地面伽玛能谱测量在稀土矿勘查中的应用——以山东省兰陵县龙宝山稀土矿为例

王继芳，徐然，安茂国，张英梅，徐超，唐洪敏，谢丽丽，陆林祥

(山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地勘局第二地质大队)，山东 兖州 272000)

0 引言

龙宝山地区是山东省重要的稀土找矿靶区之一，位于山东省兰陵县城西北约30km处的龙宝山一带，行政区划隶属兰陵县下村镇。1960年在本区开展山东省中部及东部地区航空放射性测量中圈定了航空放射性异常(γ-18-60)1处，1997年在异常检查中发现了稀土矿体，2019年，山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地勘局第二地质大队)在开展山东省稀土矿资源调查评价工作时，在龙宝山地区开展了1∶5万γ能谱测量和1∶5000γ能谱剖面测量。通过异常查证，又发现3个稀土矿体和较多的矿化线索。龙宝山稀土矿的发现与γ能谱测量手段的应用密不可分。龙宝山地区累计完成1∶5万地面γ能谱测量200km2，1∶1万γ能谱剖面测量14.7km，1∶5000γ能谱剖面测量63.94km。γ能谱测量是目前稀土找矿的重要手段之一，本文分析了γ能谱测量在龙宝山地区稀土找矿中的应用，以期对龙宝山及周边类似地区的稀土找矿有所借鉴[1-3]。

1 研究区地质概况

研究区位于沂沭断裂带南段西侧的尼山凸起之上(图1)，区域地层主要为寒武系，并发育有少量奥陶系。在龙宝山一带分布有中生代燕山期中偏碱性侵入岩形成的杂岩体，在杂岩体的周边分布有少量新太古代二长花岗岩。区内构造以断裂为主，NW向龙辉断裂为区域性主干构造，其次级NE向、近SN向、近EW向等断裂构造发育。

1—断层及推测断层；2—凹陷区；3—隆起区；4—研究区位置图1 龙宝山大地构造位置图

1.1 成矿地质条件

区内大面积分布有与稀土矿关系密切的碱性岩，主要为东马山单元中细斑石英正长斑岩和崔家沟单元中细斑霓辉二长斑岩，为稀土矿的成矿母岩。区内成矿期断裂有NW向、NE向、近SN向和近EW向4组，其中以前3组断裂多见，是矿区主要控

矿、赋矿构造。矿脉的形态、产状和规模受上述断裂构造控制，矿体走向与控矿断裂相一致[4-5]。

1.2 矿体特征

目前研究区发现的11个稀土矿体均围绕龙宝山杂岩体分布，矿体走向主要有近SN向、NE向和近EW向。矿体呈脉状，透镜状，具尖灭再现、分支复合现象。矿体厚度1.45～26.9m，平均品位0.59%～3.62%，矿石类型有含稀土构造角砾岩、含稀土石英岩、含稀土蚀变霓辉正长斑岩、角砾状褐铁矿化斜长辉石岩及黑云母岩等。

1.3 γ能谱测量地质条件

研究区基岩出露较好，第四系仅在沟谷低洼处有少量分布。区内没有湖泊，有少量村庄。γ能谱测量影响因素较少。

2 放射性元素异常与稀土矿的关系

稀土矿形成过程中通常会伴生铀、钍等放射性元素。放射性元素衰变时会释放出γ射线，γ射线与物质作用会产生次级电子，通过测量次级电子的能量能够反映γ射线的能量，进一步反算放射性元素的含量。γ能谱测量主要参数为铀、钍、钾和总量。稀土元素常与钍、铀、钾相伴生，稀土元素含量与钍、铀含量呈正相关关系，因此品位高的稀土矿体引起的放射性异常也较高。尤其是稀土元素与钍元素关系密切，因此通过测定铀、钍、钾、总量等参数的含量，圈定其异常，为寻找稀土矿床提供依据[6-8]。

龙宝山稀土矿是富铈族稀土矿床，铈含量为最高，镧、钕、镨次之。稀土矿物主要有氟碳铈矿、氟碳钙铈矿、铈磷灰石、碳酸铈钠矿、碳酸锶铈矿、富铀烧绿石、独居石、钍石、硅钛铈矿等，不同种类的矿石中，各种稀土矿物的含量不同，稀土氧化物的含量也不相同(表1)。

表1 稀土矿物含稀土元素(%)

研究工作认为，本矿区有钍、铀放射性元素存在，钍元素主要赋存于钍石中，其他稀土矿物中也有存在(表2)。铀元素仅发现在富铀烧绿石矿物中存在。因此多数放射性异常的分布与稀土矿化有直接关系，γ值高，稀土总量高，钍、铀的含量也高。一般而言，稀土总量与钍、铀含量呈正相关关系，但有时测定的γ能谱钍、铀值较高时，稀土氧化物含量不一定很高(图2)[9-10]。

表2 矿物钍元素含量

图2 γ值与TR2O3%，Th%，U%关系图

3 仪器及检查

γ能谱测量是利用γ能谱仪测量岩石或地层及其他介质放射性元素某一特定能量的γ射线，从而来测定放射性元素含量的一组方法。近年来，地面γ能谱测量在三稀找矿勘查中应用较多。2019年在龙宝山地区开展γ能谱测量工作中使用的是3台石家庄核工业航测遥感中心生产的ARD型便携式多道γ能谱仪，探测器类型为NaI(T1)探测器，有效尺寸φ75×75，分辨率≤80%。多道分析器谱长操作台采集时有256道、512道、1024道可选；操作台安装操作系统是Android 0S 2.3，GPS导航，可拆卸电池；蓝牙频段240GHz-2.48GHE，ISM Band；功率等级为Class2(+6dBm)；接收灵敏度为-85dBm。

工作前首先将仪器送至国防科技工业1313二级计量站进行了检定，以保证设备的准确性和一致性。仪器标定后，对仪器进行本底测定和一致性检查。本次本底测定采用水中法，单次测量时间120s，测量36次以上，计算各道的平均计数率，作为该道的放射性本底(表3)。然后对仪器的一致性进行检查，经对比,3台仪器的均方误差较低，离散程度较小，观测曲线对应良好，在同一点位的观测值相对误差均不大于15%，表明本次工作所使用的3台仪器一致性良好(表4)。

表3 γ能谱仪本底测定结果

表4 一致性检查均方误差统计

工作中要对仪器进行野外短期稳定性检查和长期稳定性检查；野外短期稳定性检查每隔一个月进行一次，野外长期稳定性检查在每天使用仪器前后进行。野外测量过程中发现异常后立即对仪器电压及稳谱情况进行检查，确定异常的可靠性，并记录于表格上。工作中未发现仪器工作异常，所有仪器工作状态稳定。

4 工作布置与数据的采集和处理

4.1 工作布置

1∶5万γ能谱测量采用网度500m×100m。测线布置垂直区内主要地层、构造、异常长轴及矿化体走向。1∶5000γ能谱剖面测量采用点距20m，异常区段点距加密至10m。根据前期工作成果，确定剖面位置，测线布置垂直区内主要地层、构造、异常长轴及矿化体走向。测线布置时穿过已知稀土矿体(矿点)或已知放射性异常，并垂直于其长轴。测线点位分布均匀，遇已知矿体、放射性异常或工作中发现异常时加密测点，并重复测量。测线遇到水库、陡崖、高大建筑物等区域时适当绕行，但偏移距离在1/4线距内。在岩性变化复杂区加密布点。对重要的地质点和有异议的点位进行复查。

4.2 数据采集

本次γ能谱测量采用2人一组，测量时，将探头直立在比较平坦的基岩露头或地面上进行测量，保证辐射立体角为2π。单次测量时间60s，读数1次。遇到异常，检查仪器电压及稳谱情况，确定为地质体引起的异常则重复测量3次，取平均值，对干扰区域、特殊地形、地物、地质现象、土壤湿度备注记录。遇下雨立即停止观测，待土壤干燥后开始工作。当日所有工作成果在每天工作结束后都及时进行整理和自互检。

4.3 数据处理

(1)岩(矿)石放射性特征。龙宝山地区中生代岩体分布区背景值普遍较高，尤其是东马山单元石英正长斑岩和崔家沟单元霓辉二长斑岩。东马山单元石英正长斑岩Th一般为(18～53)×10-6，平均为40.8×10-6，总量一般为(25.5～49.2)×10-6，平均为41.8×10-6。K为1.5%～5.4%。崔家沟单元霓辉二长斑岩Th一般为(16.3～40.9)×10-6，平均为34.7×10-6，总量一般为(15.3～38.6)×10-6，平均为30.5×10-6。寒武纪灰岩、砂岩分布区背景值普遍较低，Th和总量一般为20×10-6，K为2%(表5)。

表5 龙宝山地区岩(矿)石放射性特征

(2)数据处理。利用SPSS进行数理统计，采用稳健统计方法，逐次剔除测量值小于C0-3S0和测量值大于C0+3S0的点直至合格，然后计算背景值和标准偏差并根据公式T=C0+kS0计算异常下限(式中：T为异常下限，C0为背景值，S0为标准偏差，k为经验系数，k一般选用2或3，根据测区具体情况而定。计算过程中，C0，S0取2位小数，T取1位小数)。工区γ能谱特征参数见表6。

表6 龙宝山地区γ能谱特征参数统计

5 异常解释推断

5.1 研究区γ能谱异常特征

整体来看，龙宝山地区中部表现为近SN走向的带状γ能谱偏高场—高场，局部表现为异常场，与以往航放成果基本对应。该带内eU，eTh，K含量普遍较低，仅在调查区中部吴家沟村一带异常较为显著，而且各道异常存在较好的对应关系。除此以外，自吴家沟村向南北两侧，放射性强度及异常规模逐渐减弱，即便是在燕山期岩体或脉岩分布区域，放射性强度也不是十分突出。结合该区地质背景分析，该区寒武系灰岩区放射性较弱，而燕山期铜石序列东马山单元石英正长斑岩分布区放射性较强，是引起该区放射性异常和稀土矿化的主要因素。γ能谱测量5700剖面图即可说明这一现象(图3)。

DL-1异常位于吴家沟村周围，异常整体大致呈NE走向，长约2.2km，宽400～800m，面积约1.2km2，eU,eTh,K,∑异常套合较好，eTh含量一般(27～55)×10-6，最大值107.0×10-6。该异常受燕山期铜石序列东马山单元正长斑岩控制，异常总体呈哑铃状，沿断裂可划分为DL-1-1，DL-1-2两个次级异常。DL-1-1异常位于吴家沟村南，大致呈NE走向，北侧较宽，向南变窄，eTh含量一般(25～70)×10-6，最大值89.1×10-6。异常区内已发现有①②③⑥⑦⑧⑩号矿体和数条稀土矿化体。DL-1-2异常位于断裂以东，吴家沟村东，大致呈NE走向，与正长斑岩分布对应良好。eTh含量一般(28～67)×10-6，最大值107.0×10-6。异常区内已发现有①②③⑥⑦⑧⑩号矿体和多条稀土矿化体。DL-1异常基本位于龙宝山杂岩体内，异常范围内已发现11个稀土矿体和众多的稀土矿化线索，并存在金矿化，该异常与已知矿体吻合较好，为龙宝山地区内最重要的异常，显示出较好的找矿前景。

1—张夏组鲕粒灰岩；2—馒头组页岩夹灰岩、砂岩；3—朱砂洞组灰岩、白云岩；4—铜石序列东马山单元石英正长斑岩；5—断层图3 研究区地面γ能谱测量5700剖面图

1—山前组；2—炒米店组；3—崮山组；4—张夏组；5—馒头组；6—朱砂洞组；7—李官组；8—崔家沟单元；9—东马山单元；10—西封山单元；11—榆林单元；12—条花峪单元；13—铀异常；14—钍异常；15—钾异常；16—总量异常；17—综合异常；18—异常编号；19—整合地质界线；20—不整合地质界线；21—断裂图4 龙宝山地区地面γ能谱测量综合异常图

通过本次地面γ能谱测量，在龙宝山地区圈定eU异常1个，eTh异常3个，K异常1个，∑异常1个(表7)。以eTh含量为主要参考指标，在龙宝山地区圈定综合异常3个，依次编号为DL-1，DL-2，DL-3(图4)。

表7 龙宝山地区各道异常含量特征

DL-2异常位于宋家庄村西南500m处，异常整体呈近SN走向带状分布，长约600m，宽200～300m，面积约0.19km2，为单独的eTh异常，eTh含量一般(25～50)×10-6，最大值71.1×10-6。该异常受东马山单元正长斑岩控制，中部可能被断层错断。异常尚未查证。DL-3异常位于宋家庄村西北1500m处，异常呈近SN走向带状分布，长约600m，宽100～200m，面积约0.11km2，为单eTh异常，eTh含量一般(20～45)×10-6，最大值70.9×10-6。该异常主要为东马山单元正长斑岩引起，南部受断裂限制。DL-2，DL-3异常位于龙宝山杂岩体周边，尚未查证。

5.2 已知矿体上γ能谱剖面解译

在稀土矿化带和矿体上，γ能谱各参数曲线跳跃幅度大，峰值高。Th和总量一般为(50～60)×10-6，高者可达120×10-6，K一般为7%～9%，最高11.6%。在矿体上曲线反应清晰，异常幅值明显，以Th和总量参数曲线最为明显，二者呈同步变化。与稀土矿化强度呈正相关关系。从矿区⑥⑦号矿体地物化联合剖面明显反应出这一规律(图5、图6)。

⑥号矿体由TC002探槽控制，岩石类型为构造角砾岩，蚀变强烈。根据TC002探槽分析结果，矿体厚度34.40m，矿化均匀，连续性好，稀土氧化物总量一般0.53%～6.88%，最高达7.27%，矿体平均品位2.77%。其中⑥号矿体西部品位相对较低，为0.53%～3.02%，厚度25.90m；东部矿体品位稍高，为3.31%～7.27%，厚度8.50m。根据⑥号矿体地质-γ能谱剖面图(图5)，Th和总量在矿体两侧测量值相对较低，为(40～50)×10-6；在矿体上为(70～115)×10-6，并明显反应为两部分，左侧曲线平缓，Th和总量多在(70～80)×10-6之间。右侧则呈现高峰值局部异常，宽约8m，Th和总量最大值分别为115×10-6和102×10-6，标明矿体矿化连续，左侧矿化均匀，而右侧矿化强度高。矿体厚度、化学分析结果与γ能谱测量相吻合。另外U曲线与之对应也表现为高峰值局部异常，K反应不太明显。

1—石英正长斑岩；2—稀土矿体图5 龙宝山地区⑥号矿体地质-γ能谱剖面图

⑦号矿体位于⑥号矿体的北侧，矿体呈脉状，走向NNE，倾向NWW，倾角68°～86°。根据⑦号矿体TC001探槽分析结果，矿体厚度9.71m，品位0.51%～2.81%，平均品位1.06%，矿体围岩为石英正长斑岩。由地质-γ能谱剖面可知(图6)，Th，K和总量3个参数呈正相关同步变化，在矿体上异常幅度明显，比围岩上大。剖面上有2个明显的局部异常，西侧的异常明显较窄，东侧的局部异常幅值比西侧的局部异常值高，宽度较大。西侧的Th、总量最大值分别为68×10-6，76×10-6，K含量最大值10%，东侧异常Th、总量最大值分别为77×10-6，82×10-6，K含量最大值12.6%。从曲线分析⑦号矿体有2个分支矿体组成，由参数的大小推测，该矿体的稀土含量应与⑥号矿体的西半部相近，这与TC001探槽分析结果对应较好[11-14]。

1—石英正长斑岩；2—稀土矿体图6 龙宝山地区⑦号矿体地质-γ能谱剖面图

6 找矿前景分析

(1)根据龙宝山地区γ能谱资料分析,本区航放异常和地面1∶5万γ能谱异常对应较好，并和已发现的稀土矿体相吻合，显示了稀土矿化和γ能谱异常有明显的对应关系。本区稀土矿体也是在查证放射性异常时发现的，因此γ能谱测量是稀土找矿的有效手段，因此在以后的龙宝山地区和周边地区的稀土找矿工作中还应加强γ能谱测量方法的研究和应用。

(2)根据⑥⑦号矿体的地质-γ能谱剖面曲线可知，γ能谱Th值和总量与稀土含量密切相关，呈正相关关系，随着稀土含量的增大而增高。γ能谱K含量曲线与矿石的K含量呈正相关，随着稀土含量的增大而增高。γ能谱局部异常在稀土矿体上具有一定的幅值，与背景场有一定的差异。在龙宝山地区当Th和总量绝对值大于65×10-6，且具有良好的构造条件时，即可能有矿体存在。有覆盖时Th测量值则相应降低。由此可见地面γ能谱测量对稀土矿的找矿工作具有良好的指导作用。

(3)目前龙宝山地区发现的稀土矿体均分布在1∶5万γ能谱DL-1综合异常中，对DL-2，DL-3异常尚未查证。通过进一步的γ能谱资料分析和异常的查证，以及对已知稀土矿体的追索勘查，相信会发现更多和更大规模的稀土矿体。因此龙宝山地区稀土找矿潜力较大，前景较好。