活性炭吸附测氡法在北秦岭柳树湾铀矿床勘查中的应用

刘行，曲凯，尹青青，司马献章，温国栋，张盼盼，闫国强，张超

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；2.中钢集团天津地质研究院有限公司，天津 300181；3.河南省核工业地质局，河南 郑州 450044）

氡（Radon），是一种化学元素，符号Rn。已知同位素有27 种，其中最稳定的同位素222Rn 是226Ra 的衰变产物，而226Ra 则是238U 的衰变产物。氡通常的单质形态是氡气，有很强的扩散能力，因此氡气适合做放射性元素的示踪剂［1］。不同物质吸附氡气的程度不同，其中属活性炭、煤、橡胶等对氡气的吸附能力最强。因此活性炭吸附法测氡（以下简称活性炭法测氡）在铀矿勘查过程中常被用作一种方便、有效的放射性探测方法，其具有精度高、灵敏度高、探测深度大、抗干扰能力强以及操作简单等诸多优点，在砂岩型、火山岩型以及花岗岩型等多种类型的铀矿找矿中均得到了广泛应用，且取得了明显的找矿效果［2-7］。

20 世纪以来，北秦岭东段灰池子岩体外围相继发现了陈家庄、光石沟、小花岔、土地岭等多个伟晶岩型铀矿床［8-12］，但这些铀矿床大都分布在陕西境内，而具有相同成矿地质条件的河南境内直到近年柳树湾伟晶岩型铀矿床的发现方才取得突破。在前期的找矿勘查过程中，由于部分地段第四系覆盖较厚，地表出露的含矿伟晶岩脉并不连续，为该地区铀矿找矿勘查部署带来一定困难。本文重点介绍了活性炭法测氡在柳树湾地区找矿勘查中的应用:通过对发现的氡浓度异常点进行钻探验证表明，氡浓度异常均为矿致异常，与深部含矿伟晶岩密切相关，能够很好的反映出隐伏伟晶岩的铀矿化信息。说明活性炭法测氡可以为确定铀矿找矿有利地段，特别是钻探工程布置提供依据，对本区花岗伟晶岩型铀矿深部找矿具有重要的指导意义。

1 地质概况及铀矿化特征

1.1 地质概况

研究区位于河南省卢氏县狮子坪乡柳树湾地区，大地构造上处于北秦岭造山带东段，华北板块与扬子板块碰撞的接触地带（图1）。区内褶皱发育，岩浆活动频繁，广泛发育有早古生代加里东晚期Ⅰ型花岗岩与海西早期伟晶岩，是我国重要的花岗伟晶岩分布区和铀及三稀等关键矿产成矿区［13-18］。

区内出露地层为中元古界峡河岩群寨根岩组（Pt2z），岩性为黑云斜长片岩（或片麻岩），灰黑色，中粒变晶结构，片麻状构造，成分以石英、长石、黑云母为主，暗色矿物含量高。出露的侵入岩主要为灰池子岩体及其外围花岗伟晶岩，灰池子岩体岩性主要为加里东晚期的黑云母花岗岩和海西早期的二长花岗岩。岩体外围自内向外依次分布有黑云母花岗伟晶岩、二云母花岗伟晶岩和白云母花岗伟晶岩［19］。这些花岗伟晶岩分布于灰池子岩体外接触带中元古界峡河岩群寨根岩组的黑云斜长片岩及片麻岩中，在近岩体接触带部位，伟晶岩脉较密集，规模较大，具有明显的分带性，整体走向为NW-SE 向，呈脉状、囊状、透镜状、似层状与接触带相互平行分布［20-21］（图2）。

图1 北秦岭东段区域地质简图（据张盼盼等，2017 修改）Fig.1 Geological sketch of the eastern part of Northern Qinling（modified after Zhang et al.，2017）

1.2 铀矿化特征

区内铀矿化主要赋存于富含黑云母并且钾化较强的花岗伟晶岩中。受灰池子岩体与峡河岩群的接触带控制，含铀黑云母花岗伟晶岩产出于灰池子岩体外接触带附近0～300 m范围内。伟晶岩脉平行接触带产出，呈NWSE 向展布，倾向NE，倾角56°～88°。

图2 柳树湾研究区平剖图Fig.2 Sketch geology map and measured radon profiles in Liushuwan study area

矿石的结构主要为文像伟晶结构和粗粒花岗伟晶结构，块状构造。主要矿物成分为石英、钾长石、斜长石和黑云母，可见晶质铀矿、铀钍石等铀矿物。石英呈烟灰色，矿物粒度较大，钾长石呈他形粒状，表面因黏土化，多见条纹长石，部分颗粒可见格子状双晶。斜长石呈他形粒状，分布不均匀，被绢云母、黏土矿物等交代。黑云母含量较高，且黑云母常呈团块状分布于岩石中。与铀矿关系密切的蚀变主要有硅化、钾化、黄铁矿化、高岭石化及绿帘石化。

2 测量原理及测线布置

由于铀的性质较活跃，极易发生迁移和沉淀，导致铀的局部富集和贫化，研究区地表出露的含铀伟晶岩长时间受河流、雨水冲刷导致地表铀含量较低，并且区内第四系覆盖较厚，导致常规地面伽马总量测量方法在覆盖区很难发挥作用。埋藏在地下深部的铀矿体，其中所含的铀经过放射性衰变形成的氡通过裂隙等通道向上迁移到达地表，因此深部的铀矿化信息可以通过氡气测量的方法指示出来。

活性炭吸附法测氡是一种静态、累积的测氡方法。将活性炭吸附器埋于地下一段时间使其吸附一定量的222Rn 及其衰变子体，然后取出吸附器并将其放入活性炭测氡仪中进行测量，测量氡衰变子体放射出γ 射线的强度，反映出氡气浓度的高低，从而达到寻找地下隐伏铀矿体的目的［22-23］。

区内伟晶岩形成于灰池子岩体与地层接触带附近，张性裂隙发育，为氡气向上迁移提供了有利的条件。氡浓度异常分布特征可以反映深部铀矿化信息，为下一步钻探验证工作提供依据，从而揭露地下隐伏矿体。本次工作结合区内铀成矿特征，在成矿有利地段垂直于伟晶岩走向布置7 条1:10 000 测氡剖面，分别为L7、L8、L9、L12、L13、L16、L24，测线方向为NE45°，每条测线长520 m，测点14 个，测点间距40 m（图2）。

3 工作方法及数据处理

3.1 测量仪器与“三性检查”

本次实验使用的是核工业北京地质研究院生产的HD-2003 型活性炭吸附测氡仪。主要技术指标:能量阈50 keV；灵敏度≥1.5 s-1（Bq/L）-1；非线性≤10%；重复性相对标准偏差≤10%；稳定性相对误差≤10%；一致性相对误差≤5%。工作前仪器在石家庄核工业航测遥感中心核工业放射性计量勘查站进行了准确性标定，工作期间对仪器进行了重复性测量、稳定性测量和一致性测量，上述“三性检查”是为了确保测量结果的准确性。

1）重复性测量

仪器开机进入正常工作状态后，将检查源置入探头中，进行1 分钟定时连续10 次测量，试验结果用测量示值的相对标准偏差表示。

重复性计算公式:

式中:RSD—相对标准偏差；S—n 次测量的标准偏差；Xi—单次测量值；次测量的平均值；n—测量次数（n≥10）。

通过计算，本次实验所用的活性炭吸附测氡仪的重复性相对标准偏差为0.52%，符合《氡及其子体测量规范2》RSD≤10%的要求。

2）稳定性测量

仪器开机进入正常工作状态后，将检查源置入探头中开始第一组数据的测量，每组测量为1 分钟定时连续测10 次，以后每隔1 小时测量一组数据，连续测量8 小时共得到8 组数据。

稳定性计算公式:

式中:S—稳定性相对误差；μ0—第一组数据的算数平均值；Xi—各数据中偏离μ0最大的数值。

通过计算，本次实验所用的活性炭吸附测氡仪的稳定性相对误差为0.22%，结果符合《氡及其子体测量规范》S≤10%的要求。

3）一致性测量

为避免自然和人为的因素影响，在研究区保持相同的条件下选取地面较平坦，放射性元素分布较均匀处，对2 台活性炭吸附测氡仪进行10 次测定。以各台仪器测量结果的平均值的平均值为标准，与各台仪器的平均值进行比较。

一致性计算公式:

通过计算，本次实验所用的活性炭吸附测氡仪的一致性相对误差为0.45%，结果符合EJ/T 605—1991《氡及其子体测量规范》S≤5%的要求。

3.2 野外工作方法

根据工作目的及要求，活性炭吸附器制备、埋入、取出、测定以及数据处理等环节严格按照仪器使用说明和《氡及其子体测量规范》操作。具体测量工作步骤如下:

1）活性炭吸附器的组装:活性炭吸附器为圆形塑料瓶，应选用规格为φ400 mm×600 mm，组装时在吸附器中装入15 g 干燥的活性炭，用丝绵盖住活性炭后再封装5 g 干燥剂，最后用丝绵封口阻止活性炭和干燥剂漏出并保持气体可以流通。每装好一个瓶，立即拧紧内、外盖，严格密封并编号。

2）挖掘探坑:野外工作小组应由2～3人组成，携带必要埋置工具以及记录工具，采用手持GPS 根据测网布设，到达测点后，首先确定探坑位置。当遇岩石露头、乱石堆、陡坎、河滩、积水坑、稻田、小路等，可适当移动测点选择储气条件较好的位置布点，并记录下实际埋入位置。随后挖掘锥形探坑，探坑深度一般为40 cm，坑口直径15～20 cm，坑底直径10～12 cm。坑底铺平，但不要压得过于紧实，以确保自然通气状态。挖好探坑后应对探坑进行伽马测量并做好记录。

3）放置活性炭吸附器:在活性炭吸附器上标记点、线号，将内、外盖打开，并倒插在锥形罩杯的圆孔内。罩杯倒置在坑底中央，并用松土压紧密封（防止翻倒），然后用土掩埋探坑，坑顶的土应压紧并高出地面以防坑内进水。埋置完成后在旁边做上记号，方便回收时找到，同时在记录本上记录埋入的时间。

4）埋置时间:为确保活性炭吸附器中氡浓度达到最大值，并且还要考虑生产效率等情况来确定埋置时间。经过试验测试，研究区野外埋置活性炭吸附器时间为5 天（避免雨天），氡浓度基本达到饱和状态而且有较高的生产效率。

5）回收活性炭吸附器:回收时应按先埋先取的顺序进行。取出活性炭吸附器时应避免捏拿瓶子中部，以免瓶子受压变形将瓶内氡气挤出。取出后应迅速分离活性炭吸附器和罩杯，立即盖好内盖，拧紧外盖，对瓶盖密封不严的用胶带粘好以防漏气，且擦拭干净，并记录取出时间。

6）样品测量:活性炭样品测量场所应选择本底较低的环境。

a.测定底数:活性炭样品底数N 的测定，是从每批未经野外埋设的吸附器中随机选取5 个进行测量，每个样品测定两次，测量时间为1 分钟，把5 个样品的平均值作为该批样品的底数，底数样品应妥善保管，严禁受到污染。经测量活性炭样品底数N 为235.7 Bq/m3。

b.样品测定:样品从野外取回应在10 小时内测量完毕，每个样品测定两次，每次为1 分钟，取两次测量的平均值。每个样品的测量值计为:

式中:N样—样品的测值；

N计—样品两次测量的平均值；

N—样品底数值。

3.3 数据处理

为了对研究区氡浓度异常分布特征进行解释，结合平均值、标准差与异常值之间的关系进行了数据统计。为避免氡浓度特高值对背景值的影响，在计算时剔除了大于平均值加两倍标准差的异常值，直至无氡浓度特高值为止，求出最终的平均值与标准差。研究区的背景值为计算出的平均值，偏高晕下限为平均值加1 倍标准差，高晕下限为平均值加两倍标准差，异常晕下限为平均值加3倍标准差，异常点下限为5 倍平均值。经过计算各测值见表1。

根据计算结果，可以筛选出研究区内共有7 个氡浓度异常点，各异常点所在测线、距起点距离和异常值见柳树湾研究区氡浓度统计表（表2）。

4 氡浓度异常分布特征及地质解释

4.1 活性炭吸附法测氡典型剖面分析

研究区各活性炭法测氡剖面特征与伟晶岩脉的分布特征吻合较好，可以反映出深部铀矿化信息，以L8 活性炭法测氡剖面为例进行分析。图3 为L8 线综合剖面图，该剖面位于研究区南东侧，由南西向北东穿过接触带，剖面长520 m，方向为NE45°。由图3 可见，L8 线氡浓度值普遍较低，尤其在峡河岩群的黑云斜长片麻岩中反映最低，在二长花岗岩中反映一般，在接触带范围内见两段异常。氡浓度异常分布在距起点120 m、200 m 处，两处异常值分别为7 913 Bq/m3、9 299 Bq/m3。在前期进行的地面伽马放射性测量结果显示，地表出露的花岗伟晶岩的放射性测量值不高，结合地质物探剖面与活性炭法测氡剖面分析认为，该测氡剖面中两处氡浓度异常应为深部隐伏的ρ104、ρ105、ρ106 或ρ107 这4条含矿伟晶岩引起的。因此在该剖面上设计深部钻探验证应同时揭露这4 条花岗伟晶岩。

在L8 活性炭法测氡剖面上设计施工了钻孔LZK1001 和LZK1002（图3）。钻孔LZK1002揭露了多条伟晶岩脉，其中对应ρ107 与ρ105中见两个工业铀矿体，ρ106 与ρ104 中见多个铀矿化体。LZK1001 同样揭露了多条伟晶岩，对应的ρ106、ρ105 和ρ104 都有铀矿化体产出。钻探验证结果表明，活性炭法测氡可以很好的反映出深部铀矿化信息，该方法可以为寻找伟晶岩型铀矿提供有利依据，对研究区深部找矿工作具有重要意义。

4.2 氡浓度异常分布特征及地质解释

伟晶岩型铀矿的氡浓度异常有别于砂岩型铀矿与火山岩型铀矿，其分布特征与伟晶岩的分布基本一致，氡浓度异常特征可以用平剖图的形式反映出来（图2）。经过对测量数据的统计，共圈定出7 个氡浓度异常点，分别位于L8、L12、L16 线上。经分析其氡浓度异常应是深部隐伏含矿伟晶岩脉引起的，其异常主要与ρ104、ρ105、ρ106、ρ107 这四条伟晶岩脉有关。下一步应根据氡浓度异常分布特征选取成矿有利地段进行钻探验证工作。

表1 柳树湾地区氡浓度异常晕及异常点下限值Table 1 Lower limit value of radon concentration for anomaly spot and haloes in Liushuwan area

表2 柳树湾矿床氡浓度统计表Table 2 Statistical table of radon concentration in Liushuwan deposit

图3 L8 线综合剖面图Fig.3 Combined prospecting section of L8 in Liushuwan deposit

本次工作根据异常信息在研究区内共设计施工了5 个钻孔（LZK0501、LZK0001、LZK1002、LZK2001、LZK1001），其中4 个铀工业孔1 个铀矿化孔。在ρ104 号脉中圈定出6 个铀矿化体，ρ105 号脉中圈定出3 个铀工业矿体、1 个铀矿化体，ρ106 号脉中圈定出1个铀工业矿体、7 个铀矿化体，ρ107 号脉中圈定出1 个铀工业矿体，取得了很好的找矿效果，同时钻探验证结果证明了活性炭法测氡的有效性。

5 结论

研究区含铀花岗伟晶岩产出于灰池子岩体外接触带0～300 m 范围内，走向NW-SE，氡浓度异常与伟晶岩分布一致，其形态与规模明显受到伟晶岩控制。活性炭吸附法测氡在柳树湾地区的应用结果表明，区内氡浓度异常与深部的含铀花岗伟晶岩密切相关，能快速、有效的寻找隐伏含铀伟晶岩，为钻探布设提供重要依据，同时钻探验证结果证明了该方法的有效性，对于本区深部花岗伟晶岩型铀矿找矿具有重要的指导作用。