內蒙古二連盆地砂巖型鈾礦深穿透地球化學掃面技術的應用

竇 備，張必敏，王學求，劉武生，柳青青，韓志軒，周 建，劉映東，劉 彬，張寶勻，李瑞紅

( 1.中國地質大學(北京)，地球科學與資源學院，北京 100083；2.自然資源部地球化學探測重點實驗室，中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，河北廊坊 065000；3.聯合國教科文組織全球尺度地球化學國際研究中心，河北廊坊 065000；4.中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室，核工業北京地質研究院，北京 100029 )

0 引言

鈾是一種重要能源與戰略資源，對國民經濟、核電事業以及國防科技的發展具有重要作用(李強等，2013)。砂巖型鈾礦是鈾資源的一種重要類型，世界上有18%的鈾來自于該類型礦床，這種礦床在美國、澳大利亞、尼日爾、南非和中亞地區分布最為廣泛(Hobday and Galloway，1999；IAEA，2009)。在我國，砂巖型鈾礦更是主要的鈾資源類型，目前其已探明儲量占鈾礦總探明儲量的40%以上。我國砂巖型鈾礦主要分布在北方松遼、二連、鄂爾多斯、巴音戈壁、伊犁、吐哈等幾個中新生代盆地(陳戴生等，2003；徐志剛等，2008；劉武生等，2012)。大量地質資料表明，該類型礦體一般產于一定深度的緩傾斜砂巖層的氧化-還原過渡帶中，常以盲礦、隱伏礦產出，其上沉積覆蓋較厚，斷裂不發育，地貌景觀較平坦，以荒漠、戈壁為主，地表原生暈和次生暈不發育或欠發育，找礦線索較少，這就增加了尋找該類型礦床的難度(葉慶森等，2004；張金帶等，2010；劉波等，2019)。

盆地內尋找砂巖型鈾礦手段較多，在找礦過程中通常運用多種物化探方法并根據地質情況圈定遠景區，摸清地下淺層砂體的空間展布規律，確定成礦有利部位，再結合各類識別技術和鉆探手段來找礦。常用的方法有航空放射性測量、航空磁測、高精度磁法、電法、重力法、氡及其子體法(含218Po法、210Po法等)、伽瑪能譜法等，取得了較多研究與應用案例(徐增亮等，1990；談成龍，2000；劉慶成，2004；葉慶森等，2004；葉樹林和童建平，2004；籍增賢，2007；劉武生等，2015；吳曲波等，2017；石連成等，2019)。由于受到礦體上部蓋層影響，在運用地球化學方法尋找砂巖型鈾礦過程中，常規區域化探方法顯然無法實現找礦目的，因此能夠捕捉來自深部鈾礦體發出的直接找礦異常信息的深穿透地球化學勘查方法是解決隱伏砂巖型鈾礦勘查難題的有效途徑之一。

用于砂巖型鈾礦勘查的深穿透地球化學方法有金屬活動態測量、分量化探法、地氣法、地電法等(楊亞新等，2001；張衛民，2002；尹金雙等，2004；劉紅艷和王學求，2006；王永茂，2010；Wang et al.，2011；姚文生等，2012；葛祥坤等，2013；滿榮浩等，2015；柯丹等，2016；徐善法等，2017)。這幾類方法中，金屬活動態測量和分量化探法主要利用特定提取試劑將賦存于地表土壤顆粒表面的活動性金屬鈾進行提取測量，以圈定異常。由于樣品預處理流程特殊，分析監控復雜，目前全國僅少量幾家實驗室有分析能力。地氣法和地電法需要用到專業取樣設備，取樣效率偏低，分析也有特殊要求，因而推廣難度較大，也不適用于大范圍化探掃面工作。近幾年，地科院物化探所從鈾在地表土壤中的賦存狀態入手，提出了土壤微細粒分離技術(Wang et al.，2011；姚文生等，2012；張必敏等，2016)。該技術采用篩分地表土壤樣品中細粒級組分的方式，以達到對活動態鈾物理分離的目的，實驗室分析的仍是土壤樣品的全量，該技術雖然為一種常規化探方法，但其從原理上又可定義為一種深穿透地球化學方法(張必敏等，2016)。由于該技術樣品采集快速，并仍使用常規分析方法，因此可用于在盆地內快速有效地開展大面積地球化學掃面工作，以圈定鈾礦遠景區，并可有效地配合地質工作，盡快落實勘探靶區，縮短勘探周期。目前，我國北方大量盆地還屬于區域化探掃面空白區，有的盆地即使完成了該項工作，效果也不佳，因此亟待采取行之有效的新方法快速完成剩余空白區。本文主要通過介紹在內蒙古二連盆地開展的砂巖型鈾礦深穿透地球化學掃面技術試驗工作，從采樣介質、工作方法、成果與解釋等幾個方面進行闡述，為該方法原理的推廣應用提供支持。

1 地質及景觀特征

1.1 區域地質背景

內蒙古二連盆地是我國主要的產鈾盆地之一，其位于內蒙古中北部邊陲，是在興-蒙海西期褶皺基底上發育起來的大型中新生代斷-坳型裂谷盆地。盆地由5個坳陷(馬尼特、烏尼特、烏蘭察布、川井和騰格爾坳陷)和1個隆起(蘇尼特隆起)組成，各坳陷及隆起又分成多個次級凹陷和凸起，分割性強，俗稱“碎盆”(焦貴浩等，2003)。盆地中的主要含礦目標層為賽漢組，其次是二連組和騰格爾組，其他層位目前尚未發現有潛力的工業鈾礦化(聶逢君等，2015)。

研究區位于盆地中部的額仁淖爾-賽漢高畢地區，處于烏蘭察布坳陷內，該坳陷呈北東東向展布，夾持于巴音寶力格隆起和蘇尼特隆起之間(圖1)。區內蝕源區主要由新元古界、上古生界和海西期花崗巖組成，鈾源豐富(凡秀君等，2008；劉武生等，2013)。出露的基巖主要有二疊系花崗巖、白堊系賽漢組沉積巖、白堊系二連組沉積巖、古近系呼爾井組、新近系通古爾組和寶格達烏拉組沉積巖以及第四系砂土(圖1)。

1.2 礦床地質特征

區內具有2處典型的鈾礦床分布：一處是以努和廷超大型鈾礦床為代表的沉積成巖型鈾礦床，該類型鈾礦床具埋藏淺(僅10～80 m)、品位富、規模大(面積70 km2，達特大型規模)等特點，鈾礦化發育于上白堊統二連組，礦石成分主要為泥巖和粉砂巖，區內還發現有蘇崩中型鈾礦床、章古音小型鈾礦床，找礦潛力較大(李洪軍和曠文戰，2010；曠文戰等，2014)。該處鈾礦床分布區位于研究區西部古沉積湖泊區域(圖1)。另一處是以賽漢高畢中型鈾礦床為代表的古河道型鈾礦床，具礦體埋藏較深(150～780 m)、礦化品位低、礦體厚度較厚(平均6.38m)、礦化規模大(面積數百平方公里，達大型規模)等特點，主要產于下白堊統賽漢組上段古河道砂巖中，區內發現有齊哈日格圖-賽漢高畢古河道，目前有賽漢高畢鈾礦床和齊哈日格圖鈾礦產地，找礦潛力大(凡秀君等，2008；曠文戰等，2014)。該處鈾礦床分布區位于研究區中東部古河道區域(圖1)。

1.3 地理景觀特征

研究區為內蒙古高原的一部分，屬高原低山丘陵半干旱草原地貌，地勢平坦，北西、南東緣地勢稍高，中部低緩，地形起伏小，海拔標高920～1100 m，呈北東向的梯形洼地。受蒙古高壓影響，氣候以干旱-半干旱大陸性氣候為主。由于特殊的景觀條件，風化作用以物理風化為主，化學風化較弱，風蝕與風搬運作用強烈，區內絕大部分地方地表被風成沙土所覆蓋。由于干旱，植被不甚發育，地表生長有稀疏的禾草、沙蔥、駱駝刺等植物，土壤成熟度不高(張必敏等，2013)。

圖1 二連盆地中部額仁淖爾-賽漢高畢地區地質簡圖(據劉武生等,2013;曠文戰等,2014)Fig.1 Geological sketch of Errennaoer-Saihangaobi area in the middle of Erlian Basin(after Liu et al.,2013;Kuang et al.,2014)1-第四系；2-通古爾組；3-呼爾井組；4-伊爾丁曼哈組；5-二連組；6-賽漢組；7-阿拉坦合力組；8-二疊系；9-石炭-二疊系；10-石炭 系；11-奧陶系；12-元古界；13-花崗巖；14-斷層；15-鈾鉆孔；16-國界線；17-古沉積湖泊；18-古河道1-Quaternary；2-Tunggur Formation；3-Houldjin Formation；4-Yierdingmanha Formation；5-Erlian Formation；6-Saihan Formation；7-Alatan Heli Formation；8-Permian；9-Carboniferous-Permian；10-Carboniferous；11-Ordovician；12-Proterozoic；13-granite；14-fault；15-uranium drillhole；16-national border；17-palaeosedimentary lake；18-ancient river course

2 采樣介質選擇

研究區地表風成沙發育，為了選擇合適的采樣介質，進行了地表土壤樣品不同采樣深度和采樣粒級的實驗工作(Rose et al.，1979；蔣敬業等，2006)。

將努和廷砂巖型鈾礦體上方380～840 μm、250～380 μm、180～250 μm、150～180 μm、120～150 μm、110～120 μm、97～110 μm、76～97 μm 和<76 μm。各粒級區間樣品的質量分布情況見表1?？梢钥闯龅乇硗寥赖牧＜壌蟛糠痔幱?20～840 μm之間，據以往的研究顯示，該粒級區間也是風成沙的主要分布區間。

表1 研究區各粒級土壤樣品質量分布

對不同粒級土壤樣品進行元素全量分析，結果見表2。可以看出U、Th、Mo、V等與鈾礦(化)體相關的元素含量與土壤粒級具有明顯的相關關系，即土壤粒級越細，元素含量越高，在<76 μm目土壤樣品中最為富集。而土壤中SiO2則相反，在粗粒級中最高，細粒級中最低，細粒級土壤樣品可有效避免風成砂的干擾。結果表明，U等成礦元素更容易在地表細粒級土壤中賦存，這與以往的研究結果相一致，野外選取<76 μm目土壤樣品等于對來自深部的成礦元素進行了物理富集，因此土壤微細粒分離技術在該景觀區切實可行(Wang et al.，2011；張必敏等，2016)。

表2 地表不同粒度土壤元素含量(10-6)

此外，對礦體上方不同深度的土壤樣品進行了采樣與實驗。從地表往下每隔10 cm取一個組合樣，樣品取樣粒級為<76 μm，共取了6件樣品。對不同深度土壤樣品進行了元素全量分析，結果見圖2。可以看出U、Th、Mo、V等元素在0～10 cm深度土壤樣品中的含量明顯低于10～60 cm深度樣品中的含量，而10～60 cm深度樣品元素含量變化不明顯。結果表明，10～60 cm的土壤樣品較0～10 cm受風成沙干擾小，U等成礦元素更易富集。根據采樣粒級、采樣深度的實驗，結合區域化探任務量大的特點，為提高采樣效率，避免風成砂的干擾，本次工作選取15～30 cm內<76 μm目的土壤樣品為采樣介質。

圖2 不同深度土壤元素含量Fig.2 Element content of soil samples from different depths

3 工作方法

3.1 野外樣品采集

根據實驗選定的土壤采樣深度和粒級，在二連盆地額仁淖爾-賽漢高畢地區開展了面積約6400 km2的1∶25萬深穿透地球化學掃面工作。在地勢相對低洼的地區采集土壤樣品，采樣密度為每4 km2采集1件樣品，同時在研究區內均勻采集重復樣，重復樣采樣比例大于5%，共采集樣品1711件。采樣深度為15～30 cm，在野外直接用200目篩子篩取<76 μm目的微細粒土壤樣品。實際采樣點位圖見圖3。

圖3 二連盆地區域地球化學掃面技術試驗實際采樣點位圖Fig.3 Sampling sites for experiment of geochemical mapping in Erlian Basin

3.2 樣品分析

土壤樣品在中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所中心實驗室分析，分析元素包括U、Th、Mo、V、Au、Ag、Cu、Ni、Pb、Zn、Co、Cr、Hg、稀土等共54項，分析方法以等離子體質譜法(ICP-MS)和X射線熒光光譜法(XRF)為主，在配合無火焰原子吸收光譜法(AAN)、等離子體光譜法(ICP-AES)、氫化物-原子熒光光譜法(HG-AFS)、發射光譜法(ES)、離子選擇性電極(ISE)以及冷蒸汽-原子熒光光譜法(CV-AFS)(表3)(張勤，2005)。

表3 樣品元素分析方案

3.3 圖件制作

地球化學圖件采用中國地質調查局發展中心研制的Geoexpl軟件繪制。數據采用克里格法進行網格化，然后繪制等值線圖。成圖色階采用累頻劃分等值線間隔，累頻分別為0.5%、1.2%、2%、3%、4.5%、8%、15%、20%、25%、40%、60%、75%、85%、92%、95.5%、97%、98%、98.8%、99.5%。

4 結果與討論

4.1 數據分析

對研究區內Au、As、Cu、Hg、Mo、Ni、Th、U、V、W等元素作R型聚類分析，以研究元素之間的相關性。從圖4可以看出U和Mo的相關性最高，相關系數為0.46，其次為Th、V。這三種元素恰恰是砂巖型鈾礦的伴生元素(尹金雙等，2004)，在異常區這很可能是深部礦體在地表的一個反映。

圖4 研究區元素R型聚類分析圖Fig.4 R-type cluster analysis of elements in study area

前面已經提到，區內有2處典型的鈾礦床分布區，一處是以努和廷為代表的沉積成巖型鈾礦床，位于古沉積湖泊區域；另一處是以賽漢高畢鈾礦床和齊哈日格圖鈾礦產地為代表的古河道型鈾礦床，位于古河道內。因此，在該地區，古沉積湖泊和古河道是找鈾礦的有利區域。圖1標示出了研究區內已發現的古沉積湖泊和古河道區域，上述的已知礦包括見礦工業孔絕大部分落在這兩類區域當中。由于古湖泊和古河道為找礦有利部位，因此對這兩類區域地表采集的土壤樣品U和Mo數據進行了獨立統計，并和全區的結果進行了對比，結果見表4。從表中可以看出，在古湖泊和古河道區域土壤樣品U和Mo兩種元素的平均值和富集系數均略大于全區的平均值，因而區域上土壤中U、Mo元素異常在一定程度上指示了尋找砂巖型鈾礦的有利地區。從富集系數也能看出，該地區U和Mo本身就存在一定的富集，明顯高于中國東部地殼豐度。

表4 元素統計表(單位:10-6)

4.2 區域地球化學異常

在二連盆地額仁淖爾-賽漢高畢試驗區鈾地球化學圖中(圖5)，圈出了9處濃度大、范圍廣、具多層套合關系的鈾地球化學異常區。本文對9處異常逐一進行了討論。

異常1和異常2位于賽漢高畢的準寶力格凹陷內，區內主要出露古近系伊爾丁曼哈組和新近系通古爾組黃色砂巖、灰色、黃綠色泥巖、粉砂巖及第四系砂土。異常區面積較大，達250 km2。該異常與賽漢高畢中型鈾礦床具有很好的對應關系，同時也位于古河道范圍內。該礦體埋藏較淺(80～160 m)，這可能也是造成地表細粒級土壤鈾異常明顯的原因。

圖5 二連盆地額仁淖爾-賽漢高畢試驗區鈾地球化學圖及異常分布Fig.5 Uranium geochemistry and anomalies in Erennaoer-Saihangaobi test area，Erlian Basin

異常3位于齊哈日格圖凹陷中，區內主要出露古近系伊爾丁曼哈組和新近系通古爾組黃色砂巖、灰色、黃綠色泥巖、粉砂巖和第四系砂土。異常區面積約為60 km2。異常濃度北低南高，且濃度值高。經現場勘查，該異常與齊哈日格圖鈾礦產地具有較好的對應關系，在異常內分布有工業鈾礦化孔。該礦礦體埋深為230～380 m，具東北淺，南西深特點，這與異常的分布是一致的。同時該異常往南未閉合，往北與異常1和異常2之間有一片北東向的弱異常帶，該異常帶與古河道的展布方向是一致的，推測該異常周邊，特別是往南往北方向均具有大的鈾成礦遠景。

異常4位于額仁淖爾凹陷中北部。區內出露地層為上白堊統二連組上段，屬三角洲相和濱淺湖相沉積，巖性主要為灰色、深灰色砂礫巖、泥質粉砂巖和雜色泥巖等。異常總面積約為95 km2。異常4濃度高，呈三角形態，緊靠努和廷超大型鈾礦床。

異常5位于額仁淖爾凹陷西部，地表出露有賽漢組下段、二連組和古近系和第四系，巖性主要為風成沙、膠泥和砂石堆積物。異常呈南北向展布的橢圓形，異常強度中等，異常面積160 km2。該異常與道爾蘇鈾礦產地相一致，目前已發現產于賽漢組下段和騰格爾組的工業鈾礦孔8個，指示該區深部具有較好的砂巖型鈾礦找礦前景。

異常6和異常7主要位于衛境巖體內部，該區地表出露石炭-二疊紀粗?；◢弾r。異常形態呈駝峰狀，異常濃度大。經野外現場調查，發現高異常區處于構造破碎帶中，破碎帶內發育有熱液型鈾礦化。異常7的高異常區呈串珠狀，串珠狀的異常分布特征可能與該區域基巖出露，地勢上呈現水平起伏，往往形成小匯水域有關。

異常8位于二連鹽池的南部，區內主要出露二連組和通古爾組黃色砂巖、灰色、黃綠色泥巖、粉砂巖及第四系沙土。異常區面積大，達256 km2。該區域鉆探程度低，僅有零星的鉆孔控制，因此對深部砂體的分布情況以及成礦條件了解不深，由于該區域位于鹽池坳陷的邊部，理論上符合砂巖型鈾礦成礦條件，需進一步開展調查工作。

異常9位于額仁淖爾凹陷東邊的賽烏蘇隆起上，區內主要出露通古爾組黃色砂巖、灰色、黃綠色泥巖、粉砂巖。異常區面積較小，為25 km2，異常濃度北高南低。由于該異常處于隆起與凹陷交界部位，有可能是由于控制凹陷的正斷層引起。

對地球化學異常進行歸納，發現有如下特點：(1)鈾礦化位于鈾地球化學異常內或異常邊部，但鈾地球化學異常面積遠大于鈾礦化面積；(2)與構造破碎帶有關的花崗巖型鈾礦，鈾地球化學異常呈串珠狀沿構造破碎帶分布，異常單點濃度高，但面積窄而小；(3)與沉積建造有關的沉積成巖型鈾礦，鈾地球化學異常大小與鈾礦化的規模、埋深、覆蓋層類型等多重因素有關，不一定礦床規模越大，異常就越大。

根據以上對異常的解釋和歸納，證明利用土壤微細粒分離的深穿透地球化學掃面技術能較好地圈定區域內的已知鈾礦床或鈾礦化。此外，還圈出多處具有找礦遠景的區域，如異常1和異常3中間南北向展布區域，異常2東部區域，異常3南部區域，異常8。接下來，可根據這幾處找礦遠景區開展進一步的詳查工作。

4.3 討論

通過土壤微細粒分離技術可以有效圈定盆地內隱伏砂巖型鈾礦在地表引起的地球化學異常，與鈾元素的遷移及其技術原理密切相關。對土壤地球化學樣品進行微細顆粒分離，主要考慮到細粒級土壤中包含了大量的粘土礦物，在干旱區，地表細粒級土壤中的粘土礦物比例最高能達到40%(Wang et al.，2011)。粘土礦物是土壤中最主要的次生礦物，由于其具有的負電性和巨大的表面積，使其很容易吸附具活動性的帶正電荷的金屬陽離子、納微金屬微粒和金屬絡陽離子等。而活動性鈾主要以鈾酰絡陽離子的形式存在，因此很容易被粘土礦物吸附富集。以往也用到過化學提取的方式來分離活動性鈾(尹金雙等，2004；劉紅艷和王學求，2006；Wang et al.，2011；姚文生等，2012；徐善法等，2017)，相比元素活動態提取方法而言，微細粒分離則是一種純物理分離手段，方法簡單高效。另一方面，該地區地表普遍被風成沙所覆蓋，風成沙主要集中在40～100目，篩分后的細粒級土壤樣品也可同時避免風成沙的干擾，提高掃面效果。

分離活動性物質對深穿透地球化學而言具有重要的意義。因為深穿透地球化學要通過采集地表樣品實現捕捉來自深部異常的目的，成礦元素必須經歷從深部礦體到地表的遷移過程。要實現長距離的垂向遷移，元素必須具有活動性。對于鈾而言，在深部條件下，部分鈾礦石發生氧化，形成易溶于水的鈾酰絡陽離子，在地下水的作用下，很容易發生遷移。同時，由于砂巖疏松和多空隙以及膠結松散等特點，具有特別好的滲透性，加之砂巖內部的構造裂隙發育，為鈾元素的垂向與水平遷移提供了十分有利的通道。另一方面，該區氣候類型以干旱-半干旱氣候為主，潛水面較淺，溶解在地下水中的鈾到達潛水面后，地表強烈的蒸發蒸騰作用直接導致了地表鹽類的富集(Bradshaw and Lett，1980)，這也為活動性鈾的垂向遷移提供了一種可能機制(圖6)。這些都為活動性鈾遷移到地表提供了條件。因此，地表土壤中的活動性鈾通常反映的是一個元素遷移的結果。分離活動性鈾，從而發現異常，無疑為下一步查證或者說溯源提供了方向，這也是在盆地內開展區域地球化學掃面所要達到的目的。

圖6 砂巖型鈾礦鈾遷移模型Fig.6 Migration model of U ore in sandstone-type uranium deposit

活動性鈾既可通過垂向遷移穿過礦體上部蓋層到達地表，也可通過水平遷移到達遠離礦體的滲出帶，因而在地表發現的地球化學異常區面積通常大于深部礦化面積。由于區域地球化學采樣密度的局限性，剛好在礦體正上方布置采樣點的幾率非常小，深穿透地球化學正是借助了地表元素的遷移擴散特點來鎖定礦致異常。這就造成異常位置可以處于礦體正上方，也可以在礦體的周邊，甚至是遠離礦體的地下水滲出帶附近。因此，在異常解釋和查證過程中，應充分結合地質情況進行綜合分析，鑒別異常的真偽，判斷找礦區域。

5 結論

近年來，砂巖型鈾礦已成為我國鈾資源的主要類型，在更多盆地內開展鈾礦勘查的同時，深部找礦也已由500 m向1000 m深度推進。由于砂巖型鈾礦產出的特殊性，在當前的鈾礦找礦工作中化探方法沒有發揮出它應有的價值。為推進盆地鈾勘查工作中化探方法的運用，本研究應用深穿透地球化學掃面技術在二連盆地開展砂巖型鈾礦的試驗，主要取得如下結論：

(1)通過土壤微細粒分離技術能夠有效圈定盆地內砂巖型鈾礦在地表引起的地球化學異常。主要是因為土壤微粒分離技術可將土壤中富含活動性鈾的粘土礦物簡單高效的分離出來，實現了對來自深部成礦元素的物理富集。

(2)地表鈾地球化學異常的發現與活動性鈾的遷移密切相關。即活動性鈾在礦體上方蓋層的垂向遷移使鈾從深部礦(化)體遷移至地表，而水平運移過程則導致在地表形成了大面積的鈾異常。

(3)試驗圈出的鈾異常區與已知的鈾礦床或鈾礦化對應關系強。此外，該試驗還圈出多處地球化學異常區，為進一步開展勘查工作提供了靶區。因此該方法可用于在盆地內快速有效地開展砂巖型鈾礦地球化學掃面工作，以圈定鈾礦遠景區，并可有效地配合地質工作，盡快落實勘探靶區，縮短勘探周期。