多道能谱测量在冀东花岗岩型稀有金属矿勘查中的应用

程立群，张文雨，王凯，王斌，裴明星

(河北省地矿局 第八地质大队，河北 秦皇岛 066000)

0 引言

稀有金属元素因其具备的特殊物理化学性质，是发展高科技产业的重要原料，是各国都高度重视的战略性储备资源[1]。稀有金属资源成因类型可以划分为与岩浆岩相关的内生矿床、与沉积作用相关的外生矿床以及与变质作用相关的矿床[2]。花岗岩型稀有金属矿床是我国最重要的3大稀有金属矿床类型之一，其多形成于燕山期[3-4]。中国拥有众多大小不一的燕山期花岗岩体，具有较好的找矿潜力[5]。如果采用传统的勘探手段对这些岩体开展稀有金属找矿工作的话，必然耗时、费力。若找到一种既经济、有效又便捷、高效的物探方法先对这些岩体进行排查、圈靶，再开展工程验证，将能大大缩短工作周期和节约大笔勘探费用。

多道能谱测量方法具有仪器轻便、测量数据准确、工作效率高、成本低等优点[6]，广泛应用于地质填图[7-8]、放射性矿床勘查[9-10]、金矿等金属矿产的勘查[11-13]工作中，而在稀有金属矿床勘查中的应用却鲜有报道。

笔者以冀东地区汉儿庄花岗岩体为研究对象，对其开展多道能谱测量工作。通过对测量数据的分析，迅速圈定了稀有金属矿异常范围，并采用岩石地球化学剖面测量、槽探工程及系统刻槽取样基本分析进行了验证。成果表明，多道能谱异常与矿化带分布极其吻合，试验取得了较好的找矿效果，大大提高了工作效率。

1 多道能谱测量的地质基础

多道能谱测量是根据天然放射性核素的γ射线能量差异，在野外天然产状条件下直接确定岩石(土壤)中的γ总量(γ照射量率)、铀(U)、钍(Th)、钾(K)含量的一种放射性测量方法[14]。花岗岩型稀有金属矿床与花岗岩体有紧密空间关系和成因关系，是岩浆演化的产物。在分异、结晶的作用下，岩浆中的稀有金属元素沉淀、富集形成工业矿体，同时，一些放射性元素或以晶质铀矿、钍石、方钍石的形式沉淀下来，或赋存于锆石、独居石、钛铁矿、磁铁矿、磷钇矿、磷灰石、铌钇矿等矿物中[15]。大部分钽铌等稀有金属矿床具有放射性异常[16]。因此，将伽马能谱测量方法应用于研究区稀有金属矿勘查在理论上是可行的。

2 研究区地质概况

研究区地处河北省唐山市迁西县汉儿庄村一带，中心地理坐标：东经118°13′00″，北纬40°22′30″。大地构造位于中朝准地台—燕山台褶带—马兰峪复背斜中段。太古宇变质基底构成背斜轴部,中新元古界沉积盖层构成背斜南北两翼。燕山期岩浆活动沿NE向构造带形成一系列规模不等的侵入体，这些侵入体自西向东大体呈等间距、串珠状分布，构成规模宏大的冀东侵入岩带[17-18]。

2.1 出露地层

研究区内出露地层较为简单，主要为太古宇迁西群马兰峪组变质岩和新生界第四系冲洪积、残坡积物(图1)。太古界迁西群马兰峪组地层为一套中深度变质程度的变质岩系，变质程度达到高级角闪岩相—麻粒岩相。主要岩性为黑云角闪斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩、斜长角闪岩、少量变粒岩及磁铁石英岩等。地层总体走向NE，倾向NW，倾角50°～85°。受汉儿庄岩体侵位影响，该地层由岩体边部向四周厚度越来越大，研究区内厚度一般在200～300 m，最厚可达500 m以上。研究区内大部分为基岩裸露区，新生界第四系冲洪积、残坡积物沿沟谷及山间盆地断续分布，厚度为0.30～1.50 m。

2.2 构造

区域性深大断裂密云—喜峰口—青龙断裂由研究区北面不远处通过，总体近EW走向。中生代时期沿该断裂具有较大规模右行走滑构造运动,对岩浆活动的导控作用较明显，汉儿庄岩体就是在那个时期沿其NE向次级构造侵位形成的。该断裂为一多期活动性断裂，受其影响研究区内构造主要以断裂构造为主，共见有F1、F2、F3等3条断层：F1断层分布于汉儿庄村NW700 m左右，走向80°～90°，倾向N，倾角60°左右，破碎带宽3～5 m，具明显挤压片理化现象，见构造透镜体、挤压片岩，岩石较破碎；F2断层分布于汉儿庄村N750 m左右，走向350°，为一平移断层，将花岗岩向南发生错动，断距约10～20 m。断层附近岩石较破碎，岩石具高岭土化；F3断层分布在研究区中部，走向5°，倾向E，倾角70°左右。

2.3 岩浆岩

区内岩浆活动强烈，主要是燕山期岩浆侵入形成的汉儿庄岩体。该岩体侵入到太古宇片麻岩中，接触面外倾，呈带状分布，总体走向NE55°，出露宽75～430 m，断续总长约5 km，出露总面积0.81 km2。根据区域地质资料显示，区内地表出露的部分仅为汉儿庄岩体顶部的一小部分，其深部向四周均有延伸，整体形态为上窄下宽的梨形，最大埋深可达2 km，具一定规模。岩性主要为二长花岗岩、钾长花岗岩。

二长花岗岩，呈灰白、浅粉白色，中细粒他形—半自形粒状结构，块状构造。主要矿物成分为斜长石、碱性长石、石英和少量黑云母、白云母、锂云母、角闪石等。斜长石多呈半自形—他形板状，发育聚片双晶，粒径一般在0.10～0.30 mm；碱性长石多呈他形板状，可见发育条纹结构，粒径一般在0.50～1.50 mm；石英可分为颗粒较大和颗粒较细两类，粒径一般在0.10～2.75 mm。

钾长花岗岩呈肉红色，中细粒他形粒状结构，块状构造。主要矿物成分为碱性长石、石英、斜长石、少量黑云母和不透明矿物。其中碱性长石多呈他形板状，可见发育条纹结构，粒径一般在1.0～2.2 mm；石英，无色，表面干净，无解理，粒径多在0.1～75 mm。斜长石多呈半自形—他形板状，发育聚片双晶，大部分颗粒发生绢云母化，内部包含鳞片状绢云母和细小白云母，粒径多在 0.3～0.7 mm。

3 工作方法及数据处理

3.1 工作方法及数据成图

本研究垂直汉儿庄岩体长轴方向共布置了9条多道能谱测量剖面，合计8 050 m。剖面间距400 m,点距20 m，在断层、蚀变带、不同岩性接触带对测点加密到10 m。使用的仪器为核工业航测遥感中心生产的ARD便携式多道伽马能谱仪。该仪器能自动计算，直接显示岩石中铀(U)、钍(Th)、钾(K)的含量，也可读出伽马射线的总道计数(Tc)。野外采用60 s计时，观测2次，取平均数，偏差大时，再加测，两个相近的取平均数。测量的U、Th、K、总道计数含量在人为确定峰值没有发生位移后储存在仪器中，每天测量结束后导入计算机中。共计采集测量数据432组，其中质量检查点49个，48个在含量误差允许范围内，1个点铀含量超出误差范围，检查测量点合格率为98%。

应用Grapher软件对野外测量的多道数据进行处理生成数值曲线图，最终做出多道能谱测量剖面图。同时，为了验证多道能谱剖面测量的有效性，还在各剖面上按20 m点距连续采取岩石地球化学样品214件，分析项目为：Nb、 Ta、 Rb、Cs、Li、Ti 、Zr 、V 、Mo 、W、Be、U、Th、Hf；对异常部位施工5条槽探，刻槽采取基本分析样品511件，分析项目为：Li2O、Rb2O、Cs2O、Nb2O5、Ta2O5。

3.2 数理统计与数据处理

表2 多道能谱异常等级

4 多道能谱测量效果及分析

4.1 多道能谱特征

由表1可知，二长花岗岩中U、Th、总道计数平均含量分别是全区背景值的9倍、8.5倍和3.9倍，明显高于其他3种岩性(地层)；K平均含量稍高于全区背景值，为全区背景值的1.4倍。同时，二长花岗岩中U、Th变异系数明显低于全区，说明区内的二长花岗岩中U、Th元素不仅较为富集，且分布均匀。

表1 岩石(地层)多道能谱参数特征

钾长花岗岩中U、Th、K、总道计数平均含量分别是全区背景值的1.4倍、2倍、1.6倍和1.7倍，均稍高于全区背景值，异常不甚明显。

片麻岩中U、Th、K、总道计数平均含量分别是全区背景值的0.8倍、0.6倍、0.8倍和0.8倍，均明显低于全区背景值。但片麻岩中的U、Th、K、总道计数变异系数高于其他3种岩性(地层)，是由于放射性元素在区内的片麻岩中总体含量相对较低，且分布不均造成的。

第四系中U、Th、总道计数平均含量分别是全区背景值的1.4倍、1.2倍和1.1倍，略高于全区背景值；而K平均含量略低于全区背景值，为全区背景值的0.9倍。说明区内的第四系中有从基岩中搬运而来的含U、Th等矿物存在[19-20]，只不过是花岗岩体遭受风化破坏后，其中的铀矿物氧化后被水介质溶解，以铀酰络合物形式被地表水搬运，后在有机质等的吸附或局部还原作用下，同沉积物一起沉积，从而增高了土壤中的铀含量[21]。而钍难溶于水，只存在物理搬运，运移距离和数量有限，就造成了区内土壤中铀值高于钍值。

4.2 剖面效果

将多道曲线变化情况与岩石地球化学稀有金属元素含量曲线和地质实际情况对比研究，得到多道能谱测得的数值曲线，在稀有金属矿化带的相应位置反映明显且均表现为明显的正异常。以3线综合剖面为例来说明多道能谱测量的实际效果(图2)。

1—第四系;2—片麻岩;3—二长花岗岩(矿化带);4—地层产状1—quaternary；2—gneiss；3—monzogranite(mineralized belt)；4—attitude of stratum图2 3线综合剖面Fig.2 The composite profile of line 3

图2中3线剖面全长800 m。0～125 m、655～800 m分别为较厚第四系冲洪积、残坡积物覆盖层，无法采集岩石地球化学样品，多道能谱U、Th、K、总道计数含量各数值大多低于背景值，仅局部略高于背景值；125～250 m、365～655 m为片麻岩，多道能谱U、Th、K、总道计数含量各数值大多低于背景值，甚至低于第四系覆盖区数值，Nb、Ta、Rb、Hf等稀有元素含量也较低；250～360 m为二长花岗岩，多道能谱U、Th、K、总道计数含量各数值远高于背景值，甚至全部大于异常场值，同时Nb、Ta、Rb、Hf等稀有元素含量也明显较高，且这些稀有元素地球化学异常范围与多道能谱异常场范围高度吻合。通过对该线上异常区施工的TC3中所取167件基本分析样品分析结果统计显示：Li2O品位0.001 1%～0.13%，加权平均品位0.007%；Rb2O品位0.016%～0.11%，加权平均品位0.063%；Cs2O品位0.000 11%～0.000 82%，加权平均品位0.000 23%；Nb2O5品位0.021%～0.048%，加权平均品位0.035%；Ta2O5品位0.001 3%～0.003 5%，加权平均品位0.002 2%；稀有金属矿化明显，也证明了多道能谱异常确为稀有金属矿化所致。其他剖面情况与3线基本相同。

4.3 总体效果及分析

对本次工作所做9条测线，432个测点的1728个数据(每个测点有K、Th、U、总道计数4个数据)进行统一处理，分别生成K、Th、U、总道计数平面剖面(图3)。发现4张图所反映异常情况大致一样，但Th、U、总道计数所反映异常更为明显。

由图3可知，各测线中K的数值大部分区域低于异常场值，虽在花岗岩中略高，但与围岩差异不甚明显。究其原因，应为本区大面积出露的片麻岩与花岗岩主要矿物组成均为长石、石英、暗色矿物等，其含钾矿物含量比较接近。Th、U、总道计数异常场主要分布于二长花岗岩中，且与其分布形态高度吻合。而钾长花岗岩中Th、U、总道计数虽与片麻岩相比略高，但未达到异常场标准。结合表3研究区214件岩石地球化学分析成果来看，虽然二者均为花岗岩，但钾长花岗岩中稀有金属元素虽比华北地台丰度值和中国碱长花岗岩略高，但远低于二长花岗岩，总体并未达到富集矿化的地步；而二长花岗岩中Nb、 Ta、 Rb、Li等稀有金属元素含量高于华北地台丰度值和中国碱长花岗岩数倍甚至几十倍，矿化较为明显。特别是伴随稀有金属矿化产生的放射性元素U、Th、Hf的含量明显高于钾长花岗岩和片麻岩，这也表明多道能谱测量手段在花岗岩区开展稀有金属矿找矿是可行的。

表3 研究区地层岩石地球化学特征

1—第四系;2—片麻岩;3—钾长花岗岩;4—二长花岗岩(矿化带);5—断层;6—多道能谱测量剖面位置及编号1—Quaternary；2—gneiss；3—potassium feldspar granite；4—monzogranite(mineralized belt)；5—fault；6—multichannel energy spectrum measurement section position and number图3 多道能谱测量平面剖面Fig.3 The plane profile of multichannel energy spectrum

同时，我们还发现1线中部虽也为二长花岗岩，但Th、U、总道计数异常并不明显，而地表TC1中刻槽采取的37件样品分析结果则显示，该段Li2O加权平均品位0.12%；Rb2O加权平均品位0.07%；Cs2O加权平均品位0.001 5%；Nb2O5加权平均品位0.040%；Ta2O5加权平均品位0.002 2%，稀有金属矿化甚至好于异常明显的其他剖面。经实地查看，该段基岩出露不好，第四系覆盖厚度0.50～1.20 m。由此可见，多道能谱测量在花岗岩型稀有金属矿找矿中应用的一个前提就是要有良好的基岩出露。

通过对研究区内214件岩石地球化学样品分析的14种元素进行聚类分析所得元素相关系数矩阵(表4)来看，稀有金属元素Nb、Ta、Rb与放射性元素Th、U、 Hf关系密切，呈显著正相关关系。结合人工重砂、岩矿测试等成果综合分析，区内具稀有金属矿化的二长花岗岩中含有大量褐钇铌矿、独居石等含U、Th、 Hf矿物，这些矿物与Nb、 Ta、Rb等稀有金属矿物存在共生关系[23]。因此，稀有金属矿化强的岩石中铀、钍等放射性矿物含量也高，多道能谱异常场强度就越大。

表4 元素相关系数矩阵

4.4 定量解释分析

为了更加深入地研究分析区内稀有金属矿化与放射性地球物理特征之间的关系，本文借鉴伽马测井中较为常用的分析方法，制作了钍钾交会图和钍铀交会图。由图5钍钾交会图可以看出，稀有金属矿化部分主要集中在Th/K值1.25～2.43范围内，同时结合钍、钾元素的单元素含量，具有稀有金属矿化岩石的特征值服从关系式(1)(其中：Th/K单位为1，Th、K单位为10-6)：

图5 稀有金属矿化主要岩性钍铀交会Fig.5 Cross plot of uranium and thorium about rare metal mineralization

(1)

由图6钍铀交会图可以看出，稀有金属矿化部分主要集中在Th/U值1.6～5.7范围内，同时结合钍、铀元素的单元素含量，具有稀有金属矿化岩石的特征值服从关系式(2)(其中：Th/U单位为1，Th、U单位为10-6)：

(2)

综合式(1)、式(2)来看，可以得到具有稀有金属矿化岩石的放射性特征值总关系式(3)：

(3)

图4 稀有金属矿化主要岩性钍钾交会Fig.4 Cross plot of uranium and thorium about rare metal mineralization

5 结论

1) 通过对多道能谱测量的U、Th、K、总道计数含量数据的分析处理发现，区内U、Th、总道计数异常明显，在二长花岗岩中的平均含量分别是全区背景值的9倍、8.5倍和3.9倍，异常场异常场展布特征与二长花岗岩的地表出露形态基本一致；具有稀有金属矿化岩石的放射性特征值服从：1.2535.3的关系。

2) 区内二长花岗岩几乎全岩稀有金属矿化，根据其规模初步估算，具有大型以上稀有金属矿产地的潜力，建议进一步开展找矿工作。

3) 利用多道能谱测量开展花岗岩型稀有金属矿找矿工作，几乎不受地形、电场和磁场的干扰，但在有第四系覆盖的区域要考虑到放射性异常强度随距离呈指数衰减这一特性，避免丢矿、漏矿。

4) 稀有金属元素Nb、Ta、Rb与放射性元素Th、U、 Hf关系密切，呈显著正相关关系。通过铀、钍、总道异常的直观显示，进一步增强了稀有金属矿找矿信息，缩小了找矿靶区。证明在冀东花岗岩区利用多道能谱测量方法开展稀有金属矿找矿工作是可行的，在实际工作中取得又快又准的效果。