铅同位素特征值示踪方法在鹿井铀矿田的应用

韩娟，刘汉彬，张建锋，张佳，李军杰，金贵善，石晓

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

铅（Pb）有4种稳定同位素，分别是204Pb、206Pb、207Pb 和208Pb，其中204Pb 为非放射性成因；206Pb和207Pb分别是铀（238U、235U）放射成因子体同位素；208Pb 是钍（232Th）的放射成因子体同位素。

铀矿化蚀变作用使成矿蚀变断裂带中的铀（往往伴有钍矿化）含量（原生晕）增加，放射性衰变作用致使蚀变带内放射性Pb同位素组成也相应增大。Pb化学性质稳定，能保存其母体铀矿化信息，可以利用Pb 同位素组成比值的异常特征指导铀矿勘查［1］，避免风化淋滤作用导致的U在地表土壤的迁移形成假异常或信息弱不宜探测的不足。

同位素206Pb 和204Pb的比值（206Pb/204Pb）和不同比值大小可用来进行铀矿勘查［1］。在以往利用Pb 同位素比值方法找矿中，忽略了时间序列和成矿时代的长短会造成Pb 同位素组成的明显差异，也无法分辨出与成矿类型密切相关的区域性铀、钍含量对206Pb、207Pb 和208Pb 组成的综合效应［2］。为消除时间因素对Pb 同位素组成的影响，并综合区域性Pb 同位素组成特征，20 世纪90 年代朱炳泉［2］根据Pb 同位素组成在α、β、γ（分 别为206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb）三维空间数据最大展布面的拓扑投影，获得Pb 同位素特征值V1和V2（或称为Pb 同位素三维空间拓扑投影特征值）。它们可以综合反映由于壳、幔演化及成矿作用过程所造成的Pb 同位素组成的差异，为Pb同位素方法应用于化探找矿提供了理论依据，建立了Pb 同位素特征值示踪方法。以Pb 同位素特征值为基础，常向阳等［3-4］、崔学军等［5-6］相继对隐伏铜、金矿床开展了Pb 同位素系统剖面化探研究，并进行矿体深度和矿量的预测评价，取得了显著的应用效果。

近10年来，Pb同位素特征值示踪找矿方法在南方热液型铀矿勘查中得到研究和应用，从试验阶段逐步应用于铀矿床的勘查，并且得到发展，成为一种新的热液型铀矿示踪找矿方法［7-8］。本文对该方法的取样方法、样品处理及分析、数据处理等进行了较为系统的研究。应用结果表明，该方法明显提高了异常的分辨率，具有高灵敏度的特点，相比于Pb 同位素组成比值法变化范围小的特性，该方法更有利于识别出矿化异常范围。为适应深部隐伏铀矿体找矿需要［9-11］，本文利用该方法在鹿井铀矿田鹿井矿床、沙坝子矿床及外围开展了Pb 同位素特征值示踪法研究。

1 地质概况

鹿井铀矿田位于湖南省汝城县与江西省崇义县接壤部位，大地构造位置属华南活动带华夏褶皱带武功-诸广断隆区诸广山岩体西部外接触带，为南岭东西向铀成矿带的组成部分。

鹿井铀矿田出露主要地层为寒武系浅变质碳硅泥岩及白垩系红色砂砾岩。矿田北部为白垩纪盆地分布区。矿田内岩浆活动强烈，褶皱断裂较为发育，褶皱轴向以北西、北东向为主，北部有区域性北东向遂川断裂通过，东南部为北东向热水断裂的北段。铀矿化受岩体接触带、地层层位、岩性组合搭配、断裂破碎带等诸多因素控制，主矿体明显受断裂带控制［12］。该矿田目前勘探探明的矿体埋深一般在0～500 m，垂幅达500 m左右（图1）。

2 Pb 同位素特征值示踪方法原理

Pb 同位素包括204Pb、206Pb、207Pb、208Pb 四个稳定同位素，它们的丰度因样品而异。204Pb 没有放射性母体，仍保持在地球形成时的数量。206Pb、207Pb、208Pb 分别由天然放射性同位素238U、235U、232Th，即铀系、钍系和锕系衰变而成［14］。

放射性衰变关系为：

由于同位素组成的变化较小，为了明显地显示样品同位素组成的变化程度，常用相对千分偏差值来表示。样品测定的Pb 同位素比值α（206Pb/204Pb）、β（207Pb/204Pb）、γ（208Pb/204Pb）与同时代地球原始Pb 同位素相对千分偏差值（Δα、Δβ、Δγ）可按以下公式计算：

式中α、β、γ为样品Pb 同位素206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb的测定值，α0（t）、β0（t）、γ0（t）为同时代原始地幔相应Pb 同位素比值，t为成矿时代，本文采用132 Ma。

按照地幔增长线公式计算不同时代地幔Pb 同位素组成［15］，计算时，地 幔μ ＝7.8，232Th/238U＝4.04，地球的年龄取4.56 Ga，原始Pb同位素组 成206Pb/204Pb＝9.307、207Pb/204Pb＝10.294、208Pb/204Pb＝29.476。

应用Pb 三种同位素组成三维拓扑投影计算方法可以区别具有不同意义的地质作用，并避免平面坐标投影产生的重叠现象。

中国大陆Pb 同位素在Δα、Δβ、Δγ三维空间分布总体上形成平面分布，可以用以下方程来表达回归平面：Δγ＝a+bΔα+cΔβ，其中a≈0，b≈2.0367，c≈-6.143，这是Pb 同位素分布的最大展布面［2］。

将数据投影在的最大展布面上可计算出各个样品Pb 同位素数据的投影点坐标值表达式为：

式中Δαp、Δβp、Δγp分别为Pb 同位素投影再最大展布面投影点的坐标值。

在回归平面上建立二维坐标系（V1、V2），则坐标值为：

从上述Pb 同位素特征值V1、V2计算方法可以看出，该方法在利用Pb 同位素进行比较时消除了时间因素的影响，并综合考虑了3 个同位素的空间关系，既反映了Pb 同位素组成的区域性和铀矿化造成的变化特征。

V1的大小与铀（238U）、钍（232Th）含量密切相关，V2的大小主要取决于铀（235U）含量高低。因此，可以根据Pb 同位素特征值对是否具有铀矿化现象作出判断。一般地，通过下列几种关系判断Pb 同位素特征值与矿化现象之间的关系：

1）V1异常、V2值低，具有铀、钍矿化；

2）V1异常、V2异常，具有铀矿化，钍矿化不明显；

3）V1值低、V2异常，铀、钍矿化都不明显；

4）V1值低、V2值低，铀、钍矿化都不明显。

总体上，Pb 同位素特征值V1具有异常的地段存在铀矿化的可能性较大，V1可作为评价铀矿化作用的主要技术指标。

需要说明的是，因Pb 同位素特征值V1、V2值是一种投影后的坐标数据，有时会出现负值的现象。

3 Pb 同位素特征值法示踪试验

为验证Pb 同位素特征值示踪方法的有效性，本文在鹿井矿床西南部43 号已知钻孔剖面进行有效性试验，该剖面长度为750 m，取样点距为25 m，样品数为31 个。样品主要为土壤和风化岩石。

对样品进行预处理后，利用热电离质谱法进行204Pb、206Pb、207Pb、208Pb 四个Pb 同位素组成（原子数百分比）分析。按照Pb 同位素特征值计算，经过数据处理（表1），该条剖面样品Pb同位素特征值V1最小值为3.3，最大值为219.6，平均值为90.7。

表1 鹿井矿床43 号剖面样品Pb 同位素特征值V1及异常衬度Table 1 Pb isotopic composition characteristic value V1 and abnormal contrast of samples from Profile No.43 in Lujing deposit

Pb 同位素特征值概率分布型式是确定背景和异常的理论依据。本次研究首先确定其分布是否基本上服从正态分布，若呈正态分布则采用累积频率展直线图解法，确定Pb 同位素特征值的背景值和异常值，异常衬度为异常值与背景值之比。

图2 为鹿井矿床43 号剖面Pb 同位素特征值V1分布区间和累积概率分布统计，经统计检验，Pb同位素特征值V1基本服从正态分布。因此，在正态概率格纸累积频率直线上，累计频率50%和84.1%分别对应的横坐标为Pb 同位素特征值V1的背景值（μo）和异常下限值（μo+δ）。鹿井矿床43 号剖面Pb 同位素特征值V1的背景值为75，标准偏差为45，其异常下限值为120。

图2 鹿井矿床43 号剖面样品Pb 同位素特征值V1分布区间和累积概率分布Fig.2 Histogram and cumulative probability of Pb isotope characteristic value V1 of samples from Profile 43 in Lujing deposit

鹿井矿床43 号剖面样品Pb 同位素特征值V1异常点主要呈3 个异常段分布，且主要分布在剖面的两侧（图3）。

图3 鹿井矿床43 号剖面Pb 同位素特征值V1曲线面图Fig.3 Profile of Pb isotopic composition characteristic value V1 of samples from Profile 43 in Lujing deposit

第1 个异常段由L43-1、L43-2、L43-3、L43-6 号点组成，特别是L43-6 号点，为该剖面Pb 同位素特征值V1最大异常点，该点V1异常衬度达1.8，点位与F2断裂位置相对应。

第2 个异常段由L43-23 号点单点组成。该异常点位置位于剖面中部区域性硅化断裂带QF2与隐伏含矿断裂交汇的部位。

第3 个异常段由L43-27、L43-29 号点组成。该异常段2 个异常点相对连续，位置与剖面F14含矿断裂位置相对应。

43 号剖面所处位置为寒武系变质岩与燕山期花岗岩接触部位，F2断裂既切穿变质岩又切穿花岗岩，矿体主要分布在断裂带内或与断裂相关的裂隙位置，Pb 同位素特征值方法能明显地区分出含矿断裂蚀变带位置，说明该方法是一种有效的隐伏铀矿体示踪方法。

4 区域测量评价

本次研究主要在鹿井矿床和沙坝子矿床及外围进行Pb 同位素特征值示踪研究，研究目的是划分出有利成矿区域。

4.1 鹿井矿床及外围

在鹿井矿床及外围，设计A1 至A6 和B1、B2 共8 条剖面，每条剖面长3.6 km。A1 至A6测线取样点距为100 m，B1、B2 测线取样点距为50 m，线距为500 m，由于受河流等地貌条件的限制，一些设计采样点未能采到样品，实际完成土壤及风化岩石取样点数为340 个（图4）。

图4 鹿井矿床及外围取样位置及V1异常点分布图Fig.4 Distribution of sampling location and V1 anomalies in and around Lujing deposit

8 条剖面340 件样品的Pb 同位素特征值V1的平均值为112.8，最大值为3 163.7，最小值为1.8。同样也利用正态分布特征来研究Pb 同位素特征值V1的分布特性，确定该测区Pb 同位素特征值V1的背景值和异常值（图5）。

图5 鹿井矿床及外围样品Pb 同位素特征值V1分布区间和累积概率分布Fig.5 Histogram and cumulative probability of Pb isotope characteristic value V1 of samples in and around Lujing deposit

经统计，该测区Pb 同位素特征值V1的背景值为85，标准偏差为50，异常下限值为135，根据异常下限值确定异常点数为85 个。

在异常评价时，V1异常等级分为3 类：I 类异常，大于背景值加3 倍的标准偏差；II 类异常，大于背景值加2 倍的标准偏差，小于背景值加3 倍的标准偏差；III 类异常，大于背景值加1倍的标准偏差，小于背景值加2 倍的标准偏差。根据V1异常相应的异常衬度（V1衬）大小来划分异常 类别：I 类异常，V1衬≥1.7；II 类异 常，1.4≤V1衬＜1.7；III 类异常，1.0＜V1衬＜1.4（表2）。

表2 鹿井矿床及外围样品Pb 同位素特征值V1异常点统计Table 2 Statistics of abnormal Pb isotope characteristic value V1 in and around Lujing deposit

鹿井矿床及其周围测区内85 个异常点约占所有测点数的20%。其中，I 类异常点3 个，II 类异 常点19 个，III类异常点63 个。在对 异常点异常分类评价基础上，对每条测线上的I、II类异常点做了标注，并结合III 类异常点分布，圈定出异常的大致分布范围（图4）。测区内8条测线评价如下：

1）B2 号测线：测线有43 个异常点，整条测线异常点相对较多，占整个测区异常点的一半，异常点主要为III类异常，说明该条测线所在断裂带及裂隙位置隐伏矿化可能性较大；

2）B1 号测线：测线有23 个异常点，异常点相对连续的异常段在集溪附近，其他异常点分布受北东向断裂带控制。3 个I 类异常点都在B1、B2号测线上，也说明两条测线异常强度相对较大；

3）A1 号测线：测线没有异常点出现；

4）A2 号测线：测线有4 个异常点，测线异常点相对较少，主要分布在北东向断裂带附近位置，其中，A2-4 号样品点在鹿井矿床位置附近，显示出异常；

5）A3 号测线：测线有A3-44 号和A3-70 号2个异常点，测线异常点相对较少，A3-44 号异常点分布在下洞子矿床附近，A3-70 号异常点分布在北东向硅化断裂带附近位置；

6）A4 号测线：测线有6 个异常点，测线异常点相对较少，主要分布在鹿井矿床附近；

7）A5 号测线：测线有3 个异常点，测线异常点相对较少，A5-52 和A5-60 号2 个异常点分布在高昔矿床附近，即在北东向硅化断裂带附近位置；

8）A6 号测线：测线有3 个异常点，测线异常点相对较少，其中，A6-24 异常点分布在北东向断裂带附近位置，A6-48 号异常点分布在高昔矿床附近，A6-70 号异常点分布在寒武系地层与文英花岗岩岩体接触带位置。

从整个测区的角度进行异常点的地质解释，清楚地圈定出4 片面积相对较大的异常区，异常点所在的面积大概在20%左右：

①号异常区：该异常区位于A2—A4 测线之间，在鹿井矿床附近。异常点的分布可能与北东向BF4断裂带有关，该断裂带发育有靡棱岩化角砾岩，并充填石英脉，热液蚀变作用较强；

②号异常区：该异常区也位于A2—A4 测线之间，在下洞子矿床附近。异常点的分布可能与北东向BF6断裂带有关，该断裂与近北西向BF1断裂相交；

③号异常区：该异常区位于A3—A6 测线之间，在高昔铀矿床附近。异常点的分布可能与北东向QF2区域硅化断裂带有关，该断裂带充填白色块状石英，并且有灰色玉髓和浅绿色萤石。断裂带有分支且形态复杂，局部地段有铀矿化，致使Pb 同位素特征值V1出现异常现象；

④号异常区：该异常区位于B1—B2 测线之间，在集溪及其西南方向。异常点分布主要受北东向断裂BF6、BF2、BF3三条断裂带位置，由于这两条测线都穿过了上述主要断裂带，因此，测线出现的异常点相对较多，且测区出现的3 个I类异常点也在本异常区内，异常点异常强度相对较高。

在对8 条剖面单独评价的基础上，进行了鹿井矿床地表土壤Pb 同位素特征值V1等值线圈定（图6）。

图6 鹿井矿床及外围土壤Pb 同位素特征值V1等值线图Fig.6 Contour map of characteristic value V1 of Pb isotope of soil in and around Lujing deposit

从Pb 同位素特征值V1等值线分布来看，V1异常范围主要分布在测区内北东-南西向构造带附近，在高昔、下洞子、鹿井矿床附近有V1异常显示。

特别指出，在测区西南部V1异常分布较明显，这主要是由于断裂（含矿化点）引起，该地段具有隐伏铀矿体可能性很大。该区段异常点的异常衬度也相对较高，在异常带及其附近位置为重点成矿预测部位。

从本次勘查结果来看，测区内集溪-界坑附近的V1异常没有圈闭，由于该地段异常值相对较大，仍需要进一步开展地球化学勘查工作，对异常分布范围及趋势进行综合研究，以便做出反映该地区地质成矿条件的合理评价。

4.2 沙坝子矿床及外围

沙坝子矿床位于鹿井铀矿田的西北部，在沙坝子矿床及外围设计L0 至L7 共8 条测线（图7），点距为50 m，L0、L1、L2、L3 四条测线的线距为300 m，L4、L5、L6、L7 之间线距为400 m，测线长2 000 m，测量面积约为4.8 km2，实际取样点320 个，并进行了Pb 同位素组成测试分析。

图7 沙坝子矿床及外围取样位置及V1异常点分布图Fig.7 Distribution of sampling location and V1 anomalies in and around Shabazi deposit

通过计算Pb 同位素特征值V1，并对V1的背景值和异常下限值进行了统计（图8），测区Pb 同位素特征值V1的背景值为120，标准偏差为50，异常下限值为170。根据异常下限划分出异常点，并计算各个异常点的衬度，按照异常衬度的大小再将异常点分为3 类：I 类异常，V1衬≥1.6；II 类异常，1.3≤V1衬＜1.6；III 类异常，1.0≤V1衬＜1.3（表3）。

图8 沙坝子矿床及周围样品Pb 同位素特征值V1分布区间和累积概率分布Fig.8 Histogram and cumulative probability of Pb isotope characteristic value V1 of samples in and around Shabazi deposit

表3 沙坝子矿床及外围样品Pb 同位素特征值V1异常点统计Table 3 Statistics of Pb isotope characteristic value V1 and anomalies in Shabazi deposit and the peripheral area

沙坝子矿床及外围共有异常点63 个，其中，I 类异常点1 个，II 类异常点12 个，III 类异常点50 个。在对异常点评价基础上，对每条测线上的异常点做了标注，并圈定出异常的大致分布范围（图7）。测区内各条测线评价如下：

1）L0 号测线：测线有L0-36、L0-37、L0-37、L0-40 号4 个异常点，都分布在测线北端梨花开矿床附近位置；

2）L1 号测线：测线有12 个异常点，两段异常点相对连续，一段异常在测线中部，位置在龙头矿床附近，另一段异常分布在测线北端，与梨花开矿床的位置相对应。其中，L1-31 号异常点是测区内唯一的I 级异常评价点，处于近北东向断裂F1和近北西向断裂F2交汇部位，反映出该部位断裂具有隐伏铀矿化可能性大，也证明了方法的有效性；

3）L2 号测线：测线有15 个异常点，异常段主要分布在测线北端，位置在龙头矿床与梨花开矿床东侧，该段异常相对连续，说明在该地段矿化作用较为强烈，该部位裂隙带可能含有隐伏铀矿化；

4）L3 号测线：测线有6 个异常点，分别为L3-1、L3-8、L3-25、L3-31、L3-39、L3-40 号，除北端的L3-39、L3-40 号两点连续分布外，其他异常点分布分散；

5）L4 号测线：测线有1 个异常点；

6）L5 号测线：测线有13 个异常点。异常点相对连续形成异常段，异常段在测线中、北部，位置在沙坝子矿床与大陡壁矿床之间，清楚地反映出两个矿床的所在位置；

7）L6 号测线：测线有7 个异常点，其中L6-27、L6-28、L6-30 号3 个异常点分布相对连续形成异常段，该异常段在沙坝子矿床的东部，分布在北西向断裂带附近；

8）L7 号测线：测线有5 个异常点，异常点在测线上分布分散。L7-1 号异常点主要在F26号断裂带附近，L7-31 号异常点主要在北西向断裂带附近。

从整个测区的角度进行异常点的地质解释，清楚地圈定出3 片面积相对较大的异常区，异常点所在的面积大概占10%左右：

i 号异常区：该异常区位于测区西北部，包含了龙头、梨花开2 个铀矿床，龙头、梨花开、纸厂矿床或矿化点主要位于北西-南东向F23断裂与北东向F1断裂、F1断裂与北东东向F2等断裂交汇部位；

ii 号异常区：该异常区内包含了沙坝子矿床和大陡壁矿床。异常主要围绕北西-南东向断裂分布，显然该异常区内F23号断裂及其他北西-南东向断裂是重点含矿断裂；

iii 号异常区：该异常区的L1、L2、L3、L6、L7测线的南端都有异常点，这些部位分布在北西向F26断裂带附近，因北西向层间断裂是主要控矿和含矿构造，因此，这些异常点分布位置也应当引起重视。

需要说明的是，本测区内规模较大的层间硅化带都没有出现异常点。这一点与鹿井矿床及其外围测量结果有不同之处，说明该期热液蚀变没有伴生明显的矿化作用。

同时，为了解测区内Pb 同位素特征值V1总体分布趋势，对Pb 同位素特征值V1编制了平面等值线分布图（图9）。

图9 沙坝子矿床及外围土壤Pb 同位素特征值V1等值线图Fig.9 Contour map of characteristic value V1 of Pb isotope of soil in and around Shabazi deposit

Pb 同位素特征值V1等值线异常区域主要分布在测区的西北部龙头矿床-梨花开矿床之间、中东部沙坝子矿床-大陡壁矿产地之间、陷牛地硅化带南部近东西向F26断裂带位置。V1等值线异常面积约占测量面积的10%，异常分布趋势的控制因素也主要受到断裂的控制，与测点评价结果较为一致。

从上述讨论可以看出，鹿井铀矿田中鹿井矿床和沙坝子矿床及外围Pb 同位素特征值V1的背景值和异常下限不同。鹿井矿床及外围Pb 同位素特征值V1背景值为85，异常下限值为135，沙坝子矿床及外围Pb 同位素特征值V1背景值为120，异常下限值为170，沙坝子矿床相对较高，这可能与矿化蚀变程度和范围有关。鹿井铀矿田位于扬子地体与华南地体的接触部位，据中国大陆矿石铅Pb 同位素省的划分结果［2］，55＜V1＜85。与该数据相比，鹿井铀矿田V1异常下限值显著增高，说明该矿田具有富U、Pb 特征，为铀成矿奠定了物质基础。鹿井铀矿田伽马能谱、地气、土壤210Po 和土壤天然热释光4 种放射性勘探方法铀矿化信息表明，矿田西南方向一带具有较大成矿潜力，集溪、界坑地区可能存在因埋藏较深而异常被掩盖的隐伏铀矿体［16］。因此，鹿井铀矿田具有较好的找矿潜力。

5 结论

通过在鹿井花岗岩型铀矿田鹿井矿床已知43 号剖面Pb 同位素特征值示踪方法试验和鹿井、沙坝子矿床及外围区域勘查研究，取得如下认识：

1）鹿井铀矿田鹿井矿床43 号剖面示踪试验结果表明，Pb 同位素特征值示踪方法能够区分出含矿断裂蚀变带位置，是一种厚层土壤覆盖区隐伏铀矿体有效的热液型铀矿勘查方法，对追索矿化分布范围起到重要作用；

2）依据Pb 同位素特征值示踪方法，在鹿井矿床及外围圈定出4 片重点成矿预测区，其中3 片在鹿井矿床、下洞子矿床、高昔矿床周围，1 片在集溪周围呈北西-南东向分布，且异常范围较大，应引起重视。沙坝子矿床及外围圈定出3 片重点成矿异常区，其中2 片在龙头、梨花开矿床和沙坝子、大陡壁铀矿床附近，1 片在南部F26断裂带附近。Pb 同位素特征值异常区的划分为勘查重点找矿有利预测区段提供了参考依据，可根据Pb 同位素特征值异常信息，开展其他勘查方法的补充、验证、研究工作。