新疆哈密境内的红岭勘查区是新疆有色地质局七○四队所属的铜(钼)矿勘查区^[1],在寻找铜(钼)矿过程中,先后发现了多条伟晶岩脉。综合分析勘查区地质资料后发现,该勘查区与相邻的著名伟晶岩稀有金属矿床——镜儿泉锂矿床同属相同的大地构造位置,区内地层岩性也相似,地球化学环境相同,具有寻找伟晶岩型稀有金属矿的前景。

在国家重点研发计划项目(2017YFC0602701)支持下,成都理工大学综合地气技术课题组与新疆有色地质局七○四队联合组队,采用综合地气测量技术方法,对红岭勘查区的主要伟晶岩脉的含矿性进行了评价。

红岭勘查区所处大地构造位置位于天山兴蒙造山系、准噶尔—吐哈地块、觉罗塔格晚古生代沟弧带、Ⅳ级构造单元康古尔海槽。勘查区成矿带位于康古尔—土屋—黄山Cu-Ni-Ti-Au-Ag-Mo-Pb-Zn-稀有(RM)—硫铁矿—硅灰石—玉石矿带^[1]。区域地层主要为古元古界星星峡组和第四系。勘查区内出露的岩浆岩主要以酸性的侵入岩为主,中性侵入岩次之,其中以中三叠世侵入岩为主,次为早石炭世二长花岗岩^[2]。

目前勘查区圈定出伟晶岩脉32条,长10~320 m不等,宽2~40 m不等,走向在70°~90°之间。区内伟晶岩脉绝大多数呈脉状产出,正地形隆起,与围岩呈侵入接触,多顺层产出,局部与围岩呈切层。伟晶岩脉整体分带性较好,由内向外岩相分带为块体石英核、云母巢、云母石英长石带、文象带,个别脉体分带性一般。围岩以二长片岩为主,其次为斜长片麻岩、黑云长英质角岩,岩脉与围岩接触部位多受风化作用影响,坡积较多,界限不清(图1)。

红岭勘查区的找矿工作以剖面控制的方式开展,部署的所有剖面线上均采用同线共点方式同时开展土壤X射线荧光测量与动态地气测量,获取综合地气测量所需的两种探测信息。其中土壤X射线荧光测量用于评价伟晶岩脉浅部的含矿性,地气测量用于评价伟晶岩脉深部的含矿性。

为了提供红岭勘查区综合地气测量资料评价依据,红岭勘查区的综合地气测量工作分两阶段进行:

第一阶段,以相邻的镜儿泉锂矿床为标准,在镜儿泉1号伟晶岩矿脉上布设穿越该矿体的剖面开展综合地气测量,获取矿体上X射线荧光与地气异常的元素组合特征、空间分布特征等信息,据此获取红岭地区伟晶岩稀有金属矿的综合地气异常识别依据与标志。

第二阶段,在红岭勘查区开展综合地气测量,并应用镜儿泉矿床上获取的综合地气异常识别依据与标志做判据,对勘查区综合地气测量资料进行评价解释。

根据红岭勘查区的地质情况,依据伟晶岩脉的走向,可以将区内的主要伟晶岩脉分为两组:第一组为赋存在测区西北部二长片岩中的伟晶岩脉,其走向大致为EW向(见图1);第二组为赋存在测区东南部片麻岩中的伟晶岩脉,走向大致为NEE向。

红岭勘查区内的地气综合探测工作以评价两组伟晶岩脉的含矿性为目的,为此设计了2条综合地气测线。

为控制第一组伟晶岩脉,在测区西北部布设了HH-01测线。测线方位角90°,控制长度510 m,穿越地表见矿的γρ1、γρ2、γρ4、γρ12号伟晶岩脉(图1)。HH-01测线按基本点距20 m,伟晶岩脉及其相邻区域点距加密到10 m的方案,布设测点41个。

为控制第二组伟晶岩脉,在勘查区南部布设了HH-02测线。测线方位角120°,控制长度460 m,穿越γρ14、γρ16、γρ17、γρ18号伟晶岩脉(图1)。HH-02测线亦按基本点距20 m,伟晶岩脉及其相邻区域点距加密到10 m方案,布设测点42个。

研究区地处戈壁滩干旱荒漠地球化学景观区,自然环境恶劣。为了减少现场开展X射线荧光测量时无法避免的不平度效应、矿化不均匀效应以及颗粒度效应,X射线荧光测量采用了取样后稍作处理再在实验室开展测量的方案^[3]。

根据土壤地球化学测量规范,野外工作时,选择采集B层土壤的细粒部分^[4]。为了保证每个测点采样条件的一致性,兼顾考虑戈壁地貌以及工作效率,在实际工作中,采用了统一的40 cm采样深度,采集较粗粒样品100 g。回野外驻地后,过筛分选出40~60目粒级土壤,直接装杯成饱和厚样品加以测量,每样测量时间120 s。

X射线荧光测量采用了英国生产的牛津X-MET7500型手持式X射线荧光仪^[5]。这是一种采用微功耗铑靶X射线光管为激发源与硅漂移探测器的数字多道手持式X射线荧光仪,样品中某种元素的含量越高,单位体积内该元素的原子数量也会越多,激发原子后发出的特征X射线也越多,因此仪器测量得到的特征X射线计数率与该元素在物质中的含量成正比关系^[6]。

经对镜儿泉与红岭已知矿体采样点、背景区采样点样品实测X射线荧光谱线分析,仪器在该地区可检测出K、Ca、Cr、Mn、Fe、Ni、Zn、Pb、Rb、Sr、Zr、Y、Nb、Ba元素的相关信息。从地球化学角度考虑,最后选择Y、Ba、Zr、Sr、Rb、Zn、Ni、Fe、Mn、K为荧光指示元素。

地气测量采集由地球内部垂直上升的气流所带出的纳米微粒^[7],以获取来自地下深处地质体的元素含量信息。研究区地气测量全套采用了文献[8]提供的“提高探测灵敏度的动态地气测量”技术。该动态地气采样装置由采样器、干燥器、双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30 min^[8]。

采集的地气样品运回实验室后,经浓缩处理后滴定成5 mL作为检测样品。然后统一送核工业北京地质研究院检测中心,采用最新一代ICP-MS (ELEMENT XR)等离子体质谱仪进行分析,共获得目标元素Cu、Zn、Pb、W、Mo、Bi、Mn、Co、Ni、Cr、Sr、Y、Cs、Li、Sc、Rb、Zr、Cd、Th、U、Ag、Au、As、Hg及稀土(La、Ce、Nd、Sm、Dy)等48种元素的浓度。

根据稀有金属矿的地球化学原理^[9],最后选择全套稀土及Li、Be、Rb、Nb、Y、Ti元素为勘查区地气指示元素。为了保证用于找矿的地气测量结果的可靠性,对红岭地区84个测点的主要地气指示元素Li、Be、Rb、Nb、Y、Ti测量结果进行了统计,结果列于表1。

为研究矿致异常特征,建立适合红岭地区综合地气测量资料推断解释的异常评价依据,在相邻且具有相同地球化学景观环境的镜儿泉伟晶岩锂矿床的Ⅰ号矿脉上布置了一条1 010 m的综合地气测线,命名为JH-1剖面(据前人资料,该剖面上仅Ⅰ号脉地表有矿化显示)。

采用第3节介绍的X射线荧光与地气测量技术方法,按基本点距20 m,伟晶岩脉及相邻区域加密至10 m,总计获得67个测点的X射线荧光与地气测量数据。将实测数据做衬度处理后,绘制了JH-1测线的土壤多元素X射线荧光测量综合剖面(图2)与地气测量综合剖面(图3)。

分析JH-1测线X射线荧光测量结果(图2),发现Ⅰ号矿脉上方有Rb、Mn、Fe、Sr、Zn、Ba的X射线荧光异常,以及Ni的偏高值峰。其中,Rb、Mn、Fe、Sr呈U型峰异常,即在Ⅰ号矿脉顶部在地表的投影位置两侧的紧邻区域都出现异常峰,Zn、Ba则为单峰异常。

这表明,可以将伟晶岩脉上出现空间位置契合的稀有金属元素Rb与上述金属元素的土壤X射线荧光异常,作为该伟晶岩脉浅部含矿的判断标志。

分析JH-1测线地气测量结果(图3),发现在Ⅰ号矿脉倾覆方向一侧上捕获了明显的Li、Be、Nb、Rb、Y、Ti地气异常,异常出现的位置符合地气测量与矿体间的空间关联关系^[6],即异常位于矿脉倾覆侧的上方。

地气探测结果说明了两个问题:①地气测量在该地球化学景观条件下探测伟晶岩稀有金属矿是有效的;②可以将符合前述空间位置捕获到的Li、Be、Nb、Rb、Y、Ti地气异常作为评价伟晶岩脉深部有矿(化)的依据。

依据红岭HH-01测线综合地气测量获取的数据,分别编制了红岭地区HH-01测线X射线荧光测量综合剖面(图4),以及地气测量综合剖面(图5)。

X射线荧光测量捕获了5个Rb元素的X射线荧光异常(图4)。①、②、③、④号异常呈单峰形态,分别位于γρ1、γρ2、γρ3、γρ4号伟晶岩脉顶部的正上方。在这些异常区内,伴生有 Zn、Mn、Ti、K元素的异常或偏高值。⑤号异常位于γρ12伟晶岩脉顶部上方。与Rb呈现吻合异常或偏高值的荧光元素有Ba、Zr、Ti,产出“U”字形异常的元素有Zn、Ni、Fe。综上所述,依据X射线荧光测量资料分析表明,γρ1、γρ2、γρ3、γρ4、γρ12号伟晶岩脉与镜儿泉Ⅰ号伟晶岩脉顶部出现的X射线荧光异常呈现的异常元素基本相同,可以评价这些伟晶岩脉浅部都含矿,与前期地质工作认识一致。

地气测量给出了有别于X射线荧光测量的结果,仅在γρ2伟晶岩脉顶部与γρ4伟晶岩脉倾覆一侧捕获到符合反映矿脉规律的多种成矿元素的地气异常(或偏高值)区(图5)。

γρ2伟晶岩脉顶部①号地气异常包括成矿元素Li、Be、Nb及Rb、Ti,与镜儿泉锂铍矿床的地气异常元素组合完全一致。但该异常空间分布位置不是在γρ2伟晶岩脉倾覆侧,而是在其顶部,不符合矿脉顶部难以产生显著成矿元素地气异常的前期认识^[10⇓-12],据此推测该异常很可能不是反映γρ2伟晶岩脉矿化的异常。分析红岭研究区地质(图1)可知,①号异常应该是γρ3号伟晶岩脉向西延的隐伏段部分经过HH-01测线所产生的结果,即①号异常的异常源是γρ3号伟晶岩脉。由于①号异常元素组合最好,且异常中6个指矿元素含量均较高,异常具有一定宽度(预示矿脉有相当延伸),特别是Be含量为全区最高值,Li也较高,据此可以推断,γρ3号脉具有找矿价值,特别是γρ3号脉的西端外延的隐伏部分,应该在探寻Li、Be矿的同时,注意关注Nb的寻找。

γρ4伟晶岩脉倾覆侧的②号异常区呈现了包括成矿元素Nb、Be以及Ti的地气异常,还有Li的偏高显示,特别是Nb是区内幅度最高的地气异常,可以评定该伟晶岩脉深部含矿。根据各元素在该地气异常区内距离岩脉顶部出露位置的远近(与该元素的矿化深度有关),可以推测该矿脉有可能有垂向分带,上部以Be矿化为主,深部以Nb矿化为主。

根据地气测量资料评定,同样地表含矿的γρ1、γρ12伟晶岩脉没有反映深部矿化的成矿元素地气异常,不具有进一步找矿价值。

HH-02测线控制的γρ14、γρ16、γρ17、γρ18号4条伟晶岩脉为未知性质伟晶岩脉。

从图6可见,X射线荧光测量分别在γρ16、γρ17以及γρ18号伟晶岩脉上方捕获到对应的①与②号X射线荧光异常。①号异常区内对应γρ16与γρ17号伟晶岩脉分别有一个幅度不高的单异常峰,②号异常伴有Zn、Mn、Ti、K元素的异常或偏高值,异常呈“U”字形。HH-02测线上的X射线荧光分析表明,γρ16、γρ17以及γρ18号伟晶岩脉在地表的X射线荧光元素组合特征明显与镜儿泉Ⅰ号脉基本相同,应该评价为浅部含矿的伟晶岩脉。

依据地气测量资料,HH-02测线捕获到2个可能有意义的地气异常。

鉴于异常的空间分辨率不足,图7中③号异常无法完全确认异常源究竟来自γρ16还是γρ17号伟晶岩脉,推测异常源来自于γρ16号脉深部矿化的可能性较大。鉴于地气异常元素组合中Rb、Ti异常幅度较明显,成矿元素Li、Be处于异常边缘,Nb没有矿化显示。结合X射线荧光与地气异常依据,推测γρ16号伟晶岩脉深部找矿意义不大。

很清楚,④号地气异常均源自γρ18号伟晶岩脉,异常的元素组合为Nb、Li、Rb、Ti、Y、Be,其中Be的异常峰出现位置与其他元素有错位,更接近γρ18号伟晶岩脉位置,表明在该矿脉中成矿元素可能存在垂向分带,Be可能主要富集在矿脉上部。

④号地气异常元素组合中的Nb和Be异常表明γρ18号伟晶岩脉的矿化有较大延伸,浅部以Nb、Be富集为主,较深部则以Nb为主。由于在该矿脉上捕获到的成矿元素的地气异常幅值均不高,建议对该伟晶岩脉先从地表出露部分加以解剖,如果该脉近地表矿化部分能够达到矿体工业品位,就值得向深部探寻储量。

1)在新疆哈密的戈壁干旱荒漠地球化学景观区,综合地气测量技术对于勘查类似于镜儿泉的伟晶岩稀有金属矿是有效的,其中土壤X射线荧光测量可以同时捕获到反映伟晶岩脉浅部矿化的Rb,以及Mn、Fe、Sr、Zn的异常或偏高值,而在矿脉倾覆一侧,地气测量可以同时捕获到反映深部矿化的Li、Be、Nb、Y、Ti等元素的地气异常,当空间上同时在伟晶岩脉顶部出现X射线荧光异常、倾覆一侧出现地气异常,则可以评价该伟晶岩脉具有找矿价值。

2)红岭勘查区应该重点关注赋存于二长片岩中、呈EW向分布的伟晶岩脉群。地表含矿的γρ1、γρ2、γρ3、γρ4、γρ12号伟晶岩脉群,经综合地气测量资料评价,仅γρ3、γρ4号脉倾覆一侧捕获到反映伟晶岩脉深部矿化证据的成矿元素的地气异常,可能具有找矿价值。其中隐伏通过测线的γρ3号伟晶岩脉具有与镜儿泉矿床相同的异常元素组合,应该是Li、Be矿脉;γρ4号伟晶岩脉可能以Nb矿化为主。

3)红岭勘查区赋存于片麻岩中,呈NEE向分布的γρ14、γρ16、γρ17、γρ18号伟晶岩脉群,经综合地气测量资料评价,γρ16、γρ18号伟晶岩脉顶部捕获到Rb及Zn、Fe、Ti元素形成的X射线荧光异常或偏高值,倾覆一侧有成矿元素的地气异常(γρ18号脉)或偏高显示(γρ16号脉),故此可以评价γρ18号脉为含矿脉。γρ16号脉可能有矿化,但是否达到工业品位无法判断。此外γρ14号脉虽顶部没有X射线荧光异常,但其倾覆一侧有成矿元素偏高显示,与γρ16号脉地质意义相同。