活性炭测氡法在盐池县小马鞍山地区的应用

2023-11-08马杰史保胤谢非王赕叶旭阳芮婷杜鹏龙员文强张文剑

世界核地质科学 2023年3期

马杰，史保胤，谢非，王赕，叶旭阳，芮婷，杜鹏龙，员文强，张文剑

（宁夏回族自治区核地质调查院，宁夏银川 750021）

研究区位于宁夏回族自治区盐池县小马鞍山地区，以往铀矿地质工作程度低，仅对1∶200 000 区域地质调查中发现的铀矿化异常点进行了查证，且局限于古近系清水营组的膏结岩型铀矿化，针对白垩系地层未开展任何铀矿找矿工作。

课题研究组依托宁夏自然科学基金项目“盐池县小马鞍山氡气异常与深部铀矿化关系研究”，在充分收集整理研究以往各类基础资料的基础上，选择氡气浓度异常有利区块开展了氡气浓度剖面测量，获得了较好的实验数据结果。

氡（Radon），是一种无色无味的惰性气体，因其化学性质不活泼，多以单质形式存在，且未发现有已知的生物作用［1］，因此氡气浓度变化特征能够较好地真实反映地下气体向地表逸散运移的过程，在环境监测、地震监测和铀矿找矿中得到广泛应用［2］。氡气可从地下近千米逸散至地表，研究表明在砂岩型铀矿床及矿化区（带）周围，有显著的氡浓度异常晕带［3-4］。氡气浓度测量作为一种攻深找盲、经济快速的铀矿找矿方法，被广泛地运用于覆盖层较厚的铀成矿有利区，在砂岩型铀矿找矿中发挥着极其重要的作用［5-7］。

活性炭吸附测氡法是一种累计吸附测氡方法，该测量方法利用活性炭强吸附能力，吸附土壤（岩石）中的氡及其子体，而后利用专用设备，测量氡衰变过程中释放的伽马射线强度，计算得出氡气浓度的高低。通过获取土壤（岩石）中氡浓度的分布信息，进而推测隐伏铀矿体的赋存情况［8-9］，以达到寻找深部隐伏铀矿（化）体的目的。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地幅员辽阔、资源丰富，北起阴山、大青山，南抵秦岭，西至贺兰山、六盘山，东达吕梁山、太行山，横跨陕西、甘肃、宁夏、内蒙古和山西五省区，是中国第二大沉积盆地［10］。分析研究鄂尔多斯盆地构造发展演化史及现状格局，将其划分为六个一级构造单元，即西缘冲断构造带、天环坳陷、陕北斜坡、渭北隆起、晋西挠褶带以及伊盟隆起［11］（图1）。鄂尔多斯盆地各类矿产资源、能源资源矿种齐全，具有分布范围广、资源潜力大、储量规模大和经济价值高等特点，是一个富含石油、天然气、煤炭以及砂岩型铀矿的大型综合盆地［12］。

图1 鄂尔多斯盆地构造分区示意图（据参考文献［13-14］修改）Fig.1 Schematic diagram of structural zonation in Ordos basin

鄂尔多斯盆地形成于鄂尔多斯地台之上，主要经历了加里东期、印支期和燕山期3 期构造运动，为中生代形成的内陆型沉积盆地，具有太古界及早元古界双重变质结晶基底，结晶基底整体呈东北部高、西南部低的地形地势形态，盖层主要由三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系组成（图2）。

图2 鄂尔多斯盆地地质简图（据参考文献［13-14］及全国1：500 万地质图修改）Fig.2 Sketch geology map of Ordos basin

鄂尔多斯盆地及周边的三叠系、侏罗系、白垩系和古近系地层中均赋存有较好的铀矿化异常层位，尤其是侏罗系、白垩系地层中，先后取得了一系列的铀矿找矿重大突破，落实了诸多大型铀矿产地。

鄂尔多斯盆地特殊的大地构造位置，为盆地的形成演化提供了良好的储存空间，使盆地接受了丰富的物质来源。盆地经历了早古生代陆表海、晚古生代滨海平原和中生代内陆湖盆三大发育阶段［15］，在多旋回叠合古构造运动等综合地质作用下，在不同沉积时期、不同沉积环境下，盆地内形成了种类多样、资源量丰富的能源资源和矿产资源。

铀矿作为重要的战略矿产资源和高效的清洁能源资源，其勘查开发对国家安全和社会经济发展都具有重要的意义［12］。鄂尔多斯盆地作为我国北方砂岩型铀矿最重要的产铀盆地，赋存有丰富的铀矿资源，铀矿赋矿层位主要集中分布于三叠系、侏罗系、白垩系和古近系等地层中，其中砂岩型铀矿主要分布于侏罗系和白垩系地层中。在盆地东北部东胜至杭锦旗一带的中侏罗统直罗组落实了皂火壕铀矿床、纳岭沟铀矿床和大营铀矿床，在盆地西南部陇县地区的白垩系地层中落实国家湾铀矿床［16］。此外，在盆地西北部鄂托克前旗毛盖图地区的下白垩统，以及盆地西南部的六盘山地区、镇原至灵台一带下白垩统地层中，均取得了较大的铀矿找矿突破，落实查明了一批砂岩型铀矿产地和铀矿化点（图2）。

鄂尔多斯盆地下白垩统集中分布于盆地中西部，展布面积约13.7 万km2，下白垩统地层在盆地内由东向西变厚，最厚可达1 200 m［16］。综合分析研究前人成果资料，认为盆地西南部的白垩系保安群环河组—洛河组，具备良好的铀源、构造、砂体、水动力和蚀变等铀成矿条件，应该作为该地区铀成矿找矿的重点目标层位。

2 实验测量

2.1 选区研究

研究区地表均为第四系覆盖层，覆盖层厚度一般介于0.5m 至十余米，且具有东薄西厚的特征。以往钻井资料显示，下部分布完整的白垩系保安群沉积序列，其中的环河组—洛河组属干热气候条件下的洪流式河流相沉积，岩性主要为棕红、暗棕色中粗粒砂岩、砾岩，夹少量泥岩、砂质泥岩，砂质胶结，岩石疏松，交错层理发育，岩层普遍具有“泥-砂-泥”结构，为区域主要含水层，岩性、岩相稳定，层厚度介于215～345 m 之间，砂体厚度介于7～90 m 之间。在研究区南部彭阳—镇原一带铀矿勘查钻孔中，该组段赋存有较好的铀矿（化）体［17］。

研究区东部小马鞍山地表见较好的铀矿化显示，铀矿化点产于古近系渐新统清水营组含膏泥岩中，地面伽马照射量率最高达46.44 nC·（kg·h）-1，异常层位较稳定，局部见浅黄绿色次生铀矿物，表明该区铀源丰富。

研究区位于鄂尔多斯盆地西缘盐池县油气田区，丰富的油气资源可形成有利的地球化学障，为铀的还原、富集和成矿提供有利的地球化学条件。

以往调查成果表明：在研究区第四系覆盖区圈定出较好的氡气异常区，为进一步查证该区氡气异常逸散分布特征，对研究区开展了40 、80 和120 cm 不同探坑深度的氡气浓度变化特征的实验研究，以推断解释研究区氡气异常的来源。

2.2 实验过程

本次实验数据测量采用活性炭累计吸附测氡法，使用测量仪器为HD—2003 活性炭测氡仪，数据测量共投入两台HD—2003 活性炭测氡仪，两台仪器均经过国防科技工业1313 二级计量站的标定，具有合格检定证书，确保了测量数据的准确性。实验数据测量前对两台仪器的稳定性、一致性进行了检测，检测结果均符合《氡及其子体测量规范EJ/T 605—91》、《铀矿勘查中氡及其子体测量规范EJ/T 605—2018》［18-19］规范中技术指标要求，确保了实验测量数据的真实性、可靠性。

2.2.1 实验吸附器制备

试验测量工作开始前，对活性炭吸附器进行组装，具体为25 g 活性炭铺设一层丝绵，5 g硅胶干燥剂再铺设一层丝绵，组装为一个活性炭实验样品杯，样品杯与吸附罩捕集器组装为一个活性炭吸附器。

2.2.2 吸附器埋置

活性炭吸附器埋设的探坑为柱状截形探坑，实验采用便携式汽油机，带动10 cm 的螺纹钻头进行探坑挖设，探坑孔径统一为15 cm 左右，探坑深度分别为40 、80 和120 cm，螺纹钻进的探坑最大限度地保持了地层的原始状态，保证了氡气逸散的自然特征，且探坑保持了统一的孔径尺度，使氡气逸散扩散的空间及扰动因素相一致，保证了实验测量数据的一致性和准确性。将活性炭样品杯和吸附罩捕集器拧在一起后倒扣在挖设好的探坑内，最后用土埋好压实，做好标志，活性炭吸附器的埋置时间统一为5 d。

2.2.3 活性炭样品分析测试

2.2.3.1 样品本底测量

活性炭样品本底值是从同批未埋置的活性炭样品杯中随机抽取5 个活性炭样品杯进行测量，测量时间为1 min，取3 次读数，5 个样本的平均测值作为该测区内活性炭样品的本底参数，将该数据作为HD—2003 活性炭测氡仪中的本底测量参数（表1）。

表1 活性炭样品本底测量结果表Table 1 Measurement results of backgroundin activated carbon sample

2.2.3.2 活性炭样品测试

活性炭样品测量场所选择在本底较低的环境，样品测量时放置在铅室内，避免了外界环境对测量结果的干扰。野外取回的活性炭样品，放置3 h 后开始测量，使样品中钍射气完全衰变，去除钍射气对实验结果数据的影响，实验数据测量均在10 h 内完成，避免了氡气产生衰变对测量结果的影响。

活性炭样品取回后，首先擦干净罩杯上的泥土，按编号顺序排列好，逐一完成测量。测量时间为1 min，取2 次读数，2 次读数的平均值为该样品的测值。

3 实验数据分析解释

3.1 实验数据处理

3.1.1 数据的分布形态检验

对研究区参与背景值统计计算的氡气浓度，去掉其平均值加2倍标准偏差的异常值后，用SPSS软件（IBM SPSS Statistics 19）进行数据正态分布形态检验，Kolmogorov-Smirnov 和Shapiro-Wilk 两种检验方法的数据观测显著水平sig值均小于0.05，检验结果均不服从数据的正态分布（表2）。

表2 研究区背景值数据正态分布检验Table 2 Normal distribution test of background values in the study area

对参与背景值统计计算的氡气浓度的对数，用SPSS 软件（IBM SPSS Statistics 19）进行数据正态分布形态检验，Kolmogorov-Smirnov 和Shapiro-Wilk 两种检验方法的数据观测显著水平sig 值均大于0.05，检验结果服从数据的正态分布（表3）。

表3 研究区背景值的对数正态分布检验Table 3 Lognormal distribution test background values in the study area

3.1.2 背景值确定

研究区氡气浓度背景值的确定由两部分数据构成：1）本次实验测量的探坑深度为40 cm 的氡气浓度测值；2）该区以往第四系氡气浓度测值。本次研究主要针对第四系不同深度的氡气浓度变化特征，通过对研究区基础地质资料的分析研究，该区均为第四系覆盖层，地质单元为单一的均质体，因此以整个研究区为单位进行背景值的统计计算。

根据研究区背景值统计数据的分布形态检验结果，研究区背景值确定采用对数平均值法确定背景，其计算公式如下：

式（1）和（2）［18-19］中：—用对数平均值法确定的背景值对数，其反对数为背景值的真值各测点测得值对数的总和；n—参加统计的测点数。

背景值的标准差S′为：

式（3）和（4）［18-19］中：Sg—以对数形式表示的标准差，其反对数为标准差的真值S′。

根据公式（1）～（4）计算得到研究区氡气浓度的背景值和标准差（表4）。

表4 研究区氡气浓度背景值、标准差统计表Table 4 Statistics on background value and standard deviation of radon concentration in the study area

3.1.3 氡气浓度场晕划分

研究区氡气浓度场晕划分为4 个等级，分别为正常晕、偏高晕、高晕和异常晕，按照《氡及其子体测量规范EJ/T 605—91》规范要求，分别对4个等级的场晕进行了数据统计计算，确定了研究区氡气浓度各场晕的划分界限范围（表5）。

表5 研究区氡气浓度场晕划分标准及范围Table 5 Dividing standard and range of radon concentration halos in the study area

3.2 氡气浓度场晕分布特征

由于研究区均为第四系覆盖区，且通过整理研究该区基础地质资料，未获得明显的线性断裂等构造信息，因此为了更好地控制掌握研究区氡气浓度分布特征，剖面布设采用了两横三纵的“井”字形布设原则，即EW 向的2 条氡气浓度测量剖面，SN 向的3 条氡气浓度测量剖面，研究区共完成氡气浓度测量剖面5 条，剖面累计长度23.8 km，分别对深度为40、80 和120 cm的探坑进行氡气浓度实验测量，共完成氡气浓度实验测点357 个，实验测点点距统一设定为200 m。

研究区氡气浓度普遍较高，通过对不同深度探坑的氡气浓度进行统计计算，结果表明：随探坑深度的增加，氡气浓度具有明显的增高趋势（表6、图3）。

表6 研究区氡气浓度统计表Table 6 Statistics on radon concentration of samples in the study area

图3 研究区各样本不同探坑深度氡气浓度曲线图Fig.3 Radon concentration curves of samples at different depths in the study area

研究区氡气浓度正常晕、偏高晕、高晕和异常晕分布随探坑深度变化而变化的特征显著，但整体呈现为北高南低、中部高两侧低的变化趋势。40 cm 探坑所测的氡气浓度以正常晕和偏高晕为主，仅在测区中东部分布小范围孤岛状高晕和异常晕；80 cm 探坑所测的氡气浓度正常晕分布范围明显减小，整个研究区以偏高晕为主，高晕次之；120 cm 探坑所测的氡气浓度正常晕几乎缩减消失，以高晕为主，偏高晕次之，在研究区中部大范围出现了氡气浓度异常晕，异常晕具有一定的带状、环带状分布特征，异常晕最长可达2 km（图4）。

图4 研究区氡气浓度场晕分布图Fig.4 Distribution of radon concentration field halo in the study area

相关研究结果表明：氡气异常晕的分布，一般与砂岩型铀矿矿体两端一致，而铀矿体正上部一般为氡气浓度的高晕或偏高晕［20-21］。因此，笔者认为：研究区铀矿找矿工作应该以研究区中部的氡气浓度异常带为中心线，向南北两侧进一步加大探索研究范围，确定铀矿体两端氡气浓度异常的双峰线，进而缩小该区铀成矿找矿范围。

3.3 氡气异常推断解释

研究区地表以第四系风积沙为主，地面伽马测值均表现为低伽马照射量率，伽马照射量率最小测值为0.296 nC·（kg·h）-1，最大测值为1.145 nC·（kg·h）-1，平均测值为0.667 nC·（kg·h）-1，反映了地表覆盖层的正常伽马辐射水平，且随探坑深度的变化，地面伽马照射量率的变化幅度不大。

通过对比研究区地面伽马照射量率和氡气浓度建立线性关系，两组数据的分布模式无线性规律可循（图5），表明两者之间相关性差。