伽马能谱测井在罗辛铀矿勘查中的应用研究

焦仓文，冯延强，王恒，潘自强

核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029

γ测井以其经济、快速、稳定的优点，国内多年来一直作为铀矿勘查和铀资源量估算的标准测井方法技术。而对于铀镭严重不平衡的砂岩型铀矿床，或者含有丰富钍的热液型铀矿床，γ测井应用会受到一定的限制。前者可利用裂变中子测井技术直接获取铀元素含量，后者则推荐使用伽马能谱测井技术。L.Løvborg（1980）报道了利用GAD-6 伽马能谱测井仪在南格陵兰的Kvanefjeld 铀矿床上的勘查应用［1］。焦仓文（2021）报道了利用NP454 伽马能谱测井仪在碱性花岗岩（Jabal Sayid）和砂岩铀矿勘查中的应用实例［2-3］。

罗辛铀矿床（Rössing uranium deposit）位于非洲南部纳米比亚共和国埃龙戈省，是世界上最大的露天开采白岗岩型铀矿床。铀矿化主要赋存于罗辛组内，含矿岩性主要由白岗岩和伟晶岩组成［4］。钻探揭露的矿化层主要产在卡塞布组上段，矿化主要受群脉状白岗岩脉控制，矿体多，规模大。

在罗辛矿区外围施工57 个钻孔，取心孔25个，全部采用金刚石岩心钻探工艺，斜孔钻进；其中Z17 区施工42 个钻孔，钻孔倾角介于65°～70°之间，方位角295°；Z19 区施工15 个钻孔，钻孔倾角介于55°～65°之间，方位角150°。钻探施工达到地质设计深度，终孔洗井后，依次进行伽马总量、伽马能谱以及井斜测量。参考邻近罗辛（Rössing）、湖山（Husab）、Etango 和瓦伦西亚（Valencia）矿床工业指标［5-7］，按照测井规范［8］，设定边界品位100×10-6（U3O8），最小可采厚度2 m，最低米百分值0.017 %（U%·m）的工业矿（化）段划分原则，确定钻孔矿层位置、厚度和品级。为了便于方法比对，以开展γ测井（定量γ测井）、伽马能谱测井，以及矿心取样的钻孔的测量数据为基础，针对Z17 区和Z19区分别从伽马能谱测井解释铀含量与钍修正后γ测井解释铀含量对比，以及伽马能谱测井解释铀钍含量与矿心分析铀钍含量对比两方面展开对比论述。

1 仪器与数据采集

用于铀矿勘查目的的伽马能谱测井仪强调小口径、元素高含量的测定［9］。NP454 伽马能谱测井仪，探管外径45 mm，内置BGO 闪烁晶体探测器直径30 mm，长100 mm。稳谱精度决定仪器的测量精度，NP454 设计有开机自动寻峰，温度稳谱粗调，以及基于自稳源（133Ba：356 keV）动态监测谱漂移通过调整高压实现稳谱细调。

测井速度对测井数据采集有显著的影响，过快的测井速度引起伽马峰漂移，也会直接影响测井数据的准确性。建议矿化段的测井速度不大于3.0 m·min-1。

2 伽马能谱测井与伽马测井对比

在野外施工期间，根据岩心物探编录伽马峰值，首先对测井曲线进行平移对齐处理，再根据钻孔铁套管、水位和孔径等信息对伽马测井解释结果进行铁、水吸收修正，按照上述矿（化）段划分原则分三个品级对伽马测井解释铀含量进行矿段组合，提供给地质人员作为（岩）矿心分样、取样的依据，通常取样样长1 m，边界控制样长为0.2 m。二分之一劈心，对矿心样编号送实验室化学分析，共计1 664 个单样，扣除边界控制样、重复样外，参与统计分析对比的有效矿心分析样为1 334 个。

2.1 对比方法

按照国内相关规范要求［8］，γ测井解释需经过相关参数修正后确定矿层含量，包括铁、水吸收修正、钍钾修正、密度、湿度，以及有效原子序数测定等。γ测井不能区分铀、钍，而施工钻孔钍含量比较高，需要作钍修正，有两种方法：1）矿层中钍铀比值为常数时，矿层铀含量按公式（1）修正［8］。

式（1）中：Q'U、QTh、Qγ和QU分别为矿心样分析铀含量、矿心样分析钍含量、伽马测井解释当量铀含量、经钍修正后的测井解释铀含量，10-6；k—钍铀当量系数，其含义为单位含量钍（系）元素的放射性计数与单位含量铀（系）元素引起放射性计数的比值，与具体的仪器型号有关。本文使用的γ测井仪在核工业放射性勘查计量站（国防科技工业1313 二级计量站）测井刻度群上获得的系数为0.392（HD4002-GM404—2005）和0.388（HD4002-GM404—2003），无量纲。2）钍铀比值在空间位置上与铀含量有相关关系时，铀含量按公式（2）进行修正［8］：

式（2）中：B(x，y，z)—钍铀比值的空间分布函数，其他参数同公式（1）。

2.2 钍铀比

γ测井钍修正首先需要获取钍铀比。通常做法是利用矿心分析铀、钍元素含量数据，求取钍铀比均值，或者拟合铀与钍铀比之间函数曲线，代入公式（2）。陈宁（2021 年）和曹云（2018 年）报道了基于湖山铀矿床大量岩粉样化学分析数据进行数理统计，利用钍铀比与铀含量呈现良好的幂函数关系［10-11］，对伽马测井解释结果进行钍修正获得了较好的应用效果。张凯（2017 年）根据赋矿岩体的蚀变特征及矿体埋深的分布特征，提出了按蚀变强度分带进行钍干扰系数的修正方法［12］。

罗辛矿区外围（Z17、Z19）经钻探揭露，矿（化）层钍铀比是变化的，图1 是对矿心分析结果进行钍铀比统计的频率分布直方图，其中Z17 区1 048 个单样，Z19 区111 个组合样。由图1 可见，Z17 区钍含量高，铀含量低（钍铀比大于1.0）的矿段数量占比20 %；Z19 区钍铀比则大部分集中在0.1～0.3 之间。

图1 罗辛矿区外围钻孔矿心分析的钍铀比分布频率直方图Fig. 1 Histogram of Th/U ratio based on core assay in Rössing uranium mine area

利用矿心化学分析数据分别按不同铀含量品级统计钍铀比均值、不分级统计一个钍铀比常数，以及基于伽马能谱测井的钍铀比针对组合矿段，按公式（1）进行处理，以钻孔为单位进行米百分数统计，发现利用伽马能谱测井获得的钍铀比对γ测井解释结果进行钍修正后，与矿心分析数据对比误差更小，吻合度更高（由于篇幅的限制，这里没有列举详细对比结果）。说明利用伽马能谱测井获取待组合矿段的钍铀比直接参与γ测井解释结果的钍修正是合理的，其原因在于两种测井方法的伽马射线探测范围、钻孔测井环境都是一样的（意味着修正也类似），因此矿段米百分数超差数据相对较少，而利用矿心分析元素含量的钍铀比来作为伽马总量解释结果钍修正参数的话，涉及到更多更复杂的影响因素，诸如地质分样、编号抄样、送样、劈样、碎样和实验室分析等诸多环节，不可控因素更多，基于误差累计原理，造成了对比误差（变异系数、标准方差）相对较大的结果。

对于γ测井中铁、水吸收修正［13］，可参考文献［8］中附录1，通过查表或者插值方法获得；就伽马能谱测井仪而言，野外工作之前在核工业放射性勘查计量站铀、钍积木模型上进行了铁水吸收修正曲线的拟合，现场根据钻孔施工参数（孔径、铁套管厚度及水位）对伽马能谱测井解释结果进行相应修正。

需要说明的是，依据矿心分析钾含量（表1）＜10 %及相关规范要求［8］，无需对γ测井解释结果进行钾修正。

表1 矿心分析钾元素含量统计表Table 1 Statistics of potassium core assay

2.3 数据分析

按照2.1 节介绍的方法，对γ测井矿段解释铀含量（钍修正后），与伽马能谱测井铀含量解释结果，以米百分数为单位进行对比（表2 和3）。

表2 伽马能谱测井与钍修正后的γ 测井结果对比表/eUTable 2 Contrast of uranium concentration and thickness of mineralization segment by spectral γ log and gross γ well log with thorium deduction

表3 伽马能谱测井与γ 测井（钍修正）解释铀含量米百分数对比Table 3 Contrast of U meter and percent per borehole between spectral γ and thorium-deducted gross γ logging

图2 中，Z17 区，伽马能谱测井解释铀含量（URAN）均值168.28×10-6，γ测井（钍修正）当量铀含量（QeU）均值175.65×10-6，相关系数R=0.99，变异系数CV=8.8。Z19 区，伽马能谱测井解释铀含量（URAN）均值255.31×10-6，经钍修正后的γ测井解释当量铀含量（QeU）均值246.55×10-6，相关系数R=1.00，变异系数CV=11.9。，fU—钍修正后的γ测井矿段解释GT 与伽马能谱测井GT 之比；hγi—γ测井解释矿段厚度，m；QCUi—钍修正后的γ测井解释当量铀含量，10-6；hi—伽马能谱测井矿段解释厚度，m；QURANi—伽马能谱测井解释铀含量，10-6。

图2 伽马能谱测井解释铀含量与γ 测井解释铀含量（钍修正）散点图Fig. 2 Scatter diagram of spectral gamma uranium concentration and thorium-deducted gross gamma equivalent uranium concentration

3 伽马能谱测井与矿心分析对比

3.1 矿心取样与组合

基于γ测井矿（化）段解释结果对矿心分样、取样，而矿（化）段的取样并不是连续的。因此，首先需要对矿心分析数据进行组合，加权平均求取组合后矿（化）段的元素品位及厚度（深度间隔），而后按相同的深度间隔，对伽马能谱测井原始数据依据模型刻度系数进行元素含量解算，铁水吸收修正等处理后，分别求取铀、钍各自的米百分数值。

3.2 分析对比

按不同工作区，分别对矿心单样组合后，以散点图形式和钻孔累计米百分数两种方式进行伽马能谱测井与岩心分析结果的对比，前者利用均值、相关系数和变异系数等指标考量（图3 和4，表4）；后者以矿（化）段异常峰面积整体进行对比（表5～7）［14-15］。

表4 伽马能谱测井解释铀钍含量与矿心分析含量对比统计结果表Table 4 Reconciliation of uranium and thorium concentration between spectral gamma-ray log and core assay

表5 伽马能谱测井解释与矿心分析结果对比表（U）Table 5 Reconciliation of uranium concentration and thickness of mineralization segment by spectral γ log and core assay

表6 伽马能谱测井与矿心分析结果对比表（Th）Table 6 Reconciliation of thorium concentration and thickness of mineralization segment by spectral γ log and core assay

图3 伽马能谱测井解释铀钍含量与矿心分析含量对比散点图（Z17）Fig. 3 Scatter diagram of uranium and thorium concentration by spectral gamma logging and core assay in Z17

图4 伽马能谱测井解释铀钍含量与矿心分析含量对比散点图（Z19）Fig. 4 Scatter diagram of uranium and thorium concentration by spectral gamma logging and core assay in Z19

图3 和4 中，偏离拟合线较多的数据点（outliers），并不是测量本身引起的误差，应该从数据统计中剔除掉。

作为钻孔实例，Z1903-03 分别从矿心分析、γ测井解释和伽马能谱测井解释进行对比（图5，表7）。由图5 可见，矿段160.0～163.0 m表现为铀含量高，钍含量低，而190.0～193.5 m则表现为钍含量高，铀含量低。由于铀或者钍元素含量低于100×10-6，矿段1、3、8 和14 会引起比较大的相对误差（＞10 %）；由于钍铀比值大于5，矿段12 会引起低含量元素测量相对误差也较大。矿段6、13，伽马能谱测井和γ测井解释结果的相对误差都较大，除了超出伽马测井仪测量范围的原因外，有可能是伽马测井以外的因素，如矿心取样分析环节造成的。

表7 Z1903-03 伽马测井与矿心分析的误差对比表Table 7 Statistics of errors of spectral γ log and core assay of borehole Z1903-03

图5 钻孔Z1903-03伽马能谱测井、γ 测井及矿心分析对比图Fig. 5 Composite diagram of spectral γ，gross γ and core assay from borehole Z1903-03

4 误差分析

准确性（accuracy）表征测量值接近真值的程度，精确度（precision），即重复性表征测量值和任何其他测量值的接近程度［16］。Pitard（1998）推出了相对差分图（Relative Difference Plot），用于刻画基本测量、重复测量的重复性。

公式（3）用来估算对值（基本测量值、重复测量值）的相对差，以百分数表示。计算的RD（%）以测量对象均值（元素含量）递增顺序排列，x轴以递增顺序排列，其中一个纵轴表示RD（%），另一个纵轴表示元素含量。这种表示方法有助于识别基本、重复测量值的变化情况，尤其是相对差较大的变化值。由于单一对值的相对差值跳动较大，通常的做法是，对其取滑动平均值。

图6 是对394 个组合样的基本、重复伽马能谱测井解释铀钍含量的RDP 曲线图。由图6 可见，低含量样本（＜100×10-6）的相对误差有增大的趋势，主要是受到伽马能谱测井仪元素含量探测下限的限制；而在100×10-6以上的元素含量测量范围内，10 %的误差是有保证的。

图6 Z17 伽马能谱基本和重复测井相对差图Fig. 6 Relative difference plot （RDP） of basic and repeat spectral gamma logging in area Z17

伽马能谱测井解释铀含量与钍修正后的伽马测井解释铀含量对比结果表明，其在相关性、变异系数等参数指标方面都普遍优于伽马能谱测井解释含量与矿心分析含量的对比结果。因为探测器探测井筒周围伽马射线的范围是一致的，钻孔测井环境也是相同的（两者测井时间相隔大约2～3 h），引起测量误差的原因除仪器本身测量精度有差异外，主要是受钍修正方法的可靠性和可信度的制约。再者，两者比较是基于伽马测井解释矿段（深度）间隔，包含了薄矿化层等情形。扣除这些统计数据的影响，两者接近程度会更好。

γ测井解释与矿心分析的对比，其影响因素要复杂得多［17］，单就测量对象而言，岩（矿）心直径小（NQ 钻孔岩心直径47.6 mm），而伽马探测器中心半径约60 cm 范围内地层的伽马射线对其计数率都有贡献，后者探测范围是前者的几十倍（表8）［18］。矿心分样、取样是以γ测井矿段解释为基准，岩心采取率会影响现场矿心边界的识别（测井深度与实际岩矿心存在错位）。排除固有的不可消除的引起两者误差的因素，建议：1）岩心样分析元素含量，以样长加权进行组合后，按米百分数进行对比；2）为减小误差目的，野外及时根据测井解释结果对矿心取样送实验室分析，分析产生误差原因以便于及时改进工作方法［19］；3）除了随机穿插一定比例粉末重复样外，适当增加岩心复样（coarse reject）的比例，或者送外检实验室分析。这样有助于识别除实验室分析误差以外的因素，如劈样、粉样和标记过程中的偏差等；4）岩（矿）心宜整个矿段连续分样，同时按矿心分析结果进行矿段组合，以米百分数为单位，开展伽马测井与矿心分析的对比，有助于缩小两者之间的误差。

表8 确定铀含量的伽马测井探测体积与不同钻孔直径下化学分析岩心样体积之比较（据参考文献［18］修改）Table 8 Contrast of the volume of rock measured to determine uranium grade by gamma logging and the geochemical assay of core for different drill hole diameters (Modified after reference [18])

另外，针对罗辛矿区85×10-6铀金属含量工业指标，在保证测量精度的前提下，进一步降低伽马能谱测井的测量下限。

5 结 论

1）针对热液型铀钍混合型铀矿勘查应用，伽马能谱测井是一种有潜力的技术方法。

2）矿山开采阶段，可以作为一种更经济、高效的测井方法来取代岩心化学分析测定岩矿石的铀品位。

3）针对小口径γ能谱测井仪做进一步改进与提高，可以满足宽量程、高精度伽马能谱测井应用。

致谢：感谢核工业放射性模型站的管少斌、唐晓川在积木模型测试中提供的大力帮助。