活性炭测氡法在鄂尔多斯盆地南部双龙地区砂岩型铀矿勘查中的应用

张 乐，郭 磊，刘磊磊，袁 立，李宇飞，白兆华

（中陕核工业集团二一一大队有限公司，西安 710024）

随着社会的不断发展，清洁能源（核能）在人们日常生活中占有的比重将不断增大，核电将会成为未来的必然趋势，因此国家和社会将会对铀矿勘查提出更高的要求［1-2］。双龙地区位于鄂尔多斯盆地黄土高原南部，树木丛生，植被繁茂，覆盖率达85%以上，属低中山地貌区。研究区铀矿（化）体主要赋存于中侏罗统直罗组砂岩中，基岩出露情况较差，同时黄土覆盖较厚，采用常规地面伽马总量测量效果不明显。

氡（222Rn）是天然铀系中的一种气体放射性元素，它具有较大的迁移性［3］，通过系统测定氡及其子体的放射性含量的变化可以寻找深部铀矿体［4-6］。活性炭测氡法是一种累积测量方法，该方法相比较于其他测氡方法具有以下几个优点：探测深度较大、抗干扰性强、精度高等［7］。

综合考虑工作区地质、自然地理条件，在双龙铀矿床周围开展活性炭测氡法测量，目的是查明氡气浓度分布规律，分析其与铀矿（化）体的空间展布关系，为下一步铀矿勘查工作提供指导。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地北邻兴—蒙褶皱带，南接秦—祁褶皱带，东与山西地块相接，西与阿拉善地块毗邻，是一个在古生代地台基础上发展起来的 “具有双重基底结构”的不对称坳陷盆地，面积大约 25×104km2（图 1A、B）［7］。研究区位于盆地南部次级构造单元伊陕斜坡与渭北断隆的过渡部位（图1C），由于受到印支运动的影响，在双龙—南峪口地区形成了一系列近东西向的隆起。由南向北构造形变减弱，隆起规模变小，地层逐渐变新。

图1 双龙地区大地构造位置图 （A、B、C）和地质简图（D）（据陕西核工业211大队）Fig.1 The tectonic location （A，B，C）and geologic sketch of Shuanglong area （D）（After Geological Party No.211， Nuclear Industry Geological Bureau of Shaanxi Province）

研究区内与砂岩型铀矿化关系密切的地层为延安组（J2y）、直罗组（J2z），其中直罗组下段为主要铀矿化层位，延安组为隔水底板，直罗组上段为隔水顶板，构成了典型的泥-砂-泥地层结构，有利于铀矿形成（图1D）。延安组（J2y）岩石类型为灰色、深灰色、灰黑色，浅灰色细砂岩、粉砂岩为主，夹粉砂质泥岩、薄层煤线及薄煤层；直罗组上段岩石类型为紫红色、紫灰色泥岩、粉砂岩及少量细砂岩；直罗组下段（铀矿化层）岩石类型为浅灰色、灰色、深灰色、黄褐色、紫灰色、紫红色等细砂岩、中砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩，顶部为薄层灰绿色泥岩、粉砂岩；其中铀矿化主要产于浅灰色、灰色、深灰色粗碎屑岩中。

2 测量方法与数据处理

2.1 活性炭法找铀原理

将碳化物隔绝空气加热，再高温蒸馏处理的炭就是活性炭，它对氡气具有很强的吸附力。通过测量被活性炭吸附的氡及子体浓度，圈定异常，指导深部寻找铀矿体［8-9］。

2.2 方法试验

本次试验所用的仪器为核工业北京地质研究院生产的HD—2003（编号：D13060）活性炭测氡仪。由于该地区前期未开展过活性炭测氡工作，因此在工作之前进行了深度和时间试验研究，确保测量数据的准确性。

2.2.1 埋置深度试验

埋置深度的确定是为了消除或者减少表层覆盖物的不同和气象变化等引起的干扰。本次试验分别选取20～80 cm进行试验研究，不同深度各1个测点，共计7个测点。试验结果表明，探坑深度40～80 cm的氡浓度趋于一致 （图2A）。因此活性炭测氡工作中埋置深度选取40 cm。

2.2.2 埋置时间试验

埋置时间的确定目的是使氡及其子体的体积尽量达到最大值，以便于提高测量精度，同时减少不利因素影响。本次试验分别选取1～8 d进行试验研究。试验结果表明，埋置5 d氡浓度最大（图2B）。因此活性炭测氡工作中埋置时间选取5 d。

2.3 野外工作方法

2.3.1 制作吸附器

将烘烤干的活性炭装入15 g，放入少量丝绵防止活性炭受潮；封装5 g变色硅胶覆盖于丝绵之上，然后用丝绵堵住吸附器口并盖上盖子。在白色瓶子外面贴上胶布，编上号码。随机选择5个样品进行本底测量，取平均值为本底值。

2.3.2 定点

野外工作小组根据设定的GPS到达测点后，首先对选择合适的地方作为探坑位置。遇到岩石露头、乱石堆、田地等地区，调整测点至适当位置。

2.3.3 埋置吸附器

图2 不同埋置深度和不同埋置时间试验结果曲线图Fig.2 The test result curves of different burial depths and different burial times

经过试验，本地区探坑深为40 cm，坑底直径大于10 cm测量结果较理想。工作过程中首先记录测量点的点号、坐标、岩性、坑内干湿情况等，并对坑内伽马值进行测量。然后打开白色瓶子盖子，将其与黄色瓶子连接起来，轻轻插在探坑中央，并用松土压紧密封（防止翻倒），用土掩埋探坑踩实。

2.3.4 收集吸附器

从埋置吸附器之日算起，第5天收集吸附器。根据埋置样品顺序号依次取出。取塑料瓶时，拿住瓶子底部或者上部，取出瓶子后，立即盖好瓶盖。记录下收集吸附器的日期、时间。将收集的吸附器放置于放射性较弱的阴凉环境中。

2.3.5 样品测量

使用前，仪器在石家庄国家二级计量站标定合格后投入使用。测量样品前，根据已知标准源（1 050 min-1）对仪器 “三性”进行检查。测量样品时，每个样品测量时间1 min，测量两次，经过仪器修正的计数率数值×仪器系数即为测点的氡浓度。遇到较高的数值（＞5 000 min-1），进行重复检查测量，确保数据的准确性。

2.4 数据处理

本次在双龙铀矿体上，布设1∶25 000活性炭测氡工作（30 km2），根据矿体走向，选取测线方向0°，线距为250 m，点距为50 m，共计46条线，2 419个测点（图3）。

图3 双龙地区活性炭测氡图Fig.3 Scope of activated carbon radon measurement in Shuanglong area

为了研究研究区氡浓度分布特点，首先对数据进行处理。通过对区内2 419个测量原始数据进行统计，数据基本符合正态分布，氡浓度主要集中在 3 000～4 500 Bq·m-3（图 4）。

图4 双龙地区氡浓度数据统计分布图Fig.4 Statistical histogram of randon data of Shuanglong area

测量数值处理分为7步（表1）：数据处理后，氡浓度背景值为3 441.2 Bq·m-3，标准偏差为 1 091.5 Bq·m-3，异常下限为 5 624.2 Bq·m-3。工作区氡浓度最高为30 771.6 Bq·m-3，最低为239.5 Bq·m-3，异常点数为151个，占总点数的6.3%。

3 测量结果

为了直观表示出每一条剖面测线上不同测点氡浓度变化特征，对工作区氡浓度较高的测线做剖面图（图5）。把连续出现3点及以上的异常点地段划分为异常区段。工作区氡浓度较高测线的异常段统计见表2。由表2可见，异常点、段分布在12条剖面 （12～18、21～24和35号剖面）。

为了对异常进行评价，利用异常衬度、异常峰值等指标进行评价。同时将异常衬度强度按照＞1.5、＞1.3～＜1.5、＞1.0～＜1.3分别划分为较高、中等、较弱［10-11］。通过处理数据，双龙地区氡浓度总平均异常强度为6 623.2 Bq·m-3，异常衬度为1.92，异常强度较高。单条剖面中，异常段内异常强度较高（衬度＞1.5）；同时，部分剖面的局部地区异常强度较其他高 （12号剖面27～31测点、17号剖面37～49测点等），显示出氡气浓度局部较富集（表3）。

以17号剖面为例，在37～49号点异常段内共有13个连续异常点，异常峰值为10 505.9 Bq·m-3，平均异常强度为6 770.1 Bq·m-3， 异常衬度为 2.0。

表1 双龙地区氡浓度数据处理结果Table 1 Processed results of radon concentrations in Shuanglong area

图5 双龙地区6条测线氡浓度剖面图Fig.5 Six profiles showing the radon concentration in Shuanglong area

在异常强度较高的剖面中 （12～14、16～18、23等），异常长度＞200 m（异常点＞4个），异常较连续；同时17号剖面异常长度局部为600 m （异常点13个），说明该异常范围大且连续。

根据区内氡浓度分布特点，同时结合本区不同性质钻孔（铀工业孔、铀矿化孔、铀异常孔、无矿孔）分布特点，作图时用Surfer8.0软件绘制氡浓度等值线，用浓度分带（＞8 000、 8 000～6 500、 6 500～5 000、5 000～3 500和＜3 500 Bq·m-3） 圈定测区氡浓度等值线图。

表2 双龙地区氡浓度异常评价Table 2 Evaluation of radon concentration anomalies in Shuanglong area

区内氡浓度等值线图表明：氡浓度异常主要分布在区内中部，呈较连续带状分布。在主要异常段内，异常值相对较高，异常衬度较大。氡浓度大于背景值且成区带分布范围主要有2个，中西部分布于松林庄—骡马店—墩台梁一带，面积约为14 km2；东部分布于古坡沟—松树台—官庄村一带，呈不连续片状，面积约为8 km2（图6）。

图6 双龙地区氡浓度等值线图Fig.6 Contour map of randon concentration in Shuanglong area

按照氡浓度＞5 000 Bq·m-3圈定的异常范围主要分布在区内中部的骡马店—墩台梁附近，异常呈近南—北带状展布，大致可以分为3条异常带：东部焦家沟带、中部骡马店带、西部墩台梁带。异常带长约2.5 km，宽约3.5 km，面积约5 km2。

4 解释与结论

根据双龙地区以往铀矿勘查成果，该地区的地层结构、砂体规模、砂体厚度、砂体埋深、古层间氧化带发育情况、水文地质条件及煤田孔自然伽玛特征等均显示具有较好的铀成矿地质条件［10］。根据目前已发现不同性质钻孔（工业孔、矿化孔等）特点及氧化带发育特征，初步确定了氧化-还原带前锋线位置。通过对比氡异常分布与氧化-还原带前锋线空间展布关系：区内中西部和东部氡浓度较高，与氧化还原带前锋线的边界位置相当；值得注意的是在中西部骡马店附近，在氧化带前锋线的北侧，发现了一定范围的较高异常。通过与南侧钻孔见矿进行对比，北侧存在较大的找矿前景。

通过对比已施工钻孔与氡气异常空间分布特点，两者具有一定的联系（图6）。铀工业孔多数＞5 000 Bq·m-3；铀异常孔、铀矿化孔多数分布于3 500～5 000 Bq·m-3，个别位于 5 000～6 500 Bq·m-3； 无矿孔多数分布于＜3 500 Bq·m-3。其中东部较西部的铀矿孔氡浓度较低，可能与该区处于两条大沟系附近和上覆地层较薄有关，导致氡气沿沟系不断逸散，引起氡浓度与铀矿孔空间分布呈不协调关系。

区内氡浓度测量结果表明，松林庄—骡马店—墩台梁与古坡沟—松树台—官庄村一带异常面积较大、连续性较好、异常较明显。综合分析区内已有资料，同时结合区内地质背景，认为该区中西部局部地段骡马店地区铀成矿潜力较大，下一步需进行钻探验证。

综上所述，初步得出以下结论：

1）活性炭测氡法能快速高效的圈定土壤氡浓度的异常分布，为黄土覆盖区砂岩型铀矿找矿工作具有指导意义。

2）氡气异常分布规律与钻孔分布：①无矿孔多数分布于＜3 500 Bq·m-3；②铀异常孔、铀矿化孔多数分布于3 500～5 000 Bq·m-3，个别位于5 000～6 500 Bq·m-3；③工业铀矿孔多位于＞5 000 Bq·m-3。

3）工作区内两个氡浓度异常区：中西部松林庄—骡马店—墩台梁一带和东部古坡沟—松树台—官庄村一带。其中中西部骡马店附近异常分布范围可作为铀矿的重点预测区，下一步需进行钻探验证。