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氦气测量及其地质找矿意义?He GAS SURVEYING AND ITS SIGNIFICANCE OF LOOKING FOR MINERALS许来生? XuLaisheng中南二三? 研究所? 长沙? 410011Center South 230 Institute of Nuclear Industry Ministry? Changsha? 410011摘? 要? 氦是铀、 碳氢化合物和地热源的潜在指示元素, 其分布普遍, 化学性质稳定, 来源广泛, 易于迁移通过测定其在土壤, 特别是地下水中的含量, 研究其分布特征, 结合地质、 水文地质条件等综合分析, 可有效地用以达到地质找矿的目的关键词? 氦气测量? 水氦晕? 地质找矿Abstract? He is the potential indicator element of Uranium, hydrocarbons and geothermal source, it has the characteristicsof the universal distribution, the stable chemical nature, the extensive origin and easy migration. We can effectively reach theaim of looking for minerals through measuring the He? s content, special underground water? s one, studying the features of its distribution, combing the comprehensive analysis of geological and hydrogeological conditions.Key words? He gas survey,He halo underground water, Geology and looking for minerals1 ? 氦的基本地质特性1. 1 ? 氦的来源天然条件下, 氦有两种成因来源, 1 是原始生成氦 ??? 宇宙中广泛分布着氦, 地球生成早 期被捕获, 部分保留至今; 2是放射性成因氦 ??? U、 Th 及衰变产物放射出来的 ?粒子形成的,而铀产生的氦占有更大的比重。

氦有两种稳定同位素形式:He4和 He3, He4主要来源于铀和钍的蜕变, 而He3是氚的?蜕变生成的氚在土壤气及铀钍矿石中含量极低, 所以 He3在地球大 气中含量极少, He3/He4为 1. 1 ? 10- 6, 因此我们通常所测到的氦都是He41. 2 ? 氦的分布与运移地球岩石圈上部氦可分 3种存在形式: ? 固溶体 ? He 离子或?粒子在裂变时捕获一个电子; ? 原子包体 ? 矿物和岩石的晶格和封闭孔隙的中性原子; ? 自由原子是与物质无关的, 在 张开裂隙或连通孔隙的中性原子前两种形式氦不运移, 只有后一种自由原子氦才能运移氦是一种在大多数物质中具有很强烈扩散性的惰性气体, 以致它同水、 石油、 天然气、 大气一起参与远距离迁移和积累过程氦的扩散系数一般小于( 3~ 5) ? 10- 5cm2/ s研究表明, 对 氦富集最有利的地段需具备以下条件: 岩层古老的年代, 矿床良好的密封性, 存在着高放射性地层及靠近结晶基底条件的不同会造成氦含量较大的差异, 如古生代岩石中氦含量可达0. 1 %~ 1 %, 而新生代岩石中为 0. 001 %, 在同一时代的沉积物中, 氦含量随埋藏深度而增?收稿日期: 1998- 11- 15; ? 改回日期: 1998- 12- 28作者简介: 许来生, 男, 大学文化, 高级工程师, 一直从事铀矿地质科研工作, 获部级和省国防科工办科技进步奖各两项第18卷第4期湖 南 地 质1999年 12月 Vol. 18No. 4HUNAN GEOLOGYDec.1999加。

氦在岩石中的扩散, 不仅通过固体岩石, 而且通过浸透岩石的流体进行, 在地下水中, 氦的溶解度随温度和压力的增高而增加, 随水的矿化度增大而减少地下水同含有放射性元素岩 石长期接触是氦在地层内部积累和保存的主要因素氦在围岩的孔隙、 裂隙、 地下水及疏松沉积物中扩散运移和积累就可能围绕氦源形成氦的扩散晕氦的不断产生和扩散, 在弱渗透性盖层下的深部构造断裂带有效破碎空间中不断积累, 在 断裂带相应部位常会发现水氦异常, 而且在平面上呈条带状分布, 致使水氦测量可以成为构造填图高效率的方法之一大量的工作表明, 在存在铀矿化附近的地下水中, 一般氦含量都有显著增高, 当钻孔穿过铀工业矿化或有上升泉与矿体相连通时, 由于地下水长期接触铀矿化, 钻孔或泉水中氦浓度一 般可高出本底值的几倍或上百倍, 氦晕圈的规模形态决定于氦在水中迁移的距离及地下水系的分布, 由此可以评价铀矿化的存在2 ? 氦的测定关于氦法找矿的研究始于本世纪 40 年代前苏联, 在我国则始于 50 年代末在过去的半个多世纪中, 对氦气测量仪器及氦气找矿方法本身的研究, 一直在断续地进行着, 并取得了长足的进步和丰硕的成果首先在仪器方面, 研制出了较高灵敏度和精度、 同时也是高成本的质 谱仪和较轻便快捷的离子泵测氦仪; 而在成果方面, 其在铀矿地质、 石油地质、 灾害地质及地震监测等方面得到了较为广泛的应用, 取得了良好的效果。

下面就离子泵氦探测仪作一简单介绍2. 1 ? 离子泵氦探测仪的工作原理和主要技术参数 该仪器由核工业中南二三 ? 研究所研制, 其工作原理是利用石英薄膜漏孔对氦的选择性、透特性和离子泵的选择性抽气作用, 根据测得的离子泵的放电电流的变化来计算水或气样中的氦含量主要技术参数见仪器说明书 2. 2 ? 样品的采集和制备该仪器可以测量水样和土壤样中的氦水样: 采用扩散器取样, 扩散器容积 100 ml 左右取样时采集水源地新鲜清洁水样, 使其充满整个扩散器空间并密封 土样: 按一定网度取工作区地面以下一定深度的土壤, 称取一般 200 g 置于 300 ml 样瓶中注满无离子水( 最好) , 封密积累20 h( 试验数值) 以后即可测其水样得到土样氦含量2. 3 ? 测量与计算 为了保证氦测量的质量, 仪器每年或大修后都进行标准氦源标定为此目的, 二三? 研究所专门配购了 3 个标准氦源, 其含量分别为 34、 134、 1 360( 10- 6eU) 经过标定, 获得仪器正确的标定曲线和氦含量计算参数样品的测量, 操作简便, 可按照仪器使用说明书进行氦含量的获得, 不是仪器直接可以读取的, 可以查找仪器氦标准源标定曲线得到, 也可以 根据标定曲线建立的关系式自动或人工计算获取, 过程简单。

3 ? 水氦与铀矿化通过已知矿床范围内水氦测量的结果, 揭示氦晕与铀矿化密切的关系, 从而证明氦异常对265第 4期许来生: 氦气测量及其地质找矿意义铀矿化良好的指示作用, 可作为找铀矿的可靠标志之一3. 1 ? 水氦在平面上与铀矿化的关系图1 反映了澳大利亚 Koongarra 铀矿床水氦晕的分布情况Koongarra 矿床产于早、 中元古 代砂岩不整合面, 铀矿床受断裂构造带和大致与片理一致的角砾岩带控制水样均采自钻孔水位以下 10 m 处以下, 用质谱仪测量结果表明, 在矿体周围一定范围内, 由于地下水介质的作用, 形成明显的氦晕, 且表现出距离矿体越近氦含量越高的现象, 最高达 11. 5 ul/ l, 比异常底 数( 0. 18) 高出 60倍以上, 反映出氦晕是铀矿化良好的指示信息图2 是 3110 矿床水氦表现特征3110矿床产于某大型花岗岩体外接触带寒武、 震旦系浅变质板岩中, 矿体一般分布于控矿层间构造带下盘, 矿体埋深 0~ 561 m水氦调查在矿区内外12 km2范围内进行, 取样密度 7. 67个/ km2, 包括井、 泉、 钻孔、 坑道水样, 主要发现两个氦晕。

He1晕位于矿床北段, 最高氦含量 12. 4( 10- 6eU) ( 离子泵仪测定) , 氦晕形态沿矿化展布方向呈北北东向, 长 1 600 m, 宽450 m, 面积约 0. 72 km2;He2晕位于矿床南段, 最高氦含量 5. 43( 10- 6eU) 较好地反映了下部铀矿化的存在图 1? Koongarra 矿床水氦成果图 Fig1? Result map of He underground water at Koongarra deposit 1 矿体? 2 取样孔位? 3 地层界线? 4 剖面位置 5 水氦晕(He> 0.18 ul/ l) ? 6 NMg> 0. 8图 2? 3110 矿床水氦成果图 Fig2? Result map of He underground water at 3110 deposit1 矿化范围? 2 水氦晕? 3 水铀晕? ? 图3 展示的是3110 矿床水氦勘查成果该矿床位于某大型花岗岩体中段, 属碎裂蚀变花 岗岩型铀矿床, 矿体埋深 0~ 400 m, 矿床内地下水主要为构造裂隙承压水和花岗岩风化裂隙水, 水氦调查在矿区内外进行, 控制面积 12 km2, 基本取样 133 个, 平均 11. 1 个/ km2, 共圈定水 氦晕 6 个, 水氦晕均产于区域性控矿断裂带 F2、 F3上, 形态走向与构造带大致一致, 从而反映 了水氦对断裂构造的显示效果, 理论上也是符合实际的, 因为区域 F2、 F3断裂是深部氦源和成 矿物源的良好通道, 也是矿化聚集的有利场所。

F2断裂带中段, 次级构造发育, 是矿体主要赋存块段, 水氦同样表现为异常多, 氦晕规模大的特征3. 2 ? 水氦在剖面上与铀矿化的关系266湖 南 地 质第 18 卷在图 4、 图 5、 图 6 上反映得很清楚 ? 氦的扩散主要与断裂构造裂隙的发育程度、 地层的渗透性及地下水系有关, 通常情况下, 水氦能正确反映铀矿化( 包括深部铀矿化) 的范围; ? 水氦在矿体分布范围内含量达到最高值, 并沿通过矿体的地下水迳流方向, 含量逐渐降低而形成 一定范围的氦晕; ? 垂向上, 由于逸散作用, 钻孔中水氦含量从深部至浅部逐渐降低同样由于氦气的不断逸散, 在没有充足的高氦源条件下, 其沿水流方向扩散的距离是有限的图 3? 3100 矿床水氦成果图 ( 据王建谱等修改) Fig3? Result map of He underground water at 3100 deposit 1 水氦晕? 2 水铀晕? 3 伽玛异常4 矿化范围? 5 剖面位置图 5? 3110 矿床 A- B地质剖面( 上) Fig5? A- B gedogical section at 3110 deposit 图 6? 3100 矿床 A- B地质剖面( 下) Fig6? A- B geological section at 3100 deposit3. 3 ? 水氦晕与其他晕比较Koongarra 矿床水文地球化学勘探表明: 与Alligater Rivers 铀矿省的其它矿床相同, 富镁脉 石矿物的淋滤导致地下水含主要元素的特性组分, 这种组分用每升水中毫元当量数 NMg=[Hg2+] / [ Ca2++ Mg2++ Na++ K+] 计算出来的标准化的Mg 来表示。

镁的富集 NMg> 0. 80, 在Alligater Rivers 铀矿省发现与铀矿化含水层一致, 在 Koongarra 地区, 则表现为在矿床周围和沿矿床主体的走向分布, 形成长且宽的 NMg 异常带( 图 1C) , 而水氦晕分布在 NMg 异常带的局267第 4期许来生: 氦气测量及其地质找矿意义部, 范围相对要小得多, 实际情况是水氦晕反映铀矿化更确切具体图 4? Koongarra 矿床A- B 地质剖面图Fig4? A- B geol。