地面γ能譜測量在鈮稀土礦勘查中的應(yīng)用

陳 浩, 陳志文, 田 碧, 蔣 臣, 王帥君, 向承業(yè), 陳以春

((湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊,湖北 襄陽 441000)

地面γ能譜測量在鈮稀土礦勘查中的應(yīng)用

陳 浩, 陳志文, 田 碧, 蔣 臣, 王帥君, 向承業(yè), 陳以春

((湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊,湖北 襄陽 441000)

湖北省竹溪地區(qū)的鈮稀土礦多富集于正長巖、正長斑巖、次粗面巖等巖石中,礦體與圍巖界線肉眼難以辨識。為了提高找礦效果,采用地面γ能譜測量這一地球物理勘探方法,通過研究巖(礦)石放射性,以及釷鉀、釷鈾、鈾鉀比值等參數(shù)的特征,圈定了剖面內(nèi)礦化有利地段,為后期找礦工作提供了靶區(qū)。

鈮稀土礦;正長巖;次粗面巖;γ能譜測量;地球物理勘探;釷鉀、釷鈾比值

稀土是國家實(shí)行保護(hù)性開采的特定礦種,是十分寶貴的戰(zhàn)略性資源。近年來中國持續(xù)對稀土礦開采總量進(jìn)行控制,大力推進(jìn)稀土礦開發(fā)整合,積極參與稀土行業(yè)兼并重組,不斷優(yōu)化稀土礦勘查、開采布局,稀土資源精細(xì)化管理水平逐步提高,稀土礦勘查力度一直有增無減。

20世紀(jì)80年代,湖北省竹山地區(qū)發(fā)現(xiàn)廟埡式鈮稀土礦,已查明其具備微弱的碳酸鹽化與相對圍巖較強(qiáng)的放射性[1],受限于當(dāng)時的儀器技術(shù)水平,僅對巖(礦)石的放射性強(qiáng)度做簡單測量,而未對放射性物質(zhì)的種類、組合等做詳細(xì)探討。

2012—2015年湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊承擔(dān)實(shí)施的“湖北竹溪地區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查項目”,開展了1∶5萬水系沉積物測量、1∶5萬地質(zhì)測量等工作,針對本區(qū)鈮稀土礦含礦巖石與廟埡式鈮稀土礦“相似不相同”的特征(二者同為堿性雜巖體,主要礦石礦物的鈮易解石、鈮鐵礦、鈮鈦鐵礦等同為隱晶或微晶,肉眼難以辨識,但碳酸鹽化更為微弱,放射性也較之前者較弱),同時,結(jié)合廟埡式鈮稀土礦各類型礦石礦物組合中普遍存在的鉀長石、獨(dú)居石(Th的主要含礦巖石)等的實(shí)際情況,提出礦石中U、Th、K三種元素含量組合與巖石的含礦性有一定相關(guān)關(guān)系的設(shè)想,由此引入實(shí)施了一種更為有效的地球物理勘探方法——地面γ能譜測量。通過地質(zhì)、化探與該方法的綜合使用,新發(fā)現(xiàn)了野虎寨鈮礦等多處礦產(chǎn)地,對該地區(qū)鈮稀土礦資源勘查起到一定的促進(jìn)作用。

1 地面γ能譜測量方法原理

不同巖石因化學(xué)成分不同,所含放射性物質(zhì)也不盡相同。泥巖地層的粘土礦物中含有的放射性元素主要為鈾(U)、釷(Th)、鉀(K),純砂巖和碳酸鹽的放射性元素含量都比較低,但對于某些滲透性砂巖和碳酸鹽地層,由于水中含有易溶的鈾元素,隨水遷移,在適宜條件下沉淀、富集,形成高放射性滲透層[2]。

對鈾、釷、鉀放射性γ射線能量進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)它們的放射單色γ射線,峰值明顯,易于鑒別。地面γ能譜測量譜段的選擇,如表1。

表1 地面γ能譜測量譜段

地面γ能譜測量可使用便攜式四道γ能譜儀,也可使用便攜式多道γ能譜儀。地面γ能譜儀在投入使用之前應(yīng)對儀器的主要性能進(jìn)行檢查、調(diào)整并校準(zhǔn),尤其是儀器的準(zhǔn)確度、 穩(wěn)定性必須檢查。經(jīng)檢驗合格并獲得有效檢定證書的儀器方可投入使用。

作為兩竹地區(qū)鈮稀土礦賦礦層位的堿性巖體(次粗面巖、粗面斑巖、正長巖等,見表2),存在較強(qiáng)的放射性,其鈾、釷、鉀三種元素的含量及總道計數(shù)率值與測區(qū)出露的一套淺變質(zhì)巖、沉積巖、沖洪積物等存在顯著的差異,大致高出50%～100%,這形成了良好的地球物理勘探前提,可以較為準(zhǔn)確地劃分出可能的含礦巖體,然后根據(jù)巖石中U、Th、K這三種天然放射性元素含量值,通過多參數(shù)組合進(jìn)行微弱信息增強(qiáng)和提取,就可以獲得豐富的地質(zhì)勘探信息,從而將堿性巖體中鈮稀土礦的礦(化)體與圍巖區(qū)分開來,為后期找礦工作提供依據(jù)。

表2 測區(qū)主要巖性鈾、釷、鉀含量背景值一覽表

2 地面γ能譜測量在勘查工作中的運(yùn)用

本次測量位于竹溪地區(qū),選用北京核工業(yè)地質(zhì)研究院生產(chǎn)的HD-2002四道γ能譜儀。儀器技術(shù)指標(biāo)為:射線能量閾(≤40 keV),對137Cs的0.661 MeV能量峰的分辨率≤12%。靈敏度:鈾、釷當(dāng)量含量為0.1×10-6eU,鉀為0.1%。γ射線能量在3MeV以內(nèi),能量非線性<0.5%;工作環(huán)境:-20～+50 ℃,相對濕度<85%。

2.1 剖面Ⅰγ能譜測量

剖面Ⅰ采用20 m點(diǎn)距(工作比例尺1∶5 000),測線總體方位41°(圖1)。測量物理點(diǎn)179個,數(shù)據(jù)屬性如表3所示。

表3 剖面Ⅰγ能譜測量主要原始參數(shù)表

注:鉀元素的含量范圍單位為%。

由圖1和表3可以看出:

(1) 各類巖石CPS值由低到高依次為:含碳泥質(zhì)板巖,絹云母化含碳泥質(zhì)板巖,含碳硅質(zhì)板巖,炭質(zhì)板巖(夾石煤),這四種巖石測量值近似,合并統(tǒng)計其計數(shù)率范圍為145.05～341.38,常見值約209.04,在炭質(zhì)板巖附近計數(shù)率曲線常呈較小的“凸起狀”,由此認(rèn)為計數(shù)率(CPS)值大致隨炭質(zhì)含量升高而升高。

圖1 剖面Ⅰγ能譜測量、地質(zhì)綜合剖面圖Fig.1 Comprehensive geological section map and ground gamma spectrometry about profile Ⅰ

圖2 剖面Ⅱγ能譜測量、地質(zhì)綜合剖面圖

輝綠玢巖計數(shù)率范圍161.3～316.21,常見值約224.3,輝綠玢巖計數(shù)率值較之圍巖偏低,輝綠玢巖產(chǎn)出區(qū)段常在計數(shù)率曲線上呈“凹陷狀”。

次粗面巖計數(shù)率范圍為118.94～473.86,常見值約255.4;正長巖、正長斑巖與褐鐵礦化正長斑巖數(shù)據(jù)近似,計數(shù)率范圍445.68～473.86,常見值約455.74,剖面極大值即位于該區(qū)段。

(2) 在總計數(shù)率(CPS)曲線上,13～20號點(diǎn)可見一相對高值區(qū),范圍247.69～465.08,極大值位于16號點(diǎn),該處巖性主要為次粗面巖,且該異常區(qū)段計數(shù)率值不穩(wěn)定,呈鋸齒狀,應(yīng)由該處局部的強(qiáng)風(fēng)化(低計數(shù)率值)引起;29～35號點(diǎn)可見一相對高值區(qū),范圍279.46～473.86,極大值位于31號點(diǎn),該處巖性為正長(斑)巖。

此外,在106號點(diǎn)存在一孤立高值點(diǎn),計數(shù)率為454.08,該處巖性為次粗面巖。

2.2 剖面Ⅱγ能譜測量

剖面Ⅱγ能譜剖面測量采用40 m點(diǎn)距(工作比例尺1∶5 000),共采集185個物理點(diǎn)。通過對物探剖面測量結(jié)果統(tǒng)計分析,結(jié)合地質(zhì)剖面測量成果,本條剖面地球物理特征如表4所示。

表4 剖面Ⅱγ能譜測量主要原始參數(shù)表

注:鉀元素的含量范圍單位為%。

綜合地質(zhì)剖面信息(圖2),可以得出以下初步結(jié)論:

(1) 次粗面巖總計數(shù)率(CPS)常見變化范圍在212.25～250.566之間,最大值為434.549;粗面斑巖總計數(shù)率(CPS)常見變化范圍在221.55～302.666之間,最大值為368.933;輝斑輝綠玢巖總計數(shù)率常見變化范圍在113.316～201.35之間,最大值為301.176;泥質(zhì)板巖總計數(shù)率(CPS)常見變化范圍在149.883～187.433之間,最大值214.233。

(2) 從總計數(shù)率曲線上看,17～24號點(diǎn)之間存在一相對高值區(qū),范圍為273.799～434.549,極大值出現(xiàn)在19號點(diǎn),該高值區(qū)位于次粗面巖和粗面斑巖接觸部位,19號點(diǎn)的鈾含量、釷含量均較高,推測為尋找稀土礦有利區(qū)段。

2.3 綜合分析

由表3、表4可以看出,計數(shù)率極大值與釷元素含量極大值對應(yīng)較好,鈾元素次之,鉀元素極大值所對應(yīng)巖性及位置相對計數(shù)率值均有較大差異。

由剖面Ⅰ、Ⅱ(圖1、圖2)可以看出,具鈮礦化處巖性正長巖、正長斑巖、次粗面巖等測得的計數(shù)率值顯著大于圍巖,且計數(shù)率值極大值與鈮礦(化)體存在著明顯的對應(yīng)關(guān)系。區(qū)段狀或孤立點(diǎn)狀,均能較好地反映鈮礦(化)體位置,并可將計數(shù)率值≥350近似作為鈮礦(化)的邊界品位(Nb含量350 μg/g,或者Nb2O5含量0.05%,下同)的指示經(jīng)驗界線。

值得一提的是,在HD-2002四道γ能譜儀的測量過程中,可以實(shí)時讀出總道計數(shù)率值,這無疑對野外工作提供了極大的便利,對于計數(shù)率值≥350,且釷元素含量較高(≥47 μg/g,見圖3、圖4)的區(qū)段加強(qiáng)觀察與追索并取樣,對于異常較為連續(xù)的部位可布設(shè)工程加以驗證。

3 定量解釋分析

交會圖(cross plot)廣泛應(yīng)用于石油勘探,多作為一種測井資料的作圖解釋技術(shù),它把兩種測井?dāng)?shù)據(jù)在平面圖上交會,根據(jù)交會點(diǎn)坐標(biāo)定出所求參數(shù)的數(shù)值或范圍,以確定巖性、孔隙度和含油氣飽和度等。例如,電阻率測井求得的電阻率與孔隙度測井測得的孔隙度交會圖,可以求出含油飽和度;中子測井孔隙度與密度測井孔隙度的交會圖可以判斷巖性,等等[3]。

本文借鑒這一石油勘探資料解釋方法,制作了釷鉀交會圖和釷鈾交會圖,以求對鈮稀土礦礦化層的地球物理特征有更為深入的了解,并做出較為準(zhǔn)確的定量解釋。

3.1 釷鉀交會圖

由釷鉀交會圖(圖3)可以看出,高值部分主要集中于Th/K1.05～5.59范圍內(nèi),其中Th/K1.05～1.56范圍內(nèi)高值為7個,低值為8個,各占約50%,這一部分為鈮礦(化)體與圍巖接觸位置附近,Th/K>1.56范圍內(nèi)低值僅1個,可認(rèn)為Th/K≥1.56為鈮元素邊界品位的絕對界線。

圖3 鈮礦化主要巖性釷鉀交會圖Fig.3 Cross plot of main lithology uranium and thorium about niobium mineralization

同時結(jié)合釷、鉀元素的單元素含量,達(dá)鈮元素邊界品位巖石的特征值(超過總量的80%)服從關(guān)系式①(其中,Th/K單位為1,Th、K單位為μg/g,下同)。

①

3.2 釷鈾交會圖

由釷鈾交會圖(圖4)可以看出,具鈮礦化主要巖性:正長巖、正長斑巖、次粗面巖等Th/U均位于0.56～1.93范圍內(nèi)。高值部分Th/U均位于0.98～1.93范圍內(nèi),低值部分亦有約60%位于該區(qū)域,該單一特征值分界不明顯。

結(jié)合釷、鈾單元素含量發(fā)現(xiàn),在圖4中釷元素含量≥46.2 μg/g為高值分界,以此可得出達(dá)鈮元素邊界品位巖石的特征值(涵蓋超過總量的80%高值)關(guān)系式②。

②

圖4 鈮礦化主要巖性釷鈾交會圖Fig.4 Cross plot of main lithology uranium and thorium about niobium mineralization

3.3 綜合分析

結(jié)合圖3、圖4可以看出,釷鉀交會圖、釷鈾交會圖對達(dá)鈮元素邊界品位巖石分辨率均較好,其中釷鈾交會圖對鈮元素含量較低(低于邊界品位)的巖性分辨率較高,其大致服從關(guān)系式③(超過低值總量98%)。

③

同時結(jié)合關(guān)系式①、②,可以得到達(dá)鈮元素邊界品位巖石的特征值總關(guān)系式④。

④

4 結(jié)語

在本次地面γ能譜測量工作中(在總道計數(shù)率曲線上),剖面Ⅰ的13～20號點(diǎn)、29～35號點(diǎn)、31號點(diǎn)、106號點(diǎn),剖面Ⅱ的17～24號點(diǎn),均可見孤立或者集中分布的高值點(diǎn),CPS范圍247.69～473.86,其對應(yīng)巖性均為次粗面巖、粗面斑巖、正長巖、正長斑巖等堿性巖,經(jīng)化學(xué)分析,各對應(yīng)區(qū)段原生暈化學(xué)分析結(jié)果均>0.05%的邊界品位(Nb2O5含量,下同),最高達(dá)0.09%,已滿足最低工業(yè)品位0.08%的要求,以此初步確定堿性巖中,鈮礦化達(dá)邊界品位巖石的區(qū)分界線——總道計數(shù)率值≥350。值得一提的是,該參數(shù)經(jīng)測量可以在儀器面板上直接讀出,這無疑可以大大縮減圈定找礦靶區(qū)的周期。

同時,通過繪制鈮礦化主要巖性的釷鉀、釷鈾交會圖,對含礦巖石的特征值作出定量解譯,即參照《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊》,以Nb2O5邊界品位0.05%為界,在次粗面巖、粗面斑巖、正長巖、正長斑巖等堿性巖中,Nb2O5含量較低的巖石特征值關(guān)系滿足式⑤,Nb2O5含量較高的巖石特征值關(guān)系滿足式⑥。

⑤

⑥

在地質(zhì)勘查級別較低的此類礦區(qū),工程控制程度往往不高,依據(jù)上述關(guān)系式,結(jié)合現(xiàn)有工程與面積性地面γ能譜測量成果,可以較為準(zhǔn)確地做出礦體圈定。

本文是將石油勘探的一種成熟方法在鈮稀土礦勘查中的新應(yīng)用與探索,目前還存在一些未解的問題。如測區(qū)內(nèi)存在一類含礦巖石,鉀長石斑晶含量5%～10%,局部達(dá)15%,約占測區(qū)礦石總量的7%,但是在這一套含礦堿性巖中,K元素的分布極為離散(圖3)。對這一現(xiàn)象本方法尚缺乏有力論證,在以后的工作中應(yīng)結(jié)合地質(zhì)、化探等方法作進(jìn)一步綜合研究,以解決該難題。

此外,由于本次工作范圍有限,采集數(shù)據(jù)量不大,如果數(shù)據(jù)更加豐富,則能更加準(zhǔn)確地對富鈮巖石作出定量解釋。

[1] 馬玉興,朱惠明,顧同瑚,等.湖北省竹山縣廟埡鈮、稀土礦區(qū)詳查—初勘地質(zhì)報告[R].襄陽:湖北省第五地質(zhì)大隊,1981.

[2] 陳道公,支霞臣,楊海濤.地球化學(xué)[M].第2版.合肥:中國科技大學(xué)出版社,2009.

[3] 宋延杰,陳科貴,王向公.地球物理測井[M].北京:石油工業(yè)出版社,2011.

(責(zé)任編輯：陳文寶)

The Application of Ground Gamma Spectrometry in Niobium-RareEarth Ore Prospecting

CHEN Hao, CHEN Zhiwen, TIAN Bi, JIANG Chen, WANG Shuaijun, XIANG Chengye, CHEN Yichun

(EighthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Xiangyang,Hubei441000)

Niobium-rare earth ore is mainly rich in syenite,syenite porphyry,subtrachyte etc,in Zhuxi Area. Since the ores could not be differentiated just with naked eye for an available and convenient way to distinguish the both the authors introduce one method of geophysical exploration-ground gamma spectrometry. By measuring of the content of uranium,thorium,potassium in rock,and researching on its radioactivity,the ratio between uranium,thorium and potassium,they successfully divide ores and wall rocks in cross section,and provide several prospecting targets for the further exploration.

NB rare earth ore; syenite; subtrachyte; ground gamma spectrometry; geophysical exploration; the ratio between thorium and kalium; the ratio between thorium and uranium

2016-08-29;改回日期:2016-10-13

陳浩(1985-),男,工程師,地球物理學(xué)專業(yè),從事地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作。E-mail:357822435@qq.com

P631.6+22; P618.79

A

1671-1211(2016)06-0994-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.037

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161108.1512.004.html 數(shù)字出版日期:2016-11-08 15:12