mL刻度后搖勻。提取1 mL上述濾液至10 mL比色管中，加入去離子水至10 mL刻度線后搖勻，試液用高靈敏度的ICP-MS法進行測試，分析儀器為賽默飛ELEMENT/XR高分辨率電感耦合等離子體質譜儀［16-18］。

3 結果與討論

3.1 U分量異常特征

本研究采用迭代剔除法求取U分量異常下限。3個剖面的U分量地球化學異常特征參數如表1所示。由表1可知：3#剖面與8#剖面都有較為明顯的U分量異常，最大值分別為2 194 ng/g和2 167 ng/g，異常襯度值分別為1.298和1.403；而14#剖面的U分量異常不明顯。結合前人鉆探成果分析發現，3#剖面有UPb-Zn多金屬隱伏礦體分布，可見U分量異常可有效指示深部礦化信息。

3.2 U分量相關分析

為尋求研究區隨鈾元素遷移的伴生元素，對采自上述3個剖面的147件樣品中包含20種元素的分量數據進行了Pearson相關分析，相關系數矩陣見表2。當樣品數目為147時，考慮較高的可靠性，取置信度為99%，相關系數的臨界值為0.217，說明大于該臨界值的元素具有顯著的相關性。表2中顯示與U分量顯著相關元素有Be（0.311）、Ni（0.419）、Cu（0.221）、Zn（0.458）、Cd（0.207）、Ba（0.308）、Nd（0.465）、Sm（0.492）、Ta（0.491）、W（0.244）。

注：**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關；*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關。

3.3 土壤元素分量聚類分析

對原始數據進行z-score標準化，而后用SPSS軟件對20種元素進行R型聚類分析，選擇最遠鄰元素和歐氏距離進行運算，結果如圖3所示。根據圖3將聚類的20種元素分為4類，第1類為親氧元素Nd、Sm、Ta、Ba、Be、U、Ta、Be，它們與氧形成穩定的離子鍵化合物，易熔于硅酸鹽熔體形成造巖礦物；第2類為Ni，Zn、Th；第3類為親硫（親銅）元素In、Pb、Cu、Nb、Sn、Sb、Mo、Cd、Bi、W，主要是稀有元素和有色金屬元素，與硫親和力強，易與硫離子形成共價鍵；Cs作為堿金屬元素，單獨為一類，反映堿交代作用與深部鈾礦體密切相關。在第1類元素中，與U的歐氏距離最近的元素為Nd、Sm、Ta，表明在元素遷移過程中與U密切相關。

Q型聚類分析可以反映樣品屬性，本研究選擇與U分量相關系數較高的Be、Ni、Nd、Sm、Ta、U等元素的分量數據，對采自3#和8#剖面的樣品進行了分析。3#線樣品Q型聚類譜系如圖4所示。由圖4可知：歐氏距離為10時，49件樣品可分為4類，第1類有13#、15#、17#、18#、11#、20#、5#、19#、3#、6#、1#、43#、44#、46#、47#、48#、49#、23#、26#、8#、16#、2#、14#、21#、45#、7#、12#、4#、22#、10#、25#、24#、9#、27#樣品，第2類有35#、38#、42#、32#、39#、41#、36#、37#、40#、31#樣品，第3類有28#、29#、30#樣品，第4類有33#、34#樣品。

8#線樣品Q型聚類譜系如圖5所示。歐氏距離10時，48件樣品被分為 5類，第1類為 30#、31#、36#、37#、43#、21#、22#、19#、20#、15#、16#、32#、14#、26#、13#、44#、45#、48#、11#、12#、25#、42#、23#、24#、46#、47#、40#、41#、1#、28#、29#、35#、39#、34#、27#、6#、7#、4#、5#、2#，第 2類為 17#、18#、38#，第 3類為 8#、9#、10#，33#和 3#樣品各為一類。進一步劃分，當歐氏距離為8時，第1類又被分為 3小類，30#、31#、36#、37#、43#、21#、22#、19#、20#、15#、16#、32#、14#、26#、13#、44#、45#、48#、11#、12#、25#、42#、23#、24#、46#、47#、40#、41#、1#樣品為一類，28#、29#、35#、39#、34#、27#樣品為一類，6#、7#、4#、5#、2#樣品為一類。

3.4 U分量異常地質綜合剖面分析

根據上述相關分析和聚類分析結果可知，與U分量密切相關的元素有Nd、Sm、Ta和Ni，利用Origin軟件作出上述分量的含量折線圖，發現Nd、Sm、Ta與U分量曲線高度吻合，故選取Nd、Sm、Ta進行進一步分析；在已有的鉆孔剖面圖基礎上采用AutoCAD軟件繪制出本研究3條采樣線的地質剖面圖；最后將二者相結合得出地質綜合剖面圖。由于14#剖面U分量異常不明顯，故本研究僅對3#和8#地質綜合剖面（圖6、圖7）進行綜合分析。

3#線地質綜合剖面（圖6）位于金獅嶺鐵帽向南200 m處，呈NW向，剖面總長1 000 m，主要穿越2條近SN向的斷裂帶F1和F2。區域內地層被分為3個部分，表面出露為第四系混合砂礫土壤。F2斷裂帶西側地層為泥盆紀中統跳馬澗組（D2t）砂巖，中間地層為泥盆紀中統棋梓橋組（D2q）灰巖。F1斷裂帶東側地層為上元古界震旦系（Z1）淺變質板巖。在3#剖面曲線圖上有2個異常峰，分別位于180 m和580～600 m處，與3#剖面Q型聚類分析結論（28#、29#、30#樣品聚為一類）相對應，兩者異常最大值分別為1 037 ng/g，2 194 ng/g；180 m處為單點異常峰，異常強度不高，580～600 m之間異常強度較強、異常梯度明顯、連續性較好，U分量與Nd、Sm、Ta分量異常曲線較為吻合，這是由于已探明的隱伏礦體所致；U分量異常帶向北西方向偏移，可能是由于U分量在隨著地氣向上遷移過程中產生了偏移所致。

8#線地質綜合剖面（圖7）位于金獅嶺鐵帽向北400 m處，剖面總長1 000 m，穿越了F2和F1斷裂帶，區域內地層與3#剖面一致。在8#線剖面曲線圖上U分量有3個異常峰，分別位于20～100 m、220～240 m和700 m處，與8#剖面的Q型聚類分析結論（6#、7#、4#、5#、2#樣品為一類，11#、12#樣品聚為一類）相對應，三者異常最大值分別為 2 167 ng/g，1 526 ng/g，943 ng/g。前兩處的異常強度較高，連續度較好，異常梯度明顯，U分量與Nd、Sm、Ta分量異常曲線較為吻合，這是由于深部鈾及其伴生元素分量隨地氣從F2斷裂帶向上遷移被地表捕獲所致；700 m處為單點異常峰，異常強度不高，深部礦化指示意義不明顯。

上述地質綜合剖面分析表明，U分量異常主要與深部隱伏礦體、斷裂破碎帶有關，U分量含量曲線與Nd、Sm、Ta分量含量曲線高度吻合，U、Nd、Sm、Ta分量異常組合基本可以作為該區指示深部鈾礦的地球化學標志。

3.5 土壤U分量與伽馬能譜U含量對比

伽馬能譜屬于傳統的放射性找礦方法，因其方法高效性、簡便性被廣泛用于鈾礦勘查。伽瑪能譜測量是探測淺表鈾礦最直接的方法，能譜U含量異常值直接反映了淺部鈾礦賦存信息。從理論上講，分量化探測量捕獲的元素分量來至深部，探測對象是深部礦體。如果淺部鈾礦體也析出主成礦元素的絡合物、納米微粒膠體、亞微米、離子物質，勢必會對深部鈾礦預測產生相關影響。排除了淺部鈾礦成礦元素對分量異常的影響，方能準確預測深部隱伏礦體。圖8分別為3#、8#、14#剖面的伽馬能譜U含量曲線圖。分析可知：3#剖面伽馬能譜U含量的異常范圍為550～650 m，異常強度高，與3#剖面土壤U分量異常保持一致，因此，3#剖面土壤U分量異常為淺部已探明的鈾礦所致；8#剖面伽馬能譜U含量的異常范圍為0～200 m，雖然8#剖面土壤U分量異常保持一致，但是伽馬能譜U含量的異常強度不高，因此這應為深部隱伏鈾礦信息隨地氣遷移至地表所致；14#剖面伽馬能譜U含量無異常，對比土壤分量可知，14#淺部至深部均無鈾礦賦存。

4 結論

以金獅嶺鈾多金屬礦床為例，對采集的土壤樣品進行了分量提取。通過進行U分量異常特征分析、相關分析、聚類分析以及土壤U分量與伽馬能譜U含量的對比分析，得出了以下結論：

（1）研究區U分量異常明顯，最大值分別為2 194 ng/g和2 167 ng/g，異常襯度值分別為1.298和1.403，U分量異常可有效指示隱伏礦化信息。

（2）通過相關分析可知，與U分量相關的元素有Be、Ni、Cu、Zn、Cd、Ba、Nd、Sm、Ta和W，通過聚類分析進一步得出與U分量密切相關的有Nd、Sm、Ta、Ni，表明該類元素隨地氣遷移過程中與U密切相關。

（3）通過U分量異常地質綜合剖面分析可知，U分量曲線與Nd、Sm、Ta分量曲線高度吻合，U、Nd、Sm、Ta分量異常組合可作為該區指示深部鈾礦體的地球化學標志。對比淺部已探明的鈾礦信息可知，U分量異常主要與深部隱伏礦體、斷裂破碎帶有關，U分量異常可有效指示深部鈾礦體。

（4）淺部鈾礦也會對土壤分量造成影響，在進行深部鈾礦預測時，應排除淺部信息的干擾。通過對比土壤U分量與伽馬能譜U含量分量可知，3#線分量異常為淺部已探明的鈾礦所致，淺部鈾礦也會對分量異常產生影響；8#線分量異常是由深部鈾礦隨地氣沿F2斷裂帶遷移至地表形成疊加所致；14#線土壤分量與伽馬能譜含量均沒有異常，說明淺部至深部均無鈾礦賦存。