便携式X荧光元素分析法在浅覆盖区萤石矿勘查中的应用与分析<br/>——以内蒙古乌力吉敖包萤石矿为例

便携式X荧光元素分析法在浅覆盖区萤石矿勘查中的应用与分析
——以内蒙古乌力吉敖包萤石矿为例

2018-11-02李欣宇韦绍裔王良坤

物探化探计算技术 2018年5期

李欣宇，邹灏，张强，韦绍裔，王良坤，张燕, 杨坚

(1.成都理工大学地球科学学院，成都 610059；2.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵阳 550081；3.中国科学院大学，北京 100049；4.构造成矿成藏国土资源部重点实验室，成都 610059;5.中国地质大学(武汉) 资源学院，武汉 430074)

0 引言

萤石作为一种重要的战略性非金属矿产，被广泛应用于冶炼、玻璃、陶瓷等工业[1]。内蒙古地区不同规模的断裂构造和岩浆活动分布广泛，为我国萤石矿产的重要产出区。草原面积广大且地形平坦，但草场覆盖严重导致矿体绝大部分处在较浅的隐伏状态，找矿工作难以开展，对于高效率的找矿方法方面还在不断探索中，需开展多次现场验证与效果分析。

X荧光元素分析技术早先应用于野外取样带回分析，根据元素异常开展进一步找矿工作。方乙、张鹏等[2-3]利用便携式X荧光元素分析仪在内蒙古赤峰市林西地区进行萤石勘查工作，证明了其应用的有效性；赵春江等[4]采用携带式X荧光仪对土壤样品进行测量，有效地发现隐伏花岗岩铀矿异常。随着X荧光技术的发展，现场X荧光元素分析技术取得较大进展，精度方面也在不断提高，有望成为浅层覆盖区找矿的有利手段。

笔者以内蒙古乌力吉敖包萤石矿为例，利用便携式X荧光元素分析仪对浅层覆盖区进行野外实地测量与后期成图，并与矿区的实际情况进行对比，再结合甚低频电磁法的勘查情况进行综合分析，总结和评价便携式X荧光元素分析仪在矿产勘查中的效果。

图1 区域构造地质图及矿区地质图Fig.1 Geological map of regional tectonics and sketch of fluorite deposit(a)研究区大地构造位置；(b)研究区区域地质图；(c)矿区地质图

1 地质概况

1.1 大地构造背景

乌力吉敖包萤石矿位于西伯利亚板块东南大陆边缘增生带附近，与华北板块西北部大陆边缘增生带的交界部位(图1(a))，二连浩特-贺根山深大断裂附近[5]。主要出露中、新生代地层，其中侏罗纪、白垩纪和新近纪地层分布广泛，部分被第四系覆盖(图1(b))。燕山时期主要发育杂色陆源碎屑岩，受太平洋板块挤压作用的影响，在中侏罗世形成较多的小型断陷盆地和山间盆地，其中较大型的断裂周围广泛分布小规模断裂，后沿霍林河-乌兰浩特一带发育小规模火山活动，地层发生抬升剥蚀；晚侏罗世至早白垩世火山活动强烈，导致大量断裂、褶皱的发育和频繁的火山岩浆活动。燕山期的构造和岩浆作用在该区域形成多条地壳和超壳断裂[6]，存在大量岩浆和汽水热液上涌现象，伴有铜、铅、锌、萤石和稀土等矿产的形成，对于萤石的成矿条件十分有利。后期又发生抬升作用，地形平坦开阔，找矿前景巨大。

1.2 矿区地质特征

图2 萤石矿体与矿石特征Fig.2 The characteristics of fluorite ore deposit and mineral(a)斜井下矿脉；(b)、(c)萤石与围岩界限；(d)钻探岩心；(e)、(f)萤石矿石

工作区属于滨太平洋构造域，区内褶皱不发育，小规模断裂较多，构造迹线呈NNE向。主要发育中酸性火山岩、火山碎屑岩夹火山碎屑沉积岩建造，侵入岩不发育，地层主要为下白垩统白音高老组(K1b)，岩性主要为晶屑熔结凝灰岩，SHRIMP年龄为133 Ma ～ 129 Ma[7]；西北和西南地区可见第四系全新统(Qhl)，主要为冲积亚砂土和湖泊堆积淤泥等。矿区内草场大面积覆盖，覆盖物的成分主要为细砂和粘土，深度2 m～10 m不等，属于浅层覆盖区，部分地表出现零星萤石矿化，风化严重。

1.3 矿床地质特征

萤石矿体赋存在下白垩统白音高老组(K1b)晶屑熔结凝灰岩中，受断裂控制明显；根据前期主、微量元素分析工作和流体包裹体岩相学特征，已知该矿床的成因类型为浅成低温热液裂隙充填型矿床。该矿区已经进行了探槽和钻探工程，并有一口斜井垂直地面深度为50 m，内部见数米宽萤石矿脉(图2(a))，基本确定了区内萤石矿脉的分布与规模，但未投入开采，除少量局部已复垦的探槽工程，绝大部分地表处于自然风化或沉积状态。矿区内部共发现有4条萤石矿体(图1(c)和表1)：中部矿体(Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ)呈N-S走向，倾角45 °～ 65°，矿体厚度约3.7 m～ 4.5 m；矿区东部矿体(Ⅳ)呈N-S至NNE-SSW走向，倾角61° ～ 64°，矿体厚度约4.6 m；矿体呈似层状-透镜状产出，夹有大量凝灰岩角砾，呈现由断裂带中间向两端尖灭的形态，与围岩界限明显(图2(b), 图2(c))。矿石成分主要为萤石和凝灰岩(图2(e), 图2(f))，含少量石英、高岭土和蛋白石等。萤石主要呈脉状、条带状和负角砾状(图2(a), 图2(d), 图2(f))，颜色为紫色(图2(e))、绿色(图2(f))、白色和黄褐色等，伴随有一定的硅化(石英和蛋白石化)、高岭土化和褐铁矿化。围岩蚀变以硅化和高岭土化为主，其次发育绢云母化，蚀变具分带性。

表1 萤石矿脉形态特征

2 发展及工作原理

2.1 发展状况

X荧光元素分析技术最早发展于20世纪50年代末至60年代初期，其物理基础是基于近代原子物理学中的“莫塞莱定律”，其特征X射线的能量和强度与测试样品中所含元素的种类和含量有关，通过测定的特征X射线能量和强度就能实现对元素的定性、定量分析[8-9]。现场X射线荧光分析方法的准确度一般均逊于室内大型分析仪器和化学分析方法，这也是现场X射线荧光分析仪器和方法技术不断改进和完善的技术目标，但便携式X荧光元素分析仪具有携带方便、分析速度快(1min左右)、分析范围广(主量、微量元素)和测量对象多(岩石、矿石、土壤等)的特点，被广泛应用于地质矿产勘查中现场多元素快速分析和环境污染调查中有毒有害元素的快速分析等多个领域[10-14]。

2.2 工作原理

X射线荧光，是高能量子与原子发生相互作用的产物。当X射线照射样品时，其中原子的外层电子从高能层跃迁至K或L的低能壳层空间，并以辐射出X射线的形式释放能量，其释放的能量等于跃迁能级间的能量之差，由于不同原子的能层不同，因此释放的能量也不同，称为元素的特征X射线。X射线的能量Ex与原子序数Z的平方成正比。因此，特征X射线的能量可确定发出X射线的元素[15]。而在一般情况下，样品中元素的特征X射线强度与元素含量成正比，据此通过对样品中某种元素特征X射线强度的测量，便可得知该元素的含量[8-9]。

便携式X荧光元素分析仪对诸多元素存在较好的定性和定量分析能力，通过研究区野外实地测量和室内计算机数据处理成图，可迅速圈定元素异常区域，为区域性特定元素异常分析的重要测量设备。

3 勘查应用

3.1 前期踏勘及工程布置

研究区面积约为3 km2，平坦开阔，地形起伏较小，全区被草原植被覆盖(图3(a))，覆盖层平均厚度约为7 cm，淋溶层平均厚度约为25 cm，淀积层平均厚度一般在20 cm以上；土壤分层因地势情况存在一定厚度差异，局部地势较高区域基岩(凝灰岩)直接裸露于地表且风化严重。岩石露头可见断裂破碎带或节理(图3(c))，部分裂隙中出现少量萤石矿化(图3(b))，构造迹线呈N至NNE向(图3(d))，符合现场X荧光元素分析法的应用条件。

图3 萤石矿化及构造情况Fig.3 The fluorite features of the mineralization and structure(a)探槽工程；(b)萤石矿化节理；(c)地表节理与萤石矿化;(d)主要断裂破碎面

本次勘查工作采用成都理工大学研制的第三代便携式X射线荧光光谱仪IED-2000T，主要由主机和探头构成。主机运行Windows掌机操作系统并嵌入GPS导航芯片，探头为电致冷Si-PIN半导体探测器。该仪器具可自动计算多种目标元素的含量，有高水平的野外现场数据采集、分析和处理能力；通过无线技术连接，操作界面简洁明了，在野外使用方便快捷。具有原位、快速、无损的多元素同时测定的特点，应用领域广泛[16]。

根据研究区构造迹线的方向和萤石矿体的分布，自北向南布置了8条W-E向勘探线(L5、L3、L1、L0、L2、L4、L6、L8)，长度均在1 150 m以上，平均约1 360 m，勘探线间距为200 m，测点间距为10 m。在用罗盘和测绳定测点的同时，辅以手持GPS检测，确保测点定位的准确性。本次采样挖取约40 cm深的草原淀积层土壤(B层)，部分地势较高、土壤层薄的区域测量浅部土壤，量测量时间为100 s ，本次测量有效测点共979个，历经约15 d完成。

3.2 数据处理

IED2000T型便携式X荧光元素分析仪，可以对K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe等多元素进行含量测定，由于该区萤石矿床属于低温热液裂隙充填型矿床，成矿过程中会形成Ca和F的原生晕元素异常[17]，故选取Ca元素数据进行分析。为降低测量偶然因素影响和便于实验数据分析，根据已得实验数据运用迭代法对工作区的Ca元素的背景值和异常下线进行计算[18]，经过7次迭代求得背景值为1.098 206%，异常下限为2.194 367%。根据Ca元素的异常值和异常下限使用Origin绘制勘探线元素异常曲线图(图4)和使用Surfer绘制区域元素异常的平面等值线图(图5)，并在图中标记元素异常下限。

3.3 结果分析

便携式X荧光元素分析仪主要通过探测矿区内Ca元素含量，确定可能存在萤石矿体的地区，缩小找矿靶区范围再开展下一步勘探工作，从而达到找矿的目的。在由实测数据和元素异常下限绘制曲线图中，明显高于异常下限的地区为萤石矿体的可能赋存区域，本次选取穿过已知萤石矿脉的L1、L0和L2号勘探线，与相应的勘探线剖面图进行对比分析(图4)。

图4(a)显示其西部400 m～500 m处、中部780 m～900 m处和1 000 m附近与东部1 150 m～1 300 m处均出现较高的Ca元素异常。与实际矿区内已发现萤石矿脉的位置对比发现，中部780 m～900 m处异常对应矿区的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ号矿脉，东部1 150 m～1 300 m处对应Ⅳ号矿脉向北延伸歼灭的萤石矿化裂隙，而单峰异常的西部400 m～500 m处和中部1 000 m附近的异常无对应矿脉。

图4(c)显示其中部760 m～880 m处和东部1 050 m附近出现较高的Ca元素异常，而西部异常较低或无明显异常。与勘探线剖面简图(图4(d))对比发现，中部760 m～880 m处异常对应矿区的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ号矿脉，东部1 050 m处异常无对应矿脉，另外发现1 200 m附近的Ⅳ号矿脉未显示有明显的Ca元素异常。

图4(e)显示其中部780 m～900 m处出现较高的Ca元素异常，东部1 060 m～1 280 m处间断出现中等Ca元素异常，西部无明显异常。对比发现中部780 m～900 m处的Ca元素异常对应Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ号矿脉向南延伸歼灭后的矿化裂隙(图4(f))，东部1 060 m～1 280 m处的间断异常范围较大，1 060 m～1 170 m处对应产状较缓的Ⅳ号矿脉南端，而1 200 m～1 280 m处无矿脉与之对应。

图4 X荧光Ca元素分析曲线与勘探线剖面图Fig.4 Calcium analysis curve of X fluorelscence element and profile diagram of exploration lines(a)L1勘探线X荧光Ca元素分析曲线;(b)L1勘探线剖面图;(c)L0勘探线X荧光Ca元素分析曲线;(d)L0勘探线剖面图;(e)L2勘探线X荧光Ca元素分析曲线;(f)L2勘探线剖面图

图5 X荧光Ca元素分析异常平面图Fig.5 The calcium anomaly map of X fluorescence element analysis

由图4可以看出，连续高峰异常区域地下存在矿脉的可能性更大，并且异常通常集中在矿脉赋存点至沿产状向上延伸的方向。在该研究区异常集中在矿脉的偏东侧，这可能指示矿脉曾经发生过严重的风化剖蚀，顶部矿脉遭剖蚀后在矿脉东侧留下元素异常，同时被剖蚀矿脉的原生晕也可产生偏向东侧的元素异常。一般情况下矿脉的原生晕异常或矿脉风化导致的元素异常范围较大，因此单峰异常区的出现可能是由个别测点的异常值较高导致，地下通常无矿脉存在。

图6 浅覆盖区萤石矿综合勘查图Fig.6 Comprehensive prospecting of flurite deposits in shallow cover area(a)甚低频电磁法(VLF-EM)勘查图；(b)矿区断裂与Ca元素异常组合图

在研究区的Ca元素异常平面等值线图中(图5)，金黄色-红色表示元素异常高于异常下限的区域。研究区中部的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ号矿脉元素异常明显，元素异常区域位于萤石矿脉的右侧位置，Ⅱ和Ⅲ号矿脉位于元素异常区域的中央，矿脉南端延伸歼灭方向也显示有明显异常，而矿脉北端延伸方向异常则较弱；研究区东部的Ⅳ号矿脉也存在元素异常，但在L0勘探线处却发生了中断，矿脉北端延伸歼灭方向异常最为显著，南端延伸方向异常范围较大。Ca元素异常在已知矿脉处的异常情况对应较准确(图5)，除L0勘探线东侧1 200 m处矿脉无异常显示，可能与当地山坡上的一些当地牧民的废弃建筑有关，在施工时影响到了该处的土壤。除此之外，图5还显示在研究区西北区域和西南区域出现有较大范围的元素异常，北侧偏东区域也出现分散的元素异常，这些异常的出现原因仍有待商榷，说明便携式X荧光元素分析法存在一定的多解现象。

3.4 与甚低频电磁法的对比分析

由于方乙等[3, 19]利用甚低频电磁法(VLF-EM)在内蒙古林西的隐伏-半隐伏萤石矿体的定位预测中取得较大进展，证明甚低频电磁法可以清晰地反映研究区构造格局、构造产状与平面展布特征，符合萤石矿床由断裂控制的特点。因此在矿区开展X荧光元素分析法勘查的同时，也开展了甚低频电磁法的勘查工作，试图解释研究区西北和西南区域出现较大范围元素异常和东北区域出现分散元素异常的原因，勘查成果图如图6所示。甚低频电磁法的结果显示矿区内地表盖层以下断裂主要呈现N-S向，部分呈NNE-SSW向，这与野外实地调查的结果显示一致；另外甚低频电磁法还显示矿区西部断裂破碎带较为稀疏，中部和东部地区的萤石矿脉发育处则较为密集。

将甚低频电磁法探测的区内断裂投影至Ca元素X荧光元素分析勘查平面图中(图6(b))，显示在研究区中部和东部的矿脉赋存区域的断裂与Ca元素异常情况重合较好，尤其是中部的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ号矿脉，说明便携式X荧光元素分析仪在勘查过程中具有较佳的指示效果。甚低频电磁法的勘查结果显示断裂分布，便携式X荧光元素分析仪显示元素异常，两者萤石矿的勘查过程中存在一定的共同指示作用。矿区北部西南区域断裂发育较弱或不发育，该结果可以对Ca元素异常指示的西南和东北部区域高异常区起到一定的排除作用；而西北区域元素高异常和断裂同时存在却无矿脉发育，在实地考察中发现该区域存在大量节理和少量萤石矿化现象(图3(c))，由于萤石规模太小而未达到工业要求，却在探测过程中反应明显。以上说明两者结合可有效剔除便携式X荧光元素分析仪勘查的部分多解性结果，同时也需要重视对野外情况的考察与分析。