山西省临县紫金山地区U、Th、K三种放射性元素特征分析

丁江燕，张新军，曹志勇

(太原理工大学矿业工程学院，太原 030024)

地面伽马能谱技术具有仪器轻便、工作效率高等优点[1]。近年来，中国许多学者利用地面伽马能谱技术在铀矿、铜矿、萤石矿、稀土矿、地质填图方面开展了相关研究[2-6]。对于放射性矿产铀矿的地球化学特征和铀矿中铀的赋存状态的研究已有大量报道[7-9]，主要集中在铀的成因、迁移、赋存位置及其矿化特征等方面。但对于放射性矿产，少有学者同时对其铀、钍、钾三种放射性元素的分布规律、含量、赋存状态进行研究。基于此，对紫金山地区放射性矿产铀、钍、钾三种放射性元素的分布规律、含量和赋存状态进行相关研究。紫金山地区是中国著名的碱性岩地区，近年来许多学者对其进行了研究。黄锦江[10]对紫金山地区进行了岩石学特征和成因研究，发现该研究区岩体是五次熔融作用的产物；杨永恒等[11]讨论了紫金山地区热力构造对鄂尔多斯盆地东部煤、煤层气、铀矿形成过程的影响；杨兴科等[12-13]对研究区进行了SHRIMP(单颗粒锆石定年中的离子探针质谱法)测年和动力学研究。目前，关于紫金山地区的研究主要集中在岩石成因、同位素测年、热力构造运动方面，而对该地区放射性矿产的分布研究较少。因此选取紫金山地区的岩石为研究对象，采用地面伽玛能谱和显微镜镜下分析二者相结合的方法，研究紫金山地区放射性矿产铀、钍、钾异常分布规律、含量和赋存状态，为下一步地质工作提供依据，以达到找矿的目的。

图1 紫金山地区地质图Fig.1 Geological map of Zijinshan region

1 伽玛能谱仪介绍

研究所用的伽玛能谱仪型号为FD-3022-I，主要技术参数：探测器：Φ2″×2.4″BGO(Bi4Ge3O12)晶体；能量分辨率：≤12%(对137Cs)；含量测量范围：eU(当量铀)：1～1 000×10-6(Ur)；eTh(当量钍)：1～1 000×10-6(Ur)；eK(当量钾)：0.2%～100%；相对偏差E的要求：eU、eTh：E≤7%；eK：E≤12%；使用环境：温度：0～50 ℃；相对湿度≤90%(50 ℃)。

2 研究区地质概况

研究区位于山西省临县城NW330°方向、直线距离23 km的甘草沟村-水磨川村一带，其地理坐标为110°50′14″E～110°52′35″E，38°07′00″N～38°08′52″N。紫金山地区周围的水系有两个流向:一是近南北向的，如湫水河的中上游、紫金山南麓的清凉寺沟、月镜沟等;二是近东西向的，如兴县的蔚汾河、研究区西侧的八堡水等，沿东西向拉伸断层发育或沿西北和东北的扭转面追踪。平面呈椭圆形，面积约23 km2，岩体内部各类岩石呈不规则的环状或马蹄形分布，生成顺序为越往岩体中心，生成越晚。

紫金山地区地质图如图1所示，区域出露的地层由老到新有中生界三叠系；新生界新近系、第四系，分述如下：中生界三叠系由砂页岩组成，属于三叠系二马营统上部的陈家梁组，为紫金山岩体的围岩，新生界新近系，主要岩性为砾岩及红土，砾岩在区内出露较少，仅见于切割较深的沟谷两侧，厚度2～5 m，砾石成分不一；新生界第四系，在区内大面积分布，主要为浅黄色亚沙土，中夹透镜状的砾石层和不稳定的古土壤层，厚67～89 m。

3 测量方法及处理

3.1 工作方法

伽马扫面网度为100 m×40 m，工作量为11.83 km2，测线方位为东西向。仪器在石家庄国家模型站进行了标定，同时对仪器的准确性、稳定性、一致性进行检查，均满足误差要求。

3.2 数据处理

3.2.1 计算平均值及标准偏差

首先根据实测的能谱数据统计钾、铀、钍元素含量、比值、标准偏差(S0)等参数，为资料解释提供依据，计算公式如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

3.2.2 异常下限的确定

异常下限公式如式(3)～式(5)所示：

偏高晕：

c0+s0≤Q

(3)

增高晕：

c0+2s0≤Q

(4)

异常晕：

c0+3s0≤Q

(5)

式中：c0为地质体eU(或eTh、eK)的背景含量；s0为背景含量的标准偏差；Q为异常晕的eU(或eTh、K)含量。

钾、铀、钍的数据处理采用物探数据常用的统计背景值、计算标准差、确定异常下限，表1为铀、钍、钾3种元素的偏高晕、增高晕、异常晕取值范围。

表1 紫金山地区岩石中铀、钍、钾分级表Table 1 Classification of uranium,thorium and potassium in Zijin mountain region

4 讨论

4.1 U、Th异常特征研究

图2 铀元素等值线Fig.2 Uranium element contour

利用SUFER软件分别得到U、Th等值线，如图2、图3所示。由紫金山地区岩石中铀、钍元素平面等值线(图2、图3)和地质图(图1)可知，铀、钍元素异常分布在黑云辉石岩、霞石正长岩。磷灰石和榍石是含铀、钍的副矿物[14]，对黑云辉石岩和霞石正长岩采样后，将样本送到华北有色地质勘查局燕郊中心实验室做镜下鉴定分析，分析结果如图4、图5所示。

图3 钍元素等值线Fig.3 Thorium element contour

图4 黑云辉石岩显微镜下分析图Fig.4 Microscope analysis of biotite pyroxenolite

图5 霞石正长岩显微镜下分析图Fig.5 Microscope analysis of nepheline syenite

图4为黑云辉石岩显微镜下分析图。经鉴定：①霓辉石(Agt)：55%～70%，柱状，柱长0.2～4 mm不等，晶粒新鲜，局部形成晶粒集合体；②正长石(Or)：17%～14%，不规则状，粒径完全充填于霓辉石晶粒间隙，其形态取决于空间形态，可见卡式双晶，基本无蚀变；③黑云母(Bt)：16%～17%，暗棕色，鳞片状，片径0.5～3 mm，大晶粒中常包嵌霓辉石、磷灰石、磁铁矿等；④磷灰石：4%～5%，柱状，柱长0.05～0.3 mm，主要包嵌于霓辉石和黑云母晶粒中；⑤榍石(Spn)：3%～4%，短柱状及楔状，柱长0.1～1 mm，稀散分布；⑥不透明矿物：1%～3%，颗粒不规则，粒径0.05～0.3 mm，由磁铁矿组成，均匀分布于岩石中。

图5为霞石正长岩显微镜下分析图。经鉴定：①正长石(Or)：65%～70%，半自形板状，粒度0.2～3 mm，其中大部分不显双晶，少数具双晶，晶粒表面有弱泥化；②霓石(Aeg)：20%～25%，草绿色，柱状，柱长0.5～2 mm，晶粒常与铁云母、黑榴石、榍石共生；③黑云母(Bt)：10%～14%，深褐色，叶状，直径0.2～1.5 mm，常形成于霓石边缘；④榍石(Spn)：1%～5%，短柱状及楔状，柱长0.1～0.5 mm，稀散分布；⑤黑榴石(Mln)：1%～5%，暗褐色，粒状，极高突起，均质性，粒径0.05～0.5 mm，常呈粒状集合体与霓石、铁云母伴生；⑥不透明矿物：少量，颗粒不规则，粒径0.03～0.1 mm，成分可能为磁铁矿，零星可见。

由图4、图5可知，黑云灰石岩中的磷灰石、榍石和霞石正常岩中的榍石是引起紫金山地区铀、钍异常的主要副矿物。

4.2 K异常研究

图6 钾元素等值线Fig.6 Potassium element contour map

从紫金山地区地质图1、图6可以看出，K异常分布在黑云母辉石正长岩。钾长石是含钾的主要矿物，有两种形式：微斜长石、正长石[14]。对黑云母辉石正长岩采样后，送到华北有色地质勘查局燕郊中心实验室做镜下鉴定分析，镜下分析如图7所示。

图7 黑云母辉石正长岩显微镜下分析图Fig.7 Microscope analysis of biotite pyroxene syenite

显微镜下鉴定可知：①正长石(Or)：85%～90%，半自形板状，主要粒径2～5 mm，少数粒径<2 mm，大部分无双晶，少数具卡式双晶，晶面具微弱泥化；②白云石(Dol)：10%～15%，主要粒径为主粒径为0.1～1 mm分布于正长石晶粒间隙及孔隙，用茜素红-铁氰化钾染色法对薄片染色，晶粒不着色，为白云石反应特征；③不透明矿物：少量，不规则颗粒状，可见立方晶体形状，粒径0.03～0.2 mm，分布在正长石晶粒间隙，成分可能为铁质矿物和黄铁矿，部分已褐铁矿化。

由图6、图7知，黑云母辉石正长岩中的正长石引起紫金山地区钾异常长的主要矿物，约占整个岩石的85%～90%。

5 结论

(1)紫金山地区铀、钍元素异常分布在黑云辉石岩和霞石正长岩中；钾元素异常分布在黑云母辉石正长岩中。

(2)紫金山地区铀、钍、钾元素异常含量分别为6×10-6～9.5×10-6、14×10-6～28×10-6、7.5×10-6～10×10-6。

(3)紫金山地区铀、钍元素异常的原因是黑云辉石岩和霞石正长岩中的磷灰石、榍石引起的，钾元素异常的原因是黑云母辉石正长岩中的正长岩引起的；榍石和磷灰石占黑云辉石岩总量的7%～11%，榍石占霞石正长岩总量的1%～5%，正长石在黑云母辉石正长岩中的占总量的85%～90%。

(4)可见通过地面伽玛能谱和显微镜镜下分析二者相结合的方法可以分析紫金山地区放射性矿产铀、钍、钾异常分布规律、含量、赋存状态。

(5)黑云辉石岩、霞石正长岩、黑云母辉石正长岩为今后放射性矿产突破所在，应该对该区进行地面伽玛能谱剖面工作，点距为10 m，目的是发现更准确的放射性矿产分布异常区；再对放射性矿产异常区进行槽探及钻探工程验证。