張欣熠,王 猛,谷 懿,*,王 勇,葛良全,張慶賢,李瀟瀟

(1.成都理工大學(xué) 四川省地學(xué)核技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059;2.成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院,四川 成都 610059;3.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院,北京 100029)

砂巖型鈾礦具有礦床儲(chǔ)量大、開采效率高等特點(diǎn),是現(xiàn)階段鈾礦資源勘查中主要勘查的鈾礦類型之一[1-2]。隱伏鈾礦床上方的表層土壤在沉積之前,受光、熱事件等的影響導(dǎo)致其積累的釋光信號(hào)被清零或降低到可忽略的水平,被掩埋后開始積累釋光信號(hào),這些土壤不僅受環(huán)境、宇宙射線的輻射作用,同時(shí)還會(huì)受到鈾礦床的中間子體222Rn和210Pb等的輻射作用。因此理論上,隱伏鈾礦區(qū)域的土壤等效劑量應(yīng)高于無(wú)礦或背景區(qū)域。土壤天然熱釋光法利用這一原理,已成為鈾礦資源勘查中的一種常用方法,其具有野外工作簡(jiǎn)單、勘查成本較低等優(yōu)點(diǎn)[3],已在砂巖型鈾礦、花崗巖型鈾礦及火山巖型鈾礦勘查中得到較廣泛應(yīng)用,并在內(nèi)蒙古、江西及湖南等地取得了較好的應(yīng)用效果,且圈定了地質(zhì)體中隱伏鈾礦體的空間分布[4-7]。在以往土壤天然熱釋光法的鈾礦資源勘查應(yīng)用研究中,土壤天然熱釋光法多采用全土壤的熱釋光(TL)信號(hào)進(jìn)行土壤熱釋光測(cè)量,然而全土壤樣品中含有碳酸巖礦物和長(zhǎng)石礦物,這可能導(dǎo)致全土壤TL信號(hào)包含異常衰減較嚴(yán)重的不穩(wěn)定TL信號(hào),從而降低土壤天然熱釋光法對(duì)深部鈾礦體弱異常信息的分辨能力[8-10]。同時(shí),部分研究中將較成熟的光釋光測(cè)年技術(shù)應(yīng)用于鈾礦資源勘查[11-13],通過(guò)一系列預(yù)處理流程去除土壤樣品中可能產(chǎn)生異常衰減釋光信號(hào)的礦物組分,僅提取土壤樣品中的石英礦物進(jìn)行光釋光測(cè)量,但從土壤樣品提取石英礦物的化學(xué)處理流程較復(fù)雜,難以滿足鈾礦資源勘查中大批量樣品的測(cè)量需求?？傮w上,土壤天然熱釋光法作為鈾礦資源勘查技術(shù)之一,應(yīng)用研究較為深入,但其應(yīng)用機(jī)理研究仍有不足,未形成規(guī)范性的操作標(biāo)準(zhǔn)。

本文擬分析土壤樣品在各預(yù)處理過(guò)程中因礦物組分改變而導(dǎo)致的土壤熱釋光特性變化,研究各預(yù)處理階段下土壤樣品的TL信號(hào)的穩(wěn)定性,基于穩(wěn)定TL信號(hào)建立適用于砂巖型鈾礦土壤的熱釋光測(cè)量流程,降低土壤天然熱釋光法中不穩(wěn)定TL信號(hào)對(duì)鈾礦資源勘查結(jié)果的影響,提升砂巖型鈾礦勘查土壤天然熱釋光法的準(zhǔn)確性。

1 方法

1.1 測(cè)試儀器與樣品制備

熱釋光測(cè)量?jī)x器采用Ris? TL/OSL-DA-20熱釋光/光釋光兩用儀,儀器配備的光電倍增管為EMI 9235QB;測(cè)試過(guò)程中使用厚度為7.5 mm、直徑為45 mm的U-340 濾光片,該濾光片的波長(zhǎng)范圍為250～380 nm;該儀器配備90Sr/90Y β源,可為測(cè)量樣品提供測(cè)量所需的輻照劑量。研究對(duì)象為青海柴達(dá)木盆地砂巖型鈾礦土壤樣品(青海樣品)和鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦土壤樣品(鄂爾多斯樣品),樣品采集及處理方法參考釋光測(cè)年流程標(biāo)準(zhǔn)[14]進(jìn)行,取樣土壤采用風(fēng)沉積砂巖,制備土壤測(cè)片所選取的粒徑范圍為38～63 μm,土壤樣品的主要礦物組分有石英、長(zhǎng)石、碳酸巖及有機(jī)質(zhì),采用不同預(yù)處理方式對(duì)土壤樣品中礦物組分進(jìn)行去除,處理后土壤樣品的殘余組分列于表1。實(shí)驗(yàn)中所使用的Na2CO3、MgCO3、NaHCO3及CaCO3礦物均為分析純礦物,鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石礦物均為標(biāo)準(zhǔn)巖石樣品,且礦物含量>95%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1) 土壤樣品釋光測(cè)定

對(duì)各預(yù)處理階段下的土壤樣品使用90Sr/90Y β源輻照500 Gy,并進(jìn)行熱釋光測(cè)量,其中熱釋光測(cè)量條件為:升溫區(qū)間0～500 ℃、升溫速率5 ℃/s,依據(jù)獲取的TL衰減曲線分析各預(yù)處理階段土壤樣品的TL信號(hào)分布。

分別使用Na2CO3、MgCO3、NaHCO3及CaCO3、鉀長(zhǎng)石及鈉長(zhǎng)石礦物替代土壤樣品中的碳酸巖組分及長(zhǎng)石組分進(jìn)行土壤樣品中不同礦物組分的TL信號(hào)分布特性研究,并結(jié)合計(jì)算輝光曲線反褶積(CGCD)方法[15-18],對(duì)砂巖型鈾礦表層沉積巖樣品的TL信號(hào)進(jìn)行重構(gòu),進(jìn)一步明確各預(yù)處理階段下TL信號(hào)的準(zhǔn)確來(lái)源。

2) 土壤樣品穩(wěn)定TL信號(hào)的分析及快速獲取

對(duì)各預(yù)處理階段下土壤樣品使用90Sr/90Y β源輻照500 Gy的實(shí)驗(yàn)室已知?jiǎng)┝?輻照后放置不同時(shí)間(0、20、40、60 h)后進(jìn)行熱釋光測(cè)量,其中熱釋光測(cè)量條件為:升溫區(qū)間0～500 ℃、升溫速率5 ℃/s,依據(jù)獲取的TL衰減曲線,分析土壤樣品中穩(wěn)定的TL信號(hào),并選取TL信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)應(yīng)的TL衰減曲線作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定TL衰減曲線。隨后在相同輻照劑量下,采用先預(yù)熱后紅外激發(fā)的方式去除不穩(wěn)定TL信號(hào)后進(jìn)行熱釋光測(cè)量,其中預(yù)熱條件為:升溫區(qū)間0～150 ℃、升溫速率5 ℃/s (預(yù)熱150 ℃,5 ℃/s)。紅外激發(fā)條件為:激發(fā)時(shí)間60 s、激發(fā)功率70%(紅外激發(fā)60 s,70%)。熱釋光測(cè)量條件為:升溫區(qū)間0～500 ℃、升溫速率為5 ℃/s。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定TL衰減曲線和經(jīng)預(yù)熱及紅外激發(fā)處理后的TL衰減曲線,分析經(jīng)預(yù)熱及紅外激發(fā)處理后的TL衰減曲線的不穩(wěn)定釋光信號(hào)是否完全清除。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤樣品的熱釋光特性

1) 土壤樣品TL信號(hào)分布

各預(yù)處理階段土壤樣品TL衰減曲線如圖1所示。由圖1可見,各預(yù)處理階段TL信號(hào)強(qiáng)度的大小順序?yàn)镼H-3>QH-2>QH-1>QH-4,QH-4的TL信號(hào)強(qiáng)度最低,是由于隨著QH-3中長(zhǎng)石礦物的去除,僅包含石英礦物的QH-4樣品的TL信號(hào)強(qiáng)度迅速降低,且在120～300 ℃溫度范圍內(nèi)TL信號(hào)強(qiáng)度因長(zhǎng)石礦物清除而顯著降低。HL樣品與QH樣品存在相似的變化規(guī)律。

圖1 各預(yù)處理階段土壤樣品的TL衰減曲線

2) 土壤樣品TL信號(hào)解析

主要礦物成分的TL衰減曲線如圖2所示。在使用CGCD方法進(jìn)行土壤樣品TL衰減曲線的譜線解析時(shí),需確定土壤樣品TL衰減曲線中所包含的TL峰數(shù)量及對(duì)應(yīng)的峰值溫度,但由于鈉長(zhǎng)石的TL衰減曲線存在自身多個(gè)峰值溫度相近的峰重疊問(wèn)題,故采用常用的Tm-Tstop方法[19-20]進(jìn)行解析,以實(shí)現(xiàn)重疊嚴(yán)重的TL峰信息的識(shí)別。

圖2 主要礦物成分的TL衰減曲線(a、b、c)和鈉長(zhǎng)石TL衰減曲線的Tm-Tstop解析結(jié)果(d)

由圖2可見:Na2CO3的TL衰減曲線有3個(gè)峰,峰值溫度分別為110、200、320 ℃;NaHCO3的TL衰減曲線有4個(gè)峰,峰值溫度分別為110、175、310、400 ℃;MgCO3的TL衰減曲線只有1個(gè)峰,峰值溫度為200 ℃;CaCO3的TL衰減曲線有3個(gè)峰,峰值溫度分別為150、300、450 ℃;鉀長(zhǎng)石的TL衰減曲線有1個(gè)峰,其峰值溫度為150 ℃。由圖2d可見,鈉長(zhǎng)石TL衰減曲線的疊加峰中包含4個(gè)峰,其對(duì)應(yīng)的峰值溫度分別為172、200、237、263 ℃。另石英礦物的TL信號(hào)分布研究已較充分,本文忽略。采用CGCD重構(gòu)圖2數(shù)據(jù),所得峰值溫度列于表2。由于碳酸巖礦物在土壤樣品中含量普遍較低,其產(chǎn)生的釋光信號(hào)微弱,故CGCD重構(gòu)時(shí)Na2CO3的TL衰減曲線只選取強(qiáng)度最大的110 ℃峰。

表2 土壤主要礦物成分的TL衰減曲線峰值分布

根據(jù)表2中CGCD重構(gòu)的峰值溫度,采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型(式(1)[21-22])進(jìn)行CGCD譜線解析重構(gòu),測(cè)量TL衰減曲線,不同解析溫度下的TL衰減曲線及重構(gòu)TL衰減曲線如圖3所示。CGCD重構(gòu)曲線與測(cè)量數(shù)據(jù)TL曲線之間的符合程度使用品質(zhì)因子(FOM)[23]進(jìn)行評(píng)價(jià)。

a——QH-1;b——QH-2;c——QH-3;d——QH-4;e——LH-1;f——LH-2;g——LH-3;h——LH-4

(1)

其中:I為TL衰減曲線峰強(qiáng)度;n0為陷阱電子的初始濃度;s″為指前因子,s″=s(n0/N)b-1,N為電子陷阱的總濃度,s為頻率因子,b為動(dòng)力學(xué)級(jí)數(shù);E為對(duì)應(yīng)電子陷阱的活化能;k為玻爾茲曼常數(shù);β為升溫速率,β=5 ℃/s;T0為初始溫度;T為樣品溫度,T=T0+βt。

各預(yù)處理方式下青海土壤樣品TL衰減曲線的譜線解析結(jié)果如圖3所示,測(cè)量TL衰減曲線與CGCD重構(gòu)TL衰減曲線的FOM均低于5%,表明測(cè)量TL衰減曲線與CGCD重構(gòu)TL衰減曲線之間的符合程度較高。根據(jù)圖3和表2可知,第1預(yù)處理階段,土壤樣品的TL衰減曲線形態(tài)在0～150 ℃內(nèi)主要受NaHCO3、Na2CO3控制,150～300 ℃內(nèi)主要受鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石控制,300～500 ℃內(nèi)主要受CaCO3、石英控制;第4預(yù)處理階段,土壤樣品的TL衰減曲線形態(tài)主要受石英控制;相比于第2預(yù)處理階段,第3預(yù)處理階段去除有機(jī)質(zhì)的土壤樣品在200、237、263 ℃處的釋光強(qiáng)度明顯增加;第4預(yù)處理階段樣品的TL衰減曲線明顯有別于其他預(yù)處理階段,這是由于第4預(yù)處理階段樣品對(duì)應(yīng)的TL衰減曲線形態(tài)主要受控于石英礦物,而其他預(yù)處理階段對(duì)應(yīng)的TL衰減曲線主要受長(zhǎng)石礦物和石英礦物兩種釋光礦物影響。

2.2 土壤樣品穩(wěn)定TL信號(hào)的分析及快速獲取

各預(yù)處理階段土壤樣品輻照后放置不同時(shí)間的TL衰減曲線如圖4所示。

對(duì)比圖4中各預(yù)處理階段樣品的TL衰減曲線可見,青海樣品TL信號(hào)主要衰退的溫度區(qū)間在低溫區(qū),其在高溫區(qū)的TL信號(hào)衰減逐漸降低。放置時(shí)間達(dá)到20 h時(shí),與0 h樣品的TL衰減曲線相比,青海樣品發(fā)生衰退的信號(hào)多為Na2CO3等低溫段信號(hào),鄂爾多斯樣品發(fā)生信號(hào)衰退的礦物還包括青海樣品沒(méi)有的鈉長(zhǎng)石、CaCO3礦物;放置時(shí)間達(dá)到40 h時(shí),對(duì)比20 h樣品的TL衰減曲線,青海樣品主要發(fā)生信號(hào)衰退的是MgCO3,鄂爾多斯樣品主要發(fā)生信號(hào)衰退的是鈉長(zhǎng)石;放置時(shí)間達(dá)到60 h時(shí),對(duì)比40 h樣品的TL衰減曲線,樣品中TL信號(hào)的自衰退速率很小,在第1～3預(yù)處理階段土壤樣品的TL信號(hào)僅在100～250 ℃范圍內(nèi)存在少量衰減,故可認(rèn)為放置60 h后,各預(yù)處理階段樣品的TL衰減曲線基本穩(wěn)定,可視為穩(wěn)定信號(hào)對(duì)應(yīng)的TL衰減曲線,且穩(wěn)定信號(hào)主要存在的溫度區(qū)間為200～400 ℃,選取放置60 h后測(cè)量的TL衰減曲線作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定TL 衰減曲線。

經(jīng)預(yù)熱和紅外激發(fā)處理后的TL衰減曲線與標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定TL衰減曲線示于圖5,其中Pre heat-IRSL對(duì)應(yīng)的曲線為經(jīng)預(yù)熱和紅外激發(fā)處理后的TL衰減曲線。由圖5可見,經(jīng)預(yù)熱和紅外激發(fā)后獲取的TL信號(hào)存在的溫度區(qū)間主要為200～400 ℃,此溫度區(qū)間基本與標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定TL信號(hào)存在的溫度區(qū)間一致,表明土壤樣品中不穩(wěn)定TL信號(hào)已完全清除。此外,對(duì)比兩條TL衰減曲線可發(fā)現(xiàn)其形態(tài)一致,表明經(jīng)預(yù)熱和紅外激發(fā)處理后,樣品仍保留了可用于勘探的TL信號(hào)。盡管圖5b、c中經(jīng)預(yù)熱和紅外激發(fā)后獲取的TL信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)TL信號(hào)有一定強(qiáng)度偏差,但TL信號(hào)曲線形態(tài)一致,且經(jīng)預(yù)熱和紅外激發(fā)后獲取的TL信號(hào)強(qiáng)度能達(dá)到需求,故經(jīng)預(yù)熱和紅外激發(fā)獲取的TL信號(hào)能夠滿足釋光測(cè)量需求。

3 砂巖型鈾礦土壤釋光測(cè)量流程及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)量流程

根據(jù)前文實(shí)驗(yàn)結(jié)果,土壤樣品中存在的不穩(wěn)定TL信號(hào)主要為低溫段信號(hào),其次為高溫段信號(hào),穩(wěn)定TL信號(hào)主要存在的溫度區(qū)間為200～400 ℃。此外,土壤樣品經(jīng)預(yù)熱和紅外激發(fā)處理后獲取的TL信號(hào)可應(yīng)用于釋光勘探,為此基于各預(yù)處理階段下土壤樣品穩(wěn)定TL信號(hào)獲取的實(shí)驗(yàn)流程,以及土壤釋光年代測(cè)量流程[11-14],建立適用于砂巖型鈾礦土壤釋光測(cè)量流程,如表3所列。對(duì)于土壤樣品中的不穩(wěn)定TL信號(hào),采用預(yù)熱和紅外激發(fā)的方式去除,且土壤樣品對(duì)應(yīng)等效劑量采用單片再生劑量法(SAR)進(jìn)行測(cè)量。

表3 基于SAR法的土壤樣品對(duì)應(yīng)TL信號(hào)的等效劑量測(cè)量方法

表3中天然劑量D對(duì)應(yīng)的TL信號(hào)強(qiáng)度為L(zhǎng)D;R1、R2、…、Rx為不同循環(huán)次數(shù)的輻照再生劑量,對(duì)應(yīng)的TL信號(hào)強(qiáng)度分別為L(zhǎng)1、L2、…、Lx;T為實(shí)驗(yàn)劑量,其對(duì)應(yīng)的不同循環(huán)次數(shù)的TL信號(hào)強(qiáng)度為TD、T1、T2、…、Tx。表3中步驟4～7可進(jìn)一步保證測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,但會(huì)增加處理時(shí)間和降低測(cè)試效率,在實(shí)際應(yīng)用中可依據(jù)具體情況選擇是否進(jìn)行。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1) 土壤樣品TL測(cè)量劑量響應(yīng)區(qū)間測(cè)量

對(duì)各預(yù)處理階段下的土壤樣品依次輻照0、150、300、450、600 Gy共5個(gè)再生劑量,試驗(yàn)劑量為100 Gy,按照表3的測(cè)量流程測(cè)量土壤樣品的TL信號(hào),結(jié)果示于圖6。

圖6 各預(yù)處理階段下土壤樣品TL信號(hào)的劑量響應(yīng)區(qū)間

由圖6可見,當(dāng)輻照劑量達(dá)到600 Gy時(shí),青海土壤樣品的TL信號(hào)才出現(xiàn)明顯的飽和趨勢(shì),而鄂爾多斯土壤樣品的劑量響應(yīng)曲線斜率基本保持不變,未出現(xiàn)飽和趨勢(shì)。因此,各預(yù)處理階段下土壤樣品在0～600 Gy的輻照劑量范圍內(nèi)具有良好的劑量響應(yīng)特性,能滿足砂巖型鈾礦土壤熱釋光測(cè)量的需求。

2) 土壤樣品TL穩(wěn)定信號(hào)對(duì)應(yīng)的等效劑量測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)

分別選取65 Gy和400 Gy的實(shí)驗(yàn)室已知?jiǎng)┝孔鳛樘烊粍┝?采用單片再生劑量法(SAR),利用200～400 ℃范圍內(nèi)的TL信號(hào)進(jìn)行等效劑量測(cè)量,其中土壤樣品的等效劑量采用表3的測(cè)量流程進(jìn)行測(cè)量,試驗(yàn)劑量為100 Gy,各預(yù)處理階段下土壤樣品在不同輻照劑量下的TL信號(hào)的等效劑量測(cè)量結(jié)果如表4所列。表4表明,200～400 ℃溫度范圍內(nèi)的TL信號(hào)能準(zhǔn)確測(cè)量土壤樣品中的等效劑量,同時(shí)該等效劑量測(cè)量流程能適用于不同輻照劑量水平的等效劑量測(cè)量,且等效劑量測(cè)量值相對(duì)誤差在7%以內(nèi),能滿足砂巖型鈾礦土壤的熱釋光測(cè)量需求。

表4 各預(yù)處理階段下土壤樣品不同輻照劑量TL信號(hào)的等效劑量測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

1) 青海柴達(dá)木盆地和鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦土壤樣品的穩(wěn)定釋光信號(hào)主要來(lái)源于長(zhǎng)石與石英礦物成分,用于熱釋光測(cè)量的穩(wěn)定TL信號(hào)主要來(lái)源于溫度處于200、237、263、325、375 ℃的礦物。

2) 選取 200～400 ℃范圍內(nèi)TL信號(hào)建立了砂巖型鈾礦熱釋光勘查流程,流程具有較好的劑量響應(yīng)特性,且等效劑量測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差較小,滿足砂巖型鈾礦勘查需要。

3) 通過(guò)樣品熱釋光特性分析及穩(wěn)定信號(hào)分析,發(fā)現(xiàn)4個(gè)預(yù)處理階段下的土壤樣品TL信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性均符合測(cè)量需求,4個(gè)預(yù)處理階段下的土壤樣品均可用于砂巖型鈾礦勘查,但僅包含長(zhǎng)石和石英礦物的土壤樣品(第3預(yù)處理階段)TL信號(hào)強(qiáng)度大,且去除了低溫段的碳酸巖不穩(wěn)定信號(hào),因此在砂巖型鈾礦勘查中應(yīng)用效果更顯著。在實(shí)際砂巖型鈾礦勘探應(yīng)用中,可根據(jù)工程需求,選擇不同預(yù)處理階段下的土壤樣品進(jìn)行熱釋光測(cè)量。