活性炭吸附测氡在钠交代热液型铀矿勘查中的应用——以龙首山成矿带芨岭地区为例

王 刚，邵 东，娄汉生

(核工业二○三研究所，陕西 咸阳 712000)

氡是唯一的天然放射性气态元素，是无色、无味、化学性质稳定的稀有气体(贾国相等，2005)。氡气测量作为地球物理勘探工作中便捷、有效的放射性探测技术，具有灵敏度高、精度高、抗干扰强、探测深度大等优点(刘波等，2015；杨明等，2018)，在铀矿勘查、确定煤矿采空区和火区、预测地震、寻找隐伏断层和地下水等众多领域中发挥重要作用(刘菁华等，2000；杨建军等，2008；刘敦旺等，2009b；陈希泉等，2011；王诗东等，2011；李源辉等，2016；赵丹等，2018)。测氡方法众多，主要分瞬时和累积两类，常用的有硫化锌闪烁室法、RaA测氡法、活性炭吸附法、径迹蚀刻法、α卡法、氡管α法和热释光法等(方孟，2018；季洪伟，2014)，其中活性炭累积测氡法是氡法测量中应用最为广泛、工作效率最高，也是最为有效的方法之一(王志宏等，2014)。

前人运用活性炭测氡法对砂岩型、火山岩型、钙结岩型等众多类型的铀矿进行了相关研究(王勇等，2017；张乐等，2018；王浩锋等，2019；吴泽民等，2019)，取得了明显的找矿成果，但缺少对典型钠交代热液型铀矿床的相关研究工作。龙首山芨岭铀矿床作为我国北方最为典型的钠交代热液型铀矿床备受地质专家和学者关注，前人对该铀矿床进行了较为细致的研究(赵如意，2016；宋振涛等，2017；张甲民等，2017；王刚等，2018)，积累了大量的地质找矿和科研成果。随着新一轮“攻深找盲”的深入，笔者以龙首山成矿带芨岭地区为研究对象，运用活性炭吸附测氡方法，通过大比例尺剖面测量，在总结区内重点地段氡浓度曲线特征的基础上，结合最新找矿和地质科研成果，分析了影响氡浓度曲线特征的主要因素，探讨了其在芨岭铀矿勘查中的作用，以期为科学指导矿床深部和外围找矿提供物探依据。

1 研究区地质概况

龙首山成矿带位于阿拉善地块西南缘，是祁连-秦岭铀成矿省的重要组成部分。芨岭地区位于龙首山中东段，研究区内地层以前寒武系结晶基底为主，古元古界龙首山岩群(Pt1l)内部支离破碎，层序不清，是一套经角闪岩相变质作用改造的强烈变质变形地体，具古陆核性质(宫江华等，2011，2013)。中元古界墩子沟群(Pt2d)陆源碎屑沉积和新元古界韩母山群(Pt3hm)碳酸盐-碎屑沉积不整合于龙首山岩群之上。区内早古生代岩浆活动强烈，种类较多且分布广泛，岩浆演化较为完整，发育由陆壳重熔岩浆经结晶分异形成的中性-酸性-碱性侵入岩系列(赵如意，2016)，演化晚期出现的钠交代岩为龙首山地区铀成矿奠定了丰富的物源基础。芨岭地区断裂构造同样发育(张伟等，2017)，按走向划分主要有三个方向，NWW向、近EW向和近SN向，无论从数量还是规模上看，均是以NWW向断裂构造为主，这组走向断裂控制了芨岭地区乃至龙首山成矿带的现今构造格局(图1)。

芨岭铀矿床受北西西向南倾的马路沟断裂构造F101控制，其是一条逆冲兼具右行走滑的断裂，断裂走向延伸较好，但规模和产状变化很大。目前已知铀矿体发育在F101断裂下盘的钠交代岩、似斑状花岗岩和闪长岩蚀变带内，矿体形态分布较复杂，主要呈透镜状、扁豆状和不规则状向北西侧伏，矿体埋藏从南东到北西逐渐加深，除少量矿体露出地表外，其余均为盲矿体。此外，区内还发育北西西向北倾晚期破矿断裂F105，其错断早期F101断裂的同时也将深部发育的铀矿体截切。

2 活性炭吸附测氡方法

2.1 活性炭测氡原理

铀矿勘查中氡气测量的主要对象是铀系产生的222Rn，其是氡同位素系列中最重要的核素(杨亚新等，2007)。研究表明，比空气分子质量大的氡主要以纵向向上运移为主(方孟，2018)，而活性炭对氡有强吸附力，当深部的氡沿断裂构造和裂隙向上运移到达活性炭表面时，氡分子很快被吸附，使得在活性炭周围的空气中氡浓度低于探杯内的氡浓度。根据扩散原理，进入到探杯内的氡射气，在浓度差的作用下，将源源不断地朝着活性炭自动扩散。在常温干燥、静态条件下，活性炭吸附可以在短时间内达到平衡(刘泰峰等，2004)。在一定条件下，活性炭吸附的氡气量与被吸附地点的氡浓度成正比(杨亚新等，2003)，因此，通过测量被活性炭所吸附的氡衰变子体γ强度从而计算氡浓度值，可间接反映出地下氡浓度的分布情况，从而达到识别深部盲矿体的目的。

2.2 数据采集与处理

活性炭吸附氡的影响因素较多。实践证明，水蒸气是活性炭吸附氡的最大影响因素(方孟，2018)，活性炭一旦受潮，就大大降低了对氡的吸附能力，甚至完全失效。运动分子的能量与温度有关，温度升高，运动分子的能量增加，不易被吸附，且已被吸附的分子容易解吸(季洪伟，2014)，因此，高温条件下不利于氡的吸附。活性炭测量期间的气候同样对测量成果有一定影响，多风的季节会使盖层中的氡大量向大气中扩散致使浓度降低，影响最终测量结果。因此，选择在温度适中、较为干燥的无风天气进行野外工作，能够有效降低各项不利因素的影响，准确反映测量数据的真实性。

室内准备阶段，在吸附器中首先装入30 g具有发达微孔结构和高比表面积的活性炭，开口处填入3～5 g硅胶干燥剂并用胶带固定保证其处于密封状态。野外数据采集时，在储气条件较好的位置布点，在吸附器上做好标记，并用便携式GPS定位系统确定点位。研究表明，野外活性炭测氡法采样最优埋深为40 cm(李伟等，2013)，因此将装有活性炭的吸附器埋于深40 cm、直径大于10 cm的探坑中，坑底铺平，以保持自然通气状态，之后用土掩埋压实。刘敦旺等(2009a)对活性炭吸附氡浓度与埋置时间关系研究认为5至7天氡浓度能达到平衡，因此埋置时间为7天能够达到测量目的。吸附器埋置7天后取出，用HD-2003活性炭测氡仪依次进行测量，即可得到相应氡浓度值，同时选取5%的工作量进行检查测量，确保数据的可靠性。

3 活性炭测氡剖面特征

3.1 剖面部署

在对芨岭地区地质背景详细了解的基础上，结合近几年钻探施工取得的成果和认识，在芨岭铀矿床及外围重点地段共布设活性炭吸附测氡剖面9条(图1)，其中PMⅠ、PMⅡ、PMⅢ是在笔者通过地表地质调查和钻孔编录详细了解铀矿体和断裂构造特征的前提下布设的3条已知矿区剖面，而PM01、PM02、PM03和PM04、PM05、PM06分别布设在芨岭外围地段和马路沟地段，这二者均是芨岭地区铀矿勘查的未知地段，以期通过这6条未知矿区剖面与3条已知矿区剖面数据分析和对比，为下一步铀矿勘查提供依据。

活性炭吸附测氡剖面点距为10 m，共采集氡浓度数据536个。对研究区氡浓度测量值进行背景值及异常下限统计分析，异常极值共52个，对剔除异常极值后的484个样本进行检验，基本符合正态分布(图2)，采用对数平均值法确定氡浓度背景值为2 635.1 Bq/m3，考虑到研究区氡浓度背景值普遍较高，选取背景值的5倍为异常下限，即1 3175.5 Bq/m3，更有利于对深部矿致异常引起氡浓度异常的信息提取(赵希刚等，2013)。

3.2 已知矿区剖面特征

(1)PMⅠ剖面上铀矿体直接在地表出露，规模中等，马路沟断裂构造在其南侧，倾角68°～72°，受马路沟断裂带影响，南侧上盘发育的大理岩破碎程度较高，而北侧下盘的蚀变似斑状花岗岩和铀矿体相对完整。通过数据分析可知(图3)，在110～240 m段异常极值高、范围大，且连续性很好，在190 m处氡浓度值达到最大，为84 674.1 Bq/m3，峰背比达32.1，该处正是地表铀矿体出露地段，南侧马路沟断裂构造F101由于上盘破碎程度较高导致氡浓度异常范围较大且值也较高，达35 000 Bq/m3以上，北侧氡浓度值逐渐减小也反映了蚀变带过渡到正常花岗岩和闪长岩的特点。

(2)PMⅡ剖面上铀矿体埋深在400 m以下，规模较大，赋存于马路沟断裂F101下盘，断裂倾角较陡74°～78°，此外，还在北部断裂构造及其揭露到少量铀矿体和蚀变带。在100 m处异常极值为16 064.4 Bq/m3，峰背比为6.1，反映出马路沟断裂F101和深部的铀矿化信息，而异常值较PMⅠ低的原因主要为矿体埋深较深；在250～380 m处异常范围较大，表现为双峰异常，最高值为21 022.3 Bq/m3，峰背比为8.0(图3)，这是受马路沟断裂北部的多条次级断裂影响，其值比F101断裂附近的极值还高则说明北部可能发育有规模较大的铀矿体。

(3)PMⅢ剖面上铀矿体埋深较浅，规模较小，南侧的马路沟断裂构造近直立，倾角>80°，岩石在断裂带附近破碎程度较高。剖面上发育2个异常极值点和1个异常段，极值点在130 m和210 m处，氡浓度值分别为70 140.5 Bq/m3和86 270.6 Bq/m3，峰背比分别为26.6和32.7(图3)。130 m处异常点为断裂构造所致，210 m处异常点则较好地反映了浅部存在的铀矿体，断裂构造和铀矿体产状均较陡，导致氡浓度极值点两侧曲线斜率也较陡；异常段位于260～290 m，异常值均超过70 000 Bq/m3，峰背比大于26.6，地表调查显示该段有裂隙较发育的蚀变带存在。

在排除温度、湿度和风力作用等因素对活性炭吸附测氡的影响外，综合3条已知矿区剖面对比分析，认为铀矿体的埋深、规模和断裂构造产状等因素对氡浓度曲线有较大影响。剖面证实铀矿体赋存位置均显示较高的氡浓度值，说明氡浓度曲线能较好地反映铀矿化，但受矿体埋深和规模影响较大，埋深越浅、规模越大则氡浓度值越高，且矿体埋深对氡浓度值的影响远大于规模。研究发现氡浓度值较高的地方往往断裂构造或裂隙较发育，这与氡气沿裂隙上升的特点相符，但曲线特征受断裂构造产状影响，在极值两侧表现出不同的曲线斜率。铀矿体附近断裂构造的产状导致氡浓度极值点两侧斜率不同，断裂倾向一侧曲线斜率较小，反之斜率较大(如PMⅠ)，而当断裂构造近直立时极值点两侧斜率近似相同(如PMⅢ)，这一特征可能与马路沟断裂为逆冲性质的断裂，逆冲作用致使断裂上盘裂隙、节理发育有关。此外，矿体相对于断裂分布位置不同也会导致氡浓度曲线有所差异：发育矿体的断裂一侧往往氡浓度异常范围要大于无矿体一侧(如PMⅡ)，断裂和矿体产状较平缓则异常范围较大，断裂和矿体产状较陡，则异常范围较小。这些规律和认识有利于识别含矿断裂构造的分布和产状特征，对深部铀矿体预测也有指导意义。

3.3 未知矿区剖面特征

芨岭外围地段马路沟断裂F101出露明显，断裂带附近岩石较破碎，地表可见大量钠交代岩和蚀变带发育。前人在此地段施工的钻孔显示揭穿马路沟断裂后出现了规模较大的蚀变带，发育典型的赤铁矿化和钠长石化，但未揭露到铀矿体。通过芨岭外围地段3条未知矿区剖面的数据分析发现(图4)，PM01剖面氡浓度极值为8 383.9 Bq/m3，小于芨岭地区氡浓度异常下限，PM03剖面氡浓度极值为17 167.8 Bq/m3，略高于芨岭地区氡浓度异常下限，地表地质调查显示这两条剖面上马路沟断裂F101与南北向晚期断裂构造错断特征明显，结合钻孔中发现的大量高岭土化和褐铁矿化，推断此处可能受后期构造活动影响较大，使得马路沟断裂下盘的铀矿化氧化迁移，未能在氡浓度曲线上有所显示。与PM01和PM03不同的是，在PM02剖面上氡浓度极值较高，且氡浓度剖面与地质和能谱剖面对应性较好，通过数据分析和对比发现，在110 m和500 m处氡浓度极值达63 419.3 Bq/m3和50 014.6 Bq/m3，峰背比分别为24.1和19.0，此处正是马路沟断裂F101和一个井断裂F132的地表露头，验证马路沟断裂是控矿断裂的同时暗示一个井断裂可能也是一条控矿断裂，且矿体可能埋深较浅，考虑到芨岭外围地区断裂规模减小且发育多期次构造活动，认为铀矿体规模可能不大。从曲线形态来看，均是异常极值点两侧快速降低到背景值，推断断裂构造向深部延伸产状较陡，矿体形态很可能近直立。

马路沟地段F101断裂出露较明显，规模较芨岭地区有逐渐变小的趋势，沿断裂带北侧零星发育钠交代岩和少量蚀变带。近两年对马路沟地段的找矿工作成果较好，相继发现了一批工业钻孔，但铀矿化的走向连续性和断裂构造产状及其向深部的延伸情况尚未完全明了，有待进一步查证。通过马路沟地段3条未知矿区剖面的数据分析和氡浓度曲线与地质剖面对比发现(图5)，马路沟断裂构造地表出露处在各剖面中均有所显示，且断裂以北往往有氡浓度异常极值出现，但就剖面整体特征而言，虽这3条剖面氡浓度极值均大于研究区的异常下限，但极值仅仅是芨岭外围地段的1/5～1/3，且从PM04剖面向西延伸至PM06剖面氡浓度值有明显减弱的趋势。PM04剖面上氡浓度异常范围主要位于250～310 m，存在2个氡浓度异常高值，最大值为28 921.3 Bq/m3，峰背比为11.0，依据剖面PMⅢ的特征，认为南侧极值由近直立的马路沟断裂构造引起，北侧极值很可能是铀矿化线索的反映。PM05剖面在200～350 m处存在2个异常极值，异常值范围为14 050.5～15 536.2 Bq/m3，异常极值较小但规模较大，推断为马路沟断裂以北可能存在规模较大的蚀变带，但铀矿化程度可能较弱。PM06剖面220 m处出现氡浓度异常极值，为13 957.3 Bq/m3，略大于异常下限，地表调查显示该处出露2 m宽的构造破碎带，极值南侧斜率较缓，认为马路沟断裂在此处可能南倾，且断裂带深部可能发育规模较小的铀矿化。

4 讨论及结论

依据以往对芨岭地区的铀矿地质勘查成果和认识，在综合分析活性炭吸附测氡剖面测量结果的基础上，在芨岭外围地段PM01至PM03线上施工的ZKJ41-1和ZKJ45-1钻孔揭露到了浅部较为厚大的蚀变带和钠交代岩，但未见到工业铀矿体，可能与矿体向深部延伸产状较陡有关，考虑到该地段发育多条近南北向晚期断裂，且活动时代较新，认为后期断裂构造的叠加导致马路沟断裂构造和铀矿化的复杂化，且钻孔中大量高岭土化和褐铁矿化的出现显示该地段近地表发育后期蚀变作用，暗示浅部的铀矿化很可能已经被破坏，而较高的氡浓度极值则可能是深部铀矿化的反映，表明深部有较大的找矿潜力，因此建议继续对深部进行探索，同时还应当加强马路沟断裂以北的一个井断裂地段铀矿勘查工作。在马路沟地段PM04至PM06范围内施工的ZKJ115-1和ZKJ127-1钻孔中揭露到了工业铀矿体，将马路沟地段的见矿范围扩大到了1.25 km，同时印证矿体规模由东向西逐渐较小，这与氡浓度曲线变化分析结果相一致。

通过芨岭地区活性炭吸附测氡应用，表明其在识别钠交代热液型铀矿化信息方面是有效的，氡浓度曲线能够较好地反映断裂构造和铀矿化。测量结果显示芨岭外围地区及其以北和马路沟西部分地段具备较好的成矿潜力，但铀矿化规模较芨岭矿床有逐渐变小的趋势，而马路沟断裂构造产状由东向西伴随着南倾-近直立-南倾的转变和后期构造活化共同导致了铀矿体形态和分布的复杂性。