地面伽瑪能譜測量在稀土礦勘查中的應(yīng)用
——以山東省蘭陵縣龍寶山稀土礦為例

王繼芳，徐然，安茂國，張英梅，徐超，唐洪敏，謝麗麗，陸林祥

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地勘局第二地質(zhì)大隊)，山東 兗州 272000)

0 引言

龍寶山地區(qū)是山東省重要的稀土找礦靶區(qū)之一，位于山東省蘭陵縣城西北約30km處的龍寶山一帶，行政區(qū)劃隸屬蘭陵縣下村鎮(zhèn)。1960年在本區(qū)開展山東省中部及東部地區(qū)航空放射性測量中圈定了航空放射性異常(γ-18-60)1處，1997年在異常檢查中發(fā)現(xiàn)了稀土礦體，2019年，山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地勘局第二地質(zhì)大隊)在開展山東省稀土礦資源調(diào)查評價工作時，在龍寶山地區(qū)開展了1∶5萬γ能譜測量和1∶5000γ能譜剖面測量。通過異常查證，又發(fā)現(xiàn)3個稀土礦體和較多的礦化線索。龍寶山稀土礦的發(fā)現(xiàn)與γ能譜測量手段的應(yīng)用密不可分。龍寶山地區(qū)累計完成1∶5萬地面γ能譜測量200km2，1∶1萬γ能譜剖面測量14.7km，1∶5000γ能譜剖面測量63.94km。γ能譜測量是目前稀土找礦的重要手段之一，本文分析了γ能譜測量在龍寶山地區(qū)稀土找礦中的應(yīng)用，以期對龍寶山及周邊類似地區(qū)的稀土找礦有所借鑒[1-3]。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于沂沭斷裂帶南段西側(cè)的尼山凸起之上(圖1)，區(qū)域地層主要為寒武系，并發(fā)育有少量奧陶系。在龍寶山一帶分布有中生代燕山期中偏堿性侵入巖形成的雜巖體，在雜巖體的周邊分布有少量新太古代二長花崗巖。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂為主，NW向龍輝斷裂為區(qū)域性主干構(gòu)造，其次級NE向、近SN向、近EW向等斷裂構(gòu)造發(fā)育。

1—斷層及推測斷層；2—凹陷區(qū)；3—隆起區(qū)；4—研究區(qū)位置圖1 龍寶山大地構(gòu)造位置圖

1.1 成礦地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)大面積分布有與稀土礦關(guān)系密切的堿性巖，主要為東馬山單元中細(xì)斑石英正長斑巖和崔家溝單元中細(xì)斑霓輝二長斑巖，為稀土礦的成礦母巖。區(qū)內(nèi)成礦期斷裂有NW向、NE向、近SN向和近EW向4組，其中以前3組斷裂多見，是礦區(qū)主要控

礦、賦礦構(gòu)造。礦脈的形態(tài)、產(chǎn)狀和規(guī)模受上述斷裂構(gòu)造控制，礦體走向與控礦斷裂相一致[4-5]。

1.2 礦體特征

目前研究區(qū)發(fā)現(xiàn)的11個稀土礦體均圍繞龍寶山雜巖體分布，礦體走向主要有近SN向、NE向和近EW向。礦體呈脈狀，透鏡狀，具尖滅再現(xiàn)、分支復(fù)合現(xiàn)象。礦體厚度1.45～26.9m，平均品位0.59%～3.62%，礦石類型有含稀土構(gòu)造角礫巖、含稀土石英巖、含稀土蝕變霓輝正長斑巖、角礫狀褐鐵礦化斜長輝石巖及黑云母巖等。

1.3 γ能譜測量地質(zhì)條件

研究區(qū)基巖出露較好，第四系僅在溝谷低洼處有少量分布。區(qū)內(nèi)沒有湖泊，有少量村莊。γ能譜測量影響因素較少。

2 放射性元素異常與稀土礦的關(guān)系

稀土礦形成過程中通常會伴生鈾、釷等放射性元素。放射性元素衰變時會釋放出γ射線，γ射線與物質(zhì)作用會產(chǎn)生次級電子，通過測量次級電子的能量能夠反映γ射線的能量，進(jìn)一步反算放射性元素的含量。γ能譜測量主要參數(shù)為鈾、釷、鉀和總量。稀土元素常與釷、鈾、鉀相伴生，稀土元素含量與釷、鈾含量呈正相關(guān)關(guān)系，因此品位高的稀土礦體引起的放射性異常也較高。尤其是稀土元素與釷元素關(guān)系密切，因此通過測定鈾、釷、鉀、總量等參數(shù)的含量，圈定其異常，為尋找稀土礦床提供依據(jù)[6-8]。

龍寶山稀土礦是富鈰族稀土礦床，鈰含量為最高，鑭、釹、鐠次之。稀土礦物主要有氟碳鈰礦、氟碳鈣鈰礦、鈰磷灰石、碳酸鈰鈉礦、碳酸鍶鈰礦、富鈾燒綠石、獨居石、釷石、硅鈦鈰礦等，不同種類的礦石中，各種稀土礦物的含量不同，稀土氧化物的含量也不相同(表1)。

表1 稀土礦物含稀土元素(%)

研究工作認(rèn)為，本礦區(qū)有釷、鈾放射性元素存在，釷元素主要賦存于釷石中，其他稀土礦物中也有存在(表2)。鈾元素僅發(fā)現(xiàn)在富鈾燒綠石礦物中存在。因此多數(shù)放射性異常的分布與稀土礦化有直接關(guān)系，γ值高，稀土總量高，釷、鈾的含量也高。一般而言，稀土總量與釷、鈾含量呈正相關(guān)關(guān)系，但有時測定的γ能譜釷、鈾值較高時，稀土氧化物含量不一定很高(圖2)[9-10]。

表2 礦物釷元素含量

圖2 γ值與TR2O3%，Th%，U%關(guān)系圖

3 儀器及檢查

γ能譜測量是利用γ能譜儀測量巖石或地層及其他介質(zhì)放射性元素某一特定能量的γ射線，從而來測定放射性元素含量的一組方法。近年來，地面γ能譜測量在三稀找礦勘查中應(yīng)用較多。2019年在龍寶山地區(qū)開展γ能譜測量工作中使用的是3臺石家莊核工業(yè)航測遙感中心生產(chǎn)的ARD型便攜式多道γ能譜儀，探測器類型為NaI(T1)探測器，有效尺寸φ75×75，分辨率≤80%。多道分析器譜長操作臺采集時有256道、512道、1024道可選；操作臺安裝操作系統(tǒng)是Android 0S 2.3，GPS導(dǎo)航，可拆卸電池；藍(lán)牙頻段240GHz-2.48GHE，ISM Band；功率等級為Class2(+6dBm)；接收靈敏度為-85dBm。

工作前首先將儀器送至國防科技工業(yè)1313二級計量站進(jìn)行了檢定，以保證設(shè)備的準(zhǔn)確性和一致性。儀器標(biāo)定后，對儀器進(jìn)行本底測定和一致性檢查。本次本底測定采用水中法，單次測量時間120s，測量36次以上，計算各道的平均計數(shù)率，作為該道的放射性本底(表3)。然后對儀器的一致性進(jìn)行檢查，經(jīng)對比,3臺儀器的均方誤差較低，離散程度較小，觀測曲線對應(yīng)良好，在同一點位的觀測值相對誤差均不大于15%，表明本次工作所使用的3臺儀器一致性良好(表4)。

表3 γ能譜儀本底測定結(jié)果

表4 一致性檢查均方誤差統(tǒng)計

工作中要對儀器進(jìn)行野外短期穩(wěn)定性檢查和長期穩(wěn)定性檢查；野外短期穩(wěn)定性檢查每隔一個月進(jìn)行一次，野外長期穩(wěn)定性檢查在每天使用儀器前后進(jìn)行。野外測量過程中發(fā)現(xiàn)異常后立即對儀器電壓及穩(wěn)譜情況進(jìn)行檢查，確定異常的可靠性，并記錄于表格上。工作中未發(fā)現(xiàn)儀器工作異常，所有儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定。

4 工作布置與數(shù)據(jù)的采集和處理

4.1 工作布置

1∶5萬γ能譜測量采用網(wǎng)度500m×100m。測線布置垂直區(qū)內(nèi)主要地層、構(gòu)造、異常長軸及礦化體走向。1∶5000γ能譜剖面測量采用點距20m，異常區(qū)段點距加密至10m。根據(jù)前期工作成果，確定剖面位置，測線布置垂直區(qū)內(nèi)主要地層、構(gòu)造、異常長軸及礦化體走向。測線布置時穿過已知稀土礦體(礦點)或已知放射性異常，并垂直于其長軸。測線點位分布均勻，遇已知礦體、放射性異?；蚬ぷ髦邪l(fā)現(xiàn)異常時加密測點，并重復(fù)測量。測線遇到水庫、陡崖、高大建筑物等區(qū)域時適當(dāng)繞行，但偏移距離在1/4線距內(nèi)。在巖性變化復(fù)雜區(qū)加密布點。對重要的地質(zhì)點和有異議的點位進(jìn)行復(fù)查。

4.2 數(shù)據(jù)采集

本次γ能譜測量采用2人一組，測量時，將探頭直立在比較平坦的基巖露頭或地面上進(jìn)行測量，保證輻射立體角為2π。單次測量時間60s，讀數(shù)1次。遇到異常，檢查儀器電壓及穩(wěn)譜情況，確定為地質(zhì)體引起的異常則重復(fù)測量3次，取平均值，對干擾區(qū)域、特殊地形、地物、地質(zhì)現(xiàn)象、土壤濕度備注記錄。遇下雨立即停止觀測，待土壤干燥后開始工作。當(dāng)日所有工作成果在每天工作結(jié)束后都及時進(jìn)行整理和自互檢。

4.3 數(shù)據(jù)處理

(1)巖(礦)石放射性特征。龍寶山地區(qū)中生代巖體分布區(qū)背景值普遍較高，尤其是東馬山單元石英正長斑巖和崔家溝單元霓輝二長斑巖。東馬山單元石英正長斑巖Th一般為(18～53)×10-6，平均為40.8×10-6，總量一般為(25.5～49.2)×10-6，平均為41.8×10-6。K為1.5%～5.4%。崔家溝單元霓輝二長斑巖Th一般為(16.3～40.9)×10-6，平均為34.7×10-6，總量一般為(15.3～38.6)×10-6，平均為30.5×10-6。寒武紀(jì)灰?guī)r、砂巖分布區(qū)背景值普遍較低，Th和總量一般為20×10-6，K為2%(表5)。

表5 龍寶山地區(qū)巖(礦)石放射性特征

(2)數(shù)據(jù)處理。利用SPSS進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計，采用穩(wěn)健統(tǒng)計方法，逐次剔除測量值小于C0-3S0和測量值大于C0+3S0的點直至合格，然后計算背景值和標(biāo)準(zhǔn)偏差并根據(jù)公式T=C0+kS0計算異常下限(式中：T為異常下限，C0為背景值，S0為標(biāo)準(zhǔn)偏差，k為經(jīng)驗系數(shù)，k一般選用2或3，根據(jù)測區(qū)具體情況而定。計算過程中，C0，S0取2位小數(shù)，T取1位小數(shù))。工區(qū)γ能譜特征參數(shù)見表6。

表6 龍寶山地區(qū)γ能譜特征參數(shù)統(tǒng)計

5 異常解釋推斷

5.1 研究區(qū)γ能譜異常特征

整體來看，龍寶山地區(qū)中部表現(xiàn)為近SN走向的帶狀γ能譜偏高場—高場，局部表現(xiàn)為異常場，與以往航放成果基本對應(yīng)。該帶內(nèi)eU，eTh，K含量普遍較低，僅在調(diào)查區(qū)中部吳家溝村一帶異常較為顯著，而且各道異常存在較好的對應(yīng)關(guān)系。除此以外，自吳家溝村向南北兩側(cè)，放射性強度及異常規(guī)模逐漸減弱，即便是在燕山期巖體或脈巖分布區(qū)域，放射性強度也不是十分突出。結(jié)合該區(qū)地質(zhì)背景分析，該區(qū)寒武系灰?guī)r區(qū)放射性較弱，而燕山期銅石序列東馬山單元石英正長斑巖分布區(qū)放射性較強，是引起該區(qū)放射性異常和稀土礦化的主要因素。γ能譜測量5700剖面圖即可說明這一現(xiàn)象(圖3)。

DL-1異常位于吳家溝村周圍，異常整體大致呈NE走向，長約2.2km，寬400～800m，面積約1.2km2，eU,eTh,K,∑異常套合較好，eTh含量一般(27～55)×10-6，最大值107.0×10-6。該異常受燕山期銅石序列東馬山單元正長斑巖控制，異?？傮w呈啞鈴狀，沿斷裂可劃分為DL-1-1，DL-1-2兩個次級異常。DL-1-1異常位于吳家溝村南，大致呈NE走向，北側(cè)較寬，向南變窄，eTh含量一般(25～70)×10-6，最大值89.1×10-6。異常區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)有①②③⑥⑦⑧⑩號礦體和數(shù)條稀土礦化體。DL-1-2異常位于斷裂以東，吳家溝村東，大致呈NE走向，與正長斑巖分布對應(yīng)良好。eTh含量一般(28～67)×10-6，最大值107.0×10-6。異常區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)有①②③⑥⑦⑧⑩號礦體和多條稀土礦化體。DL-1異常基本位于龍寶山雜巖體內(nèi)，異常范圍內(nèi)已發(fā)現(xiàn)11個稀土礦體和眾多的稀土礦化線索，并存在金礦化，該異常與已知礦體吻合較好，為龍寶山地區(qū)內(nèi)最重要的異常，顯示出較好的找礦前景。

1—張夏組鮞粒灰?guī)r；2—饅頭組頁巖夾灰?guī)r、砂巖；3—朱砂洞組灰?guī)r、白云巖；4—銅石序列東馬山單元石英正長斑巖；5—斷層圖3 研究區(qū)地面γ能譜測量5700剖面圖

1—山前組；2—炒米店組；3—崮山組；4—張夏組；5—饅頭組；6—朱砂洞組；7—李官組；8—崔家溝單元；9—東馬山單元；10—西封山單元；11—榆林單元；12—條花峪單元；13—鈾異常；14—釷異常；15—鉀異常；16—總量異常；17—綜合異常；18—異常編號；19—整合地質(zhì)界線；20—不整合地質(zhì)界線；21—斷裂圖4 龍寶山地區(qū)地面γ能譜測量綜合異常圖

通過本次地面γ能譜測量，在龍寶山地區(qū)圈定eU異常1個，eTh異常3個，K異常1個，∑異常1個(表7)。以eTh含量為主要參考指標(biāo)，在龍寶山地區(qū)圈定綜合異常3個，依次編號為DL-1，DL-2，DL-3(圖4)。

表7 龍寶山地區(qū)各道異常含量特征

DL-2異常位于宋家莊村西南500m處，異常整體呈近SN走向帶狀分布，長約600m，寬200～300m，面積約0.19km2，為單獨的eTh異常，eTh含量一般(25～50)×10-6，最大值71.1×10-6。該異常受東馬山單元正長斑巖控制，中部可能被斷層錯斷。異常尚未查證。DL-3異常位于宋家莊村西北1500m處，異常呈近SN走向帶狀分布，長約600m，寬100～200m，面積約0.11km2，為單eTh異常，eTh含量一般(20～45)×10-6，最大值70.9×10-6。該異常主要為東馬山單元正長斑巖引起，南部受斷裂限制。DL-2，DL-3異常位于龍寶山雜巖體周邊，尚未查證。

5.2 已知礦體上γ能譜剖面解譯

在稀土礦化帶和礦體上，γ能譜各參數(shù)曲線跳躍幅度大，峰值高。Th和總量一般為(50～60)×10-6，高者可達(dá)120×10-6，K一般為7%～9%，最高11.6%。在礦體上曲線反應(yīng)清晰，異常幅值明顯，以Th和總量參數(shù)曲線最為明顯，二者呈同步變化。與稀土礦化強度呈正相關(guān)關(guān)系。從礦區(qū)⑥⑦號礦體地物化聯(lián)合剖面明顯反應(yīng)出這一規(guī)律(圖5、圖6)。

⑥號礦體由TC002探槽控制，巖石類型為構(gòu)造角礫巖，蝕變強烈。根據(jù)TC002探槽分析結(jié)果，礦體厚度34.40m，礦化均勻，連續(xù)性好，稀土氧化物總量一般0.53%～6.88%，最高達(dá)7.27%，礦體平均品位2.77%。其中⑥號礦體西部品位相對較低，為0.53%～3.02%，厚度25.90m；東部礦體品位稍高，為3.31%～7.27%，厚度8.50m。根據(jù)⑥號礦體地質(zhì)-γ能譜剖面圖(圖5)，Th和總量在礦體兩側(cè)測量值相對較低，為(40～50)×10-6；在礦體上為(70～115)×10-6，并明顯反應(yīng)為兩部分，左側(cè)曲線平緩，Th和總量多在(70～80)×10-6之間。右側(cè)則呈現(xiàn)高峰值局部異常，寬約8m，Th和總量最大值分別為115×10-6和102×10-6，標(biāo)明礦體礦化連續(xù)，左側(cè)礦化均勻，而右側(cè)礦化強度高。礦體厚度、化學(xué)分析結(jié)果與γ能譜測量相吻合。另外U曲線與之對應(yīng)也表現(xiàn)為高峰值局部異常，K反應(yīng)不太明顯。

1—石英正長斑巖；2—稀土礦體圖5 龍寶山地區(qū)⑥號礦體地質(zhì)-γ能譜剖面圖

⑦號礦體位于⑥號礦體的北側(cè)，礦體呈脈狀，走向NNE，傾向NWW，傾角68°～86°。根據(jù)⑦號礦體TC001探槽分析結(jié)果，礦體厚度9.71m，品位0.51%～2.81%，平均品位1.06%，礦體圍巖為石英正長斑巖。由地質(zhì)-γ能譜剖面可知(圖6)，Th，K和總量3個參數(shù)呈正相關(guān)同步變化，在礦體上異常幅度明顯，比圍巖上大。剖面上有2個明顯的局部異常，西側(cè)的異常明顯較窄，東側(cè)的局部異常幅值比西側(cè)的局部異常值高，寬度較大。西側(cè)的Th、總量最大值分別為68×10-6，76×10-6，K含量最大值10%，東側(cè)異常Th、總量最大值分別為77×10-6，82×10-6，K含量最大值12.6%。從曲線分析⑦號礦體有2個分支礦體組成，由參數(shù)的大小推測，該礦體的稀土含量應(yīng)與⑥號礦體的西半部相近，這與TC001探槽分析結(jié)果對應(yīng)較好[11-14]。

1—石英正長斑巖；2—稀土礦體圖6 龍寶山地區(qū)⑦號礦體地質(zhì)-γ能譜剖面圖

6 找礦前景分析

(1)根據(jù)龍寶山地區(qū)γ能譜資料分析,本區(qū)航放異常和地面1∶5萬γ能譜異常對應(yīng)較好，并和已發(fā)現(xiàn)的稀土礦體相吻合，顯示了稀土礦化和γ能譜異常有明顯的對應(yīng)關(guān)系。本區(qū)稀土礦體也是在查證放射性異常時發(fā)現(xiàn)的，因此γ能譜測量是稀土找礦的有效手段，因此在以后的龍寶山地區(qū)和周邊地區(qū)的稀土找礦工作中還應(yīng)加強γ能譜測量方法的研究和應(yīng)用。

(2)根據(jù)⑥⑦號礦體的地質(zhì)-γ能譜剖面曲線可知，γ能譜Th值和總量與稀土含量密切相關(guān)，呈正相關(guān)關(guān)系，隨著稀土含量的增大而增高。γ能譜K含量曲線與礦石的K含量呈正相關(guān)，隨著稀土含量的增大而增高。γ能譜局部異常在稀土礦體上具有一定的幅值，與背景場有一定的差異。在龍寶山地區(qū)當(dāng)Th和總量絕對值大于65×10-6，且具有良好的構(gòu)造條件時，即可能有礦體存在。有覆蓋時Th測量值則相應(yīng)降低。由此可見地面γ能譜測量對稀土礦的找礦工作具有良好的指導(dǎo)作用。

(3)目前龍寶山地區(qū)發(fā)現(xiàn)的稀土礦體均分布在1∶5萬γ能譜DL-1綜合異常中，對DL-2，DL-3異常尚未查證。通過進(jìn)一步的γ能譜資料分析和異常的查證，以及對已知稀土礦體的追索勘查，相信會發(fā)現(xiàn)更多和更大規(guī)模的稀土礦體。因此龍寶山地區(qū)稀土找礦潛力較大，前景較好。