便攜式X熒光元素分析法在淺覆蓋區螢石礦勘查中的應用與分析
——以內蒙古烏力吉敖包螢石礦為例

李欣宇， 鄒 灝， 張 強， 韋紹裔， 王良坤， 張 燕, 楊 堅

(1.成都理工大學 地球科學學院，成都 610059；2.中國科學院地球化學研究所 環境地球化學國家重點實驗室，貴陽 550081；3.中國科學院大學，北京 100049；4.構造成礦成藏國土資源部重點實驗室，成都 610059;5.中國地質大學(武漢) 資源學院，武漢 430074)

0 引言

螢石作為一種重要的戰略性非金屬礦產，被廣泛應用于冶煉、玻璃、陶瓷等工業[1]。內蒙古地區不同規模的斷裂構造和巖漿活動分布廣泛，為我國螢石礦產的重要產出區。草原面積廣大且地形平坦，但草場覆蓋嚴重導致礦體絕大部分處在較淺的隱伏狀態，找礦工作難以開展，對于高效率的找礦方法方面還在不斷探索中，需開展多次現場驗證與效果分析。

X熒光元素分析技術早先應用于野外取樣帶回分析，根據元素異常開展進一步找礦工作。方乙、張鵬等[2-3]利用便攜式X熒光元素分析儀在內蒙古赤峰市林西地區進行螢石勘查工作，證明了其應用的有效性；趙春江等[4]采用攜帶式X熒光儀對土壤樣品進行測量，有效地發現隱伏花崗巖鈾礦異常。隨著X熒光技術的發展，現場X熒光元素分析技術取得較大進展，精度方面也在不斷提高，有望成為淺層覆蓋區找礦的有利手段。

筆者以內蒙古烏力吉敖包螢石礦為例，利用便攜式X熒光元素分析儀對淺層覆蓋區進行野外實地測量與后期成圖，并與礦區的實際情況進行對比，再結合甚低頻電磁法的勘查情況進行綜合分析，總結和評價便攜式X熒光元素分析儀在礦產勘查中的效果。

圖1 區域構造地質圖及礦區地質圖Fig.1 Geological map of regional tectonics and sketch of fluorite deposit(a)研究區大地構造位置；(b)研究區區域地質圖；(c)礦區地質圖

1 地質概況

1.1 大地構造背景

烏力吉敖包螢石礦位于西伯利亞板塊東南大陸邊緣增生帶附近，與華北板塊西北部大陸邊緣增生帶的交界部位(圖1(a))，二連浩特-賀根山深大斷裂附近[5]。主要出露中、新生代地層，其中侏羅紀、白堊紀和新近紀地層分布廣泛，部分被第四系覆蓋(圖1(b))。燕山時期主要發育雜色陸源碎屑巖，受太平洋板塊擠壓作用的影響，在中侏羅世形成較多的小型斷陷盆地和山間盆地，其中較大型的斷裂周圍廣泛分布小規模斷裂，后沿霍林河-烏蘭浩特一帶發育小規模火山活動，地層發生抬升剝蝕；晚侏羅世至早白堊世火山活動強烈，導致大量斷裂、褶皺的發育和頻繁的火山巖漿活動。燕山期的構造和巖漿作用在該區域形成多條地殼和超殼斷裂[6]，存在大量巖漿和汽水熱液上涌現象，伴有銅、鉛、鋅、螢石和稀土等礦產的形成，對于螢石的成礦條件十分有利。后期又發生抬升作用，地形平坦開闊，找礦前景巨大。

1.2 礦區地質特征

圖2 螢石礦體與礦石特征Fig.2 The characteristics of fluorite ore deposit and mineral(a)斜井下礦脈；(b)、(c)螢石與圍巖界限；(d)鉆探巖心；(e)、(f)螢石礦石

工作區屬于濱太平洋構造域，區內褶皺不發育，小規模斷裂較多，構造跡線呈NNE向。主要發育中酸性火山巖、火山碎屑巖夾火山碎屑沉積巖建造，侵入巖不發育，地層主要為下白堊統白音高老組(K1b)，巖性主要為晶屑熔結凝灰巖，SHRIMP年齡為133 Ma ～ 129 Ma[7]；西北和西南地區可見第四系全新統(Qhl)，主要為沖積亞砂土和湖泊堆積淤泥等。礦區內草場大面積覆蓋，覆蓋物的成分主要為細砂和粘土，深度2 m～10 m不等，屬于淺層覆蓋區，部分地表出現零星螢石礦化，風化嚴重。

1.3 礦床地質特征

螢石礦體賦存在下白堊統白音高老組(K1b)晶屑熔結凝灰巖中，受斷裂控制明顯；根據前期主、微量元素分析工作和流體包裹體巖相學特征，已知該礦床的成因類型為淺成低溫熱液裂隙充填型礦床。該礦區已經進行了探槽和鉆探工程，并有一口斜井垂直地面深度為50 m，內部見數米寬螢石礦脈(圖2(a))，基本確定了區內螢石礦脈的分布與規模，但未投入開采，除少量局部已復墾的探槽工程，絕大部分地表處于自然風化或沉積狀態。礦區內部共發現有4條螢石礦體(圖1(c)和表1)：中部礦體(Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ)呈N-S走向，傾角45 °～ 65°，礦體厚度約3.7 m～ 4.5 m；礦區東部礦體(Ⅳ)呈N-S至NNE-SSW走向，傾角61° ～ 64°，礦體厚度約4.6 m；礦體呈似層狀-透鏡狀產出，夾有大量凝灰巖角礫，呈現由斷裂帶中間向兩端尖滅的形態，與圍巖界限明顯(圖2(b), 圖2(c))。礦石成分主要為螢石和凝灰巖(圖2(e), 圖2(f))，含少量石英、高嶺土和蛋白石等。螢石主要呈脈狀、條帶狀和負角礫狀(圖2(a), 圖2(d), 圖2(f))，顏色為紫色(圖2(e))、綠色(圖2(f))、白色和黃褐色等，伴隨有一定的硅化(石英和蛋白石化)、高嶺土化和褐鐵礦化。圍巖蝕變以硅化和高嶺土化為主，其次發育絹云母化，蝕變具分帶性。

表1 螢石礦脈形態特征

2 發展及工作原理

2.1 發展狀況

X熒光元素分析技術最早發展于20世紀50年代末至60年代初期，其物理基礎是基于近代原子物理學中的“莫塞萊定律”，其特征X射線的能量和強度與測試樣品中所含元素的種類和含量有關，通過測定的特征X射線能量和強度就能實現對元素的定性、定量分析[8-9]。現場X射線熒光分析方法的準確度一般均遜于室內大型分析儀器和化學分析方法，這也是現場X射線熒光分析儀器和方法技術不斷改進和完善的技術目標，但便攜式X熒光元素分析儀具有攜帶方便、分析速度快(1min左右)、分析范圍廣(主量、微量元素)和測量對象多(巖石、礦石、土壤等)的特點，被廣泛應用于地質礦產勘查中現場多元素快速分析和環境污染調查中有毒有害元素的快速分析等多個領域[10-14]。

2.2 工作原理

X射線熒光，是高能量子與原子發生相互作用的產物。當X射線照射樣品時，其中原子的外層電子從高能層躍遷至K或L的低能殼層空間，并以輻射出X射線的形式釋放能量，其釋放的能量等于躍遷能級間的能量之差，由于不同原子的能層不同，因此釋放的能量也不同，稱為元素的特征X射線。X射線的能量Ex與原子序數Z的平方成正比。因此，特征X射線的能量可確定發出X射線的元素[15]。而在一般情況下，樣品中元素的特征X射線強度與元素含量成正比，據此通過對樣品中某種元素特征X射線強度的測量，便可得知該元素的含量[8-9]。

便攜式X熒光元素分析儀對諸多元素存在較好的定性和定量分析能力，通過研究區野外實地測量和室內計算機數據處理成圖，可迅速圈定元素異常區域，為區域性特定元素異常分析的重要測量設備。

3 勘查應用

3.1 前期踏勘及工程布置

研究區面積約為3 km2，平坦開闊，地形起伏較小，全區被草原植被覆蓋(圖3(a))，覆蓋層平均厚度約為7 cm，淋溶層平均厚度約為25 cm，淀積層平均厚度一般在20 cm以上；土壤分層因地勢情況存在一定厚度差異，局部地勢較高區域基巖(凝灰巖)直接裸露于地表且風化嚴重。巖石露頭可見斷裂破碎帶或節理(圖3(c))，部分裂隙中出現少量螢石礦化(圖3(b))，構造跡線呈N至NNE向(圖3(d))，符合現場X熒光元素分析法的應用條件。

圖3 螢石礦化及構造情況Fig.3 The fluorite features of the mineralization and structure(a)探槽工程；(b)螢石礦化節理；(c)地表節理與螢石礦化;(d)主要斷裂破碎面

本次勘查工作采用成都理工大學研制的第三代便攜式X射線熒光光譜儀IED-2000T，主要由主機和探頭構成。主機運行Windows掌機操作系統并嵌入GPS導航芯片，探頭為電致冷Si-PIN半導體探測器。該儀器具可自動計算多種目標元素的含量，有高水平的野外現場數據采集、分析和處理能力；通過無線技術連接，操作界面簡潔明了，在野外使用方便快捷。具有原位、快速、無損的多元素同時測定的特點，應用領域廣泛[16]。

根據研究區構造跡線的方向和螢石礦體的分布，自北向南布置了8條W-E向勘探線(L5、L3、L1、L0、L2、L4、L6、L8)，長度均在1 150 m以上，平均約1 360 m，勘探線間距為200 m，測點間距為10 m。在用羅盤和測繩定測點的同時，輔以手持GPS檢測，確保測點定位的準確性。本次采樣挖取約40 cm深的草原淀積層土壤(B層)，部分地勢較高、土壤層薄的區域測量淺部土壤，量測量時間為100 s ，本次測量有效測點共979個，歷經約15 d完成。

3.2 數據處理

IED2000T型便攜式X熒光元素分析儀，可以對K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe等多元素進行含量測定，由于該區螢石礦床屬于低溫熱液裂隙充填型礦床，成礦過程中會形成Ca和F的原生暈元素異常[17]，故選取Ca元素數據進行分析。為降低測量偶然因素影響和便于實驗數據分析，根據已得實驗數據運用迭代法對工作區的Ca元素的背景值和異常下線進行計算[18]，經過7次迭代求得背景值為1.098 206%，異常下限為2.194 367%。根據Ca元素的異常值和異常下限使用Origin繪制勘探線元素異常曲線圖(圖4)和使用Surfer繪制區域元素異常的平面等值線圖(圖5)，并在圖中標記元素異常下限。

3.3 結果分析

便攜式X熒光元素分析儀主要通過探測礦區內Ca元素含量，確定可能存在螢石礦體的地區，縮小找礦靶區范圍再開展下一步勘探工作，從而達到找礦的目的。在由實測數據和元素異常下限繪制曲線圖中，明顯高于異常下限的地區為螢石礦體的可能賦存區域，本次選取穿過已知螢石礦脈的L1、L0和L2號勘探線，與相應的勘探線剖面圖進行對比分析(圖4)。

圖4(a)顯示其西部400 m～500 m處、中部780 m～900 m處和1 000 m附近與東部1 150 m～1 300 m處均出現較高的Ca元素異常。與實際礦區內已發現螢石礦脈的位置對比發現，中部780 m～900 m處異常對應礦區的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ號礦脈，東部1 150 m～1 300 m處對應Ⅳ號礦脈向北延伸殲滅的螢石礦化裂隙，而單峰異常的西部400 m～500 m處和中部1 000 m附近的異常無對應礦脈。

圖4(c)顯示其中部760 m～880 m處和東部1 050 m附近出現較高的Ca元素異常，而西部異常較低或無明顯異常。與勘探線剖面簡圖(圖4(d))對比發現，中部760 m～880 m處異常對應礦區的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ號礦脈，東部1 050 m處異常無對應礦脈，另外發現1 200 m附近的Ⅳ號礦脈未顯示有明顯的Ca元素異常。

圖4(e)顯示其中部780 m～900 m處出現較高的Ca元素異常，東部1 060 m～1 280 m處間斷出現中等Ca元素異常，西部無明顯異常。對比發現中部780 m～900 m處的Ca元素異常對應Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ號礦脈向南延伸殲滅后的礦化裂隙(圖4(f))，東部1 060 m～1 280 m處的間斷異常范圍較大，1 060 m～1 170 m處對應產狀較緩的Ⅳ號礦脈南端，而1 200 m～1 280 m處無礦脈與之對應。

圖4 X熒光Ca元素分析曲線與勘探線剖面圖Fig.4 Calcium analysis curve of X fluorelscence element and profile diagram of exploration lines(a)L1勘探線X熒光Ca元素分析曲線;(b)L1勘探線剖面圖;(c)L0勘探線X熒光Ca元素分析曲線;(d)L0勘探線剖面圖;(e)L2勘探線X熒光Ca元素分析曲線;(f)L2勘探線剖面圖

圖5 X熒光Ca元素分析異常平面圖Fig.5 The calcium anomaly map of X fluorescence element analysis

由圖4可以看出，連續高峰異常區域地下存在礦脈的可能性更大，并且異常通常集中在礦脈賦存點至沿產狀向上延伸的方向。在該研究區異常集中在礦脈的偏東側，這可能指示礦脈曾經發生過嚴重的風化剖蝕，頂部礦脈遭剖蝕后在礦脈東側留下元素異常，同時被剖蝕礦脈的原生暈也可產生偏向東側的元素異常。一般情況下礦脈的原生暈異常或礦脈風化導致的元素異常范圍較大，因此單峰異常區的出現可能是由個別測點的異常值較高導致，地下通常無礦脈存在。

圖6 淺覆蓋區螢石礦綜合勘查圖Fig.6 Comprehensive prospecting of flurite deposits in shallow cover area(a)甚低頻電磁法(VLF-EM)勘查圖；(b)礦區斷裂與Ca元素異常組合圖

在研究區的Ca元素異常平面等值線圖中(圖5)，金黃色-紅色表示元素異常高于異常下限的區域。研究區中部的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ號礦脈元素異常明顯，元素異常區域位于螢石礦脈的右側位置，Ⅱ和Ⅲ號礦脈位于元素異常區域的中央，礦脈南端延伸殲滅方向也顯示有明顯異常，而礦脈北端延伸方向異常則較弱；研究區東部的Ⅳ號礦脈也存在元素異常，但在L0勘探線處卻發生了中斷，礦脈北端延伸殲滅方向異常最為顯著，南端延伸方向異常范圍較大。Ca元素異常在已知礦脈處的異常情況對應較準確(圖5)，除L0勘探線東側1 200 m處礦脈無異常顯示，可能與當地山坡上的一些當地牧民的廢棄建筑有關，在施工時影響到了該處的土壤。除此之外，圖5還顯示在研究區西北區域和西南區域出現有較大范圍的元素異常，北側偏東區域也出現分散的元素異常，這些異常的出現原因仍有待商榷，說明便攜式X熒光元素分析法存在一定的多解現象。

3.4 與甚低頻電磁法的對比分析

由于方乙等[3, 19]利用甚低頻電磁法(VLF-EM)在內蒙古林西的隱伏-半隱伏螢石礦體的定位預測中取得較大進展，證明甚低頻電磁法可以清晰地反映研究區構造格局、構造產狀與平面展布特征，符合螢石礦床由斷裂控制的特點。因此在礦區開展X熒光元素分析法勘查的同時，也開展了甚低頻電磁法的勘查工作，試圖解釋研究區西北和西南區域出現較大范圍元素異常和東北區域出現分散元素異常的原因，勘查成果圖如圖6所示。甚低頻電磁法的結果顯示礦區內地表蓋層以下斷裂主要呈現N-S向，部分呈NNE-SSW向，這與野外實地調查的結果顯示一致；另外甚低頻電磁法還顯示礦區西部斷裂破碎帶較為稀疏，中部和東部地區的螢石礦脈發育處則較為密集。

將甚低頻電磁法探測的區內斷裂投影至Ca元素X熒光元素分析勘查平面圖中(圖6(b))，顯示在研究區中部和東部的礦脈賦存區域的斷裂與Ca元素異常情況重合較好，尤其是中部的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ號礦脈，說明便攜式X熒光元素分析儀在勘查過程中具有較佳的指示效果。甚低頻電磁法的勘查結果顯示斷裂分布，便攜式X熒光元素分析儀顯示元素異常，兩者螢石礦的勘查過程中存在一定的共同指示作用。礦區北部西南區域斷裂發育較弱或不發育，該結果可以對Ca元素異常指示的西南和東北部區域高異常區起到一定的排除作用；而西北區域元素高異常和斷裂同時存在卻無礦脈發育，在實地考察中發現該區域存在大量節理和少量螢石礦化現象(圖3(c))，由于螢石規模太小而未達到工業要求，卻在探測過程中反應明顯。以上說明兩者結合可有效剔除便攜式X熒光元素分析儀勘查的部分多解性結果，同時也需要重視對野外情況的考察與分析。

4 結論

經過野外地質踏勘、現場X熒光測量、數據處理制圖和勘探對比分析，針對便攜式X熒光元素分析法在淺層覆蓋區螢石的勘查工作，得出以下結論：

1)便攜式X熒光元素分析儀對螢石礦區的Ca元素反應明顯，具有成本低、速度快的特點，在淺層覆蓋區的勘查效果良好。

2)在勘探過程中，連續的元素異常對螢石礦脈具有較好的指示效果，單峰異常指示效果差。

3)針對以斷裂控礦為特征的螢石礦體，將便攜式X熒光元素分析法與甚低頻電磁法相結合，可一定程度上剔除多解區域，具有更好的應用前景。

ApplicationandanalysisofportableX-rayfluorescenceanalyzeronfluoriteexplorationinshallowcoverarea