伊犁盆地阔斯加尔地区西山窑组上段铀镭平衡系数特征及其地质意义

苗辰若

(核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011)

在铀矿勘探工作中，γ测井解释成果是铀资源估算的重要基础资料，铀镭平衡系数是修正γ测井解释的重要参数。γ测井的实质是通过探测238U衰变子体226Ra及子体产生的γ放射性强度，间接评估铀-镭处于平衡状态下的铀含量(李强等，2016；张青海，2018；封志兵等，2021；李巨初等，2011；章晔等，1990；夏彧等，2018a；秦臻等，2020)。由于地浸砂岩型铀矿形成过程中，以含矿砂体具有良好的渗透性为前提，广泛分布着溶解-沉淀作用，铀及其衰变子体往往产生空间分离，出现铀镭平衡被破坏的现象(黄建国，2017)。因此，准确分析与研究矿层铀镭平衡系数特征，了解矿层铀镭平衡状态，对于了解矿层铀的迁移和富集特征、铀矿床资源量修正等问题具有重要意义。

伊犁盆地南缘是我国天然铀的重要矿产区，阔斯加尔位于伊犁盆地南缘中西段，毗邻乌库尔其铀矿床，具有较大的铀矿资源潜力(邱余波等，2015；李勇等，2020)。笔者以阔斯加尔地区西山窑组上段为例，通过对矿层铀镭的测定分析和计算研究，阐明该矿层的铀镭平衡系数特征及其地质意义。

1 研究区地质概况

伊犁盆地属于天山造山带中的伊犁-中天山微地块，是在塔里木板块和哈萨克斯坦板块的南北对冲挤压应力作用下形成的大型内陆山间坳陷盆地(张国伟等，1999；廖世南，1992)。阔斯加尔位于伊犁盆地南部斜坡带中段(图1)，构造形态主要形成于新构造运动，为次级微隆起区，称乌库尔其微凸起(1)核工业二一六大队,2005.新疆察布查尔县乌库尔其铀矿床勘探地质报告[R].。阔斯加尔地区盖层从上至下依次为第四系、新近系、中侏罗统头屯河组、中下侏罗统水西沟群，基底为下二叠统中酸性火山碎屑岩。水西沟群自下而上划分为八道湾组、三工河组和西山窑组，有7个沉积旋回(Ⅰ～Ⅶ)，其中铀矿体主要赋存于西山窑组下段和上段砂体中。西山窑组厚度约170 m，沉积相及岩性见图2。

图1 伊犁盆地阔斯加尔地区大地构造位置Fig.1 Tectonic location of Kuosijiaer area of Yili basin

在阔斯加尔地区施工的多个钻孔均揭露到工业铀矿体，铀矿体主要赋存于西山窑组上段(Ⅶ)，在西山窑组下亚段(Ⅴ22)少数钻孔发现工业铀矿化。经多钻孔剖面对比，地层呈多期次旋回，见多层泥岩夹层，单旋回砂体厚度稳定，呈正韵律展布，发育有利于砂岩型铀矿形成的“泥-砂-泥”层间氧化带结构。各含矿砂体除局部地段因隔水层缺失砂体合并外，基本相对独立发育，在空间形态上呈层状或带状、透镜状产出。研究区含矿地层岩性以含砾粗砂岩、粗砂岩、中砂岩为主，少量为细砂岩。砾石含量整体偏低，岩性结构疏松，为含铀流体能够不断运移提供良好通道，另含矿段下部为灰色砂岩为主的还原环境，内有有机质富集形成的还原障，有利于铀矿体的形成(夏彧等，2018b)。

2 铀镭样品采集与分析方法

2.1 样品采集

本次铀镭样品均采集于钻孔γ测井异常段，且依照《铀镭平衡系数测量规程》(国家国防科技工业局，2018)和《地浸砂岩型铀矿取样规范》(国防科学技术工业委员会,2002)要求与方法进行取样：

①用于测定的铀镭平衡系数样品在研究区地域分布上应有代表性，样品数量大于等于200个；样品编录测值峰型与γ测井矿段峰型相符，位置相互对应。

②样品矿段取芯率≥75%；取样封边矿段样品铀含量≥0.01%。

③样品岩芯表面要清洗干净，采用劈半法连续取样，对于岩芯破碎地段应均匀拣块取样，样品长度一般为0.1～0.2 m为宜。

经样品统计，满足采集要求并参与计算的铀镭样品共217件，均位于西山窑组上段(J2x3)，样品取样位置分布详见图3，样品岩性为中砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩、砂砾岩(图4)。

2.2 分析方法及结果

样品测定由核工业二一六大队检测研究院分析测试中心完成，铀、镭含量均采用γ闪烁法(中华人民共和国核工业部,1986)测定，铀镭自动分析仪器型号为ZXB-Ⅱ(核工业203研究所制)，检出限均为0.001%。表1为研究区满足铀镭平衡系数计算要求的217件样品分析结果，可以看出铀镭样品均为渗透性好的中粗砂岩，其铀含量与镭含量分析结果大多不同，说明阔斯加尔地区西山窑组上段层段铀镭平衡遭到破坏。

3 铀镭平衡系数特征

3.1 铀镭平衡系数的计算

依据《铀镭平衡系数测量规程》(国家国防科技工业局，2018)，铀镭平衡系数的计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

图2 阔斯加尔地区西山窑组柱状图Fig.2 Histogram of Xishanyao Formation in Kuosijiaer area1.含砾砂岩；2.砂岩；3.泥岩；4.煤层

式中：Kp,i是以单样品铀、镭米百分数之和的比值，确定单样品的铀镭平衡系数，无量纲；Kp,d为以矿段样品铀、镭米百分数之和的比值，确定矿段的铀镭平衡系数；Kp为以样品铀的米百分数为权，确定含矿地层的铀镭平衡系数修正值；CRa,i为样品分析镭含量的数值(%)；CU,i为样品分析铀含量的数值(%)；h为样品长度(m)；n为计算Kp,d时的矿段样品数，计算Kp时则为矿段数；3.4×10-7为铀镭平衡时铀与镭之间的质量比值，无量纲。

3.2 西山窑组上段铀镭平衡系数分布特征

3.2.1 铀镭平衡系数频谱曲线分布特征

各种类型铀矿床铀镭平衡系数的分布情况大致有2类：①铀镭样品平衡系数频谱分布曲线有一定变化规律，曲线总体上呈单峰形状的正态分布(李继安等，2013)。图5a表示样品铀镭平衡系数为0.9～1.1，表示该区域进行γ测井解释和资源估算评价时无需平衡破坏修正。图5b和c显示铀镭平衡系数频谱分布曲线峰值偏向纵轴两侧，说明该区域的铀矿床或层位铀镭平衡遭到破坏，需要对γ测井解释和资源估算评价进行铀镭平衡破坏修正。②铀镭样品平衡系数频谱分布曲线没有变化规律(图5d)，呈多峰起伏，形态严重不对称，说明该区域铀矿床或矿体铀镭平衡遭到无序破坏。

表1 铀镭样品分析结果表Table 1 Analysis results of uranium-radium samples

续表1

续表2

3.2.2 铀镭平衡系数特征

经计算西山窑组上段铀镭平衡系数为0.84(表2)，其中样品铀镭平衡系数为0.66～1.16，平均值为0.89，变异系数为15.09%。对单样品铀镭平衡系数进行频率分布分析(图6),频率分布曲线峰值具有向左偏的特点，形态上基本服从正态分布，但样品数值离散程度变化相对较大，统计结果明显偏铀。

图3 铀镭样品取样分布图Fig.3 Distribution of uranium radium samples1.西山窑组上段低平米铀矿带；2.西山窑组上段工业铀矿带；3.工业孔；4.低平米铀量孔；5.矿化孔；6.西山窑组上段层间氧化带前锋线；7.钻孔号；8.取样位置；9.铀镭平衡样品及数量

表2 西山窑组上段样品铀镭平衡系数统计表Table 2 Statistical table of uranium-radium equilibrium coefficient of samples from upper Xishanyao Formation

3.3 Kp,i与单样品铀含量的关系

从图7可知，Kp,i随着单样品铀含量的增加有一定的减小趋势，即Kp,i与单样品铀含量呈一定的负相关性。在样品铀含量小于0.20%时，Kp,i值为0.5～1.5，分布较为集中；铀含量大于0.20%时，Kp,i值变化范围相对较小，样品分布较为分散。铀含量高的样品层段往往铀镭平衡系数偏低，显示偏铀，而铀含量低的样品层段铀镭平衡系数普遍较高，明显偏镭，表明铀含量低的层段存在铀元素的迁出，铀含量高的层段存在铀元素的富集现象。样品中铀元素的迁移活动明显，说明阔斯加尔地区西山窑组上段铀成矿一直持续至今，矿段中铀元素存在富集叠加现象(姜涛等，2016)。经本次研究发现，Kp,d与矿段铀含量(图8a)及厚度(图8b)相关性不明显。

3.4 Kp,d在矿体不同部位的变化特征

对于铀矿体来说，不同部位的铀镭样品平衡系数呈现出一定的变化规律(表3)。卷头矿体样品铀镭平衡系数比翼部小，总体上处于偏铀状态，表明铀镭平衡系数小的层段其铀成矿富集作用越明显。

表3 矿体不同部位铀镭平衡系数统计表Table 3 Statistical table of uranium-radium equilibrium coefficient in different parts of ore body

图4 钻孔取样岩芯岩性图Fig.4 Core lithology maps of borehole samplingA.灰色砂砾岩；B.浅黄色砂砾岩；C.灰色含砾粗砂岩；D.灰色粗砂岩；E.浅黄色粗砂岩；F.浅红色粗砂岩；G.浅黄色中砂岩；H.灰色中砂岩

图5 铀镭平衡系数频率曲线分布图Fig.5 Spectrum curves distribution of equilibrium coefficient of uranium-radium

3.5 Kp，i与岩矿石粒度的变化特征

研究区所取铀镭样品铀镭平衡系数变化范围为0.45～2.65(表4)，加权平均值为0.84。其中，中粒砂岩铀镭平衡系数加权平均值为0.90，在样品中占比为6.0%；粗粒砂岩、含砾粗砂岩、砂砾岩铀镭平衡系数加权平均值分别为0.84、0.84和0.80，在样品中占比为94.0%。由表4可知，单样品铀镭平衡系数随矿石粒度的增大而减小，随着矿石粒度由细到粗，其层段渗透性越好。研究区岩性结构疏松，为矿层中铀元素的迁移提供良好通道，在具备优良水动力的条件下，易于在构造及沉积环境有利的层段富集成矿。

表4 铀镭平衡系数与矿石粒度的变化特征统计表Table 4 Statistical table of uranium-radium equilibrium coefficient and mineral particle size variation

4 结论

通过对阔斯加尔西山窑组上段的矿石样品铀镭平衡系数分析研究，得出以下结论：

图6 西山窑组上段铀镭平衡系数频率分布曲线Fig.6 Frequency distribution curve of uranium radium equilibrium coefficient of upper Xishanyao Formation

图7 Kp,i与单样品铀含量关系Fig.7 Relationship between Kp,i and uranium content of single sample

图8 Kp,d与矿段铀含量(a)及厚度(b)关系Fig.8 Correlation between uranium-radium equilibrium coefficient and uranium content(a), and thickness of ore section(b)

(1)阔斯加尔铀成矿区西山窑组上段铀镭平衡系数为0.84，其中样品铀镭平衡系数介于0.66～1.16，算术平均值为0.89，均方差为0.13，变异系数为15.09%。铀镭平衡系数频率曲线形态近似服从正态分布，峰值位于纵坐标左侧，显示偏铀，应对研究区域γ测井数据进行解释修正，从而准确估算阔斯加尔成矿区铀资源量。

(2)单样品铀镭平衡系数随着铀含量的增加有一定的减小趋势，其与单样品铀含量呈负相关关系。铀含量高的样品层段往往铀镭平衡系数偏低，显示偏铀，而铀含量低的样品层段铀镭平衡系数普遍较高，明显偏镭，表明铀含量低的层段存在铀元素的迁出，铀含量高的层段存在铀元素的富集现象。研究区铀矿体的不同赋存部位呈现出一定的变化规律，卷头矿体样品铀镭平衡系数比翼部小，即铀镭平衡系数小的层段其铀成矿富集作用越明显。

(3)随着样品岩石粒度由细到粗的变化，铀镭平衡系数逐渐减小，其层段砂体渗透性逐渐变好，为砂体中铀元素的迁移提供良好通道，加之研究区地处伊犁盆地南缘斜坡带，其西南方向呈微凸构造，水动力条件良好，层段中铀镭平衡遭破坏，遇到富含有机质的还原环境，最终利于铀成矿。