Pb同位素打靶法在相山铀矿田找矿勘查中的研究与应用

2022-10-18刘汉彬韩娟李军杰金贵善张建锋张佳石晓徐可

世界核地质科学 2022年3期

刘汉彬，韩娟，李军杰，金贵善，张建锋，张佳，石晓，徐可

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

由于华东南地区花岗岩、火山岩两类岩石极易受到风化作用，在地表通常形成几米到十几米的厚层土壤覆盖层。铀（U）元素化学性质活泼，pH、Eh等地球化学条件变化会引起土壤中铀的迁移、分散、富集等现象。因此，土壤次生晕中铀异常不能反映原生晕矿化实际情况，况且覆盖层造成铀的弱异常信息难以捕捉，在某些地段的铀次生富集假异常又干扰找矿工作。

目前，国内已发现的大多数热液型铀矿床的勘查深度在300～500 m以内，近年来，“深源成矿论”和“热点铀成矿”等新理论认为500～1 000 m深度有很大的资源潜力，且1 000 m深度以下的铀资源潜力也有待于进一步认识和探索［1-2］。随着铀矿勘查工作的不断深入，近地表和浅部发现铀矿床的难度越来越大，寻找深部富、大铀矿已成为当前及今后我国铀矿勘查的主要方向［3］。2020年，由核工业北京地质研究院李子颖研究员领衔的团队实施科技部重点研发计划项目，在长江铀矿田油洞地区1 535 m深度发现了我国目前深度最深的工业铀矿化［4-5］。因此，针对隐伏矿体的勘探方法研究十分必要，热液型铀矿找矿方法需要针对准确性、反映盲矿体等有效性问题开展新方法、新技术研究。

由于铅（Pb）同位素组成具有“指纹特征”，且化学性质稳定，Pb在土壤风化过程中不受风化淋滤的影响。因此，地表土壤中铅同位素特征能够反映深部盲矿体原生矿石铅同位素组成，对于寻找隐伏铀矿体具有重要应用价值。20世纪60年代，国外开始将Pb同位素组成的铅同位素模式法、血型铅法、分带关系法、铅同位素比值等方法应用于地球化学探矿与找矿评价［6-8］。20世纪80年代，夏毓亮在国内最早将铅同位素找矿方法应用于铀矿床评价［9］。总体上上述这些方法基本归属于铅同位素比值找矿法，尽管这些方法在铀矿及其他矿种找矿中发挥了重要作用，但该类方法评价指标相对单一，为204Pb、206Pb、207Pb、208Pb之间的某些比值，且没有根据矿化造成的Pb同位素组成异常组合定量化评价测量数据。

由于放射性Pb同位素是铀（238U、235U）和钍（232Th）的子体，利用Pb同位素组成的高灵敏度特点，克服铅同位素比值找矿法找矿标志单一的不足，即采用矿化作用产生的Pb同位素组成的组合判断标准，对成矿可能性进行预测［10］，建立了适合断裂构造蚀变带热液型铀矿勘查的Pb同位素打靶法，已经在桃山铀矿田花岗岩型铀矿得以应用［11］，本文为Pb同位素打靶法在相山铀矿田火山岩铀矿示踪的应用成果。

1 地质概况

相山铀矿田是我国最大的火山岩型铀矿基地，位于华南中生代赣杭火山岩带西端的一个大型火山塌陷盆地内，处于扬子陆块与华夏陆块多期次离合拼接部位。盆地基底为中元古代浅碎屑变质岩系，盖层由下白垩统打鼓顶组、鹅湖岭组火山岩系组成（图1）。铀矿床主要产于火山-侵入杂岩体的内部及外侧。主要控矿构造为规模不等的断裂带，含矿构造为裂隙带。铀矿化蚀变分为碱性蚀变和酸性蚀变［12］。

图1 相山铀矿田地质略图（据李子颖等，2014）［12］Fig.1 Geological sketch map of Xiangshan uranium ore field（from Li Ziying，et al.，2014）［12］

相山铀矿田气候为亚热带气候，夏天高温多雨，风化作用较为强烈，除沟谷外，地表一般被较厚的土壤层覆盖，现代地貌为构造侵蚀-剥蚀形成的中低山、丘陵类型，适合开展土壤样品和地表露头风化岩石取样。

2 Pb同位素打靶法靶标值建立

2.1 打靶法原理

铅（Pb）有4个稳定同位素204Pb、206Pb、207Pb和208Pb，除204Pb没有放射性母体，保持地球形成时的含量外，其他3个Pb同位素分别为铀系、锕系、钍系天然放射性系列的最终产物。

由于铀、钍放射性衰变的原因，地壳中的Pb含量不断增加，特别是铀矿床富含铀、钍矿物，其Pb含量及同位素组成变化更加明显。因此，利用Pb同位素比值及组合能够实现铀矿勘查的目的。

地球形成时，Pb同位素组成为原始铅，其比值206Pb/204Pb=9.49；207Pb/204Pb=10.37；208Pb/204Pb=29.49。地球形成后，单阶段演化形成的普通铅的同位素组成范围是：204Pb=1.30%～1.78%；206Pb=19.73%～25.52%；207Pb=20.44%～23.49%；208Pb=52.42%～55.81%。而铀成矿作用是多阶段演化体系，通过复杂的地质作用过程使铀、钍分散或富集，Pb同位素特征也相应表现出放射性成因铅组分明显高于同一时期普通铅组分，形成异常铅［9］。

矿石或矿化岩石中铀衰变作用使206Pb所占的百分比显著增大，一般其最小值接近普通铅的最大值，通常大于25%，随着铀含量的增加，其所占比例更大，有的达到50%左右。204Pb、207Pb和208Pb三个同位素所占比例基本都会低于普通铅中相应的同位素组成。由于铀矿化造成的铀、钍含量有差异，铀矿化期次不同，在利用Pb同位素找矿时，不应只考虑单个Pb同位素比值的变化，要建立Pb同位素比值206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb、207Pb/206Pb、208Pb/206Pb组合标志，并根据矿化特征对不同品位矿石的Pb同位素组成进行定量化研究，以便开展Pb同位素打靶法找矿方法应用研究。

2.2 靶标值建立

为了在勘查区内实施Pb同位素打靶法找矿，首先要对矿区内铀矿床矿石进行一定数量的样本取样，分析、研究矿石的Pb同位素组成及变化范围，即建立靶标值，为建立成矿靶标范围和评价测量点奠定基础。

在相山铀矿田居隆庵铀矿床根据矿化分布情况，选取ZK64A-6、ZK68A-12和ZK62A-5三个钻孔中9件不同品位的铀矿石或矿化样品，进行Pb同位素组成分析，分析204Pb、206Pb、207Pb、208Pb共4种同位素组成的原子数百分比（表1）。计算206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb、207Pb/206Pb、208Pb/206Pb原子比，这5个参数的各自的平均值（s）分别为25.08、16.36、40.33、0.71、1.75，标准偏差（σ）分别为8.84、0.58、1.25、0.16、0.43，以s±σ为椭圆形边界的划分标准建立各参数的成矿靶标范围，各参数的成矿靶标值范围分别为25.08±8.84、16.36±0.58、40.33±1.25、0.71±0.16、1.75±0.43。

表1 相山铀矿田铀矿石Pb同位素组成Table 1 Pb isotopic composition of uranium ore in Xiangshan uranium ore field

以206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb、207Pb/206Pb、208Pb/206Pb 5个参数的各自的平均值25.08、16.36、40.33、0.71、1.75作为中心点，用对应参数的标准偏差8.84、0.58、1.25、0.16、0.43为边界拟合出208Pb/206Pb-207Pb/206Pb、208Pb/204Pb-206Pb/204Pb、208Pb/204Pb-207Pb/204Pb（图2）3个椭圆形的成矿靶标值范围分布图。

图2 相山铀矿田矿石Pb同位素靶标值分布图Fig.2 Target value of Pb isotopic composition in Xiangshan uranium ore field

建立3个成矿靶标范围图后，就可以对测量点进行评价。评价时，先计算样品的Pb同位素组成比值，然后，在3种图解上相应投点作图，对哪些样品进入设定的靶区进行判断。按206P b/204P b、207P b/204P b、208P b/204P b、

207Pb/206Pb、208Pb/206Pb 5个指标落入靶标的多少进行分类、判断，以达到定量化、科学化判断分类的目的。

样品评价结果共分为4类：Ⅰ类为5个指标全部落入3个成矿靶标值范围分布图的样品；Ⅱ类为4个指标落入2个成矿靶标值范围分布图的样品，Ⅰ类和Ⅱ类样品所在地段应是进一步勘探找矿的有利预测地段。Ⅲ类为2个指标落入1个成矿靶标值范围分布图的样品，Ⅳ为类没有落入成矿靶标值范围分布图的样品，Ⅲ类和Ⅳ类样品所在的地段具有很小的成矿可能性，这些地段可被排除进一步勘查的范围。

建立靶标值时，应尽可能利用有代表性、主要矿化类型的矿石，才能建立较为准确的靶标值，否则Pb同位素组成靶标值的代表性会直接影响评价结果。

在实施Pb同位素打靶法评价过程中，要注意分析样品所处位置是否受到地质剥蚀作用及剥蚀作用的程度，还应研究主要控矿蚀变断裂带中Pb同位素组成在垂向上的变化趋势，防止虽然样品在隐伏矿体上部位置，但其Pb同位素组成与下部矿体Pb同位素组成相差较大，远离靶标值范围而出现忽略了隐伏矿化的现象；也要防止因样品位置本已处于矿化尾部，与矿石的Pb同位素组成无明显差别，该类样品容易落到靶标值的范围内，出现没有指示意义的假异常。

3 已知剖面有效性试验

居隆庵矿床是相山铀矿田密集裂隙带火山岩型铀矿床。矿床具有多期次复杂构造活动特点，主要有芜头-小陂、邹家山-石洞2条北东向断裂破碎带，小陂-石洞、书堂-济河口2条北西向断裂破碎带，F7、F18、F13等近南北向断裂和帚状构造［12］（图3）。

图3 相山铀矿田居隆庵矿床构造分布简图（据参考文献［12］）Fig.3 Structural distribution of Julongan deposit in Xiangshan uranium ore field（Modified after reference［12］）

在相山铀矿田选择居隆庵矿床64号剖面进行了Pb同位素组成打靶法对火山岩型隐伏铀矿体预测示踪的有效性试验研究，该剖面位于居隆庵矿床的西北部（图3），目的是验证该方法是否具有分辨出隐伏铀矿体的能力。

该剖面横穿F7、F18、F13三条断裂并临近F21断裂，除F21断裂的倾向西外，F7、F18、F13断裂的倾向东。其中，F18断裂的走向为300°～330°，倾角75°～85°，宽度为几米到15 m左右，以破碎带形式出现。断裂带附近派生出一系列小断裂或裂隙构造。断裂带在深部撒开呈帚状形态，也是矿体赋存的主要部位［13］（图4）。

图4 相山铀矿田居隆庵矿床64号剖面取样位置图（据参考文献［13］修改）Fig.4 Sampling location of section 64 of Julongan deposit in Xiangshan uranium ore field（after reference［13］）

在居隆庵矿床64号剖面取样43个，样品为风化岩石或土壤。该剖面样品的Pb同位素组成和根据成矿靶标范围评价等级见表2。评价结果表明（图5），该剖面样品中，没有Ⅰ类样品评价点，有7个Ⅱ类样品评价点，Ⅲ类样品评价点5个，Ⅳ类样品评价点31个。

图5 居隆庵矿床64号剖面样品Pb同位素靶标投影及评价分类Fig.5 Pb isotope target projection and evaluation classification of sample from Section 64 in Julongan deposit

表2 （续）

表2 相山铀矿田居隆庵矿床64号剖面样品Pb同位素组成及评价Table 2 Pb isotopic composition and evaluation on samples of section 64 in Julongan deposit，Xiangshan uranium ore field

根据样品在64号剖面取样位置（图4），可以看出，该剖面2、3、6、15、27、36、37号点评价为Ⅱ类，其中2、3、6号3个点在F21断裂蚀变带附近；15号点位置在F7断裂蚀变带附近，F7断裂是该矿床的一个主要含矿断裂，该点为Ⅱ类异常点是深部“帚状”矿体成矿时矿体可能位置；27号点在F18断裂蚀变带附近，F18断裂带本身也是一条含矿断裂带；36、37号点位于F13断裂蚀变带附近，显然也反映了深部铀矿化现象。Ⅱ类异常点位置主要反映了矿化蚀变所赋存断裂。

该剖面Ⅲ类评价点有29、30、33、34、41号样品点，其中29、30号两点在F18断裂蚀变带附近；33、34号两点在F18与F13两条断裂蚀变带之间；41号点在F13断裂蚀变带附近。

试验结果说明，该方法对火山岩型隐伏铀矿化有直接指示作用，能够反映含矿断裂带，即能反映出隐伏铀矿体，结合断裂产状和延伸趋势，可以预测出矿化蚀变所赋存断裂，为隐伏铀矿勘查提供参考依据。

根据评价结果，居隆庵矿床64号剖面没有出现Ⅰ类样品点，说明剖面取样位置铀矿化强度较弱，产生的放射性Pb同位素比例相对较小。在F18、F13断裂蚀变带之间，有33、34、36、37号四个点被评价为Ⅱ类或Ⅲ类异常点，异常分布相对较为连续，推断在该地段内可能存在一条断裂蚀变带地段，并且可以作为矿体所在大致位置。

4 居隆庵矿床找矿预测评价

在居隆庵矿床（图4），近似垂直于F18、F14断裂带，设计W1～W5共5条剖面线，剖面方向为110°，线距250 m，剖面长度为1 000 m，其中，W2～W4四条剖面取样点距为40 m，W1剖面取样点距为100 m（图6），实际在该矿床采集剖面土壤样品113件。对土壤样品进行了Pb同位素组成测试，并进行了铅同位素组成数据计算、处理（表3、4、5），然后进行靶标值投影（图7），在靶标评价分类基础上，结合地质及矿化情况，预测了有利成矿地段。

图6 居隆庵矿床取样位置图Fig.6 Sampling location map of Julongan deposit

图7 相山铀矿田居隆庵矿床样品Pb同位素靶标投影及评价分类Fig.7 Projection and evaluating classification of Pb isotope target of samples from Julongan deposit in Xiangshan uranium ore field

表3 （续）

表3 相山铀矿田居隆庵矿床W1、W2号剖面土壤Pb同位素组成及靶标评价Table 3 Pb isotope composition and target evaluation of soil samples from Section W1 and Section W2 in Julongan deposit，Xiangshan uranium ore field

W1号剖面W1-5、W1-6、W1-7号点评价为Ⅱ类样品点（表3），三个点位于剖面的中部且连续，它们的位置分布在近SN向F18断裂构造带的两侧（图6）。

W2号剖面W2-13号点为I类评价点，W2-14与W2-17两个点为Ⅱ类评价点（表3）。W2-13和W2-14两个点在该剖面上连续分布。这3个点位于剖面的中部，也分布近SN向F18断裂构造带的两侧。W2-13点为测区内中唯一的I类评价点，推测该I类异常点位置为近SN向F18断裂构造带与近NE向F14断裂构造带的交会部位。

W3号剖面有3个点为Ⅱ类评价点，分别为W3-6、W3-14、W3-25号样品点（表4），三个点分别位于该剖面的左侧、中部和右侧。W3-6号点位置对应于测区内F18断裂带，W3-14号点位置对应于测区内F14断裂带，W3-25号点位置对应于测区内F推测2隐伏断裂带。

W4号剖面有5个点为Ⅱ类评价点，分别为W4-3、W4-4、W4-18、W4-20、W4-24号样品点（表4）。5个点分布位于剖面的左侧和右侧，其中，W4-3、W4-4号点位置对应于F18断裂带，W4-18、W4-20号点位置对应于F14断裂带，W4-24号点位置对应于F推测2隐伏断裂带。

表4 （续）

表4 相山铀矿田居隆庵矿床W3、W4号剖面土壤Pb同位素组成及靶标评价Table 4 Pb isotope composition and target evaluation of soil samples from Section W3 and Section W4 in Julongan deposit，Xiangshan uranium ore field

W5号剖面有10个点为Ⅱ类评价点，Ⅱ类点占该剖面所有测点的比例为2/3，相对较多，分别为W5-1、W5-3、W5-4、W5-8、W5-11、W5-13、W5-14、W5-15、W5-16、W5-23号点（表5）。10个Ⅱ类评价点分别位于剖面的左侧、中部和右侧。

表5 相山铀矿田居隆庵矿床W5号剖面土壤Pb同位素组成及靶标评价Table 5 Pb isotope composition and target evaluation of soil samples from Section W5 in Julongan deposit，Xiangshan uranium ore field

其中，W5-1、W5-3、W5-4号点位置对应于F18断裂带；W5-8、W5-11号2个点位置于F推测1断裂带两侧；W5-13、W5-14、W5-15、W5-16号点位置位于F18断裂带与F14断裂带之间；W5-23号点位置位于F14断裂带与F推测2隐伏断裂带之间。

W5号剖面Ⅱ类评价点较多，推测断裂蚀变带规模相对较大，也可能有裂隙带发育。

从Pb同位素组成靶标值示踪结果看出，断裂带附近的较多样品点评价为Ⅱ类样品点，能够较清楚地圈定出矿化构造带范围，其中，测区I、II类评价点分别与断裂蚀变带相对应，是断裂带具备蚀变矿化现象的反映。

整个测区共有Ⅰ、Ⅱ类评价点24个，占整个测区113个测量点的21%，即1/5左右，说明Pb同位素打靶方法具有很好地区分异常能力。

根据断裂构造分布情况和测量点评价分类结果，整个测区分为三个异常区（图6）：

i号异常区：位于F18断裂带内，异常点主要分布在W4、W5两条测线上，推测异常点对应于F18断裂带内位置可能含有隐伏铀矿化。

ii号异常区：测区内W1-W5测线都出现了相对连续的Ⅱ类评价点，异常点主要沿F14断裂带分布，说明F14整条断裂带含有隐伏矿化的可能性很大，值得重视。

iii号异常区：位于测区东部F推测2断裂带内，异常点主要分布在W3、W4两条测线上，推测异常点对应于F推测2断裂带内位置可能含有隐伏铀矿化。

总体上，测区西、中、东部三条近NE向断裂带内可能有隐伏铀矿化，推测中部ii号异常区矿化范围较大，特别是F18断裂带与F14断裂带的交汇部位，i、iii号异常区矿化规模相对较小。

需要说明的是，在实施Pb同位素打靶法过程中，可以沿蚀变断裂带采用不等点距取样，就能对断裂带含矿化情况作出初步判断，会减少野外取样工作量和室内分析样品数量。另外，落入靶标值范围内的I、II类评价点多数位于断裂带附近位置，因F7、F18、F13断裂带的倾向东，因此异常点主要在断裂带上盘或断裂带内，这些断裂带上部倾角较陡、下部变缓，在勘探施工过程中应当考虑断裂带产状的因素。

相山铀矿田居隆庵矿床剖面Pb同位素打靶法示踪结果表明，测区内西侧、中部、东侧F18、F14、F推测2三条断裂及其附近异常评价点位置为重点找矿成矿有利地段，可进一步进行其他方法的勘查研究工作。