仁里超大型钽铌矿床是新近发现的花岗伟晶岩型稀有金属矿床,该矿床位于湖南省平江县北东部的幕阜山岩体西南缘,是目前国内稀有金属矿床中铌和钽含量最高的矿床之一^[1]。

根据前人的研究,除已发现的仁里超大型钽铌矿床外,仁里外围的幕阜山岩体南缘地区还分布有众多伟晶岩脉,有着很好的潜在找矿远景。但该区域地质工作程度较低,地势陡峭,植被覆盖严重难以穿行^[2],加之花岗伟晶岩矿脉与围岩物性差异不明显,开展传统物探方法找矿困难,而全靠化探开展找矿,又受经费限制。为此,笔者所在课题组在仁里矿区外围的找矿应用研究中,采用了土壤X射线荧光测量和地气测量相结合的综合地气勘查技术进行探测。本文介绍了在幕阜山岩体南缘、仁里矿区外围的黄柏山地区开展综合地气测量找矿应用的成果。

幕阜山稀有金属矿集区大地构造位置属扬子陆块和华夏陆块的中间过渡部位(图1a),位于江南新元古代造山带中段北缘的湘东北断隆带^[3]。区内地层跨及下扬子地层分区和江南地层分区,出露地层有元古宇待建系—长城系、新元古界青白口系,下古生界寒武系、奥陶系、志留系,新生界白垩—古近系、第四系(图1b)^[4]。

本文研究的黄柏山地区与仁里矿床同处于湘东北幕阜山西南缘,位于仁里超大型铌钽矿床外围的西北边^[5]。区内地层与岩性简单,主要为低角度的冷家溪群云母片岩,走向NW,倾向SW。该区北部的岩石是燕山晚期第一次侵入体,为中粗粒似斑状或片麻状黑云母二长花岗岩;南部则出露雪峰期的梅仙岩体,岩性为中细粒黑云母斜长花岗岩和石英闪长岩(图2)^[6]。区内已发现20余条规模不一的伟晶岩脉(图2)。这些伟晶岩脉沿片岩带内顺层或微切片岩层理产出,走向NW,倾向SW,倾角20°~50°,除了解γρ46和γρ47号伟晶岩脉地表露头富含锂辉石外,其他伟晶岩脉的性质不清楚。γρ47是区内最大的含矿伟晶岩脉,其地表出露长度约1 700 m,宽度在2~32 m之间,深部含矿性质不明。该脉体的矿物组合主要以钠长石伟晶岩为主,并含有少量的铌钽铁矿、绿柱石和其他稀有金属矿物。整个研究区内,沿脉的走向(从北西到南东),脉体的规模和锂含量均有逐渐增加的趋势^[7]。

根据研究区内的地质情况以及湖南省地质调查院的建议,以基本垂直于区内γρ47号主要花岗伟晶岩脉走向为原则,在前人物探工作划定的主要断裂区域内,沿NE40°,自西北向东南依次布设编号为5、8、11、14、17、19共计6条土壤X射线荧光测线(图2),每条测线布设长度920 m,6条测线控制面积约1 720 165 m²。测线基本测量点距20 m,在已知矿体上方加密到10 m。

6条X射线荧光测线部署的目的是对测区内已有伟晶岩脉在(近)地表的含矿性进行评价,对伟晶岩脉之间的关联关系进行整合,并探寻新的找矿线索。

为了评价测区内含矿伟晶岩脉深部矿化情况,在穿越测区γρ47与γρ46号伟晶岩脉的11号测线上部署了地气测量。

为了检测综合地气方法的有效性,研究矿致异常的特征,同时为黄柏山测区的异常分析解释提供必要的依据,在黄柏山测区综合地气测量工作开始前,在地域上相邻、地质条件相同的仁里矿区布设了一条垂直于γρ5号伟晶岩矿脉的44线进行可行性实验。

为确保地气和X射线荧光测量结果间成果资料分析解释的可对比性,同时开展两种方法测量的测线上,采用了同线共点测量方案^[8]。

对于土壤X射线荧光测量,为了减少现场测量中的几何效应、矿化不均匀效应、颗粒度效应等影响^[9],选择了在野外取样,并在室内稍加处理后进行测量的技术方案。采样时,为保证采集B层土壤,根据测区腐殖质(A)层分布在0~25 cm的情况,统一取30 cm坑底细粒土壤100 g。取回的土壤样品经阴干筛选出80~100目细粒部分装杯,填装为饱和厚度样品。

处理后的土壤样品使用Oxford生产的X-MET7500型手持式X射线荧光仪进行测量。这种仪器能够同时分析地质样品中30种以上的元素及其含量^[9]。为了确定需要和可以测量的元素,对测区11号测线矿体上方的18号测点以及背景区的74号测点的土壤样品进行了谱线测量,并检测出了17种元素。通过地球化学原理分析,最终选择14种元素作为仁里矿区及外围X射线荧光测量的荧光元素。表1列出了所确认的测量元素的相关信息。

在完成所有土壤样品的测量后,对研究区11号测线上的18个测点(占全体测点的5.56%)样品中K、Fe、Rb进行了重复测量,K的测量值相对偏差范围是0.4%~3.6%,平均值为1.4%;Fe的测量值相对偏差范围是0.1%~1.2%,平均值为0.3%;Rb的测量值相对偏差范围是0.1%~4.3%,平均值为1.1%。3组数据测量结果最大相对误差小于5%,结果可靠。

考虑到地气探测对象为边界品位仅万分之几的稀有金属矿,研究区采用了提高探测灵敏度的动态地气测量^[10]。该动态地气采样装置由采样器、干燥器、捕集器和抽气泵组成,各部分用硅胶导管连接。采样时,利用泵的抽吸作用,将游离于覆盖层空隙内的地气物质经采样器吸入捕集器,使之被液态捕集剂俘获,成为地气样品。地气采样深度在地表覆盖层50 cm深处,采用双捕集器串联以增加采样量,抽气速度为2 L/min,每个测点采样时间为30 min^[10]。

除采样装置中安置有两重微尘过滤外,地气样品处理时,对动态地气采样获得的样品还通过外观做判断,对采样瓶液体中出现固体颗粒或者颜色发生了变化者,均加以剔除。然后进行低温浓缩,最后统一滴定为预先实验选定的体积。

预处理后的地气样品(液体)被送往中核集团北京地质研究院分析中心,采用最新一代ICP-MS(ELEMENT XR)等离子体质谱仪完成对样品的分析。

在分析过程中,除了检测矿物主要元素Li、Be、Nb、Ta外,也检测了其他常见金属元素和全套稀土元素。共分析了48种元素,其中有40种元素是有效的(表2)。

为了保证用于找矿的地气测量结果的可靠性,对44线51个测点的主要地气指示元素Li、Be、Nb、Ta测量结果进行了统计,结果列于表3。

从表3可见,51个测点Be元素测量结果的平均值是空白样值的103倍,Li、Nb分别为25.7与14倍,Ta只有3.5倍,可以认为对Be的地气测量结果是完全可靠的,Li、Nb有较好参考价值,Ta只能参考。为此,在后文将以Be为主对地气测量结果进行分析。

因为同属相同地质单元,黄柏山地区花岗伟晶岩稀有金属矿的类型应该与仁里相同,换言之,依据仁里矿床上获得的综合地气异常特征,可以用来评价研究区的综合地气测量资料。

依据仁里矿区穿越已知矿脉γρ5的44线上开展的土壤X射线荧光与地气测量数据,按同一矿区作为一个地质背景单元的原则统计荧光元素和地气元素的平均值,并将其换算成衬度值作为成图参数,编制了仁里矿区44线土壤X射线荧光多元素测量综合剖面图(图3)及仁里矿区44线地气测量结果推断解释图(图4)。

44线全线均为第四系浮土覆盖区。X射线荧光测量捕获了X-1偏高区及X-2异常区(图3)。X-1偏高区位于隐伏含矿伟晶岩脉在地表投影位置的正上方,区内Rb、Nb、Ta呈偏高显示,Zr呈负异常;X-2异常区与已知矿脉位置一致,区内Rb有明显异常,Nb、Ta依然呈偏高显示,Zr与矿体主元素Nb、Rb、Ta间的反变关系明显,呈负异常。44线土壤X射线荧光测量可行性试验结果表明,对研究区这样植被发育、浮土覆盖广泛的区域,指示元素的幅度值普遍偏低,但同时Rb、Nb、Ta异常(偏高)与Zr缺失造成的负异常(或低值)区,对含矿伟晶岩脉的位置会有较好的指示效果。而含矿伟晶岩脉区会出现Zr缺失,这是因为伟晶作用中Zr能形成M₂[RF₆]型络合物Na₂[ZrF₆],其溶解度较大,会在气液中迁移出伟晶岩^[11],导致伟晶作用后期形成的伟晶岩矿脉中Zr的缺失。根据矿体上方X射线荧光异常特征,在黄柏山开展土壤X射线荧光测量时,采用了归一化(Rb+Nb+Ta)/Zr(均为衬度值,下同)做参数,以便进一步提高捕获X射线荧光异常的幅度,提高利用X射线荧光测量信息发现找矿线索的灵敏度。

44线除了在已知矿脉上方捕获到X-1、X-2两个X射线荧光异常(偏高)区外,在矿脉倾覆一侧根据地气测量稀有金属簇元素Li、Be和Nb的结果, 捕获到了D-1、D-2两个以Be为主的地气异常区(图4)。

地气异常具有连续性差,离散性起伏跳动较大的特点,但在矿体上方会形成一定的异常区域^[12]。由于地气物质的垂向迁移特性,这些异常区的异常实际来自不同深度的矿体。

根据地气异常分布特征,D-2异常是γρ5号伟晶岩矿脉深部含矿性的反映,其具有相当高的Be异常,异常平均值远高于剖面左侧隐伏伟晶岩矿脉上方的D-1异常,最高异常值达到背景值的49倍。依据测线坐标,计算出D-2异常的水平宽度约为400 m(见图4),根据γρ5号伟晶岩矿脉倾角在45°左右,推测矿脉垂直延伸深度至少达到400 m,γρ5号伟晶岩矿脉倾伏端延伸长度不会少于560 m。地气测量结果对γρ5号伟晶岩深部含矿性及延伸深度、长度的预测结果,与γρ5号伟晶岩矿脉钻探工程结果基本吻合。

D-1异常是测线左侧隐伏矿脉产生的异常,依据D-1异常推测,该矿脉沿倾覆方向也应该有较大的延长与延深。鉴于没有钻探资料对比,对此异常不做进一步讨论。

通过对仁里矿区44线开展综合地气测量研究,可以得出以下结论:联袂应用X射线荧光测量与地气测量构建的综合地气测量技术方法对花岗伟晶岩稀有金属矿的探测是有效的。依据X射线荧光测量捕获的(Nb+Ta+Rb)/Zr异常,中心位置通常处于伟晶岩脉顶部在地表的投影范围之内。依据矿脉的产状及地气测量捕获的矿体元素产生的异常区域宽度,可以对矿脉延伸的深度进行初步的判断(假定倾角不会发生改变)。

根据仁里矿区44线综合地气探测研究,依据黄柏山测区6条测线上实测获取的396个测点的土壤X射线荧光测量数据进行衬度处理后,将每一测点的(Nb+Ta+Rb)X射线荧光测量累加值作为主要找矿指示,编制了黄柏山测区的(Nb+Ta+Rb)/Zr归一化累加比值平面等值(图5)。

由于测区为植被发育浮土全覆盖区域,探测对象为有一定覆盖层的隐伏矿体,测量获取的指示元素的幅度值普遍较低,无法按传统的地球化学规范圈图,为此采用了背景值加2倍标准差为异常下限。理论上这样划定的异常区为真异常的置信概率已达到95%以上,而现场考察表明,所圈出的异常与研究区实际地质情况是相符合的。

在11号测线上针对探寻γρ47号等伟晶岩脉深部含矿性而开展的地气测量,获取了51个测点的地气测量数据,图6采用矿体元素Li、Be、Ta、Nb的地气测量数据,经衬度处理后编制了11号测线地气测量综合剖面图。

从图5可见,X射线荧光测量捕获了5个与地层走向一致的X射线荧光异常带。下面逐一对5个异常的找矿意义进行分析与推断解释。

①~③号异常带位于γρ47号伟晶岩脉的北侧(图5),其中①、③号异常带是新发现异常,分别位于测区西北区域与东南区域;②号异常位于①号异常带之东南,其西北端起于推测断裂F₁之东南侧,东南端止于F₂断裂处,位于③号异常之西北,长度超过600 m。②号异常西北端与γρ46号伟晶岩脉空间位置契合,东南端与γρ48号空间位置一致,②号X射线荧光异常带可能给出了γρ46与γρ48号两条伟晶岩脉实际应该是同一条脉的依据。根据①~③号异常带分别分布于F₁断裂之西北(①号异常)、赋存于F₁与F₂之间(②号异常)、位于F₂断裂之东南(③号异常),且3个异常带长轴方向大致可以连接为同一方向的情况,可以推测3个异常带应该是同一条伟晶岩矿脉被F₁与F₂错断成3段后,对3段伟晶岩矿脉的异常反应。由于①号异常西北端没有圈闭,③号异常东南端没有圈闭,沿①号异常带向西北、沿③号异常带向东南,仍然有进一步找矿的空间。

④号异常带从西北向东南穿越整个测区,长度约2 000 m。该异常带西北端与γρ47号伟晶岩脉空间位置完全一致,无疑γρ47号伟晶岩脉是其异常源。④号异常带给出的找矿意义不仅在于将γρ47号伟晶岩脉在测区内向东南方向延伸了800 m,还可以根据该异常带不仅与测区外围东南角的γρ1号伟晶岩脉走向一致,且长轴方向与γρ1号伟晶岩脉可以完美契合连接的情况,提供将γρ47号伟晶岩脉与γρ1号伟晶岩连接的证据(图7)。

⑤号异常带为新发现的异常,位于γρ47号伟晶岩脉的南侧,长度超过1 000 m(图5)。根据该异常西北端未圈闭,其长轴方向与测区外围西北方向的γρ49号伟晶岩脉的走向方向在同一条线上(见图7),推测⑤号异常带应该是γρ49号伟晶岩脉向东南方向延伸的脉体所引起,该脉体应该是具有价值的含矿伟晶岩脉。

11号测线上开展的地气测量捕获到D-1、D-2两个地气异常区,这两个异常区分别分布在γρ47与γρ46号伟晶岩脉的倾覆一侧上方(图6),给出了两条伟晶岩脉深部含矿的判断依据。

两个异常区中Be元素幅度最高的地气异常有3处,右侧两处分别对应γρ46与γρ47号伟晶岩矿脉的近顶部位置,这种空间上的契合,既说明两条伟晶岩脉近地表的上部区域Be比较富集,也给出了隐伏伟晶岩矿脉顶部在地表投影位置判断的依据。据此,可以推测依据X射线荧光资料推断存在的γρ49号脉的隐伏延伸脉体在11号测线上的顶部在地表的投影区域位于测线200 m左右,这与依据地表X射线荧光异常位置给出的推断基本一致。

分析地气捕获的D-1异常(图6),异常水平宽度约450 m,考虑异常右侧离矿脉顶部位置还有约100 m,矿脉倾角为45°,推测测区主矿脉沿倾覆方向最大延伸超过700 m。且矿脉下部以Ta、Nb富集为主。

通过在仁里矿区已知矿体上方的综合地气测量研究,以及仁里矿床外围黄柏山测区的综合地气勘查技术的应用研究表明,综合地气勘查技术对仁里及仁里类型的花岗伟晶岩型稀有金属矿的勘查是有效的。可以得出以下几点结论:

1)浅覆盖或出露地表的含矿伟晶岩脉是Rb、Nb、Ta土壤X射线荧光异常的异常源,在含矿伟晶岩脉的上方,还可以测量到Zr的负异常,据此,可以依据前述3种元素的X射线荧光正异常,以及Zr的X射线荧光负异常评价伟晶岩脉顶部的含矿性。并依据所捕获(Rb+Nb+Ta)/Zr的X射线荧光异常带的空间分布位置、走向、长度,给出含矿伟晶岩脉的位置、走向与控制长度推断。

2)在伟晶岩矿脉倾覆一侧,矿体元素Li、Be、Nb等是地气异常的异常源。被评价伟晶岩脉在其倾覆一侧出现前述元素跳动大的多种矿体元素的地气异常,是推断该伟晶岩脉深部含矿的依据。根据矿体元素地气异常区域确定的异常宽度,以及所掌握的伟晶岩脉的倾角,可以对该含矿伟晶岩脉的大致埋深深度及矿脉延伸长度做出推断解释。

3)在黄柏山测区开展的综合地气测量取得一批有价值的找矿成果:根据新发现的X射线荧光①、③、⑤号异常带提供了新的找矿靶位;不仅提供了γρ46与γρ48号伟晶岩应该为一条脉的连接证据,还提供了该伟晶岩矿脉因断裂而发生错位可能存在隐伏的西北段与东南段伟晶岩矿脉的证据,加上新发现的西北段与东南段,可能将该含矿伟晶岩脉的长度总计延伸1 200 m;根据④号X射线荧光异常带的分布,给出了γρ47号含矿伟晶岩延伸穿越测区后与东南方向测区外的γρ1号伟晶岩脉是同一条脉的依据,可能使得γρ47号含矿伟晶岩脉总计延长长度超过1 600 m;根据11号测线地气测量捕获的矿体元素异常区,可以推断测区内γρ47号主矿脉深部的延伸长度超过700 m。

鉴于地气测量的效率较低,成本过高,在矿区外围或其他远景区找矿时,可以先按一定比例尺布设测网开展土壤X射线荧光测量,以确定含矿伟晶岩脉的位置与走向,然后,通过在X射线荧光捕获的主异常上开展地气测量;确定伟晶岩脉的深部含矿性,并依据伟晶岩晶岩脉的产状推测可能的矿化延伸深度,从而提高找矿效率。