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，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)的勘探手段對這些巖體開展稀有金屬找礦工作的話，必然耗時、費力。若找到一種既經(jīng)濟、有效又便捷、高效的物探方法先對這些巖體進行排查、圈靶，再開展工程驗證，將能大大縮短工作周期和節(jié)約大筆勘探費用。

多道能譜測量方法具有儀器輕便、測量數(shù)據(jù)準確、工作效率高、成本低等優(yōu)點[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)用卻鮮有報道。

筆者以冀東地區(qū)漢兒莊花崗巖體為研究對象，對其開展多道能譜測量工作。通過對測量數(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)剖面測量、槽探工程及系統(tǒng)刻槽取樣基本分析進行了驗證。成果表明，多道能譜異常與礦化帶分布極其吻合，試驗取得了較好的找礦效果，大大提高了工作效率。

1 多道能譜測量的地質(zhì)基礎(chǔ)

多道能譜測量是根據(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量方法[14]。花崗巖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，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：東經(jīng)118°13′00″，北緯40°22′30″。大地構(gòu)造位于中朝準地臺—燕山臺褶帶—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)程度達到高級角閃巖相—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斷續(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)北面不遠處通過，總體近EW走向。中生代時期沿該斷裂具有較大規(guī)模右行走滑構(gòu)造運動,對巖漿活動的導(dǎo)控作用較明顯，漢兒莊巖體就是在那個時期沿其NE向次級構(gòu)造侵位形成的。該斷裂為一多期活動性斷裂，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)生錯動，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)巖漿活動強烈，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兩類，粒徑一般在0.10～2.75 mm。

鉀長花崗巖呈肉紅色，中細粒他形粒狀結(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條多道能譜測量剖面，合計8 050 m。剖面間距400 m,點距20 m，在斷層、蝕變帶、不同巖性接觸帶對測點加密到10 m。使用的儀器為核工業(yè)航測遙感中心生產(chǎn)的ARD便攜式多道伽馬能譜儀。該儀器能自動計算，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數(shù)(Tc)。野外采用60 s計時，觀測2次，取平均數(shù)，偏差大時，再加測，兩個相近的取平均數(shù)。測量的U、Th、K、總道計數(shù)含量在人為確定峰值沒有發(fā)生位移后儲存在儀器中，每天測量結(jié)束后導(dǎo)入計算機中。共計采集測量數(shù)據(jù)432組，其中質(zhì)量檢查點49個，48個在含量誤差允許范圍內(nèi)，1個點鈾含量超出誤差范圍，檢查測量點合格率為98%。

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

3.2 數(shù)理統(tǒng)計與數(shù)據(jù)處理

表2 多道能譜異常等級

4 多道能譜測量效果及分析

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，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較低，且分布不均造成的。

第四系中U、Th、總道計數(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，后在有機質(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，運移距離和數(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)實際情況對比研究，得到多道能譜測得的數(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量的實際效果(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、總道計數(shù)含量各數(shù)值遠高于背景值，甚至全部大于異常場值，同時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

對本次工作所做9條測線，432個測點的1728個數(shù)據(jù)(每個測點有K、Th、U、總道計數(shù)4個數(shù)據(jù))進行統(tǒng)一處理，分別生成K、Th、U、總道計數(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、總道計數(shù)所反映異常更為明顯。

由圖3可知，各測線中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、總道計數(shù)雖與片麻巖相比略高，但未達到異常場標準。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豐度值和中國堿長花崗巖略高，但遠低于二長花崗巖，總體并未達到富集礦化的地步；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—多道能譜測量剖面位置及編號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 多道能譜測量平面剖面Fig.3 The plane profile of multichannel energy spectrum

同時，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，多道能譜測量在花崗巖型稀有金屬礦找礦中應(yīng)用的一個前提就是要有良好的基巖出露。

通過對研究區(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，稀有金屬礦化強的巖石中鈾、釷等放射性礦物含量也高，多道能譜異常場強度就越大。

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，本文借鑒伽馬測井中較為常用的分析方法，制作了釷鉀交會圖和釷鈾交會圖。由圖5釷鉀交會圖可以看出，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Fig.5 Cross plot of uranium and thorium about rare metal mineralization

(1)

由圖6釷鈾交會圖可以看出，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Fig.4 Cross plot of uranium and thorium about rare metal mineralization

5 結(jié)論

1) 通過對多道能譜測量的U、Th、K、總道計數(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，建議進一步開展找礦工作。

3) 利用多道能譜測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，進一步增強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)利用多道能譜測量方法開展稀有金屬礦找礦工作是可行的，在實際工作中取得又快又準的效果。