砂岩型铀矿土壤热释光特性及测量流程优化

张欣熠,王 猛,谷 懿,*,王 勇,葛良全,张庆贤,李潇潇

(1.成都理工大学 四川省地学核技术重点实验室,四川 成都 610059;2.成都理工大学 核技术与自动化工程学院,四川 成都 610059;3.核工业北京地质研究院,北京 100029)

砂岩型铀矿具有矿床储量大、开采效率高等特点,是现阶段铀矿资源勘查中主要勘查的铀矿类型之一[1-2]。隐伏铀矿床上方的表层土壤在沉积之前,受光、热事件等的影响导致其积累的释光信号被清零或降低到可忽略的水平,被掩埋后开始积累释光信号,这些土壤不仅受环境、宇宙射线的辐射作用,同时还会受到铀矿床的中间子体222Rn和210Pb等的辐射作用。因此理论上,隐伏铀矿区域的土壤等效剂量应高于无矿或背景区域。土壤天然热释光法利用这一原理,已成为铀矿资源勘查中的一种常用方法,其具有野外工作简单、勘查成本较低等优点[3],已在砂岩型铀矿、花岗岩型铀矿及火山岩型铀矿勘查中得到较广泛应用,并在内蒙古、江西及湖南等地取得了较好的应用效果,且圈定了地质体中隐伏铀矿体的空间分布[4-7]。在以往土壤天然热释光法的铀矿资源勘查应用研究中,土壤天然热释光法多采用全土壤的热释光(TL)信号进行土壤热释光测量,然而全土壤样品中含有碳酸岩矿物和长石矿物,这可能导致全土壤TL信号包含异常衰减较严重的不稳定TL信号,从而降低土壤天然热释光法对深部铀矿体弱异常信息的分辨能力[8-10]。同时,部分研究中将较成熟的光释光测年技术应用于铀矿资源勘查[11-13],通过一系列预处理流程去除土壤样品中可能产生异常衰减释光信号的矿物组分,仅提取土壤样品中的石英矿物进行光释光测量,但从土壤样品提取石英矿物的化学处理流程较复杂,难以满足铀矿资源勘查中大批量样品的测量需求。总体上,土壤天然热释光法作为铀矿资源勘查技术之一,应用研究较为深入,但其应用机理研究仍有不足,未形成规范性的操作标准。

本文拟分析土壤样品在各预处理过程中因矿物组分改变而导致的土壤热释光特性变化,研究各预处理阶段下土壤样品的TL信号的稳定性,基于稳定TL信号建立适用于砂岩型铀矿土壤的热释光测量流程,降低土壤天然热释光法中不稳定TL信号对铀矿资源勘查结果的影响,提升砂岩型铀矿勘查土壤天然热释光法的准确性。

1 方法

1.1 测试仪器与样品制备

热释光测量仪器采用Risø TL/OSL-DA-20热释光/光释光两用仪,仪器配备的光电倍增管为EMI 9235QB;测试过程中使用厚度为7.5 mm、直径为45 mm的U-340 滤光片,该滤光片的波长范围为250～380 nm;该仪器配备90Sr/90Y β源,可为测量样品提供测量所需的辐照剂量。研究对象为青海柴达木盆地砂岩型铀矿土壤样品(青海样品)和鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿土壤样品(鄂尔多斯样品),样品采集及处理方法参考释光测年流程标准[14]进行,取样土壤采用风沉积砂岩,制备土壤测片所选取的粒径范围为38～63 μm,土壤样品的主要矿物组分有石英、长石、碳酸岩及有机质,采用不同预处理方式对土壤样品中矿物组分进行去除,处理后土壤样品的残余组分列于表1。实验中所使用的Na2CO3、MgCO3、NaHCO3及CaCO3矿物均为分析纯矿物,钾长石和钠长石矿物均为标准岩石样品,且矿物含量>95%。

1.2 实验方法

1) 土壤样品释光测定

对各预处理阶段下的土壤样品使用90Sr/90Y β源辐照500 Gy,并进行热释光测量,其中热释光测量条件为:升温区间0～500 ℃、升温速率5 ℃/s,依据获取的TL衰减曲线分析各预处理阶段土壤样品的TL信号分布。

分别使用Na2CO3、MgCO3、NaHCO3及CaCO3、钾长石及钠长石矿物替代土壤样品中的碳酸岩组分及长石组分进行土壤样品中不同矿物组分的TL信号分布特性研究,并结合计算辉光曲线反褶积(CGCD)方法[15-18],对砂岩型铀矿表层沉积岩样品的TL信号进行重构,进一步明确各预处理阶段下TL信号的准确来源。

2) 土壤样品稳定TL信号的分析及快速获取

对各预处理阶段下土壤样品使用90Sr/90Y β源辐照500 Gy的实验室已知剂量,辐照后放置不同时间(0、20、40、60 h)后进行热释光测量,其中热释光测量条件为:升温区间0～500 ℃、升温速率5 ℃/s,依据获取的TL衰减曲线,分析土壤样品中稳定的TL信号,并选取TL信号达到稳定状态对应的TL衰减曲线作为标准稳定TL衰减曲线。随后在相同辐照剂量下,采用先预热后红外激发的方式去除不稳定TL信号后进行热释光测量,其中预热条件为:升温区间0～150 ℃、升温速率5 ℃/s (预热150 ℃,5 ℃/s)。红外激发条件为:激发时间60 s、激发功率70%(红外激发60 s,70%)。热释光测量条件为:升温区间0～500 ℃、升温速率为5 ℃/s。依据标准稳定TL衰减曲线和经预热及红外激发处理后的TL衰减曲线,分析经预热及红外激发处理后的TL衰减曲线的不稳定释光信号是否完全清除。

2 结果与讨论

2.1 土壤样品的热释光特性

1) 土壤样品TL信号分布

各预处理阶段土壤样品TL衰减曲线如图1所示。由图1可见,各预处理阶段TL信号强度的大小顺序为QH-3>QH-2>QH-1>QH-4,QH-4的TL信号强度最低,是由于随着QH-3中长石矿物的去除,仅包含石英矿物的QH-4样品的TL信号强度迅速降低,且在120～300 ℃温度范围内TL信号强度因长石矿物清除而显著降低。HL样品与QH样品存在相似的变化规律。

图1 各预处理阶段土壤样品的TL衰减曲线

2) 土壤样品TL信号解析

主要矿物成分的TL衰减曲线如图2所示。在使用CGCD方法进行土壤样品TL衰减曲线的谱线解析时,需确定土壤样品TL衰减曲线中所包含的TL峰数量及对应的峰值温度,但由于钠长石的TL衰减曲线存在自身多个峰值温度相近的峰重叠问题,故采用常用的Tm-Tstop方法[19-20]进行解析,以实现重叠严重的TL峰信息的识别。

图2 主要矿物成分的TL衰减曲线(a、b、c)和钠长石TL衰减曲线的Tm-Tstop解析结果(d)

由图2可见:Na2CO3的TL衰减曲线有3个峰,峰值温度分别为110、200、320 ℃;NaHCO3的TL衰减曲线有4个峰,峰值温度分别为110、175、310、400 ℃;MgCO3的TL衰减曲线只有1个峰,峰值温度为200 ℃;CaCO3的TL衰减曲线有3个峰,峰值温度分别为150、300、450 ℃;钾长石的TL衰减曲线有1个峰,其峰值温度为150 ℃。由图2d可见,钠长石TL衰减曲线的叠加峰中包含4个峰,其对应的峰值温度分别为172、200、237、263 ℃。另石英矿物的TL信号分布研究已较充分,本文忽略。采用CGCD重构图2数据,所得峰值温度列于表2。由于碳酸岩矿物在土壤样品中含量普遍较低,其产生的释光信号微弱,故CGCD重构时Na2CO3的TL衰减曲线只选取强度最大的110 ℃峰。

表2 土壤主要矿物成分的TL衰减曲线峰值分布

根据表2中CGCD重构的峰值温度,采用一级动力学模型(式(1)[21-22])进行CGCD谱线解析重构,测量TL衰减曲线,不同解析温度下的TL衰减曲线及重构TL衰减曲线如图3所示。CGCD重构曲线与测量数据TL曲线之间的符合程度使用品质因子(FOM)[23]进行评价。

a——QH-1;b——QH-2;c——QH-3;d——QH-4;e——LH-1;f——LH-2;g——LH-3;h——LH-4

(1)

其中:I为TL衰减曲线峰强度;n0为陷阱电子的初始浓度;s″为指前因子,s″=s(n0/N)b-1,N为电子陷阱的总浓度,s为频率因子,b为动力学级数;E为对应电子陷阱的活化能;k为玻尔兹曼常数;β为升温速率,β=5 ℃/s;T0为初始温度;T为样品温度,T=T0+βt。

各预处理方式下青海土壤样品TL衰减曲线的谱线解析结果如图3所示,测量TL衰减曲线与CGCD重构TL衰减曲线的FOM均低于5%,表明测量TL衰减曲线与CGCD重构TL衰减曲线之间的符合程度较高。根据图3和表2可知,第1预处理阶段,土壤样品的TL衰减曲线形态在0～150 ℃内主要受NaHCO3、Na2CO3控制,150～300 ℃内主要受钠长石、钾长石控制,300～500 ℃内主要受CaCO3、石英控制;第4预处理阶段,土壤样品的TL衰减曲线形态主要受石英控制;相比于第2预处理阶段,第3预处理阶段去除有机质的土壤样品在200、237、263 ℃处的释光强度明显增加;第4预处理阶段样品的TL衰减曲线明显有别于其他预处理阶段,这是由于第4预处理阶段样品对应的TL衰减曲线形态主要受控于石英矿物,而其他预处理阶段对应的TL衰减曲线主要受长石矿物和石英矿物两种释光矿物影响。

2.2 土壤样品稳定TL信号的分析及快速获取

各预处理阶段土壤样品辐照后放置不同时间的TL衰减曲线如图4所示。

对比图4中各预处理阶段样品的TL衰减曲线可见,青海样品TL信号主要衰退的温度区间在低温区,其在高温区的TL信号衰减逐渐降低。放置时间达到20 h时,与0 h样品的TL衰减曲线相比,青海样品发生衰退的信号多为Na2CO3等低温段信号,鄂尔多斯样品发生信号衰退的矿物还包括青海样品没有的钠长石、CaCO3矿物;放置时间达到40 h时,对比20 h样品的TL衰减曲线,青海样品主要发生信号衰退的是MgCO3,鄂尔多斯样品主要发生信号衰退的是钠长石;放置时间达到60 h时,对比40 h样品的TL衰减曲线,样品中TL信号的自衰退速率很小,在第1～3预处理阶段土壤样品的TL信号仅在100～250 ℃范围内存在少量衰减,故可认为放置60 h后,各预处理阶段样品的TL衰减曲线基本稳定,可视为稳定信号对应的TL衰减曲线,且稳定信号主要存在的温度区间为200～400 ℃,选取放置60 h后测量的TL衰减曲线作为标准稳定TL 衰减曲线。

经预热和红外激发处理后的TL衰减曲线与标准稳定TL衰减曲线示于图5,其中Pre heat-IRSL对应的曲线为经预热和红外激发处理后的TL衰减曲线。由图5可见,经预热和红外激发后获取的TL信号存在的温度区间主要为200～400 ℃,此温度区间基本与标准稳定TL信号存在的温度区间一致,表明土壤样品中不稳定TL信号已完全清除。此外,对比两条TL衰减曲线可发现其形态一致,表明经预热和红外激发处理后,样品仍保留了可用于勘探的TL信号。尽管图5b、c中经预热和红外激发后获取的TL信号与标准TL信号有一定强度偏差,但TL信号曲线形态一致,且经预热和红外激发后获取的TL信号强度能达到需求,故经预热和红外激发获取的TL信号能够满足释光测量需求。

3 砂岩型铀矿土壤释光测量流程及实验验证

3.1 测量流程

根据前文实验结果,土壤样品中存在的不稳定TL信号主要为低温段信号,其次为高温段信号,稳定TL信号主要存在的温度区间为200～400 ℃。此外,土壤样品经预热和红外激发处理后获取的TL信号可应用于释光勘探,为此基于各预处理阶段下土壤样品稳定TL信号获取的实验流程,以及土壤释光年代测量流程[11-14],建立适用于砂岩型铀矿土壤释光测量流程,如表3所列。对于土壤样品中的不稳定TL信号,采用预热和红外激发的方式去除,且土壤样品对应等效剂量采用单片再生剂量法(SAR)进行测量。

表3 基于SAR法的土壤样品对应TL信号的等效剂量测量方法

表3中天然剂量D对应的TL信号强度为LD;R1、R2、…、Rx为不同循环次数的辐照再生剂量,对应的TL信号强度分别为L1、L2、…、Lx;T为实验剂量,其对应的不同循环次数的TL信号强度为TD、T1、T2、…、Tx。表3中步骤4～7可进一步保证测试数据准确性,但会增加处理时间和降低测试效率,在实际应用中可依据具体情况选择是否进行。

3.2 实验验证

1) 土壤样品TL测量剂量响应区间测量

对各预处理阶段下的土壤样品依次辐照0、150、300、450、600 Gy共5个再生剂量,试验剂量为100 Gy,按照表3的测量流程测量土壤样品的TL信号,结果示于图6。

图6 各预处理阶段下土壤样品TL信号的剂量响应区间

由图6可见,当辐照剂量达到600 Gy时,青海土壤样品的TL信号才出现明显的饱和趋势,而鄂尔多斯土壤样品的剂量响应曲线斜率基本保持不变,未出现饱和趋势。因此,各预处理阶段下土壤样品在0～600 Gy的辐照剂量范围内具有良好的剂量响应特性,能满足砂岩型铀矿土壤热释光测量的需求。

2) 土壤样品TL稳定信号对应的等效剂量测量结果准确性评价

分别选取65 Gy和400 Gy的实验室已知剂量作为天然剂量,采用单片再生剂量法(SAR),利用200～400 ℃范围内的TL信号进行等效剂量测量,其中土壤样品的等效剂量采用表3的测量流程进行测量,试验剂量为100 Gy,各预处理阶段下土壤样品在不同辐照剂量下的TL信号的等效剂量测量结果如表4所列。表4表明,200～400 ℃温度范围内的TL信号能准确测量土壤样品中的等效剂量,同时该等效剂量测量流程能适用于不同辐照剂量水平的等效剂量测量,且等效剂量测量值相对误差在7%以内,能满足砂岩型铀矿土壤的热释光测量需求。

表4 各预处理阶段下土壤样品不同辐照剂量TL信号的等效剂量测量结果

4 结论

1) 青海柴达木盆地和鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿土壤样品的稳定释光信号主要来源于长石与石英矿物成分,用于热释光测量的稳定TL信号主要来源于温度处于200、237、263、325、375 ℃的矿物。

2) 选取 200～400 ℃范围内TL信号建立了砂岩型铀矿热释光勘查流程,流程具有较好的剂量响应特性,且等效剂量测量结果的相对误差较小,满足砂岩型铀矿勘查需要。

3) 通过样品热释光特性分析及稳定信号分析,发现4个预处理阶段下的土壤样品TL信号强度和稳定性均符合测量需求,4个预处理阶段下的土壤样品均可用于砂岩型铀矿勘查,但仅包含长石和石英矿物的土壤样品(第3预处理阶段)TL信号强度大,且去除了低温段的碳酸岩不稳定信号,因此在砂岩型铀矿勘查中应用效果更显著。在实际砂岩型铀矿勘探应用中,可根据工程需求,选择不同预处理阶段下的土壤样品进行热释光测量。