0 引言
在机械、化工、航天航空、军事、高能物理、建材、电子计算机及芯片技术等领域内,以铌钽、铷、锂、铍等稀有稀土金属被广泛应用。近年来,对稀有稀土金属矿物成矿理论、找矿方法的研究主要集中于地球化学原生晕、次生晕,岩石地球化学特征,构造热液成矿等方面,而新方法技术应用方面欠缺突破、创新,尤其是有针对性矿产勘查方面,成果较少。根据中国三稀矿产资源战略调查研究,王登红等[1]认为我国三稀资源成矿条件独特,具有“稀土不土、稀散不散、稀有常有”的特点,在内生型的稀有稀土矿床中,铌、钽、铷等稀有金属常与稀土矿物伴生。根据不完全统计,我国产出的稀有金属矿物近200多种,根据王盘喜等[2]调查,我国内蒙古白云鄂博超大型稀有稀土金属矿床中产出的矿物种类就多达160余种,内蒙古扎鲁特旗巴尔哲稀土矿共伴生矿物达44余种。因此,我国学者根据矿物组合特征将稀有稀土矿床划分为(Li、Be、Ta、Nb)与REE(Nb、Ta、Be)两个大类,分别对应了矿床形成的构造环境及岩浆物质来源,即构造体制转换或俯冲作用构造环境下的钙碱性花岗岩与大陆隆起或裂谷作用下的碱性花岗岩。
多年以来,稀有稀土矿产的勘探仍拘谨于常规的化探等手段,方法单一,局限性大且成本高,仅仅在普查或者预查的小范围内使用。在航放异常查证过程中发现与放射性异常相关的稀有稀土矿这一事实给黑龙江省的三稀矿产成矿研究提供了新找矿思路。本文以伊春市南岔某铀异常点为例,阐述放射性物探手段在稀有金属矿勘探工作中的应用。
1 航放数据来源及异常带特征
2010年以来,黑龙江省完成大小兴安岭地区、完达山地区等航空放射性测量,工作范围基本覆盖全省。在对航空放射性异常地面查证过程中,发现了几处与放射性有关且产于放射性异常中的三稀矿床,其中较为典型的就是漠河县782高地稀有稀土矿,该矿点是黑龙江省发现的唯一以铌为主的中型稀有金属矿床[3]。
本次研究数据主要来源于2010~2012年由中国地调局和黑龙江国土资源厅共同出资完成的“小兴安岭地区1∶5万航空高精度磁测及航空伽马能谱综合测量”工作及“黑龙江省小兴安岭北部航放伊春查证”项目实测数据[4]。数据由核工业航测遥感中心制造的ARD多道伽马能谱仪采集,国防科技工业1313二级计量站检定,铀道灵敏度≥0.277(10-6eU·s)-1;钍道灵敏度≥0.122(10-6eTh·s)-1;相对偏差eU:-1.1%~-4.0%;eTh:1.5%~3.2%,符合国家标准。测网密度采用100 m×20 m,共完成地面伽马能谱测量点3 794个,测量数据包括U、Th、K及伽马总量,所测数据质量符合规范要求。
在航空放射性测量中,该区域呈现出一个显著特征(图1):航放高场多分布于汤旺河两岸中生代岩浆岩带中,为偏高—高值区,呈NNW向展布。主要出露下寒武统晨明组粉砂质板岩、板岩、变石英砂岩,中奥陶统小金沟组大理岩、粉砂岩硅质岩,下白垩统宁远村组酸性熔岩及其火山碎屑岩,出露岩体有中石炭世二长花岗岩、早二叠世花岗岩、晚三叠世二长花岗岩以及晚二叠世—早三叠世碱长花岗岩。区域铀丰度显著增高,形成一系列沿河分布的NW-NE向异常,呈团块状、带状、不规则带状等分布形态。异常带表现出的分布特征与区域断裂构造相符,受控特征明显,规模较大的航放异常多产于断裂构造交汇部位。
图1
图1
汤旺河南岔段地质及铀异常分布
1—第四系低河漫滩堆积层;2—第四系更新统别拉洪河组;3—侏罗系中统太安屯组;4—奥陶系下统宝泉组;5—寒武系下统晨明组;6—东风山岩群;7—红林岩组;8—早白垩世花岗闪长岩;9—晚三叠-早侏罗世二长花岗岩;10—晚三叠-早侏罗世正长花岗岩;11—晚二叠世-早三叠世二长花岗岩;12—晚二叠-早三叠世碱长花岗岩;13—晚奥陶世二长花岗岩;14—新-中元古界花岗岩;15—航空放射性异常点;16—航空放射性高场
Fig.1
Geological and Uranium anomaly map of Tangwang river in Nancha district
1—Quaternary low-river floodplain deposits; 2—the Quaternary Pleistocene Belahong River group; 3—middle Jurassic Taitun group; 4—lower Ordovician Baoquan group; 5—lower Cambrian Chenming group; 6—Dongfeng Mountain rock group; 7—Honglin rock group; 8—the Granodiorite of early Cretaceous epoch; 9—the Monzogranite of late Permian-early triassic; 10—the Syenogranite of late Permian-early Triassic; 11—the Monzogranite of late Permian-early Triassic; 12—the Alkali Feldspar Granite of late Permian-early Triassic; 13—the monzogranite of late Ordovician; 14—the Granite of Neo-Meso-Proterozoic; 15—airborne radioactive anomaly; 16—aeronautical radioactive high field
2 研究区地质背景
研究区位于黑龙江省小兴安岭成矿带中段,汤旺河放射性异常带内(图1)。研究区地层单一(图2),第四系及古生代下寒武统西林群晨明组(
1c)变质岩类,主要包括白云质灰岩、含沥青质灰岩、粉砂岩、长石石英砂岩等。该地层总体上呈上粗下细逆粒序层,颜色也是由上而下逐渐加深。岩性以碎屑岩为主,主要分布于汤旺河南岔段,总体呈NW或NE向厚板状沿河分布。上部为灰色—灰紫色厚层状细粒云母长石石英砂岩,中部为灰—灰绿色绢云母化长石石英砂岩、石英岩;下部为绢云母化粉砂质板岩。区域上,构造结合部位及侵入岩接触部位附近岩石变质程度较高,片理化发育,低级区域变质岩板岩均含有绢云母、绿泥石等,基本达到绿片岩相变质程度。具有指示作用的黄铁矿化主要分布于铀矿化体内及其附近的变质石英砂岩、石英砂岩内,是主要的铀矿物富集的重要标志性矿化之一。侵入岩主要为晚奥陶世碎裂岩化二长花岗岩(O3ηγ)及NE向展布的花岗岩脉,岩石地质成岩较老,受汤旺河区域性断裂活动及岩浆活动影响,区域变质强烈,形成碎裂岩化二长花岗岩。
图2
图2
研究区地质
1—第四系;2—寒武系下统晨明组;3—晚奥陶世片麻状二长花岗岩;4—花岗斑岩脉;5—矿体;6—槽探工程
Fig.2
Geological map of the study area
1—Quaternary; 2—lower Cambrian Chenming group; 3—the gneissic monzogranite of late Ordovician; 4—granitic porphyry vein;
5—mineral body; 6—trough engineering
3 放射性特征研究理论与方法
根据资料分析,我国的铌钽、铷等稀有金属成矿类型、分布地区具有各自独特特征,但也具有相通之处。如四川省南部的攀西地区发现的碱性花岗岩型、花岗伟晶岩型稀有金属矿床、矿点,根据王汾连等[5]调查,认为其与区域上广泛发育的侵入岩体关系密切。在杨铸生等[6]对攀西地区内的稀有金属矿物(烧绿石、氟碳铈矿等)的调查显示,其中均含有放射性元素铀、钍,放射性强度与Nb2O5含量成正比关系,是铌钽矿的直接找矿标志。在内蒙古巴尔哲超大型矿床产于燕山期巴尔哲碱性花岗岩体内,为REE-Zr-Be-Nb-Ta多金属矿床,主要矿石矿物为铌铁矿、独居石、硅铍铈矿、锆石、氟碳钙铈矿和烧绿石等。杨斌斌等[7]认为矿体受钠长石化作用制约,U、Th、Y元素明显富集,呈现高放射性特征。在黑龙江省,三稀矿产的成矿规律研究相对较少,目前已发现的稀有矿物主要为铌钽、铷、锂、铍、锆等,稀土矿物为镧、铈、钇等,矿床、矿点主要分布在龙江—大井子、佳木斯成矿亚带内,与海西期后花岗伟晶岩关系密切,矿床类型主要有花岗伟晶岩型和碱性花岗岩型稀有稀土金属矿,成矿时代为兴凯期侵入旋回的混合花岗岩;海西期侵入旋回早期的碱性花岗岩和中期二云母花岗岩、晚期碱性花岗岩;燕山期侵入旋回的碱性花岗岩。
钽铌等稀有金属矿床的矿化多与花岗岩伟晶岩有关,其中含钠长石、独居石、晶质铀等放射性矿物等高放射性特征,以及与铀矿的共伴生关系。因此,研究区内采用了地面伽马能谱测量的放射性物探工作方法,以放射性初步划分异常的同时利用数据处理、参数计算等方式圈定靶区。
4 地面伽马能谱数据处理与解释
4.1 能谱数据形态分布检验
表1 能谱数据对数正态检验计算结果
Table 1
| 参数 | U | Th | K | Te |
|---|---|---|---|---|
| 简单算术平均数X | 0.494 | 1.008 | 0.201 | 1.121 |
| 中位数为m | 0.491 | 0.996 | 0.176 | 1.111 |
| 众数Mo | 0.450 | 0.940 | 0.080 | 1.090 |
| 最大值Xmax | 1.090 | 1.493 | 0.756 | 1.623 |
| 极差为R | 1.090 | 1.078 | 0.756 | 0.990 |
| 平均离差MD | 0.136 | 0.120 | 0.105 | 0.106 |
| 标准差σ | 0.175 | 0.156 | 0.131 | 0.136 |
| 变差系数Cv | 0.354 | 0.155 | 0.653 | 0.122 |
| 偏度 | 6.395 | 7.606 | 16.355 | 10.386 |
| 峰度 | 4.010 | 4.704 | 3.602 | 5.662 |
注:U、Th、Te(总量)单位为10-6g/g;K单位为10-2g/g
图3
图3
研究区地质(a)及铀元素异常晕分布(b)
1—第四系;2—寒武系下统晨明组;3—晚奥陶世片麻状二长花岗岩;4—花岗斑岩脉;5—铷、铌钽矿化体
Fig.3
Geological of the study area(a) and distribution map of uranium anomaly halo(b)
1—Quaternary; 2—lower Cambrian Chenming group; 3—the gneissic monzogranite of late Ordovician; 4—granitic porphyry vein; 5—the mineral body of Rb, Nb and Ta
4.2 能谱异常划分
相对富铀区一般指铀eU≥X+σ,且eTh/eU≤3的区域,具体划分原则为:偏高晕:X+σ≤eU<X+2σ;高晕:X+2σ≤eU<X+3σ;异常晕:X+3σ≤eU<3σ;异常:3σ≤eU。
表2 能谱数据数字特征统计
Table 2
| 参数 | U | Th | K | Te |
|---|---|---|---|---|
| 简单算术平均数X | 3.44 | 10.88 | 1.50 | 13.35 |
| 平均离差MD | 1.18 | 3.13 | 0.40 | 2.98 |
| 标准差σ | 1.77 | 4.25 | 0.51 | 3.78 |
| 变差系数Cv | 0.51 | 0.39 | 0.34 | 0.28 |
| 偏度 | 71.04 | 36.58 | 13.57 | 18.34 |
| 峰度 | 178.63 | 34.27 | 1.28 | 3.44 |
注:已剔除数据中大于X+3σ的值
图4
图4
铀元素(a)、钍元素(b)、钾元素(c)和总量(d)地面伽马能谱测量数据对数分布直方图
Fig.4
An histogram for logarithmic distribution of energy spectrum data of Uranium content(a),Thorium content(b),Potassium content(c) and total content(d)
4.3 能谱数据处理与综合解释
探索不同数据参数处理方式及解释方法在实际工作中发挥的作用,因此针对研究区,笔者选用了几种能谱数据处理方式,表3是在数据处理中选用的参数模型及所代表的意义。
表3 特征参数
Table 3
| 参数 | 数学模型 | 地质意义 |
|---|---|---|
| 钍铀比 | Th/U | 钍铀比值的变化可以指示蚀变、矿化等特殊地质作用过程 |
| 古铀量 (Gu) | Th/( | 利用古铀与现代铀差异评价铀元素在成岩后活化迁移路径及淋失、叠加情况 |
| 交代蚀变 (F) | (U·K)/Th | 利用U、K、Th元素稳定性和迁出迁入能力不同反映元素在后期成矿作用中的交代蚀变情况 |
Th/U:一般情况下,放射性元素的含量在许多类型的岩石中是保持相对稳定的,各元素间存在一定的相关性,而在一些地质活动中会造成某些元素地相对富集或贫化。如热液活动、蚀变作用等,造成某些元素的带入或带出。故钍铀比值的变化可以指示蚀变、矿化等特殊地质作用过程,可用它来进行特殊地质过程的填图、找矿远景预测等。地壳不同类岩石中铀、钍绝对含量可能差异很大,但Th/U比值比较恒定,大约在3~4[8],研究区Th/U≈3.62,与中国沉积层Th/U≈4.4、中国上陆壳Th/U≈3.1接近[9],显示岩浆作用过程中Th、U具有相似的地球化学行为。铀含量高晕内62组数据的Th/U≈3.78;异常晕内25组数据的Th/U≈4.69;U异常内20组数据Th/U≈4.93。局部钍铀比值的变化是后期构造或者热液活动中钍、铀分离的结果。低Th/U预示后期有二次铀的富集,是成矿有利指示因素;高Th/U则预示铀有迁移流失,不利于铀富集成矿[10],因此异常内较高的Th/U指示了铀发生过迁移流失。
图5
图5
地面伽马能谱测量参数等值线剖析
1—矿化体;2—花岗斑岩脉;3—推测断裂;4—F值异常区;a铀含量等值线;b—古铀含量等值线;c—铀、钍含量比等值线;d—交代蚀变值
Fig.5
Contour profile of ground gamma spectrum measurement parameters
1—mineralizer; 2—granitic porphyry vein; 3—speculated fracture; 4—the aomaly area of the value of F;a—contour map of Uranium content;b—contour map of Paleouranium content;c—contour map of the ratio of Uranium and Thorium;d—contour map of the value of metasomatic alteration
F:由原苏联学者叶菲莫夫于1978年提出,认为交代岩的多阶段成因常伴随着强烈的地球化学蚀变,发生某些元素的迁入和带出。交代作用过程中钾既有迁入也有带出,但以迁入为主。钍通常在发生接触变质时带出,而且变质越深带出越多。铀是放射性元素中最活跃的元素,在交代作用过程中常以迁入为主,但在后期的外生成矿作用中有可能被带出,故铀的变化情况不如钾、钍稳定(图5c)。根据图5d显示,研究区内具有3条F值得异常带,其代表的交代蚀变作用与地质吻合度较高,分别为NNW向的FU1、FU3,两条异常带与晚奥陶时花岗岩接触带相符,体现出地层被NW向断裂错断的特征;FU2沿NW向断裂呈带状分布,连续性好,规模大,代表伴随断裂活动发生的一系列热液蚀变作用。
FU3沿花岗岩接触带分布,结合较高的古铀含量、向外迁出的活化铀量以及反映铀后期迁移流失的钍铀比等参数特征,反映矿体附近的异常具有以下特征:早期成岩时期具有较高的铀含量;成岩后期伴随着断裂活动、岩浆热液活动岩石发生交代蚀作用;交代蚀变作用时期,发生U4+、Th4+和REE3+元素之间的类质同象,铀元素迁出,而REE和部分稀有元素迁入。因此,具有上述特征的FU1处应具有较好的稀有稀土矿化情况。
5 异常验证
钍矿体:宽度50 m,平均品位721×10-6,最大值1 180×10-6,赋矿岩石为绢云母化黄铁矿化长石石英砂岩。
铌钽矿体:共伴生于钍矿体内部,产状、形态与钍矿体相同,铌元素含量偏高,平均品位0.091%;钽平均品位为0.006 6%,(Nb2O5/ Ta2O5)>1;
铷矿体:与铌钽、钍、铀矿体伴生,矿体形态相似,平均品位达950×10-6,最高为1 920×10-6。
铀矿化:矿体内铀元素分布不均匀,矿化品位在(100~150)×10-6之间,总宽度近30 m。
成矿岩体为花岗岩接触外带的变质石英砂岩,距离奥陶纪花岗岩体较近,具有远高于背景值的放射性高场和Nb、Ta、Rb、U、Th的共伴生特征。推断矿源与花岗岩体关系密切,含矿热液受构造作用岩层间破碎、裂隙等通道运移,最后于稍远处构造变质较发育的层间接触带富集,
矿体空间展布受NW—NE向汤旺河断裂构造控制,矿体富集、形成时间与区域中—低温变质作用耦合,矿化就位机制多样且与区域性构造、岩浆岩侵入关系密切,显示出构造、运移、变质、物源、热液的复合控矿成矿特征[12]。
另外,研究区作为铀元素氧化迁出地铀源区,是该地区小型山前盆地内砂岩型铀矿勘探的重要线索。
6 结论
对能谱数据处理及验证,总结出可能稀有稀土元素矿化的放射性测量规律:①能谱测量放射性异常区;②Th/U较高的偏钍性异常;③古铀量(Gu)含量高明显高于现代铀含量的异常;④代表交代蚀变反应F值异常分布区。
综上,在具有放射性异常的区域内,偏钍性的放射性异常不应归为无意义异常,其对部分稀有稀土元素矿产具有一定找矿指示意义。伽马能谱测量不应局限于铀矿勘查范围内,应拓展放射性物探的应用范围。特别是与放射性相关的稀有稀土矿,放射性物探手段具有较强的先天优势,是直观、快速寻找此类矿床的有效方法。
参考文献
中国三稀矿产资源战略调查研究进展综述
[J].
The progress in the strategic research and survey of rare earth,rare metal and rare-scattered elements mineral resources
[J].
我国钽铌等稀有金属矿概况及找矿启示
[J].
General situation and prospecting revelation of Tantalun-Niobium rare metal
[J].
黑龙江省漠河市782高地铌多稀有金属矿床的地质特征及找矿标志
[J].
Geological characteristics and prospecting indicatior of No.782 highland Nb-rich rare-metal deposit in Mohe City,Heilongjiang province
[J].
黑龙江省小兴安岭地区航放异常查证报告
[R].
Report of the verification of airborne radiometric anomalies in Xiaoxing'anling area, Heilongjiang Province
[R].
钽矿研究进展和攀西地区铌钽矿成因初探
[J].
Advances in study of Nb-Ta ore deposits in Panxi area and tentative discussion on genesis of these ore deposits
[J].
四川攀西地区铌钽矿床的地质特征及找矿方向
[J].
Geological features and reconnaissance of Nb-Ta deposits in the Panzhihua-Xichang region,Sichuan
[J].
巴尔哲超大型稀有稀土矿床成矿机制研究
[J].
Ore-forming mechanism of the Baerzhe super-large rare and rare earth elements deposit
[J].
中国陆壳及其沉积层和上陆壳的化学元素丰度
[J].
Element abundances of China’s continental crust and its sedimentary layer and upper continental crust
[J].
钍铀比值在判别铀成矿环境中的应用研究—以粤北书楼丘铀矿床为例
[J].
Application of the thorium-uranium ratio in identifying uranium metallogenic environment:An example of the shulouqiu uranium deposit in Northern Guangdong Provine
[J].
能谱特征参数$\bar{Th}$/$\bar{U}$与$\bar{Th}$/$\bar{U}$之差异及古铀量计算公式的修正
[J].
The difference between spectral characteristic parameter $\bar{Th}$/$\bar{U}$ and $\bar{Th}$/$\bar{U}$ and the revised formula for calculating paleo-uranium abundance
[J].
