2. 中核集团铀资源地球物理勘查技术中心(重点实验室), 石家庄 050002
2. CNNC Key Laboratory of Uranium Resource Geophys-ical exploration Technology, Shijiazhuang 050002, China
航空伽马能谱测量具有速度快、效率高、成本低等特点,因此在放射性矿产和在成因上与放射性元素相关的非放射性矿产勘査中应用广泛,同时也是环境放射性污染调查与评价、核设施监测和核事故应急事件监测的主要支撑技术(李运祓等,1978;周锡华和乔广志,2002).
航空伽马能谱测量工作(郭良德,2000;Patrick and Killeen, 2006;刘艳阳等,2007)最初开始于1932年,而我国的航空伽马能谱测量(熊盛青,2002;肖雪夫和岳清宇,2015)始于1955年,最初采用苏联生产的ACT-10M型航测仪开展以寻找铀矿为目的航空放射性测量工作;在1955年到1972年间,ACTM-25型和FD-115型航测仪也投入了我国的航空放射性测量工作中,均为放射性总量测量(罗耀耀,2013).20世纪60年代中期,北京综合仪器厂研制出我国第一台使用碘化钠(Nal)晶体与光电倍增管组成探测器的航空伽马辐射仪.到了20世纪70年代,我国研制出第一台四道航空伽马能谱仪,型号为FD-123,由于该仪器闪烁体晶体体积小,所以灵敏度低(王蓬,2011;马永红,2013;魏林,2013).80年代初开始引进美国产GR-800D和加拿大产MCA-2多道(256道)航空伽马能谱仪,探测器由NaI(Tl)晶体组成.80年代后期,核工业北京第三研究所研制出了AS-2000型四道航空伽马能谱综合测量系统,该系统能够自动采集和处理数据,可给出铀、钍、钾含量,性能稳定(万建华等,2012).在此之后,由于投入较少,我国航空放射性测量仪器研制处于停滞状态,国内使用的仪器主要依赖进口.1990年前后,引进了5套美国GeoMetrics公司的GR-800D、一套加拿大MCA-2型的航空伽马能谱仪.1999—2004年,引进了加拿大Explorainum公司两套多道航空伽马能谱仪GR-820.2005年,引进1套PicoEnvirotec公司的GRS-16多道航空伽马能谱仪.2009年,引进1套PicoEnvirotec公司的AGRS多道航空伽马能谱仪.
在此期间,针对引进的航空伽马能谱仪,国内通过消化、吸收,也进行了升级改造并投入应用.2005年,国内通过引进主要部件集成了兼容于铀资源勘查和核应急航空监测的703-Ⅰ型航空综合测量系统,包括512道航空NaI(Tl)伽马能谱仪、铯光泵航空磁力仪、GPS和数据收录系统,并具备了较好的生产力.2010年,以成都理工大学、中国国土资源航空遥感中心、核工业航遥中心联合承担的国家高技术研究发展计划(863)重大项目“航空地球物理勘查技术系统”研发出了AGS-863型航空综合测量系统,包括航空NaI(Tl)伽马能谱仪,是我国第一台数字多道航空伽马能谱仪系统.实现了多峰自动稳谱,具备了收录各晶体探测器单独或累积谱线数据和谱线数字化能力(万建华等,2012).
目前,国际上用于矿产勘查及环境调查评价的高精度航空伽马能谱仪器主要有美国GeoMetrics公司的GR-800D、加拿大Explorainum公司的GR-820、澳大利亚WGC公司的PGAM-1000、加拿大PicoEnvirotec公司的GRS-10/16、AGRS及加拿大Radiation Solutions Inc公司的RS-500/700.其中,GR-820系统是20世纪90年代加拿大Explorainum公司推出的,最主要的特点是增益稳定自动控制技术,晶体不需要加温,采用先进的信号处理技术对每个晶体的能谱自动进行数字增益控制(孙雪,2010).RS-500/700、GRS-10/16、AGRS是参考GR-820的设计工艺,其性能已经达到并超过了GR-820系统,RS-500/700更是代表了当今世界最高水平,但GR-820依然是世界上先进的能谱仪,已成了评价其他能谱仪的标准.AGRS-16的特点是每条晶体探测器拥有独立的一套高速多道分析器(MCA)、高压电源和稳峰控制,仪器校正需要Th源自动寻峰(万建华等,2012;吴刚,2015).AGRS的特点是每条晶体探测器拥有独立的一套高速多道分析器(MCA)、高压电源和稳峰控制,仪器校正采用天然核素自动稳谱方式,仪器校正无需工作源寻峰.RS-500/700的特点是设计了针对单独每条晶体的数据采集、数据存储模块式操作,有利于合成干净的多晶体数据谱数据(吴刚,2015).
通过多年来对引进不同型号航空伽马能谱仪的使用、消化吸收和对GR-820航空伽马能谱仪实施的升级改造,为研制新一代航空伽马能谱仪积累了经验.2013年,由核工业航测遥感中心研制了AGRSS型多道航空伽马能谱测量系统(简称AGRSS),经过2014年和2015年约十万千米测线生产检验,优化改进了AGRSS系统的软硬件(刘士凯等,2015).本文以新型AGRSS系统在甘肃礼县地区的实际生产为例,进一步说明升级改进后的新型AGRSS系统在岩性填图、放射性矿产及多金属矿产勘查等工作中的应用效果.
1 系统简介 1.1 系统参数AGRSS的主要系统参数(房江奇等,2016)见表 1,AGRSS按照国际原子能机构出版的航空伽马能谱测量技术报告(IAEA,1991)和航空伽马能谱测量规范(国防科学技术工业委员会,2005)中给出的能量阈值推荐值设定窗宽,各能窗宽度设置见表 2.
AGRSS系统采用无测试源自动稳谱技术,在设计上充分考虑了使用的需要,可以连接1~3箱NaI(Tl)探测器,每箱可配有5条NaI(Tl)晶体,AGRSS可连接15条NaI(Tl)晶体,具有易于维护和升级的特点.
本次测量工作区属高海拔地形切割剧烈的山区,因此选用直升机作搭载平台,受直升机载荷限制,仅配置2箱NaI(Tl)探测器,总共9条长方体10.2×10.2×40.6 cm3NaI(Tl)晶体构成,其中只有1箱设置有上测探测器.
1.2 系统关键技术及主要创新点(1) 关键技术
① 小型化收录控制技术
实现航空物探综合测量系统的小型化,研制智能化的航空物探综合收录控制系统是关键工作.该系统通过吸取国内外先进的设计理念,利用现代计算机运行速度快、接口丰富、易扩充等特点,将航空能谱仪、数据收录系统和控制系统集成为一台智能化航空物探综合测量收录控制系统;通过通讯技术,实现由综合收录控制系统来自动控制AARC500自动补偿航空磁力仪工作状态,从而实现了航空物探测量设备的小型化和集成化.
② 多信号同步控制技术
航空物探综合测量飞行作业中,系统有能谱晶体探测器、Cs-3磁探头、磁通门、GPS、雷达高度计、气压高度计和温度计等数据需要采集,而这些数据需要同步到同一时刻才有效.
(2) 主要创新点
① 智能化综合收录控制系统
利用现代计算机运行速度快、接口丰富、易扩充等优势,通过软、硬件开发设计,研制智能化数据收录控制系统,替代原有的数据收录系统和能谱仪控制台,集成度高,性能优化,可减少体积和重量,实现数据采集、记录和控制功能一体化.
② 接口通讯创新
以往的航空实时磁补偿系统开机后需要操作员手动操作控制仪器的工作状态.该系统研发新的通讯接口技术,通过与AARC500航空实时磁补偿系统的通讯命令集,实现由综合收录控制系统来自动控制AARC500航空实时磁补偿系统工作,简化空中操作程序,避免误操作造成的无谓损失、提高仪器的自动化程度.
1.3 系统刻度航空伽马测量系统AGRSS,在国防科技1313二级计量站进行了系统刻度,通过了计量检定,获得了直升飞机本底、宇宙射线影响系数、剥离系数、地面灵敏度、大气氡修正系数、高度衰减系数和空中灵敏度系数.刻度结果与IAEA323技术报告中给出的各系数参考值接近,说明AGRSS是一个良好系统.动态带上水域和陆地区域测得的平均谱见图 1,图 2为在各个模型上测得的256道数据谱.
AGRSS系统2015年度总计野外测量167个飞行架次,每架次测量飞行前和飞行后用137Cs和208Tl测试源分别检查NaI(Tl)晶体的分辨率和峰位;每架次测线作业飞行前和飞行后进行早晚基线飞行.从实际测量结果来看,航空能谱仪晶体分辨率(对137Cs的0.662 MeV特征峰)最大为10.30%(图 3),符合航空伽马能谱测量规范中技术指标小于12%的要求;系统峰漂(对208Tl的2.61 Mev特征峰)最大为0.98道(图 4),符合航空伽马能谱测量规范中技术指标小于1道的要求;早、晚基线总计数率变化均小于20%(图 5),符合航空伽马能谱测量规范中技术指标小于20%的要求,说明国产研发的AGRSS系统性能优良.
本次用重复线来检查新型AGRSS系统自身的稳定性,要求天气状况相似,测量方向相同,飞行高度尽量保持一致.第一次测量测线2580与重复测线2581对比结果见表 3及图 6,两次航向相同,飞行高度平均值相差6.13 m,TC计数平均值相差36.27 cps,K含量平均值相差0.05%,U含量平均值相差0.02×10-6g/g,Th含量平均值相差0.32×10-6g/g.从统计结果可以看出,两次同向飞行的重复线测量结果基本一致,说明AGRSS系统自身的稳定性很好.
本次直升机搭载的航空物探测量系统包括AGRSS航空伽马能谱系统和CS-3航磁测量系统,在采集数据时,测量比例尺为1:5万,测线方向为0°,主测线间距500 m;尤其AGRSS系统首次应用于高海拔、地形切割剧烈的山区开展航空伽马能谱测量.通过本次航空物探测量,进一步检查验证新型AGRSS系统的性能、适应性及状态.此外,了解该区域航空伽马能谱分布特征,进行区域岩性填图,并研究分析典型矿床的异常特征,从而了解AGRSS系统在铀及多金属矿产勘查等方面的应用效果.
2.1 与国外航空伽马能谱仪的测量结果对比情况为了进一步检查这套航测系统的可靠性和一致性,对国产研发的AGRSS系统和代表世界先进水平的AGRS-10航空伽马能谱仪(加拿大PicoEnvirotec公司生产)进行了测量对比.
2016年在甘肃作业区,使用两套不同航空伽马能谱仪(AGRSS与AGRS-10)进行了重复线对比飞行,各测量一次,测量方向相同,飞行高度尽量保持一致,重复线长度90 km,测量结果见表 4和图 7,表中6030线为AGRS-10航空伽马能谱仪测量结果,6031线为AGRSS航空伽马能谱仪测量结果.
从测量结果可以看出不同型号的航空伽马能谱仪采集的能谱数据具有很好的一致性,总计数率两次测量相对偏差为4.53%,钾含量最大偏差为2.56%,铀含量最大偏差为2.93%,钍含量最大偏差为2.93%,但由于其本身具有放射性涨落特性,且易受温度、气压、湿度、飞行姿态等多种客观因素的影响,从而造成局部测量数据存在一定的偏差.对比结果表明,
具有自主知识产权的新型AGRSS系统与世界先进水平的AGRS-10航空伽马能谱仪测量结果一致性较好,数据可靠,质量高;AGRSS系统属国内自主研发,易于维护和升级.
2.2 局部航放异常与已知铀矿床的对应关系该异常位于研究区中部的礼县,为山区地貌,海拔为1500~2400 m,地表为花岗岩岩体出露区.在剖面曲线图上,K、Th道无尖峰显示,TC、U道有尖峰显示,U道尖峰显示更为突出,连续13个点偏高.异常呈北东向展布,长约1500 m,宽约250 m.有3条测线有异常反映.钾、铀、钍和总计数率最大值分别为1.4%、12.0×10-6g/g、9.0×10-6g/g和3307.0 cps,为双峰铀异常(图 8).周围铀含量背景值为4.7×10-6g/g,异常最大值是背景值的2.6倍.AGRSS系统航空伽马能谱测量数据发现的局部异常,明显反映了已知铀矿床的放射性特征,对该地区寻找相同地质环境矿床成因相似的放射性矿产有较好的指示作用.
据现有资料统计,在中川岩体区已发现铀矿床、矿(化)点共18处,其中13处位于岩体内,其余位于岩体与下石炭统、中泥盆统的外接触带,3处铀矿床分别为吴茶坝铀矿床、中川铀矿床、范家坝铀矿床;中川岩体是秦岭地区重要的金矿集区,已发现了李坝、金山金矿及多处矿(化)点,具有较好的成矿潜力.已发现的16处金矿床、矿(化)点,均位于中川岩体外接触带1~5 km处,较出名的金矿床有李坝大型金矿床,金山、马泉等中型金矿床(温志亮等,2005).
航空伽马能谱测量资料不仅可以用于探寻铀矿、钍矿等放射性矿产,而且可以用于探寻金及铅锌多金属矿产,并且具有快速、高效、覆盖广等优势.各矿(化)点的空间分布以及异常特征如图 9所示,均位于航放高场、偏高场或其边缘,钾、铀元素具有明显增高现象,尤其是钾元素的增高现象具有普遍性.下面仅以中川铀矿床和李坝金矿床来分析新型AGRSS航空伽马能谱测量系统在铀及多金属矿床勘查中的应用效果.
1) 典型铀矿床效果分析
中川铀矿床产于印支期中川花岗岩岩体东外带的石炭系中,主要构造线呈北西向及北西西向展布,属花岗岩型铀矿,为花岗岩外带亚型铀矿床(张金带,2015).
该区域主要出露中泥盆统(猫儿山组、公馆组)泥质碎屑岩建造,中石炭统(草滩沟组)碎屑岩、碳酸盐岩建造,古近系和新近系山间盆地陆相碎屑岩建造(图 9d).其中,中泥盆统、中石炭统及侏罗系的岩石经浅变质作用形成板岩、千枚岩及片麻岩等,在与花岗岩体接触面局部发育角岩化.
中川富铀花岗岩为中川铀矿床的形成提供了铀源条件,一方面不排除在岩体成岩过程中铀向中石炭统迁移,另一方面在岩体剥露于地表以来,由于岩体为北西高东南低的准平原化古地形,溶解于水中的铀以碳酸铀酰的形式迁移、排泄于外带地层中,在有利的岩性、构造地球化学环境中沉淀成矿(张金带,2015).
航空伽马能谱资料显示,该矿床位于钾高场、铀高场、钍高场中,其钾、铀、钍含量一般在(2.74~5.11)×10-2g/g、(3.35~4.86)×10-6g/g、(13.67~16.97)×10-6g/g,铀含量最高达12.00×10-6g/g,高出背景值约2.6倍.在图 9a、e、g中反映出岩体外接触带蚀变强烈,尤其岩体东部边缘,中川铀矿床恰好处于岩体外带蚀变强烈的地段,这为后续在该地区寻找类似铀矿床提供了较好的指示线索.此外,图 9b、f、h较好的反映出,在中川岩体区受构造活动和蚀变的作用,在岩体内形成了北东向和北西向的破碎带、蚀变带,在其附近铀元素进一步发生分异,局部形成富集,如位于岩体内的吴茶坝铀矿床.
2) 典型金矿床效果分析
李坝金矿床在礼县-罗坝断裂的北部,位于中川花岗岩体外接触热变质圈内.李坝金矿床总体与典型的卡林型金矿可对比,但在岩浆成矿作用、金矿物特征等方面又有所不同,因而,属准卡林型金矿(习称,广义卡林型金矿),金矿物多以独立的自然金存在,次为银金矿等(程彧等,2003).
李坝金矿所在区域沉积了同期异相的中泥盆统西汉水组(D2m)和李坝群(D2g),另出露有中石炭统(C2)及古近系(E),岩性以板岩、砂岩为主,夹千枚岩、灰岩,以陆源碎屑及碳酸盐岩含金建造为组合特征.李坝金矿的含矿围岩主要有泥盆纪猫儿山组、公馆组.由于岩体的热接触变质作用,围岩均产生了不同程度的角岩化热接触蚀变质,围岩蚀变十分发育.其成矿与岩体、构造等关系密切,含矿围岩为成矿提供了矿质来源,中川岩体为成矿提供了热动力.
航空伽马能谱资料显示,李坝金矿床位于钾高场、铀偏高场、钍偏高场中,钾增量(图 9e)、钾方差(图 9g)呈明显的高场反映,异常显示更为突出.金矿床、矿点多处于钾、铀元素增高地段,尤其是钾元素的增高现象更明显,也具有普遍性.与此同时,钾增量(图 9e)、钾方差(图 9g)也较好地反映了与金成矿最密切的蚀变信息,这与多金属矿产的内生成矿作用密切相关,成矿过程中频繁的岩浆热液活动,伴随着强烈的热液蚀变,钾、铀元素随蚀变交代形成了局部的富集.
综合研究表明,中川岩体区内85%以上的铀矿床、矿(化)点分布在航空伽马能谱铀含量、铀增量及铀方差的高值区内或其边缘;80%以上的铀矿床、矿(化)点分布在航空伽马能谱钾含量、钾增量及钾方差的高值区内或其边缘.AGRSS航空伽马能谱测量系统测量结果在铀及多金属矿产勘查中的效果显著.
2.4 区域航空伽马特征对岩体与地层空间分布的反映根据不同地质层(体)在航空物探测量时所反映的不同地球物理场特征为依据,对研究区域进行了岩体范围的重新厘定.航空伽马能谱可以反映出具有放射性差异的中-酸性岩体,航磁可以反映出具有磁性差异的地质体(基性、超基性岩体、中性岩体及部分酸性岩体).下面结合1:20万地质资料,对该区域航空伽马能谱分布特征与地质(层)体的空间对应关系进行综合分析:
1) 航空伽马能谱高场对中酸性侵入岩的反映
本区航空伽马能谱高场区主要对应规模较大的酸性侵入岩体.高场范围、形态和相关地质体吻合程度很高,且一般具有K、U、Th含量同步升高的特征,如中川岩体的高场特征(见图 9a、b、c).本区伽马能谱高场区主要集中分布在中部礼县地区的中川岩体群,包括中川岩体、教场坝岩体、碌础坝岩体、柏家庄岩体、闾井岩体、温泉岩体,以上岩体均为复式花岗岩体,各岩体侵入期次相似,主体为印支期—华力西期,高场区与印支期—华力西期中酸性岩体及岩体外接触带对应,多为团块状.综合特征图(图 10a-e)反映出,各岩体的航空伽马能谱场具有从北往南、由东向西依次降低的特征,花岗岩体区总体受NW、NE向断裂控制.其中,温泉、中川、柏家庄和碌础坝等4个岩体航空伽马能谱特征明显,清晰地反映了各岩体地表出露范围;闾井、教场坝岩体对应航空伽马能谱偏高场,且偏高场不连续,局部为低场显示;对航空伽马能谱数据进行异常信息增强处理后,从综合特征图(图 10b)上可以看出,闾井、教场坝两大岩体的范围有所突出,边界相对清晰,可判定岩体的出露范围.
2) 航空伽马能谱特征对区内地层的反映
区内西部麻池沟—申都—宕昌,航空伽马能谱特征表现为低场-偏低场,主要由古生界碳酸盐岩-浅变质岩类引起;中部闾井—礼县一带,除团块状的高场外,在靠近花岗岩体的蚀源区主要呈偏高场特征,对应中泥盆统猫儿山组、公馆组,多为山间盆地,岩性以碎屑岩为主,夹少量碳酸盐岩.东部甘谷—盐官—西和一带以背景场-偏高场显示,与新生界沉积碎屑岩对应.
区内钾、铀、钍元素与总道分布和对应层体基本一致,这些表明该区高低值分布与层体岩性密切相关,严格受构造、岩性控制,高低场分界线往往为岩性或断裂构造分界线,在断裂构造一带往往为带状或串珠状偏高场-高场区.
此外,各岩体在航磁(图 10c)中表现为平静负磁背景场上叠加了中心式环状正磁异常,其异常形态由岩体与围岩接触带蚀变作用有关.各环状磁异常在空间分布上具有一定间隔,形成了以北东向的串珠状排列的环状磁异常带和北西向排列的环状磁异常带.其中,由于柏家庄岩体位于断裂交汇处,磁场叠加复杂,其航磁异常显示不明显.边界增强处理TiltDepth法(魏永强等,2016)能有效压制区域场、突出局部异常、分离叠加磁性体,而且它对磁场的变化特征表现得十分灵敏,对代表不同岩性构造层边界的磁场梯度带反映更为清晰.在航磁边界增强图(图 10d)中,各岩体边界清晰可见,断裂构造反应明显,其中柏家庄和碌础坝岩体的边界显示虽不完整,但与航磁ΔT(图 10c)相比,边界增强效果明显.
综上所述,新型AGRSS系统对局部异常也有较好的分辨能力,反映比较清楚;新型AGRSS系统测量结果反映的信息丰富可靠,与地质资料吻合较好,很好地反映出地质体的空间分布及放射性水平特征;边界增强处理后,航空伽马能谱与航磁对岩体的边界刻画的更为细致,清晰地反映出区内地质(层)体的空间分布特征;结合地质、航磁资料,重新厘定了中川岩体群的酸性岩体分布范围,圈定了隐伏的中性岩体2片,圈定了基性-超基性岩体2片;航空伽马能谱多元信息对铀矿产、多金属矿产反映明显.
3 结论AGRSS系统用于航空伽马能谱测量时,其性能稳定可靠,采集数据信息可信,质量优良;AGRSS系统能够适应高海拔及地形切割剧烈的山区等复杂工作区,工作状态良好;AGRSS系统在甘肃礼县地区航空伽马能谱测量中发挥了重要作用,填补该地区航空放射性测量的空白,为该地区下一步矿产勘查工作提供了有利的信息.同时,表明国内自主研发的新型AGRSS系统在岩性填图、铀及多金属矿产勘查方面应用效果良好.
致谢 感谢审稿专家和编辑部老师的热情帮助.[] | Cheng Y, Lu Z, Zhang D X, et al. 2003. Discussion on mineralization and ore type of LiBa-style gold deposits[J]. Mineral Resources and Geology , 17(5): 594–597. |
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