铀是国家重大战略资源之一,在铀矿勘查中,除了地面伽马能谱测量,土壤氡气测量也是重要手段之一^[1]。氡是一种无色无味的惰性气体,是铀多次衰变的产物之一,半衰期3.8 d,较为稳定,虽然比重比较大,但向上运移能力强,容易从深部迁移至土壤中,其运移距离可达100 m以上,形成以地质体为中心的射气散晕,在20世纪30年代开始应用于铀矿普查工作中^[2-4]。在综合分析过程中,土壤氡气除了辅助铀含量异常圈定外,也是探测隐伏断层的重要手段之一,并取得了较好的效果^[5-13]。研究区及周边从1956年至今已开展过多次铀矿找矿工作,已取得一定成果,但土壤氡气测量及应用较少,且只有少量等值线图,未结合地质等信息进行系统分析。本文通过测量土壤氡气浓度,结合地质等内容,综合分析预测区内铀矿远景区,进一步完善断层信息,分析铀矿成矿与地层、断层的关系,为今后铀矿找矿工作提供指导作用。

研究区大地构造位置位于江南复合造山带(IV-4-2)—兴义隆起区(IV-4-2-1),与威宁隆起区、右江裂谷—前陆盆地区等四级构造单元相邻^[14]。

研究区内出露地层主要为三叠系下统飞仙关组二段(T₁f²),岩性主要为紫红色、灰黄色泥岩;中—下统嘉陵江组一段(T_1-2j¹),岩性主要为灰白色白云岩、灰色灰岩;嘉陵江组二段(T_1-2j²),岩性为灰色灰岩、浅紫红色泥质粉砂岩,局部夹粉砂质泥岩;嘉陵江组三段(T_1-2j³),岩性为灰色、深灰色灰岩。

研究区内断层发育,中部、北东部主要为NE—SW走向,主断层为大石堡断层F₁(区域鲁坎断裂),走向68°~85°,断层产状变化较大,有时过于直立,断层破碎带宽1~20余米,破碎带内主要为构造角砾岩、碎裂岩,表现为张性构造特征,断面时隐时现,区域上表现为左行走滑性质。断层两盘发育有两条与主断层F₁夹角10°~20°的伴生次级断裂F₂、F₃,F₂倾向SE,F₃倾向NW,倾角70°左右,两条次级断裂处有方解石充填及胶结。在南西部断层发育较为密集,断层F₁、F₅、F₆、F₇、F₈均近似NE—SW走向,倾角60°~83°,断层F₄切断断层F₆,同时限制断层F₇、F₈延伸,角砾成分复杂,粒径大小不一,磨圆度差,表现为张性断层特征(图1)。

本次土壤氡气面积测量采用的仪器为核工业北京地质研究院研制的FD216环境氡测量仪,测量范围为300~999 999 Bq/m³,仪器经检定合格,获得有效检定证书。开工前对仪器进行例行检查,确保设备能够正常测量;选择良好的天气,一般在测量前24 h无雨,地面要干燥,否则无法抽气;根据设计测量点,将测量点坐标导入GPS,并结合奥维互动地图,确保位置准确性,到达点位后开始打孔测量,并记录地质及土层等信息,为后期数据处理提供有力依据。打孔深度必须大于0.7 m,若土层薄或者无法抽气,则在规定范围内重新打孔测量,并记下新坐标,确保测量的真实性;遇到高异常时需对仪器进行再次排气清洗,重新打孔进行复测^[15]。

根据研究区断层走向及地层倾向,对研究区以100 m×20 m的标准布设测网,尽可能垂直断层走向,由NW—SE走向135°进行布设测量点,在断层附近加密至10 m点距。

土壤氡气测量结束后,为了得到准确的异常范围,并解译断层分布情况,需要计算其背景值与标准差。计算前对数据进行分布检验,检验时一般循环去掉背景值+2倍标准差的数据。

当测量结果服从正态分布时,用算术平均值法确定背景值$\overline{X}$,其公式为:

式中:$\overline{X}$为土壤氡气背景值,Bq/m³;x_i为各测点测值,Bq/m³;n为参加统计的测点数,个。

标准差计算公式为:

式中:S为土壤氡气标准差,Bq/m³;x_i为各测点测值,Bq/m³;$\stackrel{-}{x}$为参加统计的测点平均值,Bq/m³;n为参加统计的测点数,个。

当测量结果服从对数正态分布时,用对数平均值确定背景值,其公式为:

式中:$\overline{{X}_{g}}$为土壤氡气对数背景值,lg(Bq/m³);lgx_i为各测点对数值,lg(Bq/m³);n为参加统计的测点数,个。

标准差计算公式为:

式中:$\overline{{S}_{g}}$为土壤氡气对数标准差,lg(Bq/m³);lgx_i为各测点对数值,lg(Bq/m³);${\stackrel{-}{x}}_{g}$为参与统计的测点对数平均值,lg(Bq/m³);n为参加统计的测点数,个。

最后利用反对数求其背景值与标准差的真值^[15]。

在土壤氡气数据采集完成后,需要进行数据分析。研究区中,土壤氡气含量最低值为1 965 Bq/m³,最高值为999 999 Bq/m³,平均值为98 088 Bq/m³。由图2可以看出,土壤氡气含量主要集中在50 000 Bq/m³左右,原始数据不服从正态分布。对原始数据做对数标准化处理后,数据分布偏度为0.11,小于0.12的临界值,峰度为2.85,小于3.24,因此数据服从对数正态分布^[16]。本次使用对数平均值法确定背景值与标准差,此时得出对数背景值$\overline{{X}_{g}}$为4.749 513 lg(Bq/m³),对数标准差$\overline{{S}_{g}}$为0.454 212 lg(Bq/m³),背景值真值为56 171 Bq/m³,标准差真值S'为2.846。土壤氡含量大于$\overline{X}$+$\overline{X}$·S'、小于$\overline{X}$+$\overline{X}$·2S'的范围为偏高晕,土壤氡浓含量大于$\overline{X}$+$\overline{X}$·2S'、小于$\overline{X}$+$\overline{X}$·3S'的范围为高晕,土壤氡含量大于$\overline{X}$+$\overline{X}$·3S'的范围为异常晕^[9]。通过计算得出研究区内土壤氡气偏高晕为216 034~375 896 Bq/m³,高晕为375 896~535 759 Bq/m³,异常晕为大于535 759 Bq/m³。

在研究区内,三叠系中—下统嘉陵江组一段、三段岩性相近,土壤氡气含量最低为1 965 Bq/m³,最高为999 999 Bq/m³,平均值为111 683 Bq/m³。由于土壤氡气含量最高为999 999 Bq/m³,达到仪器上限,可能不是真实含量,但研究区内只有7个测点数值为999 999 Bq/m³,对数据处理结果不影响,故认定最高值为999 999 Bq/m³。三叠系中—下统嘉陵江组二段、三叠系下统飞仙关组二段岩性相近,土壤氡气含量最低为2 811 Bq/m³,最高为442 862 Bq/m³,平均值为48 890 Bq/m³。由于岩性差异较大,土壤氡气含量差异较大,故对研究区进行分区统计计算。

通过数据处理,三叠系中—下统嘉陵江组二段、三叠系下统飞仙关组二段数据量为248个测点,偏度为0.16,小于0.23的临界值,峰度为3.28,小于3.47,服从对数正态分布;三叠系中—下统嘉陵江组一段、三段数据量为910个测点,偏度为0.02,小于0.13的临界值,峰度为2.36,小于3.27,服从对数正态分布^[16](图3)。对以上测点数据计算背景值和标准差,从而得出异常圈定数值,从表1看出,不同地层计算的异常圈定数值相差较大,因此需要按地层进行异常圈定。

利用Sufer软件绘制研究区土壤氡气含量分布,从图4可以看出,土壤氡含量高值区主要分布在三叠系中—下统嘉陵江组一段中,几乎沿着断层及两侧分布,且沿断层下坡方向范围大于上坡方向,其余地层土壤氡气含量较低。在南西区域,土壤氡气含量高值区主要沿断层F₄、F₆、F₇两侧呈片状分布;在中部及北东侧,土壤氡气含量高值区主要沿着断层F₁、F₂两侧呈串珠状分布。

对研究区按照地层进行异常圈定(图5),可以看出,土壤氡气异常主要集中在三叠系中—下统嘉陵江组一段中,几乎沿着断层及两侧分布,且主要沿断层下坡方向。按照异常分布特征,将土壤氡异常分为5个区域。

Ⅰ号异常主要位于三叠系中—下统嘉陵江组一段中,北西侧局部位于三叠系下统飞仙关组二段中,沿着断层F₄、F₆、F₇呈片状分布,土壤氡气含量最高为942 233 Bq/m³;钻孔QZ20702、QZ22302揭露断层,为异常孔,钻孔QZ20701、QZ22301揭露断层,未发现异常,ZK19101为异常孔,未在异常范围内,但周围最高土壤氡气含量为199 025 Bq/m³。

Ⅱ号异常位于三叠系中—下统嘉陵江组一段中,沿着断层F₁及次级断层两侧呈带状、串珠状分布,土壤氡气含量最高为845 257 Bq/m³; 钻孔ZK01、ZK2401揭露断层,为见矿孔,钻孔ZK001、ZK1501揭露断层,且断层位于三叠系下统飞仙关组二段中,未发现异常。

Ⅲ号异常位于三叠系中—下统嘉陵江组一段中,主要沿着断层F₁呈带状分布,土壤氡气含量最高为452 489 Bq/m³;钻孔ZK7201揭露断层,且断层位于三叠系下统飞仙关组二段中,未发现异常。

Ⅳ号异常位于三叠系中—下统嘉陵江组一段中,主要沿着断层F₁呈串珠状分布,土壤氡气含量最高为999 999 Bq/m³;根据异常形态分布,在断层F₁北西侧有隐伏断层。

Ⅴ号异常位于三叠系中—下统嘉陵江组一段中,主要沿着断层F₂呈带状分布,土壤氡气含量最高为999 999 Bq/m³;根据异常形态分布,在断层F₂北西、北东侧有隐伏断层;钻孔ZK7201揭露断层,且断层位于三叠系下统飞仙关组二段中,未发现异常。

选取研究区15-15'剖面(如图1所示)进行土壤氡气、²¹⁰Po、能谱及地质剖面综合分析,从图6中可以看出,F₁断层位于三叠系中—下统嘉陵江组一段中,为Ⅱ号异常,土壤氡气最高为214 015 Bq/m³, 铀含量最高值为39.9×10^-6,²¹⁰Po含量最高为269 Bq/kg,土壤氡气与²¹⁰Po峰值重合度较好,且向断层延伸方向偏移,钍、钾元素无明显异常;断层角砾成分主要为灰岩、白云岩,角砾磨圆度较差,致密胶结,渗透性较差,有利于铀元素赋存,从而土壤氡气及²¹⁰Po异常明显,在剖面图中有明显峰值;施工的探槽TC15-1位于三叠系中—下统嘉陵江组一段断层破碎带中,铀含量达到工业品位,而施工的钻孔ZK1501穿过三叠系下统飞仙关组二段,放射性岩心编录及测井均未发现异常,测井解释铀含量最高点约15×10^-6。从研究区223-223'剖面综合剖析(图7)可以看出,F₁断层位于三叠系下统飞仙关组二段中,其岩性主要为粉砂质泥岩、粉砂岩,少量灰岩,断层破碎带渗透性较好,不利于铀元素富赋存,从而土壤氡气及²¹⁰Po在剖面图上无明显异常;F₆、F₇断层位于三叠系中—下统嘉陵江组一段中,为Ⅰ号异常,断层角砾主要成分主要为灰岩、白云岩,角砾磨圆度较差,致密胶结,渗透性较差,有利于铀元素赋存,土壤氡气最高为942 233 Bq/m³, 峰值明显,铀、钍含量及²¹⁰Po含量峰值不明显,但属于偏高;F₈断层位于山谷中,铀、土壤氡气、²¹⁰Po无明显峰值,但属于偏高,钍含量峰值明显,最高为14.58×10^-6,因此F₈断层铀元素流失,铀矿成矿的可能性极小;施工的浅钻QZ22301未发现异常,QZ22302为异常,测井解释铀含量最高点约60×10^-6。

通过对土壤氡气异常分析,研究区内异常分为5个区域,结合地质及工程揭露情况,分析土壤氡气对研究区内铀矿成矿情况:一是研究区南西侧Ⅰ号异常,该区域断层多而复杂,已施工钻孔有3个异常孔,氡气异常范围大,异常连续性较好,在其南东、南西均未开展土壤氡气测量,但伽马总量填图在南东发现多个异常点,具有良好的铀矿找矿背景;二是研究区中部Ⅱ号异常,沿断层F₁及次级断层走向方向已施工钻孔有2个见矿孔,该区域氡气异常范围大,异常连续性较好,是研究区的主要铀矿体;三是研究区北东侧Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ号异常,沿断层F₁、F₂及次级断层走向方向,土壤氡气含量极高,但变化极大,且高值范围很小,可能为多个独立小矿体,且铀含量较高,已开展工作效果不理想,初步认为不具备继续开展工作的价值。

研究区由于喀斯特地貌,地表工程效果不理想,施工难、编录难、取样难,难以达到目的,若后期有进一步开展工作,建议浅钻代替地表工程。在研究区南西侧向南部开展,在中部沿断层F₁走向延伸开展,在北东侧沿断层F₂走向延伸开展。在工作开展过程中要注意断层深部延展情况,防止钻探过深,以免将目标矿体误判至三叠系下统飞仙关组二段中,该地层不利于铀矿赋存;鉴于喀斯特地貌的特殊性,同时还要加强对溶洞的调查,以避免矿体分布于溶洞之中。

1) 研究区土壤氡气异常带与断层走向相吻合,同时和地层相关,不同地层中的断层处土壤氡气含量相差较大,氡气含量在三叠系中—下统嘉临江组一段和三段中比在三叠系中—下统嘉临江组二段和三叠系下统飞仙关组二段中高很多。

2) 结合综合剖面分析,碳酸盐岩地层中断层角砾胶结程度高,有利于铀矿赋存,铀矿勘查目标应在三叠系中—下统嘉陵江组一段断层中。

3) 土壤氡气对深部铀矿具有良好的反映,但无法判断断层中铀矿矿体的具体位置,且无法判断是铀异常还是铀矿体,需其他工程进一步验证。