熱帶雨林景觀土壤測量采樣深度與樣品粒級試驗研究
——以加納國雅卡錳金礦為例

丁兆舉，常 昊，張年生，尉 青

(中國冶金地質總局西北地質勘查院，陜西西安 710119)

0 引言

雅卡錳金礦床位于加納國著名的阿散蒂金礦帶南部，屬于熱帶雨林氣候，為濕潤中低山景觀區。前人主要進行錳礦地質勘查，對區內的金礦勘查相對較少，地表未開展與金礦有關的土壤地球化學勘查。對尋找金等多金屬礦來說，前期土壤地球化學測量是一種行之有效的找礦手段(羅先熔等，2007；孫凱等，2011；張善明等，2011；席明杰等，2013；王瑞軍等，2016；湯國棟等，2020)，也是礦產地球化學勘查中十分重要的勘查方法之一，目前在地質勘查中土壤地球化學找礦被廣泛應用(宋慈安等，2001；劉邦定等，2015；蒙勇等，2016；楊永春等，2017)。近70年來前人利用土壤測量尋找金礦(劉增鐵，1993；謝學錦等，2004；劉珊等，2016；尚小社等，2018；董一博等，2019；王喬林等，2021)、銅多金屬礦(杜明龍等，2015；劉洪微，2017；楊笑笑等，2018；李凱和萬歡，2019；王喬林等，2021)取得了很好的效果。土壤地球化學測量的關鍵技術問題是采樣深度和樣品粒級，其直接影響土壤地球化學找礦信息的提取。本文以加納國雅卡錳金礦床為研究對象，對采樣深度和樣品粒級進行試驗研究，了解成礦元素在土壤垂向剖面中的分布規律和成礦元素在土壤中的最佳富集粒度(李源林等,2017)，確定適合熱帶雨林景觀區土壤地球化學測量的最佳方法技術，目的是獲得真實、可靠的土壤微量元素地球化學信息(賈先巧等,2009；李源林等，2017)和成礦元素在該區的分布情況和富集規律，為圈定找礦靶區提供依據(湯國棟等，2020)。該項工作可以降低勞動的強度，又可避免人為活動所造成的采樣污染(龐緒貴等,2005)。

1 自然地理及景觀特征

礦區位于赤道附近，屬典型熱帶雨林型氣候，全年高溫炎熱(左立波等，2013)，各月平均氣溫25～28 ℃，年最高氣溫36.8 ℃(2～3月)，最低氣溫19.5 ℃(8～9月)。年降水量達2000 mm以上，主要集中在每年的5～9 月。區內水系發育，森林密布，地形較平緩，多為丘陵，海拔50～160 m。礦區基本為第四系覆蓋，主要以基巖風化形成的殘坡積碎屑土層為主，土壤類型主要以粘土、亞粘土為主，在局部低洼地段分布少量的沖積、洪積、礫石等松散堆積物。基巖出露較少，僅在山頂、山脊或殘丘有基巖或殘積碎屑巖(塊)出露。在高溫多雨的影響下，熱帶雨林地區的風化淋濾作用強烈，地表的巖石遭受強烈的分化淋濾呈磚紅色-褐色等土狀或半風化狀態，形成土壤的過程快速而徹底，所以土層較厚。那些不易溶解的礦物，相對集中起來，最常見的殘留礦物為鐵、錳氧化物，土壤顏色偏紅，土壤類型主要以紅壤(曹鐵生等，2020)、黃褐壤為主。

2 礦區地質特征

礦區大地構造位置屬于西非克拉通東南部，比里姆巖群東南部阿散蒂變質火山巖帶南端，加納著名的阿散蒂金礦帶南部(圖1)。

圖1 加納雅卡錳金礦區地質簡圖①

區內出露的地層為古元古代比里姆巖群，形成于2195～2072 Ma，出露面積很小，主要為火山碎屑巖、碳酸鹽巖地層，少量變質火山巖系綠巖相，絕大部分被第四系土壤覆蓋。火山碎屑巖以蝕變凝灰巖為主，呈淺紫色、淺灰綠色。區內錳礦、金礦均主要賦存于比里姆巖群上部的綠巖內，有著名的阿散蒂金礦(李鵬和羅習文，2015；曹鐵生等，2020)。錳礦賦存于兩層綠巖單元中間的沉積層內，碳酸鹽巖地層為錳礦的主要賦礦層位。含礦層位以碳酸鹽巖地層上部和下部的火山沉積序列為邊界，底部的下-綠巖地層主要由火山碎屑巖組成，其上被沉積巖系列覆蓋。該沉積巖系列被其上部的上-綠巖地層覆蓋，上-綠巖地層由變質熔巖，以及可能存在的變質細粒火山碎屑巖組成。區內構造發育，較大斷層呈NE-SW向分布，次一級斷層呈NW-SE向分布。礦區內巖漿巖分布范圍較廣，以古元古代Dixcove花崗巖為主。比里姆巖群火山碎屑巖及沉積巖整體發生了強烈變形，晚期Dixcove花崗巖的侵入發生了圍巖蝕變。在元古代晚期的構造變質作用形成了變質火山巖系列和變質沉積巖系列。從空間分布來看，花崗巖類巖石包裹著比里姆系巖石，部分凝灰巖覆蓋于花崗巖頂部或者捕虜體狀分布。

3 樣品采集與粒級

3.1 樣品采集

土壤垂向試驗剖面選擇區內已知的錳礦體，及前人采金豎井附近及背景地段處，避開沖積、洪積、礫石等松散堆積物覆蓋區，以研究礦(化)體及背景地段土壤垂向剖面微量元素賦存變化規律。在礦區內選擇三處典型剖面作為試驗研究剖面，該三處剖面的巖性依據周圍轉石情況推測分別為凝灰巖、花崗巖、含錳碳酸鹽巖。其目的是掌握微量元素含量變化特征與采樣深度與樣品粒級之間的關系(鄒長毅等，2002；龍宣霖，2013)，為下一步開展面積性土壤地球化學測量確定最佳采樣深度和樣品粒級(刁理品等，2010；龍宣霖，2013；張榮國和潘北斗，2019)。

每條土壤剖面挖掘規格為1 m×1 m×1 m，即長1 m、寬1 m、深1 m。對土壤剖面進行詳細觀察并分層，樣品自地表向深部依次按0～20 cm(A 層)、20～40 cm(B1層)、40～60 cm(B2 層)、60～90 cm(C1層)四層分層(鄒長毅等，2002；賈先巧等,2009)，每個層位的樣品按照10 cm×10 cm規格以連續刻槽法采集，每條剖面按分層采集4件樣品，三條剖面共采集12件樣品，野外采集的樣品重量為3 kg。

3.2 樣品粒級選擇、加工與分析

試驗樣品自然風干后，木棍敲碎，反復手搓，除去樣品顆粒物表面上附著的粘土，把每個樣品用不銹鋼樣篩按照-4～+20目、-20～+40目和-40目套篩加工成三個粒級段樣品(鄒長毅等，2002；賈先巧等,2009)，三條剖面的樣品按照三個粒級段加工分解為36件樣品。樣品由加納國家具有分析化探樣品資質的甲級單位分析測試，樣品加工及分析方法均按照加納國行業標準執行，測試中采用該國一級標樣進行準確度監控，并插入10%的密碼樣進行檢查，檢查結果表明，樣品測試的準確度和精確度均優于標準，分析質量可靠。

4 土壤測量方法技術試驗成果

4.1 采樣深度

金礦化附近(即S1剖面)采樣深度Au、Mn、Cu含量變化特征(圖2)：Au在20 cm深度處富集，從40～80 cm深度略有減低，但變化幅度不大。Au在20 cm深度富集，是由于表生富集作用的影響，但隨著采樣深度的增加，Au基本趨于穩定，其含量水平不隨采樣深度的加深而增高(圖2a)。Mn主要富集在20 cm和60 cm深度處，Mn在20 cm深度處富集，可能是由于鐵錳次生富集造成的，但隨著采樣深度的增加，錳含量水平略有減低，但變化幅度不大，這種變化可能反映了本景觀條件下錳元素的次生富集特征(圖2b)。銅元素隨著采樣深度的增加而增高，但變化幅度也不大(圖2c)。總之，Au含量與采樣深度無較大關系，Mn、Cu隨著采樣深度的加深稍有增加。但隨著采樣深度的加深，可以消除近地表次生富集的影響，真實地反映本區微量元素在土壤中的含量水平。

圖2 S1剖面不同采樣深度樣品粒級含量變化圖

錳礦體地段(即S2剖面)采樣深度Au、Mn、Cu含量變化特征(圖3)：Au、Mn、Cu元素含量隨著采樣深度的加深逐漸增高，Au在60 cm深度富集(圖3a)；Mn、Cu分布模式基本相同(圖3b～c)，除了在20 cm處富集外，在60～80 cm深度有較強的富集，即隨著采樣深度的加深，Mn、Cu元素的異常含量逐步增大，更好地反映了微量元素在土壤中的真實信息(鄒長毅等，2002；龍宣霖，2013)。

圖3 S2剖面不同采樣深度樣品粒級含量變化圖

背景地段(即S3剖面)采樣深度Au、Mn、Cu含量變化特征(圖4)：Au含量在土壤剖面中變化不大，基本趨于穩定，其含量水平不隨采樣深度的加深而增高或減低(圖4a)。這種變化特征可能是本區土壤覆蓋較厚，而Au比較穩定，在土壤覆蓋較厚的地段變化不明顯所致；Mn含量隨著采樣深度的加深逐步減低，所反映的地質效果也較好(圖4b)；Cu元素表現為從淺部到深部元素含量逐步增加，在60～80 cm深度處基本趨于穩定(圖4c)。

圖4 S3剖面不同采樣深度樣品粒級含量變化圖

4.2 樣品粒級

金礦化附近樣品粒級Au、Mn、Cu 含量變化特征(圖2)：主要元素Au、Mn、Cu粒級含量分布差異不十分明顯，但也存在較小的變化，Au、Cu在-4～+20目粒級段含量水平相對較高，-20～+40目、40目以下(-40目)兩個粒級段含量水平差異很小；Mn含量在-4～+20目、-20～+40目、40目以下三個粒級段內上下波動，無明顯規律。因此，在金礦化附近Au、Cu含量在-4～+20目粒級段內相對富集。

錳礦體地段樣品粒級Au、Mn、Cu 含量變化特征(圖3)：主要元素Au、Mn、Cu粒級段含量差異較為明顯，從細粒級到粗粒級元素含量呈逐漸增加的分布狀態，Au、Mn、Cu在-4目～+20目粒級段富集最強，其次為-20～+40目，40目以下Au、Mn、Cu富集最弱。

背景地段樣品粒級Au、Mn、Cu含量變化特征(圖4)：Au、Mn粒級段含量變化不明顯，元素富集和粒級之間沒有明顯的相關關系，即細粒級與粗粒級之間的元素含量相差無幾，但Cu在粗粒級(-4～+20目)含量相對富集。

4.3 采樣深度和樣品粒級有效性分析

在雅卡錳礦區Ⅰ-Ⅰ剖面線上(剖面位置見圖1)，按采樣點距50 m，采樣深度60～80 cm，在測定的采樣點周圍點線距1/10 范圍內取樣，樣品由三處以上組成(董一博等，2019)。野外粗加工粒級-4～+20目，對試驗研究結果進行了有效性驗證。對剖面礦化地段與背景地段的樣品分別進行了地球化學參數特征統計(表1)，結果表明，在錳礦(化)地段Au、Cu、Mo、Mn、Cr、Ni平均含量、變化系數、濃集克拉克值均比背景地段高，其中礦化地段Au、Mo的平均含量分別是背景地段的5.6倍、8倍，Au、Mn的變化系數大于等于2，表明這兩種元素在區內分布特征具有極不均勻性，同時也說明了Au、Mn元素參與了次生富集成暈的過程，極易形成地球化學礦致異常(袁和等，2017；袁和和許云鵬，2021)，Zn、Cr兩元素的變化系數小于1，說明兩元素在區內的分布均勻，沒有起到較大的起伏變化(陳樂柱等，2016；袁和和許云鵬，2021)。這表明所選擇的采樣方法技術，既能反映礦化地段微量元素礦化信息特征及地球化學強變化特征，又能體現背景地段的地球化學變化特征，二者之間差異明顯。

表1 加納雅卡錳金礦Ⅰ-Ⅰ剖面元素地球化學參數特征

選取剖面上部分主要成礦元素制作含量曲線圖(圖5)，從圖中可以看出：錳礦體及其含鐵錳凝灰巖上呈現出Mn、Cu、Pb、Zn、Mo、Ni、Co異常，其中Mn、Mo異常值高，連續性好，與錳礦體對應較好，反映了錳礦體元素組合特征。變凝灰巖呈現出Au、Cu、Mn、Mo、Co、Ni、Pb、Zn異常，其中Au、Cu、Mn、Mo、Co、Ni異常高，疊加較好。Pb、Zn異常較弱，可能與熱帶雨林地表淋濾環境有關。花崗閃長巖與角閃花崗巖中有金異常分布，但寬度窄，以金單元素異常出現，可能反映花崗巖體中的含金石英脈。總體上錳礦體上Mn、Cu、Pb、Zn、Mo、Ni、Co異常規模大，異常連續性較好，具有明顯濃集中心；變凝灰巖上Au、Cu、Mn、Mo、Co、Ni異常規模較大，疊加較好，濃集中心明顯，但伴生元素Pb、Zn異常含量較低。

圖5 雅卡錳金礦區Ⅰ-Ⅰ剖面線土壤測量異常圖

5 結論

(1)根據采樣深度試驗結果，在礦體(化)上，采樣深度在60～80 cm能夠客觀反映土壤微量元素礦化信息特征。這既能避免表生人類活動所帶來的污染，又能客觀反映深部基巖風化后的礦化信息特征。在非礦地段或背景區，60～80 cm的采樣深度能較好地體現基巖風化后的背景值特征，又能消除淺部次生富集帶來的非礦異常。

(2)根據樣品粒度試驗結果，在礦體(化)地段各粒級段樣品中，主要元素Au、Mn、Cu和與之共生的微量元素均有異常顯示，但粗粒級(-4～+20目)比細粒級(-20～+40目、40目以下)效果好；在背景地段粗粒級(-4～+20目)與細粒級(40目以下)相比，Cu相對富集，Au、Mn含量變化不顯著，但其含量變化在一定的背景含量范圍內波動。

(3)采用采樣深度60～80 cm和截取樣品粒級-4～+20目，在礦區錳礦上方殘坡積土壤中發現了明顯的Mn、Ba、As、Cu、Pb、Zn、Ce、Mo、Ni、Co等異常；在變凝灰巖中發現了明顯的Au、Cu、Mn、Mo、Ba、Co、Ni、Pb、Zn等異常，在花崗閃長巖和角閃花崗巖中發現了金異常。這說明60～80 cm采樣深度和-4～+20目樣品加工粒級是合理的，證明所采用的土壤測量方法技術在加納雅卡錳金礦區是有效的。

(4)試驗研究結果表明，在赤道附近熱帶雨林景觀條件下，采樣深度對土壤異常的強弱影響較大，粗粒級(-4～+20目)樣品元素含量相對富集。因此采用60～80 cm采樣深度，采用-4～+20目樣品加工粒級，不僅能體現礦化地段地球化學信息，又能反映背景地段的元素變化特征，獲得的地球化學異常是真實的、可靠的，完全能滿足赤道附近熱帶雨林景觀條件下土壤地球化學找礦需要。

[注 釋]

①中國冶金地質總局西北地質勘查院.2019.加納共和國西部省YAKAU錳礦普查報告[R].