深部元素地氣遷移的分量化探證據(jù)：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(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng)421001；2.衡陽(yáng)市核燃料循環(huán)地質(zhì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南衡陽(yáng)421001；3.東華理工大學(xué)放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330013）

20世紀(jì)80、90年代，瑞典學(xué)者Kristiansson K和Malmqvist L［1-3］首次提出地氣理論，隨后，我國(guó)童純菡等［4-5］、王學(xué)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(zhì)是以納米微粒的形式存在，通過(guò)模擬遷移試驗(yàn)驗(yàn)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(shù)，提高了該方法的工作效率。此后地氣法被廣泛應(yīng)用于尋找深部隱伏金屬礦產(chǎn)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(chǔ)，通過(guò)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(guó)北方砂巖型鈾礦和南方粵北長(zhǎng)排地區(qū)進(jìn)行了找礦前景預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，圈定出了鈾分量異常帶靶區(qū)；李文平等［17］、趙丹等［18］、姜濤等［19］、劉國(guó)安等［20］、王丙華［21］等學(xué)者在分量化探法的基礎(chǔ)上結(jié)合傳統(tǒng)放射性找礦方法（γ能譜測(cè)量、土壤Rn測(cè)量）進(jìn)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(guò)多元分析法分析鈾及其伴生元素的運(yùn)移方式，結(jié)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(qū)，曾有少量鉆探工程發(fā)現(xiàn)有隱伏的U-Pb-Zn多金屬礦體，是一個(gè)潛在的成礦遠(yuǎn)景區(qū)。近年來(lái)，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(duì)該地區(qū)進(jìn)行了研究，在該區(qū)域鈾礦靶區(qū)圈定方面取得了一定的進(jìn)展。分量化探技術(shù)是采集地表B層土壤，對(duì)其進(jìn)行元素分量提取，可反映深部成礦物質(zhì)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(shù)的基礎(chǔ)上，利用多元分析方法（相關(guān)分析、聚類分析等）探究表層土壤元素分量之間的關(guān)系，再通過(guò)對(duì)元素分量曲線圖和地質(zhì)剖面圖的綜合分析，證實(shí)表層土壤元素分布規(guī)律與深部鈾礦化之間的潛在聯(lián)系，為該區(qū)進(jìn)一步開(kāi)展找礦勘查工作提供理論依據(jù)。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

金獅嶺鈾多金屬礦區(qū)出露的地層主要有震旦系淺變質(zhì)砂巖、板巖、凝灰質(zhì)長(zhǎng)石砂巖；泥盆系中統(tǒng)跳馬澗組砂巖，棋梓橋組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r；上統(tǒng)佘田橋組泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r，錫礦山組泥質(zhì)灰?guī)r和碎屑巖，其中棋梓橋組灰?guī)r是主要的含礦地層（圖1）［26］。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主體構(gòu)造為近SN向的金獅嶺向斜，發(fā)育NE向、SN向、NW向、EW向等多組斷裂，這些斷裂構(gòu)造相互交切、貫通，為礦區(qū)巖漿侵入和含礦流體運(yùn)移與匯集成礦起到了極其重要的作用。金獅嶺礦區(qū)內(nèi)雖然沒(méi)有大規(guī)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(guān)的千里山燕山期花崗巖體［26］。

2 樣品采集與元素分量測(cè)試

2.1 樣品采集與加工

考慮到鈾鐳含量對(duì)土壤氡濃度的貢獻(xiàn)，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(diǎn)距為20 m，采樣的質(zhì)量控制在200～300 g。將野外采集的土壤樣品在陰涼干燥的環(huán)境下風(fēng)干3～5 d，避免陽(yáng)光照射，確保樣品沒(méi)有受到污染，然后用木槌碾碎，裝袋保存。為了解鈾等目標(biāo)元素的粒度分布情況，在3條測(cè)線上各選擇了1個(gè)土壤氡濃度異常區(qū)的樣品進(jìn)行粒度試驗(yàn)。將樣品攪拌均勻后，分成8等份，分別過(guò)40、60、80、100、120、140、160、180目篩，消解至溶液，然后用ICP-MS測(cè)定元素含量。不同粒度土壤樣品鈾含量分析結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知：粒徑小于60目時(shí)，土壤中鈾含量達(dá)到最高值。因此，對(duì)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(cè)試

本研究所有樣品分量測(cè)試是在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究中心完成，測(cè)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(guò)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(jìn)行測(cè)試，分析儀器為賽默飛ELEMENT/XR高分辨率電感耦合等離子體質(zhì)譜儀［16-18］。

3 結(jié)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(gè)剖面的U分量地球化學(xué)異常特征參數(shù)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(jié)合前人鉆探成果分析發(fā)現(xiàn)，3#剖面有UPb-Zn多金屬隱伏礦體分布，可見(jiàn)U分量異?？捎行е甘旧畈康V化信息。

3.2 U分量相關(guān)分析

為尋求研究區(qū)隨鈾元素遷移的伴生元素，對(duì)采自上述3個(gè)剖面的147件樣品中包含20種元素的分量數(shù)據(jù)進(jìn)行了Pearson相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)矩陣見(jiàn)表2。當(dāng)樣品數(shù)目為147時(shí)，考慮較高的可靠性，取置信度為99%，相關(guān)系數(shù)的臨界值為0.217，說(shuō)明大于該臨界值的元素具有顯著的相關(guān)性。表2中顯示與U分量顯著相關(guān)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(cè))上顯著相關(guān)；*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.3 土壤元素分量聚類分析

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行z-score標(biāo)準(zhǔn)化，而后用SPSS軟件對(duì)20種元素進(jìn)行R型聚類分析，選擇最遠(yuǎn)鄰元素和歐氏距離進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果如圖3所示。根據(jù)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(wěn)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(qiáng)，易與硫離子形成共價(jià)鍵；Cs作為堿金屬元素，單獨(dú)為一類，反映堿交代作用與深部鈾礦體密切相關(guān)。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(guò)程中與U密切相關(guān)。

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(guān)系數(shù)較高的Be、Ni、Nd、Sm、Ta、U等元素的分量數(shù)據(jù)，對(duì)采自3#和8#剖面的樣品進(jìn)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(shí)，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(shí)，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(jìn)一步劃分，當(dāng)歐氏距離為8時(shí)，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(zhì)綜合剖面分析

根據(jù)上述相關(guān)分析和聚類分析結(jié)果可知，與U分量密切相關(guān)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(fā)現(xiàn)Nd、Sm、Ta與U分量曲線高度吻合，故選取Nd、Sm、Ta進(jìn)行進(jìn)一步分析；在已有的鉆孔剖面圖基礎(chǔ)上采用AutoCAD軟件繪制出本研究3條采樣線的地質(zhì)剖面圖；最后將二者相結(jié)合得出地質(zhì)綜合剖面圖。由于14#剖面U分量異常不明顯，故本研究?jī)H對(duì)3#和8#地質(zhì)綜合剖面（圖6、圖7）進(jìn)行綜合分析。

3#線地質(zhì)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(zhǎng)1 000 m，主要穿越2條近SN向的斷裂帶F1和F2。區(qū)域內(nèi)地層被分為3個(gè)部分，表面出露為第四系混合砂礫土壤。F2斷裂帶西側(cè)地層為泥盆紀(jì)中統(tǒng)跳馬澗組（D2t）砂巖，中間地層為泥盆紀(jì)中統(tǒng)棋梓橋組（D2q）灰?guī)r。F1斷裂帶東側(cè)地層為上元古界震旦系（Z1）淺變質(zhì)板巖。在3#剖面曲線圖上有2個(gè)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(jié)論（28#、29#、30#樣品聚為一類）相對(duì)應(yīng)，兩者異常最大值分別為1 037 ng/g，2 194 ng/g；180 m處為單點(diǎn)異常峰，異常強(qiáng)度不高，580～600 m之間異常強(qiáng)度較強(qiáng)、異常梯度明顯、連續(xù)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(guò)程中產(chǎn)生了偏移所致。

8#線地質(zhì)綜合剖面（圖7）位于金獅嶺鐵帽向北400 m處，剖面總長(zhǎng)1 000 m，穿越了F2和F1斷裂帶，區(qū)域內(nèi)地層與3#剖面一致。在8#線剖面曲線圖上U分量有3個(gè)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(jié)論（6#、7#、4#、5#、2#樣品為一類，11#、12#樣品聚為一類）相對(duì)應(yīng)，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(qiáng)度較高，連續(xù)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(diǎn)異常峰，異常強(qiáng)度不高，深部礦化指示意義不明顯。

上述地質(zhì)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(guān)，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(qū)指示深部鈾礦的地球化學(xué)標(biāo)志。

3.5 土壤U分量與伽馬能譜U含量對(duì)比

伽馬能譜屬于傳統(tǒng)的放射性找礦方法，因其方法高效性、簡(jiǎn)便性被廣泛用于鈾礦勘查。伽瑪能譜測(cè)量是探測(cè)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(cè)量捕獲的元素分量來(lái)至深部，探測(cè)對(duì)象是深部礦體。如果淺部鈾礦體也析出主成礦元素的絡(luò)合物、納米微粒膠體、亞微米、離子物質(zhì)，勢(shì)必會(huì)對(duì)深部鈾礦預(yù)測(cè)產(chǎn)生相關(guān)影響。排除了淺部鈾礦成礦元素對(duì)分量異常的影響，方能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(qiáng)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(qiáng)度不高，因此這應(yīng)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(wú)異常，對(duì)比土壤分量可知，14#淺部至深部均無(wú)鈾礦賦存。

4 結(jié)論

以金獅嶺鈾多金屬礦床為例，對(duì)采集的土壤樣品進(jìn)行了分量提取。通過(guò)進(jìn)行U分量異常特征分析、相關(guān)分析、聚類分析以及土壤U分量與伽馬能譜U含量的對(duì)比分析，得出了以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)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(guò)相關(guān)分析可知，與U分量相關(guān)的元素有Be、Ni、Cu、Zn、Cd、Ba、Nd、Sm、Ta和W，通過(guò)聚類分析進(jìn)一步得出與U分量密切相關(guān)的有Nd、Sm、Ta、Ni，表明該類元素隨地氣遷移過(guò)程中與U密切相關(guān)。

（3）通過(guò)U分量異常地質(zhì)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(qū)指示深部鈾礦體的地球化學(xué)標(biāo)志。對(duì)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(guān)，U分量異常可有效指示深部鈾礦體。

（4）淺部鈾礦也會(huì)對(duì)土壤分量造成影響，在進(jìn)行深部鈾礦預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)排除淺部信息的干擾。通過(guò)對(duì)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(huì)對(duì)分量異常產(chǎn)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(méi)有異常，說(shuō)明淺部至深部均無(wú)鈾礦賦存。