深部元素地气迁移的分量化探证据：以郴州金狮岭铀多金属矿床为例

刘幼建 谢焱石，3 谭凯旋 韩世礼 王 鹏 康春晖1

（1.南华大学资源环境与安全工程学院，湖南衡阳421001；2.衡阳市核燃料循环地质理论与技术重点实验室，湖南衡阳421001；3.东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室，江西南昌330013）

20世纪80、90年代，瑞典学者Kristiansson K和Malmqvist L［1-3］首次提出地气理论，随后，我国童纯菡等［4-5］、王学求等［6-7］先后利用透射电镜和原子力显微镜观察到地气携带的物质是以纳米微粒的形式存在，通过模拟迁移试验验证了该理论的可行性，并改良了地气的提取材料和提取技术，提高了该方法的工作效率。此后地气法被广泛应用于寻找深部隐伏金属矿产资源和隐伏断裂等［8-13］。尹金双等［14］、葛祥坤等［15-16］以地气理论为基础，通过选取合适的提取剂提取土壤中元素的分量信息，建立了寻找深部隐伏铀矿的分量化探法，并先后在我国北方砂岩型铀矿和南方粵北长排地区进行了找矿前景预测评价，圈定出了铀分量异常带靶区；李文平等［17］、赵丹等［18］、姜涛等［19］、刘国安等［20］、王丙华［21］等学者在分量化探法的基础上结合传统放射性找矿方法（γ能谱测量、土壤Rn测量）进行了深部铀资源找矿研究，并取得了良好效果。赖静等［22］、刘晓东等［23］、柯信［24］、曹豪杰等［25］分别采用分量化探法提取元素分量中的成矿信息，通过多元分析法分析铀及其伴生元素的运移方式，结合铀分量剖面指示了深部铀矿的赋存信息。

金狮岭铀多金属矿床位于湖南省郴州市东坡矿田南部的瑶山地区，曾有少量钻探工程发现有隐伏的U-Pb-Zn多金属矿体，是一个潜在的成矿远景区。近年来，吴文博等［26］、郭岳岳等［27］分别采用伽马能谱和氡浓度等方法对该地区进行了研究，在该区域铀矿靶区圈定方面取得了一定的进展。分量化探技术是采集地表B层土壤，对其进行元素分量提取，可反映深部成矿物质随地气向上迁移的信息。本研究以金狮岭铀多金属矿床为例，在分量化探技术的基础上，利用多元分析方法（相关分析、聚类分析等）探究表层土壤元素分量之间的关系，再通过对元素分量曲线图和地质剖面图的综合分析，证实表层土壤元素分布规律与深部铀矿化之间的潜在联系，为该区进一步开展找矿勘查工作提供理论依据。

1 矿区地质概况

金狮岭铀多金属矿区出露的地层主要有震旦系浅变质砂岩、板岩、凝灰质长石砂岩；泥盆系中统跳马涧组砂岩，棋梓桥组灰岩、白云质灰岩；上统佘田桥组泥质灰岩、泥质条带灰岩，锡矿山组泥质灰岩和碎屑岩，其中棋梓桥组灰岩是主要的含矿地层（图1）［26］。区内地质构造复杂，主体构造为近SN向的金狮岭向斜，发育NE向、SN向、NW向、EW向等多组断裂，这些断裂构造相互交切、贯通，为矿区岩浆侵入和含矿流体运移与汇集成矿起到了极其重要的作用。金狮岭矿区内虽然没有大规模的岩浆岩出露，但是其北方10 km处即是与柿竹园超大型钨锡铋钼多金属矿床密切相关的千里山燕山期花岗岩体［26］。

2 样品采集与元素分量测试

2.1 样品采集与加工

考虑到铀镭含量对土壤氡浓度的贡献，本研究选取金狮岭土壤氡浓度异常明显的3#、8#和14#线采集土壤样品。采样深度为40～60 cm，采样点距为20 m，采样的质量控制在200～300 g。将野外采集的土壤样品在阴凉干燥的环境下风干3～5 d，避免阳光照射，确保样品没有受到污染，然后用木槌碾碎，装袋保存。为了解铀等目标元素的粒度分布情况，在3条测线上各选择了1个土壤氡浓度异常区的样品进行粒度试验。将样品搅拌均匀后，分成8等份，分别过40、60、80、100、120、140、160、180目筛，消解至溶液，然后用ICP-MS测定元素含量。不同粒度土壤样品铀含量分析结果见图2。由图2可知：粒径小于60目时，土壤中铀含量达到最高值。因此，对所有样品均筛选出小于60目的样品颗粒，取30 g装入牛皮纸袋。

2.2 元素分量测试

本研究所有样品分量测试是在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成，测试元素为Be、Ni、Cu、Zn、Nb、Mo、Cd、In、Sn、Sb、Cs、Ba、Nd、Sm、Ta、W、Pb、Bi、Th和U。具体分析流程为：称取烘干后的试样2.5 g，置于50 mL烧杯中，加入20 mL提取剂并搅拌均匀，静置48 h后过滤，滤液用25 mL比色管承接，并用去离子水加至25 mL刻度后摇匀。提取1 mL上述滤液至10 mL比色管中，加入去离子水至10 mL刻度线后摇匀，试液用高灵敏度的ICP-MS法进行测试，分析仪器为赛默飞ELEMENT/XR高分辨率电感耦合等离子体质谱仪［16-18］。

3 结果与讨论

3.1 U分量异常特征

本研究采用迭代剔除法求取U分量异常下限。3个剖面的U分量地球化学异常特征参数如表1所示。由表1可知：3#剖面与8#剖面都有较为明显的U分量异常，最大值分别为2 194 ng/g和2 167 ng/g，异常衬度值分别为1.298和1.403；而14#剖面的U分量异常不明显。结合前人钻探成果分析发现，3#剖面有UPb-Zn多金属隐伏矿体分布，可见U分量异常可有效指示深部矿化信息。

3.2 U分量相关分析

为寻求研究区随铀元素迁移的伴生元素，对采自上述3个剖面的147件样品中包含20种元素的分量数据进行了Pearson相关分析，相关系数矩阵见表2。当样品数目为147时，考虑较高的可靠性，取置信度为99%，相关系数的临界值为0.217，说明大于该临界值的元素具有显著的相关性。表2中显示与U分量显著相关元素有Be（0.311）、Ni（0.419）、Cu（0.221）、Zn（0.458）、Cd（0.207）、Ba（0.308）、Nd（0.465）、Sm（0.492）、Ta（0.491）、W（0.244）。

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关；*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。

3.3 土壤元素分量聚类分析

对原始数据进行z-score标准化，而后用SPSS软件对20种元素进行R型聚类分析，选择最远邻元素和欧氏距离进行运算，结果如图3所示。根据图3将聚类的20种元素分为4类，第1类为亲氧元素Nd、Sm、Ta、Ba、Be、U、Ta、Be，它们与氧形成稳定的离子键化合物，易熔于硅酸盐熔体形成造岩矿物；第2类为Ni，Zn、Th；第3类为亲硫（亲铜）元素In、Pb、Cu、Nb、Sn、Sb、Mo、Cd、Bi、W，主要是稀有元素和有色金属元素，与硫亲和力强，易与硫离子形成共价键；Cs作为碱金属元素，单独为一类，反映碱交代作用与深部铀矿体密切相关。在第1类元素中，与U的欧氏距离最近的元素为Nd、Sm、Ta，表明在元素迁移过程中与U密切相关。

Q型聚类分析可以反映样品属性，本研究选择与U分量相关系数较高的Be、Ni、Nd、Sm、Ta、U等元素的分量数据，对采自3#和8#剖面的样品进行了分析。3#线样品Q型聚类谱系如图4所示。由图4可知：欧氏距离为10时，49件样品可分为4类，第1类有13#、15#、17#、18#、11#、20#、5#、19#、3#、6#、1#、43#、44#、46#、47#、48#、49#、23#、26#、8#、16#、2#、14#、21#、45#、7#、12#、4#、22#、10#、25#、24#、9#、27#样品，第2类有35#、38#、42#、32#、39#、41#、36#、37#、40#、31#样品，第3类有28#、29#、30#样品，第4类有33#、34#样品。

8#线样品Q型聚类谱系如图5所示。欧氏距离10时，48件样品被分为 5类，第1类为 30#、31#、36#、37#、43#、21#、22#、19#、20#、15#、16#、32#、14#、26#、13#、44#、45#、48#、11#、12#、25#、42#、23#、24#、46#、47#、40#、41#、1#、28#、29#、35#、39#、34#、27#、6#、7#、4#、5#、2#，第 2类为 17#、18#、38#，第 3类为 8#、9#、10#，33#和 3#样品各为一类。进一步划分，当欧氏距离为8时，第1类又被分为 3小类，30#、31#、36#、37#、43#、21#、22#、19#、20#、15#、16#、32#、14#、26#、13#、44#、45#、48#、11#、12#、25#、42#、23#、24#、46#、47#、40#、41#、1#样品为一类，28#、29#、35#、39#、34#、27#样品为一类，6#、7#、4#、5#、2#样品为一类。

3.4 U分量异常地质综合剖面分析

根据上述相关分析和聚类分析结果可知，与U分量密切相关的元素有Nd、Sm、Ta和Ni，利用Origin软件作出上述分量的含量折线图，发现Nd、Sm、Ta与U分量曲线高度吻合，故选取Nd、Sm、Ta进行进一步分析；在已有的钻孔剖面图基础上采用AutoCAD软件绘制出本研究3条采样线的地质剖面图；最后将二者相结合得出地质综合剖面图。由于14#剖面U分量异常不明显，故本研究仅对3#和8#地质综合剖面（图6、图7）进行综合分析。

3#线地质综合剖面（图6）位于金狮岭铁帽向南200 m处，呈NW向，剖面总长1 000 m，主要穿越2条近SN向的断裂带F1和F2。区域内地层被分为3个部分，表面出露为第四系混合砂砾土壤。F2断裂带西侧地层为泥盆纪中统跳马涧组（D2t）砂岩，中间地层为泥盆纪中统棋梓桥组（D2q）灰岩。F1断裂带东侧地层为上元古界震旦系（Z1）浅变质板岩。在3#剖面曲线图上有2个异常峰，分别位于180 m和580～600 m处，与3#剖面Q型聚类分析结论（28#、29#、30#样品聚为一类）相对应，两者异常最大值分别为1 037 ng/g，2 194 ng/g；180 m处为单点异常峰，异常强度不高，580～600 m之间异常强度较强、异常梯度明显、连续性较好，U分量与Nd、Sm、Ta分量异常曲线较为吻合，这是由于已探明的隐伏矿体所致；U分量异常带向北西方向偏移，可能是由于U分量在随着地气向上迁移过程中产生了偏移所致。

8#线地质综合剖面（图7）位于金狮岭铁帽向北400 m处，剖面总长1 000 m，穿越了F2和F1断裂带，区域内地层与3#剖面一致。在8#线剖面曲线图上U分量有3个异常峰，分别位于20～100 m、220～240 m和700 m处，与8#剖面的Q型聚类分析结论（6#、7#、4#、5#、2#样品为一类，11#、12#样品聚为一类）相对应，三者异常最大值分别为 2 167 ng/g，1 526 ng/g，943 ng/g。前两处的异常强度较高，连续度较好，异常梯度明显，U分量与Nd、Sm、Ta分量异常曲线较为吻合，这是由于深部铀及其伴生元素分量随地气从F2断裂带向上迁移被地表捕获所致；700 m处为单点异常峰，异常强度不高，深部矿化指示意义不明显。

上述地质综合剖面分析表明，U分量异常主要与深部隐伏矿体、断裂破碎带有关，U分量含量曲线与Nd、Sm、Ta分量含量曲线高度吻合，U、Nd、Sm、Ta分量异常组合基本可以作为该区指示深部铀矿的地球化学标志。

3.5 土壤U分量与伽马能谱U含量对比

伽马能谱属于传统的放射性找矿方法，因其方法高效性、简便性被广泛用于铀矿勘查。伽玛能谱测量是探测浅表铀矿最直接的方法，能谱U含量异常值直接反映了浅部铀矿赋存信息。从理论上讲，分量化探测量捕获的元素分量来至深部，探测对象是深部矿体。如果浅部铀矿体也析出主成矿元素的络合物、纳米微粒胶体、亚微米、离子物质，势必会对深部铀矿预测产生相关影响。排除了浅部铀矿成矿元素对分量异常的影响，方能准确预测深部隐伏矿体。图8分别为3#、8#、14#剖面的伽马能谱U含量曲线图。分析可知：3#剖面伽马能谱U含量的异常范围为550～650 m，异常强度高，与3#剖面土壤U分量异常保持一致，因此，3#剖面土壤U分量异常为浅部已探明的铀矿所致；8#剖面伽马能谱U含量的异常范围为0～200 m，虽然8#剖面土壤U分量异常保持一致，但是伽马能谱U含量的异常强度不高，因此这应为深部隐伏铀矿信息随地气迁移至地表所致；14#剖面伽马能谱U含量无异常，对比土壤分量可知，14#浅部至深部均无铀矿赋存。

4 结论

以金狮岭铀多金属矿床为例，对采集的土壤样品进行了分量提取。通过进行U分量异常特征分析、相关分析、聚类分析以及土壤U分量与伽马能谱U含量的对比分析，得出了以下结论：

（1）研究区U分量异常明显，最大值分别为2 194 ng/g和2 167 ng/g，异常衬度值分别为1.298和1.403，U分量异常可有效指示隐伏矿化信息。

（2）通过相关分析可知，与U分量相关的元素有Be、Ni、Cu、Zn、Cd、Ba、Nd、Sm、Ta和W，通过聚类分析进一步得出与U分量密切相关的有Nd、Sm、Ta、Ni，表明该类元素随地气迁移过程中与U密切相关。

（3）通过U分量异常地质综合剖面分析可知，U分量曲线与Nd、Sm、Ta分量曲线高度吻合，U、Nd、Sm、Ta分量异常组合可作为该区指示深部铀矿体的地球化学标志。对比浅部已探明的铀矿信息可知，U分量异常主要与深部隐伏矿体、断裂破碎带有关，U分量异常可有效指示深部铀矿体。

（4）浅部铀矿也会对土壤分量造成影响，在进行深部铀矿预测时，应排除浅部信息的干扰。通过对比土壤U分量与伽马能谱U含量分量可知，3#线分量异常为浅部已探明的铀矿所致，浅部铀矿也会对分量异常产生影响；8#线分量异常是由深部铀矿随地气沿F2断裂带迁移至地表形成叠加所致；14#线土壤分量与伽马能谱含量均没有异常，说明浅部至深部均无铀矿赋存。