地电化学法在寻找隐伏铀矿中的应用——以诸广鹿井地区为例

赵欣怡 欧阳菲 罗先熔 刘攀峰 汤国栋 苏艺怀吴彦彬 唐 瑞

(1.桂林理工大学地球科学学院,广西 桂林 541004;2.成都理工大学地球科学学院,四川 成都 610059)

地电化学法自20世纪80年代从前苏联引入我国后得到了蓬勃发展,现已被证实是一种有效的深穿透地球化学勘查找矿手法[1-2]。由桂林理工大学隐伏矿床研究所罗先熔教授团队研发的具有自主知识产权的地电化学集成技术,近30 a来通过在国内外不同地区进行了地电化学法寻找隐伏矿床的预测研究,特别是在高原寒冷冻土区[3-4]、干旱戈壁荒漠区[5]、草原[6]与森林植被覆盖区[7]、第四系和残坡积层覆盖区[8]等常规找矿工作开展难度较大的地区取得了一系列较理想的找矿成果。

铀矿资源作为重要的战略资源和能源矿产,一直以来都是保障各国战略性发展的关键矿产。位于湘赣边界的鹿井地区是我国重要的花岗岩型铀矿产区之一,经过数十年的勘查工作在该地区已发现大大小小数十个铀矿床、矿点。然而我国铀矿找矿深度有限,近几年部分地区地表、近地表的铀矿资源逐渐枯竭,因此迫切需要开展深部隐伏铀矿探测工作。鹿井地区位于亚热带季风与温带季风气候交界区,潮湿多雨,植被覆盖严重,常规地质找矿勘查方法工作难度较大。本研究采用地电化学法在鹿井地区进行深部找矿预测研究,旨在为该区深部找矿提供新思路,并总结出一套适用于该地区寻找隐伏铀矿床的勘查技术方法。

1 区域地质概况

鹿井地区地处湖南郴州汝城县与江西赣州崇义县交界部位,其主体大部分属于湖南省,大地构造位置为扬子板块与华夏板块之间的南华活动带中闽赣后加里东褶皱带西部(图1(b))[12],同时也是SN向万洋—诸广山隆起带、NW向常德—安仁岩石圈断裂、NE向遂川—热水断裂以及近EW向仙鹅塘断裂的交汇部位(即诸广山复式岩体中段)[13-14]。由遂川断裂及热水—关田断裂共同组成的地堑式断陷带共同控制了该地区,其中作为主要的控岩、控盆及控矿构造的遂川—热水断裂是一条走滑式剪切带,不同方向的线性构造又与其交织呈现出网状形态(图1),它们大体都呈NE向穿过研究区。区域内丰州盆地即是在该走滑断裂体系下形成的两侧为寒武系、中间为白垩—古近系的拉分盆地[15]。同时丰州盆地也是一个陆相残留红盆,属于火山作用后的塌陷式后红盆,盆地内存在的中生代酸性花岗岩杂岩体也证明,区内在中生代时期曾发生过强烈的异源岩浆活动,具有有利的铀成矿环境,区内的铀矿床及矿化点也主要分布于其边缘地区[16-17]。

图1 研究区区域地质特征Fig.1 Regional geological characteristics of the study area

区内的铀矿床类型主要为花岗岩型及花岗岩外带型,均属于中低温热液铀矿床,产铀岩体上多覆有以红色砾岩和砂砾岩为主的晚白垩世—古近纪陆相构造层,它们不整合覆盖于寒武系或花岗岩体之上[18]。其中,区内的铀矿体多产于印支期第二阶段及燕山早期第二阶段、第三阶段花岗岩内部及其外接触带的下寒武统香楠组和中寒武统茶园头组的浅变质岩地层中,具有多期多阶段特点[19]。

鹿井地区出露有震旦系、寒武系、奥陶系和白垩系以及古近系,其成矿温压、成矿热液来源、矿石物质组成、热液蚀变类型等均具有较好的一致性,铀成矿成因上属于双混合成因模式,具有多来源性[20-21]。同时区内岩浆活动频繁,出露面积占研究区1/2以上,从加里东期至燕山晚期均有岩浆侵位,以中酸性岩类为主,岩性主要为粗、中、细粒花岗岩、花岗斑岩、黑云母花岗岩和二云母花岗岩以及黑云母二长花岗岩,局部出露燕山期基性岩脉[18]。鹿井地区的区域地质特征如图1(a)所示。

2 方法技术原理及样品采集与分析测试方法

2.1 方法技术原理

地电化学法即为地电提取测量法,是结合地球物理和地球化学手段来提取地球化学信息进行找矿勘查与预测的一种方法[22]。其原理简述为:在原电池及电解池作用下,埋藏的矿化体会发生电化学溶解,使得离子发生迁移活动并在周围近地表的松散层产生离子成晕现象。这些离子虽经各种作用不断迁移,但却处在一个动态的平衡状态下,若是给予一个外加电场,离子的平衡状态就会被打破,离子会继续发生迁移。根据递推理论,这些反映深部矿化信息的离子之所以能够被放置在浅部的离子收集器收集到,是因为在外加电场作用下平衡被打破的离子发生迁移,土壤或近地表中靠近电极的离子在电极附近富集先进入离子收集器,其产生的空位由距离较远的离子迁移过来进行补充,距离较远的离子因此产生的空位则继续由距离更远的离子迁移过来进行补充,在这样依次递推下,深部矿体的矿化信息就可以通过离子源源不断地进入离子收集器从而被获取到[22-23]。

2.2 测线、测点布设与装置选取

桂林理工大学罗先熔教授团队于2019年在诸广山复式岩体的书楼丘花岗岩型铀矿床2号勘探线上布置了16个点(点距为40 m),进行了方法技术可行性试验;在鹿井研究区则采用矩形测网布局方式,布设了7条呈NW走向(132°)的采样测线,线点距为500m×100m(图1),采集了样品342件。采样装置均为团队研发的具有低电压、小电流、方便易携且提取效果好等优点的第三代低电压偶极地电化学提取装置。装置由电源和离子收集器组成,离子收集器由两个导电性能较好的圆柱形碳棒组成,其外裹有具有高吸附能力的无杂质高密聚醚型聚氨脂泡塑和滤纸,同时分别由导线连至电源,电源则采用9 V干电池进行供电。

2.3 野外样品采集与分析测试方法

野外样品采集采取手持GPS定点后进行采样。采样时在所定点位挖取两个间隔1 m左右、深度约30 cm至B层土壤的圆形坑,将离子收集器的阴阳两极分别置于两坑内并倒入提取液600 mL(一个点位共使用提取液1 200 mL)充分搅拌后复土掩埋,使用9 V干电池持续供电24 h后将离子收集器取出。拆下离子收集器上阴阳两极碳棒上所裹的泡塑,装入样品袋内密封并编号。

野外采集的泡塑样品均送至中国有色桂林矿产地质研究院测试中心进行分析,样品经湿法消解进行预处理后利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行元素分析[24-25]。 共分析元素 As、Co、Cu、Mo、Ni、Pb、Sb、Th、Ti、U、V、Zn 12种,测试元素含量均扣除本底值,各元素分析精度RSD均小于5%。

3 可行性试验研究

位于鹿井地区南部的书楼丘铀矿属于诸广山复式岩体的南体部分,是典型的花岗岩型铀矿床,与鹿井地区有着相似的岩浆活动以及构造环境。本着“由已知到未知”的原则,本研究通过在书楼丘铀矿床2号勘探线的已知剖面上布设采样点进行方法技术的可行性试验,将地电提取样品的元素含量分析后绘图进行了对比分析,结果如图2所示。

图2 书楼丘2号勘探线已知剖面地电提取综合异常特征Fig.2 Geoelectric extraction comprehensive anomaly characteristics of known section in No.2 exploration line of Shulouqiu

由图2可知:在已进行钻孔验证勘探工作的剖面区域范围内,地电提取的主成矿元素U以及与其相关性较强的Th、Pb元素的异常多反映在6～12号测点之间(图中虚线部分),其中峰值点在8号以及11号测点,与此同时Co、Ni、V、Ti等多元素均呈现出不同程度异常,异常的总体反映范围与隐伏矿体的赋存范围具有较高的吻合程度,示矿性较好。

值得说明的是Th元素作为U元素的衰变产物,具有相似的元素地球化学性质,因此可将两者联系起来,利用w(Th)/w(U)值在花岗岩岩性铀矿的勘查工作中进行辅助与参考[26]。学者们倾向于认为w(Th)/w(U)值是反映岩石中铀的存在形式以及铀活化难易程度一个重要的地球化学指标,将w(Th)/w(U)<3的花岗岩体视为铀成矿的有利岩体[27]。本研究采用w(Th)/w(U)值对地电提取的两元素数据进行比值计算与讨论。值得说明的是,在文中为使作图方便及异常凸显得更加直观,取w(Th)/w(U)值的倒数——w(U)/w(Th)值进行计算以及作图与评价,同理也可认为w(U)/w(Th)>1/3时的花岗岩体为铀成矿的有利岩体。通过图2可以看出,w(U)/w(Th)值的异常范围与下方已知矿体的赋存范围对应较好,同时图中反映其异常趋势的折线与U元素较为贴近。

综上所述,利用地电化学法寻找花岗岩型铀矿是可行且有效的,可以将其用于鹿井地区的隐伏铀矿找矿工作中。

4 找矿应用

4.1 鹿井地区地电提取单元素特征

在方法可行性试验的基础上,在鹿井地区的研究区内进行地电提取测量,利用数据处理软件SPSS25.0和Excel对分析所得的12种元素的含量数据进行处理与统计。除了对它们进行原始数据的参数计算外,通过“平均值+3倍标准差”的多次迭代计算使得它们符合正态分布,同时计算出数据迭代后的相应参数,结果见表1。

表1 鹿井地区地电提取各元素特征值统计Table 1 Statistics of eigenvalues of geoelectric extraction elements in Lujing area

元素的变异系数可以反映出元素的离散程度及迁移活动性规律,对元素的原始数据以及背景数据的变异系数Cv1、Cv2作图进行离散图解(图3),其中Cv1为元素地球化学场的相对变化幅度,Cv1/Cv2为背景拟合处理时对极值的削平程度。如图3所示,U元素的离散程度最大,表明其元素含量变化幅度较大,高强值数据点较多;其次可以看出Cu、Zn、As的离散程度紧随U元素,也展现了较大的变异性[28]。因此,U是研究区内成矿最有利的元素,Cu、Zn、As具有一定的成矿可能性。

图3 鹿井地区元素离散程度Fig.3 Degree of element dispersion in Lujing area

为更好地了解各元素在研究区内的分布特征,将迭代后的地电提取数据的均值作为背景值,按“背景值+n标准偏差”方法并结合鹿井地区地质条件对其进行异常范围计算,使用Suffer15.0软件绘制了平面异常图,如图4所示。

图4 鹿井地区地电提取单元素平面异常特征(单位:(×10-6))Fig.4 Single element planar anomaly features extracted from geoelectricity in Lujing area

由图4可知:研究区内有利的成矿元素U的地电提取异常较明显。其异常可分为两类:一类在鹿井附近,大致沿着寒武系基底和花岗岩边界的接触带呈线状分布;另一类异常主要位于花岗岩分布区域的集溪—界坑和高昔—下洞子4个区域之间的位置,由一条经过高昔的NNE向断裂与一条经过下洞子的NE向断裂所围限,该处异常位于两条断裂之间,范围均较大,呈面状分布。其最西侧为集溪村,根据采样点的位置分析,异常高值主要在两条断裂附近与次级断裂的交汇位置。同时研究区内Th元素异常虽然与U元素有一定的相似性,但位置却有较大偏移,异常规模也相对较小。其中一个较明显的异常位于集溪附近的测线上,与U元素异常位置相吻合,该处异常东侧出现两个较小的点状异常,3个异常点可能均与NNE—NE向断裂有关,可认为是同一个带状异常。通过Th元素的异常图也可发现,Th元素在寒武系基底地层范围内无异常出现,可认为Th元素在该区域内的含量低于岩体内部。

总体来说,研究区内各单元素的地电提取异常均分布在寒武系基底地层或其与花岗岩的接触带上,又或者是花岗岩区内不同方向和大小的断裂交汇处,各元素之间的地电提取异常平面分布特征差异较为明显。由于鹿井地区作为典型花岗岩型铀矿产区,且研究区内花岗岩出露较多,断裂构造发育,它们对成矿的控制作用不可忽略。

4.2 鹿井地区地电提取元素综合特征

使用数理统计软件SPSS25.0对分析所得的各元素的地电提取数据进行R型系统聚类与因子分析,来探究各元素之间的组合关系及综合特征。由于各元素的数据大小相差过多,最大值、最小值及均值之间多出现相差多个数量级的情况,因此为排除少数特高值点的数量级带来的影响,本研究在进行R型系统聚类与因子分析前对数据进行对数转换[29]。

4.2.1 R型聚类与R型因子分析

R型系统聚类分析可通过将相似性较高的元素通过算法加以聚类,从而凸显出其在成晕成矿作用下的聚合性及其之间的关系[30]。从分析所得的谱系图(图5)中可以看出,当元素相关距离系数为20时,元素聚类明显地呈现出3个组合:①Cu-Zn-Ni-Pb-VCo-Ti-As;②Mo-Sb;③U-Th。从元素的聚类过程中来看,①、②组元素分别聚类成组的距离小于第③组,同时①、②组元素组合同时包含了不同的高温、中温、低温成矿元素,反映出较为丰富复杂的信息,可能与湘赣地区铀成矿作用经历多期次演化有关[31-32]。

图5 R型系统聚类谱系Fig.5 Clustering pedigree of R-type system

在R型系统聚类分析的基础上对其进行了R型因子分析,在对数据进行因子分析适用性判别时,计算其KMO度量值为0.866,大于统计学学家Kaiser给出的KMO>0.6的度量标准,而Barlett球形检验的Sig相伴概率值为0,远小于0.05的显著水平标准值,说明通过检验可以证明能完全拒绝检验的零假设现象,数据内部存在一定的关联性,可进行后续的R型因子分析[33]。对初始因子的载荷矩阵使用最大方差法进行重新分配,使得相关系数的绝对值向区间(0,1)的两段分化,因子分析结果见表2[34]。

表2 鹿井地区地电提取元素正交因子旋转载荷矩阵Table 2 Orthogonal factor rotation load matrix of geoelectric extraction elements in Lujing area

由表2可知:研究区内主因子收敛较快,累积贡献了71.301%的方差值,反映了相对集中的元素信息[35]。以因子载荷值的绝对值大于0.5为基准可将元素划分为3个元素组合。

F1元素组合为Co-Ni-Cu-Pb-Zn-V-Ti,方差贡献率最高,为33.385%。F1元素组合的组成较为复杂,同时包含了高、中、低不同温度的成矿元素。同为铁族元素的V、Ti、Co、Ni,均可反映地球深部的碱性岩浆活动信息,其中V、Ti元素均具有较强的亲氧性,其在基性岩浆岩中含量最高,在碱性岩浆溶体中因较高浓度的碱金属,可形成携带稀土元素和铀的钛酸盐矿物,而Ti元素在花岗岩中又多赋存于花岗岩内的黑云母中。V元素虽在热液中不富集,却在一些热液矿脉的脉石矿物如磷灰石中含量很高,在高温条件下磷灰石也可对铀的富矿化产生影响。同为亲硫元素的Co、Ni元素在岩浆作用过程中有着许多相似之处,均在岩浆结晶的早期阶段随着热液迁移富集,而后当温度或其他条件改变时发生沉淀[32]。此外,组合中的Cu-Pb-Zn元素是易形成硫化物的中低温亲铜元素,在一定程度上反映了酸性岩浆活动。总体来说,F1组合在一定程度上代表了区域内的酸性岩浆活动和碱性岩浆活动,两者交替进行,较为频繁的构造活动和多期次的岩浆活动,为区内多期次成矿提供了良好的地质条件,这也与鹿井地区的大地构造环境相吻合[31]。

F2元素组合为 U-Th-Pb-V,方差贡献率为19.969%。U元素和Th元素同为放射性的亲石元素,Th元素常是U元素的衰变产物,在岩浆作用中两者也常具有相似的地球化学性质。牟保磊[32]通过对比前苏联学者维多格拉多夫在1962年调查的各类岩浆岩中铀元素的含量,发现从超基性岩到酸性岩铀含量大幅增加,从而表明铀在岩浆结晶的早期无法从岩浆中析出,热液阶段的U和Th都可高度富集,但Th一般集中在高温热液阶段沉淀,U则在中低温阶段沉淀[32]。在F1组合中的Pb、V依然出现在F2元素组合中,说明区域内酸性岩浆活动和碱性岩浆活动交替进行的频繁,且温度也在不断变化,为区内U沉淀创造了有利条件。

F3元素组合为 Mo-As-Sb,方差贡献率为17.947%。在元素地球化学分类中,Mo元素是高温元素,其在420℃以上活动性较大,可随着热液进行迁移富集,但当温度降低或其他条件改变时就会发生沉淀[36]。As与Sb作为亲铜元素,均是低温元素,As是热液成因硫化物矿石的代表元素,而Sb的热液硫化物矿床也常与花岗岩有关,因此可推测F3组合反映了区内成矿热液流体的温度变化趋势以及热液活动范围。

通过对比R型系统聚类和因子分析结果,可发现R型系统聚类分析得出的3组元素组合Cu-Zn-Ni-Pb-V-Co-Ti-As,Mo-Sb和U-Th与R型因子分析所得出的3组元素组合F1(Co-Ni-Cu-Pb-Zn-V-Ti),F2(UTh-Pb-V)和F3(Mo-As-Sb)大体一致,均反映了研究区内复杂频繁的构造活动以及多期次构造岩浆活动为区内铀成矿提供了良好的地质条件。

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4.2.2 元素综合特征

衬度值是元素的原始数据与其均值的比值。衬度异常法具有强化弱异常、突出多元素套合异常等优点,为更加直观地了解元素的综合特征,本研究在因子分析结果的基础上使用该方法,并利用Suffer15.0软件绘制了元素综合异常图[37-38],如图6所示。

图6 鹿井地区地电提取元素综合异常及w(U)/w(Th)分布特征Fig.6 Distribution characteristics of the comprehensive anomaly and w(U)/w(Th)of geoelectric extraction elements in Lujing area

由图6可知:F1(Co-Ni-Cu-Pb-Zn-V-Ti)元素组合异常集中在集溪—界坑以及下洞子附近区域,同时在寒武纪基底与花岗岩区域边界的接触带附近也有出现,异常分布主要与断裂等构造紧密相关。中生代时期的诸广山地区由于太平洋板块发生了强烈的俯冲挤压及拉张作用,区域内的岩浆活动频繁强烈,同时形成了多组NE向的伸展断陷构造带,它们也控制了白垩纪盆地以及燕山期的一系列岩浆活动[20,39]。F1元素组合内包含了酸性岩浆活动及碱性岩浆活动的代表元素,结合图6异常分布特征,可反映出在中生代的大规模岩浆—构造活动中,岩浆活化并产生了运移与沉淀;同时这次构造活动中,区内的酸性岩浆活动和碱性岩浆活动可能存在多期次交替进行情况,异常分布地区是成矿的有利场所。

图7 找矿靶区预测结果Fig.7 Prediction results of prospecting target areas

F2(U-Th-Pb-V)元素组合异常主要分布在集溪—界坑和下洞子—高昔两处,同时在白垩—古近系红盆与花岗岩区接触带附近的鹿井区域也有异常出现。该组元素组合主要反映了区内主成矿元素的沉淀作用,异常区域内主要出露岩性为中三叠世黑云母二长花岗岩,而黑云母是花岗岩中广泛分布的高铀含量的成矿元素载体矿物,有利于岩浆活动过程中铀元素的富集与存储[40-41]。从图6中可以看出,F2与F1两组元素组合的异常位置重合性较高,同时其所在位置断裂丛生,河流较为发育,构造条件均良好,因此该组元素异常的分布地区也为U富集沉淀的最优地区。

F3(Mo-As-Sb)元素组合的异常主要分布在研究区内的寒武纪基底与白垩—古近系红盆的接触部位,在下洞子—高昔附近也有小面积分布。F3元素组合在一定程度上反映出了热液元素成矿作用,Mo为高温钨钼族元素,常富集在花岗岩类的浅色矿物中,同时As和Sb也大量存在于硫化物矿物中。表明区内异常不仅有低温热液参与,高温热液与硫化物成因矿物也提供了良好的热源与物源条件。

与此同时,将本次鹿井地区地电提取工作中的U、Th元素含量进行w(U)/w(Th)比值计算及作图后,可看出w(U)/w(Th)值异常在研究区内主要分布于集溪—界坑以及下洞子—高昔附近。将其与地电提取的U单元素异常(图4)以及F2(U-Th-Pb-V)元素组合异常(图6)进行对比,可发现3组数据的异常平面分布位置高度重合,异常分布地区断裂构造发育,异常区域内出露的岩性大部分为中三叠世黑云母二长花岗岩,该两处为铀成矿的有利区域。

5 成矿靶区预测

根据研究区内地电提取元素F1、F2、F33组元素组合的衬度异常套合情况以及U单元素、w(U)/w(Th)值的异常平面分布特征,同时综合研究区内的控矿与成矿地质条件等因素,按等级高低依次圈定出了 A、B、C 3处找矿靶区,如图7所示。

(2)B靶区。该靶区位于研究区中部下洞子区域,面积约0.8 km2。区内主要出露岩性为中三叠世黑云母二长花岗岩,受多条NE向断裂影响。靶区内成矿地质条件良好,其岩浆侵入与构造演化活动与A靶区类似,始于印支期,经多期多阶段岩浆构造活动影响,铀成矿物质来源充足,同时广泛分布的断裂也为成矿热液的运移与富集提供了场所。本研究地电提取的 F1、F2、F33组元素组合异常在此处套合程度较好,高值区主要分布在下洞子两侧;U单元素异常在此处面积较大,w(U)/w(Th)值异常在此区域虽有显示但呈分散分布,结合此地区的良好构造条件,以及U单元素和w(U)/w(Th)值异常的高重叠性,此处可作为寻找铀矿化体的优势地区。

(3)C靶区。该靶区位于研究区西侧寒武纪基底和花岗岩分布区的接触部位,面积约0.46 km2。靶区内分布的多条NE向断裂,以及存在于寒武纪基底和花岗岩分布区的接触部位的蚀变带反映了区内较好的构造条件,同时区内出露的中三叠世黑云母二长花岗岩和晚侏罗世黑云母花岗岩也说明,区内自印支期至燕山期产生了频繁的岩浆活动。地电提取的各元素的组合异常在靶区内出现了一定程度的套合,但U单元素和w(U)/w(Th)值异常的面积均不大且高值异常分布不连续,考虑到靶区内的成矿地质条件较好,此地存在一定的成矿可能性,因此可作为C类靶区来考虑开展工作。

6 结 论

(1)通过在研究区南部书楼丘铀矿床2号勘探线的已知剖面进行方法可行性试验研究,发现在隐伏矿体的分布范围上方出现了清晰的地电提取异常,表明在鹿井地区利用地电化学法寻找隐伏铀矿是可行且有效的。对研究区内地电提取样品分析测试所得As、Co、Cu、Mo、Ni、Pb、Sb、Th、Ti、U、V、Zn 12种元素含量进行了统计学特征统计、元素离散图解和单元素平面异常分析,发现U在区内成矿潜力最大。

(2)经过R型聚类分析和R型因子分析后,将地电提取的元素分为F1(Co-Ni-Cu-Pb-Zn-V-Ti)、F2(UTh-Pb-V)、F3(Mo-As-Sb)3组元素组合;在衬度值计算后对其进行组合异常平面分布分析,发现F1与F2两组元素组合异常套合程度最好,它们与铀成矿关系最为密切,同时w(U)/w(Th)>1/3的异常分布对于寻找铀矿有重要的参考价值。

(3)根据地电提取元素的3组元素组合的衬度异常套和情况以及U单元素、w(U)/w(Th)值的异常平面分布特征,并结合控矿与成矿地质条件等因素,共圈定出 A、B、C 3处找矿靶区,其中A靶区成矿地质条件优良,为寻找隐伏铀矿的最佳地区。

致 谢

核工业北京地质研究院提供了部分图件与资料,在此表示感谢!