程立群，張文雨，王凱，王斌，裴明星

(河北省地礦局 第八地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦皇島 066000)

0 引言

稀有金屬元素因其具備的特殊物理化學(xué)性質(zhì)，是發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè)的重要原料，是各國都高度重視的戰(zhàn)略性儲(chǔ)備資源[1]。稀有金屬資源成因類型可以劃分為與巖漿巖相關(guān)的內(nèi)生礦床、與沉積作用相關(guān)的外生礦床以及與變質(zhì)作用相關(guān)的礦床[2]?；◢弾r型稀有金屬礦床是我國最重要的3大稀有金屬礦床類型之一，其多形成于燕山期[3-4]。中國擁有眾多大小不一的燕山期花崗巖體，具有較好的找礦潛力[5]。如果采用傳統(tǒng)的勘探手段對(duì)這些巖體開展稀有金屬找礦工作的話，必然耗時(shí)、費(fèi)力。若找到一種既經(jīng)濟(jì)、有效又便捷、高效的物探方法先對(duì)這些巖體進(jìn)行排查、圈靶，再開展工程驗(yàn)證，將能大大縮短工作周期和節(jié)約大筆勘探費(fèi)用。

多道能譜測(cè)量方法具有儀器輕便、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、工作效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[6]，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)填圖[7-8]、放射性礦床勘查[9-10]、金礦等金屬礦產(chǎn)的勘查[11-13]工作中，而在稀有金屬礦床勘查中的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道。

筆者以冀東地區(qū)漢兒莊花崗巖體為研究對(duì)象，對(duì)其開展多道能譜測(cè)量工作。通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，迅速圈定了稀有金屬礦異常范圍，并采用巖石地球化學(xué)剖面測(cè)量、槽探工程及系統(tǒng)刻槽取樣基本分析進(jìn)行了驗(yàn)證。成果表明，多道能譜異常與礦化帶分布極其吻合，試驗(yàn)取得了較好的找礦效果，大大提高了工作效率。

1 多道能譜測(cè)量的地質(zhì)基礎(chǔ)

多道能譜測(cè)量是根據(jù)天然放射性核素的γ射線能量差異，在野外天然產(chǎn)狀條件下直接確定巖石(土壤)中的γ總量(γ照射量率)、鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)含量的一種放射性測(cè)量方法[14]?；◢弾r型稀有金屬礦床與花崗巖體有緊密空間關(guān)系和成因關(guān)系，是巖漿演化的產(chǎn)物。在分異、結(jié)晶的作用下，巖漿中的稀有金屬元素沉淀、富集形成工業(yè)礦體，同時(shí)，一些放射性元素或以晶質(zhì)鈾礦、釷石、方釷石的形式沉淀下來，或賦存于鋯石、獨(dú)居石、鈦鐵礦、磁鐵礦、磷釔礦、磷灰石、鈮釔礦等礦物中[15]。大部分鉭鈮等稀有金屬礦床具有放射性異常[16]。因此，將伽馬能譜測(cè)量方法應(yīng)用于研究區(qū)稀有金屬礦勘查在理論上是可行的。

2 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)地處河北省唐山市遷西縣漢兒莊村一帶，中心地理坐標(biāo)：東經(jīng)118°13′00″，北緯40°22′30″。大地構(gòu)造位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)—燕山臺(tái)褶帶—馬蘭峪復(fù)背斜中段。太古宇變質(zhì)基底構(gòu)成背斜軸部,中新元古界沉積蓋層構(gòu)成背斜南北兩翼。燕山期巖漿活動(dòng)沿NE向構(gòu)造帶形成一系列規(guī)模不等的侵入體，這些侵入體自西向東大體呈等間距、串珠狀分布，構(gòu)成規(guī)模宏大的冀東侵入巖帶[17-18]。

2.1 出露地層

研究區(qū)內(nèi)出露地層較為簡單，主要為太古宇遷西群馬蘭峪組變質(zhì)巖和新生界第四系沖洪積、殘坡積物(圖1)。太古界遷西群馬蘭峪組地層為一套中深度變質(zhì)程度的變質(zhì)巖系，變質(zhì)程度達(dá)到高級(jí)角閃巖相—麻粒巖相。主要巖性為黑云角閃斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖、斜長角閃巖、少量變粒巖及磁鐵石英巖等。地層總體走向NE，傾向NW，傾角50°～85°。受漢兒莊巖體侵位影響，該地層由巖體邊部向四周厚度越來越大，研究區(qū)內(nèi)厚度一般在200～300 m，最厚可達(dá)500 m以上。研究區(qū)內(nèi)大部分為基巖裸露區(qū)，新生界第四系沖洪積、殘坡積物沿溝谷及山間盆地?cái)嗬m(xù)分布，厚度為0.30～1.50 m。

2.2 構(gòu)造

區(qū)域性深大斷裂密云—喜峰口—青龍斷裂由研究區(qū)北面不遠(yuǎn)處通過，總體近EW走向。中生代時(shí)期沿該斷裂具有較大規(guī)模右行走滑構(gòu)造運(yùn)動(dòng),對(duì)巖漿活動(dòng)的導(dǎo)控作用較明顯，漢兒莊巖體就是在那個(gè)時(shí)期沿其NE向次級(jí)構(gòu)造侵位形成的。該斷裂為一多期活動(dòng)性斷裂，受其影響研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要以斷裂構(gòu)造為主，共見有F1、F2、F3等3條斷層：F1斷層分布于漢兒莊村NW700 m左右，走向80°～90°，傾向N，傾角60°左右，破碎帶寬3～5 m，具明顯擠壓片理化現(xiàn)象，見構(gòu)造透鏡體、擠壓片巖，巖石較破碎；F2斷層分布于漢兒莊村N750 m左右，走向350°，為一平移斷層，將花崗巖向南發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，斷距約10～20 m。斷層附近巖石較破碎，巖石具高嶺土化；F3斷層分布在研究區(qū)中部，走向5°，傾向E，傾角70°左右。

2.3 巖漿巖

區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，主要是燕山期巖漿侵入形成的漢兒莊巖體。該巖體侵入到太古宇片麻巖中，接觸面外傾，呈帶狀分布，總體走向NE55°，出露寬75～430 m，斷續(xù)總長約5 km，出露總面積0.81 km2。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料顯示，區(qū)內(nèi)地表出露的部分僅為漢兒莊巖體頂部的一小部分，其深部向四周均有延伸，整體形態(tài)為上窄下寬的梨形，最大埋深可達(dá)2 km，具一定規(guī)模。巖性主要為二長花崗巖、鉀長花崗巖。

二長花崗巖，呈灰白、淺粉白色，中細(xì)粒他形—半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物成分為斜長石、堿性長石、石英和少量黑云母、白云母、鋰云母、角閃石等。斜長石多呈半自形—他形板狀，發(fā)育聚片雙晶，粒徑一般在0.10～0.30 mm；堿性長石多呈他形板狀，可見發(fā)育條紋結(jié)構(gòu)，粒徑一般在0.50～1.50 mm；石英可分為顆粒較大和顆粒較細(xì)兩類，粒徑一般在0.10～2.75 mm。

鉀長花崗巖呈肉紅色，中細(xì)粒他形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物成分為堿性長石、石英、斜長石、少量黑云母和不透明礦物。其中堿性長石多呈他形板狀，可見發(fā)育條紋結(jié)構(gòu)，粒徑一般在1.0～2.2 mm；石英，無色，表面干凈，無解理，粒徑多在0.1～75 mm。斜長石多呈半自形—他形板狀，發(fā)育聚片雙晶，大部分顆粒發(fā)生絹云母化，內(nèi)部包含鱗片狀絹云母和細(xì)小白云母，粒徑多在 0.3～0.7 mm。

3 工作方法及數(shù)據(jù)處理

3.1 工作方法及數(shù)據(jù)成圖

本研究垂直漢兒莊巖體長軸方向共布置了9條多道能譜測(cè)量剖面，合計(jì)8 050 m。剖面間距400 m,點(diǎn)距20 m，在斷層、蝕變帶、不同巖性接觸帶對(duì)測(cè)點(diǎn)加密到10 m。使用的儀器為核工業(yè)航測(cè)遙感中心生產(chǎn)的ARD便攜式多道伽馬能譜儀。該儀器能自動(dòng)計(jì)算，直接顯示巖石中鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)的含量，也可讀出伽馬射線的總道計(jì)數(shù)(Tc)。野外采用60 s計(jì)時(shí)，觀測(cè)2次，取平均數(shù)，偏差大時(shí)，再加測(cè)，兩個(gè)相近的取平均數(shù)。測(cè)量的U、Th、K、總道計(jì)數(shù)含量在人為確定峰值沒有發(fā)生位移后儲(chǔ)存在儀器中，每天測(cè)量結(jié)束后導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中。共計(jì)采集測(cè)量數(shù)據(jù)432組，其中質(zhì)量檢查點(diǎn)49個(gè)，48個(gè)在含量誤差允許范圍內(nèi)，1個(gè)點(diǎn)鈾含量超出誤差范圍，檢查測(cè)量點(diǎn)合格率為98%。

應(yīng)用Grapher軟件對(duì)野外測(cè)量的多道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成數(shù)值曲線圖，最終做出多道能譜測(cè)量剖面圖。同時(shí)，為了驗(yàn)證多道能譜剖面測(cè)量的有效性，還在各剖面上按20 m點(diǎn)距連續(xù)采取巖石地球化學(xué)樣品214件，分析項(xiàng)目為：Nb、 Ta、 Rb、Cs、Li、Ti 、Zr 、V 、Mo 、W、Be、U、Th、Hf；對(duì)異常部位施工5條槽探，刻槽采取基本分析樣品511件，分析項(xiàng)目為：Li2O、Rb2O、Cs2O、Nb2O5、Ta2O5。

3.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

表2 多道能譜異常等級(jí)

4 多道能譜測(cè)量效果及分析

4.1 多道能譜特征

由表1可知，二長花崗巖中U、Th、總道計(jì)數(shù)平均含量分別是全區(qū)背景值的9倍、8.5倍和3.9倍，明顯高于其他3種巖性(地層)；K平均含量稍高于全區(qū)背景值，為全區(qū)背景值的1.4倍。同時(shí)，二長花崗巖中U、Th變異系數(shù)明顯低于全區(qū)，說明區(qū)內(nèi)的二長花崗巖中U、Th元素不僅較為富集，且分布均勻。

表1 巖石(地層)多道能譜參數(shù)特征

鉀長花崗巖中U、Th、K、總道計(jì)數(shù)平均含量分別是全區(qū)背景值的1.4倍、2倍、1.6倍和1.7倍，均稍高于全區(qū)背景值，異常不甚明顯。

片麻巖中U、Th、K、總道計(jì)數(shù)平均含量分別是全區(qū)背景值的0.8倍、0.6倍、0.8倍和0.8倍，均明顯低于全區(qū)背景值。但片麻巖中的U、Th、K、總道計(jì)數(shù)變異系數(shù)高于其他3種巖性(地層)，是由于放射性元素在區(qū)內(nèi)的片麻巖中總體含量相對(duì)較低，且分布不均造成的。

第四系中U、Th、總道計(jì)數(shù)平均含量分別是全區(qū)背景值的1.4倍、1.2倍和1.1倍，略高于全區(qū)背景值；而K平均含量略低于全區(qū)背景值，為全區(qū)背景值的0.9倍。說明區(qū)內(nèi)的第四系中有從基巖中搬運(yùn)而來的含U、Th等礦物存在[19-20]，只不過是花崗巖體遭受風(fēng)化破壞后，其中的鈾礦物氧化后被水介質(zhì)溶解，以鈾酰絡(luò)合物形式被地表水搬運(yùn)，后在有機(jī)質(zhì)等的吸附或局部還原作用下，同沉積物一起沉積，從而增高了土壤中的鈾含量[21]。而釷難溶于水，只存在物理搬運(yùn)，運(yùn)移距離和數(shù)量有限，就造成了區(qū)內(nèi)土壤中鈾值高于釷值。

4.2 剖面效果

將多道曲線變化情況與巖石地球化學(xué)稀有金屬元素含量曲線和地質(zhì)實(shí)際情況對(duì)比研究，得到多道能譜測(cè)得的數(shù)值曲線，在稀有金屬礦化帶的相應(yīng)位置反映明顯且均表現(xiàn)為明顯的正異常。以3線綜合剖面為例來說明多道能譜測(cè)量的實(shí)際效果(圖2)。

1—第四系;2—片麻巖;3—二長花崗巖(礦化帶);4—地層產(chǎn)狀1—quaternary；2—gneiss；3—monzogranite(mineralized belt)；4—attitude of stratum圖2 3線綜合剖面Fig.2 The composite profile of line 3

圖2中3線剖面全長800 m。0～125 m、655～800 m分別為較厚第四系沖洪積、殘坡積物覆蓋層，無法采集巖石地球化學(xué)樣品，多道能譜U、Th、K、總道計(jì)數(shù)含量各數(shù)值大多低于背景值，僅局部略高于背景值；125～250 m、365～655 m為片麻巖，多道能譜U、Th、K、總道計(jì)數(shù)含量各數(shù)值大多低于背景值，甚至低于第四系覆蓋區(qū)數(shù)值，Nb、Ta、Rb、Hf等稀有元素含量也較低；250～360 m為二長花崗巖，多道能譜U、Th、K、總道計(jì)數(shù)含量各數(shù)值遠(yuǎn)高于背景值，甚至全部大于異常場值，同時(shí)Nb、Ta、Rb、Hf等稀有元素含量也明顯較高，且這些稀有元素地球化學(xué)異常范圍與多道能譜異常場范圍高度吻合。通過對(duì)該線上異常區(qū)施工的TC3中所取167件基本分析樣品分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示：Li2O品位0.001 1%～0.13%，加權(quán)平均品位0.007%；Rb2O品位0.016%～0.11%，加權(quán)平均品位0.063%；Cs2O品位0.000 11%～0.000 82%，加權(quán)平均品位0.000 23%；Nb2O5品位0.021%～0.048%，加權(quán)平均品位0.035%；Ta2O5品位0.001 3%～0.003 5%，加權(quán)平均品位0.002 2%；稀有金屬礦化明顯，也證明了多道能譜異常確為稀有金屬礦化所致。其他剖面情況與3線基本相同。

4.3 總體效果及分析

對(duì)本次工作所做9條測(cè)線，432個(gè)測(cè)點(diǎn)的1728個(gè)數(shù)據(jù)(每個(gè)測(cè)點(diǎn)有K、Th、U、總道計(jì)數(shù)4個(gè)數(shù)據(jù))進(jìn)行統(tǒng)一處理，分別生成K、Th、U、總道計(jì)數(shù)平面剖面(圖3)。發(fā)現(xiàn)4張圖所反映異常情況大致一樣，但Th、U、總道計(jì)數(shù)所反映異常更為明顯。

由圖3可知，各測(cè)線中K的數(shù)值大部分區(qū)域低于異常場值，雖在花崗巖中略高，但與圍巖差異不甚明顯。究其原因，應(yīng)為本區(qū)大面積出露的片麻巖與花崗巖主要礦物組成均為長石、石英、暗色礦物等，其含鉀礦物含量比較接近。Th、U、總道計(jì)數(shù)異常場主要分布于二長花崗巖中，且與其分布形態(tài)高度吻合。而鉀長花崗巖中Th、U、總道計(jì)數(shù)雖與片麻巖相比略高，但未達(dá)到異常場標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合表3研究區(qū)214件巖石地球化學(xué)分析成果來看，雖然二者均為花崗巖，但鉀長花崗巖中稀有金屬元素雖比華北地臺(tái)豐度值和中國堿長花崗巖略高，但遠(yuǎn)低于二長花崗巖，總體并未達(dá)到富集礦化的地步；而二長花崗巖中Nb、 Ta、 Rb、Li等稀有金屬元素含量高于華北地臺(tái)豐度值和中國堿長花崗巖數(shù)倍甚至幾十倍，礦化較為明顯。特別是伴隨稀有金屬礦化產(chǎn)生的放射性元素U、Th、Hf的含量明顯高于鉀長花崗巖和片麻巖，這也表明多道能譜測(cè)量手段在花崗巖區(qū)開展稀有金屬礦找礦是可行的。

表3 研究區(qū)地層巖石地球化學(xué)特征

1—第四系;2—片麻巖;3—鉀長花崗巖;4—二長花崗巖(礦化帶);5—斷層;6—多道能譜測(cè)量剖面位置及編號(hào)1—Quaternary；2—gneiss；3—potassium feldspar granite；4—monzogranite(mineralized belt)；5—fault；6—multichannel energy spectrum measurement section position and number圖3 多道能譜測(cè)量平面剖面Fig.3 The plane profile of multichannel energy spectrum

同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)1線中部雖也為二長花崗巖，但Th、U、總道計(jì)數(shù)異常并不明顯，而地表TC1中刻槽采取的37件樣品分析結(jié)果則顯示，該段Li2O加權(quán)平均品位0.12%；Rb2O加權(quán)平均品位0.07%；Cs2O加權(quán)平均品位0.001 5%；Nb2O5加權(quán)平均品位0.040%；Ta2O5加權(quán)平均品位0.002 2%，稀有金屬礦化甚至好于異常明顯的其他剖面。經(jīng)實(shí)地查看，該段基巖出露不好，第四系覆蓋厚度0.50～1.20 m。由此可見，多道能譜測(cè)量在花崗巖型稀有金屬礦找礦中應(yīng)用的一個(gè)前提就是要有良好的基巖出露。

通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)214件巖石地球化學(xué)樣品分析的14種元素進(jìn)行聚類分析所得元素相關(guān)系數(shù)矩陣(表4)來看，稀有金屬元素Nb、Ta、Rb與放射性元素Th、U、 Hf關(guān)系密切，呈顯著正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合人工重砂、巖礦測(cè)試等成果綜合分析，區(qū)內(nèi)具稀有金屬礦化的二長花崗巖中含有大量褐釔鈮礦、獨(dú)居石等含U、Th、 Hf礦物，這些礦物與Nb、 Ta、Rb等稀有金屬礦物存在共生關(guān)系[23]。因此，稀有金屬礦化強(qiáng)的巖石中鈾、釷等放射性礦物含量也高，多道能譜異常場強(qiáng)度就越大。

表4 元素相關(guān)系數(shù)矩陣

4.4 定量解釋分析

為了更加深入地研究分析區(qū)內(nèi)稀有金屬礦化與放射性地球物理特征之間的關(guān)系，本文借鑒伽馬測(cè)井中較為常用的分析方法，制作了釷鉀交會(huì)圖和釷鈾交會(huì)圖。由圖5釷鉀交會(huì)圖可以看出，稀有金屬礦化部分主要集中在Th/K值1.25～2.43范圍內(nèi)，同時(shí)結(jié)合釷、鉀元素的單元素含量，具有稀有金屬礦化巖石的特征值服從關(guān)系式(1)(其中：Th/K單位為1，Th、K單位為10-6)：

圖5 稀有金屬礦化主要巖性釷鈾交會(huì)Fig.5 Cross plot of uranium and thorium about rare metal mineralization

(1)

由圖6釷鈾交會(huì)圖可以看出，稀有金屬礦化部分主要集中在Th/U值1.6～5.7范圍內(nèi)，同時(shí)結(jié)合釷、鈾元素的單元素含量，具有稀有金屬礦化巖石的特征值服從關(guān)系式(2)(其中：Th/U單位為1，Th、U單位為10-6)：

(2)

綜合式(1)、式(2)來看，可以得到具有稀有金屬礦化巖石的放射性特征值總關(guān)系式(3)：

(3)

圖4 稀有金屬礦化主要巖性釷鉀交會(huì)Fig.4 Cross plot of uranium and thorium about rare metal mineralization

5 結(jié)論

1) 通過對(duì)多道能譜測(cè)量的U、Th、K、總道計(jì)數(shù)含量數(shù)據(jù)的分析處理發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)U、Th、總道計(jì)數(shù)異常明顯，在二長花崗巖中的平均含量分別是全區(qū)背景值的9倍、8.5倍和3.9倍，異常場異常場展布特征與二長花崗巖的地表出露形態(tài)基本一致；具有稀有金屬礦化巖石的放射性特征值服從：1.2535.3的關(guān)系。

2) 區(qū)內(nèi)二長花崗巖幾乎全巖稀有金屬礦化，根據(jù)其規(guī)模初步估算，具有大型以上稀有金屬礦產(chǎn)地的潛力，建議進(jìn)一步開展找礦工作。

3) 利用多道能譜測(cè)量開展花崗巖型稀有金屬礦找礦工作，幾乎不受地形、電場和磁場的干擾，但在有第四系覆蓋的區(qū)域要考慮到放射性異常強(qiáng)度隨距離呈指數(shù)衰減這一特性，避免丟礦、漏礦。

4) 稀有金屬元素Nb、Ta、Rb與放射性元素Th、U、 Hf關(guān)系密切，呈顯著正相關(guān)關(guān)系。通過鈾、釷、總道異常的直觀顯示，進(jìn)一步增強(qiáng)了稀有金屬礦找礦信息，縮小了找礦靶區(qū)。證明在冀東花崗巖區(qū)利用多道能譜測(cè)量方法開展稀有金屬礦找礦工作是可行的，在實(shí)際工作中取得又快又準(zhǔn)的效果。