砂岩铀矿是我国核能的主要来源矿产类型^[1]。目前,地气测量技术是唯一可能直接获得深部铀含量信息的技术,探测硬岩型铀矿已经没有技术障碍^[2-4]。但对主要赋存在戈壁与沙漠覆盖区的隐伏砂岩铀矿,特别是沙漠覆盖区的砂岩铀矿,目前的地气探测技术尚未见研究与应用方面的报道。

究其原因,现有的动态地气测量技术与积累式地气测量技术在沙漠覆盖区都无法有效实施。动态地气测量时,采样是通过抽取地表介质(一般为土壤)层中的气体来实现的,沙漠覆盖区地表的沙层是无法进行抽气的,所以动态地气测量技术在沙漠覆盖区无法实施。原有的积累式地气测量是用漏斗形成开放性空间,将探测器悬挂在漏斗的开放性空间中后,再设法隔绝地表介质的接触,最后填埋在测点位置。由于积累式采样时间长达几十天,在埋设探测器的几十天的时间内,测点位置的地表沙层不一定能保持稳定,大风刮过地表等引起的测点位置的沙层蠕动常常会将沙粒涌入漏斗空间,污染探测器。此外,沙漠上无法预计的大风极易改变地貌形态,使埋下的探测器无法找回。

在国防科工局核能开发项目(地HTLM2101)的支持下,笔者所在课题组针对沙漠覆盖区的特殊地球化学景观环境,研究并建立了一种适合于沙漠覆盖区隐伏砂岩铀矿勘查的地气探测技术。这项技术由沙漠专用地气信息采样装置与采样方法、地气信息探测器预处理与物质组分测试方法、数据处理与异常推断解释方法3部分构成,以地气物质迁移机理为依据,应用基于低本底聚氨酯泡沫塑料作为探测器的沙漠专用防沙尘污染地气物质采样装置,通过45 d左右的积累式采样,可以在沙漠覆盖勘查区有效捕获到隐伏砂岩铀矿的U、稀土以及砂岩铀矿伴(共)生元素的含量信息,圈定出深部铀富集区域,进而达到找矿目的。应用该地气探测技术,课题组在新疆某铀矿勘查区实施了世界上第一条沙漠覆盖区砂岩铀矿地气探测剖面工程,取得了预期效果。

为了解决沙漠覆盖区由于各种原因产生的近地表沙层蠕动可能会造成的沙粒涌入探测器所在空间的现象,而对探测器产生污染的问题,必须对已有的积累式地气采样装置进行改革,从源头上杜绝这一问题。为此,研究构建了一种专门针对沙漠覆盖区的地气信息探测装置,这种探测装置以低本底聚氨酯泡沫塑料作为探测器,由塑料漏斗、水系滤膜、塑料杯和纱布构成。

如图1所示,连接探测器的绳体经漏斗出口端固定好,将探测器悬空安置于漏斗开口端上方形成的空间内;将大孔隙度(孔径不小于0.45 μm)水系滤膜设置于漏斗开口端,并完成相应开口面覆盖;塑料杯扣接于所述漏斗出口端;从上至下形成以塑料杯、漏斗、水系滤膜构建成的屏蔽沙粒侵入但不对气体通过造成堵塞的地气信息采集空间。

将纱布设置于塑料杯、漏斗、水系滤膜外侧,完成对塑料杯、漏斗、水系滤膜的包裹与捆绑(图2)。

不言而喻,距地表垂向深度越深,受到地表刮风造成沙层蠕动的可能性就越小;另外有植物生长处或地形上避风位置受到地表刮风造成沙层蠕动的可能性也较小。为此,在沙漠覆盖区埋置采样装置时,在考虑上述两个方面的因素下选择埋置点位置。因此沙漠区埋置探测装置的深度则由南方潮湿地球化学景观区土壤地气测量埋设深度的30 cm^[5],加深到80 cm。

为了解决由于沙漠区地表形貌极易改变,埋设地气探测装置后难以取回的问题,对测点标记进行了改造,将一般用的测点标记短桩(2 cm×0.6 cm×30 cm)换成了2 cm×2 cm×100 cm的结实长桩,在测点上,将测点标记长桩垂直钉入沙层约60 cm,保证既醒目又在非特大风中刮不倒。

为了弥补采样装置(漏斗)开口处覆盖水系滤膜可能带来的地气气体迁移损失,积累式地气采样的时间从30 d^[6]延长到45 d。

我国原有的积累式地气探测器测试方法是中子活化分析法^[6],其优点是探测器不用做预处理,缺点是可分析的元素种类较少(20余种),无法获得全套稀土元素含量。为此,我们将地气探测器测试方法改成了ICP-MS分析。

采样45 d时取出探测器。在超净实验室中将取出后确认没有污染的探测器放入洗净的聚四氟乙烯烧杯中,在合适的硝酸液中完全消解后置于电热板上低温加热,保持约4 h,直至样品接近蒸发干,再滴入5%稀硝酸定容至10 mL制备成可用于分析的地气样品。

将处理好的地气样品用电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS进行多元素分析,获得包括U及其他放射性、稀土、稀有金属、有色金属元素在内的40余种地气元素的浓度信息。

依据 “3σ法”原理^[7]剔除掉原始浓度信息数据中的非背景值数据后,统计出各地气测量元素的背景值、标准差,按照铀矿勘查中放射性测量数据处理的基本方法^[8],以U元素的背景值+2倍标准差作为地气测量U的高值场下限,以U元素的背景值+3倍标准差作为地气测量U的异常场下限。地气U的高值场数据可以指示测点的U元素虽未达异常值,但已显著高于背景值。

剔除掉大部分测点处于其分析检出限附近的元素后,在与U常具有共(伴)生关系的放射性、有色金属、稀有金属、稀土4类元素^[9]中,选择相关性较好、异常幅度高且与U元素异常空间关联密切的元素,编制地气测量U与主要指示元素的综合剖面图,并在剖面图上划分出U元素的异常区位置。当用不同地气采样方法(动态或积累式采样)获得的各元素的测量结果作对比,或在一幅成果图中展示时,则以衬度值作为成图参数^[10] 。

前期研究表明,对于隐伏板状矿体(典型的如伟晶岩稀有金属矿),当沿矿体倾覆一侧开展地气测量时,从大约埋深50 m以深起,到矿体延伸边界位置止,会沿测线捕获到多个矿体元素及其他同步富集的共(伴)生元素的地气异常峰(图3)^[9],这种由多个相邻异常峰组成的异常区,是深部存在目标矿(化)体的地气找矿标志。

对大部分砂岩铀矿体,理想条件下也可以看作为图3所示的一端倾覆的板状矿体。

在塔里木盆地北缘某已知砂岩铀矿上实际开展地气测量获得的成果(图4)证实,对砂岩铀矿,隐伏板状矿体的地气找矿模型是成立的。图4展示的铀矿上方的地气异常的确具有图3所示的特征:

1)地气元素U的连续性差,单点异常多;

2)由多个相邻异常峰构成具有指示找矿意义的异常区;

3)有伴(共)生地气元素形成大体一致的异常区;

4)异常区范围与深部铀矿分布区域在地表的投影位置基本一致。

因此,我们可以把具有上述特征的以U为主、伴生有多种其他元素的异常区,看作深部具有隐伏铀富集地质体的找矿标志。

沙漠覆盖区地气探测的探索性工作部署在新疆塔里木盆地北缘的某铀矿勘查区(图5)。区内有两条构造位于西南部,呈NW向穿越测区。全区覆盖第四系风成沙,无基岩出露,无可观察的其他地质现象。

根据收集到的前人的石油钻孔自然γ(总量)测井资料,测区内有1口钻孔(ZK1)穿越了一层性质不明、深度与厚度均不清楚的高放射性层。

大致以NE30°部署了一条过ZK1钻孔,且穿越F₁断裂的积累式地气探测测线SA。SA测线长度5 000 m,部署测点97个(因避让测线穿越的污水处理池,舍弃4个测点)。

为了对比与检验沙漠覆盖区地气探测效果,也为了提供尽可能多的找矿信息,沿穿越区内沙漠,且经过ZK1钻孔西侧的简易公路,在公路一侧部署了动态地气测线GB(图5)。GB测线长度5 000 m,点距50 m,部署测点101个。

部署在沙漠覆盖区的SA测线采用本文第1、2节中所介绍的沙漠专用积累式地气采样装置与采样方法进行采样。

每个测点探测器为4 cm×3 cm的纯化后的低本底聚氨酯泡沫塑料。积累采样时间为45 d。采样结束后共取回95个无污染探测器,按第2节方法进行预处理成待分析样品。

部署在简易公路一侧的GB测线,采用了两个采集器串联的效率可调的动态地气采样装置^[10]进行采样(图6)。采样时,两个捕集器中的捕集液(5%硝酸)均为20 mL,总计40 mL。采样流量设定为2 L/min,采样时间30 min。全测线总计收集原始地气捕集液101份。

动态地气装置采集回的地气原始捕集液经低温加热,直至样品接近蒸发干,再滴入5%稀硝酸定容至10 mL制备成可用于分析的地气样品。

预处理完的两类地气样品统一送国家级分析检测中心核工业北京地质研究院分析检测中心,采用ELEMENT XR 等离子体质谱仪做ICP-MS测试,每个测点样品均得到包括U及其他放射性、稀土、稀有金属、有色金属在内的40余种元素的含量。

获得各测点的地气样品检测数据后,采用3.1节所述方法对获得的各地气测量数据进行背景值、高值下限以及异常下限确定。表1为U的地气测量参数统计结果。

根据3.1节所述地气指示元素选择原则与方法,最后选择出具有较好找矿指示意义的U、Th、Rb、Nb、Y、Ti、Cu、Zn、Cs、Fe共10种元素作为测区主要地气指示元素(稀土元素因为有特殊的找矿指示作用,将另撰文做专门讨论),编制了SA、GB两条测线的综合剖面(图7、图8)。

采用本文1.2节所述方法在沙漠覆盖区SA测线共埋设97个测点的地气专用探测装置,实际取回95个,被风沙破坏后露出地表而损坏的仅2个,探测器成功取回率达到97.9%,且全部没有产生探测器污染。

早期在承担国家重点研发计划专题时,在哈密市镜儿泉锂矿西侧沙漠中采用常规积累式地气采样时曾埋设地气探测器52个,因沙漠上无法避免的大风造成的危害,实际只收回12个探测器,回收率不到25%,取回的探测器中7个有被沙粒涌入探测器空间后形成直接接触而造成污染的痕迹,可用地气样品只有5个,不足测点的10%。

前后两相对比,本文的探测装置与方法不仅仅保证了探测器的可靠回收率,还保证了回收的探测器均没有污染。实践结果证实,采用对粉尘可以起到密封效果的沙漠专用采样装置、深埋探测装置两项核心技术,可以在沙漠覆盖区成功开展地气探测工作。

从SA测线获得的地气综合剖面(图7)可以看出,在测线北段的2 800~5 000 m范围,地气测量捕获到一U含量明显高于测区南段的区域,U的平均含量0.082 μg/L是测区沙漠覆盖区背景值0.055 μg/L的149%,几乎高出整个沙漠测区背景值的约50%(见表1),在这个U呈现较高含量的台阶区域,出现了3个相邻的U异常峰,以及两个达到测区U背景值加2倍标准差的高值峰。如果综合考虑与SA测线相交的简易公路测线的测量结果(见图8与图9),将GB测线上④号U异常峰位置投影到SA测线上,正处于ZK1钻孔上(图10),与SA测线上ZK1南侧的(2)号高值峰位置差一个测点距离。再考虑(2)号高值峰的U测量值为0.107 μg/L,高于GB公路测线的异常下限(0.094 μg/L),也高于早期在塔里木北缘某已知铀矿区开展地气探测时获取的矿区U地气异常下限0.101 μg/L(见表1),因此,可以将SA测线的反映U地气找矿标志的U异常区域南端划定在(2)号高值峰测点处,北端划定在①号U异常峰北侧,如图7与图9所示。

从图7、图9、图10可以看到,有高放射性异常的ZK1钻孔,正好位于我们所划定的U异常区域的南端边缘之内,与钻孔北侧的③与④号地气U含量异常完全贴合。这从另一方面佐证地气测量结果捕获到了深部的铀富集信息。

综上,在沙漠覆盖区成功捕获到代表地气U的找矿标志的U异常区域,证实本文建立的针对沙漠覆盖区特殊地球化学景观条件下的整套地气探测技术是成功与有效的。

分析图9可见,捕获的①~⑦号地气U异常给我们实际划定出一片代表深部有U富集的区域(图10),这片反应有U富集的区域南北超过3 000 m,东西超过1 000 m,区域面积具有相当大的规模。

对比同处塔里木盆地北缘的某已知隐伏砂岩铀矿上的地气U测量参数,这片U富集区域的U平均值略小于已知铀矿上方的U异常区平均值(见表1),但已知砂岩铀矿A测线下方的铀矿是富矿体,U平均品位超过0.05%,比砂岩铀矿工业矿体边界品位0.03%高60%,而对比该富矿体上方的异常区平均U含量,沙漠中划定的U异常区仅偏低不超过10%。而异常区内异常峰值的平均值对比,沙漠异常区的数值较已知铀矿上方的U异常区内异常峰值的平均值也只偏低约15%左右。

根据上述两个方面的对比分析,沙漠覆盖区捕获的反映深部U找矿标志的地气U异常区,具有明显的找矿价值,值得开展进一步找矿工作与工程验证。

当然,由于没有其他可供借鉴的物、化探与地质资料,我们无法判定地气U异常来源的深度,而地气异常的幅度是取决于埋深、矿源层厚度以及矿源层的含量3个方面因素的,故仅通过U含量的相关参数对比,并不能保证完全准确。为此有以下建议:

1)将SA测线继续向北延伸2 000 m,通过地气测量控制U地气异常的北边界;

2)平行SA测线,过⑦号地气U异常测点,部署SB沙漠地气测线,以准确控制已捕获的U地气异常区域的边界。

在补充完成上述找矿工作后,选择合适的多个U高异常相邻紧密的位置部署工程验证。

通过在沙漠覆盖区部署SA测线实施地气测量,获得了世界上第一条沙漠覆盖区砂岩铀矿地气探测综合剖面成果图,捕获了与已知隐伏砂岩铀矿体上方完全相一致的地气U异常区,获得了有隐伏U富集的直接找矿标志,证明本文建立的一套沙漠覆盖区的地气探测技术是成功且有效的。

结合该区在相交SA测线同步开展的GB测线动态地气测量资料,捕获了一个有相当规模的U异常区域,加之与已知砂岩铀矿上的U含量参数作对比,该地气U异常区具有显著的进一步找矿价值。