α徑跡蝕刻方法及其在砂巖型鈾礦中的應(yīng)用——以HJQ砂巖型鈾礦為例

寸小妮，張洪深

(1西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710069;2中化地質(zhì)礦山總局 陜西地質(zhì)勘查院，陜西 漢中723000)

α徑跡蝕刻法是用感光膠片的片基記錄放射性元素衰變產(chǎn)生的α粒子所造成的輻射損傷，經(jīng)化學(xué)蝕刻擴(kuò)大徑跡的方法。α徑跡蝕刻法適用于研究巖石、礦石中U的分布狀況、存在形式等，也適用于尋找?guī)r石和礦石中顆粒細(xì)小的鈾礦物和含鈾礦物，研究鈾礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

砂巖型鈾礦一般產(chǎn)于中新生代盆地內(nèi)的巖性疏松砂巖地層內(nèi)可應(yīng)用原地浸出方法開(kāi)釆的鈾礦床［1］，該類型鈾礦具有埋藏深度淺、采成本低、礦石品位低、礦產(chǎn)儲(chǔ)量大并且對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)勢(shì)。砂巖型鈾礦特別是地浸砂巖鈾礦品位普遍較低，鈾礦物顆粒細(xì)小或呈分散吸附形式鈾存在，在光學(xué)顯微鏡下很難觀察，甚至電子探針?lè)治鲆膊灰渍业健Ｒ虼?，選擇一種簡(jiǎn)便有效地尋找、觀察、分析鈾礦物及其分布狀態(tài)的方法就顯得非常重要。

1 原理與提出

當(dāng)放射性元素在其衰變過(guò)程中產(chǎn)生的帶電粒子和裂變過(guò)程中產(chǎn)生的裂變碎片以高速度向四周發(fā)射時(shí)，它們帶有巨大的能量，可使周?chē)墓腆w絕緣物質(zhì)受到輻射損失而留下痕跡。這種痕跡稱為徑跡。這些天然徑跡的直徑一般都很小，只有通過(guò)電子顯微鏡放大十萬(wàn)倍以上才能看清，因此，稱之為潛跡。為了使?jié)撣E能在一般顯微鏡下看到。普萊斯等人于1962年成功地利用化學(xué)腐蝕的方法將云母中的裂變徑跡擴(kuò)大到直徑1-2μm以上，并且能夠長(zhǎng)久保留，這樣形成了徑跡蝕刻法。

鈾是一種放射性元素，能產(chǎn)生α徑跡，天然產(chǎn)生的α徑跡直徑很小，用化學(xué)腐蝕的方法可以將這種徑跡直徑擴(kuò)大到1-2μm以上，以便在光學(xué)顯微鏡下觀察，并且能夠長(zhǎng)久保留［2］。α徑跡蝕刻法適用于研究巖石、礦石中U的分布狀況、存在形式等，也適用于尋找?guī)r石和礦石中顆粒細(xì)小的鈾礦物和含鈾礦物，研究鈾礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。杜樂(lè)天等(2009)在研究華南花崗巖型鈾礦時(shí)，運(yùn)用α徑跡蝕刻方法，對(duì)絹云母蝕變礦石進(jìn)行研究，取得了良好的效果。

α徑跡蝕刻法的優(yōu)點(diǎn)是所用的材料便宜，不需暗室設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，靈明度高，沒(méi)有核乳膠的隱退化問(wèn)題。所以，對(duì)于含鈾、釷很低的礦物和巖石標(biāo)本可以長(zhǎng)期照射。

2 實(shí)驗(yàn)方法及流程

α徑跡蝕刻法的優(yōu)點(diǎn)是所用材料成本較低，操作簡(jiǎn)單，靈敏度高，在整個(gè)操作過(guò)程中，不需避光，沒(méi)有核乳膠的隱退問(wèn)題，效果較好。具體做法如下(趙鳳民等，1988)。

1)用于接收和記錄α粒子能造成輻射損傷的介質(zhì)叫做探測(cè)器?？捎米魈綔y(cè)器的材料有兩大類:一類是無(wú)機(jī)化合物晶體和玻璃;另一類是有機(jī)聚合物。一般采用尚未涂布或去掉感光乳膠層的電影膠片或照相膠卷作徑跡探測(cè)器［3］。常用的有醋酸纖維薄膜和硝酸纖維薄膜兩種，前者不易燃燒，安全性好，最為常用。本文采用醋酸纖維膜作為探測(cè)器，我們稱之為片基。

2)將片基薄膜剪成略小于光薄片的大小，這樣易于使片基在光薄片上平整固定，與光薄片貼緊，既能更好地接受α粒子撞擊，又能便于后期鏡下觀察。

3)用酒精洗凈光薄片表面，將基片覆蓋在光薄片表面上，然后用寬夾子或透明膠帶固定好，并用鋼針或銳器在基片上描刻出光薄片編號(hào)及輪廓，以便蝕刻后對(duì)位觀察。然后放置在常溫、干燥且無(wú)灰塵的地方，讓薄膜接受輻照。

4)一般輻照時(shí)間的確定，可根據(jù)礦石γ值和品位和確定［4］，具體獨(dú)照時(shí)間詳見(jiàn)表1、表2。

表1 根據(jù)礦石γ值確定的輻照時(shí)間表(據(jù)徐喆等，2010)

表2 根據(jù)礦石品位確定的輻照時(shí)間表(據(jù)趙鳳民等，1988)

5)蝕刻。蝕刻溶液的配方和蝕刻的溫度、時(shí)間最佳條件要通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)后確定。一般用6-7當(dāng)量濃度的強(qiáng)堿溶液作蝕刻劑，具體配方又因片基種類的不同而略有不同(表3)。一般按表3所列的時(shí)刻條件，一般徑跡直徑可達(dá)4-5μm，在最佳蝕刻條件下徑跡直徑可達(dá)5-6μm。

6)蝕刻時(shí)用帶鉤的架子將片基薄膜一片一片地垂吊在蝕刻液中。當(dāng)蝕刻液容器小時(shí)，要分批蝕刻［5］。一般用I、II配方蝕刻到3.5*3.0 cm2的薄膜50片，用III、IV配方蝕刻到30片左右時(shí)，藥液就逐漸變?yōu)榫G色，這時(shí)就需要每蝕刻10片延長(zhǎng)10 min，以保證前后α蝕刻的徑跡大小一致。蝕刻到60 min左右時(shí)，將膠片取出，用清水沖洗干凈，但仍有一些沉淀物附著在薄膜上洗不下來(lái)，需要再放在1∶1的鹽酸中清泡30 min以上然后取出用清水沖洗干凈，晾干，便可在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。以上操作均無(wú)需避光。

表3 徑跡蝕刻溶液配方及蝕刻條件

3 砂巖型鈾礦石中α徑跡特征分析

趙鳳民等(1988)認(rèn)為一般認(rèn)為α徑跡呈密集分布的細(xì)脈、團(tuán)塊、放射狀是由鈾礦物中的鈾放射性衰變產(chǎn)生的α射線所引起;一些普通礦物中密集的中心放射狀的α徑跡大都是由顆粒細(xì)小的鈾礦物引起，其與含鈾礦物的區(qū)別是徑跡密集程度高，而且不會(huì)出現(xiàn)空心放射狀。一般認(rèn)為，α徑跡呈稀疏均勻分布時(shí)為分散鈾，既可以是類質(zhì)同象也可以是吸附形式，具體區(qū)分要看賦鈾礦物的性質(zhì)［6、7］。例如，鋯石、獨(dú)居石、復(fù)雜氧化物等礦物中的鈾常為類質(zhì)同象形式，而粘土礦物、長(zhǎng)石、石英、有機(jī)質(zhì)等所含的鈾常為吸附形式。

3.1 HJQ砂巖型鈾礦礦石α徑跡特征

通過(guò)對(duì)杭錦旗鈾礦6個(gè)富鈾砂巖樣品進(jìn)行α徑跡蝕刻，將蝕刻的照片放到鏡下觀察發(fā)現(xiàn)富鈾砂巖對(duì)應(yīng)的片基中都呈現(xiàn)出較好的α徑跡分布，整體上α徑跡在片基中都有分布，或密集或分散分布，有的呈團(tuán)塊狀聚集，有的呈脈狀分布;

如在圖片3-1A、B，鈾的徑跡呈分散分布，可判斷該徑跡對(duì)應(yīng)的形式為分散吸附狀態(tài)，C、D中可見(jiàn)呈團(tuán)塊狀聚集的徑跡，因此推測(cè)對(duì)應(yīng)該處可能存在鈾礦物;少量徑跡呈細(xì)脈狀分布，判斷可能該礦物可能為有機(jī)質(zhì)或碳酸鹽巖脈(裂隙)中吸附的鈾元素，如圖E和F。

AB光薄片DY-15對(duì)應(yīng)的蝕刻后膠片，α徑跡在膠片中整體較均勻分布，呈稀疏分輻照時(shí)間40d，單偏光50×;CD光薄片DY-32對(duì)應(yīng)的蝕刻后膠片，α徑跡在膠片中呈團(tuán)塊狀分布，輻照時(shí)間40d，單偏光50×;EF光薄片DY-36對(duì)應(yīng)的蝕刻后膠片，α徑跡呈密集脈狀分布，輻照時(shí)間40天，單偏光50×;

圖1 砂巖α徑跡特征

圖2 富鈾砂體中α徑跡與對(duì)應(yīng)的鈾礦物的關(guān)系圖

A.光片HJQ-137對(duì)應(yīng)的燭刻后膠片，可見(jiàn)密集分布和細(xì)脈狀密集分布的徑跡，單偏光100×;B.光片HJQ-36對(duì)應(yīng)的蝕刻后膠片，見(jiàn)細(xì)脈狀密集分布及團(tuán)塊狀分布的徑跡，單偏光100×;C.與圖A對(duì)應(yīng)位置的光片鏡下特征，黃鐵礦分布區(qū)域?qū)?yīng)團(tuán)塊狀聚集的a徑跡，方解石分布的位置則對(duì)應(yīng)細(xì)脈狀密集分布的a徑跡;D.與圖B對(duì)應(yīng)位置的光片鏡下特征，黃鐵礦分布區(qū)域?qū)?yīng)團(tuán)塊狀聚集的a徑跡，粘土及綠泥石礦物分布區(qū)對(duì)應(yīng)圖B中細(xì)脈狀密集分布的a徑跡區(qū)域;E和F分別為A、B對(duì)應(yīng)圖片的背散射照片，在黃鐵礦中含有大量的鈾礦物，鈾礦物形態(tài)與所形成的α徑跡形態(tài)基本一致

將載有徑跡的片基放到鏡下觀察，并與光薄片中的礦物進(jìn)行對(duì)位，呈現(xiàn)出α徑跡與黃鐵礦密切相關(guān)的現(xiàn)象，如圖2所示，在有黃鐵礦分布的地方，α徑跡分布較密集，表現(xiàn)為團(tuán)塊，說(shuō)明為黃鐵礦所吸附;在方解石分布的地方徑跡呈條帶狀并且相對(duì)比較稀疏。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)α徑跡蝕刻法所用材料成本較低，操作簡(jiǎn)便，靈敏度較高，在整個(gè)操作過(guò)程中，不需避光，應(yīng)用于對(duì)砂巖型鈾礦石的研究效果較好。

(2)α徑跡蝕刻方法應(yīng)用于砂巖型鈾礦石的研究，對(duì)不同類型不同品位的砂巖型鈾礦石能夠簡(jiǎn)便有效地尋找砂巖型鈾礦中鈾礦物及其存在位置、判別鈾的賦存形態(tài)，為研究砂巖型鈾礦及鈾含量偏低的含鈾礦石提供一個(gè)簡(jiǎn)便易行的分析手段。

(3)在HJQ砂巖型鈾礦石的研究中，通過(guò)α徑跡蝕刻法對(duì)鈾礦石的分布狀態(tài)，鈾的富集規(guī)律進(jìn)行研究，得出該區(qū)鈾礦石中的鈾主要以吸附狀態(tài)和鈾礦物2種形式存在，鈾礦化與黃鐵礦化有密切的關(guān)系，為研究本地區(qū)鈾成礦作用具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

［1］張海青，世界鈾資源概況.世界核地質(zhì)科學(xué).2007，4(24):212-215.

［2］石玉春，α徑跡照相法及其在巖礦研究工作中的應(yīng)用.核技術(shù)1988，9(11):56-58.

［3］馬曄，鄂爾多斯盆地HJQ地區(qū)砂巖型鈾礦鈾賦存狀態(tài)研究.西北地質(zhì)2013，2(46):141-152.

［4］徐喆，α徑跡蝕刻方法在砂巖型鈾礦研究中的應(yīng)用-以通遼地區(qū)砂巖型鈾礦為例.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2010，1(33):9-14.

［5］鄧林燕，利用徑跡蝕刻方法研究熱液型鈾礦中鈾的賦存狀態(tài).能源研究與管理2012(1):19-24.

［6］馮秀芝.徑跡蝕刻探鈾方法.國(guó)外放射性地質(zhì)，1976，17(4):17-39.

［7］程華漢，馬漢峰，向偉東.利用裂變徑跡方法研究堿交代作用中鈾賦存狀態(tài)的變化.鈾礦地質(zhì).2000，16(50:291-296.