γ能谱法在安徽皖南地区萤石矿勘查中的应用

doi:10.11720/wtyht.2025.1172

γ能谱法在安徽皖南地区萤石矿勘查中的应用

连相宇¹^,², 罗见兵¹^,²

1.安徽省核工业勘查技术总院,安徽芜湖 241000

2.安徽省地质矿产勘查局放射性资源与环境工程研究中心,安徽芜湖 241000

Application of gamma-ray spectrum method in the exploration of fluorite deposits in southern Anhui Province, China

LIAN Xiang-Yu¹^,², LUO Jian-Bing¹^,²

1. Anhui Nuclear Exploration Technology Central Institute, Wuhu 241000, China

2. Radioactive Resources and Environmental Engineering Research Center of Anhui Bureau of Geology and Mineral Resources, Wuhu 241000, China

第一作者: 连相宇(1993-),男,河南林州人,硕士研究生,工程师,长期从事地球物理勘查及放射性调查评价工作。

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2024-04-12 修回日期: 2024-07-26

基金资助:

安徽省公益性地质工作项目“安徽省宣城地区萤石矿资源调查评价项目”(2021-9-1-3)

Received: 2024-04-12 Revised: 2024-07-26

摘要

本次研究使用便携式γ能谱仪在安徽皖南地区进行剖面能谱测量,利用地质体内存在天然放射性元素的种类和数量的差异,将U、Th、K特征参数折线统计图与地质地形图进行对比,进一步明确矿体的赋存部位,同时研究γ能谱在萤石矿勘查中的适用性,并对测量参数及异常值判定提供经验性建议。实验结果表明,伽马能谱法能够应用于萤石矿产勘查,其中Th可以作为主要指示元素,表现为低值异常,与矿体对应程度较好,同时适用于其他赋存围岩条件。论文同时从环保领域进行分析验证,计算证明了萤石脉矿体所致γ辐射剂量率远小于本底值,可作为找矿初步判断依据。

关键词： γ能谱; 萤石矿; Th低值异常; γ辐射剂量率

Abstract

This study conducted a profile spectrum survey in the southern Anhui Province using a portable gamma-ray spectrometer. Based on the differences in types and quantities of natural radioactive elements present in geological bodies, this study compared the stack plots of the characteristic parameters of U, Th, and K with geologic-topographic maps to further delineate the occurrence locations of ore bodies. Additionally, this study investigated the applicability of gamma-ray spectra to the exploration of fluorite deposits and provided empirical suggestions for parameter surveys and anomaly determination. The experimental results indicate that gamma-ray energy spectroscopy applies the exploration of fluorite minerals. Notably, Th can be used as a primary indicator, exhibiting low-amplitude anomalies, which correspond well with ore bodies. Besides, this element is applicable to other surrounding rock conditions. The analysis and verification from the perspective of environmental protection revealed that the gamma-ray radiation dose rates induced by fluorite vein ore bodies are far lower than their background values and can be used as a preliminary basis for ore prospecting.

Keywords： gamma-ray spectrum; fluorite deposit; low-amplitude Th anomaly; gamma-ray radiation dose rate

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本文引用格式

连相宇, 罗见兵. γ能谱法在安徽皖南地区萤石矿勘查中的应用[J]. 物探与化探, 2025, 49(3): 609-613 doi:10.11720/wtyht.2025.1172

LIAN Xiang-Yu, LUO Jian-Bing. Application of gamma-ray spectrum method in the exploration of fluorite deposits in southern Anhui Province, China[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(3): 609-613 doi:10.11720/wtyht.2025.1172

0 引言

伽马能谱测量作为一种放射性地球物理找矿方法,主要通过测量地质体中铀、钍和钾的含量, 并计算w(Th)/w(U)、w(Th)/w(K)、w(U)/w(K)比值,结合标准偏差及变异系数进行成图分析的。与此同时,将得到的靶区U、Th、K特征参数折线统计图与该靶区地质地形图及相关资料进行对比分析,判断异常原因,进一步明确矿体的赋存部位。

随着我国工业化进程的加快,矿产资源储量正显著减少,矿产品的进口数急剧提升,供需关系平衡被打破,其中部分与我国民生相关的重要矿产对外依存度上升,资源约束已经成为我国经济发展的阻碍之一。萤石作为我国重要的战略性矿产资源,其原料产品被广泛用于材料、能源等领域,相关产业的发展也积极推动了萤石矿产资源需求与日俱增。但目前我国萤石矿产资源保障程度正缓慢降低,萤石矿产资源勘查力度有待提升。根据《重要矿产和区域成矿规律研究技术要求》,安徽省萤石储量位于全国前6,是环太平洋成矿带最著名的萤石矿产地之一^[1]。皖南作为安徽省萤石矿最集中的产地,与其独特的区域地质构造背景及成矿地质条件密切相关,尤其是与该区燕山期独特的构造岩浆活动有关^[2]。

地面伽马能谱法是一种放射性勘查方法,在矿产勘查领域中主要通过现场测量地表及岩石中的U、Th、K、TC的含量以及各参数比值的变化来研究规律^[3-4]。在矿产勘查领域,通常采用便携式γ能谱仪测量铀、钍、钾特征谱段的γ射线,利用铀系、钍系和钾所释放的γ射线能量的显著差别来进行解谱分析,通过不同地质体中放射性元素含量差异,推断地表或近地表隐伏矿体的规模,该方法目前被广泛用于铀矿、金矿、铜矿、铝土矿等固体矿产勘查中^[5-6]。

1 仪器设备

本次研究采用由美国RSI公司生产的RS-230手持式能谱仪,该仪器采用BGO(锗酸铋)晶体,性能约为同体积碘化钠晶体的3倍,工作温度为-20~50 ℃,能量响应为30~3 000 keV,具有自动稳谱功能,无须手动调节,无须放射源标定,内置可更换电池,体积小,质量轻,拥有连续测量模式、定点测量模式和扫描模式,便于在野外环境下工作使用。

2 区域地质概况及萤石成矿分析

调查区位于扬子陆块,主体位于江南地块皖南褶断带,北西部边缘属下扬子地块南缘褶断带,南东部边缘属浙西地块昌化褶断带。区内以陆相盆地红色沉积为主,白垩系局部见火山岩。其中南华系休宁组、南沱组,震旦系—寒武系,石炭系高骊山组,二叠系栖霞组和孤峰组,下白垩统广德组等层位可构成区内萤石矿围岩地层,与成矿关系相对较为密切。调查区断裂构造十分发育,在空间上有一定的方位组合,主要有近EW向、NE向、NNE向、NW向和近SN向5组。区内侵入岩主要为燕山期中酸性侵入岩,且多为以中酸性花岗闪长岩—二长花岗岩—钾长花岗岩组合为主的大型复式侵入体。

萤石矿的主要成分是Ca₂F,氟元素在岩浆岩中含量相对较高,沉积岩次之,变质岩相对较低。我国萤石矿床90%与燕山期造山运动有关,且又以燕山晚期的岩浆活动对成矿更为有利,与中酸性—酸性岩浆岩有关的萤石矿床储量占我国萤石矿总储量的50%^[7]。结合前人工作总结推断,调查区以中酸性花岗闪长岩—二长花岗岩—钾长花岗岩组合为主的大型复式侵入体,具有萤石矿找矿潜力^[8-9]。

3 技术路线及质量控制

本次研究使用便携式γ能谱仪沿设计测网进行逐点测量。在调查区内典型地段布置2~3条地质—γ能谱精测剖面,剖面选在基岩出露好、通过主体异常中心部位并兼顾已知异常覆盖区,穿过区内主要地层、岩体和构造,穿过主要岩石类型分布区。本次采用精测剖面方法,测点采用20 m间距,配合地质调查剖面进行测量。

使用GPS定位软件确定测量位置经纬度并记录后,将仪器探头垂直放置于相对平坦的地面上,尽可能保证半无限空间(2π)的几何条件,测量时间为180 s,测量结果填入原始记录,对于数据异常地区要详尽记录测点的地质环境条件,具体测量方法遵循《地面伽马能谱测量规范》(EJ/T 363—2012)。

为了确保仪器设备在长期存放及高温连续工作后的稳定性,本次研究分别于开工前及连续工作一个月后进行了短期仪器稳定性检查工作,使用方法为方差对比法,即在测区基准点或工作模型上,在相同的测量条件下重复测量100次,通过贝塞尔函数计算观测值的标准偏差,得到钾的A类不确定度为1.77%,铀的A类不确定度为0.83%,钍的A类不确定度为1.81%,误差符合放射性统计规律。

为了确保每日检测数据真实可靠,每天出工前和收工后找固定点位测量仪器各道的计数率,将每次测量平均值与开工前已取得的各测量道平均值进行对比,结果显示钾、铀、钍含量相对误差均不超过±10%,符合规范要求。且项目开工前,将γ能谱仪送到石家庄国防科技工业1313二级计量站进行检定,结果为合格。

4 测量结果

在安徽省皖南某调查区内开展地面γ能谱剖面测量,及时记录U、Th、K数据。通过计算w(Th)/w(U)、w(Th)/w(K)、w(U)/w(K)比值,结合标准偏差及变异系数,将得到的靶区U、Th、K特征参数折线统计图与该靶区地质地形图进行对比,分析、判断异常值产生的原因,进一步明确矿体的赋存部位,判断地面γ能谱剖面测量在萤石矿产勘查中的有效性和适用性。与此同时,为了依据异常数值划定异常区域,通常选择迭代法确定异常上、下限值,即基于测量数据符合正态分布时,对不符合的数据进行剔除,从而得到满足正态分布的数据,对所有满足分布的数据计算平均值和标准差,然后确定异常上、下限值,本文以平均值±1.5倍标准差的方法来确定异常上、下限值^[10]。

从所有γ能谱剖面测量线路中,选择具有已知矿体且地质情况相对简单的两条线路,分别命名为1号线和2号线。将两条线路的地面γ能谱变化曲线和地质实际情况放在同一横坐标轴上进行统一对比,如图1和图2所示。

图1

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图1 γ能谱测量1号线剖面

Fig.1 γ Spectral measurement profile of line 1

图2

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图2 γ能谱测量2号线剖面

Fig.2 γ Spectral measurement profile of line 2

图1为1号线路,地质实际情况简述如下:1号线路全长520 m,主要为花岗闪长岩,在50~110 m、360~420 m处表面具有残坡积层,在280 m位置存在一处萤石矿脉,并伴随有硅化及萤石矿化现象。分析1号线路γ能谱数值变化可以得出,U、Th、K的曲线变化规律具有一致性,背景值分别为2.81×10^-6、8.54×10^-6、2.41%,主要是二长花岗岩的高背景值导致,属于正常水平,而w(Th)/w(U)、w(Th)/w(K)、w(U)/w(K)的曲线变化未发现明显规律。相较于U、K含量变化,Th的含量变化程度改变更大。研究其中Th含量曲线变化规律可知,Th含量在萤石矿脉对应位置处出现低值异常,与矿体对应程度良好。其中Th含量的标准偏差为2.02×10^-6,计算得到萤石矿脉位置处的Th含量均为异常值,最低处仅为2.6×10^-6。

图2为2号线路,地质实际情况简述如下:2号线路全长520 m,主要为花岗闪长岩,在0~200 m处表面具有残坡积层,在260~520 m处地表存在高岭土化现象,在220 m位置处存在一处石英脉,并伴随有萤石矿化及绿泥石化现象。分析2号线路γ能谱数值变化可以得出,U、Th、K的曲线变化规律具有一致性,背景值分别为2.77×10^-6、10.43×10^-6、2.68%,主要是二长花岗岩的高背景值导致,属于正常水平,而w(Th)/w(U)、w(Th)/w(K)、w(U)/w(K)的曲线变化未发现明显规律。相较于U、K含量变化,Th的含量变化程度改变更大。研究其中Th含量曲线变化规律可知,Th含量在萤石矿脉对应位置处出现低值异常,与矿体对应程度良好。其中Th含量的标准偏差为2.46×10^-6,计算得到萤石矿脉位置处的Th含量均为异常值,最低处仅为0.7×10^-6。

对比图1和图2可知,Th含量出现最低值,其数值受到测量位置、土壤情况、天气温度等情况影响,并不能代表萤石矿化情况,仅能作为判断方法,具体还需要结合化探取样调查分析。

5 适用性分析

为了更好地分析γ能谱变化规律,分析Th低值异常是否适用于其他赋存围岩情况,本文对测量过程中遇到的不同岩石进行取样测量,每种岩石取样数为10件,并参考其他岩石U、Th、K含量统计值,对比不同岩石的U、Th、K含量如表1所示。

表1 不同岩石U、Th、K测量值统计

Table 1 Statistical of U, Th and K measurement values for different geological bodies

岩石	w(K)/%		w(U)/10^-6		w(Th)/10^-6		备注
岩石	范围	平均值	范围	平均值	范围	平均值	备注
萤石矿石	0.7 ~ 1.3	1.1	0.8 ~ 2.1	1.7	0.7 ~ 4.3	3.3
花岗闪长岩	1.6 ~ 3.0	2.2	2.6 ~ 5.4	3.8	8.3 ~ 12.2	9.2
地表覆盖层(土壤)	1.7 ~ 3.4	2.4	2.2 ~ 4.7	3.2	7.9 ~ 12.8	9.7
砂板岩^[10]	1.6 ~ 2.4	1.9	1.5 ~ 2.5	2.1	4.9 ~ 8.5	7.0
黄土或亚黏土^[10]	2.2 ~ 2.7	2.3	1.6 ~ 3.3	2.4	7.2 ~ 10.8	8.8
灰岩^[11]	2.8 ~ 4.9	3.6	2.8 ~ 5.5	3.9	14.8 ~ 54.7	28.5
酸性喷出岩^[12]	1.0 ~ 6.2	3.1	0.8 ~ 16.4	4.1	1.1 ~ 41.0	11.9
酸性侵入岩^[12]	0.1 ~ 7.6	3.1	0.1 ~ 30.0	4.1	0.1 ~ 253.1	25.7
中性侵入岩^[12]	0.1 ~ 6.2	2.1	0.1 ~ 23.4	3.2	6.4 ~ 106.0	12.2
化学沉积岩^[12]	0.02 ~ 8.4	0.6	0.0 ~ 26.7	3.6	0.03 ~ 132.0	14.9	包含碳酸盐岩
碎屑沉积岩^[12]	0.01 ~ 9.7	1.5	0.1 ~ 80.0	4.8	0.22 ~ 362.0	12.4
变质火成岩^[12]	0.1 ~ 6.1	2.5	0.1 ~ 148.5	4.0	0.11 ~ 104.2	14.8
变质沉积岩^[12]	0.01 ~ 5.3	2.1	0.1 ~ 53.4	3.0	0.11 ~ 91.4	12.0

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由表1可以得出,调查区萤石矿石的Th平均含量仅为3.3×10^-6,远小于上述其他岩石,说明地面伽马能谱法不仅仅适用于安徽省皖南地区萤石矿产勘查。不同围岩赋存条件下的Th含量值越高,两者数值差越大,伽马能谱法的勘查效果越明显。

我国目前6大萤石矿预测远景区分别是四子王旗萤石矿预测远景区、冀北—辽西萤石矿预测远景区、豫南萤石矿预测远景区、皖南—浙西萤石矿预测远景区、浙中萤石矿预测远景区、闽北—粤东萤石矿预测远景区,主要包含花岗岩、灰岩、碎屑岩等^[1,11-12],其Th放射性含量均高于萤石矿石。邹灏等^[13-14]调查了浙江、内蒙、重庆等地区不同围岩赋存条件下的萤石矿区,发现萤石的放射性含量均远小于赋矿围岩,进一步证明了伽马能谱法在萤石矿勘查领域适用性良好。

6 矿体所致γ剂量率计算

多年来,放射性调查评价在地质和环保行业的研究相对独立,部分存在常用单位不统一、标准规范不一致的现象。本文从环保领域分析萤石矿产放射性情况,将地质行业与环保行业相互结合,计算萤石矿地表γ活度所致剂量率。

在1号线和2号线异常点位附近取样,使用BE6530高纯锗γ能谱仪进行测量,将测量结果与其他相同地质体位置的测量数据作对比。根据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB 18871—2002),得到的数据如表2所示。

表2 萤石脉矿伽马能谱测量值统计

Table 2 Statistics of gamma energy spectral measurements of fluorite vein mines

测量位置	⁴⁰K比活度/ (Bq·kg^-1)	²³⁸U比活度/ (Bq·kg^-1)	²³²Th比活度/ (Bq·kg^-1)	备注
1号线萤石脉矿附近	158.5	19.7	10.5	异常点附近取样测量
	167.4	20.8	11.3
	152.2	18.5	11.0
	183.4	22.4	12.5
	194.2	24.6	12.1
2号线石英脉附近	221.9	17.2	2.8
	249.5	19.7	2.9
	237.8	18.9	3.0
	204.7	15.3	2.8
	261.2	20.1	3.6
无异常点位	887.6	40.7	33.6

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根据表2可以得出,萤石脉矿的⁴⁰K、²³⁸U、²³²Th含量是远低于正常背景值的,尤其是K和Th的含量。根据能谱测量得到的U、Th、K含量,使用Beck公式计算地表γ辐射剂量率^[14],见式(1):

(1)

D_{γ} = K_{K} A_{K} + K_{U} A_{U} + K_{T h} A_{T h}

式中:D_γ为地表γ辐射剂量率,nGy/h;K_K、K_U、K_Th分别为⁴⁰K、²³⁸U、²³²Th的转化因子,(nGy/h)/(Bq/kg);A_K、A_U、A_Th分别为岩土中⁴⁰K、²³⁸U、²³²Th的比活度,Bq/kg。

根据国际辐射单位与测量委员会1994年53号报告书中设定的推荐值^[15],式(1)可转变为式(2):

(2)

D_{γ} = 0.0417 A_{K} + 0.462 A_{U} + 0.604 A_{T h}

。

根据公式计算可以得出,1号线萤石矿脉所致的γ辐射剂量率范围是21.24~27.01 nGy/h,2号线萤石矿脉所致的γ辐射剂量率范围是17.30~22.35 nGy/h,均远小于同地质条件下非脉矿体(无异常点位本底值)所致的γ辐射剂量率(76.11 nGy/h)。由此可以得出,萤石矿脉体所致γ辐射剂量率明显低于本底值,可作为萤石矿脉体的初步判断依据。

7 结论

笔者在安徽皖南萤石矿地区,通过地表γ能谱测量结果,把握各地质体尤其是萤石矿体的放射性情况,结合地质体及异常分布情况,了解断裂构造、含矿控矿构造放射性特征,了解隐伏区、覆盖区放射性特征及异常,推断可能存在的隐伏、掩盖断裂构造,含矿构造,为初步划分成矿远景区和进一步找矿提供依据。将地面γ能谱变化曲线和地质实际情况相比较,得到以下结论:

1)地表γ能谱法能够应用于萤石矿产勘查,其中Th可以作为主要指示元素,表现为低值异常,与矿体对应程度较好。

2)通过勘查过程,在保证测量效率和测量准确度的情况下,建议γ能谱测量时间为180 s,测量点距为20 m。使用迭代法确定异常上、下限值时,建议n取值1.5效果较好。

3)地面伽马能谱法不仅适用于安徽皖南地区萤石矿勘查,也普遍适用于其他赋存围岩条件,适用性良好。

4)从环保领域的角度分析计算,得出了萤石脉矿体所致的γ辐射剂量率远小于本底值,可作为前期找矿判断依据。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

赵鹏, 郑厚义, 张新, 等.

中国萤石产业资源现状及发展建议

[J]. 化工矿产地质, 2020, 42(2):178-183.

[本文引用: 2]

Zhao

, Zheng

H Y

, Zhang

, et al.

Resource actualities and demand countermeasures of fluorite in China

[J]. Geology of Chemical Minerals, 2020, 42(2):178-183.

[本文引用: 2]

[2]

郑大中, 郑若锋.

萤石成矿机制的探讨

[J]. 四川地质学报, 2005, 26(3):149-155.