二连盆地哈达图铀矿床综合物化探特征及找矿意义

石连成,张 翔,杨玉勤,韩鹏辉,牛家骥,卢亚运,周宗杰,沈正新

(1.核工业航测遥感中心,河北石家庄 050002；2.铀资源地球物理勘查技术中心重点实验室,河北石家庄 050002；3.河北省航空探测与遥感技术重点实验室,河北石家庄 050002)

0 引言

二连盆地作为我国砂岩型铀矿勘查的重要基地，随着铀矿勘查工作的不断深入，发现新露头和浅表矿的机会逐渐减少。砂岩型铀矿体埋深多大于100 m，其上部沉积覆盖物较厚，地表找矿信息微弱，导致传统放射性找矿方法，如地质剖面测量、地面伽马总量测量、土壤地球化学测量、车载伽马能谱测量等无法直接提供有效找矿信息(刘武生等，2015；石连成等，2019)，更不易圈定成矿有利地段、指导找矿。为此，大量学者对盆地内砂岩型铀矿开展了地电化学、金属活动态、地气等深穿透地球化学测量实验(罗先熔，1996；王学求等，2005；王光辉等，2000；唐金荣等，2007；柯丹等，2016a,b；刘洪军等，2017；孙彬彬，2017；徐善法等，2017；刘汉粮等，2018)，并认为深部铀矿体上方多伴随单元素或多元素异常，可为圈定找矿有利地段提供依据。

前人针对哈达图开展了矿床地质、矿床地球化学及矿物学的研究，大致查明矿床特征、矿体展布形态、成矿类型、铀赋存形态及找矿方向(聂逢君等，2015；康世虎等，2017；刘波等，2018；袁晓华，2018；张峰，2018；刘武生等，2020；吕永华等，2021)。并对该矿床开展了土壤地球化学扫面技术、化探异常源示踪与判别、土壤活动态铀等勘查技术方法研究(康欢等，2019;康欢，2020；王勇等，2020；张必敏等，2020；窦备等，2021)，认为深部铀矿体上方多出现铀异常，但是多为某一种或两种探测方法的使用及特征分析，存在采样点距较大等问题。此外，因为未基于该矿床的地质、航磁航放特征分析，对识别、提取矿体上方的有利航放信息/异常开展综合物化探测量，也有一定的不确定性。

如何选择物化探组合技术有效查明覆盖区航放异常/弱信息与深部富铀地质体的关系，为圈定隐伏铀矿找矿有利地段提供依据，是地质工作者目前的重要课题之一(石连成等，2019，2021；陈江源等，2020；黄建乐等，2021)，也是本文的主要研究目标。因此，本文基于二连盆地哈达图铀矿床成矿地质及航磁航放特征，开展地面伽马能谱、土壤氡浓度测量，并引入在隐伏铀矿勘查中具有较好效果的地电化学测量方法，论述并分析其组合物化探特征，讨论地电化学异常成因，为覆盖区航放异常有效查证技术方法研究和隐伏铀矿勘查提供依据。

1 矿床地质及航磁航放特征

1.1 矿床地质特征

哈达图铀矿床位于乌兰察布坳陷中东部,被北部的巴音宝力格隆起和塔木钦隐伏凸起、西部的东方红凸起和南部的苏尼特隆起所夹持。基底具有凹凸相间的特征,受北东向断裂构造控制。

矿区地表主要为古近系渐新统上脑岗代组(E3s)和始新统伊丁尔曼哈组(E2y)的泥岩、粉砂岩及松散砂砾层(图1)。据钻孔资料显示，矿区地层自下而上为下白垩统赛汉组(K1s)、二连组(K2e)和古近系(E)(张锋，2018)。

图1 内蒙古哈达图地区地质简图(图a据聂逢君等，2015；图c据张峰，2017)

该矿床为古河谷型铀矿，矿体产于下白垩统赛汉组(K1s)河道侧帮氧化带前锋线附近的古河谷灰色砂体中，赋矿岩性为灰色含砾中细、中粗砂岩。铀矿体相对稳定，在剖面上主要以板状、透镜体产出，矿体控制程度低，在走向和倾向上均未控制，产状基本与赛汉组上段砂体保持一致，略微南倾。主矿体长约 3.2 km，矿体埋深 218.50～355.75 m，埋深从北向南增大；铀矿体沿北北东和北西向分布的特征也表明了矿化与构造的密切关系(张锋，2018)。哈达图铀矿床的铀主要以超显微状、显微状铀矿物及其集合体形式吸附在粘土矿物、黄铁矿及有机质表面，铀矿物为沥青铀矿、铀石、铀的磷酸盐(游伟华等，2015；李伟涛等，2020a，b)。

1.2 矿床航磁航放特征

图2a航磁ΔT等值线平面图上,北部矿体主要位于北东向和北北东向展布的中等磁场区,且受北北东向和北向断裂构造控制；南部矿体位于中等磁场区与弱磁场区的梯度带,呈北北东向展布。

图2b、c航空伽马能谱总道(TC)和K含量等值线平面图上,矿体整体位于“外高内低”的TC和K含量区域,TC值一般为8.44 ～9.32 Ur,K含量为1.58%～2.02%,且具有垂直矿体走向“两高夹一低”的特征。图2d、e航空伽马能谱U含量和Th含量等值线平面图上,矿体及外围出现多个北东向、北北东向展布的U和Th高值带,但是北矿带上方出现与矿体展布方向一致、且位于矿体南缘的U高值带,初步分析该高值带可能为深部铀矿体的纳微米活性铀及其子体沿断裂构造向上迁移所引起。

图2 哈达图地区航空物探综合信息图

据图2f航空伽马能谱U含量的熵等值线平面图可以看出，矿体上方的熵相对较大，且熵的展布特征与矿体一致。此外，图2f与图2e相比，对整个区域的航空伽马能谱U含量进行信息熵处理后，U含量的相关特征呈现出了明显的局部富集。

2 工作方法及数据采集

为查明哈达图铀矿的综合物化探特征及空间关系,基于航磁航放特征的分析开展了地电化学、地面伽马能谱、土壤氡浓度测量,并对地电提取的部分泡塑样进行了扫面电镜观测。

地电化学测量主要包括地电化学提取装置的准备、埋置、取回、测试分析。本次研究采用的是自主研制的便携式偶极子地电提取仪、极棒连接装置、高密度聚氨酯泡塑、碳纤维极棒、无纺布袋组成的地电化学提取装置。野外采用9 V恒压模式、供电时间24 h、极距75 cm、5%浓度的柠檬酸为提取剂、每个极棒提取剂用量400 mL,极棒埋置深度30 cm。采集的样品经烘干、灰化、消解后采用核工业航测遥感中心的ICP-MS(电感耦合等离子体质谱仪)测试U、Th、Mo、V、Pb含量,测试方法依据GB/T 14506.30-2010《硅酸盐岩岩石化学分析方法》第30部分：44个元素量测定。扫描电镜所使用仪器为FEI Nova Nano SEM场发射扫描电子显微镜。

地面伽马能谱测量采用ARD多道伽马能谱仪,采样时间60 s,每个点测两组数据；土壤氡浓度测量测量采用HDC-C环境测氡仪、土壤氡模式、采样2 min、测量2 min、抽气孔深80 cm等参数,每个点测三组数据。

根据测线垂直于矿体及航放弱信息展布方向的原则,布置了1条长剖面和3条段剖面,线间距200 m,点间距40～60 m,长剖面两端的地电化学测量点距为100 m。

3 综合物化探特征

3.1 地面伽马能谱特征

据图3研究区地面伽马能谱总道(TC)、K、U、Th等值线平面图可以看出，具有北北东向叠加北西向的空间展布特征，可能与矿体受北北东向和北西向构造控制有关。图3a和图3b地面伽马能谱TC、K等值线平面图上，矿体上方TC和K含量均呈“北东向展布、外高内低”的特征，且与矿体的航空伽马能谱特征一致。

图3 研究区地面伽马能谱TC、K、U、Th含量等值线平面图

图3c和图3d地面伽马能谱U、Th等值线平面图上，U与Th整体呈负相关特征。图3c地面伽马能谱铀含量等值线平面图上，矿体对应于北北东向展布的高值地段，高值地段主要位于矿体南缘，与矿体上方航空伽马能谱U含量的特征较一致，且垂直于矿体走向具有“两边高中间低”的特征，矿体上方的铀含量多为(2.06～2.25)×10-6，外围铀含量多为(1.73～2.00)×10-6，矿体南缘铀含量高值地段一般为(2.46～2.62)×10-6。

根据对矿体上方及外围地面伽马能谱铀含量的分析认为，按平均值+3倍均方差的处理方法不能有效识别覆盖区矿致航放弱信息。

3.2 土壤氡浓度特征

通过平均值X、标准偏差S统计法，采用逐步删除异常数据(≥X+2S、≤X-2S)的方法，求得研究区土壤氡浓度(CRn)背景值3712.2 Bq/m3，标准偏差1735.4 Bq/m3，异常下限7182.9 Bq/m3。大于区域背景值5倍(5X)的称为异常，X+S≤CRn≤X+2S称为偏高晕，X+2S≤CRn≤X+3S称为高晕，X+3S≤CRn≤X+5S称为异常晕(刘武生等，2015)。

据图4a和图4b土壤氡浓度剖面平面图与等值线平面图可知，研究区的土壤氡浓度整体表现为中部北东向展布的偏高晕、高晕、异常晕，两侧为背景区。矿体主要对应北东向偏高晕北部的背景区，矿体南缘北东向展布偏高晕、高晕、异常晕与地面/航空伽马能谱U含量高值带对应较好，对应于哈达图铀矿区该段矿体的氧化还原过渡带的位置，表明深部铀矿体的活性铀微粒、氡及其子体可能垂向迁移至地表形成地球化学障。

对研究区的土壤氡浓度进行趋势面分析后，如图4c土壤氡浓度剖面平面图所示。矿体上整体为相对稳定的背景区，土壤氡浓度较低；但是局部存在弱增高的现象，可能与浅表覆盖物类型及孔隙度有关；断裂构造发育地段的氡迁移速率明显快于无构造裂隙发育地段。然而在深部存在铀矿体时，矿体上方的土壤氡浓度会出现微弱的增高。

结合野外地表覆盖物类型及孔隙度的差异，对研究区东北部的北西向团块状异常趋势面分析后，土壤氡浓度剖面平面图与等值线平面图展示如图4c和图4d，即矿体上方的土壤氡浓度以低值为主，且在矿体边缘及邻区形成高值带或异常带。

图4 研究区土壤氡浓度剖面平面图及等值线平面图(a、b为据实测数据制图,c、d为趋势面分析后制图)

3.3 地电化学特征

通过统计软件对研究区169件地电提取泡塑样的原始数据中各元素的最小值、最大值、平均值、标准偏差、背景值、变异系数及异常下限进行了统计。由表1可知,U、Mo变异系数(0.23、0.22)较一致,V的变异系数(0.41)最大,Th、Pb变异系数(0.19、0.18)较一致。

表1 哈达图铀矿地电化学提取数据统计表(n=169)Table 1 Statistics of geoelectrochemical extraction in theHadatu uranium deposit(n=169)

从图5研究区地电化学提取U、Pb、Mo、Th、V含量等值线平面图可知,铀矿体或矿化地段对应于地电化学铀(CHIM-U)北东向展布的高值区、地电化学钼(CHIM-Mo)北东向展布的低值区、地电化学钒(CHIM-V)北东向展布的高值区、地电化学钍(CHIM-Th)与地电化学铅(CHMI-Pb)北东向展布叠加团块状高值的低值区。从图5研究区U-Th-Mo三原色组合图可知,矿体主要位于U-Th融合较好的蓝色区域和U-Th-Mo融合较好的橙绿色区域。

图5 研究区地电化学提取CHIM-U(a)、CHIM-Mo(b)、CHIM-Th(c)、CHIM-Pb(d)、CHIM-V(e)等值线平面图及(CHIM-U)-(CHIM-Th)-(CHIM-Mo)三原色组合图(f)

根据对主矿体地电化学特征的分析,初步分析西北部两个矿化孔中间夹持的U高值区、Pb团块状高值区、Mo低值区、V高值区、Th的高低值过渡区可能具有较好的找矿潜力。主矿体南部北东向展布的U中高值带、Pb高值带、Mo高值带、Th高值带可能为铀矿体北东向控矿断裂构造的反应。此外,矿体上方为CHIM-U含量高值带、CHIM-Mo低值带,但矿体南缘出现CHIM-Mo高值带/异常带的特征与砂岩型铀矿上方水文地球化学、岩石地球化学U、Mo元素的空间分布规律一致,即U异常出现在氧化还原过渡带(铀矿体)正上方,Mo异常出现在靠近矿体的还原带,并且与哈达图矿床该矿段矿体的铀及伴生元素Mo的分析结果一致。

4 讨论

4.1 地电化学异常成因

深部铀在氧化条件下可长距离迁移至地表被粘土矿物所吸附的研究突破，为隐伏砂岩型铀矿开展深穿透地球化学方法提供了依据(罗先熔，1996；唐金荣等，2007；姚文生等，2012；满荣浩等，2015；柯丹等，2016a)。核工业北京地质研究院在鄂尔多斯盆地大营铀矿床及二连盆地巴彦乌拉铀矿床的地电化学试验研究表明：深部活动态的铀微粒在多种营力的作用下可迁移至浅地表土壤中，在外加电场的作用下，带负电的铀酰络阴离子向正极迁移，带正电的铀酰络阳离子向负极迁移，被包裹着提取电极的泡塑所吸附(刘洪军，2017)。

通过对空白泡塑和不同测线电提取吸附后的泡塑进行扫面电镜观测(见图6)，发现电提取后地电化学泡塑样品中吸附了大量纳米级至十几μm的矿物颗粒，且多为层状、网状、团块状、针状等形态各异的粘土矿物，地电提取铀含量高的泡塑吸附的粘土矿物相对较多。野外地电提取所获得的铀至少来源于两个部分，即与土壤母岩有关的次生晕中的铀、在各种营力作用下深部矿体迁移至地表土壤中的铀。

哈达图铀矿床的地电化学铀异常及高值地段位于矿体正上方,且在外围形成幅值较低、宽度较窄的中高值条带；分析研究表明：深部铀矿体的纳米级(粒径<1 μm)、微米级(粒径1～1.5 μm)铀矿物在多种地质营力的作用下迁移至近地表被土壤中粘土矿物吸附的活性铀所引起,以垂向迁移为主、沿断裂构造迁移为辅。因此,地电化学铀异常反应的主要该地段深部存在富铀地质体,目前不能有效评价深部富铀地质体是否是铀矿体。

4.2 综合剖面特征分析

根据图7哈达图铀矿HDT-L1线综合剖面图可知,平距100～800 m对应的铀矿体埋深300～360 m,该处地电化学提取的U、V、Pb含量呈明显的锯齿状强尖峰异常,对应于土壤氡浓度、地面伽马能谱U含量及地电提取Mo含量低值地段,但在平距350～500 m地电提取的各元素的尖峰与地面伽马能谱U含量及土壤氡浓度的弱尖峰相对应,表明矿体垂向迁移至近地表活性铀微粒也可以引起土壤氡浓度和地面伽马能谱U含量的弱增高。根据综合剖面特征分析,平距-400～100 m、1950～2100 m、3300～3460 m处深部仍具有铀矿化,且剖面南段的1950～2100 m、3300～3460 m处的地电化学U元素异常与已知铀矿化孔和矿体对应较好,平距-400～800 m处地电化学U元素异常连续性较好,推断与深部铀矿体的连续性相关。

4.3 找矿意义

通过对哈达图铀矿床地质特征及航磁特征分析,矿体空间展布受北东向、北西向的断裂构造控制,并处于齐哈日格图凹陷平稳的中等-弱磁场区,研究表明航磁特征可以大致圈定寻找砂岩型铀矿的有利构造单元。

基于矿体特征及航空/地面伽马能谱特征的分析认为,伽马能谱测量结果反应的是表层覆盖物中K、U、Th元素的含量,而不是深部矿体及地层的元素含量,不能用来直接圈定砂岩型铀矿找矿有利区。但是,矿体及矿区的航空能谱U含量的熵值相对较大,并在矿体及控矿断裂上方存在伽马能谱U含量的带状弱增高现象,且控矿断裂上方的U含量更高。

哈达图铀矿上方的土壤氡浓度整体表现为低值,由于氡及其子体具有沿断裂构造迁移能力强的特点,且容易受浅地表覆盖物的孔隙度、湿度、铀含量等因素影响。因此,土壤氡浓度测量结果主要反映的是浅地表氡及其子体浓度、断裂构造和裂隙带的发育情况,对于直接揭示深部铀矿化存在局限性。

通过对埋深300～360 m的铀矿体及矿致航放弱铀信息开展地面伽马能谱、土壤氡浓度、地电化学测量及综合特征的研究表明：埋深大于300 m的铀矿体在地表仍可以形成CHIM-U高值带与异常,CHIM-Mo主要分布于氧化还原前锋线与还原带的接触部位,土壤氡浓度、地面伽马能谱铀含量、CHIM-Th、CHIM-Pb的高值带和异常带受断裂构造控制明显。

综合研究表明：地电化学、地面伽马能谱、土壤氡浓度的组合测量技术可以有效查明航放弱信息的成因及其与深部铀矿体的空间关系,并为隐伏砂岩型铀矿勘查找矿有利地段的圈定提供依据。

5 结论

(1)哈达图铀矿体的地电化学铀异常主要为深部铀矿体的纳微米级铀矿物垂向迁移至近地表被土壤中粘土矿物吸附所引起。

(2)铀矿体在平面上为与矿体展布方向一致的地电化学U含量的高值区和Mo含量的低值区,在剖面上U含量呈锯齿状尖峰异常。

(3)地电化学测量方法能够查明埋深大于300 m矿体的平面分布特征。

(4)隐伏砂岩型矿区及矿体的航空伽马能谱U含量的熵值相对较大。

(5)地电化学、地面伽马能谱、土壤氡浓度的组合测量与评价能够有效查明覆盖区航放弱信息的成因及其与深部铀矿体的空间关系,为隐伏砂岩型铀矿勘查找矿有利地段的圈定提供依据。