丁江燕，張新軍，曹志勇

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024)

地面伽馬能譜技術(shù)具有儀器輕便、工作效率高等優(yōu)點[1]。近年來，中國許多學(xué)者利用地面伽馬能譜技術(shù)在鈾礦、銅礦、螢石礦、稀土礦、地質(zhì)填圖方面開展了相關(guān)研究[2-6]。對于放射性礦產(chǎn)鈾礦的地球化學(xué)特征和鈾礦中鈾的賦存狀態(tài)的研究已有大量報道[7-9]，主要集中在鈾的成因、遷移、賦存位置及其礦化特征等方面。但對于放射性礦產(chǎn)，少有學(xué)者同時對其鈾、釷、鉀三種放射性元素的分布規(guī)律、含量、賦存狀態(tài)進行研究?；诖?，對紫金山地區(qū)放射性礦產(chǎn)鈾、釷、鉀三種放射性元素的分布規(guī)律、含量和賦存狀態(tài)進行相關(guān)研究。紫金山地區(qū)是中國著名的堿性巖地區(qū)，近年來許多學(xué)者對其進行了研究。黃錦江[10]對紫金山地區(qū)進行了巖石學(xué)特征和成因研究，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)巖體是五次熔融作用的產(chǎn)物；楊永恒等[11]討論了紫金山地區(qū)熱力構(gòu)造對鄂爾多斯盆地東部煤、煤層氣、鈾礦形成過程的影響；楊興科等[12-13]對研究區(qū)進行了SHRIMP(單顆粒鋯石定年中的離子探針質(zhì)譜法)測年和動力學(xué)研究。目前，關(guān)于紫金山地區(qū)的研究主要集中在巖石成因、同位素測年、熱力構(gòu)造運動方面，而對該地區(qū)放射性礦產(chǎn)的分布研究較少。因此選取紫金山地區(qū)的巖石為研究對象，采用地面伽瑪能譜和顯微鏡鏡下分析二者相結(jié)合的方法，研究紫金山地區(qū)放射性礦產(chǎn)鈾、釷、鉀異常分布規(guī)律、含量和賦存狀態(tài)，為下一步地質(zhì)工作提供依據(jù)，以達到找礦的目的。

圖1 紫金山地區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Zijinshan region

1 伽瑪能譜儀介紹

研究所用的伽瑪能譜儀型號為FD-3022-I，主要技術(shù)參數(shù)：探測器：Φ2″×2.4″BGO(Bi4Ge3O12)晶體；能量分辨率：≤12%(對137Cs)；含量測量范圍：eU(當(dāng)量鈾)：1～1 000×10-6(Ur)；eTh(當(dāng)量釷)：1～1 000×10-6(Ur)；eK(當(dāng)量鉀)：0.2%～100%；相對偏差E的要求：eU、eTh：E≤7%；eK：E≤12%；使用環(huán)境：溫度：0～50 ℃；相對濕度≤90%(50 ℃)。

2 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于山西省臨縣城NW330°方向、直線距離23 km的甘草溝村-水磨川村一帶，其地理坐標為110°50′14″E～110°52′35″E，38°07′00″N～38°08′52″N。紫金山地區(qū)周圍的水系有兩個流向:一是近南北向的，如湫水河的中上游、紫金山南麓的清涼寺溝、月鏡溝等;二是近東西向的，如興縣的蔚汾河、研究區(qū)西側(cè)的八堡水等，沿東西向拉伸斷層發(fā)育或沿西北和東北的扭轉(zhuǎn)面追蹤。平面呈橢圓形，面積約23 km2，巖體內(nèi)部各類巖石呈不規(guī)則的環(huán)狀或馬蹄形分布，生成順序為越往巖體中心，生成越晚。

紫金山地區(qū)地質(zhì)圖如圖1所示，區(qū)域出露的地層由老到新有中生界三疊系；新生界新近系、第四系，分述如下：中生界三疊系由砂頁巖組成，屬于三疊系二馬營統(tǒng)上部的陳家梁組，為紫金山巖體的圍巖，新生界新近系，主要巖性為礫巖及紅土，礫巖在區(qū)內(nèi)出露較少，僅見于切割較深的溝谷兩側(cè)，厚度2～5 m，礫石成分不一；新生界第四系，在區(qū)內(nèi)大面積分布，主要為淺黃色亞沙土，中夾透鏡狀的礫石層和不穩(wěn)定的古土壤層，厚67～89 m。

3 測量方法及處理

3.1 工作方法

伽馬掃面網(wǎng)度為100 m×40 m，工作量為11.83 km2，測線方位為東西向。儀器在石家莊國家模型站進行了標定，同時對儀器的準確性、穩(wěn)定性、一致性進行檢查，均滿足誤差要求。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 計算平均值及標準偏差

首先根據(jù)實測的能譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計鉀、鈾、釷元素含量、比值、標準偏差(S0)等參數(shù)，為資料解釋提供依據(jù)，計算公式如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

3.2.2 異常下限的確定

異常下限公式如式(3)～式(5)所示：

偏高暈：

c0+s0≤Q

(3)

增高暈：

c0+2s0≤Q

(4)

異常暈：

c0+3s0≤Q

(5)

式中：c0為地質(zhì)體eU(或eTh、eK)的背景含量；s0為背景含量的標準偏差；Q為異常暈的eU(或eTh、K)含量。

鉀、鈾、釷的數(shù)據(jù)處理采用物探數(shù)據(jù)常用的統(tǒng)計背景值、計算標準差、確定異常下限，表1為鈾、釷、鉀3種元素的偏高暈、增高暈、異常暈取值范圍。

表1 紫金山地區(qū)巖石中鈾、釷、鉀分級表Table 1 Classification of uranium,thorium and potassium in Zijin mountain region

4 討論

4.1 U、Th異常特征研究

圖2 鈾元素等值線Fig.2 Uranium element contour

利用SUFER軟件分別得到U、Th等值線，如圖2、圖3所示。由紫金山地區(qū)巖石中鈾、釷元素平面等值線(圖2、圖3)和地質(zhì)圖(圖1)可知，鈾、釷元素異常分布在黑云輝石巖、霞石正長巖。磷灰石和榍石是含鈾、釷的副礦物[14]，對黑云輝石巖和霞石正長巖采樣后，將樣本送到華北有色地質(zhì)勘查局燕郊中心實驗室做鏡下鑒定分析，分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖3 釷元素等值線Fig.3 Thorium element contour

圖4 黑云輝石巖顯微鏡下分析圖Fig.4 Microscope analysis of biotite pyroxenolite

圖5 霞石正長巖顯微鏡下分析圖Fig.5 Microscope analysis of nepheline syenite

圖4為黑云輝石巖顯微鏡下分析圖。經(jīng)鑒定：①霓輝石(Agt)：55%～70%，柱狀，柱長0.2～4 mm不等，晶粒新鮮，局部形成晶粒集合體；②正長石(Or)：17%～14%，不規(guī)則狀，粒徑完全充填于霓輝石晶粒間隙，其形態(tài)取決于空間形態(tài)，可見卡式雙晶，基本無蝕變；③黑云母(Bt)：16%～17%，暗棕色，鱗片狀，片徑0.5～3 mm，大晶粒中常包嵌霓輝石、磷灰石、磁鐵礦等；④磷灰石：4%～5%，柱狀，柱長0.05～0.3 mm，主要包嵌于霓輝石和黑云母晶粒中；⑤榍石(Spn)：3%～4%，短柱狀及楔狀，柱長0.1～1 mm，稀散分布；⑥不透明礦物：1%～3%，顆粒不規(guī)則，粒徑0.05～0.3 mm，由磁鐵礦組成，均勻分布于巖石中。

圖5為霞石正長巖顯微鏡下分析圖。經(jīng)鑒定：①正長石(Or)：65%～70%，半自形板狀，粒度0.2～3 mm，其中大部分不顯雙晶，少數(shù)具雙晶，晶粒表面有弱泥化；②霓石(Aeg)：20%～25%，草綠色，柱狀，柱長0.5～2 mm，晶粒常與鐵云母、黑榴石、榍石共生；③黑云母(Bt)：10%～14%，深褐色，葉狀，直徑0.2～1.5 mm，常形成于霓石邊緣；④榍石(Spn)：1%～5%，短柱狀及楔狀，柱長0.1～0.5 mm，稀散分布；⑤黑榴石(Mln)：1%～5%，暗褐色，粒狀，極高突起，均質(zhì)性，粒徑0.05～0.5 mm，常呈粒狀集合體與霓石、鐵云母伴生；⑥不透明礦物：少量，顆粒不規(guī)則，粒徑0.03～0.1 mm，成分可能為磁鐵礦，零星可見。

由圖4、圖5可知，黑云灰石巖中的磷灰石、榍石和霞石正常巖中的榍石是引起紫金山地區(qū)鈾、釷異常的主要副礦物。

4.2 K異常研究

圖6 鉀元素等值線Fig.6 Potassium element contour map

從紫金山地區(qū)地質(zhì)圖1、圖6可以看出，K異常分布在黑云母輝石正長巖。鉀長石是含鉀的主要礦物，有兩種形式：微斜長石、正長石[14]。對黑云母輝石正長巖采樣后，送到華北有色地質(zhì)勘查局燕郊中心實驗室做鏡下鑒定分析，鏡下分析如圖7所示。

圖7 黑云母輝石正長巖顯微鏡下分析圖Fig.7 Microscope analysis of biotite pyroxene syenite

顯微鏡下鑒定可知：①正長石(Or)：85%～90%，半自形板狀，主要粒徑2～5 mm，少數(shù)粒徑<2 mm，大部分無雙晶，少數(shù)具卡式雙晶，晶面具微弱泥化；②白云石(Dol)：10%～15%，主要粒徑為主粒徑為0.1～1 mm分布于正長石晶粒間隙及孔隙，用茜素紅-鐵氰化鉀染色法對薄片染色，晶粒不著色，為白云石反應(yīng)特征；③不透明礦物：少量，不規(guī)則顆粒狀，可見立方晶體形狀，粒徑0.03～0.2 mm，分布在正長石晶粒間隙，成分可能為鐵質(zhì)礦物和黃鐵礦，部分已褐鐵礦化。

由圖6、圖7知，黑云母輝石正長巖中的正長石引起紫金山地區(qū)鉀異常長的主要礦物，約占整個巖石的85%～90%。

5 結(jié)論

(1)紫金山地區(qū)鈾、釷元素異常分布在黑云輝石巖和霞石正長巖中；鉀元素異常分布在黑云母輝石正長巖中。

(2)紫金山地區(qū)鈾、釷、鉀元素異常含量分別為6×10-6～9.5×10-6、14×10-6～28×10-6、7.5×10-6～10×10-6。

(3)紫金山地區(qū)鈾、釷元素異常的原因是黑云輝石巖和霞石正長巖中的磷灰石、榍石引起的，鉀元素異常的原因是黑云母輝石正長巖中的正長巖引起的；榍石和磷灰石占黑云輝石巖總量的7%～11%，榍石占霞石正長巖總量的1%～5%，正長石在黑云母輝石正長巖中的占總量的85%～90%。

(4)可見通過地面伽瑪能譜和顯微鏡鏡下分析二者相結(jié)合的方法可以分析紫金山地區(qū)放射性礦產(chǎn)鈾、釷、鉀異常分布規(guī)律、含量、賦存狀態(tài)。

(5)黑云輝石巖、霞石正長巖、黑云母輝石正長巖為今后放射性礦產(chǎn)突破所在，應(yīng)該對該區(qū)進行地面伽瑪能譜剖面工作，點距為10 m，目的是發(fā)現(xiàn)更準確的放射性礦產(chǎn)分布異常區(qū)；再對放射性礦產(chǎn)異常區(qū)進行槽探及鉆探工程驗證。