浅覆盖区萤石矿综合勘查方法研究——以内蒙古林西赛波萝沟门萤石矿为例

方 乙, 张寿庭, 邹 灏, 张 鹏, 曾昭法, 高 峰

(中国地质大学 地球科学与资源学院，北京 100083)

萤石是一种重要的非金属矿物原料，广泛用于冶金、炼铝、玻璃、陶瓷、水泥工业，也是生产氢氟酸及其衍生物的重要原料[1]。内蒙古是中国萤石矿主要分布区之一，浅覆盖面积广，是隐伏-半隐伏矿体的主要找矿潜力区。前人在萤石矿隐伏矿体勘查方面主要应用的是单一的物理勘探方法[2,3]， 由于物探方法探测的异常本身存在多解性问题，使得勘探的效率难以提高。随着勘查方法和技术的不断进步，采用组合方法对隐伏矿体进行预测评价显得日益重要[4,5]。

内蒙古林西地区草原覆盖严重，虽含有丰富的萤石矿资源，但经过多年的开采后，已知矿和露头矿逐渐减少，需要在浅覆盖区寻找新的萤石矿。本文以林西赛波萝沟门萤石矿为例，采用简便、快速的物化探组合方法——甚低频电磁法(VLF-EM)和便携式X射线荧光光谱分析方法，对林西赛波萝沟门萤石矿进行物化探组合方法研究，为下一步勘查工作提供依据。

1 区域地质背景及矿床地质特征

林西地区在大地构造位置上处于中朝板块与西伯利亚板块晚古生代对接带(索伦缝合带)上，区内有黄岗梁铁锡多金属成矿区和大井子—协里府铜多金属成矿区，且为环太平洋多金属成矿带的外带(图1)，已发现多种金属和非金属矿产，成矿潜力巨大[6]。赛波萝沟门矿区地貌平缓，高差在100 m之内，草原植被发育，地层断续出露有上二叠统林西组浅变质泥质砂岩、粉砂质板岩，岩浆岩主要出露花岗闪长岩，萤石矿体主要赋存在林西组细砂岩中(图1-A)。

赛波萝沟门萤石矿控矿构造整体走向NNE，矿体呈脉状、扁豆状-透镜状产出，倾向西，倾角陡立，一般为70°～80°，局部直立。已知矿体在地表仅见到数处断续的露头，宽0.5～5 m，矿体在走向上和倾向上呈舒缓波状发育，膨缩变化特征明显，这是由控矿构造以压为主兼扭的活动特征所控制的(图2-A)。在矿体的左侧分布有一条方向和长度都近似已知矿体的石英脉，这是本次研究进行预测评价的对象(图1中Ⅱ)。石英脉宽0.5～3 m，地表出露主要以块状和角砾状构造石英为主(图2-B)，示萤石矿体顶部特征。

图1 赛波萝沟门萤石矿矿区地质略图Fig.1 Geological sketch of the Saiboluogoumen fluorite deposit1.第四系; 2.上二叠统林西组细砂岩; 3.花岗闪长岩; 4.石英脉; 5.萤石脉; 6.研究区所在位置

研究表明，赛波萝沟门萤石矿的矿物组分比较简单，矿石矿物为萤石，颜色主要呈(浅)紫色、(浅)绿色、白色、无色等；脉石矿物以石英为主，次为黏土矿物，金属矿物甚微，主要为黄铁矿。自形、半自形、他形粒状结构均发育，矿石构造主要有块状构造、条带状构造(图2-C)、角砾状构造(图2-D)、同心圆状-环带状构造，以及团块状、细-网脉状构造等。围岩蚀变主要以硅化为主，其次有绢云母化、高岭土化、绿泥石化、黄铁矿化、碳酸盐化及次生褐铁矿化。矿石矿物组合类型依次发育有：萤石型、石英-萤石型、萤石-石英型，少量石英-黄铁矿-萤石型。矿石品位(质量分数)为30%～90%，平均可达78.5%。曾昭法等(2013)通过对林西地区萤石矿床流体包裹体研究认为赛波萝沟门萤石矿床具有大气降水热液成因特征，属中低温热液裂隙充填型萤石矿床[7]。

2 甚低频电磁法的应用

2.1 甚低频电磁法原理

甚低频电磁法(VLF-EM)是利用世界上海军用通讯台或导航台发射的15～25 kHz波段的无线电波作场源(属于被动源电磁感应法)，在地表、空中或地下探测场的参数变化下，从而获得电性局部差异或地下构造的异常信息[8]。近些年来，已被广泛应用于地下水以及金属-非金属矿找矿预测等方面的研究[9-11]。甚低频电磁法既可利用磁分量测量(磁倾角法)，也可利用电分量测量(电阻率法或波阻抗法)。鉴于本次测量过程中，剖面沿线第四系覆盖严重，因此，本次研究采用VLF极化椭圆倾角(称磁倾角D)法测量。

图2 赛波萝沟门萤石矿控矿构造与矿石结构构造特征Fig.2 The features of the ore-controlling structure and the texture and structure of the ores from the Saiboluogoumen fluorite deposit(A)压扭性控矿构造特征; (B)浅紫、浅绿色自形-半自形晶萤石; (C)环带状构造矿石; (D)角砾状构造矿石

2.2 甚低频电磁法应用前提及数据处理

甚低频电磁法探测的是浅层地质体的电性差异。矿化蚀变带、断层泥、黏土矿物、裂隙水往往富集于构造破碎带中，导致构造破碎带与围岩物化性质差异显著，这也为应用甚低频电磁仪研究勘查区内可能矿化体及控矿断裂构造提供了良好的地球物理前提。本次研究系统采集了赛波萝沟门萤石矿及其附近区域萤石矿矿石和主要围岩标本，测定它们的物性参数(表1)。从表1中可以看出，致密块状萤石和含矿石英脉，表现为高阻低极化的特征；而变质砂岩为中低阻、低极化率：因此用电阻率法可以快速追索含矿断裂蚀变带。

本研究所测数据为磁倾角D值。磁倾角剖面曲线的零交点通常出现在异常体上方，但在实际应用中，存在地质噪声、区域背景和相邻地质体的干扰，以及地形起伏等影响，往往导致磁倾角剖面曲线上零交点与地下隐伏低阻体实际位置间发生偏移，甚至不显示零交点和出现假零交点。为了消除这些影响，通常将所测倾角值经Fraser滤波处理。处理的结果是把测量剖面上的拐点或过零交点异常变成极大值，其峰值即对应地下低阻异常体(图3)。为进一步揭示待测低阻异常体在横剖面上的空间展布规律，相应采取对实测倾角资料的线性滤波处理。其结果用特定深度的等效电流密度来表示，电流密度大的区域即为低阻异常体的位置[12]。关于Fraser滤波计算和等效电流密度算法已有文章专门论述，本文不再重复[13,14]。

表1 赛波萝沟门萤石矿区及附近区域矿石和围岩物性参数Table 1 Physical property parameters of the ores and wall rocks from the Saiboluogoumen fluorite deposit and related sites

图3 赛波萝沟门29号勘探线综合剖面图Fig.3 No.29 exploration line composite profiles of the Saiboluogoumen fluorite deposit

图4 赛波萝沟门甚低频异常平面图Fig.4 VLF anomaly map of the Saiboluogoumen fluorite deposit1.第四系; 2.上二叠统林西组细砂岩; 3.花岗闪长岩; 4.石英脉; 5.萤石脉

2.3 赛波萝沟门萤石矿甚低频异常解释

本次在研究区布置测线20条，每条测线长1 km，测线方向为SEE(105°)，测线间距50 m，测点间距10 m，测线位置通过高精度GPS确定。测线布置原则是测线方向尽量垂直矿化带方向。测量时使用澳大利亚长波台(NWC22.3 kHz)作场源。对所有甚低频数据进行Fraser滤波处理后，利用Surfer软件绘制甚低频异常等值线平面图(图4)。

从甚低频异常等值线平面图可以看出赛波萝沟门萤石矿区构造格局呈网格状分布特征，主要包括走向近南北、北北东以及北西向构造。其中北北东向构造为该区主控矿构造系统。在Ⅰ带(萤石矿)出露的位置对应一条连续性较好的异常带，异常带在平面上也呈现波状起伏的特征，这和实际地质情况吻合；在Ⅱ带(石英脉)出露位置对应的却是一条中高阻异常带，出现这种情况的原因可能是由于构造带在石英脉充填后，周围的围岩发生强烈硅化，二者构成一个相对均一的整体，在后期构造运动中不易破碎。事实上，含矿断裂带呈现低阻带的主要原因是与断裂带的破碎程度、断层泥、黏土矿物含量以及裂隙水的发育程度等密切相关。对于赋矿断裂带而言，成矿后的构造活动强度与矿体破碎程度可能对甚低频的低阻异常反映具有重要影响，而致密结构的萤石和石英(蛋白石)脉，本身都属于高阻体。由于二者之间物理性质的差异，后期构造运动时必然存在差异性破碎，直接导致二者甚低频异常特征的差异性。Ⅰ带和Ⅱ带在矿区南段异常有叠加趋势，暗示着该石英脉和萤石脉可能会在南段和深处汇合成为一个矿体。由此可见，甚低频在该地区应用的效果是比较明显的，能够清晰地展示研究区断裂构造的分布情况。但是由于Ⅱ带在地表出露的仅为块状和角砾状石英(图2-B)，肉眼情况下无法鉴定其含矿性，因此需要利用其他的方法确定其含矿性，本次研究选择了便携式X射线荧光光谱分析方法。

3 便携式X射线荧光光谱分析仪的应用

3.1 便携式X射线荧光光谱分析原理简介

便携式X射线荧光光谱分析仪的基本原理是通过原级X射线光子或其他微观粒子发射高能量的X射线激发待测物质中的原子，被激发后的原子体系处于不稳定的激发态，能量高的较外层电子跃入能量较低的内层空穴，多余的能量会以辐射形式放出，便产生X射线荧光，其能量等于两能级之间的能量差。X射线能量是由该元素的壳层电子能级所决定的，因此每个元素都有其特征的X射线。通过测定样品中元素的特征X射线，可以确定被测样品中的元素种类，并且元素的特征X射线强度与其含量成正比，因此通过对样品中某元素的特征X射线强度的测量又可以得知该元素的含量。关于便携式X射线荧光光谱分析仪的详细原理已有专著作过论述[15]，此处不再赘述。

便携式X射线荧光光谱仪被誉为地质学家的眼睛，具有不破坏样品，分析速度快，准确度高，能测定固体、粉末和液体样品，能适用于主量和微量元素测定等优点，有诸多方面的实际应用[16-18]。

图5 土壤测量不同目数测试对比图Fig.5 Soil survey of different grain diameters

3.2 便携式X射线荧光光谱分析在赛波萝沟门萤石矿勘查中的应用

由于赛波萝沟门萤石矿区大部分区域为第四系浅覆盖区，因此本次研究测量的对象是土壤。土壤是由岩石风化而成的矿物质、动植物残体腐解而产生的有机物质以及水分(土壤溶液)、空气(土壤孔隙中的空气)等组成，因此土壤X射线荧光光谱测量实质上是次生晕的反映。测量的土壤一般采自基岩上方无植物根系的B层土壤。在测量时，首先对不同目数(不同粒径)土壤测试效果进行了对比研究(图5)，从图中可以看出不同目数的土壤测试结果具有非常好的一致性，曲线的稳定性说明外来细粒物质对该区土壤的影响不大。已有研究表明，土壤湿度也不会影响X射线荧光光谱测量异常的存在，只是会降低异常的强度[19]。

基于以上考虑，本次试验工作采取原位测试，仪器选用江苏天瑞仪器股份有限公司生产的 EDX P730手持X射线荧光测试仪，测量时间定为60 s。本次测量工作布置7条勘探线，分别为9、13、17、21、25、29和33号线，与甚低频进行同剖面测量，共获得1219组数据。萤石矿床地球化学测量中，异常指示元素表现为F、Ca强异常[20]。由于便携式X射线荧光光谱测量检出限的限制，不能测量F的含量，本次研究选取Ca元素进行分析。关于本区Ca元素异常下限的确定另有文详述[21]。

从29号线综合剖面图上可以看出(图3)，X射线荧光光谱测量数据异常与萤石矿体(Ⅰ)吻合，异常峰值的偏移是由地形决定的，而在石英脉的上方同样存在一个Ca元素异常区；暂时不能确定该线200 m左右的高值异常，其原因有待进一步的调查研究。将每条勘探线的Ca元素含量趋势曲线与地形地质图叠加(图6)，可以看出萤石矿(Ⅰ)右侧有一系列高值与之平行，这样的异常分布在地形上与Ca元素的迁移规律相符。Ca值异常的幅度及大小变化与矿体在延伸方向的膨缩变化有关，即矿化的贫富在延伸方向是有变化的。21号线在650 m处出现的高值异常经查证是受到矿石堆的影响。在石英脉(Ⅱ)的正上方以及两侧都存在一系列Ca值异常，尤其是9、13、17号线异常幅度和大小相对较大，这与甚低频在南段的异常特征具有高度的相似性。由此可以看出该石英脉出露部分很可能是隐伏矿体的硅质顶盖，因此具有非常大的找矿潜力。

4 结 论

研究表明甚低频电磁测量和X射线荧光光谱分析组合方法在浅覆盖区萤石矿勘查中能够达到优势互补、相互验证的效果。甚低频电磁测量可显示构造破碎带在平面上的展布情况，而便携式X射线荧光光谱分析可以显示相关元素异常的分布，这样可以判析构造破碎带的含矿性，在一定程度上弥补了单一地球物理方法存在的多解性问题。这种以地质为基础，地物化相结合的有效勘查方法也能适用于其他类似矿产的勘查工作。

图6 赛波萝沟门Ca元素含量分布图Fig.6 The Ca content distribution diagram of the Saiboluogoumen fluorite deposit1.第四系; 2.上二叠统林西组细砂岩; 3.花岗闪长岩; 4.石英脉; 5.萤石脉; 6.Ca值曲线; 7.Ca值异常下限

[参考文献]

[1] 徐旃章,吴志俊.浙江省萤石矿成矿规律与成矿预测[M].成都:四川科学技术出版社,1991:1-2.

Xu Z Z, Wu Z J. Metallogenic Regularity and Metallogenic Prediction of Fluorite Deposits in Zhejiang Province[M]. Chengdu: Sichuan Publishing House of Science and Technology, 1991: 1-2. (In Chinese)

[2] 白大明,关继东,苏来往.甚低频电磁法在某萤石矿勘查中的应用[J].物探与化探,2002,26(1):39-41.

Bai D M, Guan J D, Su L W. The application of the very low frequency electromagnetic method to the exploration of a fluorite deposit[J]. Geology and Exploration, 2002, 26(1): 39-41. (In Chinese)

[3] 白大明,聂风军,江思宏.甚低频电磁法对脉状矿床勘查评价的意义——以金、铅锌(银)和萤石矿为例[J]. 矿床地质,2002,21(4):408-413.

Bai D M, Nie F J, Jiang S H. Feasibility of applying VLF-EM methods to exploration and evaluation of vein deposits: Exemplified by exploration of gold, lead-zinc (Silver) and fluorite deposits [J]. Mineral Deposits, 2002, 21(4): 408-413. (In Chinese)

[4] 高阳,张寿庭,彭翼,等.黄土覆盖区金矿勘查评价技术方法研究——以豫西申家窑金矿邻区为例[J].地质通报,2012,31(6):969-976.

Gao Y, Zhang S T, Peng Y,etal. Prospecting methods for gold deposits covered by loess: A case study of the neighboring areas of Shenjiayao gold deposit, western Henan Province[J]. Geological Bulletin of China, 2012, 31(6): 969-976. (In Chinese)

[5] 李进文,朱广仁,张德全,等.内蒙古东珺铅锌银矿床的发现——地物化综合找矿勘查方法的运用[J].矿床地质,2009,28(6):830-837.

Li J W, Zhu G R, Zhang D Q,etal. Discovery of Dongjun lead-zinc-silver deposit in Inner Mongolia: An integrated application of geological, geochemical and geophysical prospecting methods[J]. Mineral Deposits, 2009, 28(6): 830-837. (In Chinese)

[6] 张忠,吴纪功,王立明,等.林西地质矿产志[R].赤峰：内蒙古自治区第十地质矿产勘查开发院, 2003: 19-20.

Zhang Z, Wu J G, Wang L M,etal. Geology and Mineral Memoir of Linxi County[R]. The 10th Geological Mineral Exploration Authority of Inner Mongolia Autonomous, 2003: 19-20. (In Chinese)

[7] 曾昭法,曹华文,高峰,等.内蒙古林西地区萤石矿床流体包裹体研究[J].地球化学，2013，42(1):73-81.

Zeng Z F, Cao H W, Gao F,etal. Fluid inclusion study of fluorite deposits in Linxi region, Inner Mongolia [J]. Geochimica, 2013, 42(1): 73-81. (In Chinese)

[8] 史宝连.甚低频电磁法[M].北京:地质出版社,1986.

Shi B L. The Very Low Frequency Electromagnetic Method [M]. Beijing: Geological Publishing House, 1986. (In Chinese)

[9] Bayrak M. Exploration of chrome ore in Southwestern Turkey by VLF-EM [J]. Journal of the Balkan Geophysical Society, 2002, 5(2): 35-46.

[10] 徐毅,张寿庭,高阳.甚低频电磁法在哈尔楚鲁图银-多金属矿区控矿构造特征分析中的应用[J].大地构造与成矿学,2008,32(2):212-217.

Xu Y, Zhang S T, Gao Y. Application of VLF-EM for revealing ore-controlling structures in Ha’er Chulu Ag-polymetallic deposits, Inner Mongolia [J]. Geotectonic et Metallogenia, 2008, 32(2): 212-217. (In Chinese)

[11] 张作伦,曾庆栋,叶杰,等.浅覆盖区隐伏金属矿体定位预测——以大兴安岭中南段某铅锌矿点为例[J].吉林大学学报:地球科学版,2007,37(1):38-40.

Zhang Z L, Zeng Q D, Ye J,etal. Location forecasting of buried metal ore-body in grasslands covered area: A case of lead-zinc mineral occurrence in Middle-Southern segment of Daxing’ anling mountains [J]. Journal of Jinlin University: Earth Science Edition, 2007, 37(1): 38-40. (In Chinese)

[12] 张寿庭,徐旃章,郑明华.甚低频电磁法在矿体空间定位预测中的应用[J].地质科技情报,1999,18(4): 85-88.

Zhang S T, Xu Z Z, Zheng M H. Application of VLF-EM to the location forecasting of ore [J]. Geological Science and Technology Information, 1999, 18(4): 85-88. (In Chinese)

[13] Fraser D C. Contouring of VLF-EM data [J]. Geophysics, 1969, 34: 958-967.

[14] Karous M, Hielt S E. Linear filting of VLF dip-angle measurements [J]. Geophysics Propecting, 1983, 31: 782-794.

[15] 葛良全,周四春,赖万昌.原位X荧光辐射取样技术[M].成都:四川科学技术出版社,1997.

Ge L Q, Zhou S C, Lai W C. In-situ X Radiation Sampling Technique Applications in Mineral Resource Prospecting, Ore Mining and Mineral Processing Control [M]. Chengdu: Sichuan Publishing House of Science and Technology, 1997. (In Chinese)

[16] 夏庆霖,成秋明,陆建培,等.便携式X射线荧光光谱技术在泥河铁矿岩心矿化蚀变信息识别中的应用[J]. 地球科学:中国地质大学学报,2011,36(2):336-340.

Xia Q L, Cheng Q M, Lu J P,etal. Application of portable XRF technology to identification of mineralization and alteration along drill in the Nihe iron deposit, Anhui, East China [J]. Earth Science: Journal of China University of Geosciences, 2011, 36(2): 336-340. (In Chinese)

[17] Jang M. Application of portable X-ray fluorescence (PXRF) for heavy metal analysis of soils in crop fields near abandoned sites[J]. Envrionmental Geochemistry and Health, 2010, 32(3): 207-216.

[18] Potts P J, Bernardini F, Jones M C,etal. Effects of weathering on in situ portable X-ray fluorescence analyses of geological outcrops: dolerite and rhyolite outcrops from the Preseli Mountains, South Wales[J]. X-Ray Spectrometry, 2006, 35(1): 8-18.

[19] 钱建平,吴高海,陈宏毅.便携式X射线荧光光谱仪应用条件试验及效果[J].物探与化探,2010,34(4): 497-502.

Qian J P, Wu G H, Chen H Y. Experiments on the application conditions of portable XRF analyzer and its prospecting results [J]. Geophysical and Geochemical exploration, 34(4): 497-502. (In Chinese)

[20] 林焕华.浙江省龙泉县八都萤石矿床化探方法试验研究[J].物探与化探,1991,15(3):225-235.

Lin H H. The trial utilization of geochemical prospecting method in the Badu fluorite deposit, Longquan County, Zhejiang Province [J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 1991, 15(3): 225-235. (In Chinese)

[21] 张鹏,张寿庭,邹灏,等.便携式X荧光分析仪在萤石矿勘查中的应用[J].物探与化探,2012,36(5):718-722.

Zhang P, Zhang S T, Zou H,etal. The application of portable X-Ray fluorescence analyzer to fluorite prospecting [J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2012, 36(5): 718-722. (In Chinese)