氡气测量在寻找隐伏铀矿体中的应用——以新疆杰别特地带为例

张 强，徐 平，李炎龙，唐湘飞

（核工业二一六大队，乌鲁木齐 830011）

氡气测量在寻找隐伏铀矿体中的应用
——以新疆杰别特地带为例

张 强，徐 平，李炎龙，唐湘飞

（核工业二一六大队，乌鲁木齐 830011）

随着铀矿的发展和地表勘探工作的不断深入，在覆盖层较厚的地区，靠传统的追索地表矿化露头信息和测量伽马总量的组合方法，寻找大规模的铀矿已变得越来越难，而以氡气测量为主的深部勘探方法正逐渐被广泛应用。以新疆杰别特地区氡气测量为例，介绍氡气测量方法的理论基础及运移机制，对实测土壤氡活度浓度数据进行正态化变换处理，在二维平面趋势面分析的基础上建立带地形的三维趋势面模型。结果表明，三维趋势面提取剩余异常信息明显优于二维趋势面分析效果，从而为划定深部铀矿有利远景区提供有利依据。

氡气测量；氡气运移；铀矿勘探；地层构造

在国内，经过若干年的勘探，地表或近地表的铀矿资源正逐渐被探明和开采，随着清洁能源的发展和国家的战略需求，国家明确了将在十三五期间开展深部找矿的战略思想。然而，当覆盖层较厚时，如何使用有用的物化探异常特征和有限的地表露头信息来寻找深部隐伏铀矿体，这是一个值得深入探讨的问题。

当铀矿埋藏较深时，与铀矿有关的异常信息在地表显示较弱，这给直接利用物探方法寻找铀矿造成了困难。如电法、地震、重力和磁法等是利用地层之间的电性、反射特性、密度和磁性差异来寻找铀成矿环境，但这些方法并不能直接反映与铀矿体相关的异常信息，只能寻找对铀矿有利的成矿构造，查明成矿目的层的展布特征，为圈定有利的成矿靶区提供依据，从而达到间接寻找铀矿的目的［1］。传统放射性方法如伽马总量和伽马能谱测量无法探测覆盖层厚达数百米的隐伏铀矿体。近些年来，地气测量技术在深部找矿上取得很大的突破，但也存在费用高昂，测量时间长等问题［2］。在浮土覆盖层较厚的地区，土壤氡活度浓度测量是一种重要找矿手段，其具有稳定性高，分析结果可靠等优点，并能够指示地下铀矿信息、地质构造，在寻找铀矿过程中发挥着重要作用［3］。以氡气测量方法为基础，在二维平面趋势面分析的基础上建立带地形的三维趋势面模型，旨在为覆盖层较厚和复杂地形地区的铀矿勘探工作提供有利的指导。

1 深部铀矿上方氡及子体异常的形成机理

砂岩型铀矿和硬岩型铀矿的高值异常在矿体上方表现出差异［4］。因此，在使用氡及子体测量方法作异常解释之前，有必要对氡及其子体的形成和运移机理进行深入探讨。

1.1 地气作用

研究发现，地气流源于地幔，地气理论认为整个地球内部都在向外渗气，而地气异常的形成有两种方式［5］。第1种方式为地气流从深部向地表迁移且穿过矿体或矿带时，将矿带或矿体周围的纳米级金属微粒带至覆盖层或近地表形成异常；另一种方式认为矿体在形成过程中自身能够形成与矿床组分相一致的纳米级微粒，这些纳米级微粒能自发向上迁移到达地表形成异常。

1.2 地下水携带作用

地下水携带作用是指矿体中的化学元素被地下水所溶解，并随着地下水的运移而被带到地表附近。六价铀可溶于水中，在还原环境下则转变成四价铀，并容易在酸性岩石中沉淀下来［6］，由此随着地下水而迁移到构造破碎带或者裂隙中，并借助地下水作用向上迁移。

1.3 团簇作用

当放射性核素进行α衰变时便会放射出α粒子。α粒子在减速后，将成为带有两个正电荷的氦核。带电的氦核在周围形成电场，形成直径为纳米级的团簇。当团簇积累足够，多个氦核上升，驱使氡向上运移，团簇作用便成为氡气长距离运移的主要动力之一［7］。

1.4 其他作用

由于地层温度压力的存在使得氡气及其子体在迁移的过程中产生扩散和对流作用［8］。扩散作用是由氡气浓度不均引起的运移，而对流作用主要是由压力差引起的，导致氡气从压力高的地方向压力低的地方流动。

2 测氡数据处理及远景区评价

2.1 工作区概况

研究区位于新疆阿勒泰地区冲乎尔―杰别特地带。杰别特地区位于克兰泥盆－石炭纪弧后盆地中，工作区以东主要为第四系、泥盆系，工作区以西主要为较老的震旦系-下寒武统，并有大量的华力西中晚期花岗岩出露地表，区内以花岗岩型铀矿化为主，局部见伟晶岩型铀矿化。在构造上，整个工作区位于受控于NW向的F1断裂控制的构造破碎带内。

2.2 原始数据预处理

由于氡元素的迁移、富集与地下水的运动及断裂构造密切相关，所以实测氡数据受地下断裂构造、地下水活动、测量误差等因素的影响，导致数据呈非正态分布，如图2A所示。这对后续数据统计处理方法的应用产生影响，故对原始数据进行正态化处理，对实测氡气浓度进行对数变换后，数据基本服从正态分布，见图2B。

图1 新疆杰别特地区地质图Fig.1 The geology map of Jiebiete region，Xinjiang

图2 土壤氡活度浓度分布直方图Fig.2 The histogram of radon activity and concentration

2.3 背景值的确定

对工作区氡浓度数据进行统计，确定测量剖面区域的背景值和异常下限，其流程如图3所示：

图3 测氡数据处理流程图Fig.3 Processing flow chart of Radon concentration data

程序经过n次计算，若满足终止条件则循环结束，输出结果即为测氡数据的背景值，根据当地实际情况，本文取Xn＋3σn为异常下限，其统计结果见表1。

表1 地面氡浓度测量结果统计表Table 1 Results statistics of ground radon concentration measurement

2.4 趋势面模型的建立

实际曲面可看作是由趋势面和剩余曲面组成。趋势面是滤掉了一些局域随机因素的影响，代表空间测量数据在大范围内的变化趋势，它受大范围的系统性因素所控制；剩余曲面则反映了局部异常变化特点，它受局部因素和随机因素所控制。设氡气测量数据实际空间坐标（xi， yi）的表示为：

式中： Z（xi， yi）， （i＝1， 2…n）—实际测量数据的空间表示；xi，yi）， （i＝1，2…n）—趋势面拟合值；εi—剩余值。

显然，当（xi，yi）在空间上变动时，上式就刻画了实测氡气浓度的实际分布曲面、趋势面和剩余面之间的互动关系。趋势面分析应满足剩余值最小，趋势值最大，这样拟合才能达到足够的精度。使用最小二乘算法，当经过n次循环，使得残差平方和Q趋于最小，即

分别对工作区氡浓度进行了二维平面和三维空间的一至五阶趋势面计算。其中二维趋势面分析反映测氡数据与二维平面坐标（xi，yi）之间的对应关系，计算所得到的相关系数反映测氡数据与平面坐标位置的相关联程度。但是实际氡气浓度并不只在二维平面坐标上发生变化，还与地表覆盖层高低起伏变化有密切联系，笔者认为覆盖层的起伏变化对氡浓度有聚集和发散的作用。因此，在二维趋势面分析的基础上，尝试作带地形高度的三维趋势面分析，其相关系数反映测氡数据与三维空间位置之间的相关程度。其计算结果如图4所示，当回归次数较低时，二元回归和三元回归的相关系数差异较小，随着回归次数的增加三元回归明显高于二元回归分析的相关系数，而后逐渐趋于平稳变化。三元回归较二元回归分析具有更高的拟合精度，表明氡气浓度与地表覆盖层的起伏变化联系密切。

图4 氡气浓度趋势面分析相关系数分布对比图Fig.4 The comparison chart of correlation coefficient of trend surface analysis for radon concentration

2.5 异常区评价

热液学说表明，铀矿体受岩浆后期热液蚀变作用和构造运动共同控制，矿体一般产于地质构造的分支、复合、膨胀、收缩、和弧形弯折等构造变异部位。氡气异常解释思路为：首先应明确氡气异常是否为地下断裂、破碎等构造为氡气运移提供有利的通道，将地下构造复杂的地段作为铀矿勘查的重点地段。若异常不受地下构造控制，应查明氡气的来源，推测异常是否为隐伏铀矿体控制，并以此为依据划分有利的找矿靶区，布设合理的钻孔加以验证。

如图5所示，A为氡浓度与平面坐标（xi，yi）的趋势面等值线图，图中可以看出其趋势面值的变化较为平稳。B为氡浓度与三维空间坐标（xi， yi，zi）的趋势面等值线图， 可以看出图中多项式拟合氡浓度等值线受地形控制明显，并随地形呈现出多样性变化。

图6A为二元回归分析的氡浓度剩余异常图，从图中可以看出异常分布较为凌乱，除连续性异常分布较为明显外，还伴随着零星的孤立假异常区，这些假异常区可能是由地形地貌差异等外界因素所造成的。图6B为带地形的三元回归分析氡浓度剩余异常图，与图6A相比零星的假异常明显减少，异常的连续性较好，在整体上呈条带状展布。对比结果表明，所采用的三元回归处理方法在测氡数据减少外界干扰因素影响、消除假异常和突出真正的地下异常信息方面应用效果较好。

异常在工作区内成条带状展布，并且划分为Rn1和Rn2两个异常带，如图7所示。在整体上异常带受F1断层控制明显，并且位于实测断层偏西位置。究其原因，主要是由于整个工作区位于受F1断层控制的构造破碎带内，破碎带的宽度为40～200 m，构造破碎带中岩石破碎程度较强烈，蚀变发育，往往存有较大的裂隙，而此构造裂隙正是氡气运移的有利通道。氡气浓度高值异常主要分布于整个工区的中部和南部，在北部并无氡气高值异常，说明造成异常的主要原因并不仅由F1断裂所造成的，固将Rn1和Rn2异常带作为重点探索地段。此外在南北两段异常带中间有一条明显的氡气低浓度带，该低浓度带与地质地形图上经过该处的一条沟吻合，而氡气浓度的高低与覆盖层的湿度有密切关联，在同等条件下，湿度的增加会导致覆盖层的储气空间和透气性降低，导致气体无法在其中流通传导，降低了氡气的含量，在两个异常区之间形成一条氡气低浓度带。

图5 氡气浓度五阶趋势面等值线对比图Fig.5 The comparison chart of five order-trend surface contour for radon concentration

图6 氡气浓度剩余异常等值线对比图Fig.6 The comparison chart of residual anomaly isoline for radon concentration

3 结论

1）对实际氡气测量数据进行正态化处理、背景值统计分析、趋势面模型建立，对工作区进行远景区评价，本文研究成果在第四系覆盖层较厚及其地形复杂的地区具有较好的应用效果。

2）在二维平面趋势面分析的基础上建立三维空间趋势面模型，结果表明，三维空间趋势面的剩余异常提取效果要明显优于二维平面分析效果，说明实际氡浓度分布受地形因素的影响严重，这可为今后开展复杂地形的勘探工作的数据处理工作提供参考。

3）探明了在工作区内，氡浓度异常受断层控制明显，通过氡浓度异常分析，明确了断层在覆盖层下的展布形态以及高异常带和低异常区形成的原因，为下一步工作提供了理论依据。

图7 新疆杰别特地区异常展布示意图Fig.7 The distribution diagram of radon cocentration anomaly in Jiebiete region，Xinjiang

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［3］刘菁华，王祝文，王晓丽，等.氡气测量在佳木斯城市地下热水普查的应用［J］.地球科学与环境学报， 2009， 31（1）：75-78.

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Application of radon survey in the study on concealed uranium deposits—A case study of Jiebiete，Xinjiang

ZHANG Qiang， XU Ping， LI Yanlong， TANG Xiangfei
（Geological Party No.216， CNNC， Urumqi 830011， China）

With the continuous development of uranium exploration on surface， it is more and more difficult to find large-scale uranium deposits by the combination method of traditionally surface outcrop tracing and gamma survey the thick overburden area.However，the radon measurement based on deep exploration theory is used wide and wide.Radon survey was carried out in Jiebiete area of Xinjiang as an example， this paper introduces its theoretical basis and migration mechanism， process of measured solid radon activity， concentration data by normalized transformation， and establishes 3D terrain trend surface model on the basis of two-dimensional trend surface.The results showed that the residual anomaly information extracted from 3D trend surface is much better than the analysis results of twodimensional trend surface，which can provide a favorable basis for finding out concealed structure and delineating prospective area for deep uranium exploration.

radon survey； radon migration mechanism； uranium exploration； stratigraphic structure

2017-05-15

张 强（1989— ），男，河南周口人，助理工程师，主要从事核物探方法解释工作。E-mail：765129472@qq.com

O613.16；P619.14

A

1672-0636（2017）04-0228-06

10．3969/j．issn．1672-0636．2017．04．007