二連盆地哈達(dá)圖鈾礦床綜合物化探特征及找礦意義

石連成,張 翔,楊玉勤,韓鵬輝,牛家驥,盧亞運(yùn),周宗杰,沈正新

(1.核工業(yè)航測遙感中心,河北石家莊 050002；2.鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北石家莊 050002；3.河北省航空探測與遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北石家莊 050002)

0 引言

二連盆地作為我國砂巖型鈾礦勘查的重要基地，隨著鈾礦勘查工作的不斷深入，發(fā)現(xiàn)新露頭和淺表礦的機(jī)會(huì)逐漸減少。砂巖型鈾礦體埋深多大于100 m，其上部沉積覆蓋物較厚，地表找礦信息微弱，導(dǎo)致傳統(tǒng)放射性找礦方法，如地質(zhì)剖面測量、地面伽馬總量測量、土壤地球化學(xué)測量、車載伽馬能譜測量等無法直接提供有效找礦信息(劉武生等，2015；石連成等，2019)，更不易圈定成礦有利地段、指導(dǎo)找礦。為此，大量學(xué)者對盆地內(nèi)砂巖型鈾礦開展了地電化學(xué)、金屬活動(dòng)態(tài)、地氣等深穿透地球化學(xué)測量實(shí)驗(yàn)(羅先熔，1996；王學(xué)求等，2005；王光輝等，2000；唐金榮等，2007；柯丹等，2016a,b；劉洪軍等，2017；孫彬彬，2017；徐善法等，2017；劉漢糧等，2018)，并認(rèn)為深部鈾礦體上方多伴隨單元素或多元素異常，可為圈定找礦有利地段提供依據(jù)。

前人針對哈達(dá)圖開展了礦床地質(zhì)、礦床地球化學(xué)及礦物學(xué)的研究，大致查明礦床特征、礦體展布形態(tài)、成礦類型、鈾賦存形態(tài)及找礦方向(聶逢君等，2015；康世虎等，2017；劉波等，2018；袁曉華，2018；張峰，2018；劉武生等，2020；呂永華等，2021)。并對該礦床開展了土壤地球化學(xué)掃面技術(shù)、化探異常源示蹤與判別、土壤活動(dòng)態(tài)鈾等勘查技術(shù)方法研究(康歡等，2019;康歡，2020；王勇等，2020；張必敏等，2020；竇備等，2021)，認(rèn)為深部鈾礦體上方多出現(xiàn)鈾異常，但是多為某一種或兩種探測方法的使用及特征分析，存在采樣點(diǎn)距較大等問題。此外，因?yàn)槲椿谠摰V床的地質(zhì)、航磁航放特征分析，對識(shí)別、提取礦體上方的有利航放信息/異常開展綜合物化探測量，也有一定的不確定性。

如何選擇物化探組合技術(shù)有效查明覆蓋區(qū)航放異常/弱信息與深部富鈾地質(zhì)體的關(guān)系，為圈定隱伏鈾礦找礦有利地段提供依據(jù)，是地質(zhì)工作者目前的重要課題之一(石連成等，2019，2021；陳江源等，2020；黃建樂等，2021)，也是本文的主要研究目標(biāo)。因此，本文基于二連盆地哈達(dá)圖鈾礦床成礦地質(zhì)及航磁航放特征，開展地面伽馬能譜、土壤氡濃度測量，并引入在隱伏鈾礦勘查中具有較好效果的地電化學(xué)測量方法，論述并分析其組合物化探特征，討論地電化學(xué)異常成因，為覆蓋區(qū)航放異常有效查證技術(shù)方法研究和隱伏鈾礦勘查提供依據(jù)。

1 礦床地質(zhì)及航磁航放特征

1.1 礦床地質(zhì)特征

哈達(dá)圖鈾礦床位于烏蘭察布坳陷中東部,被北部的巴音寶力格隆起和塔木欽隱伏凸起、西部的東方紅凸起和南部的蘇尼特隆起所夾持?；拙哂邪纪瓜嚅g的特征,受北東向斷裂構(gòu)造控制。

礦區(qū)地表主要為古近系漸新統(tǒng)上腦崗代組(E3s)和始新統(tǒng)伊丁爾曼哈組(E2y)的泥巖、粉砂巖及松散砂礫層(圖1)。據(jù)鉆孔資料顯示，礦區(qū)地層自下而上為下白堊統(tǒng)賽漢組(K1s)、二連組(K2e)和古近系(E)(張鋒，2018)。

圖1 內(nèi)蒙古哈達(dá)圖地區(qū)地質(zhì)簡圖(圖a據(jù)聶逢君等，2015；圖c據(jù)張峰，2017)

該礦床為古河谷型鈾礦，礦體產(chǎn)于下白堊統(tǒng)賽漢組(K1s)河道側(cè)幫氧化帶前鋒線附近的古河谷灰色砂體中，賦礦巖性為灰色含礫中細(xì)、中粗砂巖。鈾礦體相對穩(wěn)定，在剖面上主要以板狀、透鏡體產(chǎn)出，礦體控制程度低，在走向和傾向上均未控制，產(chǎn)狀基本與賽漢組上段砂體保持一致，略微南傾。主礦體長約 3.2 km，礦體埋深 218.50～355.75 m，埋深從北向南增大；鈾礦體沿北北東和北西向分布的特征也表明了礦化與構(gòu)造的密切關(guān)系(張鋒，2018)。哈達(dá)圖鈾礦床的鈾主要以超顯微狀、顯微狀鈾礦物及其集合體形式吸附在粘土礦物、黃鐵礦及有機(jī)質(zhì)表面，鈾礦物為瀝青鈾礦、鈾石、鈾的磷酸鹽(游偉華等，2015；李偉濤等，2020a，b)。

1.2 礦床航磁航放特征

圖2a航磁ΔT等值線平面圖上,北部礦體主要位于北東向和北北東向展布的中等磁場區(qū),且受北北東向和北向斷裂構(gòu)造控制；南部礦體位于中等磁場區(qū)與弱磁場區(qū)的梯度帶,呈北北東向展布。

圖2b、c航空伽馬能譜總道(TC)和K含量等值線平面圖上,礦體整體位于“外高內(nèi)低”的TC和K含量區(qū)域,TC值一般為8.44 ～9.32 Ur,K含量為1.58%～2.02%,且具有垂直礦體走向“兩高夾一低”的特征。圖2d、e航空伽馬能譜U含量和Th含量等值線平面圖上,礦體及外圍出現(xiàn)多個(gè)北東向、北北東向展布的U和Th高值帶,但是北礦帶上方出現(xiàn)與礦體展布方向一致、且位于礦體南緣的U高值帶,初步分析該高值帶可能為深部鈾礦體的納微米活性鈾及其子體沿?cái)嗔褬?gòu)造向上遷移所引起。

圖2 哈達(dá)圖地區(qū)航空物探綜合信息圖

據(jù)圖2f航空伽馬能譜U含量的熵等值線平面圖可以看出，礦體上方的熵相對較大，且熵的展布特征與礦體一致。此外，圖2f與圖2e相比，對整個(gè)區(qū)域的航空伽馬能譜U含量進(jìn)行信息熵處理后，U含量的相關(guān)特征呈現(xiàn)出了明顯的局部富集。

2 工作方法及數(shù)據(jù)采集

為查明哈達(dá)圖鈾礦的綜合物化探特征及空間關(guān)系,基于航磁航放特征的分析開展了地電化學(xué)、地面伽馬能譜、土壤氡濃度測量,并對地電提取的部分泡塑樣進(jìn)行了掃面電鏡觀測。

地電化學(xué)測量主要包括地電化學(xué)提取裝置的準(zhǔn)備、埋置、取回、測試分析。本次研究采用的是自主研制的便攜式偶極子地電提取儀、極棒連接裝置、高密度聚氨酯泡塑、碳纖維極棒、無紡布袋組成的地電化學(xué)提取裝置。野外采用9 V恒壓模式、供電時(shí)間24 h、極距75 cm、5%濃度的檸檬酸為提取劑、每個(gè)極棒提取劑用量400 mL,極棒埋置深度30 cm。采集的樣品經(jīng)烘干、灰化、消解后采用核工業(yè)航測遙感中心的ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜儀)測試U、Th、Mo、V、Pb含量,測試方法依據(jù)GB/T 14506.30-2010《硅酸鹽巖巖石化學(xué)分析方法》第30部分：44個(gè)元素量測定。掃描電鏡所使用儀器為FEI Nova Nano SEM場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

地面伽馬能譜測量采用ARD多道伽馬能譜儀,采樣時(shí)間60 s,每個(gè)點(diǎn)測兩組數(shù)據(jù)；土壤氡濃度測量測量采用HDC-C環(huán)境測氡儀、土壤氡模式、采樣2 min、測量2 min、抽氣孔深80 cm等參數(shù),每個(gè)點(diǎn)測三組數(shù)據(jù)。

根據(jù)測線垂直于礦體及航放弱信息展布方向的原則,布置了1條長剖面和3條段剖面,線間距200 m,點(diǎn)間距40～60 m,長剖面兩端的地電化學(xué)測量點(diǎn)距為100 m。

3 綜合物化探特征

3.1 地面伽馬能譜特征

據(jù)圖3研究區(qū)地面伽馬能譜總道(TC)、K、U、Th等值線平面圖可以看出，具有北北東向疊加北西向的空間展布特征，可能與礦體受北北東向和北西向構(gòu)造控制有關(guān)。圖3a和圖3b地面伽馬能譜TC、K等值線平面圖上，礦體上方TC和K含量均呈“北東向展布、外高內(nèi)低”的特征，且與礦體的航空伽馬能譜特征一致。

圖3 研究區(qū)地面伽馬能譜TC、K、U、Th含量等值線平面圖

圖3c和圖3d地面伽馬能譜U、Th等值線平面圖上，U與Th整體呈負(fù)相關(guān)特征。圖3c地面伽馬能譜鈾含量等值線平面圖上，礦體對應(yīng)于北北東向展布的高值地段，高值地段主要位于礦體南緣，與礦體上方航空伽馬能譜U含量的特征較一致，且垂直于礦體走向具有“兩邊高中間低”的特征，礦體上方的鈾含量多為(2.06～2.25)×10-6，外圍鈾含量多為(1.73～2.00)×10-6，礦體南緣鈾含量高值地段一般為(2.46～2.62)×10-6。

根據(jù)對礦體上方及外圍地面伽馬能譜鈾含量的分析認(rèn)為，按平均值+3倍均方差的處理方法不能有效識(shí)別覆蓋區(qū)礦致航放弱信息。

3.2 土壤氡濃度特征

通過平均值X、標(biāo)準(zhǔn)偏差S統(tǒng)計(jì)法，采用逐步刪除異常數(shù)據(jù)(≥X+2S、≤X-2S)的方法，求得研究區(qū)土壤氡濃度(CRn)背景值3712.2 Bq/m3，標(biāo)準(zhǔn)偏差1735.4 Bq/m3，異常下限7182.9 Bq/m3。大于區(qū)域背景值5倍(5X)的稱為異常，X+S≤CRn≤X+2S稱為偏高暈，X+2S≤CRn≤X+3S稱為高暈，X+3S≤CRn≤X+5S稱為異常暈(劉武生等，2015)。

據(jù)圖4a和圖4b土壤氡濃度剖面平面圖與等值線平面圖可知，研究區(qū)的土壤氡濃度整體表現(xiàn)為中部北東向展布的偏高暈、高暈、異常暈，兩側(cè)為背景區(qū)。礦體主要對應(yīng)北東向偏高暈北部的背景區(qū)，礦體南緣北東向展布偏高暈、高暈、異常暈與地面/航空伽馬能譜U含量高值帶對應(yīng)較好，對應(yīng)于哈達(dá)圖鈾礦區(qū)該段礦體的氧化還原過渡帶的位置，表明深部鈾礦體的活性鈾微粒、氡及其子體可能垂向遷移至地表形成地球化學(xué)障。

對研究區(qū)的土壤氡濃度進(jìn)行趨勢面分析后，如圖4c土壤氡濃度剖面平面圖所示。礦體上整體為相對穩(wěn)定的背景區(qū)，土壤氡濃度較低；但是局部存在弱增高的現(xiàn)象，可能與淺表覆蓋物類型及孔隙度有關(guān)；斷裂構(gòu)造發(fā)育地段的氡遷移速率明顯快于無構(gòu)造裂隙發(fā)育地段。然而在深部存在鈾礦體時(shí)，礦體上方的土壤氡濃度會(huì)出現(xiàn)微弱的增高。

結(jié)合野外地表覆蓋物類型及孔隙度的差異，對研究區(qū)東北部的北西向團(tuán)塊狀異常趨勢面分析后，土壤氡濃度剖面平面圖與等值線平面圖展示如圖4c和圖4d，即礦體上方的土壤氡濃度以低值為主，且在礦體邊緣及鄰區(qū)形成高值帶或異常帶。

圖4 研究區(qū)土壤氡濃度剖面平面圖及等值線平面圖(a、b為據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)制圖,c、d為趨勢面分析后制圖)

3.3 地電化學(xué)特征

通過統(tǒng)計(jì)軟件對研究區(qū)169件地電提取泡塑樣的原始數(shù)據(jù)中各元素的最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、背景值、變異系數(shù)及異常下限進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。由表1可知,U、Mo變異系數(shù)(0.23、0.22)較一致,V的變異系數(shù)(0.41)最大,Th、Pb變異系數(shù)(0.19、0.18)較一致。

表1 哈達(dá)圖鈾礦地電化學(xué)提取數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表(n=169)Table 1 Statistics of geoelectrochemical extraction in theHadatu uranium deposit(n=169)

從圖5研究區(qū)地電化學(xué)提取U、Pb、Mo、Th、V含量等值線平面圖可知,鈾礦體或礦化地段對應(yīng)于地電化學(xué)鈾(CHIM-U)北東向展布的高值區(qū)、地電化學(xué)鉬(CHIM-Mo)北東向展布的低值區(qū)、地電化學(xué)釩(CHIM-V)北東向展布的高值區(qū)、地電化學(xué)釷(CHIM-Th)與地電化學(xué)鉛(CHMI-Pb)北東向展布疊加團(tuán)塊狀高值的低值區(qū)。從圖5研究區(qū)U-Th-Mo三原色組合圖可知,礦體主要位于U-Th融合較好的藍(lán)色區(qū)域和U-Th-Mo融合較好的橙綠色區(qū)域。

圖5 研究區(qū)地電化學(xué)提取CHIM-U(a)、CHIM-Mo(b)、CHIM-Th(c)、CHIM-Pb(d)、CHIM-V(e)等值線平面圖及(CHIM-U)-(CHIM-Th)-(CHIM-Mo)三原色組合圖(f)

根據(jù)對主礦體地電化學(xué)特征的分析,初步分析西北部兩個(gè)礦化孔中間夾持的U高值區(qū)、Pb團(tuán)塊狀高值區(qū)、Mo低值區(qū)、V高值區(qū)、Th的高低值過渡區(qū)可能具有較好的找礦潛力。主礦體南部北東向展布的U中高值帶、Pb高值帶、Mo高值帶、Th高值帶可能為鈾礦體北東向控礦斷裂構(gòu)造的反應(yīng)。此外,礦體上方為CHIM-U含量高值帶、CHIM-Mo低值帶,但礦體南緣出現(xiàn)CHIM-Mo高值帶/異常帶的特征與砂巖型鈾礦上方水文地球化學(xué)、巖石地球化學(xué)U、Mo元素的空間分布規(guī)律一致,即U異常出現(xiàn)在氧化還原過渡帶(鈾礦體)正上方,Mo異常出現(xiàn)在靠近礦體的還原帶,并且與哈達(dá)圖礦床該礦段礦體的鈾及伴生元素Mo的分析結(jié)果一致。

4 討論

4.1 地電化學(xué)異常成因

深部鈾在氧化條件下可長距離遷移至地表被粘土礦物所吸附的研究突破，為隱伏砂巖型鈾礦開展深穿透地球化學(xué)方法提供了依據(jù)(羅先熔，1996；唐金榮等，2007；姚文生等，2012；滿榮浩等，2015；柯丹等，2016a)。核工業(yè)北京地質(zhì)研究院在鄂爾多斯盆地大營鈾礦床及二連盆地巴彥烏拉鈾礦床的地電化學(xué)試驗(yàn)研究表明：深部活動(dòng)態(tài)的鈾微粒在多種營力的作用下可遷移至淺地表土壤中，在外加電場的作用下，帶負(fù)電的鈾酰絡(luò)陰離子向正極遷移，帶正電的鈾酰絡(luò)陽離子向負(fù)極遷移，被包裹著提取電極的泡塑所吸附(劉洪軍，2017)。

通過對空白泡塑和不同測線電提取吸附后的泡塑進(jìn)行掃面電鏡觀測(見圖6)，發(fā)現(xiàn)電提取后地電化學(xué)泡塑樣品中吸附了大量納米級(jí)至十幾μm的礦物顆粒，且多為層狀、網(wǎng)狀、團(tuán)塊狀、針狀等形態(tài)各異的粘土礦物，地電提取鈾含量高的泡塑吸附的粘土礦物相對較多。野外地電提取所獲得的鈾至少來源于兩個(gè)部分，即與土壤母巖有關(guān)的次生暈中的鈾、在各種營力作用下深部礦體遷移至地表土壤中的鈾。

哈達(dá)圖鈾礦床的地電化學(xué)鈾異常及高值地段位于礦體正上方,且在外圍形成幅值較低、寬度較窄的中高值條帶；分析研究表明：深部鈾礦體的納米級(jí)(粒徑<1 μm)、微米級(jí)(粒徑1～1.5 μm)鈾礦物在多種地質(zhì)營力的作用下遷移至近地表被土壤中粘土礦物吸附的活性鈾所引起,以垂向遷移為主、沿?cái)嗔褬?gòu)造遷移為輔。因此,地電化學(xué)鈾異常反應(yīng)的主要該地段深部存在富鈾地質(zhì)體,目前不能有效評價(jià)深部富鈾地質(zhì)體是否是鈾礦體。

4.2 綜合剖面特征分析

根據(jù)圖7哈達(dá)圖鈾礦HDT-L1線綜合剖面圖可知,平距100～800 m對應(yīng)的鈾礦體埋深300～360 m,該處地電化學(xué)提取的U、V、Pb含量呈明顯的鋸齒狀強(qiáng)尖峰異常,對應(yīng)于土壤氡濃度、地面伽馬能譜U含量及地電提取Mo含量低值地段,但在平距350～500 m地電提取的各元素的尖峰與地面伽馬能譜U含量及土壤氡濃度的弱尖峰相對應(yīng),表明礦體垂向遷移至近地表活性鈾微粒也可以引起土壤氡濃度和地面伽馬能譜U含量的弱增高。根據(jù)綜合剖面特征分析,平距-400～100 m、1950～2100 m、3300～3460 m處深部仍具有鈾礦化,且剖面南段的1950～2100 m、3300～3460 m處的地電化學(xué)U元素異常與已知鈾礦化孔和礦體對應(yīng)較好,平距-400～800 m處地電化學(xué)U元素異常連續(xù)性較好,推斷與深部鈾礦體的連續(xù)性相關(guān)。

4.3 找礦意義

通過對哈達(dá)圖鈾礦床地質(zhì)特征及航磁特征分析,礦體空間展布受北東向、北西向的斷裂構(gòu)造控制,并處于齊哈日格圖凹陷平穩(wěn)的中等-弱磁場區(qū),研究表明航磁特征可以大致圈定尋找砂巖型鈾礦的有利構(gòu)造單元。

基于礦體特征及航空/地面伽馬能譜特征的分析認(rèn)為,伽馬能譜測量結(jié)果反應(yīng)的是表層覆蓋物中K、U、Th元素的含量,而不是深部礦體及地層的元素含量,不能用來直接圈定砂巖型鈾礦找礦有利區(qū)。但是,礦體及礦區(qū)的航空能譜U含量的熵值相對較大,并在礦體及控礦斷裂上方存在伽馬能譜U含量的帶狀弱增高現(xiàn)象,且控礦斷裂上方的U含量更高。

哈達(dá)圖鈾礦上方的土壤氡濃度整體表現(xiàn)為低值,由于氡及其子體具有沿?cái)嗔褬?gòu)造遷移能力強(qiáng)的特點(diǎn),且容易受淺地表覆蓋物的孔隙度、濕度、鈾含量等因素影響。因此,土壤氡濃度測量結(jié)果主要反映的是淺地表氡及其子體濃度、斷裂構(gòu)造和裂隙帶的發(fā)育情況,對于直接揭示深部鈾礦化存在局限性。

通過對埋深300～360 m的鈾礦體及礦致航放弱鈾信息開展地面伽馬能譜、土壤氡濃度、地電化學(xué)測量及綜合特征的研究表明：埋深大于300 m的鈾礦體在地表仍可以形成CHIM-U高值帶與異常,CHIM-Mo主要分布于氧化還原前鋒線與還原帶的接觸部位,土壤氡濃度、地面伽馬能譜鈾含量、CHIM-Th、CHIM-Pb的高值帶和異常帶受斷裂構(gòu)造控制明顯。

綜合研究表明：地電化學(xué)、地面伽馬能譜、土壤氡濃度的組合測量技術(shù)可以有效查明航放弱信息的成因及其與深部鈾礦體的空間關(guān)系,并為隱伏砂巖型鈾礦勘查找礦有利地段的圈定提供依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)哈達(dá)圖鈾礦體的地電化學(xué)鈾異常主要為深部鈾礦體的納微米級(jí)鈾礦物垂向遷移至近地表被土壤中粘土礦物吸附所引起。

(2)鈾礦體在平面上為與礦體展布方向一致的地電化學(xué)U含量的高值區(qū)和Mo含量的低值區(qū),在剖面上U含量呈鋸齒狀尖峰異常。

(3)地電化學(xué)測量方法能夠查明埋深大于300 m礦體的平面分布特征。

(4)隱伏砂巖型礦區(qū)及礦體的航空伽馬能譜U含量的熵值相對較大。

(5)地電化學(xué)、地面伽馬能譜、土壤氡濃度的組合測量與評價(jià)能夠有效查明覆蓋區(qū)航放弱信息的成因及其與深部鈾礦體的空間關(guān)系,為隱伏砂巖型鈾礦勘查找礦有利地段的圈定提供依據(jù)。