在放射性物探基础理论和前面有关项目任务中已对平衡系数的重要性及其应用进行了讨论。并阐述了铀镭处于平衡时,铀镭之间在数量上有固定的比值,QU：QRa=1：3.4×10－7,此时平衡系数C在数值上等于1,即
放射性勘探技术
若C＞1,则镭的量比平衡时相对多了,称为富镭或偏镭；若C＜1,则铀的量比平衡时相对多了,称为富铀或偏铀。这两种情况都表明了铀镭平衡的破坏。
从式(6-10)中可看出,当铀镭处于平衡时,镭的量是十分微小的,与1t铀处于平衡的镭的量只有0.34g。但镭及其衰变产物在放射性测量中却占有十分重要的地位。因为在进行地面γ普查、坑道γ取样、钻孔γ测井等放射性测量时,所测得的γ照射量率主要来自于镭组(占铀系总γ射线照射量率的90%以上)。因此,γ法找矿实际是直接测镭间接找铀的方法,如不掌握具体测量地段的铀镭平衡系数,单纯根据测量γ照射量率评价异常或提供矿层含量和厚度是不真实的。所以平衡系数在整个铀矿勘探过程中是非常重要的参数。
(一)平衡破坏的原因
讨论铀镭平衡破坏原因,首先要了解铀镭元素的化学性质。铀是活泼的化学元素,它与铁一样很容易被氧化,由四价铀(U4+)氧化成六价铀(U6+),并以铀酰络离子[(UO2)2+]形式存在。铀酰易溶解于水,特别易溶于酸性水,形成含铀溶液随水流动、渗透或蒸发,在迁移过程中有部分含铀溶液在氧化带与(SiO4)4－、(PO4)3－、(AsO4)3－等络离子作用,形成各类次生铀矿物,有一部分被褐铁矿、黏土矿物和SiO2·nH2O等胶体吸附。大量的含铀溶液被地表水或地下水带入低洼地区或沿构造破碎带渗透到深部,在有机质的还原下,或有机质、黏土、磷酸盐的吸附作用下沉淀下来,在有利的条件下形成新的铀富集。
镭相对于铀来讲,其化学性质不活泼。镭的硫酸盐和碳酸盐溶解度很低,所以在适合铀迁移的硫酸盐和碳酸盐介质中,镭相应地得到保存。镭也能被黏土、淤泥、有机质、铁、锰的氢氧化物所吸附。在水溶液中镭可能以有机化合物形式搬运。不难看出,平衡系数的破坏与铀镭的化学性质和铀镭所处的地球化学环境有关。即与铀矿床所处的氧化还原环境、水质类型、矿石和围岩的物质成分等有关。因此掌握铀矿床所处的地球化学环境,对研究平衡系数,探讨平衡位移是十分重要的。
1.不同氧化程度对平衡破坏的影响
地球表面被氧气包围,一切活泼元素均能与氧化合而生成氧化物。其氧化程度由浅入深,由表及里,由强变弱。根据地表岩石的氧化程度,可以把岩石划分成三个带,氧化最强烈的称氧化带,未被氧化的称原生带或还原带,介于这二者之间的称过渡带。
关于氧化带的划分,一般按水中的氧化还原电位(Eh值)和含氧量来判别,如表6-3所示。
表6-3 用Eh值和含氧量划分氧化程度的标准
当铀镭处于氧化带中时,平衡破坏一般偏镭。在原生带中铀镭处于平衡或平衡偏铀。在过渡带中平衡情况比较复杂,往往有平衡、偏镭或偏铀三者交替出现,甚至在同一层矿体上从几厘米到几十米范围内平衡系数呈锯齿状的跳动,但是三者的偏距不会太大,一般为±20%左右(相对于平衡系数为1而言),如图6-13所示。
图6-13 广西某铀矿铀镭平衡系数随深度的变化
(据李善荣等,2008,内部资料)
(a)平衡系数沿矿体走向的变化；(b)平衡系数随矿体倾向的变化
由图6-13可见,矿体走向上的平衡系数变化不大,铀镭基本处于平衡状态。这是处于地表以下20m处多个工程上取样所得的结果,虽然标高变化很大(125m),但平衡系数的变化却在±20%之内。而矿体倾向上,平衡系数在62m内的变化却超过±20%。从1520m标高偏镭急剧变化为偏铀。可见矿体在倾向上氧化程度的变化是很剧烈的。
2.水的分类和分布对平衡破坏的影响
根据水中pH值的大小,把天然水划分为酸性水(pH＜7)、中性水(pH=7)、碱性水(pH＞7),其中酸性水最易溶解U6+。
水在自然界分布很不均匀。从大陆水系分布情况看,在湿热地区,雨量充沛,饱含氧及二氧化碳的大气降水,大量补给地下水,加剧了近地表岩石的化学风化作用,加大了岩石的氧化程度。但由于地形起伏变化、裂隙发育程度及岩矿石密度的差别等,使地表水和地下水的渗透能力相差很大。导致地表以下氧化深度相差很大,一般氧化深度0～80m。如果岩层是隔水层、透水层交替出现,并伴随裂隙的穿插,则会出现层间氧化带。在一二百米深处也可形成氧化带。一般山谷、河床、低洼部的氧化发育较深,山坡和不易积水的地区氧化程度较差。因而出现平衡破坏比较复杂的情况。
在干旱地区,由于雨量少,温差大,岩石的机械风化强烈,对平衡破坏影响小；但由于深部的水分不断向上蒸发,可以使地下水中铀元素相对集中沉淀出来,造成地表部分出现偏铀现象。
经谭洪波(2009)研究,甘肃某金铀矿床不同类型的地下水对铀镭平衡的影响很大,如图6-14和表6-4所示。
图6-14 甘肃中川金铀矿床5号矿带水文地球化学分带剖面图
(据谭洪波,2009)
1—地下水位线；2—勘探后期水位线；3—水中阴离子界限；4—水中阳离子界限；5—钙质水；6—钙镁质水；7—重碳酸-硫酸盐水；8—平硐及编号
表6-4 甘肃某金铀矿床水文地球化学分带表
注：矿物标志中“+”的个数表示该矿物含量的多少。
由图6-14和表6-4可见,在PD-8以上至地表(标高1920～2100m)大部分位于潜水面以上,处于近地表环境下。这里裂隙密集、断层发育,氧气含量高达17.3mg/L,Eh值高达400mV,由黄铁矿氧化而来的褐铁矿和黄钾铁矾很发育,并含有大量的次生铀矿物(如铁铀云母和钙铀云母)。在PD-8中Fe3+=10Fe2+,硫酸根离子浓度比PD-6和PD-4都多。这些指标都表明此处处于强氧化带,故铀镭平衡系数较大(C=1.4)。在PD6至PD-2之间氧气的量虽然减少,但仍大于表6-3中的标准；并且硫酸根(
3.矿石和围岩的物质成分对平衡破坏的影响
当铀的伴生矿物或近矿围岩中富含硫化物时,这些硫化物氧化后与水作用形成硫酸,酸性水对铀的溶解能力很强,使铀溶解迁移,破坏铀镭平衡。如果近矿围岩或矿石中富含硅酸盐和磷酸盐矿物时,铀不易溶解,平衡相对稳定。如果矿物为碳酸盐,则有利于铀的沉淀。
甘肃礼县中川地区的野外找矿实践中发现(姜启明,2005),中石炭统的碳质板岩和泥质板岩中的铀矿化很多,这是由于碳质和泥质对铀的吸附能力较强所致,表明铀矿对岩石是有选择的。而图6-14和表6-4中,还原带中出现了大量的碳酸盐,水中铀含量亦大量增加也说明了碳酸盐的存在有利于铀的沉淀。
4.矿石铀含量对平衡系数的影响
据庞善荣、谢霞霞对广西某铀矿的研究(2008),铀矿体的品位对平衡系数也有影响,如表6-5所示。
由表6-5可见,在正常岩石和低品位矿石中平衡系数是偏镭的；在较高品位的铀矿石中,铀镭平衡系数显著偏铀。其规律是随着铀品位的提高,铀镭平衡系数逐渐下降。形成这种规律的机制尚待进一步研究。
表6-5 广西某铀矿铀含量与平衡系数之间的关系
(二)铀镭平衡系数研究与测定方法
研究放射性平衡的方法是确定矿石中铀、镭之间的数量关系。使用辐射仪在天然产状下测定铀、镭含量,可以直接确定平衡系数。但影响因素很多,尚未广泛应用。当前最基本的方法,仍然是在野外采取样品。在实际工作中,把采集的矿石样品,送实验室分别进行铀、镭分析,将求得的QU、QRa含量,代入式(6-10)便可计算样品中铀镭平衡系数值的大小。
选取样品的原则：首先样品要有代表性,它不仅能够反映局部矿段的平衡状态,而且能够根据这部分样品结果,了解一个矿体、一个矿带,甚至整个矿床的放射性平衡变化规律。为此,在选取样品时,要按矿体所处的地球化学环境,按氧化带、还原带、原生带、铀含量品级,沿矿体的走向和倾向分别选取。研究平衡系数的样品,可以从刻槽样品和矿心样品中选取。如果缺乏代表性,可用捡块法补取样品,捡块样品最低质量不得少于1kg。取样数量取决于矿体规模和平衡系数变化大小。如果平衡破坏较复杂,应按矿段或矿体,在各种工程中选取样品。在中、小型矿床中取样100个以上,在大型矿床上则要选取样品300个以上。
如果平衡破坏变化较简单,且有一定规律时(即几率分布曲线为单峰,而且曲线翼部梯度较陡),为了降低成本,减少分析和计算工作量,可以采用组合样。组合原则也应按地球化学分带,不同品级、不同矿体、不同岩性、不同中段分别组合。
参与组合样的单个样品质量P称,应按下式加权计算：
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式中：P总,h总——参与组合样的单样质量之和及长度之和；
Pi,hi——参与组合样的第i个样品的质量和长度；
P组——组合样品的质量(最低500g)。
式(6-11)显然是加权平均值。参与组合样品的单样个数不得少于5个,也不宜太多,一般由5～10个单样组合而成较适宜。
组合样数量根据平衡破坏情况而定。当平衡系数变化不大时,一个矿区组合20～30个样品就能满足要求。平衡破坏变化大时,组合样数量应适当增加。
(三)平衡系数的资料整理
平衡系数资料整理的主要内容,包括绘制平衡系数频率变化曲线图、计算平衡系数的变化系数、求矿床或各块段的平均平衡系数。
1.平衡系数频率曲线的绘制
根据单样或组合样求得的平衡系数值,用数理统计方法对数据进行分组列表、统计频数和频率,再制作频率分布曲线图。通常情况下,由于平衡系数受多种因素的影响,铀和镭在矿体及围岩中造成复杂的平衡破坏,使频率曲线峰形多变,平衡系数可在很大的范围内变化。尽管如此,仍可根据频率曲线形态将各矿床的平衡系数大致归纳成两大类,四小类,如图6-15所示。
(1)第一大类
铀镭平衡系数频率分布曲线有一定变化规律。曲线呈单峰形态,可能与纵轴对称[图6-15(a)],此时矿床或矿体的平衡系数近似等于1。对于这种情况,在γ测井和γ取样的定量计算中不需做平衡修正。频率曲线峰值也可能偏向纵轴的左边或右边[图6-15(b)、(c)],此时矿床或矿体的平衡破坏(偏铀或偏镭)。在γ测井和γ取样定量解释中,应根据规范要求做平衡修正。如图6-16是甘肃礼县范家坝铀矿9号和10号矿体的铀镭平衡系数频数曲线图(鲁挑建等,2010)。由图6-16可见,该铀矿床深部平衡系数偏铀,要密切注意γ照射量率偏低的地段,否则极易漏矿。
图6-15 铀镭平衡系数频率分布曲线类型图
(a)单峰近正态分布；(b)单峰负偏分布；(c)单峰正偏分布；(d)多峰无规律分布
图6-16 甘肃省礼县范家坝铀矿9号矿体(a)和10号矿体(b)铀镭平衡系数频数分布曲线图
(据鲁挑建等,2010)
(2)第二大类
平衡系数频率分布曲线出现显著无规则变化。如曲线呈多峰(图6-13(d))、峰部平缓、梯度很大,这种情况对γ测量,特别是对用于γ测井和γ取样的定量计算极为不利。
2.平衡系数的变化系数
用下式计算平衡系数的变化系数：
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式中：
Ci——单个样品中的平衡系数；
n——样品个数。
经验证明,当取样块段内C变＜20%时,说明平衡系数变化简单,在块段内可用一个平均平衡系数；如果C变＞20%,说明块段内的平衡破坏情况较复杂,应按矿体所处的地球化学环境,按品位级别分别求平均平衡系数。
3.求平均平衡系数
在弄清平衡规律破坏的前提下,用单样或组合样获得的平衡系数,按铀含量品级和样品长度计算加权平均平衡系数：
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式中：hi——第i个单样或组合样的长度；
QUi——第i个单样或组合样的铀含量；
Ci——第i个单样或组合样的平衡系数。
当矿床内总平衡系数变化频率曲线服从正态分布时,平均平衡系数在