淺覆蓋區(qū)螢石礦綜合勘查方法研究
——以內(nèi)蒙古林西賽波蘿溝門螢石礦為例

方 乙, 張壽庭, 鄒 灝, 張 鵬, 曾昭法, 高 峰

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

螢石是一種重要的非金屬礦物原料，廣泛用于冶金、煉鋁、玻璃、陶瓷、水泥工業(yè)，也是生產(chǎn)氫氟酸及其衍生物的重要原料[1]。內(nèi)蒙古是中國(guó)螢石礦主要分布區(qū)之一，淺覆蓋面積廣，是隱伏-半隱伏礦體的主要找礦潛力區(qū)。前人在螢石礦隱伏礦體勘查方面主要應(yīng)用的是單一的物理勘探方法[2,3]， 由于物探方法探測(cè)的異常本身存在多解性問(wèn)題，使得勘探的效率難以提高。隨著勘查方法和技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用組合方法對(duì)隱伏礦體進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)顯得日益重要[4,5]。

內(nèi)蒙古林西地區(qū)草原覆蓋嚴(yán)重，雖含有豐富的螢石礦資源，但經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采后，已知礦和露頭礦逐漸減少，需要在淺覆蓋區(qū)尋找新的螢石礦。本文以林西賽波蘿溝門螢石礦為例，采用簡(jiǎn)便、快速的物化探組合方法——甚低頻電磁法(VLF-EM)和便攜式X射線熒光光譜分析方法，對(duì)林西賽波蘿溝門螢石礦進(jìn)行物化探組合方法研究，為下一步勘查工作提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景及礦床地質(zhì)特征

林西地區(qū)在大地構(gòu)造位置上處于中朝板塊與西伯利亞板塊晚古生代對(duì)接帶(索倫縫合帶)上，區(qū)內(nèi)有黃崗梁鐵錫多金屬成礦區(qū)和大井子—協(xié)里府銅多金屬成礦區(qū)，且為環(huán)太平洋多金屬成礦帶的外帶(圖1)，已發(fā)現(xiàn)多種金屬和非金屬礦產(chǎn)，成礦潛力巨大[6]。賽波蘿溝門礦區(qū)地貌平緩，高差在100 m之內(nèi)，草原植被發(fā)育，地層斷續(xù)出露有上二疊統(tǒng)林西組淺變質(zhì)泥質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)板巖，巖漿巖主要出露花崗閃長(zhǎng)巖，螢石礦體主要賦存在林西組細(xì)砂巖中(圖1-A)。

賽波蘿溝門螢石礦控礦構(gòu)造整體走向NNE，礦體呈脈狀、扁豆?fàn)?透鏡狀產(chǎn)出，傾向西，傾角陡立，一般為70°～80°，局部直立。已知礦體在地表僅見(jiàn)到數(shù)處斷續(xù)的露頭，寬0.5～5 m，礦體在走向上和傾向上呈舒緩波狀發(fā)育，膨縮變化特征明顯，這是由控礦構(gòu)造以壓為主兼扭的活動(dòng)特征所控制的(圖2-A)。在礦體的左側(cè)分布有一條方向和長(zhǎng)度都近似已知礦體的石英脈，這是本次研究進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的對(duì)象(圖1中Ⅱ)。石英脈寬0.5～3 m，地表出露主要以塊狀和角礫狀構(gòu)造石英為主(圖2-B)，示螢石礦體頂部特征。

圖1 賽波蘿溝門螢石礦礦區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch of the Saiboluogoumen fluorite deposit1.第四系; 2.上二疊統(tǒng)林西組細(xì)砂巖; 3.花崗閃長(zhǎng)巖; 4.石英脈; 5.螢石脈; 6.研究區(qū)所在位置

研究表明，賽波蘿溝門螢石礦的礦物組分比較簡(jiǎn)單，礦石礦物為螢石，顏色主要呈(淺)紫色、(淺)綠色、白色、無(wú)色等；脈石礦物以石英為主，次為黏土礦物，金屬礦物甚微，主要為黃鐵礦。自形、半自形、他形粒狀結(jié)構(gòu)均發(fā)育，礦石構(gòu)造主要有塊狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造(圖2-C)、角礫狀構(gòu)造(圖2-D)、同心圓狀-環(huán)帶狀構(gòu)造，以及團(tuán)塊狀、細(xì)-網(wǎng)脈狀構(gòu)造等。圍巖蝕變主要以硅化為主，其次有絹云母化、高嶺土化、綠泥石化、黃鐵礦化、碳酸鹽化及次生褐鐵礦化。礦石礦物組合類型依次發(fā)育有：螢石型、石英-螢石型、螢石-石英型，少量石英-黃鐵礦-螢石型。礦石品位(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為30%～90%，平均可達(dá)78.5%。曾昭法等(2013)通過(guò)對(duì)林西地區(qū)螢石礦床流體包裹體研究認(rèn)為賽波蘿溝門螢石礦床具有大氣降水熱液成因特征，屬中低溫?zé)嵋毫严冻涮钚臀炇V床[7]。

2 甚低頻電磁法的應(yīng)用

2.1 甚低頻電磁法原理

甚低頻電磁法(VLF-EM)是利用世界上海軍用通訊臺(tái)或?qū)Ш脚_(tái)發(fā)射的15～25 kHz波段的無(wú)線電波作場(chǎng)源(屬于被動(dòng)源電磁感應(yīng)法)，在地表、空中或地下探測(cè)場(chǎng)的參數(shù)變化下，從而獲得電性局部差異或地下構(gòu)造的異常信息[8]。近些年來(lái)，已被廣泛應(yīng)用于地下水以及金屬-非金屬礦找礦預(yù)測(cè)等方面的研究[9-11]。甚低頻電磁法既可利用磁分量測(cè)量(磁傾角法)，也可利用電分量測(cè)量(電阻率法或波阻抗法)。鑒于本次測(cè)量過(guò)程中，剖面沿線第四系覆蓋嚴(yán)重，因此，本次研究采用VLF極化橢圓傾角(稱磁傾角D)法測(cè)量。

圖2 賽波蘿溝門螢石礦控礦構(gòu)造與礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)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)壓扭性控礦構(gòu)造特征; (B)淺紫、淺綠色自形-半自形晶螢石; (C)環(huán)帶狀構(gòu)造礦石; (D)角礫狀構(gòu)造礦石

2.2 甚低頻電磁法應(yīng)用前提及數(shù)據(jù)處理

甚低頻電磁法探測(cè)的是淺層地質(zhì)體的電性差異。礦化蝕變帶、斷層泥、黏土礦物、裂隙水往往富集于構(gòu)造破碎帶中，導(dǎo)致構(gòu)造破碎帶與圍巖物化性質(zhì)差異顯著，這也為應(yīng)用甚低頻電磁儀研究勘查區(qū)內(nèi)可能礦化體及控礦斷裂構(gòu)造提供了良好的地球物理前提。本次研究系統(tǒng)采集了賽波蘿溝門螢石礦及其附近區(qū)域螢石礦礦石和主要圍巖標(biāo)本，測(cè)定它們的物性參數(shù)(表1)。從表1中可以看出，致密塊狀螢石和含礦石英脈，表現(xiàn)為高阻低極化的特征；而變質(zhì)砂巖為中低阻、低極化率：因此用電阻率法可以快速追索含礦斷裂蝕變帶。

本研究所測(cè)數(shù)據(jù)為磁傾角D值。磁傾角剖面曲線的零交點(diǎn)通常出現(xiàn)在異常體上方，但在實(shí)際應(yīng)用中，存在地質(zhì)噪聲、區(qū)域背景和相鄰地質(zhì)體的干擾，以及地形起伏等影響，往往導(dǎo)致磁傾角剖面曲線上零交點(diǎn)與地下隱伏低阻體實(shí)際位置間發(fā)生偏移，甚至不顯示零交點(diǎn)和出現(xiàn)假零交點(diǎn)。為了消除這些影響，通常將所測(cè)傾角值經(jīng)Fraser濾波處理。處理的結(jié)果是把測(cè)量剖面上的拐點(diǎn)或過(guò)零交點(diǎn)異常變成極大值，其峰值即對(duì)應(yīng)地下低阻異常體(圖3)。為進(jìn)一步揭示待測(cè)低阻異常體在橫剖面上的空間展布規(guī)律，相應(yīng)采取對(duì)實(shí)測(cè)傾角資料的線性濾波處理。其結(jié)果用特定深度的等效電流密度來(lái)表示，電流密度大的區(qū)域即為低阻異常體的位置[12]。關(guān)于Fraser濾波計(jì)算和等效電流密度算法已有文章專門論述，本文不再重復(fù)[13,14]。

表1 賽波蘿溝門螢石礦區(qū)及附近區(qū)域礦石和圍巖物性參數(shù)Table 1 Physical property parameters of the ores and wall rocks from the Saiboluogoumen fluorite deposit and related sites

圖3 賽波蘿溝門29號(hào)勘探線綜合剖面圖Fig.3 No.29 exploration line composite profiles of the Saiboluogoumen fluorite deposit

圖4 賽波蘿溝門甚低頻異常平面圖Fig.4 VLF anomaly map of the Saiboluogoumen fluorite deposit1.第四系; 2.上二疊統(tǒng)林西組細(xì)砂巖; 3.花崗閃長(zhǎng)巖; 4.石英脈; 5.螢石脈

2.3 賽波蘿溝門螢石礦甚低頻異常解釋

本次在研究區(qū)布置測(cè)線20條，每條測(cè)線長(zhǎng)1 km，測(cè)線方向?yàn)镾EE(105°)，測(cè)線間距50 m，測(cè)點(diǎn)間距10 m，測(cè)線位置通過(guò)高精度GPS確定。測(cè)線布置原則是測(cè)線方向盡量垂直礦化帶方向。測(cè)量時(shí)使用澳大利亞長(zhǎng)波臺(tái)(NWC22.3 kHz)作場(chǎng)源。對(duì)所有甚低頻數(shù)據(jù)進(jìn)行Fraser濾波處理后，利用Surfer軟件繪制甚低頻異常等值線平面圖(圖4)。

從甚低頻異常等值線平面圖可以看出賽波蘿溝門螢石礦區(qū)構(gòu)造格局呈網(wǎng)格狀分布特征，主要包括走向近南北、北北東以及北西向構(gòu)造。其中北北東向構(gòu)造為該區(qū)主控礦構(gòu)造系統(tǒng)。在Ⅰ帶(螢石礦)出露的位置對(duì)應(yīng)一條連續(xù)性較好的異常帶，異常帶在平面上也呈現(xiàn)波狀起伏的特征，這和實(shí)際地質(zhì)情況吻合；在Ⅱ帶(石英脈)出露位置對(duì)應(yīng)的卻是一條中高阻異常帶，出現(xiàn)這種情況的原因可能是由于構(gòu)造帶在石英脈充填后，周圍的圍巖發(fā)生強(qiáng)烈硅化，二者構(gòu)成一個(gè)相對(duì)均一的整體，在后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中不易破碎。事實(shí)上，含礦斷裂帶呈現(xiàn)低阻帶的主要原因是與斷裂帶的破碎程度、斷層泥、黏土礦物含量以及裂隙水的發(fā)育程度等密切相關(guān)。對(duì)于賦礦斷裂帶而言，成礦后的構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度與礦體破碎程度可能對(duì)甚低頻的低阻異常反映具有重要影響，而致密結(jié)構(gòu)的螢石和石英(蛋白石)脈，本身都屬于高阻體。由于二者之間物理性質(zhì)的差異，后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)必然存在差異性破碎，直接導(dǎo)致二者甚低頻異常特征的差異性。Ⅰ帶和Ⅱ帶在礦區(qū)南段異常有疊加趨勢(shì)，暗示著該石英脈和螢石脈可能會(huì)在南段和深處匯合成為一個(gè)礦體。由此可見(jiàn)，甚低頻在該地區(qū)應(yīng)用的效果是比較明顯的，能夠清晰地展示研究區(qū)斷裂構(gòu)造的分布情況。但是由于Ⅱ帶在地表出露的僅為塊狀和角礫狀石英(圖2-B)，肉眼情況下無(wú)法鑒定其含礦性，因此需要利用其他的方法確定其含礦性，本次研究選擇了便攜式X射線熒光光譜分析方法。

3 便攜式X射線熒光光譜分析儀的應(yīng)用

3.1 便攜式X射線熒光光譜分析原理簡(jiǎn)介

便攜式X射線熒光光譜分析儀的基本原理是通過(guò)原級(jí)X射線光子或其他微觀粒子發(fā)射高能量的X射線激發(fā)待測(cè)物質(zhì)中的原子，被激發(fā)后的原子體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，能量高的較外層電子躍入能量較低的內(nèi)層空穴，多余的能量會(huì)以輻射形式放出，便產(chǎn)生X射線熒光，其能量等于兩能級(jí)之間的能量差。X射線能量是由該元素的殼層電子能級(jí)所決定的，因此每個(gè)元素都有其特征的X射線。通過(guò)測(cè)定樣品中元素的特征X射線，可以確定被測(cè)樣品中的元素種類，并且元素的特征X射線強(qiáng)度與其含量成正比，因此通過(guò)對(duì)樣品中某元素的特征X射線強(qiáng)度的測(cè)量又可以得知該元素的含量。關(guān)于便攜式X射線熒光光譜分析儀的詳細(xì)原理已有專著作過(guò)論述[15]，此處不再贅述。

便攜式X射線熒光光譜儀被譽(yù)為地質(zhì)學(xué)家的眼睛，具有不破壞樣品，分析速度快，準(zhǔn)確度高，能測(cè)定固體、粉末和液體樣品，能適用于主量和微量元素測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，有諸多方面的實(shí)際應(yīng)用[16-18]。

圖5 土壤測(cè)量不同目數(shù)測(cè)試對(duì)比圖Fig.5 Soil survey of different grain diameters

3.2 便攜式X射線熒光光譜分析在賽波蘿溝門螢石礦勘查中的應(yīng)用

由于賽波蘿溝門螢石礦區(qū)大部分區(qū)域?yàn)榈谒南禍\覆蓋區(qū)，因此本次研究測(cè)量的對(duì)象是土壤。土壤是由巖石風(fēng)化而成的礦物質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w腐解而產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)以及水分(土壤溶液)、空氣(土壤孔隙中的空氣)等組成，因此土壤X射線熒光光譜測(cè)量實(shí)質(zhì)上是次生暈的反映。測(cè)量的土壤一般采自基巖上方無(wú)植物根系的B層土壤。在測(cè)量時(shí)，首先對(duì)不同目數(shù)(不同粒徑)土壤測(cè)試效果進(jìn)行了對(duì)比研究(圖5)，從圖中可以看出不同目數(shù)的土壤測(cè)試結(jié)果具有非常好的一致性，曲線的穩(wěn)定性說(shuō)明外來(lái)細(xì)粒物質(zhì)對(duì)該區(qū)土壤的影響不大。已有研究表明，土壤濕度也不會(huì)影響X射線熒光光譜測(cè)量異常的存在，只是會(huì)降低異常的強(qiáng)度[19]。

基于以上考慮，本次試驗(yàn)工作采取原位測(cè)試，儀器選用江蘇天瑞儀器股份有限公司生產(chǎn)的 EDX P730手持X射線熒光測(cè)試儀，測(cè)量時(shí)間定為60 s。本次測(cè)量工作布置7條勘探線，分別為9、13、17、21、25、29和33號(hào)線，與甚低頻進(jìn)行同剖面測(cè)量，共獲得1219組數(shù)據(jù)。螢石礦床地球化學(xué)測(cè)量中，異常指示元素表現(xiàn)為F、Ca強(qiáng)異常[20]。由于便攜式X射線熒光光譜測(cè)量檢出限的限制，不能測(cè)量F的含量，本次研究選取Ca元素進(jìn)行分析。關(guān)于本區(qū)Ca元素異常下限的確定另有文詳述[21]。

從29號(hào)線綜合剖面圖上可以看出(圖3)，X射線熒光光譜測(cè)量數(shù)據(jù)異常與螢石礦體(Ⅰ)吻合，異常峰值的偏移是由地形決定的，而在石英脈的上方同樣存在一個(gè)Ca元素異常區(qū)；暫時(shí)不能確定該線200 m左右的高值異常，其原因有待進(jìn)一步的調(diào)查研究。將每條勘探線的Ca元素含量趨勢(shì)曲線與地形地質(zhì)圖疊加(圖6)，可以看出螢石礦(Ⅰ)右側(cè)有一系列高值與之平行，這樣的異常分布在地形上與Ca元素的遷移規(guī)律相符。Ca值異常的幅度及大小變化與礦體在延伸方向的膨縮變化有關(guān)，即礦化的貧富在延伸方向是有變化的。21號(hào)線在650 m處出現(xiàn)的高值異常經(jīng)查證是受到礦石堆的影響。在石英脈(Ⅱ)的正上方以及兩側(cè)都存在一系列Ca值異常，尤其是9、13、17號(hào)線異常幅度和大小相對(duì)較大，這與甚低頻在南段的異常特征具有高度的相似性。由此可以看出該石英脈出露部分很可能是隱伏礦體的硅質(zhì)頂蓋，因此具有非常大的找礦潛力。

4 結(jié) 論

研究表明甚低頻電磁測(cè)量和X射線熒光光譜分析組合方法在淺覆蓋區(qū)螢石礦勘查中能夠達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互驗(yàn)證的效果。甚低頻電磁測(cè)量可顯示構(gòu)造破碎帶在平面上的展布情況，而便攜式X射線熒光光譜分析可以顯示相關(guān)元素異常的分布，這樣可以判析構(gòu)造破碎帶的含礦性，在一定程度上彌補(bǔ)了單一地球物理方法存在的多解性問(wèn)題。這種以地質(zhì)為基礎(chǔ)，地物化相結(jié)合的有效勘查方法也能適用于其他類似礦產(chǎn)的勘查工作。

圖6 賽波蘿溝門Ca元素含量分布圖Fig.6 The Ca content distribution diagram of the Saiboluogoumen fluorite deposit1.第四系; 2.上二疊統(tǒng)林西組細(xì)砂巖; 3.花崗閃長(zhǎng)巖; 4.石英脈; 5.螢石脈; 6.Ca值曲線; 7.Ca值異常下限

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