铀矿勘查深穿透地球化学方法及其研究进展

柯丹，吴国东，刘洪军

（核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京100029）

铀矿勘查深穿透地球化学方法及其研究进展

柯丹，吴国东，刘洪军

（核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京100029）

介绍了金属活动态提取、地电化学提取和地气测量等目前常用的深穿透地球化学方法发展历程及其在铀矿勘查中的研究进展和应用现状。随着我国铀矿资源勘查工作的不断深入，地表出露和埋深较浅的铀矿床大多已经被发现，寻找深部隐伏铀矿已经成为铀矿地质工作者面临的重要课题，我国铀矿地质工作已经全面进入了“攻深找盲”阶段，深穿透地球化学方法必然会发挥更加重要的作用。

铀矿；深穿透；地球化学；隐伏矿产

“深穿透地球化学”的概念最早是在1997年由Cameron作为寻找深部隐伏矿产而出现的多种地球化学方法的统称而提出的［1］。这些方法主要包括前苏联学者Ryss等［2］提出的地电化学方法、瑞典学者Kristiansson等［3］提出的地气测量方法、美国学者Clark等［4］提出的酶提取方法、澳大利亚学者Mann等［5］提出的活动金属离子法，以及谢学锦院士、王学求提出的金属元素活动态法［6，7］和动态地球气纳微金属测量法［8，9］。经过多年大量的试验和应用，深穿透地球化学方法已经逐渐走向成熟，并在隐伏矿产勘查中开始发挥作用。

我国铀矿勘查工作已经进入了“攻深找盲”阶段［10］。针对深部隐伏铀矿的勘查，在借助于地球物理方法寻找深部有利成矿空间的同时，还要通过其他手段来直接捕获与深部铀矿体有关的“直接信息”，从而实现对深部铀矿体的准确定位。由于隐伏铀矿埋藏深、覆盖厚，在地表显示出来的各种与深部铀矿密切相关的“直接信息”十分微弱，导致常规化探方法对这种微弱信息的识别能力较为有限。深穿透地球化学方法的出现和成功应用，为隐伏铀矿勘查提供了新的技术手段。

1 深穿透地球化学迁移机制

自深穿透地球化学方法被提出以来，元素由深部向地表的迁移机制一直是勘查地球化学界研究和争论的重要问题。Kristiansson、Hamilton和Cameron等［3，11-13］先后提出了地气流迁移模式、还原囱模式、地震泵和冬季呼气模式等迁移机制。2004年，Garnett［14］提出了雷暴电池模式和陆上潮汐模式。

王学求认为［15］，深穿透地球化学异常的形成是包括地下水循环、离子扩散、氧化还原电位梯度、蒸发作用、植物作用和地气流等多种营力接力迁移的结果。

对于铀矿的迁移机制研究，近年的主要进展在于发现铀在氧化条件下可以长距离迁移到地表并被粘土所吸附［16］。

Kang等［17，18］模拟了不同地下水生环境条件下铀的存在形态，认为铀在水溶液中既能以［UO2（SO4）2］2-、［UO2（CO3）3］4-等络阴离子存在，也能以UO22＋、［UO2OH］＋等络阳离子存在，为采用地电化学方法进行铀矿化信息提取提供了理论依据。

总之，经过多年研究，在元素迁移机制方面已经取得了较多研究成果，为进一步开展深穿透地球化学研究奠定了坚实的理论基础。

2 金属活动态提取技术

2.1 发展历程及研究现状

金属活动态提取（Leaching of Mobile Forms of Metals in Overburden，简称为MOMEO）是由谢学锦院士等［6，7，19］于20世纪90年代提出的。该方法能够使载体中以水溶态、有机结合态、粘土吸附态和铁锰氧化物态等活动态形式的金属元素全部进入到提取液中。

金属活动态提取技术探测深度达数百米，能捕获来自隐伏矿体的直接信息，可以较好地反映“矿致”异常。与传统提取方法相比，金属活动态提取技术能够将各种金属活动态分别提取出来，因此可以根据不同的景观条件选择最佳的提取相态［19］。

2004年，尹金双等［20］在金属活动态提取技术的基础上，针对砂岩型铀矿勘查提出了分量化探方法。该方法通过采用对U、Th和Mo等元素具有较好提取效果的专属提取剂对土壤中活动态元素进行一步提取，来实现探测深部隐伏铀矿的目的。

2.2 在铀矿勘查中的应用

近年来，金属活动态提取技术在铀矿勘查中得到了较多的应用，并取得了明显的找矿效果。

张守本［21］采用金属活动态提取方法中的相量化探-腐殖酸法在新疆、河北等地铀矿床上开展了应用试验，找矿效果明显。

王光辉等［22］在伊犁盆地砂岩型铀矿区开展了金属活动态方法应用研究，认为铀矿化往往伴随着元素活动态异常，与总量异常并没有直接关系。

郭华等［23］在古宁浑迪地区开展的金属活动态测量结果表明，U、Mo和Se元素活动态探测结果与钻探结果吻合较好，绝大多数U分量异常能有效指示深部铀矿化的存在。

尹金双等［20］先后在两个已知砂岩型铀矿床和多片未知区，开展了分量化探方法试验和应用，取得了较好的找矿效果。

叶庆森等［24］在鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿上的试验结果表明，在矿体上方都有U元素活动态异常出现，特别是粘土吸附态U含量级别高、异常衬度大。

王学求等［25，26］在东天山15万km2的研究区内开展的超低密度深穿透地球化学调查结果表明，距地表20～40 cm的弱胶结层是最佳的采样介质，在此层中活动态U占总量的40%～60%，并基于活动态异常圈定了铀成矿有利区。

姚文生等［27］在鄂尔多斯盆地开展了元素活动态方法研究，针对铀矿勘查自主研制了MML-U型专属提取剂，建立了专属性活动态提取技术，并在深部铀矿体上方土壤中提取到了明显的U元素异常。

沈光银等［28］在大官厂铀钼矿区开展的氡气和金属活动态测量方法试验，证实了在隐伏铀钼矿体上方存在明显的氡气和铀钼活动态叠合异常。在该区的找矿预测中，经钻探发现了位于叠合异常内的隐伏铀钼矿体。

3 地电化学测量

3.1 发展历程及研究现状

地电化学测量方法，又称部分提取金属法（CHIM）是由前苏联学者Ryss和Goldberg等［2］于20世纪70年代提出的，它利用人工电场将土壤中呈活动态的带电金属离子富集在电极上，从而实现寻找深部隐伏矿产的目的。20世纪80年代，前苏联学者在对覆盖区矿体上方的上置晕进行研究时，声称地电化学方法可在不同景观条件下发现埋深大于500 m的隐伏矿体［29］。20世纪90年代初，Ryss通过讲学等方式向西方勘查地球化学界介绍了地电化学方法，引起了西方学者们的注意和重视［30］。20世纪90年代末，西方国家对地电化学方法的成晕机制进行了深入研究，如隐伏矿体离子的迁移方式、迁移速度以及离子在地表的形成模式等，此外在技术改进方面也取得了很大进步［2，31］。

地电化学提取作为深穿透地球化学方法的重要组成部分，在国内外找矿试验以及找矿应用中得到了较好验证，能够准确地预测和定位隐伏金属矿床［32］。

我国学者徐邦梁等［33］在20世纪70年代中后期独立发展了地电化学提取法。此后我国许多学者都相继开展过该方法的研究工作，并有许多专著和文章发表［34～42］。罗先熔［34］从20世纪80年代中期开始在国内开展了大量的地电化学方法应用和研究工作，对不同埋深、不同矿种和不同矿床类型的典型矿床（体）开展了大量的可行性试验研究。结果表明，在多种矿床上方，几乎都能测到清晰的地电化学异常。刘吉敏、刘占元等［35］在20世纪90年代针对地电化学方法开展了很多试验和研究工作，证实了在铜镍矿和金矿上，均有较好的地电提取异常显示。李金铭等［36］认为在地电提取法测量中，供电电极附近所吸附的离子，是经过漫长年代在各种地质营力的作用下由地下深部运移到近地表的。

1986年，核工业部240所的高云龙等［37］开展了铀矿地电提取模拟实验。在铀矿体正上方土壤中测得了铀含量高值，表明铀离子在外加人工电场作用下能够被元素提取器吸附。

在地电化学提取装置方面，前苏联及西方国家主要采用的是装有酸性溶液的离子提取器和大电流供电的浓缩法；而我国学者从前期的采用苏联模式到后来发展为使用碳棒作为提取电极和小电流供电的电解法。

20世纪70年代，前苏联研制了用于地电提取的大功率CHIM-10型车载工作站。该工作站最大输出电流为20A，各分道输出最大电流为600 mA，一次可以同时完成28个测点的地电提取。我国科研及生产单位自20世纪80年代中期开始引进地电化学提取技术，并将其发展为高电压、低电流和长时间的激发方式，形成了一套适合野外快速提取理论和野外工作技术。1986年，高云龙借鉴CHIM-10型工作站研制了地电化学找矿提取装置，并取得了实用新型专利［37］。1988年，地质矿产部地质经济技术研究中心的鲁光宇等研制出了轻便型地电化学探测仪［38］，采用的是小型汽油发电机组供电，相对于前苏联及高云龙研制的采样装置更为轻便。2004年，廊坊物化探所刘占元和程志中［39］开发出了一种结构简单、功能实用的固体载体型元素提取器，能够大大提高地电化学野外采样的工作效率。2009年，孙彬彬和刘占元［40］在2004年研制的固体载体元素提取器的基础上，研制出了一种具有时间控制功能的固体载体元素提取器，能够保证各测点提取时间的一致性。2015年，核工业北京地质研究院柯丹等［41］研制了具有恒定输出功能的便携式地电化学提取器，能够实现可调节的恒压和恒流输出、定时和实时显示等功能，可以保证多种提取条件的一致性。

单点独立供电偶极子地电化学采集技术，具有提取设备轻便、实用性强等特点，有效克服了传统地电化学测量设备笨重、可操作性差的问题。

3.2 在铀矿勘查中的应用

“十五”期间，核工业230研究所开展了地电化学方法研究，主要针对砂岩型铀矿开展了地电提取液及提取材料方面的试验工作，并在北方砂岩型铀矿勘查中取得较好的效果［42］。

金和海等［43］在江西盛源盆地火山岩型铀矿床上方提取到了明显的地电化学U和Mo异常，表明地电化学方法对探测深部铀矿化信息方面具有较好的效果。

柯丹等［44］在江西相山铀矿田已知火山岩型矿体上方开展了地电化学法可行性试验，结果表明已知矿体上方均显示出了清晰的地电化学提取U、Mo等元素异常。

侯冬梅等［45］在我国江西省乐安县湖溪某火山岩型和澳大利亚Four Mile East某砂岩型铀矿开展了以地电化学提取测量为主、土壤离子电导率测量为辅的隐伏铀矿找矿工作，发现在电导率高峰值夹持的异常地带存在成矿元素U、Th、Mo及多金属元素地电提取异常。在Four Mile East砂岩型铀矿区，地电提取和土壤测量的U、Mo和V元素异常吻合，在土壤异常较弱的地方，地电提取异常相对明显。

李世铸等［46］在江西相山开展了地电化学方法应用研究，在隐伏铀铅锌多金属矿体上方能够清晰地显示地电提取异常，表明地电提取方法在寻找火山岩型隐伏铀铅锌多金属矿床是有效的。

柯丹等［47］在二连盆地巴彦乌拉和鄂尔多斯盆地大营砂岩型铀矿区分别开展了地电化学方法的应用试验，结果表明，在铀矿体上方地电提取U和V等元素表现为跳跃的高值异常，能够指示深部隐伏砂岩型铀矿化信息。

4 地气测量

4.1 发展及研究现状

“地气”的概念是由瑞典勘查地球化学家Kristiansson和Malmqvist在1982年提出的［3］。

20世纪80年代，地气测量方法传入中国，童纯菡［48］对该方法在机理与测量方法两方面进行了深入研究，提出并证实了地气是以纳米微粒的形式进行迁移的。

地气测量找矿的机理是［49］：地球内部存在着垂直运移的上升气流，当它流经矿体或岩层时，将其中元素的纳米微粒携带并迁移至地表，从而在矿体上方形成了成矿元素、伴生元素的地气异常。

王学求［9］将地气测量称为地球气中的纳米微粒金属测量（Nanoscale Metals in Earthgas，简称为NAMEG）。任天祥等［50］则将地气测量称作为“地气中纳米物质的测量”。

1994至1998年间，周四春等［51～53］进行了一系列上升气流模型实验和矿区实测实验，证实了在上升气流作用下，矿（岩）体中的多种元素，如Au、Fe、Zn、As、Co和稀土元素等，都会从矿（岩）体中迁移出来。这种元素迁移是垂向的，远大于扩散作用，迁移的地气物质主要以纳米微粒的形式存在［50，54］。

王学求等［55］在矿体上方的气、固相地气采样介质上观察到矿体元素的纳米微粒。刘晓辉等［56］通过元素迁移模型实验进一步证实，即使是密封于结构致密的人工玻璃固化物中的元素，在上升气流作用下也会以纳米微粒的形式迁移出来。以上研究为地气法的应用提供了基本的理论支持。

王学求等［57～59］在20世纪90年代开始进行捕获地球气中金属的动态采样试验，试验结果表明：矿体上方的气体中有明显异常Au元素的存在。

伍宗华［60］采用地气中气溶胶测量方法来寻找隐伏矿床和研究深部构造地质。通过研究地气气溶胶的组分、元素的赋存状态及迁移特性，认为从深部不断上升的气体携带地气溶胶以缓慢的速度到达地表，停留在土壤气体中或停滞在土壤颗粒上，甚至进入大气，经过长时间的累积，在矿床上方便形成了地气溶胶分散晕。

经过多年的研究，地气测量方法的很多理论与技术问题已经得到地学界的共识：地气中的物质是以纳米形式被上升气流携带从深部迁移到地表的，且地气以垂向迁移为主。

王学求等［57］使用特殊负载的聚氨脂泡沫塑料作为地气捕集介质。用抽气泵进行匀速抽气采样，采集时间只要五分钟左右。

周四春等［51］在前人研究的基础上，对地气样品采集方法进行了改进，采用快速抽气采样法进行样品采集，应用地气测量方法对隐伏铀矿、铅锌矿和锌铜矿进行勘查研究。目前，随着地气测量技术的不断提高，这种方法逐渐应用于深部找矿。

虽然地气测量技术已经取得了较大的突破，但其费用比较昂贵，不宜进行大面积勘查。

4.2 在铀矿勘查中的应用

刘晓辉等［56］针对品位偏低的铀矿体对地气中U浓度贡献有限而导致地气中U浓度极低的情况，采用双捕集器串联进行地气采样，进一步改善了动态地气测量的找矿效果。

周四春等［52］在广东长排铀矿田开展了地气测量方法研究，认为地气中元素组合关系与矿石中元素组合关系基本一致，即隐伏铀矿体上方会呈现明显的地气铀、伴生元素以及稀土元素异常。地气测得的U异常中心与隐伏铀矿体中心比较吻合，可以为钻孔布设提供指导。

韩绍阳、谈成龙等［61］在鄂尔多斯盆地东胜地区开展了地气测量方法试验，在隐伏铀矿上方发现了明显的地气铀元素异常。此外，在内蒙古赛汉塔拉地区圈定了多处地气异常，后经钻探工程验证发现了铀矿体，表明地气测量方法用于寻找北方砂岩型铀矿具有较好的实用价值。

赵峰等［62］在粤北某花岗岩铀矿勘查区开展了地气测量探测隐伏铀矿的试验研究。研究结果表明，U、Mn、Sr和Zn等元素地气异常在矿体上方或矿体边缘位置有不同程度的显示。

周四春等［63］在粤北诸广山岩体隐伏铀矿床上的地气测量应用试验结果表明，在两个不同埋深的铀矿体正上方均捕获到明显的地气异常，地气测量呈现异常的除了目标元素U外，还有稀土、Cd、Mn、Pb和Zn等元素。表明利用地气测量勘查埋深达600 m的隐伏花岗岩铀矿是可行的。

5 结语

1）随着我国铀矿勘查工作对“攻深找盲”的需求不断加大，深穿透地球化学方法将会在隐伏铀矿勘查中发挥越来越重要的作用。

2）先进的分析测试技术和设备为深穿透地球化学方法的研究与应用提供了强有力的技术支撑，但由于所探测的隐伏铀矿化信息十分微弱，更易受到诸如采样介质和地球化学景观等因素的影响，因此需要将深入研究如何从“背景噪音”中提取出与深部矿化密切相关的“微弱信号”，从而突出来自于深部隐伏矿产的信息。

3）深穿透地球化学方法分支较多，所适用的条件各不相同，应该根据研究区的实际地质情况、矿体类型和埋藏深度来选择适宜的方法，必要时要开展方法的条件和应用试验以确定方法的适用性与采集方案。

4）目前大多数深穿透地球化学方法在样品的分析技术和采集参数方面没有形成统一的规范或标准，特别是有些技术还涉及到知识产权保护等问题，对方法的推广和广泛应用形成了一定的阻碍。

5）虽然深穿透地球化学方法的研究和应用取得了诸多进展，但仍然有一些问题尚未解决，如深部元素垂向迁移机制问题。从目前的应用情况来看，深穿透地球化学方法能够探测到深达数百米的隐伏铀矿化信息，但对于更深部的铀矿体（埋深大于700 m），是否仍然适用，值得进一步深入研究。

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The history and advance of deep-penetrating geochemistry in the exploration for uranium resources

KE Dan，WU Guodong，LIU Hongjun

（CNNC Key Laboratory of Uranium Resource Exploration and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

The history and advance of the deep-penetrating geochemistry，especially the MOMOE，electrogeochemistry and geogas measurement in the exploration for uranium resources are elucidated in this paper．With the progress of exploration for uranium resources in China，outcropped or shallowburied deposits are fewer and fewer．Explore the deep-buried deposits become the challenging task for uranium geologists．Therefore，deep-penetrating geochemical methods are doomed to play an important role in the exploration for deep-buried and concealed uranium deposits in China．

uranium deposit；deep-penetrating；geochemistry；concealed orebody

P632

A

1672-0636（2016）03-0160-07

10.3969/j.issn.1672-0636.2016.03.006

2015-11-02

柯丹（1981—），男，安徽怀宁人，高级工程师，主要从事勘查地球化学方法研究。Email:kedan1125@126．com