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物探与化探, 2025, 49(4): 818-825 doi: 10.11720/wtyht.2025.1317

地质调查资源勘查

安徽石台地区碳硅泥岩型铀矿目标层伽马能谱异常特征及其与铀成矿关系

周乾,1,2, 刘琛琛1,2, 杨彪1,2, 方翔宇1,2, 周忠平1,2

1.安徽省核工业勘查技术总院, 安徽 芜湖 241002

2.安徽省地质矿产勘查局 放射性资源与环境工程研究中心, 安徽 芜湖 241002

Anomaly characteristics in gamma-ray spectra and their relationship with uranium mineralization for target layers in carbonaceous-siliceous-argillaceous rock-hosted uranium deposits in Shitai area, Anhui Province, China

ZHOU Qian,1,2, LIU Chen-Chen1,2, YANG Biao1,2, FANG Xiang-Yu1,2, ZHOU Zhong-Ping1,2

1. Anhui Nuclear Exploration Technology Central Institute, Wuhu 241002, China

2. Radiological Resources and Environmental Engineering Research Center, Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province, Wuhu 241002, China

第一作者: 周乾(1990-),男,硕士,2015年毕业于东华理工大学,高级工程师,主要从事地球物理勘查工作。Email:zhouqianwd@163.com

责任编辑: 王萌

收稿日期: 2024-07-25   修回日期: 2024-09-13  

基金资助: 安徽省公益性地质调查基金项目“安徽省池州市葛公镇-占大镇一带铀矿调查评价”(2021-g-1-1)

Received: 2024-07-25   Revised: 2024-09-13  

摘要

安徽石台地区位于修水—宁国碳硅泥岩型铀成矿带的东段,该区断裂构造活动频繁,铀成矿潜力较大。为探讨皖南石台地区的铀成矿前景,本文在该区开展了1∶5万比例尺的地面伽马能谱测量,采用传统统计法和铀差量分析法提取铀成矿信息,并分析了区内放射性元素的分布特征。通过能谱—地质剖面研究了荷塘组4个层段的放射性异常特征,发现其中第一段的铀含量最高。结合野外地质调查和显微岩石学分析,进一步研究了该层的地质特征及其与铀成矿的潜在关系。结果表明,荷塘组地层是区内的主要铀源层,而荷塘组一段则为主要的含矿层,富含大量有机质、黏土矿物、黄铁矿等成矿物质,有利于铀的富集。对目标层的深入研究为后续该地区同类型铀矿的勘查提供了技术指导。

关键词： 伽马能谱特征; 地质剖面; 碳硅泥岩型铀矿; 石台地区

Abstract

The Shitai area in southern Anhui Province, China is located in the eastern part of the Xiushui-Ningguo carbonaceous-siliceous-argillaceous rock-hosted uranium metallogenic belt. The frequent activity of fault structures in this area contributes to great uranium mineralization potential. To explore the uranium resource potential in the Shitai area, this study conducted 1∶50 000 ground-based gamma-ray spectrometry. Accordingly, this study extracted metallogenic information using traditional statistical methods and difference analysis of uranium content, followed by the analysis of the distribution characteristics of radioactive elements. Then, this study analyzed the radioactive anomalies in the four members of the Hetang Formation based on the spectra and geological profiles. The analytical results revealed that the highest uranium content occurs in the first member of the Hetang Formation. By combining field geological surveys and microscopic petrographic analyses, this study further investigated the geological characteristics of the first member, as well as their potential relationships with uranium mineralization. The results indicate that the Hetang Formation serves as the primary uranium source in the Shitai area, with its first member identified as the main ore-bearing layer. This member is rich in ore-forming materials including organic matter, clay minerals, and pyrite, creating favorable conditions for uranium enrichment. The in-depth research on the target layer will provide technical guidance for exploring the same type of uranium deposits in this area.

Keywords： gamma-ray spectrum characteristic; geological section; carbonaceous-siliceous-argillaceous rock-hosted uranium deposit; Shitai area

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本文引用格式

周乾, 刘琛琛, 杨彪, 方翔宇, 周忠平. 安徽石台地区碳硅泥岩型铀矿目标层伽马能谱异常特征及其与铀成矿关系[J]. 物探与化探, 2025, 49(4): 818-825 doi:10.11720/wtyht.2025.1317

ZHOU Qian, LIU Chen-Chen, YANG Biao, FANG Xiang-Yu, ZHOU Zhong-Ping. Anomaly characteristics in gamma-ray spectra and their relationship with uranium mineralization for target layers in carbonaceous-siliceous-argillaceous rock-hosted uranium deposits in Shitai area, Anhui Province, China[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(4): 818-825 doi:10.11720/wtyht.2025.1317

0 引言

铀是一种涉及国防与高科技的重要战略资源,也是一种安全、高效、清洁、经济的能源资源,对保障国防安全、实现能源安全、优化能源结构和改善环境问题具有重要作用[1]。我国铀矿类型主要分为花岗岩型铀矿、火山岩型铀矿、砂岩型铀矿、碳硅泥岩型铀矿4大类[2-4]。其中,碳硅泥岩型铀矿是指在特定地质时期(主要为晚震旦世至二叠纪)形成于含铀的海相碳硅泥岩建造中的铀矿床,其成矿主要受控于地层层位、岩性岩相以及构造等因素[5-7]。安徽石台地区位于(江西)修水—(安徽)宁国碳硅泥岩型铀矿成矿带的东段。目前该成矿带内的铀矿床集中分布在成矿带的西段,如江西修水地区的保峰源、董坑等铀矿床,而在成矿带东段的皖南一带仅发现少量铀矿点和异常点。近年来,地质研究已在该区域开展,例如通过皖南宣城地区的1∶5万航空伽马能谱数据分析夏林一带放射性元素的分布特征,并推断区内震旦系—寒武系碳质地层可能为主要的铀源层和含矿层[8]。在宁国—绩溪一带开展的地质剖面调查,进一步揭示了碳硅泥岩型铀矿的成矿特征,总结了铀成矿规律[9]。然而,目前对皖南地区寒武系荷塘组作为找矿目标层的放射性异常特征与铀矿化关系尚缺乏系统而深入的研究。

本文针对安徽石台地区的铀元素分布特征,提出了伽马能谱测量在碳硅泥岩型铀矿勘查中的新认识。通过地面伽马能谱测量,采用统计法和差量法对铀元素数据进行处理,提取铀成矿信息,并结合地质特征圈定铀成矿的有利区域。进一步通过能谱—地质剖面的详细研究,探讨了荷塘组4个层段的伽马能谱异常特征,结合野外地质调查和显微观察,分析了区内寒武系荷塘组地层与铀成矿的关系,推断荷塘组一段为含矿层,为进一步勘探类似的铀矿提供技术支撑。

1 地质概况

1.1 地质特征

研究区位于安徽省石台县西南部,地处江南隆起带北缘与下扬子坳陷带南侧之间的过渡地带。区域内主要发育NE向的高坦断裂和江南深断裂,这两条断裂分别位于研究区的北侧和南侧。NNE向的葛公镇大断裂贯穿研究区西北侧,该断裂活动频繁,导致NE向和NNE向次级断裂的进一步发育,使早古生代地层褶皱形成多个复背斜和复向斜造。同时,伴有岩浆热液活动,形成了一系列中酸性花岗闪长岩体和岩脉(图1)。

图1

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图1   石台地区位置(a)及区域地质简图(b)

Fig.1   Location (a) and regional geological map (b) of Shitai area


研究区出露地层属于下扬子地层分区,新元古界的震旦系蓝田组和皮园村组主要出露在研究区南部的大岩山一带,蓝田组(P${t}_{3}^{3b}$l)主要由碎屑岩和碳酸盐岩组成。皮园村组(P${t}_{3}^{3b}$1p)则为硅质岩夹炭硅质岩。古生界的寒武系地层在研究区广泛分布,其中,寒武纪初期为碳硅泥岩沉积,逐渐演化为碳酸盐岩、泥质碳酸盐岩。自下而上,寒武系地层依次为荷塘组(1-2h)、大陈岭组(2d)、杨柳岗组(3y)、团山组(4t)和青坑组(4q)。其中,荷塘组由深灰色—灰黑色的碳硅质泥页岩组成,倾向为NE,倾角为15°~45°。大陈岭组与荷塘组呈平行整合接触,主要岩性为泥质灰岩。杨柳岗组的岩性主要为灰岩和泥灰岩。团山组为砂屑灰岩与纹层状灰岩互层。青坑组则以泥质灰岩、细微晶灰岩为主。

研究区内还发育少量脉岩,脉岩类型以闪长玢岩脉为主,主要呈SN向和NE向分布。

1.2 目标层特征

研究区碳硅泥岩型铀矿的主要找矿目标层为寒武系荷塘组地层。多年来,通过地质编录、放射性物探、化探及矿物分析等方法进行了详细的综合研究,并将其分为了4个层段[10-12],自下向上依次为 1-2h1、 1-2h2、 1-2h3、 1-2h4。第一段(1-2h1)的主要岩性为深灰色中—薄层状硅质炭质泥岩和泥页岩,炭质和泥质含量高,铀含量为(50.23~200.54)×10-6。第二段(1-2h2)以深灰色中—中厚层状炭质硅质泥页岩和泥岩为主,硅质含量相对较高,铀含量为(8.23~15.31)×10-6。第三段(1-2h3)的岩性主要为灰黑色中层状硅质炭质泥页岩,并夹有灰黑色钙质页岩,炭质含量较高,铀含量为(23.20~50.32)×10-6。第四段(1-2h4)主要由深灰色至灰黑色中层状硅质炭质泥页岩、炭质硅质泥页岩组成,泥质含量较高,铀含量为(5.23~22.32)×10-6(图2)。

图2

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图2   地层柱状图

Fig.2   Stratigraphic column diagram


2 研究方法及数据处理

2.1 研究方法

地面伽马能谱测量是检测土壤或岩石中天然放射性元素铀、钍、钾的放射性强度的直接且有效的方法,广泛应用于放射性矿产的勘查[13-16]。在研究区开展了1∶5万的地面伽马能谱测量,测线沿NW方向布置,线距为500 m,点距为100 m,使用RS125型便携式多道伽马能谱仪。采用传统统计法和差量法对U含量数据进行处理,分析铀异常场与地层的空间展布关系,进而圈定铀成矿有利区域。在此基础上,开展了1∶5 000比例尺的能谱—地质剖面测量,研究荷塘组地层、构造与铀矿化的关系,并在有利位置进行了钻孔验证。最后,对钻孔中铀矿石进行了显微岩石学分析,研究其物质组成及其与铀成矿的关系[17-20]。电子探针分析由东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成,仪器型号为JXA-8230,工作电压为15.0 kV,束流为20.0 nA,束斑为1 μm。

2.2 数据处理

传统统计法用于对研究区各测点的铀含量数据进行算术正态分布统计,以计算数据的算术平均值($\stackrel{-}{X}$)和标准差(S),并将算术平均值$\stackrel{-}{X}$作为研究区背景值。根据背景值和标准差,可划分为偏高场($\stackrel{-}{X}$+S≤U<$\stackrel{-}{X}$+2S),高场($\stackrel{-}{X}$+2S≤U<$\stackrel{-}{X}$+3S),异常场(U≥$\stackrel{-}{X}$+3S)。并绘制地面伽马能谱U含量的相对等值图。

差量法通过计算各测点的U含量与其所在地质单元的铀含量平均值的差值来提取铀成矿信息,以铀差量等于零为分界,铀差量大于零的区域更具成矿潜力。该方法可有效抑制岩性背景的影响,突出局部铀异常[15],其计算公式为:

$\Delta {U}_{i}={U}_{i}-\stackrel{-}{U},$

式中:ΔUi表示铀差量值;Ui表示测点铀含量值;$\stackrel{-}{U}$表示测点所在地质单元的铀含量平均值。

3 研究区伽马能谱特征

3.1 物性参数特征

研究区不同地质体的沉积环境、岩性以及岩浆侵入的热液影响各异,导致铀、钍、钾含量在地质体间存在明显差别[13]。由表1可知:青坑组、团山组、杨柳岗组、大陈岭组的铀元素含量背景值分别为4.61×10-6、4.48×10-6、5.01×10-6、9.13×10-6,均高于地壳丰度,但明显低于荷塘组的背景值。寒武系荷塘组的铀含量最高,达到15.75×10-6,其背景值约为地壳丰度的6.3倍,表明铀在该地层中已预先富集,是成矿的主要铀源层。荷塘组钍铀比值为0.80,为区内最低值,铀含量的均方差(10.97)、变异系数(0.70)均较高,表明荷塘组中铀元素分布不均,易于在局部有利地层或构造发育地段发生活化和分离,形成铀矿富集区[21]。

表1   石台地区主要地层(岩石)放射性参数

Table 1  Radioactivity parameters of main strata (rocks) in Shitai area

组段代号岩性放射性参数Th/U
U/10-6Th/10-6K/%
背景值均方差变异系数背景值均方差变异系数背景值均方差变异系数
芜湖组Qhw粉砂质黏土4.420.820.1912.052.120.181.950.560.292.73
青坑组4q泥质灰岩4.611.630.3511.724.830.412.230.990.442.54
团山组4t泥质条带灰岩4.481.360.306.702.050.311.340.560.421.50
杨柳岗组3y纹层状微晶灰岩5.011.750.3511.234.520.402.560.830.322.24
大陈岭组2d白云质灰岩9.133.840.424.1820.034.794.181.170.280.46
荷塘组1-2h炭质、硅质页岩15.7510.970.7012.645.730.452.591.190.460.80
皮园村组P${t}_{3}^{3b}$1p硅质岩5.942.520.427.234.020.561.351.250.931.22
蓝田组P${t}_{3}^{3b}$l泥岩5.871.610.2713.314.480.343.171.280.402.27

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3.2 地面伽马能谱特征

通过1∶50 000地面伽马能谱测量发现,区内铀含量平均值为5.6×10-6,背景值为地壳丰度的2.2倍,表明该区为高铀分布区。根据地面伽马能谱铀含量相对等值线(图3)的分析可知,区内铀元素分布具有明显的分带性,异常场连续性好。铀异常主要受荷塘组地层控制,呈NE向展布。同时,铀高场和异常场多分布在NEE向的次级断裂或层间构造破碎带内,推测构造活动造成铀的活化迁移,使其在有利部位聚集成矿。地面伽马能谱铀差量等值线(图4)显示,铀差量值区域存在较大的不均匀性,正值区域(ΔU>0)整体呈NE向展布,且正值域越大,其对应的平面分布面积越小,连续性越差,呈团块状或豆点状分布。与地面伽马能谱相对等值线的异常场相比,铀差量异常场的范围更为局限,且与铀矿化关系密切,铀差量数值越大越有利于深部成矿。这表明,差量法能够有效减少地质体背景值的影响,抑制表层干扰,识别局部铀异常范围和铀差量幅度,突出深部铀成矿的放射性信息。综上所述,根据铀异常分布特征推断,荷塘组地层中多构造交汇部位是有利的成矿地段,并圈定铀成矿的有利区域1处。

图3

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图3   石台地区铀元素相对等值线

Fig.3   Relative contour map of uranium element in Shitai area


图4

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图4   石台地区铀差量等值线

Fig.4   Contour map of uranium disparity in Shitai area


3.3 综合剖面特征

从图5可以看出,钍元素曲线整体趋势较为稳定,而铀元素曲线振幅变化显著,这主要是由于钍元素较为稳定,不易氧化,而铀元素活性较高,易氧化,因此,在淋滤作用下,铀元素更容易发生活化和迁移。该剖面中出露的地层主要为寒武系荷塘组,通过对能谱—地质剖面的研究发现,寒武系荷塘组的4个层段在伽马能谱响应特征上存在明显差异。其中,荷塘组一段铀含量为(7.5~106.7)×10-6,平均值为35.36×10-6。铀异常峰值高且异常连续性好,钍和钾含量与铀呈正相关性,总体表现为高铀、偏高钍、高钾的放射性异常特征。荷塘组二段铀含量为(5.1~9.7)×10-6,平均值7.37×10-6。铀、钍和钾含量相对稳定,整体偏低,总体表现为低铀、低钍、低钾的放射性异常特征。荷塘组三段铀含量为(5.6~87.5)×10-6,平均值为22.13×10-6。铀异常峰值偏高且异常带较宽,钍、钾含量与铀呈正相关性,总体表现为偏高铀、偏高钍、偏高钾的放射性异常特征。荷塘组四段铀含量为(4.2~18.1)×10-6,平均值为9.99×10-6。铀、钍含量相对稳定,整体偏低,而钾含量振幅较大,表现为铀偏低、钍偏低和钾含量较高的放射性异常特征。

图5

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图5   能谱—地质剖面综合解释

Fig.5   Spectral-geological section integration interpretation


通过对比荷塘组4个层段的伽马能谱特征,发现荷塘组一段铀含量均值最高,铀富集特征最显著,最高达106.7×10-6,钍铀比值为0.65,为4个层段最低。较低的钍铀比值表明,铀在后期可能出现二次富集,是成矿的有利指示[16]。推测随着地球化学环境的变化,铀元素可能发生了活化迁移。结合野外地质调查结果,荷塘组一段呈层状构造,富含炭质,发育有泥质结核,底部见石煤层。该层段整体较为破碎,在石煤层上部裂隙发育处U含量表现为高值,局部观察到绢云母化、绿泥石化等蚀变现象,表明荷塘组一段受热液作用影响显著。因此,推断荷塘组一段是找矿有利层位。

4 铀成矿综合分析

通过对安徽石台地区找矿目标层放射性异常特征的研究分析,认为寒武系荷塘组具有高铀的放射性特征,表明其本身为富铀地质体,可以为该区提供重要的铀源。能谱—地质剖面研究进一步揭示,荷塘组一段表现出高铀、偏高钍和高钾的放射性异常特征。基于地质—能谱剖面中铀异常的识别结果,并结合地质特征,在异常带北部约150 m的长龙上地段进行了钻孔验证,发现工业孔1个,铀矿化赋存在荷塘组一段上部的裂隙破碎带,矿体厚度为0.9 m,平均品位为0.052%。铀矿石岩性主要为深灰色中薄层状的硅质炭质泥岩和泥页岩,裂隙面可见钙铀云母、钒钙铀矿等次生铀矿物,同时观察到绢云母化、绿泥石化、硅化及黏土化等蚀变现象(图6a)。

图6

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图6   石台地区铀矿石样品及矿物微观特征照片

Fig.6   Photos of uranium ore samples and mineral microcosmic characteristics in Shitai area


显微观察和扫描电镜研究表明,与荷塘组其他层段相比,第一段富含大量有机质、黏土矿物和黄铁矿,大量黑色有机质胶结充填于矿物颗粒之间,呈团块状展布(图6b),表明在沉积成岩阶段的缺氧还原环境中,有利于铀元素的还原沉淀,有助于碳硅泥岩型铀矿的形成[5]。铀矿石中还发现钙铀云母、钒钙铀矿等典型形成于表生氧化环境的铀矿物(图6c、d),表明荷塘组地层经历了后期热液或淋积作用,导致铀元素的再富集。

综上所述,寒武系荷塘组不仅是富铀层位,也是含矿层。受有机质、黏土矿物和黄铁矿等物质的影响,活化的高价铀离子被还原成稳定的低价铀矿物,后期构造活动对铀源层产生了强烈的脆性变形,形成层间破碎带和裂隙密集带等,进而促使铀在荷塘组一段中溶解、迁移并最终富集成矿。

5 结论

1)在碳硅泥岩型铀矿勘查中,通过传统统计法和差量分析法处理地面伽马能谱中的铀含量数据,获得的放射性异常区与荷塘组分布高度一致,证明该方法在识别富铀地层分布方面具有较高的实用性和可靠性。

2)通过能谱—地质的剖面测量,研究了寒武系荷塘组4个层段的放射性异常特征,结果表明荷塘组一段的铀平均含量较高,这与有机质、黏土矿物等成矿物质的富集密切相关。荷塘组一段的破碎带附近是有利的找矿目标区域。

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铀资源是我国重要的战略资源和能源矿产，为摸清其资源潜力，科学规划资源勘探、开发与利用，铀矿与其他25个重要矿种一同开展了全国性的资源潜力评价工作。在项目开展过程中，通过对中国铀矿资源特征、铀矿床类型（成因类型和预测类型）、时空分布研究，总结了中国铀矿的成矿规律。评估工作全面梳理了中国铀资源勘查成果与最近铀矿勘查工作进展，总结了中国铀矿时空分布特征及规律，划分了29个铀成矿区带和20个铀成矿远景区带；建立了4大类9类21亚类铀矿床类型划分方案，划分了50个铀矿预测类型；采用矿床模型综合地质信息法完成了共49个铀成矿（远景）区带的资源潜力评价工作；并对各区带潜力评价成果进行了全面的统计与分析。上述研究成果综合分析、评价了我国铀资源潜力，为未来的铀矿找矿工作和核能发展规划提供了依据。

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