鹿井地区铀矿化放射性信息提取与应用

符志军，杨亚新，罗齐彬，王帅帅，洪 昆，李星阳

(1. 东华理工大学地球物理与测控技术学院，330013，南昌；2. 核资源与环境国家重点实验室，330013，南昌)

0 引言

早期放射性勘探方法包括航空与地面伽马能谱测量、地面伽马测量，这些方法作为主要勘查方法在我国浅层铀资源勘查中发挥着重要的作用。从20世纪50年代中期，我国就将土壤氡测量应用于铀矿勘查[1]。其中α径迹测量[2]、土壤钋-210测量[3]和土壤天然热释光测量[4]成为寻找隐伏铀矿的有效方法。随后瑞典兰德科学技术学院在研究氡迁移机制时提出地气概念和地气测量[5-7]。氡和地气在土壤中迁移十分复杂，其中氡的迁移理论已得到完善，数值模拟得到发展[8]。而地气迁移理论现已有发展[9]，但还没有建立完善的数学理论模型[10]。

放射性勘探方法特点为直接探测地下矿体在地表形成的信息，但由于α和γ射线穿透性弱，深部矿体放射性信息无法直接测量。只能通过对深部迁移至地表所携带的铀矿信息分析和提取来进行深部铀矿表征。而元素在覆盖层中迁移过程中受到环境、地层结构等诸多因素影响，使得深部信息微弱、复杂，异常解释效果差。本文在前人基础上，通过对鹿井地区放射性勘探数据研究，探索深部铀成矿信息识别和提取技术。

1 铀矿弱信息形成机理

放射性勘探能够直接、准确地寻找近地表铀矿床是毋庸置疑的。随着氡和地气在土壤中迁移理论的不断完善对放射性勘探寻找深部铀矿提供了有效依据。

氡迁移目前比较公认的理论为深部铀衰变子体核素从铀矿体中释放经过扩散[11]、对流[12]、接力传递[13]等作用沿断裂构造、破碎带等连通的自由通道迁移至地表富集。这部分核素在迁移过程中不断衰变产生新的核素。该过程将一部分深部铀矿信息传递至地表。本次使用的地面伽马能谱方法能够测得地表核素含量，而土壤天然热释光和钋-210法本质上都是地表土壤氡累积测量。所以这些测量方法测得的地表信息都包含有传递上来的深部信息。如何将深部信息从地表运移、大气氡渗入的叠加信息中提取出来是深部找矿关键所在。

地气理论认为岩石圈中存在一种上升气流在经过隐伏矿体时携带与矿体相关的指示元素从矿体岩地层垂直方向或一定倾斜方向抬升至地表并释放出来，从而在矿体上方能够形成异常[9]。地气测量抽取地表下的含有与矿体相关的指示元素的气体并进行分析得出异常信息。而这种异常有可能是浅部铀矿或者深部铀矿在地表形成的，也有可能是两者的叠加。需要压制浅部矿致异常以及背景，将异常信息提取出来。

2 地质概况与方法简介

2.1 测区铀成矿地质特征

鹿井地处湖南省汝城县与江西省崇义县接壤处，大地构造上位于万洋-诸广山隆起带(SN 向)、常德-安仁岩石圈断裂(NW 向)、遂川-热水断裂(NE 向)以及仙鹅塘断裂(近EW 向)交汇部位(诸广山复式岩体中段)[14]。鹿井地区内铀矿床、矿化点主要分布于丰州白垩纪红盆的边缘[15]，矿床类型为花岗岩型(主要)和花岗岩外带型，兼有花岗斑岩、细晶岩、辉绿岩等。鹿井地区内铀矿床均属于中低温热液铀矿床，其成矿温压、成矿热液来源、矿石物质组成以及热液蚀变类型等均具有较好一致性，铀成矿成因上属于双混合成因模式，具有多来源性[16]。其独特的构造环境及高热流作用为区内铀矿活化迁移和沉淀富集提供极有利条件，从而形成极好的铀成矿条件。鹿井地区地质概况如图1所示。

1-震旦系；2-寒武系；3-中奥陶统；4-晚白垩统；5-第四系；6-印支期花岗岩；7-燕山期晚期花岗岩；8-断裂；9-测区；10-铀矿床(点)

测区已揭露铀矿床较多，同时测线直接经过大型铀矿区和生产区，因此测区地表元素污染较大。在划分其他有利靶区时应当慎重，尽量避开鹿井、高昔等铀矿揭露区。

2.2 方法简介与数据基本特征

由于鹿井地区控矿构造以NE 向断裂构造为主导，因此放射性综合物化探测量剖面呈NW 走向(132°)，基本垂直于NE向断裂构造。整个测区施工了7 条测线，线长7 500 m，线距1 000 m、点距100 m。测量方法为地气测量(使用仪器为自制恒流式地气采集器)、地面伽马能谱测量(使用仪器为申核FD-3022-I便携式地面多道伽玛能谱仪)、天然土壤热释光测量(RGD-3A热释光仪器测量)和土壤钋-210测量(土壤样品)4种放射性勘探方法。共获得能谱四道数据各533个，地气和土壤样品各533个，对每种方法样本数据进行统计分析，结果见表1。

表1 鹿井测区4种方法数据基本统计特征

3 铀成矿信息提取技术与应用

3.1 区域变异系数

根据统计学理论，变异系数定义为数据样本的均方差与样本的均值的比值。即

(1)

式中：v为变异系数，无量纲；σ为窗口内样本数据的均方差，量纲与样本数据相同；μ为窗口内样本数据的均值，量纲与样本数据相同。由此可见，变异系数消除了勘探数据量纲的影响，便于多种勘探方法测量数据之间的横向对比分析和评价。

在放射性伽马能谱勘探测量中，变异系数值大小可反映区内元素分布的不均匀性及其地球化学活动程度[17]。构造活动引起的元素迁移以及岩石的蚀变活动将导致放射性元素在空间上以及岩石岩性上进行重新分布，从而在变异系数变化上呈现增高现象。而对于其他放射性勘探方法来说，基于以上理论，变异系数仍可反映出元素活动及其分布情况，具有重要的研究价值和找矿指示意义。

图2为4种测量方法区域变异系数平面等值线图(窗口大小为7)，从地面伽马能谱铀含量和土壤天然热释光平面等值线图可以看到测区内大多数已知铀矿点比如鹿井、高昔等都处于铀变异系数较大区域。同时在鹿井西南方向、桥子坑和金鸡岭附近也出现不同大小的变异系数高值。由于丰州盆地边缘窗口内岩性不一致会导致变异系数增大，因此鹿井西南方向处异常需要和其他方法结合来判断。这几处构造断裂较多，导致放射性元素迁移、再分布，形成放射性核素的差异分布，引起变异系数增大。其所产生的异常信息，是寻找铀矿化的有利地带。

(a)地面伽马能谱

(b)地气

(c)土壤天然热释光

(d)钋-210

3.2 趋势面分析

趋势面法是用某种形式函数所代表的数学曲面来拟合地质特征的空间分布的统计分析方法。这个函数从总体上反映了采样数据的区域性变化趋势，称为趋势面部分；采样数据的实测值与相应的趋势面值之差，称为残差值，即

(2)

图3分别为4种测量方法趋势面局部异常分量等值线图。本次均采用二阶拟合，地面能谱铀含量、地气铀含量、土壤天然热释光值和钋-210趋势面拟合度分别为0.49、0.44、0.45和0.38。从趋势等值线图可以看出，地面能谱铀含量、地气铀含量、土壤天然热释光值局部异常分量高值分布于鹿井、高昔一带，与已知矿床分布较吻合。说明已知矿体在地表垂直投影面与铀含量趋势局部异常分量对应。由此可以推断金鸡岭和集溪西南方向等铀含量趋势局部异常分量高值范围对应地段有良好成矿潜力。

3.3 综合铀成矿有利指标U2

根据信息提取理论，地表铀信息的高场含有深部铀矿化的信息，同时铀钍比值高的区域也可能是矿化的反应。由于深部隐伏铀矿在地表表现的放射性信息十分微弱，因此可以通过铀值和铀钍比值的乘积来放大铀信息，得出成矿有利指标U1[19]，即：

(3)

为了压制背景场，各信息量可做均方差转换形成有利指标U2。

(4)

(a)地面伽马能谱

(b)地气

(c)土壤天然热释光

(d)钋-210

式中：σu为窗口内铀含量的均方差；σTh为窗口内钍含量的均方差。U2值越大，指示热液型铀成矿越有利。

从综合铀成矿有利指标U2平面等值(图4)可以看出，高值异常与测区内断裂构造及已发现的铀矿体具有较好的相关性。同时在金鸡岭和鹿井西南构造发育一带也出现高值异常，对深部成矿有一定指示作用。另外，地气U2指标平面等值图中在构造不发育的丰州盆地也出现高值异常，同时对应丰州盆地内亦有小型铀矿床揭露[20]。构造断裂方向会改变地气铀元素发展趋势方向，但其影响作用可以理解为是在时间尺度上的，也就是说铀元素仍然会往覆盖层其他位置运移。因此，在深部铀矿体垂直投影地表处仍可观测到铀异常。这也是地气测量寻找深部矿床的一大优势。

(a)地面伽马能谱

(b)地气

3.4 方向导数法

数学中的方向导数几何意义为一个曲面上的某点，从该点起始沿特定方向函数的变化率，即：

(5)

图5分别为4种测量方法在132°方向的方向导数平面等值线图。可以看到图中异常走向都是为NE向，与测区NE 向断裂构造为主导基本一致，说明测区控矿构造发育。其中正负方向导数交替的强异常大都分布在丰州盆地边缘、下洞子等已知铀矿点附近。同时在金鸡岭、集溪-界坑、老虎龙一带有区域较小的正负异常分布。这些地区NE向断裂发育，表明这些区域可能存在因埋藏较深而异常被掩盖的隐伏铀矿体。

(a)地面伽马能谱

(b)地气

(c)土壤天然热释光

(d)钋-210

4 结论

在鹿井地区开展了地气测量、地面能谱测量、土壤钋-210和土壤天然热释光野外测量以及数据处理与信息提取工作，得到了以下几条结论和认知。

1)放射性勘探数据处理方法较多，本文利用方向导数、趋势面分析、变异系数、综合铀成矿有利指标方法提取的放射性信息异常能够有效指示铀矿化的有利地带。

2)通过对比4种数据处理方法提取的隐伏铀矿化综合信息异常，推测金鸡岭、鹿井西南方向一带具有较大找矿潜力，集溪、界坑一带还需进一步探测。

3)在提取异常信息预测有利成矿靶区时，发现有利成矿地段均处于构造断裂带处，甚至构造断裂带交叉处，与鹿井地区断裂构造控矿的铀成矿机制相符合。