利用航空伽马能谱数据进行铀成矿预测<br/>——以皖南夏林一带为例

利用航空伽马能谱数据进行铀成矿预测
——以皖南夏林一带为例

2021-02-02董根旺王琴黄金辉林曼曼王猛田亮

铀矿地质 2021年1期

董根旺，王琴，黄金辉，林曼曼，王猛，田亮

（1.中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北保定 071051；2.中国冶金地质总局矿产资源研究院，北京 101300；3.中国地质大学（北京）科学研究院，北京 100083）

航空伽马能谱测量（简称航放测量）是通过在飞机等飞行器上安装伽马能谱测量设备进行飞行测量，根据地表岩石、土壤和大气中天然或人工放射性核素伽马射线能量和特征射线计数率大小的差异，来确定钾、铀、钍和其他放射性核素种类及其含量和分布的一种地球物理-地球化学方法。因其具有测量效率高、成本低、不受地形等因素限制的优点，在放射性矿产和与放射性核素有关的钾盐、稀有元素矿产、多金属矿产及油气资源等勘查，基础地质研究（圈定火山岩、侵入岩以及地质构造），环境辐射本底及核应急监测等领域得到了广泛地应用。尤其是在铀矿资源普查、区域远景评价和总量预测以及地质研究工作中，航空伽马能谱测量占有极其重要的位置，是一项具有战略意义的工作［1-3］。

皖南地区有较好的碳硅泥岩型铀矿成矿潜力。碳硅泥岩型铀矿床系指产于未变质或弱变质海相碳酸盐岩、硅质岩、泥岩及其过渡型岩类中的铀矿床。碳硅泥岩型铀矿化受地层层位、岩性岩相、构造等诸多因素控制，属于层控叠加改造型热液铀矿床。铀在矿石中主要以分散吸附状态存在。含矿层大多形成于深水滞留还原环境或槽状海盆还原环境中，部分形成于闭塞海湾或生物屑大量堆积的浅滩环境中。上述环境使地层中的铀在沉积过程中得以初始富集，在之后的成岩过程中，随着地壳增温和压力的增加，在热力驱动下孔隙水发生迁移，铀在地层中随之产生再分配，在有利部位进行第二次富集，为后来的构造-热动力改造成矿奠定了基础。碳硅泥岩型铀矿伴（共）生有利用价值的元素种类多，含量高，铀常与钒、钼、镍、铜、银、镓相伴，部分与铬、砷、镉、钨、铋、钴、锑相伴［4-6］。

中国冶金地质总局地球物理勘查院于2017 年在皖南宣城地区开展了1:5 万航磁、航放测量，本文利用本次测量获得的航空伽马能谱数据，对测区内夏林一带的铀矿成矿规律进行讨论。

1 地质背景

1.1 大地构造

研究区位于安徽省宣城市东南，东侧靠近浙江省。大地构造位置属于下扬子陆块南东部的宁国-太平褶断带，西侧有绩溪-宁国断裂，具构造过渡带的特征［7］（图1）。

印支期和燕山期是研究区内的主要构造期。印支早期受到南东-北西向应力挤压，形成近NE60°向延伸的宽缓背向斜，并形成了一系列规模相对较小的次级褶皱群，形成了区域内以北东向构造为主体的构造格局；同时发育了规模较大的北东向断裂，该期断裂具左行压-压扭性特征，产状直立或陡倾。

印支晚期，发育北西向延伸规模较小的褶皱，叠加在印支早期褶皱上，与其次级褶皱叠加形成穹盆构造或鼻状构造。燕山期以强烈的岩浆活动和大规模逆冲、伸展滑脱、断陷断裂活动为特色，形成了区内现今复杂的构造景观。早期形成的北东向断裂在印支晚期和燕山期再次活动，并新生较小规模断裂，成为燕山期岩浆侵入活动主通道。北西向断裂主要活动在燕山期，横切、错移北东向主干断裂带，以张扭性为主。

1.2 地层

图1 研究区构造纲要图（据参考文献［8］修改）Fig.1 Structure outline of the study area （modified after reference［8］）

图2 研究区地质简图（据参考文献［8］修改）Fig.2 Geological sketch of the study area （modified after reference［8］）

研究区内出露地层主要为上元古界和下古生界，各地层间多为整合-平行不整合接触（图2）。上元古界南华系主要出露在研究区中东部后中村附近和东南部大龙-仙霞一带，其中休宁组（Nh1x）是研究区内出露最老的地层，为陆源碎屑岩沉积，南沱组（Nh2n）为冰期沉积；震旦系与南华系相伴分布，并在区内中部夏林北侧有较大面积出露，受北东向和北西向两组断裂控制，其中蓝田组（Z1l）为一套碎屑岩-碳酸盐岩组合，上覆皮园村组为一套硅质岩局部夹碳质泥岩；寒武系在研究区内广泛出露，寒武纪初期为碳硅泥质沉积，往上迅速演化为碳酸盐岩、泥质碳酸盐岩沉积，自下而上分为荷塘组（）、大陈岭组（）、杨柳岗组（）、华严寺组（）和西阳山组（）；奥陶系总体为一套泥砂质碎屑沉积夹少量泥质碳酸盐岩沉积，自下而上分别为印渚埠组（O1y）、宁国组（O1-2n）、胡乐组（O2-3h）和长坞组（O3c），主要出露在研究区中西部；下志留统霞乡组（S1x）出露在研究区西北部，为一套深水陆棚-浅水陆棚泥质碎屑岩建造。

1.3 岩浆岩

研究区内主要分布3 个侵入岩体，自北向南依次为刘村岩体、唐舍岩体和仙霞岩体，均为酸性-中酸性侵入岩，成岩时代为早白垩世早期。

北东部刘村岩体侵入下古生界地层，岩体南东侧与寒武系呈断层接触，北西侧与奥陶系和志留系呈侵入接触，局部为断层接触，接触面产状均较陡，多发育角岩化蚀变。侵入岩岩性主要为细粒正长花岗岩和中粗粒似斑状二长花岗岩。

中东部唐舍岩体呈北东向侵入由前寒武纪地层构成的背斜核部，与两侧围岩均呈侵入接触关系，接触带发育强矽卡岩化和角岩化，接触面倾角总体较陡，为50°～80°不等。岩体岩性主要为中粒二长花岗岩和中粗粒正长花岗岩。

南东部仙霞岩体侵入南华系，接触面产状陡，局部为断层接触。接触带蚀变强烈，蚀变岩多为含钨透辉石矽卡岩。岩体具多期次侵入特征，岩性为（中粒、细粒、巨晶斑状）二长花岗岩→（中粗、粗中、细粒）正长花岗岩。岩体受北东向断层和复背斜联合控制。

2 航空伽马能谱特征分析

航空伽马能谱总计数率图（图3a）显示，研究区总体表现为放射性偏高场-高场，以北部刘村岩体处高场规模最大、总计数率值最高，平均值超过2 000 cps，其高场形态与岩体出露范围吻合，受断裂控制的边界清晰。岩体西南侧的奥陶系也有较高的总计数率值；研究区中部向南有多处不连续的高值异常，异常中心总计数率值均在2 000 cps 以上。一个特殊的现象是，这些异常附近均有研究区内极低值出现，总计数率值小于1 000 cps，与地质图对比，这些高值异常多对应寒武系一侧，而极低值对应南华系一侧；研究区总计数率背景值约为1 200 cps，唐舍岩体和仙霞岩体有较弱异常反映，且不连续。

航空伽马能谱钾含量和钍含量图（图3b、d）形态相似，北部刘村岩体呈现高场，航空伽马能谱钾含量大于2 %，钍含量大于10×10-6；唐舍岩体和刘村岩体航空伽马能谱钾含量较高，平均值约为1.5 %，航空伽马能谱钍含量呈现偏低场。奥陶系也表现出有较高的航空伽马能谱钾、钍含量，研究区中部和南部的航空伽马能谱钾、钍极低值区域对应南华系-寒武系，尤其是上震旦统地层，该区域航空伽马能谱钾含量低于0.6 %，钍含量低于4.5×10-6。

航空伽马能谱铀含量图（图3c）显示，研究区中部呈现具有一定连续性的高值铀异常，南部有多个孤立铀异常，异常幅值一般超过9×10-6，最大值接近20×10-6。这些异常与航空伽马能谱钾含量、钍含量图中的低值区域有较好的对应关系，地质上主要为上震旦统-下寒武统地层出露区。

总体而言，研究区内航空伽马能谱特征显著，与区域背景相比，3 个侵入岩体均有较高的放射性元素含量，以刘村岩体放射性元素含量最高，震旦系-寒武系钾、钍含量极低，而铀含量极高。

图3 研究区航空伽马能谱阴影图Fig.3 TC and U-Th-K content by airborne gamma spectrum in the study area

3 铀元素迁移富集规律

为深入分析区内放射性元素分布规律以及铀元素迁移富集规律，利用航空伽马能谱数据作放射性元素含量比值图和活性铀含量、铀富集系数计算。各项处理数学模型见表1，处理结果见图4。

Th/K 图（图4a）反映了不同地质体钍、钾元素相对含量分布特征。与研究区背景值相比，3 处侵入岩体均表现为较低的钍钾比，且以南部仙霞岩体比值最低，结合3 处侵入岩钍、钾元素含量差异分析，尽管其侵入期次相近，岩性相近，但具有不同的放射性地球化学特征；U/Th 图（图4b）更好的反映了铀元素的活化富集特征，与航空伽马能谱铀含量分布图相比，U/Th 背景更平坦，平均为0.36，显示大部分地质体的铀钍平衡未被破坏，而原有铀异常区域U/Th 值同样为异常显示，U/Th异常值超过2，表现为典型的铀高钍低特征。求取研究区活性铀含量，显示全区背景值约为－0.2×10-6，整体表现为铀迁入特征，尤其以现今铀异常位置为极低的负值，一般小于－3×10-6，表明铀迁入量极高；研究区内有显著铀迁出的是奥陶系，区内中南部以下奥陶统为主的奥陶系铀迁出量大于1.5×10-6，相比之下，区内3 处侵入岩体没有明显的铀迁入迁出，仅刘村岩体和唐舍岩体有少量铀迁出，迁出量约0.2×10-6，仙霞岩体总体表现为铀平衡。铀富集系数计算突出显示了铀元素富集区域，与现今铀含量高值区和钍含量低值区吻合。

表1 航空伽马能谱数据综合处理方法［9-12］Table 1 Comprehensive data processing method of airborne gamma-ray spectrometry［9-12］

图4 研究区航空伽马能谱数据转换处理阴影图（数学模型见表1）Fig.4 Maps of radioactive parameters transformed from airborne gamma spectrum data in the study area （the mathematical models in Table 1）

总体而言，根据航空伽马能谱数据计算，区内侵入岩体铀元素迁入迁出基本保持平衡，而震旦系-寒武系有大量铀元素迁入，并且现今铀含量很高。

4 铀成矿条件分析及预测

研究区位于下扬子铀成矿带内的碳硅泥岩型铀成矿区内，处于钦杭多金属、铀成矿带上。区内夏林村北侧有两处铀矿化点，在相似地质条件下的江西修水一带已发现有多处碳硅泥岩型铀矿［13-14］。

4.1 铀源层（体）及铀矿化特征

研究区内广泛出露的以多层含碳、含硅页岩及含磷层相间存在的荷塘组岩层是最重要的铀源层和含矿层，本项目地面伽马能谱测量其铀含量均值超过28×10-6，并有多处超过100×10-6的测点，皮园村组的硅质岩铀含量极低，而所夹碳质泥岩（页岩）铀含量与荷塘组相当，同样是重要的铀源层。

研究区内的189 号里石桥铀矿点和190号白洋坞铀矿点，均为碳硅泥岩型，产于寒武系荷塘组中［15］。不同品级矿石中铀的存在形式有差异，在富矿石中铀主要以铀矿物形式存在，其次是以吸附态赋存在有机质、黏土矿物、铁的氧化物等内部；在贫矿石中铀主要以吸附形式存在。矿体附近硅化破碎现象严重，层间破碎带与矿化关系较为密切。

研究区内暂未发现有花岗岩型铀矿化，但区内3 处侵入岩体K、U、Th 含量均显著高于扬子准地台和中国中生代的同种岩石平均值，并且3 处岩体的正长花岗岩放射性元素含量均显著高于二长花岗岩（表2）。值得注意的是航空伽马能谱测量的数据与实验室样品岩石地球化学分析数据的数值差异，这是因为航空伽马能谱测量受系统标定准确性、地表植被、飞行测量期间环境大气氡变化的影响［16-17］，更主要的原因是航空伽马能谱测量反映的是地质体浅地表的放射性元素含量，其风化程度较强，得到的数据与实验室新鲜岩石样品化验数据相比偏低，但航空伽马能谱测量以极高的采样密度获得了地质体平面上的大量数据，测量结果更有统计价值［18-23］；将航空伽马能谱测量数据与岩石地球化学分析数据对比的另一个意义在于，可以对某一特定岩体放射性元素含量与更大范围内的同类侵入岩对比，以更深入分析其放射性元素含量特征。

根据前人岩石地球化学分析研究及本次航空伽马能谱测量数据分析，研究区内3 处侵入岩体均为高放射性花岗岩，刘村岩体K、Th 含量显著高于唐舍岩体和仙霞岩体，以刘村岩体和正长花岗岩岩性放射性元素含量最高，在岩体外接触带和岩体内部构造活动位置有花岗岩型铀矿成矿潜力。

4.2 铀成矿预测

根据航空伽马能谱测量数据分析，研究区内铀含量的极大值一般出现在寒武系底部荷塘组，而钍含量的极小值出现在下伏的震旦系顶部皮园村组，铀钍比极大值出现在两套地层整合接触面附近，显示铀元素的极大值和钍元素的极小值在两套地层中的分布有一定的规律性，但不同步。由于以往发现的铀矿化多出现在荷塘组中，所以前人的研究更多关注荷塘组的富铀特征和成矿性。通过分析航空伽马能谱数据，我们认为应将上震旦统-下寒武统作为一个整体分析其铀成矿地质条件，从硅质岩到碳质泥岩（页岩）的沉积环境和初始铀富集，到成岩后期（尤其是燕山期）构造-岩浆岩活动对铀的活化再富集，根据航空伽马能谱异常信息扩大铀矿找矿范围。

表2 研究区花岗岩体K2O（K）、U、Th 含量对比［24-28］Table 2 The contents of K2O （K），U and Th of granite plutons in the study area［24-28］

航空伽马能谱铀含量图上的铀异常位置均为铀成矿有利区域。夏林村北侧幅值最高且异常连接成片的异常区域近年来已开展了比较深入的铀矿资源调查评价工作（相关成果还未发表），在后中南侧、仙霞西南以及关口附近的铀异常是下一步值得重点关注的区域。另外，尽管区内3 处侵入岩体并非区内的主要铀源体，但均有较高的放射性元素含量，尤其是北部刘村岩体。高放射性花岗岩体外接触带地层铀含量高，受岩体侵入影响围岩发生角岩化蚀变，岩体内及边部的断裂成为铀运移通道和铀成矿地球化学屏障，有利于铀的富集成矿［29-30］。