蘭君,李兆令,張鵬,李志民,李得建,邢楠,孫莉,楊云濤,徐洪巖,王健,王巧云

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第五地質(zhì)大隊(duì),山東 泰安 271000;2.山東省稀土礦成礦作用研究與探測(cè)院士工作站,山東 泰安 271000;3.山東微山湖稀土有限公司,山東 濟(jì)寧 277600;4.中國地質(zhì)科學(xué)院 礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037;5.自然資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100037;6.山東省地質(zhì)調(diào)查院,山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

山東省微山地區(qū)是我國第三大輕稀土產(chǎn)地,區(qū)內(nèi)稀土礦資源潛力巨大[1-3]。該區(qū)稀土礦床主要受巖體和構(gòu)造聯(lián)合控制[4-5]。以往工作確定的稀土礦體為含稀土石英重晶石碳酸巖脈,近幾年工作中發(fā)現(xiàn)了新的礦石類型——細(xì)脈浸染型稀土礦石,該類型礦石賦存于郗山堿性雜巖體中[6-8],找礦方法主要存在如下問題:①研究區(qū)地貌為湖積平原,第四系覆蓋較厚,基巖裸露地帶僅限于郗山山頂幾十個(gè)平方米的范圍,故地質(zhì)測(cè)量和化探在該區(qū)勘查基本不起作用;②該區(qū)稀土礦呈脈狀、浸染狀賦存于堿性雜巖體和片麻狀花崗閃長巖中,電法、磁法等傳統(tǒng)單一的物探方法對(duì)該區(qū)稀土礦的勘查效果不明顯;③部分稀土礦體中含有釷石、富鈾燒綠石等放射性礦物,可引起放射性異常,但放射性測(cè)量受地貌影響極大,硬化路面或大于10 cm厚的第四系蓋層,均能遮蓋異常,該區(qū)除郗山山頂外,第四系厚度普遍在5～40 m,使得放射性測(cè)量也受到極大制約,找礦難度極大。

因此,采用單一的物探找礦方法效果不佳,為解決以上問題,多年來,采用多種物探方法的組合嘗試,摸索出一套覆蓋區(qū)稀土礦綜合找礦方法?；诖朔N找礦方法,筆者在該區(qū)開展了系統(tǒng)的勘查工作,探獲特大型稀土礦一處。

1 成礦地質(zhì)背景

研究區(qū)位于魯西地塊的南部(圖1),位于薛城—嶧城稀土—水泥用灰?guī)r成礦區(qū)內(nèi)。區(qū)內(nèi)以前寒武紀(jì)侵入巖體構(gòu)成基底巖系[9],其斷裂構(gòu)造發(fā)育,主要有NW向和NE向壓扭性斷裂、SN向張性斷裂、EW向壓性斷裂4組。先期形成的壓扭性斷裂切割了地殼較深的部位,并伴有張性和張扭性斷裂存在,為巖漿和稀土礦的形成提供了良好的通道和賦存場(chǎng)所。礦區(qū)發(fā)育郗山堿性雜巖體,主要巖性為細(xì)粒霓輝石英正長巖,次為石英正長巖、正長(斑)巖、角閃石英正長巖、黑云正長斑巖、正長斑巖、霓輝石英正長斑巖和煌斑巖等。郗山堿性雜巖體與稀土礦關(guān)系密切,是成礦母巖[10]。該巖體的多期次、多階段侵位活動(dòng)為成礦元素的遷移、富集提供了熱動(dòng)力和礦質(zhì)載體[11]。區(qū)內(nèi)發(fā)育新太古代片麻狀中粒花崗閃長巖,呈巖株產(chǎn)出,局部有長英質(zhì)脈分布。中生代燕山期巖漿巖在郗山附近發(fā)育,侵入于早期中?；◢忛W長巖中,呈NE—SW向展布,與圍巖呈不規(guī)則的枝叉狀接觸。接觸界線清楚,局部因交代作用及混染作用而不明顯。該區(qū)巖體多為第四系所覆蓋,僅在郗山一帶有巖體出露地表。

1—前寒武紀(jì)基底;2—古生代地層;3—中生代地層;4—新生代地層;5—中生代巖漿巖;6—斷層;7—微山稀土

2 礦床地質(zhì)概況

礦床分布于郗山一村—郗山三村一帶,平面上呈帶狀分布(圖2),立體形態(tài)呈不規(guī)則的脈狀或板狀[13],整體呈118°方向展布,傾向SW,傾角40°～60°。根據(jù)以往勘探成果,該礦床沿控制礦體走向最大長度756 m,沿傾向最大延伸852 m,揭露礦體埋深海拔-876～27 m。

1—第四系;2—中生代燕山晚期郗山堿性雜巖體;3—新太古代侵入巖;4—含稀土石英重晶石碳酸巖脈;5—脈型礦體;6—細(xì)脈浸染型礦體;7—斷層;8—勘查線剖面及編號(hào);9—地質(zhì)-地球物理模型剖面;10—綜合物探測(cè)量范圍

區(qū)內(nèi)揭露的礦體存在2種類型:含稀土石英重晶石碳酸巖脈型和細(xì)脈浸染型。含稀土石英重晶石碳酸巖脈型礦體賦存于石英重晶石碳酸巖脈內(nèi)。礦體真厚度1.10～7.62 m,平均3.35 m,礦體TRE2O3含量1.56%～7.46%;細(xì)脈浸染型礦體主要分布于石英正長巖中[14-15],細(xì)脈浸染型礦體真厚度1.00～61.83 m,平均10.37 m,礦體TRE2O3含量0.50%～4.37%(圖3)。

a、b—含稀土石英重晶石碳酸巖脈;c、d—細(xì)脈浸染型礦石

3 地球物理特征

3.1 物性參數(shù)

微山郗山地區(qū)主要出露新太古代和中生代侵入巖(郗山堿性雜巖體)。據(jù)《魯西金礦地質(zhì)》資料顯示,區(qū)內(nèi)新太古代侵入巖密度值為(2.57～2.84)×103kg/m3,不同種類巖性之間密度差異較大[16-17],區(qū)內(nèi)分布最廣泛的花崗閃長巖平均值為2.58×103kg/m3;中生代郗山堿性雜巖體密度值為(2.50～2.71)×103kg/m3,平均值為2.69×103kg/m3,比花崗閃長巖略高,可以在局部形成一定強(qiáng)度的重力異常[17-18]。

新太古代巖體主要為二長花崗巖、石英閃長巖、花崗閃長巖巖體,其中二長花崗巖、花崗閃長巖磁化率基本在264×10-6×4πSI以下,磁性較弱;石英閃長巖、閃長巖磁化率為(439～1 083)×10-6×4πSI,磁性較強(qiáng);中生代郗山堿性雜巖體主體巖性為石英正長巖和正長斑巖,磁化率為(228～326)×10-6×4πSI,在區(qū)內(nèi)屬中等磁性,且磁性變化較大。依據(jù)礦物成分含量和蝕變程度的不同,不同地段巖石磁性會(huì)有不同程度的變低或變高?？梢妳^(qū)內(nèi)不同巖性存在一定磁性差異,通過大比例尺磁測(cè),可區(qū)分新太古代和中生代巖體的分界[17]。

該區(qū)稀土礦物形成過程中多伴生有釷石、富鈾燒綠石等放射性礦物。釷石和富鈾燒綠石等礦物中的釷、鈾放射性元素衰變時(shí)會(huì)釋放出γ射線,γ射線與物質(zhì)作用會(huì)產(chǎn)生次級(jí)電子,次級(jí)電子的能量強(qiáng)弱能夠反映γ射線的能量強(qiáng)弱,進(jìn)一步指示放射性元素的含量多少[1,8]。研究區(qū)稀土含量與釷、鈾含量呈正相關(guān)關(guān)系,品位高的稀土礦體所對(duì)應(yīng)的放射性異常也高,放射性異常強(qiáng)弱對(duì)稀土含量高低具有顯著的指示作用,放射性異?？勺鳛橹匾恼业V標(biāo)志[18-19],其中,eTh大于35的異常區(qū)經(jīng)揭露為稀土礦體地表出露地段,在地表圈定地面γ能譜異常對(duì)尋找含稀土堿性雜巖體(礦體)地表露頭,具有重要的意義[20]。

3.2 重磁及放射性特征

微山郗山地區(qū)重力、磁測(cè)及伽馬能譜測(cè)量工作網(wǎng)度均為100 m×40 m。重力測(cè)量工作使用加拿大Sintrex公司制造的CG-5重力儀進(jìn)行,投入生產(chǎn)前對(duì)儀器進(jìn)行了檢測(cè)和保養(yǎng),對(duì)其傾斜傳感器零點(diǎn)和靈敏度進(jìn)行了檢查與調(diào)節(jié),保證了重力儀處于正常狀態(tài),并在施工前后進(jìn)行了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)與一致性試驗(yàn)。重力觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)理論固體潮改正后,再進(jìn)行零點(diǎn)改正,然后計(jì)算出實(shí)測(cè)重力值,經(jīng)地形改正、布格改正和正常重力值改正后得到研究區(qū)重力異常分布特征(見圖4),研究區(qū)重力場(chǎng)以低緩平穩(wěn)場(chǎng)為主要表現(xiàn)特征,Δg基本在-34～25 mGal,變化范圍較小,與區(qū)內(nèi)不同時(shí)代巖性密度差異不大有關(guān);郗山周邊Δg大部分在-30～27 mGal之間,相對(duì)東部略高2～10 mGal,整體呈現(xiàn)西高東低的重力場(chǎng)分布特征。

圖4 郗山地區(qū)重力異常等值線Fig.4 Gravity anomaly of Xishan area

磁測(cè)工作采用捷克生產(chǎn)的PMG-2質(zhì)子磁力儀進(jìn)行,開工前進(jìn)行了儀器噪聲和一致性試驗(yàn),均滿足研究要求。磁場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)日變改正、正常場(chǎng)改正和高程改正后進(jìn)行化極處理,采用克里格網(wǎng)格化后得到研究區(qū)ΔT化極等值線平面(圖5),從圖5可見,研究區(qū)磁場(chǎng)分布特征與重力場(chǎng)相似,東部磁場(chǎng)值較低,多在60 nT以下;西部磁場(chǎng)值較高,基本在80 nT以上,其中又以郗山村北部最高,形成明顯的ΔT異常,異常極大值為327 nT,異常為磁性較高的新太古代花崗閃長巖類的反映[21]。異常疊加于郗山堿性雜巖體引起的中等磁場(chǎng)之上,不易區(qū)分,綜合重力場(chǎng)相對(duì)高值分布區(qū)域和中等磁場(chǎng)分布區(qū)域可以較準(zhǔn)確圈定郗山堿性雜巖體在區(qū)內(nèi)邊界[22]。

圖5 郗山地區(qū)ΔT化極等值線Fig.5 Magnetic anomaly of Xishan area

伽馬能譜測(cè)量采用石家莊核工業(yè)航測(cè)遙感中心生產(chǎn)的ARD型多道伽馬能譜儀,投入使用前對(duì)儀器進(jìn)行了標(biāo)定和穩(wěn)定性檢查,儀器性能良好。研究區(qū)放射性異常下限的確定根據(jù)規(guī)范推薦計(jì)算公式,T=C0±kS0,其中T為異常下限,C0、S0分別為背景平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差,k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),本區(qū)取k=3。需要說明的是,伽馬能譜測(cè)量具有探測(cè)深度淺、受覆蓋層影響較大的特點(diǎn),區(qū)內(nèi)放射性極高值區(qū)基本對(duì)應(yīng)郗山巖體裸露區(qū)域,而研究區(qū)大部分為第四系覆蓋層,難以測(cè)得高值異常,因而為了盡可能避免遺漏掉覆蓋區(qū)的放射性異常,在選取背景場(chǎng)和計(jì)算異常下限時(shí)略去了郗山周邊等基巖裸露區(qū)域?qū)?yīng)的高值,以突出覆蓋區(qū)局部異常,計(jì)算得到區(qū)內(nèi)放射性異常下限見表1,根據(jù)異常下限繪制郗山地區(qū)放射性元素含量平面(圖6～8)。

表1 郗山地區(qū)放射性元素異常下限統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of the lower limit of radioactive element anomalies in Xishan area

圖6 郗山地區(qū)釷元素分布等值線Fig.6 Thorium element distribution of Xishan area

圖7 郗山地區(qū)鈾元素分布等值線Fig.7 Uranium element distribution of Xishan area

圖6～圖8可以看出,郗山地區(qū)釷、鈾及總量分布的背景值均主要集中在研究區(qū)東部,西部以偏高值及高值為主,范圍與中等ΔT異常范圍相當(dāng),大致指示了堿性雜巖體的位置。釷異常以郗山為中心呈圓錐型分布,越往中心釷含量值越高,范圍越小;越往外釷含量值越低,范圍越大。相對(duì)釷,鈾分布較為分散,在郗山地區(qū)形成等軸狀異常,異常強(qiáng)度較大,極大值為16×10-6,在郗山異常西部及東南部存在幾處數(shù)值稍低但規(guī)模相差不大的異常,這表明礦區(qū)原生暈受后期物理、化學(xué)和生物等作用的影響較大,鈾分散遷移到周圍的巖石、土壤中,形成偏高分散暈。總量當(dāng)量值是將巖石總的放射性強(qiáng)度以鈾含量為準(zhǔn)換算得到的一個(gè)鈾含量當(dāng)量值,它可以看作是鈾、釷、鉀含量的一個(gè)綜合反映[23]。研究區(qū)的γ能譜總量分布特征分布特征與鈾、釷含量一致,通常鈾、釷含量高的地方,總量值也偏高,反之則偏低[24]。異常區(qū)大部分處在郗山單元細(xì)粒霓輝石英正長巖中,區(qū)內(nèi)發(fā)育數(shù)條NW向含稀土石英重晶石碳酸巖脈,也是異常的主要來源,區(qū)內(nèi)含稀土礦脈的鈾釷鉀含量相比周邊明顯偏高。

圖8 郗山地區(qū)γ能譜總量分布等值線Fig.8 γ total energy spectrum distribution of Xishan area

4 地球物理找礦模型

在第13勘查線位置部署綜合物探剖面1條,方位28°,點(diǎn)距20 m,剖面通過郗山稀土礦礦區(qū),也是區(qū)內(nèi)稀土礦體主要賦存巖體郗山堿性雜巖體出露部位,地質(zhì)資料詳實(shí)。綜合剖面測(cè)量成果顯示,布格重力異常曲線整體差異不大,表明剖面位于平穩(wěn)重力場(chǎng)區(qū),地質(zhì)體密度差異不大。在郗山堿性雜巖體賦存地段,重力曲線略微上抬,相對(duì)兩側(cè)形成局部重力高,但曲線抬升幅度小,這是由于郗山堿性雜巖體密度相比于圍巖花崗閃長巖密度大,但二者差距較小所致。因此,郗山堿性雜巖體的重力異常特征為平穩(wěn)重力場(chǎng)中的異常幅值有限的局部高值異常。

綜合剖面磁測(cè)曲線表現(xiàn)為整體緩升局部高值異常的特征,高值異常對(duì)應(yīng)郗山堿性雜巖體分布范圍,其磁性強(qiáng)于圍巖太古宙花崗閃長巖。因此,郗山堿性雜巖體的磁異常特征為高值異常。

郗山堿性雜巖體出露地段無第四系覆蓋的影響,伽馬能譜測(cè)量成果U、Th及總道Ur曲線均為高值異常,這是由白堊紀(jì)郗山堿性雜巖體賦存的放射性釷石、富鈾燒綠石引起的[20]。

綜上所述,區(qū)內(nèi)中生代郗山堿性雜巖體的地球物理特征為平穩(wěn)重力場(chǎng)中的局部高值異常、高磁異常,地表礦體為放射性伽馬能譜高值異常(無第四系覆蓋影響)。

通過施工鉆探進(jìn)行揭露驗(yàn)證,共圈定稀土礦體43個(gè),其中主要礦體16個(gè),含稀土石英重晶石碳酸巖脈型礦體10個(gè),細(xì)脈浸染型礦體6個(gè),新增稀土礦工業(yè)資源量超n萬t[10]。結(jié)合以往勘探成果,使得該礦由中型稀土礦一躍成為特大型稀土礦[25]。證實(shí)了該物探方法組合在該地區(qū)稀土礦找礦中的有效性,并由此建立了微山縣郗山稀土礦地質(zhì)—地球物理勘查模型(圖9)。

1—布格重力實(shí)測(cè)曲線;2—磁法實(shí)測(cè)曲線;3—鈾含量曲線;4—釷含量曲線;5—鉀含量曲線;6—總量當(dāng)量曲線;7—重力擬合曲線;8—磁法擬合曲線;9—第四系;10—新太古代侵入巖;11—中生代郗山堿性雜巖體;12—含稀土石英重晶石碳酸巖脈;13—細(xì)脈浸染型礦體;14—夾層;15—鉆孔

5 結(jié)論

重、磁、放綜合物探方法在研究區(qū)的找礦實(shí)踐表明,雖然單一的物探勘查方法對(duì)該區(qū)尋找稀土礦具有一定的局限性,但多種物探方法組合,互相補(bǔ)充,可以較好地降低巖石密度差小和覆蓋層引起的重力和放射性異常幅值較低以及其對(duì)推斷巖體平面分布帶來的不利影響,起到“1+1>2”的效果,綜合重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、放射性分布規(guī)律和異常位置,較清晰地推斷出郗山堿性雜巖體在研究區(qū)的邊界。此次綜合物探研究工作,采用重磁聯(lián)合對(duì)中生代郗山堿性雜巖體進(jìn)行深部大面積定位,用放射性異常圈定地表露頭,點(diǎn)面結(jié)合,再采用鉆探工程對(duì)深部及覆蓋區(qū)礦體追索,由此探索出一套“重磁聯(lián)合圈定巖體+放射性定位礦體露頭+深部鉆探”的勘查技術(shù)方法組合,在微山縣郗山地區(qū)稀土礦勘查中取得了重大找礦突破,證實(shí)了該種找礦方法在本地區(qū)找礦的有效性。