冀北步古沟一带萤石矿地物化找矿技术方法组合研究

代晓光，李 健，商朋强，胡中国，王志鹏，李 津，王 猛，张成信

(1.中化地质矿山总局地质研究院，北京 100101；2.中化地质矿山总局，北京 100013)

0 引言

萤石作为一种重要的非金属矿产、类稀土资源，以其为原料制成的产品在冶金工业、化学工业及战略性新兴产业等领域用途广泛。近些年萤石矿已过度开采，萤石资源储量不断减少，萤石矿价格处于高位运行。冀北步古沟一带勘查程度较低，萤石矿资源丰富，萤石矿成矿条件优越，找矿潜力大。但随着浅地表萤石矿资源接近枯竭，利用地物化等综合信息技术方法加强深部隐伏-半隐伏萤石资源探测迫在眉睫。

从20世纪90年代起国内外许多专家学者开展过物化遥在隐伏-半隐伏萤石矿找矿方面的探索研究工作。早期主要开展了物化遥单一方法的研究：在物探方面，众多学者(Phillips and Richards,1975；张寿庭等，1999；Bayrak，2002；白大明，2002；张作伦等，2007；徐毅等，2008)利用甚低频电磁法对断裂控矿热液脉型萤石矿或者含矿断裂带进行了找矿勘探研究，为下一步勘探提供一定依据，可知该方法应用较为广泛；学者们还利用对称四极测深法(姚金等，2006)、双频激电法(刘达龙，2011)对萤石矿进行了勘查，取得了很好的勘查效果；化探方法主要从1∶20万水系沉积物测量(邹澜和陈秀泉，2005)及矿床原生晕(林焕华，1991；卿成实等，2014)方面进行了研究，为萤石矿找矿提供了重要的判别依据；遥感方面主要开展了萤石矿床遥感找矿预测研究(朱亮璞和包献华，1996)。为建立系统完整的萤石矿有效勘查模型，以往选取大兴安岭中南段中生代火山岩带低温热液裂隙充填型萤石矿床进行了地-物-化-遥多学科多技术方法联合攻关，采用的方法有多光谱遥感技术、甚低频电磁测量、高精度磁法测量、X-荧光分析技术、伽玛能谱分析技术、土壤偏提取地球化学测量(马永非，2012；方乙等，2014；杨冰，2014)，取得了较好的效果，为萤石矿勘探领域提供了借鉴。

以上研究工作在萤石矿找矿方法方面取得了一定的成效，为本次研究奠定了基础并提供了依据。本次研究在冀北地区开展萤石矿资源调查的基础上，以中低温热液充填型萤石矿为研究对象，优选步古沟一带有代表性的萤石矿床，以区域萤石矿成矿规律(王吉平等，2015)和典型萤石矿成矿模式为基础，开展地物化等技术方法的有效性试验，以建立冀北地区步古沟一带萤石矿地物化找矿技术方法组合，以期为以后本区的萤石矿找矿实践提供依据。

1 地质背景

研究区大地构造位于华北陆块区(Ⅱ)晋冀古陆块(Ⅱ-2)北部迁西陆核(Ⅱ-2-1)(图1；潘桂棠等，2009)。自太古宙以来，区内经历了多期构造活动，都不同程度地保留了构造活动形迹。不同时代不同规模、不同性质、不同方向构造形迹的叠加，铸成了区内繁杂的构造景观①。尤其以中生代燕山期构造活动剧烈且频繁，导致岩浆活动遍布全区，中生代火山岩广泛分布。燕山运动早期形成了北东向大断裂，并伴随着大规模的花岗岩侵入，研究区中部隆起，东、西部相对下沉。在隆起部位较集中地分布着早期的萤石矿脉。燕山运动晚期浅成、超浅成侵入体的侵入，为成矿提供了热液、空间和矿质来源，形成了本区的主要萤石矿产。

研究区内地层出露较为广泛，由老到新有太古界红旗营子岩群(张静等，2012)、晚古生界下二叠统三面井组、中生界上侏罗统土城子组、下白垩统张家口组(张贵宝等，2020)、九佛堂组、义县组、新生界新近系中新统汉诺坝组。区内岩浆活动强烈，侵入岩大量发育，出露广泛。成岩时代为古元古代、中元古代、晚古生代和中生代，其中以中生代岩浆侵入活动最为强烈，出露规模最大，早白垩世岩浆侵入活动达到了顶峰，晚古生代次之，古元古代岩浆岩已经变质成为变质深成岩。侵入岩以中深成酸性、中酸性岩为主，其次为浅成-超浅成酸性、亚碱性侵入岩。区内断裂构造发育，但规模大小不等，大者约数十千米，小者仅几百米，其空间展布方向以北东向和近南北向为主，少量为北西向及近东西向。

图1 冀北步古沟大地构造位置图(据潘桂棠等，2009)

2 矿床地质特征

区内已查明萤石矿床(点)21处，成因类型均为中低温热液充填型(王吉平等，2014)。赋矿围岩主要为白垩系下统张家口组、义县组火山岩及早白垩世浅成侵入岩。萤石矿体受断裂构造控制，主要呈脉状及不规则透镜状产出。区内萤石矿体走向以北东向、北北东及北西向为主，矿体产状与控矿断裂产状一致，倾角一般较陡，多在55°以上，萤石矿体及矿(化)带规模不一。萤石控矿断裂以北东-北北东向为主，次为北西，性质主要为高角度正断层，控制着萤石矿体的产出形态。在断裂活动早期，构造性质多为压扭性断层，岩石多呈破碎角砾状；在萤石矿成矿高峰期，构造性质转化为张性。

本区萤石呈透明-半透明状，颜色有白色、紫色、绿色及淡黄色。矿石以自形-半自形粒状结构、半自形-他形粒状结构为主，少量自形粒状结构和碎裂状结构。矿石构造主要有块状构造、条带状构造、角砾状构造、梳状构造及环带状构造。

矿石矿物主要由萤石、石英、玉髓组成，矿石类型为石英-萤石型、萤石-石英型矿石。萤石质地较纯，属易选矿石。矿石矿物为萤石，呈块状、梳状、假角砾状、晶簇等，分布于脉石矿物石英及玉髓间，构成斑杂构造。脉石矿物石英呈它形粒状、梳状拉长状，玉髓呈它形微粒状。

本区围岩蚀变主要有硅化、高岭石化、绢云母化、绿泥石化、碳酸盐化等，为一套中-低温热液蚀变矿物组合。近矿体处蚀变强烈，远离矿体蚀变减弱。硅化强烈且范围宽大，伴随强烈高岭石化的部位是寻找萤石矿的有利部位。矿体与围岩界线清晰。

根据区内萤石矿地质特征，选择区内典型矿床招素沟萤石矿作为方法试验区(代晓光等，2020)，选择二道营北沟矿点、转山沟萤石矿点作为找矿目标区。

3 化探异常特征

本次在步古沟一带主要开展了1∶5万水系沉积物测量及1∶1万土壤剖面测量工作，显示出较好的找矿效果。

3.1 区域水系沉积物异常特征

1∶5万水系沉积物测量采样点主要布设在一级水系的沟口和二级水系中，采样密度为5点/km2，采样粒级为-10目～+60目，每个采样点控制的汇水面积大致在0.125～0.25 km2之间。采样介质主要为采样点上游地质体经过风化破碎后的碎屑成分。

根据对研究区Au、Ag、Cu、Pb、Zn、W、Sn、Mo、As、Bi、Sb、F、Ca、Li、Be、Nb、U、La 18种元素测试分析数据(表1)，进行R型聚类分析(于俊博,2014)，结果表明该地区F和Ca元素关系最为密切，与其他分析测试元素相关性较差。对主成矿元素F、Ca进行了异常圈定，结果显示F、Ca等元素异常套合较好(栗克坤等，2019)，衬度较高，规模较大，为寻找异常源圈定了范围。在区内圈定54处F异常进行检查，结果查明38处F单元素异常性质为矿致异常，异常中均发育萤石矿或者萤石矿化，显示指示性及异常的再现性较好。通过综合研究分析显示，研究区内的21个萤石矿床(点)有17个在圈定的1∶5万F地球化学异常及相关Ca异常与区内或在其附近(图2)，部分矿床与F、Ca异常套合较好(图3a)；F元素异常可直接发现矿点，如对区内F单元素进行检查时，发现了转山沟萤石矿点(图3b)，该萤石矿带F元素达到了三级浓度分带，异常中心明显，与萤石矿体位置较为吻合。

表1 区内元素异常特征值(×10-6)

图2 步古沟一带萤石矿与F、Ca异常分布示意图Fig.2 Distribution of fluorite deposits and F and Ca anomalies in the Bugugou area

图3 国才、树国萤石矿与F、Ca异常套合图(a)及转山沟萤石矿点与F异常套合图(b)

3.2 1∶1万土壤剖面异常特征

针对主成矿元素F、Ca异常在招素沟萤石矿床二道营北沟矿点、转山沟萤石矿点布置了3～6条平行的1∶1万土壤剖面，采样点距40 m(矿化地段加密为20 m)，采样粒级-10目～+60目。通过圈定的化探异常显示，F、Ca等元素异常位置与已知的萤石矿(化)点及地质剖面圈定的含矿断裂破碎带吻合性较好(图4)，并且出现有峰值异常，F异常峰值可达30365×10-6，进一步证实了区内萤石矿主要异常元素为F、Ca，并且能够准确地定位异常源位置。

图4 转山沟萤石矿点地化综合剖面图Fig.4 Comprehensive geochemical profiles of the Zhuanshangou fluorite ore spot

4 物探特征

根据区内萤石矿床特征及萤石矿石、脉石的物性、电性特征，本次物探试验性工作在招素沟萤石矿床及二道营北沟矿点、转山沟萤石矿点开展了高精度磁测、高密度电阻率法(杨振武等，2012)、电阻率联合剖面法和天然电场选频法测量，用不同方法在同一具有代表性的剖面上进行测量。在三个矿床(点)布置3～8条平行剖面，磁法测量点距为20 m，天然电场选频测量、电阻率法测量点距为10 m。

4.1 高精度磁法异常特征

磁法测量使用WCZ-1质子磁力仪,测量参数为总场，测量精度为±1 nT，分辨率为0.1 nT。招素沟萤石矿区1∶1万高精度磁测等值线平面图显示(图5；王猛和黄俭合，2018)，该区磁场整体表现为正磁场，ΔT值主要为50～350 nT，呈中间高、两边低的特征，磁场变化相对平缓，为早白垩世正长斑岩岩体的反映。位于测区西部的正负磁场分界线，走向大致呈北西向，与已知断裂走向大致相同，推测其应为断裂构造的反映。Fr-5萤石矿体走向320°～340°，倾向240°，倾角85°，正负磁场分界线与萤石矿体出露位置基本吻合，萤石矿体两侧的ΔT变化值在-300～200 nT之间，说明该区高精度磁法测量对直接寻找断裂、间接寻找萤石矿有一定的指示作用。

图5 招素沟矿区ΔT等值线平面图(据王猛和黄俭合，2018修改)Fig.5 Plane plan of ΔT contours in Zhaosugou mining area(modified from Wang and Huang,2018)

随后在二道营北沟萤石矿点及转山沟萤石矿点开展了高精度磁法的验证(图6)，在控矿构造破碎带处或萤石矿化体处均表现为变化较剧烈的正负磁异常或者正负磁异常的交界，二道营北沟萤石矿点变化值在-400～400 nT之间，转山沟萤石矿点变化值在-900～800 nT之间。

图6 二道营北沟萤石矿点(a)及转山沟萤石矿点(b)地质(下)、高精度磁法(上)、天然选频(中)综合剖面图

4.2 天然电场选频异常特征

本次研究工作使用JK-E600型天然电场选频仪，根据本区的萤石矿的地质特征选取电极距 20 m，点距10 m，使用25 Hz、67 Hz、170 Hz三个工作频率开展野外测量。在招素沟萤石矿区3个工作频率均出现低阻异常，这些异常主要由天然感应二次场所致(杨天春和张晖，2013)。已知的萤石矿带(矿化蚀变带)的控矿构造(断裂)与天然电场低值异常基本吻合，推测低值异常是控矿构造(断裂)引起。并在二道营北沟萤石矿点及转山沟萤石矿点开展了验证工作，验证结果显示萤石矿化带的控矿构造在天然电场中表现为低值异常，矿化带位于△U低值点附近(图7)。

4.3 高密度电阻率和联合剖面电阻率异常特征

电阻率联合剖面法可以快速获取有效异常体的走向和水平位置(李水新等，2014)。高密度电阻率法是以地下岩土层导电性差异为基础的一种勘探方法(吴教兵等，2019)，其测量的二维地电断面能较直观地反映基岩界线，了解断裂构造的发育情况(苏永军等，2009；王猛和黄俭合，2018)。因此通过磁测、天然电场选频法初步确定控矿构造位置后，为了更清楚查明推断萤石矿控矿构造、矿化蚀变等的赋存位置、规模、形态、埋深等，布置高密度电法及联合剖面法剖面。

图7 二道营北沟天然选频(67 Hz)ΔU平面剖面图Fig.7 Plan profile of natural frequency ΔU (67 Hz) in Erdaoying Beigou

图8 招素沟萤石矿区地质(下)、电阻率联合剖面(上)及高密度电阻率法(中)综合剖面图(据王猛和黄俭合，2018修改)

图9 二道营北沟萤石矿点(a)及转山沟萤石矿点(b)地质(下)、电阻率联合剖面(上)及高密度电阻率法(中)综合剖面图

5 萤石矿技术方法组合探讨

5.1 检查与验证

通过以上综合研究，结合二道营北沟的成矿条件，在二道营北沟一带开展了大比例尺的地质填图工作，并在成矿有利地段布置了5条探槽进行揭露，开展了检查与验证工作。

通过调查，控矿断裂整体呈北北东方向延伸，呈弯曲脉状，断续出露长约2.1 km，断裂破碎带宽度为5～22 m，萤石矿化不均匀，中间较好，两端较弱。圈定矿体地表出露约800 m，倾角较陡近直立。矿体中间较宽，两端较窄，最厚处约8.10 m，萤石矿品位为38.69%。矿体分布位置与化探异常完全吻合，矿体走向及倾向与物探推断成果一致。经初步预测，二道营北沟萤石矿点达到中型规模。

该萤石矿点矿石类型为萤石-石英型。矿石多为浅绿色和淡紫色，具半自形-自形晶形结构，角砾状构造为主，由萤石、岩石角砾、高岭石及石英组成。少见块状和细脉状。矿石主要由萤石和石英组成，另有少量次生粘土矿物等。矿石矿物为萤石，颜色多为淡紫色和浅绿色，部分淡黄色，形态多为立方体，少见不规则团块状，脉石矿物主要为石英和少量次生高岭石等。围岩为斑状二长花岗岩，见有硅化、高岭石化等蚀变及褐铁矿化等。

5.2 方法有效性评述

通过地物化多种技术方法在步古沟一带典型的萤石矿床(点)试验表明，各种技术方法在探测隐伏-半隐伏萤石矿体都有一定的效果，由于地质条件、覆盖程度的差异，均会导致不同技术方法的探测效果、异常强弱程度以及异常组合特征等方面有差异性，各方法的有效性评述如下：

化探方法：1∶5万水系沉积物测量和1∶1万土壤剖面测量等化探方法显示了较好的找矿效果，F、Ca元素异常对寻找萤石矿具有较好的指示作用。1∶5 万水系沉积物测量用于圈定异常，1∶1万土壤剖面测量用于异常源的定位，辅助确定找矿目标区，总之化探方法是最直接最有效的方法之一。

高精度磁法：该方法基本能够反映构造-矿化蚀变带的存在及其大致展布方向，在寻找区内的构造具有较好的效果，显示为负磁异常特征或正负磁异常的交界处，能大致圈定断裂构造的位置。在地表破碎带的位置显示为正负异常的交界处。该方法是工作区内直接寻找构造、间接寻找断裂构造中的萤石矿化的重要手段。地形对该方法有一定的影响。

天然电场选频法：该方法对萤石矿(化)体赋存位置具有指示作用，显示为低值异常，而且异常形态和特征非常明显，该异常直接指示了矿(化)体在剖面线内赋存的空间位置。不足之处是探测结果在一定程度上受测区附近电磁场、地形以及人工因素干扰，需要进行有效地分析和判断，剔除其他的干扰因素。

视电阻率联合剖面法：视电阻率曲线正交点所反映的低阻异常与已知含矿构造吻合较好，显示为正交点与含矿构造完全吻合。该方法对寻找含矿构造效果较好，也是寻找隐伏的赋矿断裂构造的有效方法。不足之处是受地形影响较大。

高密度电阻率法：高密度电法表现为构造低阻异常带，该方法测量结果显示萤石矿的含矿构造与低阻带是相吻合的。该方法可以较好地揭示含矿断裂构造的位置、产状及延伸情况,可指导深部探矿工程部署。不足之处是受地形影响较大。

5.3 技术方法组合优选

地物化探技术方法在典型萤石矿床(点)的有效性试验及验证表明，各种技术方法在萤石矿(化)体均有一定的异常反映。研究区内的萤石矿具有地表浅部基岩出露条件好，赋矿围岩中控矿断裂破碎带以及萤石矿关系密切的硅化蚀变带、石英脉等矿化蚀变带发育，通常表现为近地表矿体硅质顶盖发育，地下深部萤石矿化发育的特征。综合上述各类技术方法的有效性，结合区内已开展的地质调查工作，建立了区内萤石矿找矿的技术方法组合见表2。

表2 冀北步古沟一带萤石矿找矿方法技术组合

6 结论

(1)1∶5万水系沉积物测量圈定的F、Ca等成矿元素异常，可确定异常源范围；1∶1万土壤剖面测量可追踪异常源及查找矿体位置。以上化探方法可辅助锁定找矿目标区，是最直接有效的方法。

(2)高精度磁法负异常及正负异常的交界处、天然场选频的低阻异常、视电阻率联合剖面的正交点及高密度电阻率低阻异常带，均与含矿断裂带或萤石矿化带相对应。以上物探方法可判别断裂及其规模，是直接寻找含矿断裂、间接寻找萤石矿的有效方法。

(3)通过地物化方法有效性试验，建立了冀北地区的技术方法组合，并通过该技术方法组合，在步古沟一带新发现萤石矿点1处，因此该套技术方法组合在冀北地区寻找隐伏-半隐伏矿体具有良好的效果。

[注 释]

① 河北省地质调查院. 2011. 河北省1∶5万马道幅、步古沟幅、皮匠营子幅、龙头山幅战略性矿产远景调查[R].