地面伽馬能譜測(cè)量在鈾礦勘查中的應(yīng)用
——以黑龍江伊春威嶺異常區(qū)為例

王 睿， 李占龍， 林澤付

(1.黑龍江省第五地質(zhì)勘查院，哈爾濱 150090；2.黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，哈爾濱 150036)

0 引言

地面伽馬能譜測(cè)量是探測(cè)陸地介質(zhì)放射的伽馬射線，并依據(jù)射線能量計(jì)算放射性核素含量的方法，尋找放射性異常或放射性增高地段，借以發(fā)現(xiàn)放射性礦床的一種放射性測(cè)量方法[1]。地面伽馬能譜測(cè)量是鈾礦普查的主要方法，它適用于各種地形、地貌和氣候條件。在基巖出露良好和覆蓋層不厚的地區(qū)尤為有利，可以測(cè)定巖(礦)石或土壤中所含鈾、釷、鉀的含量，研究鈾元素遷移、富集與蝕源區(qū)確定、鈾礦床評(píng)價(jià)，圈定鈾異常(礦化)范圍和成礦遠(yuǎn)景區(qū)。實(shí)踐證明該方法很有成效，我國(guó)鈾礦床大都是由地面伽馬測(cè)量發(fā)現(xiàn)的[2]。方法缺點(diǎn)是測(cè)量深度淺，受多種因素影響，鈾異常評(píng)價(jià)工作難度較高。另外自然界中鈾系80%以上的γ射線，都是由鐳及其子體衰變時(shí)所釋放出來(lái)的，能譜測(cè)量的指示元素是鐳而不是鈾，其結(jié)果中的鈾含量也是當(dāng)量鈾含量[3]。在實(shí)際工作中，應(yīng)注重地質(zhì)、地球化學(xué)、地球物理?xiàng)l件等多方面綜合分析，才能做出異常正確的估價(jià)，進(jìn)一步提高和擴(kuò)大了地面伽馬能譜測(cè)量的找礦效果。因此，筆者以伊春威嶺地區(qū)的放射性異常為例，利用伽馬能譜測(cè)量成果數(shù)據(jù)深度挖掘，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件，探討放射性異常成因及鈾成礦前景。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于小興安嶺-張廣才嶺(造山帶)內(nèi)，是黑龍江省最重要的鉛、鋅、銀、鐵、鎢、鉬、金等多金屬共生的成礦帶，地層主要為新-中元古界東風(fēng)山巖群基底變質(zhì)巖，多被后期侵入巖或火山巖侵入覆蓋，致使變質(zhì)地質(zhì)體遭受破壞、零星分布，多呈殘留的小塊地質(zhì)體。變質(zhì)巖以區(qū)域變質(zhì)巖為主，由于受到多期變質(zhì)作用和動(dòng)力、熱接觸變質(zhì)作用疊加，使區(qū)域變質(zhì)巖改造強(qiáng)烈，達(dá)到低-中壓角閃巖相(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)及能譜數(shù)據(jù)點(diǎn)位圖Fig.1 Location of regional geological and the measuring point of energy spectrum data measurement

研究區(qū)內(nèi)，寶泉組上部為紫灰色粉砂泥質(zhì)板巖夾灰白色變余鈣質(zhì)石英砂巖透鏡體及薄層英安玢巖質(zhì)凝灰熔巖；下部為紫灰色粉砂泥質(zhì)板巖夾白色細(xì)粒螢石化大理巖透鏡體及碧玉巖型條帶狀鈣硅質(zhì)巖。于湯旺河斷裂帶東側(cè)呈北西-北北西向分布，傾角48°，受構(gòu)造變質(zhì)作用影響，巖石不同程度變質(zhì)，發(fā)生片理化、片麻化、糜棱巖化。巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，較破碎。侵入巖以晚三疊世正長(zhǎng)花崗巖組(T3ξγ)為主，總體呈灰白-淺肉紅色中細(xì)、中粗粒正長(zhǎng)花崗巖，糜棱巖化花崗巖，巖石變質(zhì)程度較高，糜棱巖化強(qiáng)烈。

晚三疊世正長(zhǎng)花崗巖西部發(fā)育一條北西向糜棱巖化花崗巖脈，原巖為正中細(xì)、中粗粒正長(zhǎng)花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖，受湯旺河斷裂壓扭應(yīng)力作用，巖石發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，并由強(qiáng)烈塑性作用形成糜棱巖化變形，該類(lèi)蝕變與研究區(qū)所處地質(zhì)構(gòu)造背景相符。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)處理方法

研究區(qū)內(nèi)來(lái)源數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2010年—2012年，覆蓋黑龍江省小興安嶺地區(qū)的航空放射性測(cè)量及相應(yīng)的查證工作。采用核工業(yè)航測(cè)遙感中心產(chǎn)ARD多道伽馬能譜儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，能譜儀均通過(guò)國(guó)防科技工業(yè)1313二級(jí)計(jì)量站檢定，各儀器之間具有良好的一致性，相對(duì)誤差均不超過(guò)±5%；儀器穩(wěn)定性好，當(dāng)eU含量≤10×10-6時(shí)，絕對(duì)誤差≤2×10-6，eU含量>10×10-6時(shí)，相對(duì)誤差<20%；Th含量≤15×10-6時(shí)，絕對(duì)誤差≤3×10-6，Th含量>15×10-6時(shí)，相對(duì)誤差<20%；K含量≤5%時(shí)，絕對(duì)誤差≤1%，K含量>5%時(shí)，相對(duì)誤差<20%，所測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量符合規(guī)范要求。

研究區(qū)內(nèi)共完成地面伽馬能譜測(cè)量點(diǎn)4 701個(gè)，測(cè)量數(shù)據(jù)包括U、Th、K及伽瑪總量。測(cè)網(wǎng)密度采用100×20，異常段局部加密采取數(shù)據(jù)。測(cè)線方向采用45°垂直于區(qū)域航放異常帶及主構(gòu)造線走向方向，目的是明確地面伽馬異常范圍，研究鈾元素遷移富集規(guī)律。

3 地面伽馬能譜特征

3.1 巖石伽馬能譜特征

統(tǒng)計(jì)分析小興安嶺北部部分地質(zhì)單元放射性特征參數(shù)(表1)，可以幫助了解研究區(qū)各地質(zhì)單元放射性元素的豐度、離散程度，判定蝕源區(qū)的鈾源情況和目的單元的含鈾性，確定各地質(zhì)單元放射性元素的背景值，為航放異常信息提取提供借鑒[4]。

1)全新統(tǒng)主要分布于湯旺河兩岸及研究區(qū)中部溝谷、地勢(shì)低洼地區(qū)，巖性以腐殖土、坡積砂礫土為主，鈾、釷平均含量低于全區(qū)背景值，鉀含量與背景值相近，鈾、釷標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd和變異系數(shù)Cv低于全區(qū)背景值，鉀標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd和變異系數(shù)Cv高于全區(qū)背景值。

2)砂巖主要分布于湯旺河兩岸，鈾、釷、鉀平均含量、標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd和變異系數(shù)Cv低于全區(qū)背景值。

3)凝灰?guī)r主要出露于研究區(qū)北部侏羅系中統(tǒng)太安屯組及中部奧陶系下統(tǒng)寶泉組地層內(nèi)，其鈾元素平均含量、標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd和變異系數(shù)Cv略高于全區(qū)背景值，釷、鉀平均含量、標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd和變異系數(shù)Cv低于全區(qū)背景值。表明鈾元素在中酸性火山巖地層內(nèi)含量較高，具有一定程度的富集現(xiàn)象，而釷、鉀元素?zé)o富集現(xiàn)象，說(shuō)明火山巖地層中的放射性異常屬于純鈾異常，屬于較好鈾蝕源區(qū)。

4)正長(zhǎng)花崗巖巖體鈾、釷、鉀平均含量高于全區(qū)背景值，標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd和變異系數(shù)Cv低于全區(qū)背景值，表明該區(qū)花崗巖中鈾、釷、鉀含量較高，但分布不均勻，成礦潛力較低。

5)二長(zhǎng)花崗巖在研究區(qū)內(nèi)大面積出露，其鈾、釷、鉀平均含量高于全區(qū)背景值，鈾、釷標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd略高于全區(qū)背景值，鉀標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd低于全區(qū)背景值，三種元素變異系數(shù)Cv低于全區(qū)背景值，表明該區(qū)花崗巖中鈾、釷、鉀含量較高，但分布不均勻，成礦潛力較低。

6)碎裂巖化花崗巖，主要分布于湯旺河兩側(cè)，呈北東向帶狀分布，與區(qū)域主構(gòu)造線方向一致，鈾、釷平均含量、標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd和變異系數(shù)Cv高于全區(qū)背景值，鉀平均含量、標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd和變異系數(shù)Cv低于全區(qū)背景值，表明碎裂巖化花崗巖中鈾、釷含量較高，分布不均勻，存在局部富集現(xiàn)象，尤其湯旺河南段東岸，鈾元素富集明顯，具備成礦潛力。

3.2 伽馬能譜異常特征

本次研究利用公式：

Cv=S/X

(1)

式中：X為平均值；S為標(biāo)準(zhǔn)偏差；Cv為變異系數(shù)。

圖2 威嶺地區(qū)鈾、釷、鉀能譜異常分布圖Fig.2 Gamma anomaly distribution characteristic of uranium, thorium and potassium in the Weiling area(a)鈾元素異常分布圖；(b)釷元素異常分布圖；(c)鉀元素異常分布圖

對(duì)地面伽馬能譜采集到U、K、Th元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出各特征參數(shù)并形成等值線圖(圖2)，其中鈾最高值為18.5×10-6，釷最高值為28.9×10-6，鉀最高值為6.0×10-2。

鈾異常暈總體呈北西向帶狀沿湯旺河?xùn)|岸展布，規(guī)模較大，空間分布特征明顯。異常伴有鈾高暈、偏高暈，異常暈下限計(jì)算(表2)。異常總體寬150 m～700 m，長(zhǎng)約3 100 m，賦存于奧陶系中統(tǒng)寶泉組(O1-2b)與晚三疊世正長(zhǎng)花崗巖組(T3ξγ)接觸部位內(nèi)的北西-南東向片麻狀花崗巖體內(nèi)，其在空間分布是朝著構(gòu)造活動(dòng)和巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈的地方集中，而含量中等或者較低的侵入體，則處于構(gòu)造活動(dòng)較平靜的區(qū)域。

4 能譜特征參數(shù)

地殼不同類(lèi)巖石中鈾、釷絕對(duì)含量可能差異很大；但Th/U比值比較恒定，大約在3～4之間[5]，與中國(guó)沉積層Th/U≈4.4、中國(guó)上陸殼Th/U≈3.1接近[6]，顯示巖漿作用過(guò)程中Th、U具有相似的地球化學(xué)行為。但鈾、釷地球化學(xué)性質(zhì)差異較大，鈾易受后期環(huán)境影響，活化、遷移流失，釷則較穩(wěn)定而保存于原地。局部釷鈾比值的變化是后期構(gòu)造或者熱液活動(dòng)中釷、鈾分離的結(jié)果。低Th/U預(yù)示后期有二次鈾的富集，是成礦有利指示因素；高Th/U則預(yù)示鈾有遷移流失，不利于鈾富集成礦[7]。

古鈾量(Gu)通常指巖石形成時(shí)的鈾含量，在一個(gè)包含鈾遷出、遷入的較大區(qū)域內(nèi)，求得該區(qū)域內(nèi)釷量與鈾量之比，可以反映鈾釷元素未發(fā)生分離時(shí)的初始比值[8]，這樣就可以利用公式計(jì)算出古鈾量。

(2)

表1 巖石伽馬能譜特征統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Characteristics of rock gama-ray spectrum parameters

表2 伽馬能譜異常劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification criteria of gama-ray spectrum

圖3 研究區(qū)地質(zhì)及鈾元素遷移對(duì)比圖Fig.3 The comparison map of geology and uranium migration in the study area(a)研究區(qū)地質(zhì)圖；(b)鈾元素等值線圖；(c)古鈾含量等值線圖

本次工作中，利用ARD多道伽馬能譜儀在研究區(qū)內(nèi)以100 m×20 m的網(wǎng)度進(jìn)行野外測(cè)量，共采集數(shù)據(jù)4 701組，經(jīng)檢查測(cè)量表明數(shù)據(jù)是可靠的。能譜特征參數(shù)Th/U反映了低溫氧化環(huán)境下U、Th分離程度和礦化疊加程度，而本次研究中反應(yīng)U、Th未分離時(shí)的比值采用的是包括本區(qū)在內(nèi)的整個(gè)湯旺河異常帶，總面積19 km2。包括了28%的能譜高場(chǎng)和72%的背景及低場(chǎng)區(qū)，采用了8 263組地面能譜數(shù)據(jù)，計(jì)算出：

(3)

區(qū)域性釷鈾比：

(4)

表3 異常樣品分析結(jié)果Tab.3 The analysis results of abnormal samples

圖4 成礦模式圖Fig.4 Metallogenic model diagram

進(jìn)而求出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的古鈾含量值。

通過(guò)能譜測(cè)量鈾含量與古鈾含量的對(duì)比(圖3)，能反映鈾的遷入、遷出狀態(tài)，快速判斷鈾成礦有利地段。

由圖2可見(jiàn)，鈾異常暈總體呈北西向帶狀沿湯旺河?xùn)|岸展布，異常規(guī)模較大，規(guī)律明顯，鈾含量平均值為29.94×10-6，最高值為70.7×10-6，異常伴有鈾高暈、偏高暈，且范圍較大，總體寬為150 m～700 m，長(zhǎng)約3 100 m，賦存于奧陶系中統(tǒng)寶泉組(O1-2b)與晚三疊世正長(zhǎng)花崗巖組(T3ξγ)接觸部位內(nèi)的北西-南東向片麻狀花崗巖體內(nèi)，呈北西向帶狀分布，異常總體較高，規(guī)模較大，空間分布特征明顯。

通過(guò)圖2(b)、圖2(c)，鈾元素的遷移、富集過(guò)程均局限于糜棱巖化帶內(nèi)，北部巖體內(nèi)古鈾量存在兩處鈾濃集中心A1、A2，對(duì)比現(xiàn)代鈾含量發(fā)現(xiàn)鈾元素在糜棱巖化帶內(nèi)有向南部A異常中心遷移的過(guò)程，而中部巖體古鈾量濃集中心B1則向南遷移至B處。在區(qū)域地質(zhì)背景上，A、B兩處濃集中心均位于糜棱巖化帶與寶泉組斷接觸面附近，表明了富鈾巖漿熱液的遷移活動(dòng)與接觸面處的蝕變作用使后期鈾元素富集的主要成因。

對(duì)地面伽馬異常濃集中心進(jìn)行槽探揭露驗(yàn)證，地質(zhì)背景均為糜棱巖化花崗巖、片麻狀正長(zhǎng)花崗巖。分別在U異常中心采取分析樣品，分析結(jié)果(表3)顯示：鈾含量平均值約為85×10-6，最高值為108.51×10-6；釷含量平均值約為155.93×10-6，最高值為180.32×10-6，與地面能譜測(cè)量結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鈾礦化異常位置基本相符，但分析成果釷鈾比遠(yuǎn)低于地表能譜數(shù)據(jù)，應(yīng)為土壤吸收導(dǎo)致，且土壤對(duì)不同能級(jí)伽馬射線的吸收率存在差異。

5 成因分析

研究區(qū)內(nèi)鈾異常主要在奧陶系中下統(tǒng)寶泉組地層及三疊紀(jì)晚世正長(zhǎng)花崗巖體間的糜棱巖化花崗巖脈上，異常分布受巖體、構(gòu)造控制，且經(jīng)歷了多期疊加改造作用，異常成因主要有以下幾個(gè)方面：

1)區(qū)域上北西、北東向湯旺河斷裂構(gòu)造發(fā)育，筆者認(rèn)為這是一條極為重要的區(qū)域性構(gòu)造，大體上把威嶺地區(qū)分為東西兩部分，自斷裂形成以后，威嶺東、西兩分布的地質(zhì)特征出現(xiàn)了較大的差異，最直觀的表現(xiàn)是東部侵入巖明顯多于西部。東部侵入巖體和鈾異常受斷裂控制，該斷裂主要是繼承古生代發(fā)育的雛形而追蹤發(fā)育，兩側(cè)巖體、巖層中節(jié)理有切割現(xiàn)象，花崗巖均遭破碎，并有熱液活動(dòng)，表明斷裂活動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)且有強(qiáng)烈的繼承性活動(dòng)，具有張扭性特征[6]。

2)區(qū)域上印支期二長(zhǎng)花崗巖、正長(zhǎng)花崗巖依次先后侵入，呈近北東向分布，吞蝕、破壞原始地層及構(gòu)造，促使北東-南西向引張力的加強(qiáng)，切割已形成巖體及地層，同時(shí)受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力影響，產(chǎn)生不同程度變質(zhì)，北西向的糜棱巖化正長(zhǎng)花崗巖表現(xiàn)為由淺、暗色礦物(多為黑云母，少量角閃石)斷續(xù)定向分布形成，有的連續(xù)，由長(zhǎng)英物質(zhì)組成，表明條帶、片麻理是變形與變質(zhì)結(jié)晶幾乎同時(shí)作用下的產(chǎn)物。片麻理表現(xiàn)為巖漿結(jié)晶期的鉀長(zhǎng)石、石英的定向或黑云母的集中定向，反映出擠壓應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)力就位特征。

3)威嶺地區(qū)東部含鈾的糜棱巖化正長(zhǎng)花崗巖體，遭受多期強(qiáng)烈而復(fù)雜的變質(zhì)變形作用(圖4)，其含礦巖體特征具有典型的巖漿巖型鈾礦成因特點(diǎn)，即高硅、堿質(zhì)、鋁和低鈣、鎂的特點(diǎn)，里特曼指數(shù)(δ)：1.79～2.13，為鈣堿性巖石；鋁飽和指數(shù)(ASI)A/CNK>1，為過(guò)鋁質(zhì)巖石[7]。在巖漿演化分異過(guò)程中，晚三疊世正長(zhǎng)花崗巖邊緣相鈾相對(duì)富集，通常而言，鈾礦化體是巖漿演化分異的產(chǎn)物，在侵入過(guò)程中巖漿中鈾元素豐都不斷增加富集，以至于晚期就位的巖漿相對(duì)富鈾，這一點(diǎn)通過(guò)前面古鈾含量可以看出，晚期就位的正長(zhǎng)花崗巖體富鈾，鈾含量分別為5.22×10-6、4.59×10-6，最高值分別為20.90×10-6、22.00×10-6，而在威嶺地區(qū)則是區(qū)域巖漿多期次活動(dòng)的中心，形成了斷裂-花崗巖帶疊加復(fù)式花崗巖體，其中最具有控礦意義的是富鈾巖體與淺變質(zhì)巖體之間的接觸帶，淺變質(zhì)地層、巖體在本文中指的是經(jīng)歷了區(qū)域變質(zhì)作用的寶泉組地層和后期侵入的正長(zhǎng)花崗巖，其分別形成了變質(zhì)石英砂巖、板巖及糜棱巖化正長(zhǎng)花崗巖。 按花崗巖體、地層與成礦構(gòu)造組合形成關(guān)系，可劃分為層斷亞型的線型鈾礦化[9]，表現(xiàn)為線狀構(gòu)造(湯旺河斷裂)-接觸面-裂隙帶組合(糜棱巖化正長(zhǎng)花崗巖帶)。

綜上所述，該區(qū)域內(nèi)花崗巖由于巖漿分異作用，鈾元素背景值較高，經(jīng)北西向糜棱巖化花崗巖脈后期補(bǔ)充侵入及多期次熱液活動(dòng)等完成了鈾的預(yù)富集。另外，北西向的湯旺河斷裂活動(dòng)同樣影響著鈾元素局部富集，其體現(xiàn)為提供了含鈾熱液運(yùn)移通道、存礦空間等，這點(diǎn)從古鈾量和現(xiàn)代鈾含量對(duì)比(圖2)不難發(fā)現(xiàn)，鈾的遷移都是沿著花崗巖接觸帶的微細(xì)斷裂構(gòu)造和北西向次級(jí)斷裂進(jìn)行的。

6 結(jié)束語(yǔ)

1)地面伽馬能譜測(cè)量對(duì)放射性異常反應(yīng)靈敏，在植被覆蓋、巖石出露較差的區(qū)域能夠準(zhǔn)確、快速圈定靶區(qū)，指導(dǎo)地質(zhì)及探礦工程布置。

2)通過(guò)對(duì)能譜數(shù)據(jù)特征進(jìn)一步挖掘，計(jì)算古鈾含量、鈾釷比系數(shù)，能直觀、有效呈現(xiàn)鈾遷移規(guī)律，劃分鈾淋失區(qū)、遷入?yún)^(qū)，約束靶區(qū)勘查范圍。

3)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，對(duì)比異常帶中帶晨明鈾礦點(diǎn)[10]，可以確定在巖漿演化過(guò)程中，鈾向晚期形成的巖體富集，鈾礦化發(fā)生于巖體、巖層接觸帶或與斷裂構(gòu)造的結(jié)點(diǎn)處并隨區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的持續(xù)，巖體內(nèi)有元素發(fā)生二次富集。