分量化探方法在苗儿山张家铀矿床北部地区铀矿勘查中的应用

张 宇， 陈 琪， 王 珂， 李小勇， 张 文

(核工业二三〇研究所，湖南 长沙 410007)

铀资源是我国重要的战略资源和能源矿产，也是我国核工业发展的基础原料。然而，随着多年来铀矿勘查程度不断加深，地表出露及浅埋矿床大部分已被发现，铀资源提供量急剧减少。因此，寻找深部隐伏铀矿床已成为目前铀矿勘查的重点任务之一。另外，传统的、常规的铀总量地球化学探矿方法仅对寻找露头矿、地表矿及浅部矿有良好的效果，而对覆盖层厚度数十米或数百米的隐伏矿却无能为力。近年来，分量化探测量方法逐渐进入人们的视野，它是在瑞典学者Malmqvist等(1984)和Kristiansson(1990)提出的地气理论基础上，结合铀的地球化学特征而形成的一种探寻深部隐伏矿体的深穿透地球化学方法(王学求等，2011；曹豪杰等，2018)。经过多年的试验与应用研究，分量化探测量方法在探测隐伏花岗岩型铀矿和砂岩型铀矿的有效性上逐渐得到铀矿业界的认可(尹金双等，2009；曹豪杰等，2018；刘晓东等，2018；吴国东等，2019，2020)。例如：尹金双等(2009)通过选取适当的提取剂，提取土壤B层中来自深部的地球化学信息，有效指导了长排地区和南雄地区热液型铀矿深部找矿工作；曹豪杰等(2018)以南岭成矿带上的江头(273)花岗岩型铀矿床为研究载体，有效提取了区域上岩浆热液活动、围岩花岗岩、深部铀成矿及蚀变花岗岩的相关信息；吴国东等(2020)在相山铀矿田开展分量化探稳定性、异常重现性及有效性研究，揭示了相山盆地深部隐伏铀矿体，反映了分量化探在相山盆地铀矿勘查中的有效性及适用性。

苗儿山铀矿田是华南重要的热液铀矿田之一，有沙子江、向阳坪、白毛冲、张家等一系列重要铀矿床。近年来，地质学者在岩石学、矿物学、年代学、同位素地球化学等方面取得较多的成果(王正庆，2018；陈琪等，2020；郭春影等，2020；章健等，2020)，然而对区域上深部铀矿预测研究甚少，仅吴国东等(2019)利用分量化探方法在苗儿山金竹岔和三羊坪地段开展铀资源深部预测工作，有效圈定了8片异常区以及揭露到3段工业矿体。

张家铀矿床位于苗儿山中段，是区域上重要的铀矿集区，区内矿床揭露程度较高，但矿床深部和矿(化)点钻探揭露和研究程度较低。笔者采用分量化探测量方法在苗儿山地区张家岩体内进行调查评价和研究工作，重点针对铀矿(化)点，分析铀成矿条件，为扩大张家铀矿床，开展区域深部铀矿找矿勘查工作提供依据。

1 地质概况

研究区位于华南加里东陆块江南地块南缘苗儿山-越城岭花岗岩穹隆构造西翼中段，是地质构造、岩浆活动、热液成矿作用长期活动的矿集区(图1)。它位于新-资断裂带与天金断裂带夹持区，发育一系列北东向平行等间距排列的F1至F11硅化断裂带，既是控矿构造，又是储矿构造，且具一定的韵律排列，密集型的更次一级构造十分发育，另外还有NW向及EW向的构造与之复合，形成一个多体系构造复合地带，是张家铀矿床的主要控(含)矿断裂带，这种多体系的构造控矿对铀矿化的形成极为有利。

图1 张家铀矿床地质简图

区内岩浆活动频繁，出露的岩体主要为加里东期粗粒黑云母花岗岩、印支期中粗粒黑云母花岗岩、燕山早期第一阶段中粗粒黑云母花岗岩、燕山早期第二阶段中细粒二云母花岗岩和燕山晚期中细粒-细粒二(黑)云母花岗岩，其中燕山早期第一阶段张家岩体、燕山早期第二阶段石坪岩体和燕山晚期小木兰岩体是区内重要的产铀岩体。

区内蚀变作用较为普遍，主要有硅化、绢云母化、绿泥石化和白云母化等。与铀矿化密切相关的蚀变有钾长石化、赤铁矿化、黄铁矿化和萤石化。成矿期次多，不同矿化种类叠加，主要有铀-赤铁矿型、铀-萤石型、铀-黄铁矿型等。成矿期热液脉体发育，有红色玉髓脉、灰黑色黄铁矿玉髓脉、赤铁矿脉、方解石脉、紫黑色萤石脉等。

区内成矿环境优越，具备有利产铀岩体、构造、蚀变“三位一体”的成矿条件，深部具有较大的找矿潜力和成矿空间。

2 分量化探工作方法

2.1 野外样品采集及处理

分量化探取样布设于张家铀矿床北部狗子石矿点和禾高岭矿点周边，测线以控制NE向F5和F8断裂带为原则，基本垂直断裂带部署了7条平行测线，线距200 m，点距40 m，面积约1 km2，共取样141个。

样品严格按照采样要求，采取地表B层土壤，每个样约重500～800 g，阴干后采用80目(吴国东等，2019)不锈钢筛筛取50 g样品。

所有样品由核工业北京地质研究院分析中心进行分析测试，测试元素为As、Li、Be、V、Co、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Mo、Sb、Cs、W、Pb、Bi、Th、U、Nb、Ag、Sn。

具体分析流程为称取2.50 g样品置于50 mL烧杯中，加入20 mL提取剂，搅拌均匀后放置48 h，过滤后的滤液用25 mL比色管承接并经去离子水定容至25 mL刻度、摇匀。分别用10 mL比色管承接1.0 mL滤液，加1.0 mL(1+2)硝酸溶液，用去离子水定容至10 mL刻度、摇匀。用高灵敏度ICP-MS测定来自深部的铀及其他元素分量，元素分量的计量单位为10-9g/g(李文平等，2017；曹豪杰等，2018；刘幼建等，2020；赖静等，2017)。

2.2 原始数据的分布与数理统计分析

原始数据的分布特点对成矿元素组合特征研究、异常下限确定、异常圈定方法选择等都有着极其重要的作用(蒋敬业等，2006)。前人研究表明，在岩石地球化学测量中，微量元素原始数据的偏度都是正偏移，它们的极大值非常大，比均值大数个标准差，因此在处理这些数据时往往使用其对数值代替原始数据。因此，使用以10为底的对数代替原始数据，对区内分量化探的原始数据进行了概率分布统计(表1)。

表1 分量样品各元素地球化学特征参数表

根据计算，As、U、Co、Be、Zn、V、Mo、W、Bi等元素数据的对数均呈正态分布(图2)，说明其只存在一个总体或多个总体具有相似或相近的分布形式。

图2 研究区各种元素对数概率分布图

2.3 相关分析

笔者统计研究区分量化探元素样品对数数据，通过元素之间关系的散点图和相关系数，发现区内As、Mo、Be、W、Co、Sb、Bi、Sr、Cu等元素与U表现出高度线性相关。其中As与U的R2线性为0.612，反映U元素与As元素的富集具有极明显的成因关系；Mo、W等上述元素也与U表现出明显线性相关；其他元素与U线性关系较弱。

通过SPSS软件对其进行了Pearson相关分析(表2)，相关系数临界值为0.165，按照研究对象特征将皮尔逊相关系数值域等级按四级划分：|r|≤0.165为微弱相关；0.165<|r|≤0.210为低度相关；0.210<|r|≤0.490为显著相关；0.490<|r|≤1为高度相关。由表2可知与U分量高度相关的有As(0.612)、Be(0.531)和Mo(0.497)，与U分量显著相关的有Co(0.366)、Cs(0.359)、Sb(0.316)、Cu(0.255)、Bi(0.254)。

表2 分量化探元素相关性分析结果

2.4 R型聚类分析

笔者通过软件对研究区内样品进行R型聚类分析，选择Z-scores标准化方法，即把数值减去均值后再除以其标准差的方法，得到的结果如图3所示。

图3 研究区分量元素R型聚类谱系图

对研究区样品的微量元素进行分析后认为，U与As、Mo、W元素相关性相对较高，呈明显的正相关关系。当变量距离在18的水平上时，U、As、Mo、W与另一组元素Be、Co、Sr明显归为一类，反映出U、As、Mo、Co、W、Sr、Be等元素与成矿关系极为密切，空间分布趋势上有较强的一致性。

根据图3将聚类的21种元素分为3类：

第1类为Be、Co、Sr、Mo、As、U、W，该类中Be、Sr、U为亲氧元素，W、Co、Mo、As为亲铁元素，其中Mo、W为高温成矿元素，As为低温元素，说明该类代表了多期次的热液活动。在高温条件下，W、Mo可以类质同象取代Ti4+、Fe3+、Al3+、V3+进入铁镁矿物和副矿物中，在中低温条件下，Mo、As等可以形成络阴离子[MoO4]2-、[AsO4]3-等与铀结合，且U易被氧化成易溶解的铀酰离子，易被铁的氢氧化物、胶体等吸附形成铀矿物。该类是区内主要的成矿元素和伴生指示元素，推测其与区内赤铁矿化等蚀变及其相关。

第2类为V、Sb、Nb、Ni、Ag、Sn、Zn、Pb、Bi，其中V、Nb、Sn为亲氧元素，Sb、Ag、Zn、Pb、Bi为亲硫元素，Ni、V为亲铁元素，该类元素组合中亲石元素、亲铜元素和亲铁元素均存在，情况较复杂，推测其与残留或围岩有关。

第3类为Rb、Cs、Li、Th、Cu，该类中Rb、Cs、Li、Th为亲氧元素，Cu为亲硫元素，其中Rb、Cs、Li为碱金属元素，推测该类为一期碱交代热液活动。碱交代在带入大量一价离子(Rb+、Cs+、Li+等)的同时，把二价元素(如Fe2+、Cu2+等)带出。为保持岩石内部的电价平衡，必须带入高价金属离子，如U4+、Th4+等，这可能是区内反映深部铀矿体与碱交代作用关系。

2.5 因子分析

因子分析在地质应用上可用来解释元素共生组合和成因联系等，进行因子分析时首先对数据进行KMO统计量检验和Bartlett球形检验，前者用以探查变量间的偏相关性，后者用于检验各变量是否独立。检验结果如表3所示，取样足够度的Kaiser-Meyer-Olkin度量为0.770，其值大于0.5的，适合进行因子分析。

表3 KMO 和 Bartlett 检验

特征值被看作是表示主成分影响力度大小的指标，如果特征值小于1，说明该主成分的解释力度还不如直接引入一个原变量的平均解释力度大。因而在特征值大于1的基础上提取5个主成分。而5个主成分的累计方差贡献率69.526%，已经包含了原始变量的大部分信息(表4)。

表4 解释的总方差

分量化探元素的方差极大正交旋转因子载荷矩阵如表5、图4所示，通过因子特征值、贡献率等确定按因子载荷的大小为依据提取因子。以微量元素在各因子载荷大于0.5为准将各因子所涉及的主要关联元素进行排列(括号中元素是因子荷载较趋近的元素)：1号因子为V、Sb、Sn、Nb、Ni、Ag、Bi、Zn；2号因子为Mo、As、U、W；3号因子为Co、Sr、Be、Zn；4号因子为Cu、Pb、Bi、Be、Cs、(U)；5号因子为Th、Ag、(Rb)。各因子中的微量元素与其他元素未见明显线性关系。

图4 旋转空间中的成分图

表5 旋转成份矩阵表

对比R型聚类分析可以发现：

1号因子与第2类亲硫、亲氧、亲铁元素较为相似，推测其与残留或围岩有关。

2号因子和3号因子与第1类亲氧、亲铁元素极为相同，推测其与区内赤铁矿化等蚀变相关，为一期赤铁矿化热液活动。且U与Mo、As、W元素有较高的相关性，反映出在研究区内铀成矿时该类元素活跃程度较高，并与铀矿化同步富集，其富集部位往往是铀矿体叠加部位。此外Co、Sr、Be、Zn与U也具有一定的相关性。

4号因子中Cu、Pb、Bi为亲硫元素，Be、Cs、U为亲氧元素，说明该因子与硫亲和力强，易与硫元素形成共价键。推测该类为一期硫化物热液活动，与区内黄铁矿型和萤石型铀成矿有关。

5号因子中Rb、Th为亲石元素，且Rb为碱金属元素，推测该类为一期碱交代热液活动。碱交代在把Rb+带入，Fe2+、Cu2+等带出的同时，又把U4+、Th4+等高价金属离子强制带入，反映深部铀矿体与碱交代作用关系。

3 数据处理与制图

通过Surfer软件对区内U、As、Mo、W元素进行图像处理，绘制等值线图，并通过Photoshop叠合到地质图上(图5)。

图5 分量U、As、Mo、W元素等值线分布图

(1)U、As、Mo、W元素富集部位主要为F5和F8断裂带及其上下盘次级断裂带，与断裂带吻合程度高，说明该分量元素组合对铀成矿具有指导意义；

(2)U元素与As元素极为吻合，Mo、W元素也与U元素高度吻合，尤其是狗子石矿点北部和禾高岭矿点南部；

(3)结合区内铀成矿地质条件、调查评价工作和前人施工的少量钻探揭露信息，认为张家铀矿床北部狗子石矿点和禾高岭矿点具有极好的找矿前景，为扩大张家铀矿床，可以在张家铀矿床北部开展深部铀矿找矿勘查工作。

4 结论

(1)张家铀矿床大地构造位置优越，区内具有良好的产铀岩体、控(含)矿断裂构造和强烈的热液活动，为深部铀成矿提供有利条件。

(2)通过相关分析、R型聚类、因子分析等可知，与U分量密切相关的元素有Mo、As、W、Co、Sr、Be、Zn等，尤其是As、Mo分量元素含量较高，其异常明显且与U分量异常带吻合较好，U、As、Mo、W分量异常组合基本可作为该区指示深部铀矿的地球化学标志。

(3)区内U分量元素含量总体较高，分量异常明显，且U分量异常与断裂构造带的展布吻合较好，U分量异常基本可指示深部铀矿化的存在。

(4)分量化探法是一种针对地气流搬运至地表吸附于各类载体形成的元素异常晕进行系统分析的深穿透找矿方法。此次研究工作主要在张家铀矿床北部地区，对照调查评价和前人已发现的深部铀矿体，认为该方法对区内深部找矿具有较好的指导意义，可以在此基础上进行钻探工程验证。