穿透性地球化學在干旱戈壁荒漠覆蓋區的應用
——甘肅花牛山鉛鋅礦試驗實例

劉漢糧, 張必敏, 王學求, 孫彬彬, 張振海, 劉東盛

自然資源部地球化學探測重點實驗室, 中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所, 河北廊坊 065000;聯合國教科文組織全球尺度地球化學國際研究中心, 河北廊坊 065000

干旱戈壁荒漠景觀是我國一種特殊的地球化學景觀, 分布在我國西北部地區, 約為210 萬km2,天山、北山、祁連山三大多金屬成礦帶橫貫其中, 成礦地質條件優越, 找礦尤其是找隱伏礦的潛力巨大,是西部大開發的重要金屬礦資源遠景區(孟貴祥等,2006; Wang et al., 2007; Zhang et al., 2016)。但是, 針對大片的戈壁荒漠覆蓋區, 系統的勘查和研究工作不足, 在少數區片進行的1:20 萬區域化探掃面和常規的水系沉積物測量在勘查效果上仍有待研究。戈壁覆蓋區成礦信息的追蹤以及地球化學勘查方法找隱伏礦問題成為西部資源開發的重要課題(王學求等, 2001; 葉榮等, 2004)。

穿透性地球化學通過研究成礦元素或伴生元素從隱伏礦床或礦化體向地表的遷移機理和分散模式, 含礦信息在地表的存在形式和富集規律, 發展含礦信息采集、提取與分析、成果解釋技術, 以此達到尋找隱伏礦的目的(王學求, 1998, 2005; 韓志軒等, 2017)。自20 世紀70 年代, 國內外發展了多種穿透性地球化學勘查技術, 地氣(Geogas)方法(Kristiansson et al., 1982), 酶提取方法(Clarke et al.,1993), 電地球化學方法(CHIM)和元素有機態法(MRF)(Antropova, 1992), 活動金屬離子法(MMI)(Mann et al., 1988), 地球氣納微金屬測量法(Wang et al., 1997), 金屬活動態法(MOMEO)(Wang et al., 1997; Wang, 1998)。土壤中細粒級物質的吸附作用和可交換性能是活動態元素的天然“捕獲井”,可以將深部遷移的信息捕獲, 從這一意義上說, 細粒物質分析具有一定程度的深穿透特征(王學求等,2003)。經過多年實踐, 這些方法逐步走向成熟, 探測深度可達幾百米(王學求, 1998; 張必敏和王學求,2018)。

干旱戈壁荒漠區, 由于受風成砂土的影響, 很難獲知覆蓋層下方的礦化信息, 也就無法探測到深部隱伏礦體。在花牛山鉛鋅礦開展土壤微細粒測量、金屬活動態測量(水溶態測量、黏土吸附態測量、鐵錳氧化物態測量)和地電化學測量多種穿透性地球化學勘查方法試驗工作, 研究各種勘查方法在該區的有效性。

1 研究區景觀與地質特征

1.1 干旱戈壁荒漠景觀特征

我國干旱戈壁荒漠區分布于北緯 40°00′—50°00′之間, 位于賀蘭山以西, 西昆侖山、阿爾金山、祁連山以北, 北面和西面均為國界, 約210 萬km2, 地處內陸, 屬大陸性干旱氣候, 降雨量稀少, 年平均降水量約25 mm, 而蒸發量可高達1500 mm, 地表徑流稀少, 植被稀疏(趙善定和王學求, 2006; 文雪琴, 2007)?；哪瓯趨^由于氣候干燥, 風大沙多, 巖石風化剝蝕作用、機械崩解作用、風力搬運作用較為強烈。除受物理風化作用外,表生地球化學作用也相當強烈, 強烈的蒸發蒸騰作用使土壤形成堿性地球化學障?；哪瓯诰坝^是一系列自然地理因素(氣候、地貌、水文、土壤、植被等)相互作用、相互聯系而形成的一個自然綜合體, 也是白堊紀, 特別是第四紀以來, 許多自然過程(地質過程、物理過程、化學過程)共同參與所產生的特殊產物(王學求等, 2003; 趙善定和王學求, 2006)。

1.2 研究區地質概況

甘肅柳園花牛山鉛鋅礦位于甘肅省安西縣城北偏西91 km, 礦區南西方向有蘭新公路、鐵路通過, 礦區至柳園車站25 km, 有簡易公路、土路相通。工作區地形地貌屬干旱戈壁荒漠區, 南高北低,一般海拔在1900～2000 m。礦區北部地勢較平坦,高差不足50 m; 南部地形起伏較大, 東南角最高峰花牛山海拔2302 m, 相對高差一般在100～200 m。由于暫時性流水及風沿溝谷風蝕作用, 該區地形呈近條形壟崗狀和近東西向山脊及小山丘, 谷寬崗平,谷底及兩側基巖稍有裸露。花牛山鉛鋅多金屬礦田位于北山造山帶中西部, 大地構造位置屬塔里木古陸東北部敦煌地塊(塔里木前陸基底)(王楠等, 2016;包偉航, 2017; 王玉璽等, 2018)北緣雙鷹山早古生代裂谷型被動陸緣帶內的中元古代裂谷中。該礦區出露地層主要為震旦系洗腸井群, 巖性主要是以大理巖、千枚巖、板巖為主的一套變質巖, 局部地勢低洼處有第四系洪積礫石、砂黏土覆蓋。巖漿活動強烈而頻繁, 主要表現為印支期正長花崗巖、二長花崗巖和細粒斑狀花崗巖大面積的巖漿侵入?；ㄅＩ姐U鋅礦床是20 世紀50 年代發現、勘查和確立的一處中型鉛鋅礦床, 20 世紀60 年代, 甘肅省地礦局花牛山地質隊對其進行了詳細勘查評價, 自礦床詳查以來, 針對其進行的專門性的科研工作甚少, 目前該礦床存在的主要問題是已探明的后備礦源不足,急需先進的物化探勘查技術支持, 尋求礦區深部和外圍的接替資源(聶鳳軍等, 2003; 代文軍, 2010; 楊建國等, 2010)。

2 樣品采集與分析

花牛山鉛鋅礦試驗區范圍2.5 km×1.2 km, 面積為3 km2, 測網間距為100 m×50 m, 設計26 條測線, 每條測線25 個點, 共計26×25=650 個點位(圖1)。采集684 件土壤樣品, 采樣深度為0～20 cm, 樣品由采樣點周圍5 m 范圍內的3～5 個子樣組合而成, 篩取-200 目細粒級樣品, 樣品重量大于500 g。在中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所中心實驗室開展土壤微細粒和金屬活動態(水溶態、黏土吸附態、鐵錳氧化物態)分析(王學求等, 2003), 分析Pb、Zn 主成礦元素及Au、Ag、As、Cu、Hg、Sb 等伴生或指示元素。地電化學測量采集699 件樣品, 提取器為中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所研制的固體載體型元素提取器, 其中載體物質為厚1 cm、直徑11.5 cm 圓片狀高密度聚氨酯海綿構成, 提取時間為24 h, 供電電壓為9 V, 提取器埋置深度約30 cm(孫彬彬等, 2011, 2015a)。在中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所中心實驗室分析了Pb、Zn 主成礦元素及Au、Ag、As、Cu、Hg、Sb 等伴生或指示元素。樣品分析嚴格按照規范要求, 采取重復樣、標準樣、密碼樣、異常點抽查等控制分析質量。分析元素的報出率均為100%, 標準樣合格率為 100%, 重復樣合格率為98%, 異常樣品抽查合格率均在95%以上。

圖1 花牛山鉛鋅礦地質簡圖和工作部署圖Fig. 1 Geological sketch map and sampling sites of the Huaniushan Pb-Zn deposit

3 結果與討論

3.1 地球化學參數統計

參照前人勘查地球化學數據統計方法, 采用中國地質調查局發展研究中心研發的GeoExpl 軟件完成數據統計。對土壤微細粒全量測量、金屬活動態測量和地電化學測量的原始分析結果進行了統計,統計參數包括各元素的最小值、平均值、中位值、最大值、標準差及變異系數, 其中變異系數=標準差/平均值。將各元素的原始分析數據, 采用“X±3S”連續迭代剔除法(X為原始數據平均值,S 為標準差)進行處理, 直到不再有離群點數據可剔除為止, 即所有數據全部分布于X-3S 與X+3S 之間,形成背景數據, 求取背景數據集的平均值(背景值)、標準差及變異系數, 異常強度為異常含量平均值,異常襯度為異常強度和背景值之比。結果見表1。針對主成礦元素Pb 和Zn 而言, 5 種測量方法分析數據異常襯度均較高, 黏土吸附態測量Pb 和Zn 異常襯度分別高達40.2 和26.7。穿透性地球化學方法的特點在于其獲取的是穿透性信息, 盡管信息很微弱,但其異常襯度較強(王學求, 1998)。

表1 花牛山試驗區穿透性地球化學測量元素參數Table 1 Geochemical parameters of the deep-penetrating geochemistry in the Huaniushan test area

微細粒全量測量、金屬活動態測量(水溶態測量、黏土吸附態測量、鐵錳氧化物態測量)和地電化學測量各元素原始數據的變異系數(Cv1)和背景數據的變異系數(Cv2), 反映了元素的相對離散程度。Cv1 反映元素原始數據集的變化幅度, Cv1/Cv2 則反映背景擬合處理時對離散群的特高值和特低值(以前者為主)的削平程度。利用上述2 個參數繪制的元素變異系數圖解可以反映元素含量變化程度、高值數據的多少, 從而進一步反映元素富集成礦的可能性(王磊等, 2016)。圖2 可以反映出以下特點:微細粒全量測量Zn、Pb、Ag 含量變化幅度大, 高值數據多, 富集成礦可能性大; 水溶態測量Pb、As、Zn 含量變化幅度大, 高值數據多, 富集成礦可能性大; 黏土吸附態測量Pb、Ag、Zn、Sb 含量變化幅度大, 高值數據多, 富集成礦可能性大; 鐵錳氧化物態測量Bi、Zn 含量變化幅度大, 高值數據多, 富集成礦可能性大(與實際成礦情況有差異, 側面反映該方法在該區試驗效果稍差); 地電化學測量Pb、As、Sb、Zn 含量變化幅度大, 高值數據多, 富集成礦可能性大。5 種勘查方法均顯示Pb、Zn 在該區有富集成礦可能, 也反向證實了方法對該區Pb、Zn 礦勘查的有效性。

圖2 元素變異系數分析圖Fig. 2 Variation coefficient analysis diagram of geochemical elements

3.2 面積性試驗

對花牛山鉛鋅礦區開展的穿透性地球化學方法面積性試驗, 應用Surfer 軟件制作等值線圖, 采取0%、0.5%、2.5%、7.5%、15%、25%、40%、60%、75%、85%、92.5%、97.5%、99.5%、100%累積頻率分級方法, 并將礦體平剖圖疊加在等值線圖上,以呈現元素的地球化學分布特征及異常與礦體的對應關系。

土壤微細粒測量、金屬活動態測量(水溶態測量、黏土吸附態測量、鐵錳氧化物態測量)和地電化學測量 P b、Z n 元素異常主要集中在試驗區中部(圖3), 呈東西向展布, 濃集中心較高, 且異常連續, 與礦區二礦帶對應極好, 在該礦帶上方呈現局部異常, 同時在試驗區邊部異常未閉合, 與試驗區外圍礦體(三礦帶)相對應。土壤微細粒測量和黏土吸附態測量以富含黏土礦物為特征, 而黏土礦物強烈的吸附性使得該兩方法可以有效地指示隱伏礦體。干旱戈壁區氧化作用強烈, 土壤顆粒表面易形成鐵錳氧化物膜, 對元素具有強烈的吸附作用, 因此鐵錳氧化物提取可以有效地指示隱伏礦體。水溶態測量以提取可溶性離子為主, 而該區土壤總體呈堿性, pH 值在7.5～9.5 之間, 土壤金屬離子含量相對較低, 因此水溶態測量效果相比較而言稍差, 雖然也與隱伏礦體有一定的對應關系但受地形和水系影響較大。孫彬彬等(2015b)指出當前所使用的地電化學方法取得的異常很大程度上是由土壤中存在的具有電活動性的極細粒黏土礦物顆粒引起, 地電化學提取過程對這些黏土礦物顆粒具有選擇性吸附。主成礦元素異常主要集中在變質巖區(震旦系大理巖, 千枚巖), 異常區內花崗斑巖巖脈、斜長花崗斑巖巖脈較發育。盡管試驗區有基巖出露, 一定程度上對穿透性地球化學方法的實施造成了不小困難,但從深穿透地球化學元素遷移機理角度而言, 該地區的變質作用和構造裂隙對深部含礦信息向地表的遷移起到了促進的作用, 使得我們可以通過捕捉地表信息來指示深部礦化。

圖3 花牛山試驗區穿透性地球化學測量Pb 和Zn 地球化學圖Fig. 3 Lead and zinc geochemical map of the deep-penetrating geochemistry in the Huaniushan test area

土壤微細粒全量測量、金屬活動態測量和地電化學測量均能很好的反映試驗區深部隱伏礦體信息,相比較而言, 土壤微細粒全量測量效果最好, 黏土吸附態測量、鐵錳氧化物態測量和地電化學測量效果較好, 水溶態測量效果稍差。土壤微細粒全量測量采樣、分析等流程簡單易操作, 活動態測量和地電化學測量較土壤微細粒全量測量成本高, 且穩定性差。

3.3 穿透性地球化學微觀證據

穿透性地球化學勘查技術在覆蓋區試驗成功案例很多, 但覆蓋區成礦及其伴生元素如何穿透覆蓋層遷移到地表？制約其發展的瓶頸是其機理問題,也就是異常來源、元素遷移機理和元素卸載機制。

國內外學術界對深穿透地球化學機理進行了大量探索研究, 提出了納米微粒遷移的推測(Wang et al., 1995), 可這僅僅停留在概念和推測的基礎上,直到20 世紀90 年代末期陸續開始在地氣和土壤中觀測到納米微粒和納米礦物。童純菡和周四春團隊(Tong et al., 1998; 童純菡, 2001; 周四春等, 2014)利用原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀測地氣采樣片, 證實地氣物質是以納米微粒形式遷移, 并在室內設計了模擬上升氣流通過礦層、礦層加蓋層及圍巖的模型試驗, 結果顯示在模型中上升氣流遷移的粒子仍是納米微粒。Zhou et al.(2003)通過物理—數學計算機模擬論證了深部納米級微?？梢晕皆谖馀萆? 并在地氣流的帶動下遷移至地表。曹建勁團隊(Cao et al., 2009; 曹建勁, 2012; Cao et al., 2017; Cheng et al., 2018; Liu et al., 2019; Luo et al., 2015)利用透射電子顯微鏡和X射線能譜測定了地氣中納米微粒的特征, 并總結相同類型的礦床微粒特征, 認為存在較大的相似性,可以通過對隱伏金屬礦床地氣微粒特征進行研究,建立不同礦床類型地氣微粒特征模型。王學求、葉榮團隊(王學求和葉榮, 2011; 王學求等, 2012; 葉榮等, 2012; Wang et al., 2017)在新疆金窩子金礦、河南周庵銅鎳礦和福建紫金山悅洋銀金銅多金屬礦的礦石、地氣和土壤中同時觀測到氣、固介質中納米級金屬微粒, 并被室內遷移柱觀測到納米顆粒所證實, 為成礦元素在覆蓋層中的遷移機理研究提供了直接的微觀證據, 使得覆蓋區勘查地球化學遷移機理研究從描述性模型向實證性模型實現了質的飛躍, 并為利用土壤作為采樣介質, 精確分離含礦信息用于尋找外來蓋層下的隱伏礦提供了理論基礎。成礦過程中成礦元素可形成納米金屬顆粒, 在礦石風化過程中部分納米金屬微粒發生解離而具備活動性, 活動性納米金屬顆粒因其巨大的表面能, 可吸附于氣體分子表面, 并通過地氣流的垂向運動, 穿透礦體上方覆蓋層而到達地表; 另外, 納米物質所具備的易分散性質可以使納米金屬微粒自身發生垂向遷移而到達地表, 到達地表后部分納米金屬微粒仍然滯留于壤中氣, 部分被土壤中黏土礦物或氧化物膜吸附(王學求等, 2016; Wang et al., 2017; 張必敏等, 2018)。針對地電化學異常形成機理問題, 孫彬彬等(2015b)通過多個礦區地電化學測量試驗發現, 電提取微量元素異常往往與Fe、Al 等常量元素具有非常密切的關系, 無論在異?？臻g分布形態上還是在相關性方面都非常一致, 同時, 掃描電鏡觀測發現電提取后泡塑載體樣品中存在大量的大小從數微米至數十微米的黏土礦物顆粒(圖4)。由此推斷,地電化學測量方法取得的異常很大程度上是由土壤中存在的具有電活動性的極細粒黏土礦物顆粒引起,地電化學提取是對這些黏土礦物顆粒選擇性吸附過程。

圖4 掃描電鏡觀測到的泡塑所吸附的黏土礦物顆粒(孫彬彬等, 2015)Fig. 4 Nanoscale clay particles absorbed on foam plastic sample observed on scanning electron microscope (after SUN et al., 2015)

4 結論

針對干旱戈壁荒漠區花牛山鉛鋅礦開展土壤微細粒全量測量、金屬活動態測量(水溶態測量、黏土吸附態測量、鐵錳氧化物態測量)和地電化學測量實測研究, 結果表明5 種測量方法主成礦元素(Pb、Zn)異常襯度高, 變異系數大, 富集成礦可能性大,地球化學異常與深部隱伏礦體位置吻合; 相比較而言, 土壤微細粒全量測量效果最好, 黏土吸附態測量、鐵錳氧化物態測量和地電化學測量效果較好,水溶態測量效果稍差; 穿透性地球化學勘查技術對干旱戈壁荒漠區尋找隱伏鉛鋅礦是有效的。氣固介質中內生條件下的納米金屬微粒的發現為利用土壤作為采樣介質的穿透性地球化學方法技術(土壤微細粒測量、金屬活動態測量)提供了理論基礎。電提取泡塑載體中大量的微米級的黏土礦物顆粒發現,以及微量元素異常與Fe、Al 等常量元素異常高度一致, 初步推斷地電化學測量是對黏土礦物顆粒選擇性吸附過程。針對不同方法技術對不同礦種和不同景觀區的適用性問題, 一方面要深入總結已有實例資料, 另外一方面還要從方法技術的理論基礎出發,從機理上研究其適用性問題。

Acknowledgements:

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (No.2016YFC0600600), National Natural Science Foundation of China (No. 41903071), and China Geological Survey (Nos. 12120113100500, DD20190451 and DD20190450).