土壤天然热释光法在蒙古国肯特省哈沙顿道鲁高德地区铀矿勘查中的应用

李业强，杨有泽，肖 昶，荣 耀

（1.内蒙古自治区辐射环境监督站，内蒙古 包头014030；2.河南省核工业放射性核素检测中心，郑州 450002；3.河南省有色金属地质矿产局第五地质大队，郑州 450002）

蒙古国铀矿资源十分丰富，有资料显示，1970年探明铀储量约6万t，而俄罗斯专家认为蒙古国的铀储量已达约12～15万t（2009年蒙古国铀矿资源状况）。本次铀矿预查区位于蒙古国肯特省哈沙顿道鲁高德地区，采用天然土壤热释光法测量进行勘查。国内、外对利用热释光信息进行热液矿床和放射性矿产地质勘查已有过一些报道［1-2］。土壤天然热释光测量方法是指采集地表一定深度的土壤样品，用高灵敏度的热释光测量装置测量样品中天然矿物在漫长地质年代长期接受放射性核素辐照所储存的能量，具有测量地质事件时间长、灵敏度高、短期干扰因素（气象等）小等特点，而且土壤天然热释光测量方法能比较好地显示深部铀矿的异常［3］，是一种快速、有效、切实可行的攻深找盲方法［4-6］。

1 土壤天然热释光找矿原理和测量方法

1.1 找矿原理

热释光是指某些物质经过放射性辐照后，以某种能量的形式储存于物质中，当物质经过加热，储存的能量将以发光的形式释放出来的一种物理现象。土壤中含有大量的石英（SiO2）和方解石（CaCO3）等， 该类物质具有这种特性：受辐照后获得的能量，在没有外来能量激发的情况下，可长期滞留在晶体的缺陷中［6］，随着时间的推移，其数量不断增加。当加热晶体时，它们获得的能量从缺陷中逸出，并快速复合以可见光或紫外光的形式释放能量。在线性剂量范围内，晶体中热释光强度与所接受的辐射剂量成正比，样品释放的热释光强度反应了空间辐射场的强弱，这种辐射场主要是由铀、钍及其子体核素和钾所引起。因此，研究热释光强度的空间分布范围和特征，即可了解辐射体的情况，从而达到铀矿找矿的目的［7］。

1.2 测量方法

按照土壤地球化学规范（DZ/T 0145—1994）的要求，设计铀矿预查区测量线25条，在选取的测线上采集2 289个土壤样品，每个测点取样150～230 g，对样品进行筛选，等质量分装，并编号储存（图1）。每个样品测量2～3次，求其平均值作为测量结果。

2 实验部分

2.1 实验仪器

本次勘查工作使用的是FJ427A1型微机热释光剂量计（读出器），仪器采用最新设计的单片机和液晶显示器组成操作台，既可以独立使用，也可以和计算机联网，由计算机连接打印机。系统可以对经过β、γ、中子、X射线等辐照后的热释光剂量元件进行测量，读出累计剂量值，具有参数编辑、发光曲线显示、数据处理、自动校准、自动扣除本底、数据库编辑与检索等功能。仪器的设计符合GB10264—1988国家标准的规定。

图1 土壤天然热释光测线布置图Fig.1 Survey line arrangement soil natural thermoluminescence method

2.2 测试条件的选择

测量样品是土壤样，根据参考文献［8］～［9］，土壤样品发光区间为 200～260℃，300～360℃，选择测试初始条件：预热温度200℃，读出温度360℃，升温速率20℃·s-1。通过实验，对80、100和200目样品进行测量，80目的样品测量效果最好，100和200目的样品因孔隙度较小影响了热释光的释放。根据土壤天然热释光测量相关经验［8］，选择颗粒度80目的土壤样品进行实验。

2.3 影响因素讨论

根据土壤样品的发光区间，对铀矿预查区土壤样品测试升温区间的选定进行了研究。首先设读出温度和升温速率不变，测试同一个样品，预热温度分别取 140、160、180、200和220℃进行测量，由图2可见，对应热释光强度逐渐增大，当180℃后，随着预热温度的增加，同一样品的热释光强度又逐渐减小，铀矿预查区土壤热释光预热温度确定为180℃。根据同样的方法可确定读出温度，由图3可知，读出温度为340℃。

图2 预热温度对土壤样品热释光强度的影响Fig.2 The influence of preheating temperature on the thermoluminescence intensity of soil samples

图3 读出温度对土壤样品热释光强度的影响Fig.3 The influence of read temperature on the thermoluminescence intensity of soil samples

升温速率也是热释光测量的重要影响因素之一，为了确定测试条件，对升温速率进行了试验研究，固定预热温度180℃和读出温度340℃，升温速率分别取15、20、25、30和35℃·s-1，由图4可知，当升温速率为20℃·s-1时，热释光强度最大，随着升温速率的增加，热释光强度趋于平稳，略有减小，因此在其他测试条件相同时，升温速率选择为20℃·s-1。

图4 升温速率对土壤样品热释光强度的影响Fig.4 The influence of heating rate on the thermoluminescence intensity of soil samples

2.4 测试条件的确定

综合上述试验结果，实验测量条件为：预热温度为180℃，读出温度为340℃，升温速率为 20℃·s-1。

2.5 质量控制

2.5.1 注意事项

1）由于阳光、高温和辐射均对土壤样品中热释光强度有影响，为尽可能保证测量准确，避免破坏土壤的热释光信息，采样后要求样品自然风干，并应避光、避高温、避辐射保存。

2）仪器安装调试完成，确定测量参数，校准光源计数，测量本底，每天测量前都要进行开机预热半个小时以上，使仪器性能稳定。

3）样品放入托盘后要均匀铺开，尽量使样品测量厚度同一。

4）测量完毕后，清洁盛放样品的托盘，避免影响下次测量。如出现托盘加热盘变色，则需要对加热盘进行擦洗。

2.5.2 仪器稳定性检查

每天对质控样品3次测量，求其平均值，作为当天仪器稳定性监测结果，来监测仪器的稳定性能。根据相对标准偏差公式计算判断仪器测量结果的稳定性，计算公式如下：

式中：RSD—相对标准偏差；Xi—样品测量值；—样品测量平均值；n—测量次数。通过计算，相对标准偏差是7.18%，小于10%，说明仪器测量结果稳定性良好。

3 测量结果及分析

在勘查区内25条测线上共测量土壤天然热释光2 289个点，热释光值介于0.87～288.28 mGy之间，平均4.67 mGy。本次实验对土壤天然热释光法和地面γ能谱法进行对比。地面γ能谱测量法使用FD-3013数字伽马辐射仪和FD-3022型微机四道γ能谱仪进行测量。选取3条比较典型且特征较明显的测线进行讨论。

勘查区3条测线的土壤天然热释光测量结果如表1，由表1可见，3条测线的热释光平均剂量值和最小剂量值基本一致，但最大剂量值反映突出的异常值，164号测线的平均剂量值高于另外两条测线平均剂量值，最大值是最小值的17倍。初步认为该地段土壤受到的辐射剂量大，出现的异常值对找矿提供了较好的参考依据。

表1 勘查区3条测线土壤天然热释光测量结果Table 1 Measurement of soil natural themoluminescence in 3 survey lines of the exploration area

208号测线：在 208—178测点和 208—192测点之间出现了高值异常区段（图5），其余部分数据变化很小，总体平均剂量值3.11 mGy，而高值异常区段平均剂量值9.71 mGy，是总体平均剂量值的3倍，对此判断异常点位置，有可能是矿脉位置。

152号测线：土壤天然热释光测量平均剂量是 2.85 mGy（图 6）， 152—180测点和 152—204测点之间的异常值与γ能谱测量出现的异常值变化趋势一致；在152—228测点和152—290测点之间出现高值异常区，与γ能谱测量结果变化趋势一致。

164号测线：土壤天然热释光测量平均剂量是 4.89 mGy（图 7）， 最大值是28.84 mGy，该段测线上热释光数据出现了1个高值异常区和4个低值异常区，高值异常区位于164—260测点和164—284测点，并且与γ能谱测量高值相一致；4个低值异常区分别位于164—100测点到 164—124测点、164—140测点到 164—164测点、164—188测点到164—204测点和164—220到164—252测点，最后一段的高值与γ能谱测量高值相一致。

图5 208号测线土壤天然热释光测量结果Fig.5 Soil natural thermoluminescence measurement results in Survey line 208

图6 152号测线土壤天然热释光与地面γ能谱测量结果对比图Fig.6 Results of soil natural themoluminescence measurement and ground γ ray spectrometry survey line 152

本次勘查工作共圈定34处土壤天然热释光异常场，其中3处异常找矿前景较好。第1处异常：异常规模大，面积0.202 km2，其中东西宽100～500 m，南北长400～700 m。异常场内采集样品数28个，最低值9.10 mGy，最高值27.23 mGy，平均为13.48 mGy。该异常位于砂岩分布区，地表有少量砂砾石覆盖，异常可能由隐伏砂岩铀矿放射性同位素富集引起；第2处异常：异常大致呈面状展布，东西长380～460 m，南北宽120～190 m，面积0.071 km2。异常场内采集样品数8个，最低值10.28 mGy，最高值43.70 mGy，平均为20.72 mGy，异常强度高，浓集中心和浓度分带明显。该异常位于砂岩分布区，地表有少量砂砾石覆盖，异常可能由隐伏砂岩铀矿放射性同位素富集引起；第3处异常：异常大致呈EW走向带状分布，东西长100～800 m，南北宽100～250 m，面积0.093 km2。异常场内采集样品数12个，热释光值最低9.17 mGy，最高27.50 mGy，平均为14.43 mGy，该异常位于白垩系中，可能由灰黑色页岩和黄褐色砂岩引起。

图7 164号测线土壤天然热释光测量结果与地面γ能谱测量结果对比图Fig.7 Measurement results of soil natural themoluminescence and ground γ ray spectrometry in Survey line 164

4 结 论

由于不同地球化学条件下土壤矿物组合不同，土壤天然热释光发光曲线特征有差异［10］。通过对蒙古国哈沙顿道鲁高德地区铀矿预查区土壤的热释光研究，得出了土壤天然热释光方法的测试条件：预热温度180℃、读出温度340℃、升温速率20℃·s-1，但笔者认为本次测量为铀矿的预查区，并且还有一些影响因素（样品的均匀性、样品采集的代表性、人为测量的不确定性等）尚未考虑，因此，该实验条件不是最佳加热程序。对预查区上25条测线2 289个测点土壤样品进行测量，并与γ能谱法相对比，土壤天然热释光高值异常区与γ能谱测量高值相一致，结果表明，土壤热释光异常与地下矿体位置有较好的对应关系，是一种有效的铀矿勘查方法。

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