地气测量方法在热液型铀矿床的试验研究

王东升，王 勇，刘洪军，王晓赛

（1.核工业北京地质研究院，北京100029；2.中国核科技信息与经济研究院，北京100048；3.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京100083）

1 气测量方法背景

20世纪80年代初，L.Malmqvist和K.Kristiansson通过对Rn的迁移机理研究，提出氡气及其子体随着深部上升气流向上迁移的理论，并将这种迁移模式扩展到其他金属元素的研究，随后瑞典的波立登矿业公司（Boliden Mineral）和隆德（Lund）科学技术学院核物理系针对这种迁移特征共同推出了地气测量方法［1］。

地气测量方法是以“微气泡流”经过矿体时，能够将矿体扩散出的微量组分携带至地表［2］理论为基础。对地气测量实际上就是对地气流所携带上来的金属元素进行测量，引起异常的含矿物质以纳米微粒形式迁移，这种微颗粒具有类气体的性质且可以克服重力影响，随地气流一起垂直迁移到地表，地气携带微粒物质迁移到地表富集后形成多种元素异常，这种异常可反映深部隐伏矿物质的相关特性，此类迁移模式为深穿透地球化学提供了理论依据［3-5］。

目前地气测量方法在隐伏构造预测、金属矿勘查、油气勘查评价及地热资源勘查等方面已取得一些应用成果［6-7］。虽然地气方法在很多领域取得了较好的研究成果，但以隐伏型铀矿勘查为主要对象的应用研究相对较少。因此本次试验目的是探索隐伏热液型铀矿勘查新方法的可行性。

2 研究区地质特征

大官厂铀矿床位于华北陆块北缘色尔腾山—太仆寺旗岩浆弧（Ar3）Ⅲ级构造单元与北北东向大兴安岭中新生代火山岩浆带的交切复合部位［8］。深部构造位置为沽源幔凹区。铀矿床产在沽源火山盆地蔡家营—大官厂北东向火山断陷东端大官厂火山塌陷洼地中，受潜火山型破火山口控制。

研究区基底为新太古界红旗营子群角闪斜长岩、黑云斜长片麻岩、变粒岩，条带状、均质斑状钾质混合岩构成。古元古代形成呈串珠状分布的富铀钾质混合岩化中心，铀含量由原1.6×10-6增至5.0×10-6～7.0×10-6，盆地富铀基底形成，为盆地铀成矿奠定了物质基础。

含矿层为上侏罗统张家口组三段火山溢流相钾质流纹岩，薄层流纹岩、球粒状流纹岩及喷发相的晶屑凝灰岩、熔结凝灰岩和火山侵入相次流纹斑岩。含矿层（体）岩石化学成分以富SiO2（平均含量75.10%），富钾（K2O含量5.72%），贫CaO、MgO为特点。富LREE，δEu为0.07～0.11，Sr86∕Sr87比值为0.72，铀含量10.0×10-6～15.0×10-6为壳源重熔型富铀酸性火山岩。

NE向F45贯通性基底断裂、近SN向独石口—沽源贯通性基底断裂FH（Ⅰ）、NEE向FH（Ⅱ）-2贯通性断裂是矿区的主要控矿断裂构造，三者交汇部位控制了晚侏罗世张家口晚期火山岩浆活动及铀-钼矿的成矿作用。

研究区内岩浆岩发育二叠纪花岗闪长岩、花岗岩，中侏罗世细粒花岗岩，似斑状花岗岩，晚侏罗世次流纹斑岩、花岗斑岩，次粗面岩、石英正长斑岩等。

大官厂铀矿床为典型的引爆碎裂钾质流纹岩型（火山热液型）铀钼矿床，是晚侏罗世晚期、白垩纪、古近纪3次火山岩浆热液地质事件作用的结果。矿床成矿时代主要为2个时期，浸染状铀矿，其U-Pb等时线年龄为67.7±Ma，属晚白垩世晚期矿化，成矿温度大于200℃；脉状铀矿，其U-Pb等时线年龄为31.76±0.32 Ma，属古近纪渐新世。新近纪时期，区内表现整体断块抬升，在含氧地下水淋滤作用下，在矿床上部形成水针铁矿，软锰矿和黄钾铁矾和次生铀矿物硅钙铀矿等。

3 地气测量试验

3.1 测点布置

根据已知矿体位置，在其周围布置3条测量线。1、2号测线北端横贯区域断裂，测线中间位置穿过大官厂铀矿体隐伏实测区域。测线方向为SE160°和SW250°，长度分别为2.1 km、1.6 km、1.8 km，1、2号测线点距均为20 m，3号测线中间段点距为20 m，两侧各7个点距为40 m（图1）。逐点记录线号、点号、捕集器号及地表地貌特征，全区共采集样品260组，聚氨酯样品和超纯稀酸液样各一份。

图1 大官厂铀矿地气测量实际材料及地质略图Fig.1 Geologic sketch and geogas sampling in Daguangchang uranium deposit

3.2 介质处理

地气样品中铀及其伴生元素含量很低，所以在采样前需要对捕集介质做降本底处理。通过对留白样的分析对比，聚氨酯泡塑降本底后，U、Cu元素含量为原始含量58%左右，Pb、Gd等元素含量为原始含量40%左右（表1）。

3.3 取样方法及装置简介

表1 聚氨酯泡塑降本底处理元素含量前后对比Table 1 Comparison table of elements content before and after reducing the background with polyurethane foam

在大官厂铀矿区的地气测量采用瞬时采样法。采样装置由螺旋采样器、过滤器、捕集器和1.5 L定量抽气筒组成，各部分用硅胶导管连接（图2）。

图2 地气样品采集示意图Fig.2 Schematic of the sampling device for collecting geogas

3.4 野外工作方法

按设计点位，每个采样点用钢钎打6个孔，孔深0.6～0.8 m，孔距1～1.5 m，两种采样介质各抽取3个孔的地气。将螺旋采样器旋于孔中，拧紧使其封闭，用硅胶管将装有微孔滤膜（孔径0.45μm）的过滤器和捕集装置连接。采样均采用手提式抽气筒，一次性均抽气3升（2筒×1.5 L），液样采集抽取地气使其通过装有超纯稀酸（20 mL）的U型瓶，液样采样后转入到洁净处理的样品瓶中；泡塑样采集抽取地气通过装有泡塑的补集装置，泡塑样品完成采集后，回室内立即转入至洁净处理过的自封袋，放置阴凉、密封储存。

3.5 样品分析

地气测量样品分析由实验室利用ICP-MS方法测试，泡塑样品需经特定的焦化、灰化、溶样三步处理后进行分析；液体样品直接分析。测量元素包括U、Th、Mo、Pb及REE等14种典型与成矿有关的元素。

4 地气测量异常特征

参与铀矿物组成的阳离子主要是亲石元素（惰性气体型离子和靠近惰性气体型离子一侧的过渡型离子）中的K、Na、Ca、Mg、Ba、Al、Ti、Th、Y、REE、Nb、Ta和Mn等，其次是亲硫元素（铜型离子）中的Cu、Pb、Zn、Bi、Ti以及亲铁元素（过渡型离子）中的Fe、Co、Ni和Mo等，此次试验根据热液型铀矿的成矿特征，选取多种典型元素进行分析对比，具体情况如下所述。

通过试验分析对比，以泡塑为采样介质的捕集效果和抗干扰能力都好于以超纯稀酸为采样介质的效果。

在1号勘探线的区域断裂和矿体上方，多种元素显示出明显异常，其中U、Pb、Cr异常最为突出（图3），两种方法测定的U异常显示，液体补集在测线位置300～700 m出现明显低值异常，与泡塑样品测定明显不同，分析原因可能是在这段地区实测取样时降水较多，地表土较湿润，而其余地段两种采样异常符合度较高，推测湿润土壤对液样采集效果影响较大；说明超纯稀酸捕集方法不仅受矿体位置、构造、地形等多因素影响，还受到地表土壤含水量的影响。

泡塑捕集方法测定的U异常准确地在矿体附近和构造断裂周围出现高值异常，目标元素U的最高含量达到21.3×10-9，达到平均值的5倍以上，这对定位隐伏矿体位置，推测隐伏构造有很大指示作用。与U有关的伴生元素Th、Mo、Pb在矿体上方及构造断裂附近也显示明显异常。此外，液样中Ag、Er、Gd、Nd、Co、Mo在矿体正上方出现异常。

2号勘探线斜穿多条断裂，在中后段直穿铀工业化钻孔正上方。通过典型的微量金属元素异常对比分析（图4）可以看出，在矿体的正上方（埋深超过150 m），泡塑中的U含量普遍超背景值的2～4倍，向两侧逐渐变为背景值以下，且在已知矿体上的异常衬度较大，变异系数大致在0.5～0.7，Pb、Cu、Nd、Zn地气异常与U的异常位置基本一致。目标U异常出现于矿体附近，但异常值不明显，推测原因可能受地表温度、土壤湿度等因素影响严重。

图3 大官厂试验区铀矿1号线泡塑和液样U、Pb、Cr异常对比剖面图Fig.3 Geogas abnormal contrast profile of U，Pb，Cr in plastic foam and liquid for Line 1 at Daguanchang

地气异常的这种规律，也验证了亚微米级颗粒金属元素异常是由地气垂向迁移引起的，异常高值区出现在矿体正上方和构造断裂附近。

3号勘探线垂直于两条实测断裂，斜穿见矿工业孔。同样在地质构造断裂及矿体周围出现了多种元素高值异常，与地质构造位置符合度较高（图5）。

图4 大官厂试验区铀矿2号线泡塑和液样U、Pb、Cr异常对比剖面图Fig.4 Geogas abnormal contrast profile of U，Pb，Cr in plastic foam and liquid for Line2 at Daguanchang

两种采样方法中U及伴生元素Th、Mo等高值异常均出现于构造裂隙附近；Cu、Gd、Ni等元素高值异常出现位置与矿体和构造裂隙位置相一致；泡塑中的W、Er和液样中的W、Pb元素高值异常出现在矿体正上方；通过多种元素异常的出现位置推断，地气测量在隐伏构造预测、多金属矿勘查方面具有较好的指示性。

图5 大官厂试验区铀矿3号线泡塑U、Pb、Cr剖面图Fig.5 Geogas profile of U，Pb，Cr in plastic foam for Line 3 in Daguanchang uranium deposit

5 结论

1）由于地气携带物质垂直迁移的特征，导致异常值一般出现在矿体上方附近，但异常的连续性不明显，且呈现大幅跳跃状态，甚至出现部分元素单点异常情况，在矿体上方的地气异常，多表现为多元素异常位置相互吻合的分布特征。

2）不同采样介质针对目标U的研究发现，使用泡塑作为捕集介质的采样方法在抗干扰能力和捕集能力均优于超纯稀酸溶液，并且能够在隐伏铀矿体上方，显示出清晰的地气异常。

3）试验结果表明，利用地气测量勘查埋深超过300 m的隐伏热液型铀矿是可行的。