李欣宇, 鄒 灝, 張 強(qiáng), 韋紹裔, 王良坤, 張 燕, 楊 堅(jiān)
(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,成都 610059;2.中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽(yáng) 550081;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;4.構(gòu)造成礦成藏國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059;5.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院,武漢 430074)
螢石作為一種重要的戰(zhàn)略性非金屬礦產(chǎn),被廣泛應(yīng)用于冶煉、玻璃、陶瓷等工業(yè)[1]。內(nèi)蒙古地區(qū)不同規(guī)模的斷裂構(gòu)造和巖漿活動(dòng)分布廣泛,為我國(guó)螢石礦產(chǎn)的重要產(chǎn)出區(qū)。草原面積廣大且地形平坦,但草場(chǎng)覆蓋嚴(yán)重導(dǎo)致礦體絕大部分處在較淺的隱伏狀態(tài),找礦工作難以開(kāi)展,對(duì)于高效率的找礦方法方面還在不斷探索中,需開(kāi)展多次現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證與效果分析。
X熒光元素分析技術(shù)早先應(yīng)用于野外取樣帶回分析,根據(jù)元素異常開(kāi)展進(jìn)一步找礦工作。方乙、張鵬等[2-3]利用便攜式X熒光元素分析儀在內(nèi)蒙古赤峰市林西地區(qū)進(jìn)行螢石勘查工作,證明了其應(yīng)用的有效性;趙春江等[4]采用攜帶式X熒光儀對(duì)土壤樣品進(jìn)行測(cè)量,有效地發(fā)現(xiàn)隱伏花崗巖鈾礦異常。隨著X熒光技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)場(chǎng)X熒光元素分析技術(shù)取得較大進(jìn)展,精度方面也在不斷提高,有望成為淺層覆蓋區(qū)找礦的有利手段。
筆者以?xún)?nèi)蒙古烏力吉敖包螢石礦為例,利用便攜式X熒光元素分析儀對(duì)淺層覆蓋區(qū)進(jìn)行野外實(shí)地測(cè)量與后期成圖,并與礦區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比,再結(jié)合甚低頻電磁法的勘查情況進(jìn)行綜合分析,總結(jié)和評(píng)價(jià)便攜式X熒光元素分析儀在礦產(chǎn)勘查中的效果。
圖1 區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)圖及礦區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of regional tectonics and sketch of fluorite deposit(a)研究區(qū)大地構(gòu)造位置;(b)研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖;(c)礦區(qū)地質(zhì)圖
烏力吉敖包螢石礦位于西伯利亞板塊東南大陸邊緣增生帶附近,與華北板塊西北部大陸邊緣增生帶的交界部位(圖1(a)),二連浩特-賀根山深大斷裂附近[5]。主要出露中、新生代地層,其中侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)和新近紀(jì)地層分布廣泛,部分被第四系覆蓋(圖1(b))。燕山時(shí)期主要發(fā)育雜色陸源碎屑巖,受太平洋板塊擠壓作用的影響,在中侏羅世形成較多的小型斷陷盆地和山間盆地,其中較大型的斷裂周?chē)鷱V泛分布小規(guī)模斷裂,后沿霍林河-烏蘭浩特一帶發(fā)育小規(guī)模火山活動(dòng),地層發(fā)生抬升剝蝕;晚侏羅世至早白堊世火山活動(dòng)強(qiáng)烈,導(dǎo)致大量斷裂、褶皺的發(fā)育和頻繁的火山巖漿活動(dòng)。燕山期的構(gòu)造和巖漿作用在該區(qū)域形成多條地殼和超殼斷裂[6],存在大量巖漿和汽水熱液上涌現(xiàn)象,伴有銅、鉛、鋅、螢石和稀土等礦產(chǎn)的形成,對(duì)于螢石的成礦條件十分有利。后期又發(fā)生抬升作用,地形平坦開(kāi)闊,找礦前景巨大。
圖2 螢石礦體與礦石特征Fig.2 The characteristics of fluorite ore deposit and mineral(a)斜井下礦脈;(b)、(c)螢石與圍巖界限;(d)鉆探巖心;(e)、(f)螢石礦石
工作區(qū)屬于濱太平洋構(gòu)造域,區(qū)內(nèi)褶皺不發(fā)育,小規(guī)模斷裂較多,構(gòu)造跡線(xiàn)呈NNE向。主要發(fā)育中酸性火山巖、火山碎屑巖夾火山碎屑沉積巖建造,侵入巖不發(fā)育,地層主要為下白堊統(tǒng)白音高老組(K1b),巖性主要為晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r,SHRIMP年齡為133 Ma ~ 129 Ma[7];西北和西南地區(qū)可見(jiàn)第四系全新統(tǒng)(Qhl),主要為沖積亞砂土和湖泊堆積淤泥等。礦區(qū)內(nèi)草場(chǎng)大面積覆蓋,覆蓋物的成分主要為細(xì)砂和粘土,深度2 m~10 m不等,屬于淺層覆蓋區(qū),部分地表出現(xiàn)零星螢石礦化,風(fēng)化嚴(yán)重。
螢石礦體賦存在下白堊統(tǒng)白音高老組(K1b)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r中,受斷裂控制明顯;根據(jù)前期主、微量元素分析工作和流體包裹體巖相學(xué)特征,已知該礦床的成因類(lèi)型為淺成低溫?zé)嵋毫严冻涮钚偷V床。該礦區(qū)已經(jīng)進(jìn)行了探槽和鉆探工程,并有一口斜井垂直地面深度為50 m,內(nèi)部見(jiàn)數(shù)米寬螢石礦脈(圖2(a)),基本確定了區(qū)內(nèi)螢石礦脈的分布與規(guī)模,但未投入開(kāi)采,除少量局部已復(fù)墾的探槽工程,絕大部分地表處于自然風(fēng)化或沉積狀態(tài)。礦區(qū)內(nèi)部共發(fā)現(xiàn)有4條螢石礦體(圖1(c)和表1):中部礦體(Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ)呈N-S走向,傾角45 °~ 65°,礦體厚度約3.7 m~ 4.5 m;礦區(qū)東部礦體(Ⅳ)呈N-S至NNE-SSW走向,傾角61° ~ 64°,礦體厚度約4.6 m;礦體呈似層狀-透鏡狀產(chǎn)出,夾有大量凝灰?guī)r角礫,呈現(xiàn)由斷裂帶中間向兩端尖滅的形態(tài),與圍巖界限明顯(圖2(b), 圖2(c))。礦石成分主要為螢石和凝灰?guī)r(圖2(e), 圖2(f)),含少量石英、高嶺土和蛋白石等。螢石主要呈脈狀、條帶狀和負(fù)角礫狀(圖2(a), 圖2(d), 圖2(f)),顏色為紫色(圖2(e))、綠色(圖2(f))、白色和黃褐色等,伴隨有一定的硅化(石英和蛋白石化)、高嶺土化和褐鐵礦化。圍巖蝕變以硅化和高嶺土化為主,其次發(fā)育絹云母化,蝕變具分帶性。
表1 螢石礦脈形態(tài)特征
X熒光元素分析技術(shù)最早發(fā)展于20世紀(jì)50年代末至60年代初期,其物理基礎(chǔ)是基于近代原子物理學(xué)中的“莫塞萊定律”,其特征X射線(xiàn)的能量和強(qiáng)度與測(cè)試樣品中所含元素的種類(lèi)和含量有關(guān),通過(guò)測(cè)定的特征X射線(xiàn)能量和強(qiáng)度就能實(shí)現(xiàn)對(duì)元素的定性、定量分析[8-9]?,F(xiàn)場(chǎng)X射線(xiàn)熒光分析方法的準(zhǔn)確度一般均遜于室內(nèi)大型分析儀器和化學(xué)分析方法,這也是現(xiàn)場(chǎng)X射線(xiàn)熒光分析儀器和方法技術(shù)不斷改進(jìn)和完善的技術(shù)目標(biāo),但便攜式X熒光元素分析儀具有攜帶方便、分析速度快(1min左右)、分析范圍廣(主量、微量元素)和測(cè)量對(duì)象多(巖石、礦石、土壤等)的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)礦產(chǎn)勘查中現(xiàn)場(chǎng)多元素快速分析和環(huán)境污染調(diào)查中有毒有害元素的快速分析等多個(gè)領(lǐng)域[10-14]。
X射線(xiàn)熒光,是高能量子與原子發(fā)生相互作用的產(chǎn)物。當(dāng)X射線(xiàn)照射樣品時(shí),其中原子的外層電子從高能層躍遷至K或L的低能殼層空間,并以輻射出X射線(xiàn)的形式釋放能量,其釋放的能量等于躍遷能級(jí)間的能量之差,由于不同原子的能層不同,因此釋放的能量也不同,稱(chēng)為元素的特征X射線(xiàn)。X射線(xiàn)的能量Ex與原子序數(shù)Z的平方成正比。因此,特征X射線(xiàn)的能量可確定發(fā)出X射線(xiàn)的元素[15]。而在一般情況下,樣品中元素的特征X射線(xiàn)強(qiáng)度與元素含量成正比,據(jù)此通過(guò)對(duì)樣品中某種元素特征X射線(xiàn)強(qiáng)度的測(cè)量,便可得知該元素的含量[8-9]。
便攜式X熒光元素分析儀對(duì)諸多元素存在較好的定性和定量分析能力,通過(guò)研究區(qū)野外實(shí)地測(cè)量和室內(nèi)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理成圖,可迅速圈定元素異常區(qū)域,為區(qū)域性特定元素異常分析的重要測(cè)量設(shè)備。
研究區(qū)面積約為3 km2,平坦開(kāi)闊,地形起伏較小,全區(qū)被草原植被覆蓋(圖3(a)),覆蓋層平均厚度約為7 cm,淋溶層平均厚度約為25 cm,淀積層平均厚度一般在20 cm以上;土壤分層因地勢(shì)情況存在一定厚度差異,局部地勢(shì)較高區(qū)域基巖(凝灰?guī)r)直接裸露于地表且風(fēng)化嚴(yán)重。巖石露頭可見(jiàn)斷裂破碎帶或節(jié)理(圖3(c)),部分裂隙中出現(xiàn)少量螢石礦化(圖3(b)),構(gòu)造跡線(xiàn)呈N至NNE向(圖3(d)),符合現(xiàn)場(chǎng)X熒光元素分析法的應(yīng)用條件。
圖3 螢石礦化及構(gòu)造情況Fig.3 The fluorite features of the mineralization and structure(a)探槽工程;(b)螢石礦化節(jié)理;(c)地表節(jié)理與螢石礦化;(d)主要斷裂破碎面
本次勘查工作采用成都理工大學(xué)研制的第三代便攜式X射線(xiàn)熒光光譜儀IED-2000T,主要由主機(jī)和探頭構(gòu)成。主機(jī)運(yùn)行Windows掌機(jī)操作系統(tǒng)并嵌入GPS導(dǎo)航芯片,探頭為電致冷Si-PIN半導(dǎo)體探測(cè)器。該儀器具可自動(dòng)計(jì)算多種目標(biāo)元素的含量,有高水平的野外現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、分析和處理能力;通過(guò)無(wú)線(xiàn)技術(shù)連接,操作界面簡(jiǎn)潔明了,在野外使用方便快捷。具有原位、快速、無(wú)損的多元素同時(shí)測(cè)定的特點(diǎn),應(yīng)用領(lǐng)域廣泛[16]。
根據(jù)研究區(qū)構(gòu)造跡線(xiàn)的方向和螢石礦體的分布,自北向南布置了8條W-E向勘探線(xiàn)(L5、L3、L1、L0、L2、L4、L6、L8),長(zhǎng)度均在1 150 m以上,平均約1 360 m,勘探線(xiàn)間距為200 m,測(cè)點(diǎn)間距為10 m。在用羅盤(pán)和測(cè)繩定測(cè)點(diǎn)的同時(shí),輔以手持GPS檢測(cè),確保測(cè)點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性。本次采樣挖取約40 cm深的草原淀積層土壤(B層),部分地勢(shì)較高、土壤層薄的區(qū)域測(cè)量淺部土壤,量測(cè)量時(shí)間為100 s ,本次測(cè)量有效測(cè)點(diǎn)共979個(gè),歷經(jīng)約15 d完成。
IED2000T型便攜式X熒光元素分析儀,可以對(duì)K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe等多元素進(jìn)行含量測(cè)定,由于該區(qū)螢石礦床屬于低溫?zé)嵋毫严冻涮钚偷V床,成礦過(guò)程中會(huì)形成Ca和F的原生暈元素異常[17],故選取Ca元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。為降低測(cè)量偶然因素影響和便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,根據(jù)已得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用迭代法對(duì)工作區(qū)的Ca元素的背景值和異常下線(xiàn)進(jìn)行計(jì)算[18],經(jīng)過(guò)7次迭代求得背景值為1.098 206%,異常下限為2.194 367%。根據(jù)Ca元素的異常值和異常下限使用Origin繪制勘探線(xiàn)元素異常曲線(xiàn)圖(圖4)和使用Surfer繪制區(qū)域元素異常的平面等值線(xiàn)圖(圖5),并在圖中標(biāo)記元素異常下限。
便攜式X熒光元素分析儀主要通過(guò)探測(cè)礦區(qū)內(nèi)Ca元素含量,確定可能存在螢石礦體的地區(qū),縮小找礦靶區(qū)范圍再開(kāi)展下一步勘探工作,從而達(dá)到找礦的目的。在由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和元素異常下限繪制曲線(xiàn)圖中,明顯高于異常下限的地區(qū)為螢石礦體的可能賦存區(qū)域,本次選取穿過(guò)已知螢石礦脈的L1、L0和L2號(hào)勘探線(xiàn),與相應(yīng)的勘探線(xiàn)剖面圖進(jìn)行對(duì)比分析(圖4)。
圖4(a)顯示其西部400 m~500 m處、中部780 m~900 m處和1 000 m附近與東部1 150 m~1 300 m處均出現(xiàn)較高的Ca元素異常。與實(shí)際礦區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)螢石礦脈的位置對(duì)比發(fā)現(xiàn),中部780 m~900 m處異常對(duì)應(yīng)礦區(qū)的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ號(hào)礦脈,東部1 150 m~1 300 m處對(duì)應(yīng)Ⅳ號(hào)礦脈向北延伸殲滅的螢石礦化裂隙,而單峰異常的西部400 m~500 m處和中部1 000 m附近的異常無(wú)對(duì)應(yīng)礦脈。
圖4(c)顯示其中部760 m~880 m處和東部1 050 m附近出現(xiàn)較高的Ca元素異常,而西部異常較低或無(wú)明顯異常。與勘探線(xiàn)剖面簡(jiǎn)圖(圖4(d))對(duì)比發(fā)現(xiàn),中部760 m~880 m處異常對(duì)應(yīng)礦區(qū)的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ號(hào)礦脈,東部1 050 m處異常無(wú)對(duì)應(yīng)礦脈,另外發(fā)現(xiàn)1 200 m附近的Ⅳ號(hào)礦脈未顯示有明顯的Ca元素異常。
圖4(e)顯示其中部780 m~900 m處出現(xiàn)較高的Ca元素異常,東部1 060 m~1 280 m處間斷出現(xiàn)中等Ca元素異常,西部無(wú)明顯異常。對(duì)比發(fā)現(xiàn)中部780 m~900 m處的Ca元素異常對(duì)應(yīng)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ號(hào)礦脈向南延伸殲滅后的礦化裂隙(圖4(f)),東部1 060 m~1 280 m處的間斷異常范圍較大,1 060 m~1 170 m處對(duì)應(yīng)產(chǎn)狀較緩的Ⅳ號(hào)礦脈南端,而1 200 m~1 280 m處無(wú)礦脈與之對(duì)應(yīng)。
圖4 X熒光Ca元素分析曲線(xiàn)與勘探線(xiàn)剖面圖Fig.4 Calcium analysis curve of X fluorelscence element and profile diagram of exploration lines(a)L1勘探線(xiàn)X熒光Ca元素分析曲線(xiàn);(b)L1勘探線(xiàn)剖面圖;(c)L0勘探線(xiàn)X熒光Ca元素分析曲線(xiàn);(d)L0勘探線(xiàn)剖面圖;(e)L2勘探線(xiàn)X熒光Ca元素分析曲線(xiàn);(f)L2勘探線(xiàn)剖面圖
圖5 X熒光Ca元素分析異常平面圖Fig.5 The calcium anomaly map of X fluorescence element analysis
由圖4可以看出,連續(xù)高峰異常區(qū)域地下存在礦脈的可能性更大,并且異常通常集中在礦脈賦存點(diǎn)至沿產(chǎn)狀向上延伸的方向。在該研究區(qū)異常集中在礦脈的偏東側(cè),這可能指示礦脈曾經(jīng)發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的風(fēng)化剖蝕,頂部礦脈遭剖蝕后在礦脈東側(cè)留下元素異常,同時(shí)被剖蝕礦脈的原生暈也可產(chǎn)生偏向東側(cè)的元素異常。一般情況下礦脈的原生暈異?;虻V脈風(fēng)化導(dǎo)致的元素異常范圍較大,因此單峰異常區(qū)的出現(xiàn)可能是由個(gè)別測(cè)點(diǎn)的異常值較高導(dǎo)致,地下通常無(wú)礦脈存在。
圖6 淺覆蓋區(qū)螢石礦綜合勘查圖Fig.6 Comprehensive prospecting of flurite deposits in shallow cover area(a)甚低頻電磁法(VLF-EM)勘查圖;(b)礦區(qū)斷裂與Ca元素異常組合圖
在研究區(qū)的Ca元素異常平面等值線(xiàn)圖中(圖5),金黃色-紅色表示元素異常高于異常下限的區(qū)域。研究區(qū)中部的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ號(hào)礦脈元素異常明顯,元素異常區(qū)域位于螢石礦脈的右側(cè)位置,Ⅱ和Ⅲ號(hào)礦脈位于元素異常區(qū)域的中央,礦脈南端延伸殲滅方向也顯示有明顯異常,而礦脈北端延伸方向異常則較弱;研究區(qū)東部的Ⅳ號(hào)礦脈也存在元素異常,但在L0勘探線(xiàn)處卻發(fā)生了中斷,礦脈北端延伸殲滅方向異常最為顯著,南端延伸方向異常范圍較大。Ca元素異常在已知礦脈處的異常情況對(duì)應(yīng)較準(zhǔn)確(圖5),除L0勘探線(xiàn)東側(cè)1 200 m處礦脈無(wú)異常顯示,可能與當(dāng)?shù)厣狡律系囊恍┊?dāng)?shù)啬撩竦膹U棄建筑有關(guān),在施工時(shí)影響到了該處的土壤。除此之外,圖5還顯示在研究區(qū)西北區(qū)域和西南區(qū)域出現(xiàn)有較大范圍的元素異常,北側(cè)偏東區(qū)域也出現(xiàn)分散的元素異常,這些異常的出現(xiàn)原因仍有待商榷,說(shuō)明便攜式X熒光元素分析法存在一定的多解現(xiàn)象。
由于方乙等[3, 19]利用甚低頻電磁法(VLF-EM)在內(nèi)蒙古林西的隱伏-半隱伏螢石礦體的定位預(yù)測(cè)中取得較大進(jìn)展,證明甚低頻電磁法可以清晰地反映研究區(qū)構(gòu)造格局、構(gòu)造產(chǎn)狀與平面展布特征,符合螢石礦床由斷裂控制的特點(diǎn)。因此在礦區(qū)開(kāi)展X熒光元素分析法勘查的同時(shí),也開(kāi)展了甚低頻電磁法的勘查工作,試圖解釋研究區(qū)西北和西南區(qū)域出現(xiàn)較大范圍元素異常和東北區(qū)域出現(xiàn)分散元素異常的原因,勘查成果圖如圖6所示。甚低頻電磁法的結(jié)果顯示礦區(qū)內(nèi)地表蓋層以下斷裂主要呈現(xiàn)N-S向,部分呈NNE-SSW向,這與野外實(shí)地調(diào)查的結(jié)果顯示一致;另外甚低頻電磁法還顯示礦區(qū)西部斷裂破碎帶較為稀疏,中部和東部地區(qū)的螢石礦脈發(fā)育處則較為密集。
將甚低頻電磁法探測(cè)的區(qū)內(nèi)斷裂投影至Ca元素X熒光元素分析勘查平面圖中(圖6(b)),顯示在研究區(qū)中部和東部的礦脈賦存區(qū)域的斷裂與Ca元素異常情況重合較好,尤其是中部的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ號(hào)礦脈,說(shuō)明便攜式X熒光元素分析儀在勘查過(guò)程中具有較佳的指示效果。甚低頻電磁法的勘查結(jié)果顯示斷裂分布,便攜式X熒光元素分析儀顯示元素異常,兩者螢石礦的勘查過(guò)程中存在一定的共同指示作用。礦區(qū)北部西南區(qū)域斷裂發(fā)育較弱或不發(fā)育,該結(jié)果可以對(duì)Ca元素異常指示的西南和東北部區(qū)域高異常區(qū)起到一定的排除作用;而西北區(qū)域元素高異常和斷裂同時(shí)存在卻無(wú)礦脈發(fā)育,在實(shí)地考察中發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在大量節(jié)理和少量螢石礦化現(xiàn)象(圖3(c)),由于螢石規(guī)模太小而未達(dá)到工業(yè)要求,卻在探測(cè)過(guò)程中反應(yīng)明顯。以上說(shuō)明兩者結(jié)合可有效剔除便攜式X熒光元素分析儀勘查的部分多解性結(jié)果,同時(shí)也需要重視對(duì)野外情況的考察與分析。
經(jīng)過(guò)野外地質(zhì)踏勘、現(xiàn)場(chǎng)X熒光測(cè)量、數(shù)據(jù)處理制圖和勘探對(duì)比分析,針對(duì)便攜式X熒光元素分析法在淺層覆蓋區(qū)螢石的勘查工作,得出以下結(jié)論:
1)便攜式X熒光元素分析儀對(duì)螢石礦區(qū)的Ca元素反應(yīng)明顯,具有成本低、速度快的特點(diǎn),在淺層覆蓋區(qū)的勘查效果良好。
2)在勘探過(guò)程中,連續(xù)的元素異常對(duì)螢石礦脈具有較好的指示效果,單峰異常指示效果差。
3)針對(duì)以斷裂控礦為特征的螢石礦體,將便攜式X熒光元素分析法與甚低頻電磁法相結(jié)合,可一定程度上剔除多解區(qū)域,具有更好的應(yīng)用前景。
ApplicationandanalysisofportableX-rayfluorescenceanalyzeronfluoriteexplorationinshallowcoverarea