内蒙古二连盆地砂岩型铀矿深穿透地球化学扫面技术的应用

窦 备，张必敏，王学求，刘武生，柳青青，韩志轩，周 建，刘映东，刘 彬，张宝匀，李瑞红

( 1.中国地质大学(北京)，地球科学与资源学院，北京 100083；2.自然资源部地球化学探测重点实验室，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊 065000；3.联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心，河北廊坊 065000；4.中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，核工业北京地质研究院，北京 100029 )

0 引言

铀是一种重要能源与战略资源，对国民经济、核电事业以及国防科技的发展具有重要作用(李强等，2013)。砂岩型铀矿是铀资源的一种重要类型，世界上有18%的铀来自于该类型矿床，这种矿床在美国、澳大利亚、尼日尔、南非和中亚地区分布最为广泛(Hobday and Galloway，1999；IAEA，2009)。在我国，砂岩型铀矿更是主要的铀资源类型，目前其已探明储量占铀矿总探明储量的40%以上。我国砂岩型铀矿主要分布在北方松辽、二连、鄂尔多斯、巴音戈壁、伊犁、吐哈等几个中新生代盆地(陈戴生等，2003；徐志刚等，2008；刘武生等，2012)。大量地质资料表明，该类型矿体一般产于一定深度的缓倾斜砂岩层的氧化-还原过渡带中，常以盲矿、隐伏矿产出，其上沉积覆盖较厚，断裂不发育，地貌景观较平坦，以荒漠、戈壁为主，地表原生晕和次生晕不发育或欠发育，找矿线索较少，这就增加了寻找该类型矿床的难度(叶庆森等，2004；张金带等，2010；刘波等，2019)。

盆地内寻找砂岩型铀矿手段较多，在找矿过程中通常运用多种物化探方法并根据地质情况圈定远景区，摸清地下浅层砂体的空间展布规律，确定成矿有利部位，再结合各类识别技术和钻探手段来找矿。常用的方法有航空放射性测量、航空磁测、高精度磁法、电法、重力法、氡及其子体法(含218Po法、210Po法等)、伽玛能谱法等，取得了较多研究与应用案例(徐增亮等，1990；谈成龙，2000；刘庆成，2004；叶庆森等，2004；叶树林和童建平，2004；籍增贤，2007；刘武生等，2015；吴曲波等，2017；石连成等，2019)。由于受到矿体上部盖层影响，在运用地球化学方法寻找砂岩型铀矿过程中，常规区域化探方法显然无法实现找矿目的，因此能够捕捉来自深部铀矿体发出的直接找矿异常信息的深穿透地球化学勘查方法是解决隐伏砂岩型铀矿勘查难题的有效途径之一。

用于砂岩型铀矿勘查的深穿透地球化学方法有金属活动态测量、分量化探法、地气法、地电法等(杨亚新等，2001；张卫民，2002；尹金双等，2004；刘红艳和王学求，2006；王永茂，2010；Wang et al.，2011；姚文生等，2012；葛祥坤等，2013；满荣浩等，2015；柯丹等，2016；徐善法等，2017)。这几类方法中，金属活动态测量和分量化探法主要利用特定提取试剂将赋存于地表土壤颗粒表面的活动性金属铀进行提取测量，以圈定异常。由于样品预处理流程特殊，分析监控复杂，目前全国仅少量几家实验室有分析能力。地气法和地电法需要用到专业取样设备，取样效率偏低，分析也有特殊要求，因而推广难度较大，也不适用于大范围化探扫面工作。近几年，地科院物化探所从铀在地表土壤中的赋存状态入手，提出了土壤微细粒分离技术(Wang et al.，2011；姚文生等，2012；张必敏等，2016)。该技术采用筛分地表土壤样品中细粒级组分的方式，以达到对活动态铀物理分离的目的，实验室分析的仍是土壤样品的全量，该技术虽然为一种常规化探方法，但其从原理上又可定义为一种深穿透地球化学方法(张必敏等，2016)。由于该技术样品采集快速，并仍使用常规分析方法，因此可用于在盆地内快速有效地开展大面积地球化学扫面工作，以圈定铀矿远景区，并可有效地配合地质工作，尽快落实勘探靶区，缩短勘探周期。目前，我国北方大量盆地还属于区域化探扫面空白区，有的盆地即使完成了该项工作，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区。本文主要通过介绍在内蒙古二连盆地开展的砂岩型铀矿深穿透地球化学扫面技术试验工作，从采样介质、工作方法、成果与解释等几个方面进行阐述，为该方法原理的推广应用提供支持。

1 地质及景观特征

1.1 区域地质背景

内蒙古二连盆地是我国主要的产铀盆地之一，其位于内蒙古中北部边陲，是在兴-蒙海西期褶皱基底上发育起来的大型中新生代断-坳型裂谷盆地。盆地由5个坳陷(马尼特、乌尼特、乌兰察布、川井和腾格尔坳陷)和1个隆起(苏尼特隆起)组成，各坳陷及隆起又分成多个次级凹陷和凸起，分割性强，俗称“碎盆”(焦贵浩等，2003)。盆地中的主要含矿目标层为赛汉组，其次是二连组和腾格尔组，其他层位目前尚未发现有潜力的工业铀矿化(聂逢君等，2015)。

研究区位于盆地中部的额仁淖尔-赛汉高毕地区，处于乌兰察布坳陷内，该坳陷呈北东东向展布，夹持于巴音宝力格隆起和苏尼特隆起之间(图1)。区内蚀源区主要由新元古界、上古生界和海西期花岗岩组成，铀源丰富(凡秀君等，2008；刘武生等，2013)。出露的基岩主要有二叠系花岗岩、白垩系赛汉组沉积岩、白垩系二连组沉积岩、古近系呼尔井组、新近系通古尔组和宝格达乌拉组沉积岩以及第四系砂土(图1)。

1.2 矿床地质特征

区内具有2处典型的铀矿床分布：一处是以努和廷超大型铀矿床为代表的沉积成岩型铀矿床，该类型铀矿床具埋藏浅(仅10～80 m)、品位富、规模大(面积70 km2，达特大型规模)等特点，铀矿化发育于上白垩统二连组，矿石成分主要为泥岩和粉砂岩，区内还发现有苏崩中型铀矿床、章古音小型铀矿床，找矿潜力较大(李洪军和旷文战，2010；旷文战等，2014)。该处铀矿床分布区位于研究区西部古沉积湖泊区域(图1)。另一处是以赛汉高毕中型铀矿床为代表的古河道型铀矿床，具矿体埋藏较深(150～780 m)、矿化品位低、矿体厚度较厚(平均6.38m)、矿化规模大(面积数百平方公里，达大型规模)等特点，主要产于下白垩统赛汉组上段古河道砂岩中，区内发现有齐哈日格图-赛汉高毕古河道，目前有赛汉高毕铀矿床和齐哈日格图铀矿产地，找矿潜力大(凡秀君等，2008；旷文战等，2014)。该处铀矿床分布区位于研究区中东部古河道区域(图1)。

1.3 地理景观特征

研究区为内蒙古高原的一部分，属高原低山丘陵半干旱草原地貌，地势平坦，北西、南东缘地势稍高，中部低缓，地形起伏小，海拔标高920～1100 m，呈北东向的梯形洼地。受蒙古高压影响，气候以干旱-半干旱大陆性气候为主。由于特殊的景观条件，风化作用以物理风化为主，化学风化较弱，风蚀与风搬运作用强烈，区内绝大部分地方地表被风成沙土所覆盖。由于干旱，植被不甚发育，地表生长有稀疏的禾草、沙葱、骆驼刺等植物，土壤成熟度不高(张必敏等，2013)。

图1 二连盆地中部额仁淖尔-赛汉高毕地区地质简图(据刘武生等,2013;旷文战等,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-通古尔组；3-呼尔井组；4-伊尔丁曼哈组；5-二连组；6-赛汉组；7-阿拉坦合力组；8-二叠系；9-石炭-二叠系；10-石炭 系；11-奥陶系；12-元古界；13-花岗岩；14-断层；15-铀钻孔；16-国界线；17-古沉积湖泊；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 采样介质选择

研究区地表风成沙发育，为了选择合适的采样介质，进行了地表土壤样品不同采样深度和采样粒级的实验工作(Rose et al.，1979；蒋敬业等，2006)。

将努和廷砂岩型铀矿体上方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。各粒级区间样品的质量分布情况见表1。可以看出地表土壤的粒级大部分处于120～840 μm之间，据以往的研究显示，该粒级区间也是风成沙的主要分布区间。

表1 研究区各粒级土壤样品质量分布

对不同粒级土壤样品进行元素全量分析，结果见表2。可以看出U、Th、Mo、V等与铀矿(化)体相关的元素含量与土壤粒级具有明显的相关关系，即土壤粒级越细，元素含量越高，在<76 μm目土壤样品中最为富集。而土壤中SiO2则相反，在粗粒级中最高，细粒级中最低，细粒级土壤样品可有效避免风成砂的干扰。结果表明，U等成矿元素更容易在地表细粒级土壤中赋存，这与以往的研究结果相一致，野外选取<76 μm目土壤样品等于对来自深部的成矿元素进行了物理富集，因此土壤微细粒分离技术在该景观区切实可行(Wang et al.，2011；张必敏等，2016)。

表2 地表不同粒度土壤元素含量(10-6)

此外，对矿体上方不同深度的土壤样品进行了采样与实验。从地表往下每隔10 cm取一个组合样，样品取样粒级为<76 μm，共取了6件样品。对不同深度土壤样品进行了元素全量分析，结果见图2。可以看出U、Th、Mo、V等元素在0～10 cm深度土壤样品中的含量明显低于10～60 cm深度样品中的含量，而10～60 cm深度样品元素含量变化不明显。结果表明，10～60 cm的土壤样品较0～10 cm受风成沙干扰小，U等成矿元素更易富集。根据采样粒级、采样深度的实验，结合区域化探任务量大的特点，为提高采样效率，避免风成砂的干扰，本次工作选取15～30 cm内<76 μm目的土壤样品为采样介质。

图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 野外样品采集

根据实验选定的土壤采样深度和粒级，在二连盆地额仁淖尔-赛汉高毕地区开展了面积约6400 km2的1∶25万深穿透地球化学扫面工作。在地势相对低洼的地区采集土壤样品，采样密度为每4 km2采集1件样品，同时在研究区内均匀采集重复样，重复样采样比例大于5%，共采集样品1711件。采样深度为15～30 cm，在野外直接用200目筛子筛取<76 μm目的微细粒土壤样品。实际采样点位图见图3。

图3 二连盆地区域地球化学扫面技术试验实际采样点位图Fig.3 Sampling sites for experiment of geochemical mapping in Erlian Basin

3.2 样品分析

土壤样品在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所中心实验室分析，分析元素包括U、Th、Mo、V、Au、Ag、Cu、Ni、Pb、Zn、Co、Cr、Hg、稀土等共54项，分析方法以等离子体质谱法(ICP-MS)和X射线荧光光谱法(XRF)为主，在配合无火焰原子吸收光谱法(AAN)、等离子体光谱法(ICP-AES)、氢化物-原子荧光光谱法(HG-AFS)、发射光谱法(ES)、离子选择性电极(ISE)以及冷蒸汽-原子荧光光谱法(CV-AFS)(表3)(张勤，2005)。

表3 样品元素分析方案

3.3 图件制作

地球化学图件采用中国地质调查局发展中心研制的Geoexpl软件绘制。数据采用克里格法进行网格化，然后绘制等值线图。成图色阶采用累频划分等值线间隔，累频分别为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 结果与讨论

4.1 数据分析

对研究区内Au、As、Cu、Hg、Mo、Ni、Th、U、V、W等元素作R型聚类分析，以研究元素之间的相关性。从图4可以看出U和Mo的相关性最高，相关系数为0.46，其次为Th、V。这三种元素恰恰是砂岩型铀矿的伴生元素(尹金双等，2004)，在异常区这很可能是深部矿体在地表的一个反映。

图4 研究区元素R型聚类分析图Fig.4 R-type cluster analysis of elements in study area

前面已经提到，区内有2处典型的铀矿床分布区，一处是以努和廷为代表的沉积成岩型铀矿床，位于古沉积湖泊区域；另一处是以赛汉高毕铀矿床和齐哈日格图铀矿产地为代表的古河道型铀矿床，位于古河道内。因此，在该地区，古沉积湖泊和古河道是找铀矿的有利区域。图1标示出了研究区内已发现的古沉积湖泊和古河道区域，上述的已知矿包括见矿工业孔绝大部分落在这两类区域当中。由于古湖泊和古河道为找矿有利部位，因此对这两类区域地表采集的土壤样品U和Mo数据进行了独立统计，并和全区的结果进行了对比，结果见表4。从表中可以看出，在古湖泊和古河道区域土壤样品U和Mo两种元素的平均值和富集系数均略大于全区的平均值，因而区域上土壤中U、Mo元素异常在一定程度上指示了寻找砂岩型铀矿的有利地区。从富集系数也能看出，该地区U和Mo本身就存在一定的富集，明显高于中国东部地壳丰度。

表4 元素统计表(单位:10-6)

4.2 区域地球化学异常

在二连盆地额仁淖尔-赛汉高毕试验区铀地球化学图中(图5)，圈出了9处浓度大、范围广、具多层套合关系的铀地球化学异常区。本文对9处异常逐一进行了讨论。

异常1和异常2位于赛汉高毕的准宝力格凹陷内，区内主要出露古近系伊尔丁曼哈组和新近系通古尔组黄色砂岩、灰色、黄绿色泥岩、粉砂岩及第四系砂土。异常区面积较大，达250 km2。该异常与赛汉高毕中型铀矿床具有很好的对应关系，同时也位于古河道范围内。该矿体埋藏较浅(80～160 m)，这可能也是造成地表细粒级土壤铀异常明显的原因。

图5 二连盆地额仁淖尔-赛汉高毕试验区铀地球化学图及异常分布Fig.5 Uranium geochemistry and anomalies in Erennaoer-Saihangaobi test area，Erlian Basin

异常3位于齐哈日格图凹陷中，区内主要出露古近系伊尔丁曼哈组和新近系通古尔组黄色砂岩、灰色、黄绿色泥岩、粉砂岩和第四系砂土。异常区面积约为60 km2。异常浓度北低南高，且浓度值高。经现场勘查，该异常与齐哈日格图铀矿产地具有较好的对应关系，在异常内分布有工业铀矿化孔。该矿矿体埋深为230～380 m，具东北浅，南西深特点，这与异常的分布是一致的。同时该异常往南未闭合，往北与异常1和异常2之间有一片北东向的弱异常带，该异常带与古河道的展布方向是一致的，推测该异常周边，特别是往南往北方向均具有大的铀成矿远景。

异常4位于额仁淖尔凹陷中北部。区内出露地层为上白垩统二连组上段，属三角洲相和滨浅湖相沉积，岩性主要为灰色、深灰色砂砾岩、泥质粉砂岩和杂色泥岩等。异常总面积约为95 km2。异常4浓度高，呈三角形态，紧靠努和廷超大型铀矿床。

异常5位于额仁淖尔凹陷西部，地表出露有赛汉组下段、二连组和古近系和第四系，岩性主要为风成沙、胶泥和砂石堆积物。异常呈南北向展布的椭圆形，异常强度中等，异常面积160 km2。该异常与道尔苏铀矿产地相一致，目前已发现产于赛汉组下段和腾格尔组的工业铀矿孔8个，指示该区深部具有较好的砂岩型铀矿找矿前景。

异常6和异常7主要位于卫境岩体内部，该区地表出露石炭-二叠纪粗粒花岗岩。异常形态呈驼峰状，异常浓度大。经野外现场调查，发现高异常区处于构造破碎带中，破碎带内发育有热液型铀矿化。异常7的高异常区呈串珠状，串珠状的异常分布特征可能与该区域基岩出露，地势上呈现水平起伏，往往形成小汇水域有关。

异常8位于二连盐池的南部，区内主要出露二连组和通古尔组黄色砂岩、灰色、黄绿色泥岩、粉砂岩及第四系沙土。异常区面积大，达256 km2。该区域钻探程度低，仅有零星的钻孔控制，因此对深部砂体的分布情况以及成矿条件了解不深，由于该区域位于盐池坳陷的边部，理论上符合砂岩型铀矿成矿条件，需进一步开展调查工作。

异常9位于额仁淖尔凹陷东边的赛乌苏隆起上，区内主要出露通古尔组黄色砂岩、灰色、黄绿色泥岩、粉砂岩。异常区面积较小，为25 km2，异常浓度北高南低。由于该异常处于隆起与凹陷交界部位，有可能是由于控制凹陷的正断层引起。

对地球化学异常进行归纳，发现有如下特点：(1)铀矿化位于铀地球化学异常内或异常边部，但铀地球化学异常面积远大于铀矿化面积；(2)与构造破碎带有关的花岗岩型铀矿，铀地球化学异常呈串珠状沿构造破碎带分布，异常单点浓度高，但面积窄而小；(3)与沉积建造有关的沉积成岩型铀矿，铀地球化学异常大小与铀矿化的规模、埋深、覆盖层类型等多重因素有关，不一定矿床规模越大，异常就越大。

根据以上对异常的解释和归纳，证明利用土壤微细粒分离的深穿透地球化学扫面技术能较好地圈定区域内的已知铀矿床或铀矿化。此外，还圈出多处具有找矿远景的区域，如异常1和异常3中间南北向展布区域，异常2东部区域，异常3南部区域，异常8。接下来，可根据这几处找矿远景区开展进一步的详查工作。

4.3 讨论

通过土壤微细粒分离技术可以有效圈定盆地内隐伏砂岩型铀矿在地表引起的地球化学异常，与铀元素的迁移及其技术原理密切相关。对土壤地球化学样品进行微细颗粒分离，主要考虑到细粒级土壤中包含了大量的粘土矿物，在干旱区，地表细粒级土壤中的粘土矿物比例最高能达到40%(Wang et al.，2011)。粘土矿物是土壤中最主要的次生矿物，由于其具有的负电性和巨大的表面积，使其很容易吸附具活动性的带正电荷的金属阳离子、纳微金属微粒和金属络阳离子等。而活动性铀主要以铀酰络阳离子的形式存在，因此很容易被粘土矿物吸附富集。以往也用到过化学提取的方式来分离活动性铀(尹金双等，2004；刘红艳和王学求，2006；Wang et al.，2011；姚文生等，2012；徐善法等，2017)，相比元素活动态提取方法而言，微细粒分离则是一种纯物理分离手段，方法简单高效。另一方面，该地区地表普遍被风成沙所覆盖，风成沙主要集中在40～100目，筛分后的细粒级土壤样品也可同时避免风成沙的干扰，提高扫面效果。

分离活动性物质对深穿透地球化学而言具有重要的意义。因为深穿透地球化学要通过采集地表样品实现捕捉来自深部异常的目的，成矿元素必须经历从深部矿体到地表的迁移过程。要实现长距离的垂向迁移，元素必须具有活动性。对于铀而言，在深部条件下，部分铀矿石发生氧化，形成易溶于水的铀酰络阳离子，在地下水的作用下，很容易发生迁移。同时，由于砂岩疏松和多空隙以及胶结松散等特点，具有特别好的渗透性，加之砂岩内部的构造裂隙发育，为铀元素的垂向与水平迁移提供了十分有利的通道。另一方面，该区气候类型以干旱-半干旱气候为主，潜水面较浅，溶解在地下水中的铀到达潜水面后，地表强烈的蒸发蒸腾作用直接导致了地表盐类的富集(Bradshaw and Lett，1980)，这也为活动性铀的垂向迁移提供了一种可能机制(图6)。这些都为活动性铀迁移到地表提供了条件。因此，地表土壤中的活动性铀通常反映的是一个元素迁移的结果。分离活动性铀，从而发现异常，无疑为下一步查证或者说溯源提供了方向，这也是在盆地内开展区域地球化学扫面所要达到的目的。

图6 砂岩型铀矿铀迁移模型Fig.6 Migration model of U ore in sandstone-type uranium deposit

活动性铀既可通过垂向迁移穿过矿体上部盖层到达地表，也可通过水平迁移到达远离矿体的渗出带，因而在地表发现的地球化学异常区面积通常大于深部矿化面积。由于区域地球化学采样密度的局限性，刚好在矿体正上方布置采样点的几率非常小，深穿透地球化学正是借助了地表元素的迁移扩散特点来锁定矿致异常。这就造成异常位置可以处于矿体正上方，也可以在矿体的周边，甚至是远离矿体的地下水渗出带附近。因此，在异常解释和查证过程中，应充分结合地质情况进行综合分析，鉴别异常的真伪，判断找矿区域。

5 结论

近年来，砂岩型铀矿已成为我国铀资源的主要类型，在更多盆地内开展铀矿勘查的同时，深部找矿也已由500 m向1000 m深度推进。由于砂岩型铀矿产出的特殊性，在当前的铀矿找矿工作中化探方法没有发挥出它应有的价值。为推进盆地铀勘查工作中化探方法的运用，本研究应用深穿透地球化学扫面技术在二连盆地开展砂岩型铀矿的试验，主要取得如下结论：

(1)通过土壤微细粒分离技术能够有效圈定盆地内砂岩型铀矿在地表引起的地球化学异常。主要是因为土壤微粒分离技术可将土壤中富含活动性铀的粘土矿物简单高效的分离出来，实现了对来自深部成矿元素的物理富集。

(2)地表铀地球化学异常的发现与活动性铀的迁移密切相关。即活动性铀在矿体上方盖层的垂向迁移使铀从深部矿(化)体迁移至地表，而水平运移过程则导致在地表形成了大面积的铀异常。

(3)试验圈出的铀异常区与已知的铀矿床或铀矿化对应关系强。此外，该试验还圈出多处地球化学异常区，为进一步开展勘查工作提供了靶区。因此该方法可用于在盆地内快速有效地开展砂岩型铀矿地球化学扫面工作，以圈定铀矿远景区，并可有效地配合地质工作，尽快落实勘探靶区，缩短勘探周期。