深部元素地气迁移的分量化探证据：以郴州金狮岭铀多金属矿床为例_刘幼建(1).pdf

收稿日期2019-03-25 基金项目东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室开放基金项目 （编号 RGET1602） ， 湖南省军民融合产业发展专项资金 （科 研类） 项目 （编号 湘财企指[2015]42号） 。 作者简介刘幼建 （1990） ， 男， 硕士研究生。通讯作者谢焱石 （1976） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 深部元素地气迁移的分量化探证据 以郴州 金狮岭铀多金属矿床为例 刘幼建 1， 2 谢焱石 1， 2， 3 谭凯旋 1， 2 韩世礼 1， 2 王鹏 1， 2 康春晖 1， 21 （1. 南华大学资源环境与安全工程学院， 湖南 衡阳 421001； 2. 衡阳市核燃料循环地质理论与技术重点实验室， 湖南 衡阳 421001； 3. 东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室， 江西 南昌 330013） 摘要以地气理论为基础的分量化探技术被广泛应用于深部隐伏矿床勘查。深部矿体信息随地气迁移到地 表形成叠加异常， 分量化探技术可用于采集分析这部分信息来推测深部矿体的赋存状态。以位于湖南省郴州市的金 狮岭铀多金属矿床为研究对象， 在早期钻探工作、 伽马能谱和氡浓度测量成果的基础上， 利用分量化探技术探求深部 元素地气迁移的证据， 为进一步寻找深部隐伏矿床提供理论基础。在该矿区选定了氡浓度异常明显的3条采样线， 对采自深度为40～60 cm的浅层土壤147件样品中的U、 Pb、 Zn等20个元素进行了分量提取和ICP-MS分析， 并对分析 数据进行了U分量异常特征分析、 相关分析、 聚类分析， U分量异常地质综合剖面分析以及土壤U分量与伽马能谱U 含量的对比分析解译。结果表明 ①区内3、 8测线U分量异常明显， 最大值分别为2 194 ng/g和2 167 ng/g， 异常衬度 值分别为 1.298和 1.403， 区内具有良好的铀矿找矿潜力； ②与 U分量密切相关的元素为 Nd、 Sm、 Ta， 相关系数分别 达到0.465， 0.492和0.491， 远高于99置信度的临界值0.217， 显示其随着地气迁移过程中与U密切相关； ③U分量 异常主要与深部隐伏矿体、 断裂破碎带有关， U分量曲线与 Nd、 Sm、 Ta分量曲线高度吻合， U、 Nd、 Sm、 Ta分量异常 组合可作为该区指示深部铀矿体的地球化学标志。 关键词分量化探铀多金属矿床隐伏矿体深部找矿 中图分类号P632文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -07-146-09 DOI10.19614/ki.jsks.202007022 Evidence for Partial Content Geochemical Exploration of Deep Elemental Gas Migration a Case Study of Jinshiling Uranium Polymetallic Deposit in Chenzhou City Liu Youjian1， 2Xie Yanshi1， 2， 3Tan Kaixuan1， 2Han Shili1， 2Wang Peng1， 2Kang Chunhui1， 22 （1. School ofＲesource Environment and Safety Engineering， University of South China， Hengyang 421001， China； 2. Hengyang Key Laboratory of Geological Theory and Technology for the Nuclear Fuel Cycle， Hengyang 421001， China； 3. Fundamental Science on Radioactive Geology and Exploration Technology Laboratory， East China University of Technology， Nanchang 330013， China） AbstractGeochemical exploration of the partial contents of the elements based on the geogas theory is widely used in the exploration of deep concealed deposits.The ination of the deep ore body is migrated to the surface to a superposi⁃ tion anomaly， and the geochemical exploration of the partial contents can be used to collect and analyze the anomaly to esti⁃ mate the occurrence of the deep ore body.Based on the results of drilling， gamma spectroscopy and radon concentration， the geochemical exploration of partial content technique is used to discovery the evidence of deep elemental the geothgas migra⁃ tion， which can provide a theoretical basis for further searching for deeply concealed deposits.Taking Jinshiling uranium polymetallic deposit as the study example， three sampling lines with abnormal radon concentrations in the mining area is se⁃ lected， and the component extraction and ICP-MS analysis of the 20 elements such as U，Pb，Zn etc. from 147 samples of the shallow soil with depths of 40～60 cm is carried out.Based on the above test results， anomaly characteristics analysis， cor⁃ relation analysis cluster analysis of U component are conducted， and the comparative analysis and interpretation of U compo⁃ 总第 529 期 2020 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 529 July2020 146 ChaoXing nent in the geologic synthesis section， U component in the soil and U content in gamma energy spectrum are done.The results show that① U component of the 3and 8lines in the area is obviously abnormal， the maximum values are 2 194 ng/g and 2 167 ng/g， and the abnormal contrast values are 1.298 and 1.403， the prospect of uranium prospecting in the area is good； ② the elements are closely related to U partial content are Nd， Sm and Ta， whose correlation coefficients are 0.465， 0.492， 0.491 respectively， which are much higher than the critical value（i.e.，0.217）with 99 confidence， demonstrating that it is close⁃ ly related to U during the gas migration process； ③the U partial content anomaly is mainly related to the deep concealed ore body and fracture fracture zone， and the U partial content curve is highly consistent with the Nd， Sm and Ta component curves， which suggests that the U， Nd，Sm and Ta component abnormal combination can be used as a geochemical tracer for the deep uranium ore body in this area. KeywordsGeochemical exploration of partial content， Uranium polymetallic deposit， Concealed deposit， Deep pros⁃ pecting 20世纪 80、 90年代， 瑞典学者 Kristiansson K 和 Malmqvist L ［1-3］首次提出地气理论， 随后， 我国童纯菡 等 ［4-5］、 王学求等［6-7］先后利用透射电镜和原子力显微 镜观察到地气携带的物质是以纳米微粒的形式存 在， 通过模拟迁移试验验证了该理论的可行性， 并改 良了地气的提取材料和提取技术， 提高了该方法的 工作效率。此后地气法被广泛应用于寻找深部隐伏 金属矿产资源和隐伏断裂等 ［8-13］。尹金双等［14］、 葛祥 坤等 ［15-16］以地气理论为基础， 通过选取合适的提取剂 提取土壤中元素的分量信息， 建立了寻找深部隐伏 铀矿的分量化探法， 并先后在我国北方砂岩型铀矿 和南方粵北长排地区进行了找矿前景预测评价， 圈 定出了铀分量异常带靶区； 李文平等 ［17］、 赵丹等［18］、 姜涛等 ［19］、 刘国安等［20］、 王丙华［21］等学者在分量化探 法的基础上结合传统放射性找矿方法 （γ能谱测量、 土壤Rn测量） 进行了深部铀资源找矿研究， 并取得了 良好效果。赖静等 ［22］、 刘晓东等［23］、 柯信［24］、 曹豪杰 等 ［25］分别采用分量化探法提取元素分量中的成矿信 息， 通过多元分析法分析铀及其伴生元素的运移方 式， 结合铀分量剖面指示了深部铀矿的赋存信息。 金狮岭铀多金属矿床位于湖南省郴州市东坡矿 田南部的瑶山地区， 曾有少量钻探工程发现有隐伏 的U-Pb-Zn多金属矿体， 是一个潜在的成矿远景区。 近年来， 吴文博等 ［26］、 郭岳岳等［27］分别采用伽马能谱 和氡浓度等方法对该地区进行了研究， 在该区域铀 矿靶区圈定方面取得了一定的进展。分量化探技术 是采集地表B层土壤， 对其进行元素分量提取， 可反 映深部成矿物质随地气向上迁移的信息。本研究以 金狮岭铀多金属矿床为例， 在分量化探技术的基础 上， 利用多元分析方法 （相关分析、 聚类分析等） 探究 表层土壤元素分量之间的关系， 再通过对元素分量 曲线图和地质剖面图的综合分析， 证实表层土壤元 素分布规律与深部铀矿化之间的潜在联系， 为该区 进一步开展找矿勘查工作提供理论依据。 1矿区地质概况 金狮岭铀多金属矿区出露的地层主要有震旦系 浅变质砂岩、 板岩、 凝灰质长石砂岩； 泥盆系中统跳马 涧组砂岩， 棋梓桥组灰岩、 白云质灰岩； 上统佘田桥组 泥质灰岩、 泥质条带灰岩， 锡矿山组泥质灰岩和碎屑 岩， 其中棋梓桥组灰岩是主要的含矿地层 （图1） ［26］。 区内地质构造复杂， 主体构造为近SN向的金狮岭向 斜， 发育NE向、 SN向、 NW向、 EW向等多组断裂， 这些 断裂构造相互交切、 贯通， 为矿区岩浆侵入和含矿流 体运移与汇集成矿起到了极其重要的作用。金狮岭 矿区内虽然没有大规模的岩浆岩出露， 但是其北方10 km处即是与柿竹园超大型钨锡铋钼多金属矿床密切 相关的千里山燕山期花岗岩体 ［26］。 2样品采集与元素分量测试 2. 1样品采集与加工 考虑到铀镭含量对土壤氡浓度的贡献， 本研究 选取金狮岭土壤氡浓度异常明显的3、 8和14线采 集土壤样品。采样深度为40～60 cm， 采样点距为20 m， 采样的质量控制在200～300 g。将野外采集的土 壤样品在阴凉干燥的环境下风干3～5 d， 避免阳光照 射， 确保样品没有受到污染， 然后用木槌碾碎， 装袋 保存。为了解铀等目标元素的粒度分布情况， 在 3 条测线上各选择了1个土壤氡浓度异常区的样品进 行粒度试验。将样品搅拌均匀后， 分成8等份， 分别 过40、 60、 80、 100、 120、 140、 160、 180目筛， 消解至溶 液， 然后用ICP-MS测定元素含量。不同粒度土壤样 品铀含量分析结果见图2。由图2可知 粒径小于60 目时， 土壤中铀含量达到最高值。因此， 对所有样品 均筛选出小于60目的样品颗粒， 取30 g装入牛皮纸 袋。 2. 2元素分量测试 本研究所有样品分量测试是在核工业北京地质 研究院分析测试研究中心完成， 测试元素为Be、 Ni、 Cu、 Zn、 Nb、 Mo、 Cd、 In、 Sn、 Sb、 Cs、 Ba、 Nd、 Sm、 Ta、 W、 2020年第7期刘幼建等 深部元素地气迁移的分量化探证据 以郴州金狮岭铀多金属矿床为例 147 ChaoXing Pb、 Bi、 Th和U。具体分析流程为 称取烘干后的试样 2.5 g， 置于50 mL烧杯中， 加入20 mL提取剂并搅拌均 匀， 静置48 h后过滤， 滤液用25 mL比色管承接， 并用 去离子水加至25 mL刻度后摇匀。提取1 mL上述滤 液至10 mL比色管中， 加入去离子水至10 mL刻度线 后摇匀， 试液用高灵敏度的ICP-MS法进行测试， 分 析仪器为赛默飞ELEMENT/XR高分辨率电感耦合等 离子体质谱仪 ［16-18］。 3结果与讨论 3. 1U分量异常特征 本研究采用迭代剔除法求取U分量异常下限。3 个剖面的U分量地球化学异常特征参数如表1所示。 由表1可知 3剖面与8剖面都有较为明显的U分量 异常， 最大值分别为2 194 ng/g和2 167 ng/g， 异常衬 度值分别为1.298和1.403； 而14剖面的U分量异常 不明显。结合前人钻探成果分析发现， 3剖面有U- Pb-Zn多金属隐伏矿体分布， 可见U分量异常可有效 指示深部矿化信息。 3. 2U分量相关分析 为寻求研究区随铀元素迁移的伴生元素， 对采 自上述 3 个剖面的 147 件样品中包含 20 种元素的 金属矿山2020年第7期总第529期 148 ChaoXing 分量数据进行了 Pearson 相关分析， 相关系数矩阵 见表 2。当样品数目为 147时， 考虑较高的可靠性， 取置信度为 99， 相关系数的临界值为 0.217， 说明 大于该临界值的元素具有显著的相关性。表2中 显 示 与 U 分 量 显 著 相 关 元 素 有 Be（0.311）、 Ni （0.419）、 Cu（0.221）、 Zn（0.458）、 Cd（0.207）、 Ba （0.308）、Nd（0.465）、Sm（0.492）、Ta（0.491）、W （0.244） 。 3. 3土壤元素分量聚类分析 对原始数据进行z-score标准化， 而后用SPSS软 件对20种元素进行R型聚类分析， 选择最远邻元素 和欧氏距离进行运算， 结果如图3所示。根据图3将 聚类的 20 种元素分为 4 类， 第 1 类为亲氧元素 Nd、 Sm、 Ta、 Ba、 Be、 U、 Ta、 Be， 它们与氧形成稳定的离子 键化合物， 易熔于硅酸盐熔体形成造岩矿物； 第2类 为 Ni， Zn、 Th； 第 3 类为亲硫 （亲铜） 元素 In、 Pb、 Cu、 Nb、 Sn、 Sb、 Mo、 Cd、 Bi、 W， 主要是稀有元素和有色金 属元素， 与硫亲和力强， 易与硫离子形成共价键； Cs 作为碱金属元素， 单独为一类， 反映碱交代作用与深 部铀矿体密切相关。在第1类元素中， 与U的欧氏距 离最近的元素为Nd、 Sm、 Ta， 表明在元素迁移过程中 与U密切相关。 Q型聚类分析可以反映样品属性， 本研究选择与 U分量相关系数较高的Be、 Ni、 Nd、 Sm、 Ta、 U等元素的 注 **表示在0.01 水平双侧上显著相关； *表示在 0.05 水平双侧上显著相关。 2020年第7期刘幼建等 深部元素地气迁移的分量化探证据 以郴州金狮岭铀多金属矿床为例 149 ChaoXing 分量数据， 对采自3和8剖面的样品进行了分析。3 线样品Q型聚类谱系如图4所示。由图4可知 欧氏距 离为10时， 49件样品可分为4类， 第1类有13、 15、 17、 18、 11、 20、 5、 19、 3、 6、 1、 43、 44、 46、 47、 48、 49、 23、 26、 8、 16、 2、 14、 21、 45、 7、 12、 4、 22、 10、 25、 24、 9、 27样品， 第2类有35、 38、 42、 32、 39、 41、 36、 37、 40、 31样品， 第3类有28、 29、 30样品， 第4类 有33、 34样品。 8线样品 Q型聚类谱系如图 5所示。欧氏距离 10 时， 48 件样品被分为 5 类， 第 1 类为 30、 31、 36、 37、 43、 21、 22、 19、 20、 15、 16、 32、 14、 26、 13、 44、 45、 48、 11、 12、 25、 42、 23、 24、 46、 47、 40、 41、 1、 28、 29、 35、 39、 34、 27、 6、 7、 4、 5、 2， 第 2 类为17、 18、 38， 第3类为8、 9、 10， 33和3样品各 为一类。进一步划分， 当欧氏距离为8时， 第1类又 被分为3小类， 30、 31、 36、 37、 43、 21、 22、 19、 20、 15、 16、 32、 14、 26、 13、 44、 45、 48、 11、 12、 25、 42、 23、 24、 46、 47、 40、 41、 1样品为一类， 28、 29、 35、 39、 34、 27样品为一类， 6、 7、 4、 5、 2样品为一 类。 3. 4U分量异常地质综合剖面分析 根据上述相关分析和聚类分析结果可知， 与U分 量密切相关的元素有Nd、 Sm、 Ta和Ni， 利用Origin软 件作出上述分量的含量折线图， 发现Nd、 Sm、 Ta与U 分量曲线高度吻合， 故选取Nd、 Sm、 Ta进行进一步分 析； 在已有的钻孔剖面图基础上采用AutoCAD软件 绘制出本研究3条采样线的地质剖面图； 最后将二者 相结合得出地质综合剖面图。由于14剖面U分量异 常不明显， 故本研究仅对3和8地质综合剖面 （图6、 图7） 进行综合分析。 3线地质综合剖面 （图 6） 位于金狮岭铁帽向南 200 m处， 呈NW向， 剖面总长1 000 m， 主要穿越2条 近SN向的断裂带F1和F2。区域内地层被分为3个部 分， 表面出露为第四系混合砂砾土壤。F2断裂带西侧 地层为泥盆纪中统跳马涧组 （D2t） 砂岩， 中间地层为 泥盆纪中统棋梓桥组 （D2q） 灰岩。F1断裂带东侧地层 为上元古界震旦系 （Z1） 浅变质板岩。在3剖面曲线 图上有2个异常峰， 分别位于180 m和580～600 m处， 与3剖面Q型聚类分析结论 （28、 29、 30样品聚为一 类） 相对应， 两者异常最大值分别为1 037 ng/g， 2 194 ng/g； 180 m处为单点异常峰， 异常强度不高， 580～600 m之间异常强度较强、 异常梯度明显、 连续性较好， U 分量与Nd、 Sm、 Ta分量异常曲线较为吻合， 这是由于 已探明的隐伏矿体所致； U分量异常带向北西方向偏 移， 可能是由于U分量在随着地气向上迁移过程中产 生了偏移所致。 8线地质综合剖面 （图 7） 位于金狮岭铁帽向北 400 m处， 剖面总长1 000 m， 穿越了F2和F1断裂带， 区 域内地层与3剖面一致。在8线剖面曲线图上U分 金属矿山2020年第7期总第529期 150 ChaoXing 量有 3 个异常峰， 分别位于 20～100 m、 220～240 m 和 700 m处， 与8剖面的Q型聚类分析结论 （6、 7、 4、 5、 2样品为一类， 11、 12样品聚为一类） 相对应， 三者异 常最大值分别为 2 167 ng /g， 1 526 ng /g， 943 ng /g。 前两处的异常强度较高， 连续度较好， 异常梯度明 显， U分量与Nd、 Sm、 Ta分量异常曲线较为吻合， 这是 2020年第7期刘幼建等 深部元素地气迁移的分量化探证据 以郴州金狮岭铀多金属矿床为例 151 ChaoXing 4结论 以金狮岭铀多金属矿床为例， 对采集的土壤样 品进行了分量提取。通过进行U分量异常特征分析、 相关分析、 聚类分析以及土壤U分量与伽马能谱U含 量的对比分析， 得出了以下结论 （1） 研究区U分量异常明显， 最大值分别为2 194 ng/g和2 167 ng/g， 异常衬度值分别为1.298和1.403， U分量异常可有效指示隐伏矿化信息。 （2） 通过相关分析可知， 与U分量相关的元素有 Be、 Ni、 Cu、 Zn、 Cd、 Ba、 Nd、 Sm、 Ta和W， 通过聚类分析 进一步得出与U分量密切相关的有Nd、 Sm、 Ta、 Ni， 表 明该类元素随地气迁移过程中与U密切相关。 （3） 通过U分量异常地质综合剖面分析可知， U 分量曲线与 Nd、 Sm、 Ta 分量曲线高度吻合， U、 Nd、 Sm、 Ta分量异常组合可作为该区指示深部铀矿体的 地球化学标志。对比浅部已探明的铀矿信息可知， U 分量异常主要与深部隐伏矿体、 断裂破碎带有关， U 分量异常可有效指示深部铀矿体。 （4） 浅部铀矿也会对土壤分量造成影响， 在进行 深部铀矿预测时， 应排除浅部信息的干扰。通过对 比土壤U分量与伽马能谱U含量分量可知， 3线分量 异常为浅部已探明的铀矿所致， 浅部铀矿也会对分 量异常产生影响； 8线分量异常是由深部铀矿随地气 沿F2断裂带迁移至地表形成叠加所致； 14线土壤分 量与伽马能谱含量均没有异常， 说明浅部至深部均 无铀矿赋存。 参 考 文 献 Malmqvist L， Kristiansson K.Experimental evidence for an ascend⁃ ing microflow of geogas in the ground ［J］ .Earth and Planetary Sci⁃ ence Letters， 1984， 70407-416. 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