摘要
镭-铀平衡系数（Kp值）是铀矿勘查研究中的一个重要指标，对铀矿勘查的工程布设及成矿规律的总结具有重要的指示意义。通过对区内 Kp值空间分布规律研究，为准噶顺地区下步找矿突破提供有效的数据支撑。本文综合赋矿层的岩石特征、碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果、Th/U元素含量比值、水化学特征，对二连盆地准噶顺地区内砂体镭-铀平衡系数在平面空间关系特征及其与岩性关系特征、矿体埋深关系特征进行对比研究，为准噶顺地区下步找矿突破提供有效的数据支撑。结果表明，Kp值指示出区内主要找矿目的层为区内一套北东向展布棕红色泥岩—深灰色泥岩—砂砾石层—浅灰色中粒岩屑砂岩的红色碎屑岩系。Kp值对铀的富集规律可以提供重要的指示，对于找矿突破具有重要的指示意义。
Abstract
The radium-uranium balance coefficient (Kp value) is an important indicator in uranium deposit exploration and has significant implications for the deployment of exploration and the summarization of ore-forming model. By studying the spatial distribution pattern of Kp values in the area, it can provide effective support for the next breakthrough in mineral exploration at the Zhungashun region. This paper combines the characteristics of the rock, the LA-ICP-MS U-Pb dating ages of detrital zircon, the Th/U elemental content ratio, and the hydrochemical features. By analyzing the spatial relationships of the radium-uranium balance coefficient, its relationship with lithology and the depth of ore bodies in the sandstones of the Zhungar region, which providing more data support for the future breakthrough of mineral exploration in the Zhungar region. As results, the Kp value indicates the main target layer for exploration in study area is a set of NE trending brown mudstone-dark gray mudstone-sand and gravel layer-light gray medium-grained rockof red clastic rock series. The Kp value provides important inndications for the enrichment of uranium, which is favorable for the breakthrough in mineral exploration.
0 引言
砂岩型铀矿作为战略性能源矿产，其地位日益重要，白音查干凹陷为二连盆地凹陷西段川井坳陷西北侧的一个次级中小型凹陷，其所在的二连盆地是中国北方砂岩型铀矿的一个主要成矿区（董庭宽和康秀萍，2001）。以中国地质调查局天津地质调查中心、中国核工业集团核工业 208 大队等为代表在二连盆地东段开展了大量找矿工作，相较于此，二连盆地西段勘查工作较少。白音查干凹陷作为重点找矿地区，区域内棕红色泥岩—炭质泥岩之间砂体发育厚大，具备较好的还原性、渗透性，为成矿提供有利条件。根据川井坳陷钻孔资料，目前仅在川井西南方向零星发现铀矿分布，且规模较小（李保侠等，2002；刘武生等，2015）。
镭-铀平衡系数（Kp值）在以往砂岩型矿产勘查工作中作为一个重要的参数（夏毓亮等，2013；王华明，2018），现阶段主要用于测井数据校正或初步判断铀的迁移的研究工作，在空间上的分布规律研究较少。二连盆地芒来矿床初步利用克里格法对镭铀平衡系数在垂向上分布规律进行刻画，为精细化研究砂岩型铀矿提供了新方法的同时，有效地对于铀的氧化迁移规律、垂向分布趋势、铀矿床形态及铀的富集规律进行有效可视化（王伟等，2024）。本文依据对白音查干凹陷准噶顺地区的勘查工作成果，通过刻画镭铀平衡系数在空间上分布规律，结合赋矿层的岩石特征、碎屑锆石 LA-ICP-MS U-Pb 定年结果、Th/U元素含量比值、水化学特征，对准噶顺地区砂岩型铀矿特征进行分析，对准噶顺地区铀的迁移及富集规律、分布趋势、镭铀平衡系数空间分布规律进行研究。镭铀平衡系数作为砂岩型铀矿的重要实验数据（孙潇，2015），可以有效地判别U 的分布规律特征。利用镭铀平衡系数在空间上的分布规律，通过对比地下水流场特征、结合钻孔测井数据验证，通过对矿体进行准确定位，确定矿体展布形态，从而为开展找矿预测提供重要的地质依据。
1 成矿地质背景
二连盆地位于内蒙古中北部，处于华北板块与西伯利亚板块结合部位（图1）。是燕山期拉张、翘断构造应力场作用下于内蒙古—大兴安岭褶皱基底上形成的大型中、新生代断坳陷型沉积盆地（于海飞，2010），盆地总体走向为北东向，向西和南部逐渐变为近东西向，东西长约1000 km，南北宽20～40 km，总面积约21万km2。
西部川井坳陷位于二连盆地内，主要发育白音查干凹陷、桑根达来凹陷、包龙凹陷、巴音杭盖凸起与白彦华凸起一系列次级构造单元，呈现出的“两盆夹一岭”构造格架（陈功等，1997）。研究区处于川井坳陷中白音查干凹陷、桑根达来凹陷及巴音杭盖凸起结合部。坳陷基底主要由元古界、古生界变质岩及海西期—燕山早期基性—酸性侵入岩组成，白垩纪岩浆活动频繁，区内可见的岩浆岩主要为海西期—燕山早期产出的呈带状、岩株的花岗岩、花岗闪长岩、橄榄岩等（柳志华等，2020）。区内地层主要为中侏罗统新民组（J2x）、下白垩统大磨拐河组 （K1d）、上白垩统二连组（K2e）、上更新统冲洪积砂砾石层（Qp3pal）及全新统冲洪积层（Qh）。其中，中侏罗统新民组为河湖相沉积，下白垩统大磨拐河组为河湖相二连组碎屑岩，古近纪地层大量缺失。近年来，随着找矿工作的深入，在该区发现多个铀矿化富集区。富集区主要位于下白垩统大磨拐河组（岳信东等，2008；钟大康等，2018）。该组主要表现为一套受辫状河控制的沉积体系，沉积相在垂向上由两个相序列组成（张福顺，2005；柳志伟等，2012；孙大鹏等，2023）。矿体位于由还原性强的黄褐色细砂、含少量泥质的灰黑—灰色细砂-粉砂岩、灰黑— 灰绿色泥岩及黄褐色细砂岩组成的一套沉积建造中。铀矿体呈似层状产出，表现为受层间氧化作用控制的似层状矿体（刘武生等，2013）。
本研究区含矿层位于下白垩统大磨拐河组，铀矿化主要赋存于黑灰色—灰色泥质粉砂岩、细砂岩、棕红色泥岩和棕红色粉砂质泥岩，少部分分布于炭质泥岩中（图2）。赋矿层碎屑物主要为长石、石英、云母及暗色矿物，暗色矿物主要为角闪石，且绿泥石化发育。矿层上部为一套固结程度较低的泥岩-黄褐色砂岩-细砂、砂砾石层；下部为一套土黄色细砂岩-黄褐色泥质粉砂细砂岩-炭质泥岩。
上部围岩为棕红色泥岩，显示强氧化环境，其上下盘的黄褐色砂岩和土黄色细砂岩，显示出弱氧化环境。其上盘的黄褐色砂岩中发育有黄铁矿，并且该层固结程度疏松，为铀成矿提供了氧化环境和含铀水迁移提供了空间，下盘及含矿层碎屑物中碳屑、有机质明显增多，为铀成矿提供了还原环境从而进一步使铀析出富集。结合钻孔矿层品位大于 0.01%普遍偏薄但下部可见一套厚度较大的砂砾石层，显而易见的还原出铀水的迁移及铀在氧化环境向还原环境过渡时形成铀的富集成矿的有利因素 （徐阳等，2020；唐国龙等，2024）。
矿层内含有机质的泥质砂岩或者泥岩及上盘的疏松状的黄褐色砂岩有利于铀成矿，但是下部大量的河砂及矿层本身沉积厚度同样制约了铀的富集程度。总的来说由含有机质的泥质砂岩或者泥岩及上盘的疏松状的黄褐色砂岩所组成的泥-砂-泥地层结构稳定（熊攀等，2017），砂体透水性好，含有较高还原组分，为含铀流体的还原沉淀提供了丰富的有机质来源和良好的保存条件，区内 30～100 m的红色—灰绿色碎屑岩系是主要的找矿目的层。
通过对钻孔岩心的分层总结分析，区内主要发育河流沉积体系，0～67.8 m呈现出曲流河韵律结构的相序列（表1）。整体以泥岩为主，夹薄层砂岩，由沉积微相河床滞留沉积、边滩和泛滥平原组成的二元结构显示明显。
根据曲流河、辫状河及曲流河、辫状河三角洲沉积体系的铀矿赋存规律（董庭宽和康秀萍，2001； 王先德等，2012；蔡军星等，2013），在区内 30～100 m 的一套红色—灰绿色碎屑岩系中，已有的红色泥岩-棕红色砂岩-土黄色细砂岩-黄褐色泥质粉砂细砂岩-炭质泥岩-灰色砂岩形成了一条纵向上的完整氧化还原带，横向上氧化环境自南西向北东逐渐减弱，反之还原环境增强。因此在北东向氧化环境与还原环境的过渡带的目的层具备较好的成矿条件（聂逢君等，2007）。
表1内蒙古自治区乌拉特中旗川井地区大磨拐河组沉积相分类
图2准嘎顺一带钻孔联剖图
2 样品分析测试及计算方法
2.1 样品采集及测试方法
研究区采集 Ra、U、Th、K 基本分析样品 95 件，采用劈心取样方法，样品主要分布于含矿层位及上下盘，委托至核工业北京地质研究院开展，Th、U 元素含量分析使用 NexION300D 等离子体质谱仪，根据《硅酸盐岩石化学分析方法第 30部分：44个元素量测定》方法开展测试；Ra 含量分析使用 PC-2100 镭氡分析仪按照《岩石样品中 226Ra 的分析方法射气法》方法进行测试，K 含量分析使用 Z-2000 根据 《硅酸盐岩石化学分析方法第 11 部分：氧化钾和氧化钠量测定》方法进行测试。研究工区附近开展地下水位统测 50点，采集地下水样 30件，主要采集地下水井样品，送至中国地质科学院水文地质环境地质研究所分析U、NO3—等，使用电感耦合等离子体发射光谱仪（型号iCAP6300）根据GB/T5750.13-2006/ 1、GB 8538-2016/6、GB 8538-2016/52.1、GB 8538-2016/8、GB/T5750.5-2006/1.2、GB/T5750.6-2006/ 1.5、DZ/T 0064.24-2021、DZ/T 0064.24-2021 等国家标准开展测试。
2.2 镭铀平衡系数计算方法
在砂岩型铀矿勘查中，评价铀含量的有效途径是通过测量岩石的 γ射线强度来实现的。γ射线辐射体是238U的子体镭的短寿命子体核素214Pb（Ra B） 和214Bi（Ra C），其 γ 射线占整个铀系 γ 射线总量的 98％，所以γ射线测量主要反映镭及其子体的含量，再由此推算出镭-平衡状态下的铀含量。但由于受到地下水水文条件及地球化学条件影响，岩石中的铀不断地被迁出迁入沉淀，往往会导致镭-铀衡系数往往处于不平衡状态，因此只有通过镭-平衡系数及放射性测量才能计算得出准确铀含量。根据 《铀矿资源储量估算指南》，单样段镭-铀平衡系数的计算公式为（肖程，2020）：
(1)
式（1）中：为单样段镭-铀平衡系数的数值；为单样段分析测试镭的平衡铀单位的数值（％）； 为单样段分析测试的铀含量的数值（％）。
单矿段镭-铀平衡系数的计算公式为：
(2)
单工程镭-铀平衡系数的计算公式为：
(3)
式（2）、（3）中：为单矿段镭-铀平衡系数的数值；为单工程镭-铀平衡系数的数值；为单矿段分析测试镭的平衡铀单位的数值（％）；为单矿段分析测试的铀含量的数值（％）；hf 为单矿段厚度（m）。
3 结果与讨论
3.1 铀的富集特征
研究认为整个川井坳陷，基底及周边蚀源区铀源丰富，部分变质岩系、华力西中、晚期及燕山期酸性、中酸性侵入岩铀含量较高，一般为 3.2×10-6～5.1×10-6，该区内凹陷南部和西南部蚀源区铀丰度较大，北部蚀源区铀丰度较小（郝进庭，2011）。
通过碎屑锆石样品分析，显示碎屑锆石 U-Pb 年龄主要为（320±58） Ma，反映物源主要来自石炭系，且与川井坳陷南部阴山隆起的晚石炭世岩浆活动吻合。东南部巴音杭盖凸起的古元古界宝音图岩群为主要的物质来源，北侧索伦山隆起的蛇绿构造混杂岩组分则供给较少。区内主要为碎屑物沉积，因此可以判断出东南部可能地势高差较大有利于碎屑物的搬运，北部则较为平坦，因此北侧索伦山隆起的蛇绿构造混杂岩组分则供给较少（刘武生等，2015）。
区内棕红色泥岩-深灰色泥岩-砂砾石层-浅灰色中粒岩屑砂岩所组成的红色—灰绿色碎屑岩系为铀的富集提供了氧化还原环境，该层稀疏结构为铀水的迁移及铀的富集提供了空间（胡珺珺等， 2011；周琪等，2021），通过样品 Th/U 比值分布与红色碎屑岩系的展布情况，显示了准噶顺一带铀在NE 向的富集。通过 U 与 Th/U 散点图（图3）可以看出， U 的高值主要分布在钻孔 1ZK0003、1ZK0701、 1ZK3101，显示区域主要在基线的北侧的北东方向。
图3Th/U-U散点图
表2钍-铀比值数据
续表1
3.2 水化学特征
准嘎顺一带气候干旱，降雨量较小，蒸发量较大，且多风干燥，北部山区地势较高，中部南部地势较平缓，地下水径流速度较慢，径流时间长，地下水的补—径—排主要受地貌条件的控制（杨文达等， 2017；林效宾等，2020；田亮等，2020）。川井工区准嘎顺北部及西南部为地下水的补给区，工区地下水至西向东流向，东南部一带则为地下水的排泄区 （图4）。
通过对乌拉特中旗准嘎顺一带地下水水化学分析结果及水中铀分析结果（图5），表明该区地下水水化学类型较简单。
区内地下水阴离子以氯离子为主，重碳酸根离子主要分布在北部山前，阳离子以钠离子为主。
北部基岩裂隙水水化学类型以 HCO3-NaMg 型水、HCO3Cl-Na型水为主；区内中部好布德勒至乌勒吉陶勒盖北部水化学类型以 HCO3ClSO4-Na、 HCO3ClSO4-NaCa型水为主；满都勒地区水质类型以氯离子ClSO4-Na型水为主，总体上自上游往下游水化学类型由好变坏，矿化度由低变高，表现出了明显的水平分带性。
准嘎顺水中铀含量为 7.36～58.49 μg/L，平均 35.61 μg/L，高于咸水湖中铀平均含量20 μg/L，显示铀从补给蚀源区到达排泄区的径流过程中，随水化学条件的改变，水中铀具有一定的浓集。
准嘎顺的含铀砂体多产于地下水水化学类型发生转变的部位，即工区1ZK0002～1ZK1501一带，为重碳酸盐硫酸盐-钠水。矿化度值偏高，分别为 3.49 g/L、3.87 g/L、2.71 g/L，平均值 2.18g/L；研究区北部和东部均值较小，小于1.3 g/L，对比发现铀成矿有利地区的地下水矿化度相对补给区偏高。总体而言准嘎顺地区矿钻孔所见铀矿异常的砂体赋存部位见图2，主要位于钻孔中部，大致深度为 63～122 m，砂体大致厚度30 m左右。
3.3 Kp值对铀矿勘查的指示作用
（1）镭-铀平衡系数平面空间关系特征
准嘎顺一带品位大于 0.01% 的样品镭-铀平衡系数大于 1.10，镭-铀平衡变化系数为 19.05%，小于 20%。因Kp大于1.10，显示偏镭（表2）。
图4准嘎顺一带地下水等值线及埋深图
表3镭-铀平衡系数数据
续表2
图5准嘎顺一带地下水类型及水中铀等值线图（注：未标水中铀含量）
图6镭铀平衡系数-U散点图
结合测井数据，采集样品 95件，涉及 1ZK0002、 1ZK0003、1ZK0701、1ZK0703、1ZK1501、1ZK3101 共 6个钻孔。所有样本总体镭-铀平衡系数大于 1.10，整体呈现出矿层低，围岩高的特征，反映局部铀的富集（图6）。
1ZK0003 号钻孔采集分析样本 30 件，1ZK0701 号钻孔采集分析样本 21 件，1ZK0003 号钻孔含矿层，品位大于 0.01% 矿层，泥岩及砂砾石层镭-铀平衡系数均小于2，深灰色细粒含砾砂岩、深灰色中粒含砾砂岩及浅灰色中粒岩屑砂岩镭-铀平衡系数处于 2~3，矿层与上下盘围岩体现出明显的“v”趋势。 1ZK0701号钻孔含矿两层，第一层为棕红色泥岩，在品位大于 0.01% 矿层处镭-铀平衡系数均小于 2，围岩多大于3，第二层矿层所处泥岩镭-铀平衡系数均小于2，上部含砂围岩则从上至下由5.6逐渐降至与矿层一致（图7）。
图7不同岩性散点图
图8不同岩性镭铀平衡系数关系直方图
图9矿层U-镭铀平衡系数散点图
1ZK0002、1ZK0703、1ZK1501、1ZK3101 四个钻孔样品岩性较为单一，主要矿层位岩性为炭质泥岩、深灰色泥质粉砂岩、深灰色细粒含砾泥质砂岩、砂砾石层，Kp 值总体小于 3，矿层小于 2，在还原层位铀被泥岩、砂岩中的黑色还原性物质对上层淋滤的含铀水进行还原固定，显示了铀的局部富集。
按照南西 — 北东的顺序排列对比钻孔 1ZK0002、1ZK0003、1ZK0701、1ZK0703、1ZK1501、 1ZK3101，通过散点图（图9）可以发现，大多数矿体镭-铀平衡系数 Kp均显示铀的富集，显示出铀以南西—北东为轴向北东不断迁移沉积的特点。
（2）镭-铀平衡系数与岩性关系特征
通过 Kp 值对应岩性直方图（图8、图10）及“U-镭铀平衡系数”散点投图（图7）对比总结可发现棕红色泥岩、深灰色泥岩、砂砾石层、浅灰色中粒岩屑砂岩为主要的铀富集层位，总体来看为砂岩向泥岩富集，砂砾石层及砂岩部分段位局部富集的特征。
（3）镭-铀平衡系数与矿体埋深关系特征
通过镭-铀平衡系数与样品埋深的关系特征散点图及 U 与样品埋深的关系特征散点图（图11）。可以看出矿体的主要埋深在60～100 m，镭-铀平衡系数随着埋深有着较为明显的变化趋势，主要表现在超过 100 m，镭-铀平衡系数会有显著的提高，显示出了偏镭，U与埋藏深度的关系与镭-铀平衡系数基本保持一致。
区内品位大于 0.01% 的样品镭-铀平衡系数大于 1.10，镭-铀平衡变化系数为 19.05%，小于 20%。因 Kp 大于 1.10，总体显示偏镭。但呈现出矿层低，围岩高的特征，反映了局部铀的富集。区内铀向北东方向处于20～100 m的棕红色泥岩、深灰色泥岩、砂砾石层、浅灰色中粒岩屑砂岩的一套沉积建造体系富集成矿，因此根据镭-铀平衡系数的分布规律建议向基线以北的北东向区域开展下步找矿工作。
图10矿层不同岩性镭铀平衡系数关系直方图
图11埋深关系散点图
（4）Kp值对铀矿指示意义验证
通过研究区内钻孔数据对找矿目的层镭-铀平衡系数在平面空间关系特征、与岩性关系特征、与矿体埋深关系特征、地下水水位及流动补给关系特征进行对比研究，首先显示出区内铀的富集主要以南西—北东向为轴向北东不断迁移沉积的特点，且表现出 20～100 m 埋深深度下沿 NE 向由砂岩向泥岩富集，砂砾石层及砂岩局部富集的特征（图12）。
通过镭铀平衡系数特征与岩性、地下水流场特征对比总体可以指示出区内主要的找矿目的层为区内一套南西—北东向展布棕红色泥岩-深灰色泥岩-砂砾石层-浅灰色中粒岩屑砂岩的红色—灰绿色碎屑岩系。因此Kp值在指示铀的空间、岩性及埋深的富集规律等方面具有重要意义，可以作为钻探设计、验证成矿规律以及进一步地为找矿突破提供可靠的地质依据。
图12准噶顺地区测井验证简图
4 结论
本研究主要通过 Kp 值分布特征结合赋矿层的岩石特征、碎屑锆石 LA-ICP-MS U-Pb 定年结果、 Th/U元素含量比值、水化学特征，探讨了通过 Kp值显示川井坳陷准噶顺地区铀矿矿体特征及找矿方向，得出以下结论：
（1）准噶顺地区矿体主要由东南部巴音杭盖凸起的古元古界宝音图岩群提供的物质来源，由含有机质的泥质砂岩或者泥岩及上盘的疏松状的黄褐色砂岩所组成的泥-砂-泥地层为区内主要的矿层结构。区内由棕红色泥岩、深灰色泥岩、砂砾石层、浅灰色中粒岩屑砂岩所组成的地层是区内主要的找矿目的层。
（2）准噶顺地区岩心样品镭-铀平衡系数的显示，铀的富集体现出以 SW—NE 为轴向北东不断迁移沉积的特点，且偏铀样品主要集中于北东方向 20～100 m埋深的棕红色泥岩、深灰色泥岩、砂砾石层、浅灰色中粒岩屑砂岩沉积体系中，因此下步找矿方向应放在基线北侧的北东方向古河道区域内。
（3）Kp 值对于铀矿勘查的工程设计、成矿规律的研究具有重要的指示意义，大量镭-铀平衡系数数据研究可以有效地指示铀的分布情况，可以为铀矿勘查的找矿突破提供重要的地质数据支撑。
（4）Kp值在砂岩型铀矿勘查技术的未来发展过程中，会愈发重要，通过数学模型、机器学习等新技术手段，在智能找矿方面实现突破，使 Kp值与其他地质要素结合更加紧密，从而实现更加快捷有效的砂岩型铀矿找矿工作。
致谢 杨彪高级工程师在论文写作的过程中给予的耐心指导和宝贵建议，审稿人提出的宝贵修改意见，使得文章更加完善，在此一并表示感谢。
注释
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② 李钢柱，薄海军，刘永新，李成元，董明明，刘伟，张思源，吴春娇，杨红彬，王丕军，白宇明，薛建平，彭树学，李峰，侯万荣，高贺，多荣贤，董明 .2016. 中华人民共和国区域地质矿产调查报告 1∶50000 扎嘎乌苏幅（K49E010001）浩仁呼都格幅（K49E010002）哈日格那幅（K49E010003）索伦幅（K49E010004）沙布特幅（K49E010005）乌珠尔少布特幅（K49E010006）[R]. 呼和浩特：中国人民武装警察部队黄金第二支队．
