地面γ能谱测量在铌稀土矿勘查中的应用

陈 浩, 陈志文, 田 碧, 蒋 臣, 王帅君, 向承业, 陈以春

((湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441000)

地面γ能谱测量在铌稀土矿勘查中的应用

陈 浩, 陈志文, 田 碧, 蒋 臣, 王帅君, 向承业, 陈以春

((湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441000)

湖北省竹溪地区的铌稀土矿多富集于正长岩、正长斑岩、次粗面岩等岩石中,矿体与围岩界线肉眼难以辨识。为了提高找矿效果,采用地面γ能谱测量这一地球物理勘探方法,通过研究岩(矿)石放射性,以及钍钾、钍铀、铀钾比值等参数的特征,圈定了剖面内矿化有利地段,为后期找矿工作提供了靶区。

铌稀土矿;正长岩;次粗面岩;γ能谱测量;地球物理勘探;钍钾、钍铀比值

稀土是国家实行保护性开采的特定矿种,是十分宝贵的战略性资源。近年来中国持续对稀土矿开采总量进行控制,大力推进稀土矿开发整合,积极参与稀土行业兼并重组,不断优化稀土矿勘查、开采布局,稀土资源精细化管理水平逐步提高,稀土矿勘查力度一直有增无减。

20世纪80年代,湖北省竹山地区发现庙垭式铌稀土矿,已查明其具备微弱的碳酸盐化与相对围岩较强的放射性[1],受限于当时的仪器技术水平,仅对岩(矿)石的放射性强度做简单测量,而未对放射性物质的种类、组合等做详细探讨。

2012—2015年湖北省地质局第八地质大队承担实施的“湖北竹溪地区矿产地质调查项目”,开展了1∶5万水系沉积物测量、1∶5万地质测量等工作,针对本区铌稀土矿含矿岩石与庙垭式铌稀土矿“相似不相同”的特征(二者同为碱性杂岩体,主要矿石矿物的铌易解石、铌铁矿、铌钛铁矿等同为隐晶或微晶,肉眼难以辨识,但碳酸盐化更为微弱,放射性也较之前者较弱),同时,结合庙垭式铌稀土矿各类型矿石矿物组合中普遍存在的钾长石、独居石(Th的主要含矿岩石)等的实际情况,提出矿石中U、Th、K三种元素含量组合与岩石的含矿性有一定相关关系的设想,由此引入实施了一种更为有效的地球物理勘探方法——地面γ能谱测量。通过地质、化探与该方法的综合使用,新发现了野虎寨铌矿等多处矿产地,对该地区铌稀土矿资源勘查起到一定的促进作用。

1 地面γ能谱测量方法原理

不同岩石因化学成分不同,所含放射性物质也不尽相同。泥岩地层的粘土矿物中含有的放射性元素主要为铀(U)、钍(Th)、钾(K),纯砂岩和碳酸盐的放射性元素含量都比较低,但对于某些渗透性砂岩和碳酸盐地层,由于水中含有易溶的铀元素,随水迁移,在适宜条件下沉淀、富集,形成高放射性渗透层[2]。

对铀、钍、钾放射性γ射线能量进行测定,发现它们的放射单色γ射线,峰值明显,易于鉴别。地面γ能谱测量谱段的选择,如表1。

表1 地面γ能谱测量谱段

地面γ能谱测量可使用便携式四道γ能谱仪,也可使用便携式多道γ能谱仪。地面γ能谱仪在投入使用之前应对仪器的主要性能进行检查、调整并校准,尤其是仪器的准确度、 稳定性必须检查。经检验合格并获得有效检定证书的仪器方可投入使用。

作为两竹地区铌稀土矿赋矿层位的碱性岩体(次粗面岩、粗面斑岩、正长岩等,见表2),存在较强的放射性,其铀、钍、钾三种元素的含量及总道计数率值与测区出露的一套浅变质岩、沉积岩、冲洪积物等存在显著的差异,大致高出50%～100%,这形成了良好的地球物理勘探前提,可以较为准确地划分出可能的含矿岩体,然后根据岩石中U、Th、K这三种天然放射性元素含量值,通过多参数组合进行微弱信息增强和提取,就可以获得丰富的地质勘探信息,从而将碱性岩体中铌稀土矿的矿(化)体与围岩区分开来,为后期找矿工作提供依据。

表2 测区主要岩性铀、钍、钾含量背景值一览表

2 地面γ能谱测量在勘查工作中的运用

本次测量位于竹溪地区,选用北京核工业地质研究院生产的HD-2002四道γ能谱仪。仪器技术指标为:射线能量阈(≤40 keV),对137Cs的0.661 MeV能量峰的分辨率≤12%。灵敏度:铀、钍当量含量为0.1×10-6eU,钾为0.1%。γ射线能量在3MeV以内,能量非线性<0.5%;工作环境:-20～+50 ℃,相对湿度<85%。

2.1 剖面Ⅰγ能谱测量

剖面Ⅰ采用20 m点距(工作比例尺1∶5 000),测线总体方位41°(图1)。测量物理点179个,数据属性如表3所示。

表3 剖面Ⅰγ能谱测量主要原始参数表

注:钾元素的含量范围单位为%。

由图1和表3可以看出:

(1) 各类岩石CPS值由低到高依次为:含碳泥质板岩,绢云母化含碳泥质板岩,含碳硅质板岩,炭质板岩(夹石煤),这四种岩石测量值近似,合并统计其计数率范围为145.05～341.38,常见值约209.04,在炭质板岩附近计数率曲线常呈较小的“凸起状”,由此认为计数率(CPS)值大致随炭质含量升高而升高。

图1 剖面Ⅰγ能谱测量、地质综合剖面图Fig.1 Comprehensive geological section map and ground gamma spectrometry about profile Ⅰ

图2 剖面Ⅱγ能谱测量、地质综合剖面图

辉绿玢岩计数率范围161.3～316.21,常见值约224.3,辉绿玢岩计数率值较之围岩偏低,辉绿玢岩产出区段常在计数率曲线上呈“凹陷状”。

次粗面岩计数率范围为118.94～473.86,常见值约255.4;正长岩、正长斑岩与褐铁矿化正长斑岩数据近似,计数率范围445.68～473.86,常见值约455.74,剖面极大值即位于该区段。

(2) 在总计数率(CPS)曲线上,13～20号点可见一相对高值区,范围247.69～465.08,极大值位于16号点,该处岩性主要为次粗面岩,且该异常区段计数率值不稳定,呈锯齿状,应由该处局部的强风化(低计数率值)引起;29～35号点可见一相对高值区,范围279.46～473.86,极大值位于31号点,该处岩性为正长(斑)岩。

此外,在106号点存在一孤立高值点,计数率为454.08,该处岩性为次粗面岩。

2.2 剖面Ⅱγ能谱测量

剖面Ⅱγ能谱剖面测量采用40 m点距(工作比例尺1∶5 000),共采集185个物理点。通过对物探剖面测量结果统计分析,结合地质剖面测量成果,本条剖面地球物理特征如表4所示。

表4 剖面Ⅱγ能谱测量主要原始参数表

注:钾元素的含量范围单位为%。

综合地质剖面信息(图2),可以得出以下初步结论:

(1) 次粗面岩总计数率(CPS)常见变化范围在212.25～250.566之间,最大值为434.549;粗面斑岩总计数率(CPS)常见变化范围在221.55～302.666之间,最大值为368.933;辉斑辉绿玢岩总计数率常见变化范围在113.316～201.35之间,最大值为301.176;泥质板岩总计数率(CPS)常见变化范围在149.883～187.433之间,最大值214.233。

(2) 从总计数率曲线上看,17～24号点之间存在一相对高值区,范围为273.799～434.549,极大值出现在19号点,该高值区位于次粗面岩和粗面斑岩接触部位,19号点的铀含量、钍含量均较高,推测为寻找稀土矿有利区段。

2.3 综合分析

由表3、表4可以看出,计数率极大值与钍元素含量极大值对应较好,铀元素次之,钾元素极大值所对应岩性及位置相对计数率值均有较大差异。

由剖面Ⅰ、Ⅱ(图1、图2)可以看出,具铌矿化处岩性正长岩、正长斑岩、次粗面岩等测得的计数率值显著大于围岩,且计数率值极大值与铌矿(化)体存在着明显的对应关系。区段状或孤立点状,均能较好地反映铌矿(化)体位置,并可将计数率值≥350近似作为铌矿(化)的边界品位(Nb含量350 μg/g,或者Nb2O5含量0.05%,下同)的指示经验界线。

值得一提的是,在HD-2002四道γ能谱仪的测量过程中,可以实时读出总道计数率值,这无疑对野外工作提供了极大的便利,对于计数率值≥350,且钍元素含量较高(≥47 μg/g,见图3、图4)的区段加强观察与追索并取样,对于异常较为连续的部位可布设工程加以验证。

3 定量解释分析

交会图(cross plot)广泛应用于石油勘探,多作为一种测井资料的作图解释技术,它把两种测井数据在平面图上交会,根据交会点坐标定出所求参数的数值或范围,以确定岩性、孔隙度和含油气饱和度等。例如,电阻率测井求得的电阻率与孔隙度测井测得的孔隙度交会图,可以求出含油饱和度;中子测井孔隙度与密度测井孔隙度的交会图可以判断岩性,等等[3]。

本文借鉴这一石油勘探资料解释方法,制作了钍钾交会图和钍铀交会图,以求对铌稀土矿矿化层的地球物理特征有更为深入的了解,并做出较为准确的定量解释。

3.1 钍钾交会图

由钍钾交会图(图3)可以看出,高值部分主要集中于Th/K1.05～5.59范围内,其中Th/K1.05～1.56范围内高值为7个,低值为8个,各占约50%,这一部分为铌矿(化)体与围岩接触位置附近,Th/K>1.56范围内低值仅1个,可认为Th/K≥1.56为铌元素边界品位的绝对界线。

图3 铌矿化主要岩性钍钾交会图Fig.3 Cross plot of main lithology uranium and thorium about niobium mineralization

同时结合钍、钾元素的单元素含量,达铌元素边界品位岩石的特征值(超过总量的80%)服从关系式①(其中,Th/K单位为1,Th、K单位为μg/g,下同)。

①

3.2 钍铀交会图

由钍铀交会图(图4)可以看出,具铌矿化主要岩性:正长岩、正长斑岩、次粗面岩等Th/U均位于0.56～1.93范围内。高值部分Th/U均位于0.98～1.93范围内,低值部分亦有约60%位于该区域,该单一特征值分界不明显。

结合钍、铀单元素含量发现,在图4中钍元素含量≥46.2 μg/g为高值分界,以此可得出达铌元素边界品位岩石的特征值(涵盖超过总量的80%高值)关系式②。

②

图4 铌矿化主要岩性钍铀交会图Fig.4 Cross plot of main lithology uranium and thorium about niobium mineralization

3.3 综合分析

结合图3、图4可以看出,钍钾交会图、钍铀交会图对达铌元素边界品位岩石分辨率均较好,其中钍铀交会图对铌元素含量较低(低于边界品位)的岩性分辨率较高,其大致服从关系式③(超过低值总量98%)。

③

同时结合关系式①、②,可以得到达铌元素边界品位岩石的特征值总关系式④。

④

4 结语

在本次地面γ能谱测量工作中(在总道计数率曲线上),剖面Ⅰ的13～20号点、29～35号点、31号点、106号点,剖面Ⅱ的17～24号点,均可见孤立或者集中分布的高值点,CPS范围247.69～473.86,其对应岩性均为次粗面岩、粗面斑岩、正长岩、正长斑岩等碱性岩,经化学分析,各对应区段原生晕化学分析结果均>0.05%的边界品位(Nb2O5含量,下同),最高达0.09%,已满足最低工业品位0.08%的要求,以此初步确定碱性岩中,铌矿化达边界品位岩石的区分界线——总道计数率值≥350。值得一提的是,该参数经测量可以在仪器面板上直接读出,这无疑可以大大缩减圈定找矿靶区的周期。

同时,通过绘制铌矿化主要岩性的钍钾、钍铀交会图,对含矿岩石的特征值作出定量解译,即参照《矿产资源工业要求手册》,以Nb2O5边界品位0.05%为界,在次粗面岩、粗面斑岩、正长岩、正长斑岩等碱性岩中,Nb2O5含量较低的岩石特征值关系满足式⑤,Nb2O5含量较高的岩石特征值关系满足式⑥。

⑤

⑥

在地质勘查级别较低的此类矿区,工程控制程度往往不高,依据上述关系式,结合现有工程与面积性地面γ能谱测量成果,可以较为准确地做出矿体圈定。

本文是将石油勘探的一种成熟方法在铌稀土矿勘查中的新应用与探索,目前还存在一些未解的问题。如测区内存在一类含矿岩石,钾长石斑晶含量5%～10%,局部达15%,约占测区矿石总量的7%,但是在这一套含矿碱性岩中,K元素的分布极为离散(图3)。对这一现象本方法尚缺乏有力论证,在以后的工作中应结合地质、化探等方法作进一步综合研究,以解决该难题。

此外,由于本次工作范围有限,采集数据量不大,如果数据更加丰富,则能更加准确地对富铌岩石作出定量解释。

[1] 马玉兴,朱惠明,顾同瑚,等.湖北省竹山县庙垭铌、稀土矿区详查—初勘地质报告[R].襄阳:湖北省第五地质大队,1981.

[2] 陈道公,支霞臣,杨海涛.地球化学[M].第2版.合肥:中国科技大学出版社,2009.

[3] 宋延杰,陈科贵,王向公.地球物理测井[M].北京:石油工业出版社,2011.

(责任编辑：陈文宝)

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

陈浩(1985-),男,工程师,地球物理学专业,从事地质矿产勘查工作。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

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161108.1512.004.html 数字出版日期:2016-11-08 15:12