劉行，曲凱，尹青青，司馬獻(xiàn)章，溫國(guó)棟，張盼盼，閆國(guó)強(qiáng)，張超

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2.中鋼集團(tuán)天津地質(zhì)研究院有限公司，天津 300181；3.河南省核工業(yè)地質(zhì)局，河南 鄭州 450044）

氡（Radon），是一種化學(xué)元素，符號(hào)Rn。已知同位素有27 種，其中最穩(wěn)定的同位素222Rn 是226Ra 的衰變產(chǎn)物，而226Ra 則是238U 的衰變產(chǎn)物。氡通常的單質(zhì)形態(tài)是氡氣，有很強(qiáng)的擴(kuò)散能力，因此氡氣適合做放射性元素的示蹤劑［1］。不同物質(zhì)吸附氡氣的程度不同，其中屬活性炭、煤、橡膠等對(duì)氡氣的吸附能力最強(qiáng)。因此活性炭吸附法測(cè)氡（以下簡(jiǎn)稱活性炭法測(cè)氡）在鈾礦勘查過(guò)程中常被用作一種方便、有效的放射性探測(cè)方法，其具有精度高、靈敏度高、探測(cè)深度大、抗干擾能力強(qiáng)以及操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，在砂巖型、火山巖型以及花崗巖型等多種類型的鈾礦找礦中均得到了廣泛應(yīng)用，且取得了明顯的找礦效果［2-7］。

20 世紀(jì)以來(lái)，北秦嶺東段灰池子巖體外圍相繼發(fā)現(xiàn)了陳家莊、光石溝、小花岔、土地嶺等多個(gè)偉晶巖型鈾礦床［8-12］，但這些鈾礦床大都分布在陜西境內(nèi)，而具有相同成礦地質(zhì)條件的河南境內(nèi)直到近年柳樹(shù)灣偉晶巖型鈾礦床的發(fā)現(xiàn)方才取得突破。在前期的找礦勘查過(guò)程中，由于部分地段第四系覆蓋較厚，地表出露的含礦偉晶巖脈并不連續(xù)，為該地區(qū)鈾礦找礦勘查部署帶來(lái)一定困難。本文重點(diǎn)介紹了活性炭法測(cè)氡在柳樹(shù)灣地區(qū)找礦勘查中的應(yīng)用:通過(guò)對(duì)發(fā)現(xiàn)的氡濃度異常點(diǎn)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證表明，氡濃度異常均為礦致異常，與深部含礦偉晶巖密切相關(guān)，能夠很好的反映出隱伏偉晶巖的鈾礦化信息。說(shuō)明活性炭法測(cè)氡可以為確定鈾礦找礦有利地段，特別是鉆探工程布置提供依據(jù)，對(duì)本區(qū)花崗偉晶巖型鈾礦深部找礦具有重要的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)概況及鈾礦化特征

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于河南省盧氏縣獅子坪鄉(xiāng)柳樹(shù)灣地區(qū)，大地構(gòu)造上處于北秦嶺造山帶東段，華北板塊與揚(yáng)子板塊碰撞的接觸地帶（圖1）。區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育，巖漿活動(dòng)頻繁，廣泛發(fā)育有早古生代加里東晚期Ⅰ型花崗巖與海西早期偉晶巖，是我國(guó)重要的花崗偉晶巖分布區(qū)和鈾及三稀等關(guān)鍵礦產(chǎn)成礦區(qū)［13-18］。

區(qū)內(nèi)出露地層為中元古界峽河巖群寨根巖組（Pt2z），巖性為黑云斜長(zhǎng)片巖（或片麻巖），灰黑色，中粒變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，成分以石英、長(zhǎng)石、黑云母為主，暗色礦物含量高。出露的侵入巖主要為灰池子巖體及其外圍花崗偉晶巖，灰池子巖體巖性主要為加里東晚期的黑云母花崗巖和海西早期的二長(zhǎng)花崗巖。巖體外圍自內(nèi)向外依次分布有黑云母花崗偉晶巖、二云母花崗偉晶巖和白云母花崗偉晶巖［19］。這些花崗偉晶巖分布于灰池子巖體外接觸帶中元古界峽河巖群寨根巖組的黑云斜長(zhǎng)片巖及片麻巖中，在近巖體接觸帶部位，偉晶巖脈較密集，規(guī)模較大，具有明顯的分帶性，整體走向?yàn)镹W-SE 向，呈脈狀、囊狀、透鏡狀、似層狀與接觸帶相互平行分布［20-21］（圖2）。

圖1 北秦嶺東段區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)張盼盼等，2017 修改）Fig.1 Geological sketch of the eastern part of Northern Qinling（modified after Zhang et al.，2017）

1.2 鈾礦化特征

區(qū)內(nèi)鈾礦化主要賦存于富含黑云母并且鉀化較強(qiáng)的花崗偉晶巖中。受灰池子巖體與峽河巖群的接觸帶控制，含鈾黑云母花崗偉晶巖產(chǎn)出于灰池子巖體外接觸帶附近0～300 m范圍內(nèi)。偉晶巖脈平行接觸帶產(chǎn)出，呈NWSE 向展布，傾向NE，傾角56°～88°。

圖2 柳樹(shù)灣研究區(qū)平剖圖Fig.2 Sketch geology map and measured radon profiles in Liushuwan study area

礦石的結(jié)構(gòu)主要為文像偉晶結(jié)構(gòu)和粗?；◢弬ゾЫY(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物成分為石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石和黑云母，可見(jiàn)晶質(zhì)鈾礦、鈾釷石等鈾礦物。石英呈煙灰色，礦物粒度較大，鉀長(zhǎng)石呈他形粒狀，表面因黏土化，多見(jiàn)條紋長(zhǎng)石，部分顆?？梢?jiàn)格子狀雙晶。斜長(zhǎng)石呈他形粒狀，分布不均勻，被絹云母、黏土礦物等交代。黑云母含量較高，且黑云母常呈團(tuán)塊狀分布于巖石中。與鈾礦關(guān)系密切的蝕變主要有硅化、鉀化、黃鐵礦化、高嶺石化及綠簾石化。

2 測(cè)量原理及測(cè)線布置

由于鈾的性質(zhì)較活躍，極易發(fā)生遷移和沉淀，導(dǎo)致鈾的局部富集和貧化，研究區(qū)地表出露的含鈾偉晶巖長(zhǎng)時(shí)間受河流、雨水沖刷導(dǎo)致地表鈾含量較低，并且區(qū)內(nèi)第四系覆蓋較厚，導(dǎo)致常規(guī)地面伽馬總量測(cè)量方法在覆蓋區(qū)很難發(fā)揮作用。埋藏在地下深部的鈾礦體，其中所含的鈾經(jīng)過(guò)放射性衰變形成的氡通過(guò)裂隙等通道向上遷移到達(dá)地表，因此深部的鈾礦化信息可以通過(guò)氡氣測(cè)量的方法指示出來(lái)。

活性炭吸附法測(cè)氡是一種靜態(tài)、累積的測(cè)氡方法。將活性炭吸附器埋于地下一段時(shí)間使其吸附一定量的222Rn 及其衰變子體，然后取出吸附器并將其放入活性炭測(cè)氡儀中進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量氡衰變子體放射出γ 射線的強(qiáng)度，反映出氡氣濃度的高低，從而達(dá)到尋找地下隱伏鈾礦體的目的［22-23］。

區(qū)內(nèi)偉晶巖形成于灰池子巖體與地層接觸帶附近，張性裂隙發(fā)育，為氡氣向上遷移提供了有利的條件。氡濃度異常分布特征可以反映深部鈾礦化信息，為下一步鉆探驗(yàn)證工作提供依據(jù)，從而揭露地下隱伏礦體。本次工作結(jié)合區(qū)內(nèi)鈾成礦特征，在成礦有利地段垂直于偉晶巖走向布置7 條1:10 000 測(cè)氡剖面，分別為L(zhǎng)7、L8、L9、L12、L13、L16、L24，測(cè)線方向?yàn)镹E45°，每條測(cè)線長(zhǎng)520 m，測(cè)點(diǎn)14 個(gè)，測(cè)點(diǎn)間距40 m（圖2）。

3 工作方法及數(shù)據(jù)處理

3.1 測(cè)量?jī)x器與“三性檢查”

本次實(shí)驗(yàn)使用的是核工業(yè)北京地質(zhì)研究院生產(chǎn)的HD-2003 型活性炭吸附測(cè)氡儀。主要技術(shù)指標(biāo):能量閾50 keV；靈敏度≥1.5 s-1（Bq/L）-1；非線性≤10%；重復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤10%；穩(wěn)定性相對(duì)誤差≤10%；一致性相對(duì)誤差≤5%。工作前儀器在石家莊核工業(yè)航測(cè)遙感中心核工業(yè)放射性計(jì)量勘查站進(jìn)行了準(zhǔn)確性標(biāo)定，工作期間對(duì)儀器進(jìn)行了重復(fù)性測(cè)量、穩(wěn)定性測(cè)量和一致性測(cè)量，上述“三性檢查”是為了確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1）重復(fù)性測(cè)量

儀器開(kāi)機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，將檢查源置入探頭中，進(jìn)行1 分鐘定時(shí)連續(xù)10 次測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果用測(cè)量示值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

重復(fù)性計(jì)算公式:

式中:RSD—相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差；S—n 次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差；Xi—單次測(cè)量值；次測(cè)量的平均值；n—測(cè)量次數(shù)（n≥10）。

通過(guò)計(jì)算，本次實(shí)驗(yàn)所用的活性炭吸附測(cè)氡儀的重復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.52%，符合《氡及其子體測(cè)量規(guī)范2》RSD≤10%的要求。

2）穩(wěn)定性測(cè)量

儀器開(kāi)機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，將檢查源置入探頭中開(kāi)始第一組數(shù)據(jù)的測(cè)量，每組測(cè)量為1 分鐘定時(shí)連續(xù)測(cè)10 次，以后每隔1 小時(shí)測(cè)量一組數(shù)據(jù)，連續(xù)測(cè)量8 小時(shí)共得到8 組數(shù)據(jù)。

穩(wěn)定性計(jì)算公式:

式中:S—穩(wěn)定性相對(duì)誤差；μ0—第一組數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值；Xi—各數(shù)據(jù)中偏離μ0最大的數(shù)值。

通過(guò)計(jì)算，本次實(shí)驗(yàn)所用的活性炭吸附測(cè)氡儀的穩(wěn)定性相對(duì)誤差為0.22%，結(jié)果符合《氡及其子體測(cè)量規(guī)范》S≤10%的要求。

3）一致性測(cè)量

為避免自然和人為的因素影響，在研究區(qū)保持相同的條件下選取地面較平坦，放射性元素分布較均勻處，對(duì)2 臺(tái)活性炭吸附測(cè)氡儀進(jìn)行10 次測(cè)定。以各臺(tái)儀器測(cè)量結(jié)果的平均值的平均值為標(biāo)準(zhǔn)，與各臺(tái)儀器的平均值進(jìn)行比較。

一致性計(jì)算公式:

通過(guò)計(jì)算，本次實(shí)驗(yàn)所用的活性炭吸附測(cè)氡儀的一致性相對(duì)誤差為0.45%，結(jié)果符合EJ/T 605—1991《氡及其子體測(cè)量規(guī)范》S≤5%的要求。

3.2 野外工作方法

根據(jù)工作目的及要求，活性炭吸附器制備、埋入、取出、測(cè)定以及數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)嚴(yán)格按照儀器使用說(shuō)明和《氡及其子體測(cè)量規(guī)范》操作。具體測(cè)量工作步驟如下:

1）活性炭吸附器的組裝:活性炭吸附器為圓形塑料瓶，應(yīng)選用規(guī)格為φ400 mm×600 mm，組裝時(shí)在吸附器中裝入15 g 干燥的活性炭，用絲綿蓋住活性炭后再封裝5 g 干燥劑，最后用絲綿封口阻止活性炭和干燥劑漏出并保持氣體可以流通。每裝好一個(gè)瓶，立即擰緊內(nèi)、外蓋，嚴(yán)格密封并編號(hào)。

2）挖掘探坑:野外工作小組應(yīng)由2～3人組成，攜帶必要埋置工具以及記錄工具，采用手持GPS 根據(jù)測(cè)網(wǎng)布設(shè)，到達(dá)測(cè)點(diǎn)后，首先確定探坑位置。當(dāng)遇巖石露頭、亂石堆、陡坎、河灘、積水坑、稻田、小路等，可適當(dāng)移動(dòng)測(cè)點(diǎn)選擇儲(chǔ)氣條件較好的位置布點(diǎn)，并記錄下實(shí)際埋入位置。隨后挖掘錐形探坑，探坑深度一般為40 cm，坑口直徑15～20 cm，坑底直徑10～12 cm?？拥卒伷?，但不要壓得過(guò)于緊實(shí)，以確保自然通氣狀態(tài)。挖好探坑后應(yīng)對(duì)探坑進(jìn)行伽馬測(cè)量并做好記錄。

3）放置活性炭吸附器:在活性炭吸附器上標(biāo)記點(diǎn)、線號(hào)，將內(nèi)、外蓋打開(kāi)，并倒插在錐形罩杯的圓孔內(nèi)。罩杯倒置在坑底中央，并用松土壓緊密封（防止翻倒），然后用土掩埋探坑，坑頂?shù)耐翍?yīng)壓緊并高出地面以防坑內(nèi)進(jìn)水。埋置完成后在旁邊做上記號(hào)，方便回收時(shí)找到，同時(shí)在記錄本上記錄埋入的時(shí)間。

4）埋置時(shí)間:為確?；钚蕴课狡髦须睗舛冗_(dá)到最大值，并且還要考慮生產(chǎn)效率等情況來(lái)確定埋置時(shí)間。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，研究區(qū)野外埋置活性炭吸附器時(shí)間為5 天（避免雨天），氡濃度基本達(dá)到飽和狀態(tài)而且有較高的生產(chǎn)效率。

5）回收活性炭吸附器:回收時(shí)應(yīng)按先埋先取的順序進(jìn)行。取出活性炭吸附器時(shí)應(yīng)避免捏拿瓶子中部，以免瓶子受壓變形將瓶?jī)?nèi)氡氣擠出。取出后應(yīng)迅速分離活性炭吸附器和罩杯，立即蓋好內(nèi)蓋，擰緊外蓋，對(duì)瓶蓋密封不嚴(yán)的用膠帶粘好以防漏氣，且擦拭干凈，并記錄取出時(shí)間。

6）樣品測(cè)量:活性炭樣品測(cè)量場(chǎng)所應(yīng)選擇本底較低的環(huán)境。

a.測(cè)定底數(shù):活性炭樣品底數(shù)N 的測(cè)定，是從每批未經(jīng)野外埋設(shè)的吸附器中隨機(jī)選取5 個(gè)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣品測(cè)定兩次，測(cè)量時(shí)間為1 分鐘，把5 個(gè)樣品的平均值作為該批樣品的底數(shù)，底數(shù)樣品應(yīng)妥善保管，嚴(yán)禁受到污染。經(jīng)測(cè)量活性炭樣品底數(shù)N 為235.7 Bq/m3。

b.樣品測(cè)定:樣品從野外取回應(yīng)在10 小時(shí)內(nèi)測(cè)量完畢，每個(gè)樣品測(cè)定兩次，每次為1 分鐘，取兩次測(cè)量的平均值。每個(gè)樣品的測(cè)量值計(jì)為:

式中:N樣—樣品的測(cè)值；

N計(jì)—樣品兩次測(cè)量的平均值；

N—樣品底數(shù)值。

3.3 數(shù)據(jù)處理

為了對(duì)研究區(qū)氡濃度異常分布特征進(jìn)行解釋，結(jié)合平均值、標(biāo)準(zhǔn)差與異常值之間的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。為避免氡濃度特高值對(duì)背景值的影響，在計(jì)算時(shí)剔除了大于平均值加兩倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常值，直至無(wú)氡濃度特高值為止，求出最終的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。研究區(qū)的背景值為計(jì)算出的平均值，偏高暈下限為平均值加1 倍標(biāo)準(zhǔn)差，高暈下限為平均值加兩倍標(biāo)準(zhǔn)差，異常暈下限為平均值加3倍標(biāo)準(zhǔn)差，異常點(diǎn)下限為5 倍平均值。經(jīng)過(guò)計(jì)算各測(cè)值見(jiàn)表1。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以篩選出研究區(qū)內(nèi)共有7 個(gè)氡濃度異常點(diǎn)，各異常點(diǎn)所在測(cè)線、距起點(diǎn)距離和異常值見(jiàn)柳樹(shù)灣研究區(qū)氡濃度統(tǒng)計(jì)表（表2）。

4 氡濃度異常分布特征及地質(zhì)解釋

4.1 活性炭吸附法測(cè)氡典型剖面分析

研究區(qū)各活性炭法測(cè)氡剖面特征與偉晶巖脈的分布特征吻合較好，可以反映出深部鈾礦化信息，以L8 活性炭法測(cè)氡剖面為例進(jìn)行分析。圖3 為L(zhǎng)8 線綜合剖面圖，該剖面位于研究區(qū)南東側(cè)，由南西向北東穿過(guò)接觸帶，剖面長(zhǎng)520 m，方向?yàn)镹E45°。由圖3 可見(jiàn)，L8 線氡濃度值普遍較低，尤其在峽河巖群的黑云斜長(zhǎng)片麻巖中反映最低，在二長(zhǎng)花崗巖中反映一般，在接觸帶范圍內(nèi)見(jiàn)兩段異常。氡濃度異常分布在距起點(diǎn)120 m、200 m 處，兩處異常值分別為7 913 Bq/m3、9 299 Bq/m3。在前期進(jìn)行的地面伽馬放射性測(cè)量結(jié)果顯示，地表出露的花崗偉晶巖的放射性測(cè)量值不高，結(jié)合地質(zhì)物探剖面與活性炭法測(cè)氡剖面分析認(rèn)為，該測(cè)氡剖面中兩處氡濃度異常應(yīng)為深部隱伏的ρ104、ρ105、ρ106 或ρ107 這4條含礦偉晶巖引起的。因此在該剖面上設(shè)計(jì)深部鉆探驗(yàn)證應(yīng)同時(shí)揭露這4 條花崗偉晶巖。

在L8 活性炭法測(cè)氡剖面上設(shè)計(jì)施工了鉆孔LZK1001 和LZK1002（圖3）。鉆孔LZK1002揭露了多條偉晶巖脈，其中對(duì)應(yīng)ρ107 與ρ105中見(jiàn)兩個(gè)工業(yè)鈾礦體，ρ106 與ρ104 中見(jiàn)多個(gè)鈾礦化體。LZK1001 同樣揭露了多條偉晶巖，對(duì)應(yīng)的ρ106、ρ105 和ρ104 都有鈾礦化體產(chǎn)出。鉆探驗(yàn)證結(jié)果表明，活性炭法測(cè)氡可以很好的反映出深部鈾礦化信息，該方法可以為尋找偉晶巖型鈾礦提供有利依據(jù)，對(duì)研究區(qū)深部找礦工作具有重要意義。

4.2 氡濃度異常分布特征及地質(zhì)解釋

偉晶巖型鈾礦的氡濃度異常有別于砂巖型鈾礦與火山巖型鈾礦，其分布特征與偉晶巖的分布基本一致，氡濃度異常特征可以用平剖圖的形式反映出來(lái)（圖2）。經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，共圈定出7 個(gè)氡濃度異常點(diǎn)，分別位于L8、L12、L16 線上。經(jīng)分析其氡濃度異常應(yīng)是深部隱伏含礦偉晶巖脈引起的，其異常主要與ρ104、ρ105、ρ106、ρ107 這四條偉晶巖脈有關(guān)。下一步應(yīng)根據(jù)氡濃度異常分布特征選取成礦有利地段進(jìn)行鉆探驗(yàn)證工作。

表1 柳樹(shù)灣地區(qū)氡濃度異常暈及異常點(diǎn)下限值Table 1 Lower limit value of radon concentration for anomaly spot and haloes in Liushuwan area

表2 柳樹(shù)灣礦床氡濃度統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of radon concentration in Liushuwan deposit

圖3 L8 線綜合剖面圖Fig.3 Combined prospecting section of L8 in Liushuwan deposit

本次工作根據(jù)異常信息在研究區(qū)內(nèi)共設(shè)計(jì)施工了5 個(gè)鉆孔（LZK0501、LZK0001、LZK1002、LZK2001、LZK1001），其中4 個(gè)鈾工業(yè)孔1 個(gè)鈾礦化孔。在ρ104 號(hào)脈中圈定出6 個(gè)鈾礦化體，ρ105 號(hào)脈中圈定出3 個(gè)鈾工業(yè)礦體、1 個(gè)鈾礦化體，ρ106 號(hào)脈中圈定出1個(gè)鈾工業(yè)礦體、7 個(gè)鈾礦化體，ρ107 號(hào)脈中圈定出1 個(gè)鈾工業(yè)礦體，取得了很好的找礦效果，同時(shí)鉆探驗(yàn)證結(jié)果證明了活性炭法測(cè)氡的有效性。

5 結(jié)論

研究區(qū)含鈾花崗偉晶巖產(chǎn)出于灰池子巖體外接觸帶0～300 m 范圍內(nèi)，走向NW-SE，氡濃度異常與偉晶巖分布一致，其形態(tài)與規(guī)模明顯受到偉晶巖控制?；钚蕴课椒y(cè)氡在柳樹(shù)灣地區(qū)的應(yīng)用結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)氡濃度異常與深部的含鈾花崗偉晶巖密切相關(guān)，能快速、有效的尋找隱伏含鈾偉晶巖，為鉆探布設(shè)提供重要依據(jù)，同時(shí)鉆探驗(yàn)證結(jié)果證明了該方法的有效性，對(duì)于本區(qū)深部花崗偉晶巖型鈾礦找礦具有重要的指導(dǎo)作用。