活性炭吸附測氡法在北秦嶺柳樹灣鈾礦床勘查中的應用

劉行，曲凱，尹青青，司馬獻章，溫國棟，張盼盼，閆國強，張超

（1.中國地質調查局天津地質調查中心，天津 300170；2.中鋼集團天津地質研究院有限公司，天津 300181；3.河南省核工業(yè)地質局，河南 鄭州 450044）

氡（Radon），是一種化學元素，符號Rn。已知同位素有27 種，其中最穩(wěn)定的同位素222Rn 是226Ra 的衰變產物，而226Ra 則是238U 的衰變產物。氡通常的單質形態(tài)是氡氣，有很強的擴散能力，因此氡氣適合做放射性元素的示蹤劑［1］。不同物質吸附氡氣的程度不同，其中屬活性炭、煤、橡膠等對氡氣的吸附能力最強。因此活性炭吸附法測氡（以下簡稱活性炭法測氡）在鈾礦勘查過程中常被用作一種方便、有效的放射性探測方法，其具有精度高、靈敏度高、探測深度大、抗干擾能力強以及操作簡單等諸多優(yōu)點，在砂巖型、火山巖型以及花崗巖型等多種類型的鈾礦找礦中均得到了廣泛應用，且取得了明顯的找礦效果［2-7］。

20 世紀以來，北秦嶺東段灰池子巖體外圍相繼發(fā)現了陳家莊、光石溝、小花岔、土地嶺等多個偉晶巖型鈾礦床［8-12］，但這些鈾礦床大都分布在陜西境內，而具有相同成礦地質條件的河南境內直到近年柳樹灣偉晶巖型鈾礦床的發(fā)現方才取得突破。在前期的找礦勘查過程中，由于部分地段第四系覆蓋較厚，地表出露的含礦偉晶巖脈并不連續(xù)，為該地區(qū)鈾礦找礦勘查部署帶來一定困難。本文重點介紹了活性炭法測氡在柳樹灣地區(qū)找礦勘查中的應用:通過對發(fā)現的氡濃度異常點進行鉆探驗證表明，氡濃度異常均為礦致異常，與深部含礦偉晶巖密切相關，能夠很好的反映出隱伏偉晶巖的鈾礦化信息。說明活性炭法測氡可以為確定鈾礦找礦有利地段，特別是鉆探工程布置提供依據，對本區(qū)花崗偉晶巖型鈾礦深部找礦具有重要的指導意義。

1 地質概況及鈾礦化特征

1.1 地質概況

研究區(qū)位于河南省盧氏縣獅子坪鄉(xiāng)柳樹灣地區(qū)，大地構造上處于北秦嶺造山帶東段，華北板塊與揚子板塊碰撞的接觸地帶（圖1）。區(qū)內褶皺發(fā)育，巖漿活動頻繁，廣泛發(fā)育有早古生代加里東晚期Ⅰ型花崗巖與海西早期偉晶巖，是我國重要的花崗偉晶巖分布區(qū)和鈾及三稀等關鍵礦產成礦區(qū)［13-18］。

區(qū)內出露地層為中元古界峽河巖群寨根巖組（Pt2z），巖性為黑云斜長片巖（或片麻巖），灰黑色，中粒變晶結構，片麻狀構造，成分以石英、長石、黑云母為主，暗色礦物含量高。出露的侵入巖主要為灰池子巖體及其外圍花崗偉晶巖，灰池子巖體巖性主要為加里東晚期的黑云母花崗巖和海西早期的二長花崗巖。巖體外圍自內向外依次分布有黑云母花崗偉晶巖、二云母花崗偉晶巖和白云母花崗偉晶巖［19］。這些花崗偉晶巖分布于灰池子巖體外接觸帶中元古界峽河巖群寨根巖組的黑云斜長片巖及片麻巖中，在近巖體接觸帶部位，偉晶巖脈較密集，規(guī)模較大，具有明顯的分帶性，整體走向為NW-SE 向，呈脈狀、囊狀、透鏡狀、似層狀與接觸帶相互平行分布［20-21］（圖2）。

圖1 北秦嶺東段區(qū)域地質簡圖（據張盼盼等，2017 修改）Fig.1 Geological sketch of the eastern part of Northern Qinling（modified after Zhang et al.，2017）

1.2 鈾礦化特征

區(qū)內鈾礦化主要賦存于富含黑云母并且鉀化較強的花崗偉晶巖中。受灰池子巖體與峽河巖群的接觸帶控制，含鈾黑云母花崗偉晶巖產出于灰池子巖體外接觸帶附近0～300 m范圍內。偉晶巖脈平行接觸帶產出，呈NWSE 向展布，傾向NE，傾角56°～88°。

圖2 柳樹灣研究區(qū)平剖圖Fig.2 Sketch geology map and measured radon profiles in Liushuwan study area

礦石的結構主要為文像偉晶結構和粗粒花崗偉晶結構，塊狀構造。主要礦物成分為石英、鉀長石、斜長石和黑云母，可見晶質鈾礦、鈾釷石等鈾礦物。石英呈煙灰色，礦物粒度較大，鉀長石呈他形粒狀，表面因黏土化，多見條紋長石，部分顆?？梢姼褡訝铍p晶。斜長石呈他形粒狀，分布不均勻，被絹云母、黏土礦物等交代。黑云母含量較高，且黑云母常呈團塊狀分布于巖石中。與鈾礦關系密切的蝕變主要有硅化、鉀化、黃鐵礦化、高嶺石化及綠簾石化。

2 測量原理及測線布置

由于鈾的性質較活躍，極易發(fā)生遷移和沉淀，導致鈾的局部富集和貧化，研究區(qū)地表出露的含鈾偉晶巖長時間受河流、雨水沖刷導致地表鈾含量較低，并且區(qū)內第四系覆蓋較厚，導致常規(guī)地面伽馬總量測量方法在覆蓋區(qū)很難發(fā)揮作用。埋藏在地下深部的鈾礦體，其中所含的鈾經過放射性衰變形成的氡通過裂隙等通道向上遷移到達地表，因此深部的鈾礦化信息可以通過氡氣測量的方法指示出來。

活性炭吸附法測氡是一種靜態(tài)、累積的測氡方法。將活性炭吸附器埋于地下一段時間使其吸附一定量的222Rn 及其衰變子體，然后取出吸附器并將其放入活性炭測氡儀中進行測量，測量氡衰變子體放射出γ 射線的強度，反映出氡氣濃度的高低，從而達到尋找地下隱伏鈾礦體的目的［22-23］。

區(qū)內偉晶巖形成于灰池子巖體與地層接觸帶附近，張性裂隙發(fā)育，為氡氣向上遷移提供了有利的條件。氡濃度異常分布特征可以反映深部鈾礦化信息，為下一步鉆探驗證工作提供依據，從而揭露地下隱伏礦體。本次工作結合區(qū)內鈾成礦特征，在成礦有利地段垂直于偉晶巖走向布置7 條1:10 000 測氡剖面，分別為L7、L8、L9、L12、L13、L16、L24，測線方向為NE45°，每條測線長520 m，測點14 個，測點間距40 m（圖2）。

3 工作方法及數據處理

3.1 測量儀器與“三性檢查”

本次實驗使用的是核工業(yè)北京地質研究院生產的HD-2003 型活性炭吸附測氡儀。主要技術指標:能量閾50 keV；靈敏度≥1.5 s-1（Bq/L）-1；非線性≤10%；重復性相對標準偏差≤10%；穩(wěn)定性相對誤差≤10%；一致性相對誤差≤5%。工作前儀器在石家莊核工業(yè)航測遙感中心核工業(yè)放射性計量勘查站進行了準確性標定，工作期間對儀器進行了重復性測量、穩(wěn)定性測量和一致性測量，上述“三性檢查”是為了確保測量結果的準確性。

1）重復性測量

儀器開機進入正常工作狀態(tài)后，將檢查源置入探頭中，進行1 分鐘定時連續(xù)10 次測量，試驗結果用測量示值的相對標準偏差表示。

重復性計算公式:

式中:RSD—相對標準偏差；S—n 次測量的標準偏差；Xi—單次測量值；次測量的平均值；n—測量次數（n≥10）。

通過計算，本次實驗所用的活性炭吸附測氡儀的重復性相對標準偏差為0.52%，符合《氡及其子體測量規(guī)范2》RSD≤10%的要求。

2）穩(wěn)定性測量

儀器開機進入正常工作狀態(tài)后，將檢查源置入探頭中開始第一組數據的測量，每組測量為1 分鐘定時連續(xù)測10 次，以后每隔1 小時測量一組數據，連續(xù)測量8 小時共得到8 組數據。

穩(wěn)定性計算公式:

式中:S—穩(wěn)定性相對誤差；μ0—第一組數據的算數平均值；Xi—各數據中偏離μ0最大的數值。

通過計算，本次實驗所用的活性炭吸附測氡儀的穩(wěn)定性相對誤差為0.22%，結果符合《氡及其子體測量規(guī)范》S≤10%的要求。

3）一致性測量

為避免自然和人為的因素影響，在研究區(qū)保持相同的條件下選取地面較平坦，放射性元素分布較均勻處，對2 臺活性炭吸附測氡儀進行10 次測定。以各臺儀器測量結果的平均值的平均值為標準，與各臺儀器的平均值進行比較。

一致性計算公式:

通過計算，本次實驗所用的活性炭吸附測氡儀的一致性相對誤差為0.45%，結果符合EJ/T 605—1991《氡及其子體測量規(guī)范》S≤5%的要求。

3.2 野外工作方法

根據工作目的及要求，活性炭吸附器制備、埋入、取出、測定以及數據處理等環(huán)節(jié)嚴格按照儀器使用說明和《氡及其子體測量規(guī)范》操作。具體測量工作步驟如下:

1）活性炭吸附器的組裝:活性炭吸附器為圓形塑料瓶，應選用規(guī)格為φ400 mm×600 mm，組裝時在吸附器中裝入15 g 干燥的活性炭，用絲綿蓋住活性炭后再封裝5 g 干燥劑，最后用絲綿封口阻止活性炭和干燥劑漏出并保持氣體可以流通。每裝好一個瓶，立即擰緊內、外蓋，嚴格密封并編號。

2）挖掘探坑:野外工作小組應由2～3人組成，攜帶必要埋置工具以及記錄工具，采用手持GPS 根據測網布設，到達測點后，首先確定探坑位置。當遇巖石露頭、亂石堆、陡坎、河灘、積水坑、稻田、小路等，可適當移動測點選擇儲氣條件較好的位置布點，并記錄下實際埋入位置。隨后挖掘錐形探坑，探坑深度一般為40 cm，坑口直徑15～20 cm，坑底直徑10～12 cm。坑底鋪平，但不要壓得過于緊實，以確保自然通氣狀態(tài)。挖好探坑后應對探坑進行伽馬測量并做好記錄。

3）放置活性炭吸附器:在活性炭吸附器上標記點、線號，將內、外蓋打開，并倒插在錐形罩杯的圓孔內。罩杯倒置在坑底中央，并用松土壓緊密封（防止翻倒），然后用土掩埋探坑，坑頂的土應壓緊并高出地面以防坑內進水。埋置完成后在旁邊做上記號，方便回收時找到，同時在記錄本上記錄埋入的時間。

4）埋置時間:為確?；钚蕴课狡髦须睗舛冗_到最大值，并且還要考慮生產效率等情況來確定埋置時間。經過試驗測試，研究區(qū)野外埋置活性炭吸附器時間為5 天（避免雨天），氡濃度基本達到飽和狀態(tài)而且有較高的生產效率。

5）回收活性炭吸附器:回收時應按先埋先取的順序進行。取出活性炭吸附器時應避免捏拿瓶子中部，以免瓶子受壓變形將瓶內氡氣擠出。取出后應迅速分離活性炭吸附器和罩杯，立即蓋好內蓋，擰緊外蓋，對瓶蓋密封不嚴的用膠帶粘好以防漏氣，且擦拭干凈，并記錄取出時間。

6）樣品測量:活性炭樣品測量場所應選擇本底較低的環(huán)境。

a.測定底數:活性炭樣品底數N 的測定，是從每批未經野外埋設的吸附器中隨機選取5 個進行測量，每個樣品測定兩次，測量時間為1 分鐘，把5 個樣品的平均值作為該批樣品的底數，底數樣品應妥善保管，嚴禁受到污染。經測量活性炭樣品底數N 為235.7 Bq/m3。

b.樣品測定:樣品從野外取回應在10 小時內測量完畢，每個樣品測定兩次，每次為1 分鐘，取兩次測量的平均值。每個樣品的測量值計為:

式中:N樣—樣品的測值；

N計—樣品兩次測量的平均值；

N—樣品底數值。

3.3 數據處理

為了對研究區(qū)氡濃度異常分布特征進行解釋，結合平均值、標準差與異常值之間的關系進行了數據統(tǒng)計。為避免氡濃度特高值對背景值的影響，在計算時剔除了大于平均值加兩倍標準差的異常值，直至無氡濃度特高值為止，求出最終的平均值與標準差。研究區(qū)的背景值為計算出的平均值，偏高暈下限為平均值加1 倍標準差，高暈下限為平均值加兩倍標準差，異常暈下限為平均值加3倍標準差，異常點下限為5 倍平均值。經過計算各測值見表1。

根據計算結果，可以篩選出研究區(qū)內共有7 個氡濃度異常點，各異常點所在測線、距起點距離和異常值見柳樹灣研究區(qū)氡濃度統(tǒng)計表（表2）。

4 氡濃度異常分布特征及地質解釋

4.1 活性炭吸附法測氡典型剖面分析

研究區(qū)各活性炭法測氡剖面特征與偉晶巖脈的分布特征吻合較好，可以反映出深部鈾礦化信息，以L8 活性炭法測氡剖面為例進行分析。圖3 為L8 線綜合剖面圖，該剖面位于研究區(qū)南東側，由南西向北東穿過接觸帶，剖面長520 m，方向為NE45°。由圖3 可見，L8 線氡濃度值普遍較低，尤其在峽河巖群的黑云斜長片麻巖中反映最低，在二長花崗巖中反映一般，在接觸帶范圍內見兩段異常。氡濃度異常分布在距起點120 m、200 m 處，兩處異常值分別為7 913 Bq/m3、9 299 Bq/m3。在前期進行的地面伽馬放射性測量結果顯示，地表出露的花崗偉晶巖的放射性測量值不高，結合地質物探剖面與活性炭法測氡剖面分析認為，該測氡剖面中兩處氡濃度異常應為深部隱伏的ρ104、ρ105、ρ106 或ρ107 這4條含礦偉晶巖引起的。因此在該剖面上設計深部鉆探驗證應同時揭露這4 條花崗偉晶巖。

在L8 活性炭法測氡剖面上設計施工了鉆孔LZK1001 和LZK1002（圖3）。鉆孔LZK1002揭露了多條偉晶巖脈，其中對應ρ107 與ρ105中見兩個工業(yè)鈾礦體，ρ106 與ρ104 中見多個鈾礦化體。LZK1001 同樣揭露了多條偉晶巖，對應的ρ106、ρ105 和ρ104 都有鈾礦化體產出。鉆探驗證結果表明，活性炭法測氡可以很好的反映出深部鈾礦化信息，該方法可以為尋找偉晶巖型鈾礦提供有利依據，對研究區(qū)深部找礦工作具有重要意義。

4.2 氡濃度異常分布特征及地質解釋

偉晶巖型鈾礦的氡濃度異常有別于砂巖型鈾礦與火山巖型鈾礦，其分布特征與偉晶巖的分布基本一致，氡濃度異常特征可以用平剖圖的形式反映出來（圖2）。經過對測量數據的統(tǒng)計，共圈定出7 個氡濃度異常點，分別位于L8、L12、L16 線上。經分析其氡濃度異常應是深部隱伏含礦偉晶巖脈引起的，其異常主要與ρ104、ρ105、ρ106、ρ107 這四條偉晶巖脈有關。下一步應根據氡濃度異常分布特征選取成礦有利地段進行鉆探驗證工作。

表1 柳樹灣地區(qū)氡濃度異常暈及異常點下限值Table 1 Lower limit value of radon concentration for anomaly spot and haloes in Liushuwan area

表2 柳樹灣礦床氡濃度統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of radon concentration in Liushuwan deposit

圖3 L8 線綜合剖面圖Fig.3 Combined prospecting section of L8 in Liushuwan deposit

本次工作根據異常信息在研究區(qū)內共設計施工了5 個鉆孔（LZK0501、LZK0001、LZK1002、LZK2001、LZK1001），其中4 個鈾工業(yè)孔1 個鈾礦化孔。在ρ104 號脈中圈定出6 個鈾礦化體，ρ105 號脈中圈定出3 個鈾工業(yè)礦體、1 個鈾礦化體，ρ106 號脈中圈定出1個鈾工業(yè)礦體、7 個鈾礦化體，ρ107 號脈中圈定出1 個鈾工業(yè)礦體，取得了很好的找礦效果，同時鉆探驗證結果證明了活性炭法測氡的有效性。

5 結論

研究區(qū)含鈾花崗偉晶巖產出于灰池子巖體外接觸帶0～300 m 范圍內，走向NW-SE，氡濃度異常與偉晶巖分布一致，其形態(tài)與規(guī)模明顯受到偉晶巖控制。活性炭吸附法測氡在柳樹灣地區(qū)的應用結果表明，區(qū)內氡濃度異常與深部的含鈾花崗偉晶巖密切相關，能快速、有效的尋找隱伏含鈾偉晶巖，為鉆探布設提供重要依據，同時鉆探驗證結果證明了該方法的有效性，對于本區(qū)深部花崗偉晶巖型鈾礦找礦具有重要的指導作用。