立德堂地区伽马能谱特征及铀矿找矿潜力分析

2021-07-30郝晓飞王常东张韶华李杨

铀矿地质 2021年4期

郝晓飞，王常东，张韶华，李杨

（核工业二四三大队，内蒙古赤峰 024000）

松辽盆地是晚中生代以来发育起来的具有“下断、上坳”双重结构的沉积盆地［1］，也是我国下部油气［2］、上部铀矿的重要能源盆地［3-4］。其中位于松辽盆地西南部的立德堂地区，是一个属于滨太平洋成矿域吉黑（造山系）成矿省松辽盆地成矿区开鲁产铀坳陷内重要的可地浸砂岩型铀矿成矿区域［5-6］。近年来，随着在立德堂地区东部钱家店、宝龙山中大型砂岩型铀矿床的陆续发现，区内铀矿找矿工作取得了重大突破［7-8］。

笔者通过对立德堂地区1：5 万地面伽马能谱测量数据统计分析，初步查明了研究区内放射性元素的分布规律，提取了古铀含量、古铀迁移量及相对变迁系数等砂岩型铀矿找矿有利信息，结合铀成矿地质背景，开展了铀成矿远景预测，为区内后续研究和勘查工作部署提供了基础依据。

1 地质背景

松辽盆地处于中亚造山带的东段，四面环山，盆山之间以深大断裂为界，西界为嫩江-白城断裂和大兴安岭，东界为依兰-伊通断裂和张广才岭，南为赤峰-开源断裂与阴山-燕山造山带，北为逊克-铁力断裂和小兴安岭（图1a）［9-11］。研究区位于松辽盆地西南部，跨越了开鲁坳陷及西南隆起区两个次一级构造单元（图1b）［12-14］。区内基底主要由古生界和前古生界的砂板岩、板岩、片岩、片麻岩、灰岩、大理岩、千枚岩、火山岩和海西期的黑云母花岗岩、钾长花岗岩、花岗闪长岩及燕山期花岗岩、碎裂花岗岩、蚀变碎裂正长岩等组成［14-15］。沉积盖层由白垩系、新近系和第四系组成，其中白垩系覆盖全区，为陆相碎屑岩建造，由下白垩统的产煤产油层位义县组、九佛堂组、沙海组、阜新组和上白垩统的产铀层位泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组和明水组组成。由于研究区经历了嫩江期构造反转，发育了NE、NW 和近EW 三组反转同期、派生断裂，它们沟通了深部还原流体与赋矿层位的联系，有利于深部还原性流体上升进入含矿砂体，为后生砂岩型铀成矿作用的进行提供了还原剂［3，13-15］。此外，通过近年来勘查，在立德堂地区钻孔中见到了分布于含矿目的层姚家组上部或穿插于姚家组中的、受断裂控制明显的基性脉岩，成岩年龄为42～39Ma，属始新世［16-17］。部分学者认为基性岩石的侵位为铀成矿提供了热、成矿流体和成矿物质［18-25］。

图1 松辽盆地大地构造位置（a）及其西南部构造单元区划（b）（据参考文献［26］修改）Fig.1 The tectonic location（a）and structural unit map（b）of the southwest Songliao Basin（Modified after reference［26］）

2 数据来源及分析处理方法

2.1 数据来源

本文地面伽马能谱数据来源于核工业二四三大队2016—2020 年在立德堂地区完成的1：5 万地面伽马能谱面积测量所采集的46 230组数据，数据覆盖面积2 235 km2。数据采集采用500 m×100 m 的测量网度，所用仪器均为加拿大Radiation Solutions Inc 生产的RS-230 多功能伽马能谱仪，其能量响应从30～3 000 keV，采用独特BGO（锗酸铋）晶体，其性能是同体积碘化钠晶体的三倍，该仪器测量的参数有K 含量、U 含量、Th 含量及总量含量，其高灵敏度能满足生产的需求。仪器均经过国防科技工业1313 二级计量站检定，并签发检定合格证书，能够满足野外工作需要。仪器的准确性、短期性，均符合规范要求，工作期间，严格按照《地面伽马能谱测量规范》（EJ/T 363—2012）执行，仪器稳定性、准确性、一致性检查符合规范中的要求。对采集的46 230 组数据分年度进行了检查测量，累计检查数据6 493 组，检查结果显示，铀合格率为91.40%～99.88%，钍合格率为82.70%～100.00%，钾合格率为81.71%～100.00%，数据质量符合规范要求。

2.2 数据处理

2.2.1 数据清洗

为了使数据符合异常处理的标准，本次对采集的数据分年度进行迭代剔除，以达到数据清洗的目的，使之既满足统计学中正态分布或对数正态分布而又不失去原始数据的真实性和代表性。数据清洗过程中以当前数据的平均值（）加3 倍的标准离差（δ）为标准，剔除高于标准的数据后，对所得数据进行再次清洗，直到数据中不存在高于标准值数据为止，并用最终所得数据参与统计分析。

2.2.2 各年度背景值及异常下限处理方式

利用各年度清洗后的某个元素的测量数据进行当年度的背景值及异常下限的计算。计算清洗后数据的平均值（）及标准离差（δ），此时的数据、+3δ即为当年度该元素的背景值与异常下限（表1）。

2.2.3 不同年份测量数据的一致性处理

本次数据为四年内逐步采集所得，由于各年度数据采集的时空环境不同，造成了数据间存在不可避免的系统误差。此外，研究区属浅覆盖区，铀、钍、钾含量普遍偏低，各年度确定的均值及异常下限存在一定的差异（表1），此时采用统一的异常下限标准，将会产生明显的异常遗漏现象。因此，为了保证不同年度数据的一致性，使数据的连片处理更具有说服力，本次对所使用的原始数据进行了衬度处理，即针对各年度能谱原始数据除以当年度数据的背景值，以达到校正不同年度测量数据系统误差的目的（表2）。

表1 立德堂地区地面伽马能谱参数统计Table 1 The characteristic parameters of gamma-ray spectrometry data in Lidetang area

表2 立德堂地区地面伽马能谱数据衬度处理参数对比Table 2 The characteristic parameters before and after contrast processing of gamma-ray spectrometry data in Lidetang area

3 地面伽马能谱特征分析

研究区为无基岩出露的盆地内部，第四系发育。区内地面伽马能谱U、Th、K 含量普遍偏低，其中U 含量变化范围为0.05×10-6～6.20×10-6，平均值为1.14×10-6；Th 含量变化范围为0.20×10-6～16.70×10-6，平均值为4.65×10-6；K 含量变化范围为0.10×10-2～3.10×10-2，平均值为1.74×10-2（表2）。通过对研究区地面伽马能谱衬度数据分析得出各元素分布特征如下：

1）区内铀含量总体变化较平稳，以背景场、偏高场为主，一般小于1.88×10-6。铀偏高场主要呈弧状、北东向带状展布；其中弧状偏高场主要分布在研究区南西部、北部及南东部，偏高场分布区域与三级构造单元界线分布位置吻合，推测这是由于三级构造单元界线位置均为构造活跃部位，反转期形成的同生、派生构造沟通了深部富铀层位与地表的联系，有利于作为地面伽马能谱直接测量对象的铀、钍衰变子体运移并到达地表浅层［27-29］。带状偏高场主要分布在研究区南东及中部，呈北东向、北西向展布，展布形态除南东部明显受西辽河河道和构造控制外，其余均明显受北东向、北西向构造控制（图2a）。

图2 立德堂地区地面伽马能谱特征及构造背景特征Fig.2 Characteristics of gamma-ray spectrometry and tectonic structural of Lidetang area

2）区内钍元素分布特征与铀类似，含量变化较小，一般小于1.78×10-6。以背景场、偏高场为主，受构造、河流等控制呈弧状、北东向带状展布（图2b）。从分布特征来看，铀、钍含量呈正相关分布，在研究区南东部新立屯-爱国屯、西南部的辽河镇、中部的西蒙古屯-敖宝营子及北部的哲日根吐地区铀、钍含量变化较大，但钍铀比值略有降低，且比值变化平缓（图2c），说明上述部位铀元素和钍元素均出现较强的富集现象，且铀元素富集程度要强于钍元素。

4 找矿潜力分析

4.1 铀迁移富集规律

前人为了提高地质研究和综合分析水平，利用钍元素的特征来研究古铀的分布，部分学者认为铀在重大地质事件或者地下水作用下发生迁移富集，而钍元素由于稳定则原地保留，因此，现代钍元素分布特征与古钍元素分布特征相近［30-32］。基于这一认识，为了进一步客观具体的反映研究区内铀元素分布特征及迁移富集规律，引进了古铀含量（GU）、相对变迁系数（B）和古铀迁移量（FU）3 个参数。

古铀含量（GU）为测点钍含量与钍铀比平均值的比值，用来反映测点位置古铀的含量；考虑到近代地表水对表层岩石中铀的淋滤迁出作用，本文采用了崔振生（1989 年）提出的利用3.5 代替钍铀比平均值的方法计算古铀含量。研究区古铀含量高值带主要分布在南东部新立屯-爱国屯一带（图3b），呈北东向带状展布，分布位置与区内辽河平原水文地质单元中西辽河河道的位置相吻合，其他位置古铀含量变化较为平稳，这说明了沉积初期除新立屯-爱国屯一带铀预富集作用显著外，研究区其他区域具有着强度相近的弱的铀预富集作用。其中近年来发现的矿带位于古铀含量高值带内，显示其经历了较为显著的同生沉积预富集。

图3 立德堂地区地面伽马能谱GU、B、FU特征等值图Fig.3 Isograms of characteristic parameters GU，B and FU of gamma-ray spectrometry in Lidetang area

相对变迁系数（B）为全区钍铀比平均值与测点钍铀比的比值，用来说明相对统计区来说铀的迁入迁出状态，其中将B＞1 的区域作为铀迁入区，将B＜1 的区域作为铀的迁出区。就研究区而言，区内铀的主要迁入区位于北西、南东部（图3c），其中，南东部迁入区主要沿开鲁坳陷与西南隆起区的二级构造单元界线呈弧状展布；北西部迁入区主要位于F8构造西部，受乌兰花凸起三级构造单元界线控制明显。此外，在研究区东部北东向与北西向构造夹持区白兴吐苏木一带存在大致呈北东向展布的铀迁入区。古铀迁移量（FU）为测点铀含量值与古铀含量的差值，其结果的正负及数值的大小反映了铀的迁入、迁出量的大小，其中正值表示迁入、负值表示迁出。古铀迁移量结果同样反映了研究区铀迁入集中分布区受二级构造单元界线、三级构造单元界线及北西、北东向构造控制，其分布区域与相对变迁系数圈定结果一致（图3d）。这是由于构造单元界线及构造分布区域均属构造薄弱区，属于地下水水动力条件易发生变化部位，而且这些部位更有利于深部还原流体的向上运移，因此，相较其他区域而言，这些部位更容易发生地球化学环境的改变，有利于铀的卸载富集成矿。事实上已发现的铀矿床及近年来新发现的矿带均位于相对变迁系数、古铀迁移量特征反映出的受北西向构造及构造单元界线控制明显的铀的迁入区，显示其经历了较为显著的后生富集成矿作用。

综合考虑区内铀含量、古铀含量（图3b）及铀迁移富集特征（图3c、d），初步认为除位于研究区南东部新立屯-爱国屯一带偏高场的形成具有明显的原生预富集及后生富集叠加外，其余偏高场的形成以后生富集叠加作用为主。

4.2 铀矿找矿潜力分析

研究区内已发现的铀矿床及矿带主要位于钱家店凹陷北段姚家组构造剥蚀天窗周边，其中以钱家店（钱Ⅱ块）铀矿床、宝龙山铀矿床最具代表性，二者均为非典型层间氧化带型铀矿床。矿体呈板状产出在上白垩统姚家组下段，埋深由北向南逐渐变深［33-35］，其中铀矿化形成时期包括同生沉积预富集期与后生富集成矿期。此外随着近年来勘查程度的提高，在铀矿床南部陆续发现了较好的工业铀矿体，矿体同样呈板状产出，具有稳定性好、连续性好等特点。通过对其地面伽马能谱特征对比发现，这些已有的矿床或矿带大多分布在古铀含量高值区或偏高值区内，显示出该区域经历了较为显著的同生沉积预富集；同时位于相对变迁系数、古铀迁移量特征均反映出的受北西向构造及构造单元界线控制明显的铀的迁入区域，后生富集成矿作用明显。这一发现反映出在古铀含量高值区、偏高值区和铀明显迁入区的叠加区域具有着较大的铀成矿潜力。近年来新勘探进展成果也印证了这一规律。这一规律不仅较好的反映出区内铀矿床及矿带的地面伽马能谱异常显示特征，也进一步反映出区内具有着较大的铀矿找矿潜力。目前区内勘查工作主要集中在东部，随着钱家店、宝龙山等铀矿床及矿带的发现，研究区东部铀矿找矿工作取得了较大的突破。根据本次数据分析认为，研究区西部存在较大面积且后期铀迁入明显的铀偏高场，这些区域均分布在构造单元界线或北东向及北西向断裂构造交汇部位。综合研究区找矿目的层姚家组岩性岩相、砂体等厚、地化环境、水文地球化学等条件，在研究区内圈定出铀矿找矿远景区7 处（图4），这些远景区均位于上述具有明显铀迁入的铀偏高场内，成矿潜力较大。其中位于东部的洋井、青龙山远景区及位于南部的四合屯-辽河镇、西蒙古屯-腰伯吐、西乌兰花-东乃木格勒远景区均处于辫状河砂体发育的氧化带前锋线位置，可作为研究区西部找矿的主要探索区域；北部的西腰茫哈、哈门艾勒-中敖本台远景区位于冲积扇扇上河道区域，可作为研究区西部找矿的次要探索区域。