張必敏,王學(xué)求,葉 榮,姚文生,王 瑋

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所,自然資源部地球化學(xué)探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 廊坊 065000;2.聯(lián)合國教科文組織全球尺度地球化學(xué)國際研究中心, 河北 廊坊 065000;3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083)

深穿透地球化學(xué)是一種通過識別地表介質(zhì)中微弱的成礦元素異常信息以尋找深部隱伏礦的地球化學(xué)勘查理論與方法,其研究內(nèi)容包括元素從隱伏礦至地表的遷移機(jī)理,含礦信息在地表的富集規(guī)律,以及發(fā)展含礦信息采集、提取、分析與成果解釋技術(shù)[1-3]。該方法誕生于20世紀(jì)70年代,經(jīng)過40多年的發(fā)展,目前已形成六大方法技術(shù)系列,包括物理分離提取技術(shù)、電化學(xué)測量技術(shù)、選擇性化學(xué)提取技術(shù)、氣體和地氣測量技術(shù)、水化學(xué)測量技術(shù)和生物測量技術(shù)[4]。區(qū)別于傳統(tǒng)化探方法,深穿透地球化學(xué)方法的最大優(yōu)勢就是能應(yīng)用于覆蓋區(qū)礦產(chǎn)勘查,隨著找礦重點(diǎn)由出露區(qū)向覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)變，以及對礦產(chǎn)資源需求的不斷提高,該方面的研究也呈現(xiàn)升溫的趨勢。

土壤微細(xì)粒分離測量技術(shù)是近十幾年發(fā)展起來的一種深穿透地球化學(xué)技術(shù)。其野外工作方法是篩分土壤細(xì)粒級組分,因此從手段本身來說是一種常規(guī)的地球化學(xué)勘查方法,可視為土壤地球化學(xué)測量,但其原理是通過分離土壤中細(xì)粒級組分以富集來自于深部礦體的活動性金屬元素,從而達(dá)到識別深部隱伏礦的目的,因此其本質(zhì)具有深穿透的特性。該方法近幾年在半干旱草原覆蓋區(qū)[5-6]、荒漠戈壁覆蓋區(qū)[7-10]以及火山巖覆蓋區(qū)[11]取得了一些成功案例,特別對金礦、銅鉬礦、砂巖型鈾礦等指示效果明顯。

我國黃土覆蓋面積約63萬km2, 長期以來其大部分地域被視為區(qū)域化探掃面禁區(qū)。 黃土覆蓋區(qū)地質(zhì)找礦難度很大, 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的礦床基本上都分布在黃土帶“帽”區(qū), 或者溝壑地帶有礦體出露地區(qū),由于發(fā)現(xiàn)異常難度大,開展的研究工作也較少。本文以豫西黃土覆蓋區(qū)申家窯金礦為例,運(yùn)用土壤微細(xì)粒分離測量方法開展了試驗(yàn)應(yīng)用研究,并根據(jù)礦床特征和地球化學(xué)異常的空間對應(yīng)關(guān)系,以及在地表土壤和地氣中觀測到的納米金屬微粒,對地表異常的成因進(jìn)行了探討,為未來將該類方法應(yīng)用于黃土覆蓋區(qū)快速地球化學(xué)掃面調(diào)查提供理論和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

申家窯金礦位于小秦嶺崤山熊耳山金礦成礦帶上,是河南省發(fā)現(xiàn)的第一個蝕變破碎帶型金礦[12]。該礦位于崤山穹隆區(qū)核心基底的西北角,板塊構(gòu)造位置屬華北板塊下的豫西元古宙裂谷帶[13],礦體賦存于崤山群與天爺廟雜巖的接觸帶,賦礦構(gòu)造是北北西向斷層或其與層間斷層的復(fù)合處[12,14](圖1)。

研究區(qū)地貌單元為塬間河谷階、黃土臺塬,除溝壑底部有少量基巖出露外,大部分被第四系風(fēng)成黃土覆蓋,覆蓋厚度22～75 m,海拔高度700～1 100 m。出露的基巖主要為：元古宙熊耳群安山巖、安山玢巖,太古宙太華巖群片麻狀斑狀花崗巖類，太古宙蘭樹溝組片巖等[15]。

礦床含金構(gòu)造蝕變帶有崤01、 崤09、 崤03、 崤04。 崤01規(guī)模最大, 長5 430 m, 厚度1～19 m,平均厚度11.32 m。 總體似層狀,上寬下窄,局部膨脹狹縮。該構(gòu)造蝕變帶近南北走向,平均傾向265°,平均傾角31°(圖2),分布在片麻巖與片巖的接觸面附近,圍巖為綠泥鈉長片巖、絹云鈉長片巖,斜長角閃片巖等,局部地段為混合巖化黑云斜長片麻巖和燕山期的侵入角礫巖[16]。金礦礦石礦物組合以硫化礦物為主,金屬礦物包含黃鐵礦、方鉛礦、閃鋅礦、鐵閃鋅礦、黃銅礦、自然金等,非金屬礦物含石英、絹云母、方解石、綠泥石等[15]。

圖1 申家窯礦區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)文獻(xiàn)[12]修改)Fig.1 Geological map of Shenjiayao depositQ—第四系; Pt1Xs—崤山群申家窯組; Pt1Xl—崤山群蘭樹溝組; Art—天爺廟雜巖;γ—花崗斑巖;1—斜長角閃巖等表殼巖包體;2—金礦化帶;3—混合巖類;4—片巖類;5—壓扭帶;6—地質(zhì)界線

圖2 申家窯01帶0號勘探線剖面示意圖[14]Fig.2 Geological section of the 01 gold vein of Shenjiayao deposit1—崤山群;2—天爺廟雜巖;3—鉆孔編號;4—礦體

2 土壤微細(xì)粒分離測量技術(shù)原理及方法簡介

2.1 土壤微細(xì)粒分離測量技術(shù)基本原理

來自深部礦體的活動性金屬元素遷移至地表后,必然以多種形式賦存于地表介質(zhì)中,存在形式包括離子化合物、絡(luò)合物、可溶性鹽類、膠體、單質(zhì)顆粒、合金礦物顆粒等[17]。不管以何種形式存在,活動性金屬元素往往帶正電性,因此很容易被帶負(fù)電性的粘土礦物或鐵錳氧化物所吸附。

粘土礦物是土壤中最主要的次生礦物,它以次生的結(jié)晶層狀硅酸鹽為主,包含高嶺土、蒙脫石、伊利石、綠泥石、水云母、蛭石等層狀硅酸鹽礦物,土壤粘土礦物膠體表面帶電荷,比表面積大(表1),因此是活動性金屬元素的理想賦存載體。粘土礦物主要存在于微細(xì)粒級土壤組分中,因此物理分離土壤微細(xì)粒組分的同時也會將富含活動性金屬元素的粘土礦物從土壤中分離出來,從而可達(dá)到識別深部弱異常信息的目的。

另外,鐵錳氧化物在地表疏松物中大量存在,礦物顆粒表面也常常被鐵錳氧化物膜覆蓋。鐵錳氧化物土壤樣品組分隨著樣品粒徑的減小,其比表面積呈指數(shù)增加,比表面積越大,其吸附活動性金屬元素的能力就越強(qiáng)。因此,物理分離土壤微細(xì)粒組分將有效富集活動性金屬元素(圖3)。

表1 土壤中常見粘土礦物的比表面積[18]

Table 1 Specific surface of clay minerals in soil m2/g

礦物成分內(nèi)比表面積外比表面積總比表面積蒙脫石700～75015700～850蛭石400～7501400～800水云母0～59090～150高嶺石055～40埃洛石01010～45水化埃洛石40025430水鋁英石130～400130260～800

從以上可知,礦體上方地表土壤粘土礦物以及礦物顆粒表面極易賦存來自于深部礦體的含礦信息,也就是說細(xì)粒級物質(zhì)的強(qiáng)烈吸附與可交換性能是活動態(tài)形式元素的天然“捕獲井”[19]。土壤微粒分離測量技術(shù)通過物理分離土壤微細(xì)粒組分來識別深部礦體引起的地球化學(xué)弱異常,以上也是該技術(shù)應(yīng)用的原理。

圖3 土壤不同顆粒組分的比表面積[18]Fig.3 Specific surface of different grian size fraction in soil

2.2 土壤微細(xì)粒分離測量技術(shù)方法

在覆蓋區(qū)開展土壤微細(xì)粒分離測量時，根據(jù)工作比例尺和景觀確定采樣介質(zhì)和采樣深度。中小比例尺主要選擇匯水域沉積物作為采樣介質(zhì),大比例尺選擇地表土壤作為采樣介質(zhì)。選擇采樣深度時要考慮盡量避開地表風(fēng)成沙和腐殖層,如干旱荒漠戈壁區(qū)采樣深度可選擇10～30 cm,半草原覆蓋區(qū)采樣深度可選擇5～30 cm。在采樣粒級上,可直接利用普通樣品篩篩分-120目(125 μm)或-200目(75 μm)樣品進(jìn)行分析,對于-200目樣品反映效果不好或需要篩分更細(xì)粒級土壤樣品時,則可使用高精度電磁震蕩篩或超聲波震蕩篩,以實(shí)現(xiàn)更細(xì)粒級土壤樣品的物理分離。分離的樣品送實(shí)驗(yàn)室直接分析元素全量。

土壤微細(xì)粒分離測量方法相對于別的深穿透地球化學(xué)方法,在野外采樣赫爾實(shí)驗(yàn)室分析環(huán)節(jié),操作上均更為簡單,易于掌握,也便于推廣,因此無論對于礦區(qū)隱伏礦的普查和詳查，還是對于覆蓋區(qū)快速地球化學(xué)掃面調(diào)查均比較適宜。

3 礦體上方黃土覆蓋層中元素的垂向分布

在申家窯金礦區(qū)礦體上方選擇了一個厚約10 m的黃土剖面(圖4)開展了從黃土表層一直到黃土與基巖接觸層的連續(xù)垂直取樣,每1 m取1件樣品,以研究黃土覆蓋層中金的垂直分布情況。

圖4 申家窯礦體上方黃土剖面照片F(xiàn)ig.4 Photo of loess profile over Shenjiayao orebody

從圖5可以看出,Au在礦體上方黃土覆蓋層的頂層和底層含量高,中間層低,呈現(xiàn)“C”型分布特征。黃土底層金的高含量主要與接觸基巖礦化蝕變有關(guān),表層金的高含量則推測與金等成礦元素的垂向遷移與富集有關(guān)。此外,Ag、As、Hg、Cu、Pb、Zn、Sb、Bi等元素與Au在礦體上方黃土覆蓋層中的垂向分布特征較為一致,Ba、Ni、Sn等元素?zé)o此分布特征。

4 土壤微細(xì)粒分離測量方法在礦區(qū)的應(yīng)用

4.1 樣品采集與加工

所選試驗(yàn)區(qū)幾乎均被第四系風(fēng)成黃土覆蓋,北半部分黃土覆蓋較厚,達(dá)近百米,南半部分黃土覆蓋相對較淺, 同時受水流沖刷的影響, 溝壑中有一定的基巖出露, 因此南半部分在地質(zhì)圖中顯示為基巖出露區(qū)。 本研究選擇土壤微細(xì)粒分離測量方法來開展工作, 分離粒級為-200目(75 μm)。 同時, 出于試驗(yàn)?zāi)康? 采樣介質(zhì)盡量選擇原地黃土而非溝壑中的土壤, 采樣深度為5～30 cm。

圖5 元素在礦體上方黃土覆蓋層中的垂向分布特征Fig.5 Vertical distribution characteristics of elements in the loess cover over deposit

本次選擇了大約5 km2區(qū)域開展面積性試驗(yàn)(圖6)。采樣點(diǎn)距為50～100 m,線距為200～400 m, 實(shí)際采集樣品261件。 樣品自然風(fēng)干后, 用木錘將土壤顆粒敲碎, 過-200目篩(75 μm), 送實(shí)驗(yàn)室。

4.2 土壤樣品分析及地球化學(xué)數(shù)據(jù)特征

樣品測試由中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)中心實(shí)驗(yàn)室完成,共分析了Au、Ag、Cu、Ni、Pb、Zn、Co、Cr、Hg等40種元素,其地球化學(xué)數(shù)據(jù)特征見表2。

三門峽洛寧部分地區(qū)開展過區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查工作, 其中Au 5.88 ng/g、 Ag 178 μg/g、 Ni 28 μg/g、 Co 17 μg/g、 Cr 84 μg/g、 Pb 80 μg/g、 Zn 107 μg/g、 Hg 23 ng/g(據(jù)區(qū)域化探數(shù)據(jù))。 本項(xiàng)目樣品的原始數(shù)據(jù)平均值為Au 14 ng/g、 Ag 830 μg/g、 Ni 33 μg/g、 Co 14 μg/g、 Cr 79 μg/g、Pb 105 μg/g、 Zn 166 μg/g、 Hg 307 ng/g。 可以得出實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)主成礦元素的Au、Ag、Ni、Pb、Zn、Hg等平均含量均高于區(qū)域內(nèi)平均值。

4.3 地球化學(xué)空間分布特征

采用Geoexpl軟件制作研究區(qū)元素地球化學(xué)圖。 從Au地球化學(xué)圖(圖7)可以看出,金異常主體呈北偏西向展布, 異常分布的形態(tài)與金礦脈的分布較為一致, 不僅在南部淺覆蓋區(qū)圈出了礦體異常, 而且在北部深覆蓋區(qū)已發(fā)現(xiàn)隱伏礦體的區(qū)域也顯示了很好的異常。 異常濃度高, 且具有多層套合關(guān)系。 從Ag、 As、 Sb、 Cd、 Cu、 Pb、 Zn地球化學(xué)圖(圖7—圖9)可以看出, 這些元素的異常分布與Au極其一致, 與金礦脈的分布均較為吻合。 另外, Ni、 Sn、 Co、 V等元素的異常分布與金礦脈的分布區(qū)別較大。

圖6 申家窯研究區(qū)地質(zhì)圖和土壤采樣點(diǎn)位置Fig.6 Geological map and soil sampling site of Shenjiayao study area1—黃土；2—太華群片麻巖；3—斜長花崗質(zhì)片麻巖；4—花崗閃長片麻巖；5—礦體；6—采樣點(diǎn)

試驗(yàn)結(jié)果充分說明所選用的土壤微細(xì)粒分離測量方法可有效用于該區(qū)域?qū)ふ衣癫厣疃容^淺的隱伏金礦體。Au、Ag、As、Sb、Cd、Cu、Pb、Zn元素可以作為該地區(qū)運(yùn)用該技術(shù)尋找隱伏金礦的找礦指示元素。此外,Ni、Sn、Co、V元素與成礦不相關(guān),對礦體不具有指示作用。

5 地表異常成因探討

在豫西申家窯隱伏金礦上方黃土覆蓋層開展的垂向剖面實(shí)驗(yàn)所反映的元素“C”型分布模式,表明礦體上方地表土壤成礦元素獲得了較好的遷移富集。在礦區(qū)開展的土壤微細(xì)粒分離測量面積性應(yīng)用試驗(yàn)也很好地指示了已知金礦體。由于研究區(qū)地表幾乎都被第四系黃土所覆蓋,成礦元素是如何從礦體穿透黃土蓋層遷移至地表的,是解釋異常成因的一個關(guān)鍵。

1981年瑞典科學(xué)家Malmgvist和Kristiansson等[20]在研究Rn的遷移機(jī)制時發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的擴(kuò)散遷移理論有很大矛盾,于是提出Rn原子一定是通過另外氣體的持續(xù)不斷地向上運(yùn)動而被帶到地表。這種作為微氣泡的運(yùn)載氣體流能夠攜帶Rn原子呈加速向上運(yùn)動,其運(yùn)動速度比擴(kuò)散要快得多，這種運(yùn)載氣體被稱之為地氣“geogas”。據(jù)此逐漸發(fā)展了地氣測量技術(shù),并被應(yīng)用于金屬礦勘查。將地氣測量定義為是基于微氣泡流通過礦體時能夠?qū)⒌V體的微量組分?jǐn)y帶至地表,對地氣測量的實(shí)質(zhì)是對氣體所攜帶的金屬元素的測量[21-22]。該理論目前已被大量針對地氣所捕捉物質(zhì)的微觀觀測實(shí)驗(yàn)所證實(shí)[22-28]。

表2 申家瑤金礦地球化學(xué)勘查土壤地球化學(xué)參數(shù)

續(xù)表2

注: Au、 Hg單位為ng/g;*單位為%; 其余元素單位為μg/g。

圖7 申家窯研究區(qū)微細(xì)粒土壤Au、Ag、As、Sb元素地球化學(xué)圖Fig.7 Geochemical maps of Au,Ag,As and Sb in fine grain soils of Shenjiayao study area

圖8 申家窯研究區(qū)微細(xì)粒土壤Cd、Cu、Pb、Zn元素地球化學(xué)圖Fig.8 Geochemical maps of Cd,Cu,Pb and Zn in fine grain soils of Shenjiayao study area

本研究選擇4條垂直隱伏礦體的剖面線開展了地氣測量試驗(yàn),剖面線走向近東西向,以期最大程度控制含金構(gòu)造蝕變帶和礦體,測量面積約為0.64 km2。從地氣測量結(jié)果可以看出,在覆蓋區(qū)圈出連續(xù)礦化,成礦元素自南向北具有等距分帶性質(zhì),分帶對應(yīng)已知礦體在覆蓋區(qū)地表投影位置(圖10)。地氣測量結(jié)果表明,礦體上方地氣中存在能反映深部礦體位置的地球化學(xué)異常信息,這為地氣能長距離攜帶深部成礦物質(zhì)到達(dá)地表提供了測試證據(jù)。

同時,在該礦礦體上方和黃土背景區(qū)開展了地表地氣介質(zhì)中納米微粒的微觀觀測工作。利用地氣捕集裝置對納米微粒進(jìn)行捕集,再用高分辨透射電鏡進(jìn)行觀測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)捕獲到的納米微粒含Au、Cu、Pb、Zn、Mo等成礦元素(圖11、12),微粒元素組合與礦石具一致性。背景區(qū)所捕集的納米微粒在成分上則幾乎不含這些元素(圖13)。該結(jié)果在一定程度上表明，采集的納米微粒具有成礦指示劑意義,納米微粒來自黃土覆蓋層下方礦體,其為深部礦化源區(qū)物質(zhì),是形成地表地球化學(xué)異常的物質(zhì)。

根據(jù)以上結(jié)果,初步建立了豫西黃土覆蓋區(qū)金礦元素遷移模型(圖14)。該區(qū)域金礦主要為蝕變破碎帶型金礦,礦體總體沿著構(gòu)造破碎帶發(fā)育。在礦體形成過程中,Au、Ag等成礦元素可以以納米級單質(zhì)或合金、絡(luò)合物等形式與成礦流體一起順著構(gòu)造裂隙向上遷移,部分成礦物質(zhì)能直達(dá)地表,之后受風(fēng)化作用影響發(fā)生解離,并向周邊低洼處運(yùn)移。最終這些物質(zhì)均被風(fēng)成黃土所覆蓋。隨后,在漫長地質(zhì)歷史時期,礦體或巖石解離的化合物或納米顆粒可進(jìn)一步穿透黃土孔隙向上遷移至地表,并在表層微細(xì)粒土壤中賦存聚集。因此采用土壤微細(xì)粒分離測量和地氣測量方法可有效圈出礦致異常。

圖9 申家窯研究區(qū)微細(xì)粒土壤Ni、Sn、Co、V元素地球化學(xué)圖Fig.9 Geochemical maps of Ni, Sn, Co and V in fine grain soils from Shenjiayao study area

圖10 申家窯研究區(qū)地氣測量Au、As地球化學(xué)異常圖Fig.10 Geochemical anomaly maps of Au and As in geogases from Shenjiayao study area

圖11 申家窯金礦上方地氣中Pb-Fe-Zn-Cu-Au微粒Fig.11 Pb-Fe-Zn-Cu-Au particle in geogas over Shenjiayao deposit

圖12 申家窯金礦上方地氣中Cu微粒Fig.12 Cu particles in geogas over Shenjiayao deposit

圖13 背景區(qū)地氣中Ca-K-Si-Al-O微粒Fig.13 Ca-K-Si-Al-O particle in geogas of background area

圖14 黃土覆蓋區(qū)金礦元素遷移模型[10]Fig.14 Deep-penetrating geochemical migration model for concealed Au deposits in loess covered areas

6 結(jié) 論

(1)利用土壤微細(xì)粒分離測量方法在小秦嶺黃土覆蓋區(qū)申家窯金礦開展的有效性試驗(yàn)取得滿意結(jié)果,該方法所指示的異常范圍與已知礦體位置具有很好的對應(yīng)關(guān)系,能夠互相印證,可將該方法應(yīng)用于黃土覆蓋區(qū)地球化學(xué)找礦勘查。

(2)申家窯金礦為蝕變破碎帶型金礦,Au、Ag、As、Sb、Cd、Cu、Pb、Zn元素可以作為該地區(qū)尋找該類型隱伏金礦的找礦指示元素。

(3)在隱伏礦體上方地表土壤地氣中捕集觀測到含Au、Cu、Pb、Zn、Mo等成礦元素的納米微粒,一定程度上表明礦體或巖石解離的化合物或納米顆?？纱┩更S土孔隙向上遷移至地表,并賦存于地氣中或被粘土礦物或鐵錳氧化物所吸附而富集形成地球化學(xué)異常。