二连盆地哈达图铀矿床覆盖区地球化学异常源示踪与判别

康欢，陈岳龙，李大鹏，徐云亮，房明亮

（中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083）

可地浸砂岩型铀矿具有品位低、储量大和开采效益高等特点，是当今世界铀矿勘查的主攻类型［1］。中国砂岩型铀矿主要分布在西北和内蒙古中、新生代盆地，依据形成矿床的主成矿作用，将砂岩型铀矿分为沉积成岩型、潜水氧化型、层间氧化型、古热水改造型和热液脉型［1-2］。砂岩型铀矿体一般产出于埋深超过100 m 的缓倾斜砂岩层的氧化-还原过渡带中，其上沉积覆盖较厚，地表信息微弱，直接找矿标志不明显，常以盲矿、隐伏矿产出，导致传统找矿方法（例如：车载能谱测量法、土壤化探找矿法等）无法有效地圈定该类型铀矿床的有利成矿区段［1］。在这种大背景下，金属活动态法［3］、氡（Rn）及其子体（210Po）放射性活度测量法［4-5］应运而生。

元素经由深部地气流的垂向搬运作用可从深部矿体迁移至地表，在地表覆盖物中形成活动态叠加含量的异常［6］。部分学者认为提取地表土壤活动态铀及其伴生元素（铼、钒、钼、硒等）的含量对隐伏铀矿地质找矿具有重要指示意义［7］。然而，另一部分学者在已知隐伏铀矿床上开展地表土壤有机态铀、水溶态铀、铁锰氧化物态铀等活动态铀及其伴生元素（钒、硒、钼）研究，发现铀矿床上方活动态铀含量无明显异常，认为金属活动态测量法在铀矿勘查中的应用前景还需大量工作进一步确认［8-9］。氡及其子体在多棒接力传递［10］、地气流［6］、团簇现象［11］以及扩散、对流、抽吸、泵吸、地热和地下水等作用［12］下沿岩石的孔隙、裂隙、破碎带迁移至地表土壤、岩石中累积形成高于背景场的高异常晕，故测量土壤层中的氡及其子体浓度可间接探测覆盖区深部铀矿化信息。然而，隐伏构造破碎带、矿体盖层性质、地形和近地表气候条件等会对地表土壤氡及其子体的测量浓度产生强烈地干扰［13］。

通过对二连盆地哈达图砂岩型铀矿内不同铀品位见矿钻孔、无矿钻孔上方表层土壤分别开展活动态铀、氡及其子体测量，并利用SPSS 软件对数据进行显著性检验，探讨地表土壤中活动态铀、氡及其子体含量等参数对揭示隐伏砂岩型铀矿体的指示意义。

1 研究区地质概况

图1 哈达图铀矿床地质简图［1］Fig.1 The geological sketch of the Hadatu uranium deposit

哈达图铀矿床位于二连盆地乌兰察布坳陷的齐哈日格图凹陷内，为典型的古河谷砂岩型铀矿床［14-16］。二连盆地中部的下白垩统赛汉组上段已圈定出两条呈北东向展布的古河谷砂岩带，并发现巴润、赛汗高毕、巴彦乌拉和哈达图等砂岩型铀矿床［15］（图1）。铀矿床具有“同河谷多矿床、同河谷多类型”的特点［16］。铀矿化主要受古河道砂体及氧化带控制，矿体呈板状、透镜状，延伸方向总体上与河谷走向一致（北北东向，图1）。古河谷两侧发育新生代玄武岩、燕山早期花岗岩和华力西期花岗岩，其中花岗岩体含铀量高（4.0×10-6～8.0×10-6），U/Th 值 为2.50～4.68。铀矿化主要产于下白垩统赛汉组，矿体赋存于氧化带前锋线附近的疏松、透水性好的富含有机质的灰色砂岩中［15］。铀矿体埋深230.14～548.69 m，厚度0.8～8.06 m，矿体品位0.0252%～0.4787%［16］。矿石中铀的存在形式以沥青铀矿和吸附态铀为主，成矿时代为晚白垩世—始新世。

2 样品采集

2.1 钻孔样

结合研究区内已有研究成果，在详细野外踏勘的基础上在哈达图铀矿内选取了高品位、中品位、低品位钻孔以及无矿钻孔进行样品采集。为消除含矿泥浆对表层沉积物的影响以及采样的系统误差，在对应钻孔周围100 cm 范围内分别选择东、南、西、北4个方向采集50 cm 以下土壤样品。考虑到粒径160 目以下沉积物富含黏土类矿物，以及由深部迁移至地表的微粒（210Po 和活动态铀等）与黏土类矿物具有强的吸附性等特征，我们现场将近地表沉积物筛分出160 目以下细粒级部分装袋保存，以备210Po 和活动态铀化学分析。同时，在钻孔东、南、西、北4个方位分别进行土壤瞬时氡含量测量。

2.2 面积样

横向上，根据砂岩型铀矿相带（氧化带、还原带）划分，分别选择具有成矿潜力且已获得钻孔验证的高品位钻孔区及无矿钻孔区分别沿勘探线（东西向）位置进行200 m×200 m 的面积采样（采样网格线距、点距均为50 m），分别测点25 个。每个测点都进行土壤瞬时氡浓度测量，并分别采集50 cm 以下土壤样品且现场筛分出160 目以下细粒级部分装袋保存，以备土壤活动态铀和210Po 化学分析。

3 分析测试

3.1 瞬时氡测量

采用核工业北京地质研究院仪器开发研究所研制的FD216 环境氡测量仪进行土壤瞬时氡测量。该仪器以主动泵吸式连续均匀抽吸地气流，通过过滤器过滤掉氡的老子体，进入半球腔内的气体用金硅面垒半导体探测器测量获得α 能谱，采用窗口设置获取218Po能量窗口的计数率来确定土壤氡浓度。整个仪器运转顺序为：抽气（2 min）—测量（5 min）—排气（2 min）。野外具体操作流程分为三步：1）打孔。使用长100 cm、直 径2 cm 的钢钎在土壤中打孔，孔深80～100 cm；2）抽气。将钢钎快速拔出，插入抽气杆，并将抽气杆顶部地表部分用土密封压实，避免抽气时空气进入孔中，然后开始抽气；3）测量。仪器抽气结束后进入测量过程时及时断开抽气杆与测量仪的连接，仪器在空气中完成排气过程。

3.2 210Po 分析

土壤210Po 化学分析在湖南省核工业中心实验室完成。称取160 目以下的土壤样2.0 g，连同2 mol/L 盐酸40 mL，0.4～0.5 g 抗坏血酸和套有浮圈（内径Φ19 mm）的1.5 cm 铜片一起置于100 mL 的烧杯内，用硅胶塞盖紧瓶口。将其固定在80 ℃的恒温水浴摇床（SPH-110X）中，在140 cpm 振荡频率、振幅20 mm 条件下，振荡150 min。停止振荡后，用塑料镊子取出铜片，用蒸馏水冲洗干净后，用滤纸吸干表面水分，覆盖上洁净的白纸，放置9 h 后，在双路低本底α、β 测量仪（BH1216Ⅲ）上测定铜片未涂漆面的α 计数，绘制210Po 加入量与净α 计数率的关系曲线，从而计算出相应样品的210Po 含量。

3.3 活动态铀分析

土壤样品活动态铀分析在河南省岩石矿物测试中心完成。称取10.0 g 土壤样品于250 mL 聚乙烯烧杯中，并加入50 mL 新配制的活动态提取剂（10 g/L 草酸铵＋25 g/L 柠檬酸铵＋0.372 2 g/L 乙二胺四乙酸钠＋0.393 4 g/L二乙基三胺五乙酸＋0.191 1 g/L 氨基三乙酸＋1.492 g/L 三乙醇胺），摇匀，盖上盖子，在恒温振荡器振荡3 h，静置21 h。用慢速定量滤纸减压过滤，50 mL 小烧杯承接，分取滤液2.0 mL 于25 mL 比色管中，加入20 mL 3%的HNO3稀释，混匀后，用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定。

4 测量结果及数据处理

4.1 钻孔样测量结果

对应钻孔周围100 cm 范围内东、南、西、北四个方位的土壤210Po、瞬时氡和活动态铀测量结果显示（表1）：各钻孔周围4 个方位测得的土壤210Po 值都比较相似；土壤瞬时氡浓度值变化较大，且各平均值差异大，土壤瞬时氡浓度值明显与钻孔品位呈正相关关系；相反，钻孔土壤210Po 和活动态铀的含量与钻孔品位之间的相关性不明显。

表1 哈达图砂岩型铀矿钻孔上方表层土壤210Po、瞬时氡和活动态铀分析结果Table 1 Assay Results of surface soil 210Po，instantaneous radon and mobile-state uranium from borehole in Hadatu sandstone-type uranium deposit

4.2 面积样测量结果

按照X±3S（X 为均值，S 为均方差）的标准对表2 中各面积型土壤样品的原始数据进行筛选，剔除大于X＋3S 和小于X－3S或≤0 的异常数据，置信区间为95%［17］。剔除异常值后对各测量参数的数据求平均值、均方差及变异系数。各组数据详见表2。

5 地球化学异常特征与判别

5.1 土壤210Po 分布特征

钻孔上方土壤210Po 分析显示无矿钻孔比高品位钻孔高（图2），钻孔周围100 cm 内东、南、西、北四个方位土壤210Po 平均值也显示无矿钻孔比高、中品位钻孔高（表1）。横向上，高品位钻孔土壤210Po 值位于剖面线的低谷，而无矿钻孔剖面线上所有测点210Po值均比高品位钻孔值高（图2）。同时，高品位钻孔区和无矿钻孔区面积型土壤210Po 平均值相似，但在210Po 等值线图解中高品位钻孔落在“低谷”位置，而无矿钻孔则落在相对的高值区（图3）。

表2 哈达图铀矿床高品位钻孔区和无矿钻孔区表层土壤210Po、瞬时氡和活动态铀分析结果Table 2 Assay results of surface soil 210Po，instantaneous radon and mobile-state uranium of high-grade borehole area and non-mineralization borehole area in Hadtu uranium deposit

图2 哈达图矿区土壤瞬时氡、210Po 和活动态铀测量剖面图Fig.2 Profile measurements showing soil radon and its daughter and mobile state uranium in Hadatu uranium deposit

SPSS 作为一款专业的数据统计软件，能够对信息的采集、处理、分析进行全面评估和预测。可对比检验统计量的概率P 值与显著性水平α（0.01 或0.05）大小，判定应拒绝零假设（P＜α）还是不应拒绝零假设（P＞α）。利用SPSS 软件对高品位钻孔区、无矿钻孔区面积型土壤210Po 值进行双样本T 检验分析，结果显示两组数据均P＞0.05，故认为高品位钻孔区、无矿钻孔区上方土壤210Po 值无明显差异。这些证据都初步证明利用地表土壤层210Po 异常来揭露地下深部的隐伏铀矿体信息存在不确定性。

近年来，运用钻孔岩心剖面210Po 法和土壤210Po 法分别对花岗岩型铀矿和砂岩型铀矿的研究表明210Po 数据低值异常和高值异常与矿体展布的真实情况不匹配［18］。通常，地质环境、U-Ra 平衡、α 粒子的反冲、团簇效应、自然电场、扩散以及对流作用等因素被认为是导致两者出现差异问题的原因［6，11-12］。由于砂岩型铀矿野外地质环境的特殊性、复杂性和不确定性，土壤210Po 浓度和矿体展布特征的解耦有待进一步的研究。

图3 哈达图矿区面积型土壤210Po 等值线图Fig.3 Contour map of areal-type soil 210Po in Hadatu deposit

5.2 土壤瞬时氡分布特征

高、中、低品位钻孔的东、南、西、北4个方位土壤瞬时氡浓度平均值与钻孔品位呈正相关关系，分别为3 386 Bq·m-3、1 750 Bq·m-3和876 Bq·m-3（表1）。横向上，高品位钻孔土壤瞬时氡浓度远高于无矿钻孔，且其剖面测点土壤瞬时氡浓度也比无矿钻孔剖面高（图2）。

同时，高品位钻孔区面积型土壤瞬时氡平均值远高于无矿钻孔区，利用SPSS 软件对高品位钻孔区、无矿钻孔区两组面积型土壤瞬时氡浓度值显著性检验结果显示两组数据存在显著差异（P＜0.001），表明土壤瞬时氡浓度在高品位钻孔区和无矿钻孔区土壤层中存在明显差别（图4）。

前人对二连盆地巴彦乌拉及其外围地区、那仁地区的层间、潜水—层间氧化带型铀矿床土壤氡异常的研究也得到类似结果［4］。这种土壤瞬时氡异常特征主要受地形改造作用、盖层地质条件、容矿空间及层间氧化带等因素控制［13］。

5.3 土壤活动态铀分布特征

部分研究认为，铀及其伴生元素在地下深部地气流垂向搬运作用下，能从深部矿体及其所形成的高含量带迁移至地表，并在地表覆盖物中形成活动态含量的异常［7，19］。本研究发现，虽然高、中、低品位钻孔周围东、南、西、北4 个方位土壤活动态铀平均值依次递减，但是无矿钻孔土壤活动态铀平均值比低品位钻孔高（表1）。

横向上，虽然高品位钻孔上方土壤活动态铀值明显高于无矿钻孔（表2），但整条剖面线活动态铀测点平均值与无矿钻孔相似（图2）。同时，无矿钻孔区面积型土壤活动态铀平均值比高品位钻孔区高，在活动态铀等值线图中，高品位钻孔落在高值区，而沿矿体走向的两端却都落在低值区。相反，虽然无矿钻孔土壤活动态铀值落在相对低值区，但整体分布无规律，局部存在活动态铀高场（图5）。研究表明，砂岩型铀矿中活动性铀主要以铀酰络阳离子的形式发生迁移，迁移过程容易受地下水运动、蒸发蒸腾作用以及砂岩的孔隙、构造裂隙影响，导致隐伏矿体和地表异常的位置无法有效匹配［8-9］。所以，研究区土壤活动态铀由深部矿体迁移至地表的量可能十分有限，而更多可能来自其自身及周围沉积物的贡献。

图4 哈达图矿区面积型土壤瞬时氡等值线图Fig.4 Contour map of areal-type soil radon measarement in the Hadatu deposit

图5 哈达图矿区面积型土壤活动态铀等值线图Fig.5 Contour map of mobile forms of uranium comtent by areal soil measurement in Hadatu deposit

同时，SPSS 分析结果表明高品位钻孔矿区、无矿钻孔区两组面积土壤活动态铀值存在显著差异（P＝0.013＜0.05），但这种显著差异却是由无矿钻孔区土壤活动态铀相对高于高品位钻孔区土壤活动态铀导致。这些证据都初步证明仅利用地表土壤层活动态铀异常来揭露地下深部的隐伏铀矿体信息存在不确定性。

6 结论

1）高品位钻孔土壤210Po 值较无矿钻孔低，落在210Po 等值线图“低谷”处。高品位钻孔区和无矿钻孔区面积型土壤210Po 平均值相似，SPSS 数据显著性检验结果表明两组面积型土壤210Po 值无明显差别（P＞0.05）。

2）高品位钻孔土壤瞬时氡浓度远高于无矿钻孔，高、中、低品位钻孔东、南、西、北4 个方位土壤瞬时氡浓度平均值随钻孔品位呈依次递减。SPSS 数据显著性检验表明高品位钻孔区和无矿钻孔区面积型土壤瞬时氡浓度差别显著（P＜0.05）。

3）高品位钻孔上方土壤活动态铀呈现高值，但其面积型土壤活动态铀平均值比无矿钻孔区低。

4）分析结果初步证明在哈达图铀矿床，土壤瞬时氡浓度是揭示深部隐伏铀矿体存在与否的重要参数，而土壤活动态铀和210Po 效果不明显。