金屬活動態測量在沖積平原覆蓋區隱伏礦的試驗研究
——以安徽無為龍潭頭硫鐵礦為例

付亞龍， 常海欽， 林 鑫,2， 孟剛剛， 張苗苗

(1.長安大學 地球科學與資源學院，西安 710054;2.西安時空地質礦產技術有限公司，西安 710068)

0 引言

隨著出露區礦產資源的日益枯竭，人們逐漸把找礦的注意力轉移到了覆蓋區[1]，而傳統地球化學方法難以在覆蓋區發揮作用。為了發現厚層覆蓋物下的礦化信息，許多學者提出了深穿透地球化學這一概念。近年來，深穿透地球化學已經在礦產勘查領域得到了突破性進展，取得成功的實例不斷增多[2]。我國科學家在深穿透地球化學領域開展了大量工作，取得了很多原創性技術。包括地氣動態測量技術[3]、金屬活動態測量技術[4]、獨立供電的電化學提取技術[5]等。其中，金屬活動態測量技術已經在國內、外已知的隱伏礦床進行了廣泛的試驗。其原理是：礦體中與成礦信息有關的微量組分可以被多種營力遷移至近地表處，并在近地表被各種次生可溶性鹽類、黏土、氧化物、有機物或膠體物質捕獲。金屬活動態測量方法可以提取這部分微量組分。但中國覆蓋區景觀條件差別很大，涵蓋了六大地球化學景觀區，分別為內地及沿海中低山丘陵區、森林沼澤區、半干旱草原區、干旱荒漠區、高寒山區、巖溶區[6]。而金屬活動態技術試驗多開展于我國北方高山草甸，干旱和森林沼澤等特殊景觀區(如新疆金窩子礦區[7]、甘南草甸區[8]、內蒙古額爾古虎拉林金礦區[9]及黑龍江大興安嶺地區[10]等)，對以第四系沖積平原覆蓋為主的長江中下游中低山丘陵區研究較少。而長江中下游成礦帶是我國重要的Cu-Au-S-Fe多金屬成礦帶，該區域具有較大找礦潛力。安徽省無為縣龍潭頭硫鐵礦床處于該成礦帶中的銅陵、廬樅礦集區之間，其表層被厚層沖積物覆蓋，傳統的地球化學勘查方法難以提取深部礦化信息。為研究金屬活動態方法在長江中下游中低山丘陵區找礦的有效性。筆者以龍潭頭金-硫鐵多金屬礦床為研究對象，開展土壤全量和金屬活動態測量的試驗研究，以期為在長江中下游覆蓋區尋找隱伏礦床選擇有效的化探找礦方法提供參考。

1 地質背景

長江中下游地區位于揚子板塊北緣的長江斷裂坳陷帶內，是我國一個重要的Cu-Fe-Au-Mo礦產走廊[11]。北西以襄樊廣濟斷裂和郯(郯城)廬(廬江)斷裂為界，南東以陽新-常州斷裂為界，總體上呈南西狹窄、北東寬闊的“v”字型展布[11](圖1)。區內的基底為晚太古代-新元古代變質核雜巖構成的崆嶺-董嶺式基底和部分巨厚海相濁積復理石沉積巖夾海相火山巖以及晚元古代花崗巖組成的江南基底[13]，上覆為一套連續的震旦系—早三疊系被動大陸邊緣沉積，發育巨厚的陸相沉積巖系和火山巖系。龍潭頭硫鐵礦位于廬樅火山巖盆地和長江斷陷兩大構造之間，與江南銅陵銅、金、硫等礦集區隔江相對(圖1)，發育有與銅陵地區基本一致的一套古生界～中生界的海相碳酸鹽～陸相碎屑巖組合。礦區內主要被第四系覆蓋，其成因類型復雜多樣，主要以沖積沉積為主，其次為洪積、湖積和沼澤沉積，沉積厚度平均約30 m～50 m(圖2)。第四系沉積物自上而下大致為：①灰黃色、淺棕黃色中-細砂、粉砂、砂質粘土；②灰褐色、灰黑色淤泥質粉砂、砂質粘土；③黃褐色砂質粘土、夾礫石、粘土質砂礫；④具典型二元結構的沖積礫石、砂礫石層。區域褶皺構造為湖隴隱伏復式向斜。同時，受長江北東向深大斷裂及南西部廬樅盆地所產生的環行斷裂影響，區域內存在一系列早期形成的近南北向的壓性、壓扭性斷層和近東西向張性、張扭性斷層，組成了區內斷裂的構造框架。巖漿巖在區域內出露不多，主要為一套中堿、中基、偏酸性的巖石類型。

龍潭頭硫鐵礦目前達中型規模。礦體形態簡單，呈層狀、似層狀順層產出，主要礦石礦物為黃鐵礦，也有少量黃銅礦、閃鋅礦、磁黃鐵礦等，脈石礦物為方解石、石英等。主要容礦層位為黃龍組(C2h)、其次為船山組(C2c)和棲霞組(P1q)底部。礦體產出在巖層界面上(圖3)，賦存位置主要在黃龍組(C2h)與上泥盆統五通組(D3w)之間的層間破碎(剝離)帶、船山組(C2c)灰巖與棲霞組(P1q)灰巖之間的層間破碎帶中，主要賦礦圍巖為大理巖。礦體與圍巖界線明顯，內部常見大理巖角礫，表明礦體主要受層間破碎帶控制。圍巖蝕變主要表現為巖體侵位導致接觸帶附近地層發生大理巖化、角巖化及后期熱液活動形成的碳酸鹽化、硅化、螢石化、綠泥石化等。矽卡巖化不發育。

圖1 長江中下游成礦帶巖漿巖及礦床分布簡圖(改自周濤發[12])Fig.1 Distribution of magmatic rock and ore deposits in the middle and lower reaches of the Yangtze River (from Zhou Taofa [12])

圖2 無為縣龍潭頭地區地質略圖(據胡彥強[14]，表面均被第四系沖積物覆蓋)Fig.2 Geological map of the Longtantou area, Wuwei county(from HU Yanqiang[14] the surface is covered by Quaternary alluvial deposits)

2 方法

2.1 采樣與制備

筆者在龍潭頭礦區進行了Cu、Au、S、Fe、Pb、Zn、As、Ag等8個元素的金屬活動態分析和土壤全量分析工作。其中，Cu、Au、S、Fe元素為龍潭頭礦區的成礦元素，這些元素含量相對較高(Au并非主要成礦元素或重要伴生元素，僅在局部位置有一定品位顯示)。Pb、Zn、As、Ag元素為非成礦元素。為了剔除腐殖質和耕作層對樣品質量的影響，本次試驗采樣深度為50 cm(B 層)，共采集土壤樣10件(其中包含重復樣兩件)。所有樣品沿垂直于礦體走向的剖面采集(近東西向)，因研究區還未有采礦、運輸等工作，所以該地球化學剖面不存在任何污染。受稻田等因素的影響，采樣間距變化范圍為20 m～500 m，在每個采樣點周圍(5 m)采3點～5點復合樣品。樣品平均重量3 kg，并用GPS 定位、照相機拍照以及詳細記錄第四系地質情況。另外，為了避免樣品間的相互污染，將野外采集的樣品直接裝至塑料自封袋，封口，然后再用布袋封裝。所有樣品均在自然條件下晾曬、風干。風干后的樣品過200目篩，將經篩分后的樣品分為等重的2份，分別裝至自封袋，編號。其中1份用于金屬活動態分析，另1份則用于全量分析。

2.2 樣品分析

本次所有樣品均送往河南省巖礦測試中心進行元素的活動態和全量分析。分析項目包括Cu、Au、Ag、As、Pb、Zn、Fe 和S。采用了以電感耦合等離子質譜技術(ICP-MS)為主體、原子吸收(AAS)、原子熒光(AFS)和等離子體發射光譜(ICP-AES)為輔的分析方法體系。各個元素具體測試方法見表1。

圖3 無為縣龍潭頭地區20線地質剖面圖Fig.3 Geological profile of the 20 line in Longtantou area, Wuwei county

檢測項目與參數檢測方法依據主要檢測儀器水溶態(Cu、Pb、Zn、Au、Ag)DD2005-03XSERIES2電感耦合等離子體質譜儀吸附態(Cu、Pb、Zn、Au、Ag)DD2005-03XSERIES2電感耦合等離子體質譜儀有機態(Cu、Pb、Zn、Au、Ag)DD2005-03XSERIES2電感耦合等離子體質譜儀鐵錳氧化態(Cu、Pb、Zn、Au、Ag)DD2005-03XSERIES2電感耦合等離子體質譜儀水溶態As、吸附態As、有機態AsDD2005-03AFS-8330 雙道原子熒光光度計鐵錳氧化態AsDD2005-03AFS-8330 雙道原子熒光光度計水溶態(Fe(T)、S)DD2005-03iCAP6300 Radial 等離子體發射光譜儀吸附態(Fe(T)、S)DD2005-03iCAP6300 Radial 等離子體發射光譜儀有機態(Fe(T)、S)DD2005-03iCAP6300 Radial 等離子體發射光譜儀鐵錳氧化態(Fe(T)、S)DD2005-03iCAP6300 Radial 等離子體發射光譜儀

2.3 質量控制

為保證數據質量可靠性，插入空白樣與國家一級標準物質(GBW07403、GBW07429)、單樣重復分析、重復樣分析以監控分析質量。

對數據的可靠性評價用以下三個指標：

1)準確度(Accuracy)：用標準樣分析測試值與標準推薦值來衡量：

其中，Ci為某國家一級標準物質的某次測試結果，Cj為該標準物質的標準值。

2)精密度(Precision)：即樣品的分析重現性，以預先集中抽取的密碼重復樣來衡量：

其中，Ca、Ca′分別為同一樣品2 次測試結果。

3)采樣誤差(Error)：以同一采樣點位2個樣品

分析結果來衡量：

其中，Cm、Cn為同一個采樣點位2個樣品的分析結果。

按照區域化探的要求：元素的含量在三倍分析方法檢出限以上時，RE%或RD%一般小于10%；元素含量>10 μg/g 時，RE%或RD%小于10%，單次測定誤差小于20%；含量0.1 μg/g ～10 μg/g，RE%或RD%小于15%，單次測定一般應小于30%；含量<0.1μg/g，RE%或RD%小于25%，單次測定一般小于50%(含量在分析方法測定限附近時，單次測定的最大相對偏差<100%)。分析結果顯示一級標準物質合格率(除Au 為97%外)和重復分析樣合格率(除Ag為99%外)均為100%。所有元素的分析測試結果都能滿足要求，均有較高的精密度和準確度。

3 結果與討論

對所測得的Cu、Au、S、Fe、Pb、Zn、As、Ag等8個元素數據進行整理時，首先應確定元素背景值及異常下限值。高于異常下限值的點即為異常點。考慮到原始數據分布特征，我們選擇采用傳統的方法：異常下限=μ+kσ。μ表示元素含量平均值(去掉一個最高值)，σ表示元素含量標準差，k為常值，因為礦體埋藏較深，在地表所形成異常可能較低，本文取k=1.5。平均襯度為各異常點與背景值之比的平均值。數據及計算結果結果列于表2、表3。圖4為龍潭頭礦區Pb、Zn、As、Ag元素部分四相態及全量分析異常圖。圖5為龍潭頭礦區Cu、Au、S、Fe元素四相態及全量分析異常圖。

1)全量。從測試結果看，整條剖面Au元素的全量值小于0.05×10-6。Cu、Fe、S元素雖有異常顯示，但異常襯度很低，只有1.2左右，且不在礦體上方。說明常規的土壤地球化學方法無法在本區發揮作用。造成這種情況的原因可能是：隱伏硫鐵礦上方覆蓋層以早期的沖、洪積物和后期形成的土壤為主，覆蓋層中的化學元素含量絕大部分代表著外來的物質組成，不代表原地的物質信息，更不能代表深部的礦化信息；全量分析采用強酸溶樣，除了溶解“活動態”金屬元素外，土壤樣品中的次生礦物、穩定礦物中呈穩定態的元素也被溶解，使得與隱伏硫鐵礦有關的很少量的活動態金屬形成的地球化學異常被掩蓋。因此，土壤全量分析在長江中下游第四系覆蓋區很難發揮作用。

2)水溶態。Cu和S元素的水溶態峰值出現在礦體上方，為單峰異常。異常強度比其他元素高。Cu元素含量峰值為0.64×10-9，背景值為0.26×10-9，異常襯度2.50。S含量峰值為14.8×10-9，背景值為4.81×10-9，異常襯度為3.08。Au和Fe元素的水溶態測試結果無明顯異常。

3)吸附態。從計算結果看，Cu、Au、S元素吸附態無異常出現。Fe在礦體上方出現了兩個明顯高值，有異常顯示，異常帶寬度較大。Fe含量峰值為165×10-6，背景值66.83×10-6，異常襯度2.37。

4)有機態。Cu和Au元素的有機態異常較為明顯，為單峰異常。Cu元素含量峰值為2.08×10-6，背景值為1.08×10-9，異常襯度為1.78。Au元素的含量峰值為0.24×10-9，背景值為0.16×10-9，異常襯度為1.53。而S元素雖然顯示異常，但異常襯度較低，為1.20。Fe元素無異常出現。

5)鐵錳氧化物態。剖面上，Fe和S在礦體上方顯示出明顯異常。其中，Fe元素含量峰值為534×10-6，背景值為262.29×10-6，異常襯度為1.92。S元素含量峰值為33.2×10-6，背景值為21.01×10-6，異常襯度為1.58。Cu和Au元素的鐵錳氧化物態無明顯異常。

6)Pb元素水溶態在3號點有異常顯示，不在礦體正上方。含量峰值為0.28×10-6，異常下限為0.22×10-6，異常襯度為1.98。其他相態無明顯異常顯示。全量結果在5號點有峰值出現。

表2 龍潭頭硫鐵礦區金屬活動態測量分析結果ω(B)/10-6(ω(Au)/10-9)

表3 龍潭頭含金硫鐵礦區土壤全量分析結果ω(B)/10-6

圖4 龍潭頭礦區Pb、Zn、As、Ag元素異常剖面圖Fig.4 Abnormal of Pb、Zn、As、Ag Longtantou mining area(a)Pb水溶態；(b)Pb吸附態；(c)Pb全量；(d)Zn水溶態；(e)Zn鐵錳氧化物態；(f)Ag水溶態；(g)Ag鐵錳氧化物態；(h)As全量；(i)Zn全量

7)Zn元素水溶態在1號點有異常顯示，含量峰值為0.62×10-6，異常下限為0.42×10-6，異常襯度為2.89。異Zn元素全量測量在3號點有異常顯示。

8)As元素四相態及全量測量結果在剖面上均沒有較好異常顯示。

9)Ag元素在水溶態上有較大異常出現。峰值含量為0.62×10-6，異常下限為0.42×10-6，異常襯度為2.89。異常位于1號點。全量在1號點有異常，但異常襯度較小。

對Pb、Zn、As、Ag元素的分析可以看出，剖面上非成礦元素的活動態與全量測量獲得的元素異常位置與礦體空間關系不密切，且異常襯度比成礦元素的小。

綜合以上表1、表2、表3數據及圖4、圖5可以看出：土壤全量測量取得的異常襯度低，且與礦體在空間上聯系不密切。而在金屬活動態測量中，成礦元素Cu和S元素的水溶態，Fe元素的鐵錳氧化物態和吸附態在礦體上方呈現出高異常，異常襯度達到2及以上。其中，S的水溶態異常最為明顯，含量峰值達14.8×10-9，背景值為4.81×10-9，異常襯度3.08。其次，Cu元素的有機態和S元素的鐵錳氧化物態呈現較高異常，異常襯度為1.5以上。而且金屬活動態取得的異常分布范圍均出現在含金硫鐵礦體上方，與賦礦主斷裂空間關系密切，明顯指示了礦體的賦存位置。而非成礦元素Au、Pb、Zn、As、Ag等的金屬活動態及全量測量提取的異常并不理想。所以，金屬活動態測量法可能對成礦元素形成的異常更加有效。

圖5 龍潭頭礦區Cu、Au、S、Fe元素異常剖面圖(Au全量<0.05×10-9)Fig.5 Abnormal of Cu、Au、S and Fe in Longtantou mining area (Au total<0.05×10-9)(a)Cu四相態及全量剖面；(b)Fe四相態及全量剖面；(c)S四相態及全量剖面；(d)Au四相態剖面；(e)地質剖面簡圖

不同的金屬由于其化學性質或地球化學性質的差別，在不同相態中所占比例有較大差別[14]。從含量上可以看出，Au(相比其他相態)、Cu的有機結合態含量相對較高(圖6)，這是因為研究區降水量大，年均降水量達1 400 mm～1 600 mm，氣候濕潤，植被發育，地表有大量腐殖質。大量發育的植被使土壤中富含有機物，而腐殖質是土壤有機物的重要成分。在富含腐殖質的環境中，金屬能與很多有機物形成絡合物和鰲合物，比如腐殖酸對Au、Cu有著很強的吸附作用，使其在一定條件下與有機質結合而沉淀富集[15]。同時，土壤吸附作用常形成地球化學淋濾障，降低了元素的淋濾作用[16]，保留了土壤中金屬有機態的含量，所以Cu元素的有機態能很好地反映隱伏礦信息。而Au元素有機態雖然占比較高，但活動態總量偏少，所以形成的異常襯度較低。采樣區風化作用強烈，其風化產物(鐵錳氧化物)廣泛分布，在地下深50 cm處，有一層淋積層，主要由鐵錳結核構成[17]。而本次采樣取自地表下50 cm處，常見鐵錳結核，故Fe的鐵錳氧化物態含量占比很高(圖6)，其反應的異常結果也較好。值得注意的是，Fe元素的水溶態在6號點出現負異常，其原因可能是由于地表物理化學作用的影響，水溶態Fe元素重新分配至吸附態，有機態、鐵錳氧化物態中。

圖6 Cu、Fe、S、Au元素各相態比例示意圖Fig.6 Diagrams of various phase proportions of Cu,Fe,S and Au elements

圖7 元素遷移模式圖(改自Wang et al [18] ； Anand et al [19] .)Fig.7 Map of element migration pattern (from Wang et al [18]；Anand et al [19])

綜上所述，主成礦元素金屬活動態測量提取的異常均位于隱伏礦體上方，且與賦礦主斷裂空間關系密切。在處于沖積平原覆蓋區的龍潭頭硫鐵礦區，用金屬活動態方法比傳統地球化學方法探測地球化學異常效果更好。可以運用該方法在長江中下游等沖積平原開展找礦研究。同時，我們在使用該方法時也要謹慎，因為化探異常的形成是多種因素共同作用的結果，包括所測元素是否為成礦元素、是否存在遷移通道與遷移介質、隱伏礦床的類型、主成礦元素的活動性等。例如本例中，龍潭頭硫鐵礦床被深大斷裂錯斷，斷層與裂隙發育；降水及地下水豐富，可作為遷移介質；S、Fe元素活動性強，容易遷移。而我們的結果也表明并不是所有成礦元素的各個相態都有好的異常結果顯示。所以金屬活動態方法能在長江中下游沖積平原覆蓋區取得較好實驗效果，但具體何種元素的何種相態能取得較好效果，對于不同礦種，氣候，地形可能會有不同。對此，目前研究還不深入，需要進一步的工作來完善。而綜合以上討論我們認為研究區龍潭頭隱伏含金硫鐵礦上方的地球化學異常是元素受多營力遷移的結果(圖7)。在龍潭頭礦區所處的長江中下游地區，氣候濕潤，地下水溶解礦床本身及其圍巖中的成礦元素或伴生元素，并在充水的通道中(斷層、裂隙等)向上遷移至潛水面。在潛水面處，由于物理化學條件發生變化，上覆粘土層可形成地球化學屏障，使與礦化信息有關的元素卸載。在接近地表處離子擴散、植物作用、蒸發作用等因素再使這些元素向地表遷移從而形成異常。遷移至地表的成礦元素或伴生元素的活動態形式含量很低，占全量的比例較小，因此，做全量分析時，這部分信息會被土壤的背景所掩蓋。但用金屬活動態測量方法可以只提取這部分活動態形式的金屬，不破壞礦物晶格中的元素形式，使弱的信息得到強化[20]。

4 結論

1)基于金屬活動態分析的穿透性地球化學探測在龍潭頭礦區獲得了較為理想的初步試驗效果。Cu和S元素的水溶態，Fe元素的鐵錳氧化物態和吸附態呈現出高異常，異常襯度達到2及以上。Cu元素的有機態和S元素的鐵錳氧化物態呈現較高異常，異常襯度1.5以上。這些異常與礦體及賦礦主斷裂空間關系密切。所以在長江中下游沖積平原覆蓋區，金屬活動態測量方法對于尋找隱伏礦床應當有著較好的應用前景。

2)龍潭頭隱伏硫鐵礦上方土壤全量和金屬活動態測量分析結果表明，在龍潭頭礦區Cu、S、Fe金屬活動態測量對該區覆蓋區尋找隱伏礦床效果更好。

3)在長江中下游的沖積平原覆蓋區，相比于非成礦元素，成礦元素用金屬活動態方法取得的化探異常效果更好。