砂岩铀矿床上氡及其子体异常成因.pdf

第 30卷第 3期物?探?与?化?探Vo.l 30,No.3?2006年 6月GEOPHYSI CAL&GEOCHEM ICAL EXPLORAT I ONJun.,2006?砂岩铀矿床上氡及其子体异常成因李必红,刘庆成,邓居智,张志勇(东华理工学院,江西 抚州?344000)摘 要:分析了砂岩型铀矿床上氡及其子体异常特征及其形成的机理,介绍了砂岩型铀矿床上氡及其子体经?衰变后产生的?粒子的反冲现象、团簇理论和自然电场,分析了砂岩铀矿床的地质特点、U?Ra平衡、磁化率、自然电位的变化等,对砂岩铀矿勘查的氡及其子体异常解释有一定的指导意义。关键词:砂岩铀矿;氡及其子体;异常成因中图分类号:P631?文献标识码:A?文章编号:1000-8918(2006)03-0207-03?随着核工业的迅速发展,特别是核电站的兴起,加速了对核原料的需求,促进了铀矿找矿工作的发展。砂岩铀矿具有品位低、储量大、开采效益高的特点,已成为当今世界铀矿找矿领域的主攻类型之一,也是我国近期铀矿床勘查工作的主攻方向和工作重点。砂岩铀矿按成因和产出环境可分为层间氧化带型和潜水氧化带型,这类铀矿床上有较厚的盖层 1,开展氡及其子体测量效果明显,但对砂岩铀矿床上氡及其子体异常成因的解释还是各持其说,有必要对其探讨研究。1?地质特点砂岩型铀矿是一种水成铀矿,所谓水成铀矿是指铀以水为介质,经过溶解、迁移、沉积和富集所形成的矿床。砂岩铀矿床是指含矿主岩为砂岩的后生矿床,主要产于中、新生代盆地地层中的层间氧化带、潜水氧化带或古河道中,矿化受层位控制,在成因上属成岩?后生型,多属隐伏盲矿床,产状比较平缓,一般倾角为 10?以下。中新生界地层的密度值一般为 2.3 2.36 g/c m3,磁化率一般小于 1.3?10-3SI,电阻率为几到几十?m,为较稳定的低阻层 2。铀矿物通常呈细小颗粒,占据砂岩空隙空间。砂岩中有些铀矿体可以被后期再次作用所改造,例如深部构造变形、水热活动以及硫化物氧化作用等。铀矿床形态主要表现为卷状和板状,且每种形态都与受地下水渗透成矿作用控制的地球化学过程有关 3。从泥岩到砂岩,自然电场由大变小;自然电位在氧化带表现为正异常,还原带表现为负异常;砂岩铀矿床正上方多呈现放射性低异常场。2?氡及其子体异常特征铀矿勘查中,氡及其子体是指222Rn、218Po、210Po图 1?吐哈 15勘探线土壤天然热释光测量剖面收稿日期:2005-10-24物?探?与?化?探30卷?等,它们主要发生?衰变。砂岩铀矿床氡及其子体异常表现出的规律与在油气田上表现的规律相似,在矿体正上方表现为放射性低场,矿体两端表现为放射性相对高场,氡及其子体测量曲线在成矿位置的两端表现为异常高值,矿体对应的地面区段为相对低值。图 1是新疆吐哈 15勘探线土壤天然热释光实测量剖面 1。该砂岩铀矿床处于层间氧化带发育良好、铀矿化好的区段,铀矿体呈卷状、板状、似层状产出。异常曲线在 0.28 km和 1.23 km处出现2个高峰,反映矿体矿头、矿尾,中间低值位于矿体正上方,低值区段内出现小幅度起伏变化反映了深度矿体连续性较差。在区段 0.08 0.28 km区段也出现两端高、中间低的异常,宽度窄,且处于山前地段,因此存在矿化的可能性不大。东华理工学院叶树林教授提出了地下氡源体在地表土壤中的氡分布规律(图 2)4,在砂岩铀矿的矿头、矿尾处可视为氡源体,假设氡源体上方为非放射性均匀介质,则在任图 2?氡在非放射性介质中分布示意意一点 P 处,氡浓度的近似值为Ni=Nmaxexp-?x2i/(2vh)。(1)式中,Nm ax表示氡源体在地表土壤中产生的最大氡浓度值,?表示222Rn的衰变常数,v表示氡向地表方向运移速度,xi表示 P 点至地表最大氡浓度值 Nmax点的距离,h表示氡源体至地表的垂直距离。式(1)可以近似地反应砂岩铀矿床矿头或矿尾氡及其子体异常特征的分布规律。3?氡异常成因分析砂岩铀矿床上氡及其子体异常成因与油气田上氡及其子体异常成因是不同的:油气田边部构造较其内部的构造发育且连通性好 5,因而在烟囱效应 6的作用下,油气田边部的铀、镭、氡较其内部更容易向上迁移,形成氡及其子体高异常;砂岩铀矿床上氡及其子体异常成因比较复杂,它是由砂岩型铀矿特有的地质环境的成矿背景决定的,铀镭平衡系数、氡的迁移是重要的因素,氡的迁移在水平上主要是以主动迁移(扩散)为主,在垂向上主要以被动迁移为主,包括电场、接力传递、地气、搬运、对流等。3.1 U?Ra平衡由于铀镭的地球化学性质不同和迁移能力有所差异,在铀矿床中,铀镭往往产生空间分离,出现铀镭平衡破坏现象 7。砂岩型铀矿床及其围岩在倾向上可划分出氧化带、过渡带、还原带,大部分铀富集在过渡带,其次是弱氧化带,U?Ra平衡系数 Kp 1,明显偏镭。由于氡是镭的第一代衰变子体,显然,当平衡偏镭时(如矿体的边界部位),对氡及其子体测量非常有利,异常反映明显,但此时直接反映的是镭,而不是铀;而当平衡严重偏铀时,由于镭量不足,影响了氡及其子体检测效果,与其卷头、尾异常反映相比,恰处于低值反映区 8。3.2?粒子的反冲与团簇迁移理论铀矿物中的 Rn是从 Ra衰变而来的。当 Ra经?衰变成为 Rn时,会放出一个?粒子,?粒子为高速运动的4H e,令?粒子的质量和速度分别为 m?和v?,反冲核 Ra的质量和速度分别为 mRn和 vRn,衰变后的反冲核会受到?粒子的反冲,反冲核和?粒子满足动量守恒定理,在数值上 m?v?=mRnvRn,由此可得反冲核速度 vRn=m?v?/mRn,反冲核的动能 ERn和?粒子的动能 E?之比为ERnE?=mRnv2Rnm?v2?=mRnm2?v2?m?v2?m2Rn=m?mRn,(2)即ERn=E?m?mRn。(3)?通常,E一般为 4 9 MeV,m?4,mRn?222,则?衰变时产生的反冲核将产生能量 ERn为 70150 ke V,该能量是化学键的 104 105倍,这足以使衰变后的 Rn脱离矿物中的结晶格架或离开原来的位置。?粒子与物质作用逐渐损耗其能量减速成为4He,反冲的结果使得?粒子及稍后形成的4H e和反冲核 Rn部分或全部进入空隙中,当?粒子和反冲核具有较大能量时,能从矿物界面轰击出新的粒子,这时,从 U至 Pb等均可以以纳米微粒状态进入孔隙之中。铀矿物的孔隙之中将逐渐积累 Rn、H e,正 2价的 He核周围存在电场,能使氡及其子体和母体等中性原子极化,在电场和库仑力的作用下,H e核及 H e借助氡及其子体和母体之间的强相互作用力和弱相互作用力结合在一起,形成直径为 nm?208?3期李必红等:砂岩铀矿床上氡及其子体异常成因到?m 级的团簇,成为 He?Rn、He?Po、H e?Bi、He?Pb甚至 H e?Ra、He?U等综合团簇。由于 He很轻,当这一团簇的重量小于空气对它的浮力时,便导致团簇自行上升,根据氡及其子体和母体形成的团簇的总效应,可以将氡及其子体视为长寿命放射性元素,其上升距离可远远超过数十米至数百米。当其聚集到一定程度,能形成足够压力时,它们就会沿着铀矿物的孔隙或裂缝外溢出矿物,在电场、接力传递、地气、搬运、扩散、对流等作用下向上迁移,被探测装置收集到 9。3.3?自然电场假说大量的自然电法测量结果表明砂岩型铀矿床上存在自然电场,氧化?还原电动势产生自然电位,在氧化带形成自然电位正异常,还原带形成自然电位负异常,其原因与地质环境有关。砂岩铀矿主要产在氧化与还原的过渡带位置。一般认为氧化?还原电场是由电子导电体自然极化的结果,砂岩铀矿成矿环境的氧化?还原电场形成与周围水溶液的不均匀性有关,由于大气降雨的不断循环,为氧化?还原电场提供了能源。在砂岩矿体上 U?Ra平衡偏铀,形成的氡较少,在矿体两端分别偏镭,含氡相对较多,所形成的氡及其子体与其形成的团蔟带正电,在自然电场的作用下,其运动轨迹和正离子相似,当地层产状平缓时,受外电场的影响,氡的子体及其团簇发生移动,在矿头和矿尾处电流线最密集,显然氡及其子体与其形成的团簇的数量也越多,在电场、接力传递、地气、搬运、扩散、对流等作用下,使得在地面观测时矿体上方出现低值异常,而在矿体两端出现高值异常?。4?结论建议通过对砂岩铀矿床上氡及其子体异常成因进行分析,主要得出以下几点结论:(1)在砂岩铀矿床正上方氡及其子体形成放射性低场,两端表现为相对放射性高场,与油气田相似;(2)异常成因主要与地质环境、U?Ra平衡、?粒子的反冲、团簇理论、自然电场、接力传递、地气、搬运、扩散、对流等有关。笔者在野外大量实测数据和处理数据的基础上得出了分析结果,应用效果明显。对于电场作用还需要进行室内模拟,计算机模拟、理论公式和埋深推算还有待进一步研究。在野外工作中,需与其他勘查方法及地质资料相结合来解释。在实际的数据处理过程中,可能会出现假异常、弱异常,还需进行分段和弱异常的提取。参考文献:1?刘庆成,邓居智,杨亚新,等.可地浸砂岩型铀矿床上土壤热释光异常特征 J.物探与化探,2002,26(4):287.2?赵希刚.综合物化探方法勘探层间氧化带砂岩型铀矿 J.物探与化探,2001,25(1):14.3?Finch W I,Davis J F.Sandstone?type uranium deposits:An intro?duction R.I AEA?TECDOC?328.4?叶树林.测氡法快速确定油气田边界及深度 J.华东地质学院学报,1996,19(2):150.5?叶树林,刘庆成,王勇,等.油气田勘查中的核探测技术和异常解释方法 J.现代地质,2003,17(4):468.6?W eartR C,Hei mberg G.Exploration radon etrics:post survey drill?ing results A.Unconventionalmethods in exploration for petrole?um and natural gas C.SouthernM ethodistUnivpress,1981.7?章晔,华荣洲,石柏慎.放射性方法勘查 M.北京:原子能出版社,1990.8?黄国夫,叶树林,万骏.地面放射性氡法在寻找层间氧化带型砂岩铀矿中的应用 J.物探与化探,2000,24(1):12.9?贾文懿,方方,周蓉生,等.氡及其子体运移规律与机理研究 J.核技术,2000,23(3):169.THE ORIGIN OF ANOMALIES OF RADON AND ITS DAUGHTERSOVER THE SANDSTONE URANIUM DEPOSITLI Bi?hong,L I U Q ing?cheng,DENG Ju?zh,i ZHANG Zhi?yong(East China Institute of Technology,Fuzhou?344000,China)Abstract:This paper has studied the characteristics and for mation mechanis m of the ano malies caused by radon and its daughters overthe sandstone uranium deposit,described the recoilof the A lpha particles,the cluster effectand the naturalelectric field over the sand?下转 214页?刘庆成,邓居智,等.氡及其子体测量与异常解释方法研究.东华理工学院科研报告,2004.?209?物?探?与?化?探30卷?重按 3计算,预测存储的 Ag金属量为 9 000,t 从这个侧面也说明找 Ag矿床的潜力巨大。5?结论与建议东方林场异常区与乌山斑岩型 Cu Mo矿床同位于得尔布干成矿带;异常与围岩蚀变均主要为面状分布,同时也都有条带状异常;二者所处地质背景和异常元素组合相似;不同的是后者异常元素组合与围岩蚀变具典型斑岩 Cu Mo矿床特征,前者异常元素组合较简单,异常与围岩蚀变无明显分带,而这些不同则是由于前者剥蚀程度低所至,因此主要只有泥化带和矿体前沿晕 Ag、As异常被剥蚀出来,Mo、Zn异常和高值 Ag、M o异常只零星或局部出露。因此该异常区既有非常好的寻找斑岩型银(金)多金属矿床的前景,又有找到热液脉状银(金)多金属矿床的可能。该异常区目前工作程度很低,工作面积仅 3km2,只投入 200 m?40 m 的土壤测量剖面工作,对异常亦未揭露评价,认识非常肤浅。建议今后可做如下工作:第一,进行一定面积的 100m?20m网度的物化探普查;第二,选取有利地段投入 100 m?40m网度的点槽和部分长槽,查清地表矿化规律;第三,选择最佳地段进行深部验证。同时做相应的综合研究工作,总结成矿规律。参考文献:1?黄力军,刘瑞德,陆桂福,等.乌奴格吐山铜矿物化探异常特征及外围找矿 J.物探与化探,2004,28(5).THE ORE?PROSPECTING VISTA OF THE SILVER ANOMALIESIN DONGFANG TREE FARM OF NORTHERN DA HINGGAN MOUNTAI NSWANG Jian?ping,SUN Zhen?jiang,L IZuo?han(N o.706 Geological Bureau forNonferrousM etalResources Exploration of H eilongjiang Province,Qiqihar?161031,China)Abstract:The Dongfang tree far m in northern DaH ingganling volcanics belt is situated in the northeastern partof the Deerbuganmetal?logenic belt.Its silver anomalies are Ag,M o,Zn,Au andAs composite anomalies.The Ag ano maliesmainly assume planar distribu?tion,w ith some high?value ano malies in zonal distribution.The anomalies are large in size,and have concentration zoning,concentra?tion centers and high standard deviations as well as high threshold values,associated locally w ith M o ano malies.The anomaly areashows planar argillation alteration and low denudation degree,quite si milar to theW unugetushan large?size porphyry Cu?M o deposit inthe sa me metallogenic belt in ore?for m ing geological conditions and ano maly characteristics.Besides having very good vista in prospec?ting for porphyry Ag(Au)poly metallic deposits,the ano maly area is likely to have hydrother malveinlikeAg(Au)poly metallic depos?itsK ey words:northern Da H ingganM ountains;soil survey;ano maly characteristics;prospecting vista作者简介:王建平(1963-),男,地质工程师,多年从事地质工作。上接 209页stone uranium deposit,and analyzed geological characteristics of the sandstone uranium deposit.TheU?Ra balance,themagnetic sus?ceptibility,and the change of the natural voltage are also discussed.The results obtained are of instructive significance in explainingthe anomalies of radon and its daughters over the sandstone uranium deposit.K ey words:sandstone uranium deposit;radon and its daughters;ano maly作者简介:李必红(1976-),男,东华理工学院在读研究生。研究方向:核测量技术与辐射防护。?214?