热磁技术确定矿床有效指示元素的试验与效果

胡树起 ， 马生明 ， 刘崇民

(中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000)

0 前言

工作中人们有时会碰到这样的问题，在某一地区建立的找矿模型或者找矿指标，应用到另一地区找矿效果并不理想。原因可能很多，其中一个重要的原因是，一些从早期容矿围岩继承下来的元素，因含量高衬度大而被当作找矿指示元素使用，并参与构建模型，其实这些元素与矿体仅有空间关系而无成生关系，反映的只是成矿环境，成矿环境变了，指示意义自然不复存在。

指示元素是最基本的找矿指标，以往矿区化探确定指示元素，分析的介质主要为岩(矿)石或单矿物[1]。其中岩石应用最为广泛，也是上述问题的起因之一。单矿物中常用的是黄铁矿和毒砂，二者是热液矿床中分布最广的共生矿物，是许多指示元素的载体或富集矿物，分析这些单矿物中微量元素的含量,可以得到比全样分析更为明显的找矿信息和更加有效的指示元素组合，但样品采集、加工成本较高。针对这种情况，就如何确定矿床有效指示元素，我们尝试引入热磁技术。

1 理论基础

热磁技术是前苏联A.H.波戈留波夫等人在上世纪70年代提出的一种偏提取技术[2]，其技术关键是通过焙烧和磁分选方式提取地球化学样品中的磁性物质，过去主要用于覆盖区找矿[3-4]，从热磁组分的物质组成看，其用于确定矿床指示元素是具有理论基础的。

大量研究发现，各种类型的成矿元素与含铁矿物关系密切，后者是前者的载体或富集介质，这是热磁技术应用的前提条件。含铁矿物在新鲜岩石中多以黄铁矿、毒砂等形式存在，通过限氧焙烧可将其转变为磁黄铁矿[5]和具磁性的毒砂，这时热磁组分可以起到某一单矿物的作用。对于风化的地表岩石，热磁组分的代表意义更为丰富，因为与成矿作用相伴而生的含铁矿物(如黄铁矿、黄铜矿、毒砂等)，在氧化环境中均会褐铁矿化，通过热磁技术可将其还原为磁性矿物[2]。对于残坡积物，在其形成过程中，与成矿作用伴生的含铁矿物在岩石的崩解中发生机械分散，分散的矿石质点继承了成矿元素与之的伴生关系，随后的氧化分解并未彻底改变这种关系[2]，而热磁组分继承并放大了这种伴生关系，表现形式为带有较强磁性的铁锰氧化物[6]。

有资料表明，热磁组分中成矿元素含量及各元素的比值非常接近于矿化原生源中的含量及比值[2]，因此通过热磁组分确定矿床指示元素理论上是可行的。作者以乌努格吐山铜矿、丰山洞铜矿为例，就热磁组分确定矿床指示元素的效果进行试验研究。

2 乌努格吐山铜矿试验区

2.1 试验区概况及工作部署

乌努格吐山铜矿[7]位于内蒙古自治区新巴尔虎右旗境内，北东距满洲里市区22 km。现已查明该矿床为一大型斑岩型铜钼矿，其中伴生元素铼、银储量已达大、中型规模。矿体主要赋存在燕山早期黑云母花岗岩(γβ)与后期侵入的燕山晚期次斜长花岗斑岩(γiπ)的接触带上的石英-长石化黑云母花岗岩及次斜长花岗岩中(图1)。矿区具有典型的斑岩铜钼矿床蚀变特征，蚀变分带明显，地表蚀变范围达7 km2。矿床以次斜长花岗斑岩体为中心形成环带状铜钼矿化，矿带中部受成矿后NWW向断裂(F7)所破坏，造成矿带不连续，将矿床分为南、北两个矿段。矿石类型主要为细脉浸染型硫化矿石。

试验沿北矿段布设一条长剖面W650(图1)，沿线同点范围采集土壤和岩石样品，点距50 m，两端放稀至100 m～200 m。岩石取样探槽或基岩露头，共40件，以花岗岩为主，破碎强烈；土壤样品在岩石样点附近采集，样深20 cm ～40 cm，以残坡积物为主。

采集的土壤样品晾干后轻碎，然后过筛，截取-20目～+60目粒级，经热磁技术处理后细磨至200目然后送分析。岩石样品破碎后细磨至200目，直接送分析。

热磁技术焙烧条件[8]为：土壤50g，-20～+60目，焙烧温度650℃，焙烧时间40 min，SX-4-10型马弗炉。热磁组分分选电流设为0.2A，LZC-1B型带式矿物电磁分选仪。

2.2 数据分析

从图1可以看到，设计测线W650中段刚好从矿体上部穿过，地质上认为，该地段风化剥蚀强烈，采样点已近高温蚀变带，即石英-绢云母化带。岩石分析结果显示，该地段Cu、Mo含量较高，部分样品已达到矿床原生晕元素异常浓度分级[9]内带水平，是主成矿元素。选择Cu>400×10-6或Mo>40×10-6的8件连续样品(图1之重点研究测点)作为研究对象，分别统计岩石和相对应的土壤热磁组分中各元素的特征值。

图1 乌努格吐山试验区北矿段地质略图Fig．1 The schematic geological map of northern mine segment of the study area in Wunugetu hall copper mine (据黑龙江有色地质勘查706队资料修编)

岩石和土壤热磁组分中各元素的平均值列于表1。考虑到热磁组分与矿化岩石存在着密切的关系，即热磁组分中成矿元素含量及各元素的比值非常接近于矿化原生源中的含量及比值[2]，研究采用统一的背景值计算各自衬值，背景值是以40件岩石样品动态剔除高于(低于)平均值加(减)三倍离差(X±3S)数据后的平均值为标准。

从表1可以看出，岩石衬值>1.2的元素有Cu、Mo、Cd、Pb、Sr等，元素组合较为单薄。而与之对应的土壤样品热磁组分中各元素衬度大幅提高，其中Cu、Mo含量提高3倍之多，衬值>2的元素就达16种，元素组合为：Cu、Mo、Cd、Pb、Sr、Ag、As、B、Bi、Co、Cr、Ni、S、Sb、Ti、Zn。这些元素未必都是成矿指示元素，可能有部分来自容矿围岩或外围低温蚀变带，由于土壤中含铁矿物的集成作用(一是对伴生关系的继承，一是铁锰氧化物的后期吸附，通过热磁技术综合并放大)，使之呈现出较高含量，实际上与Cu、Mo并无相关性。为进一步了解这组元素与Cu、Mo的关系，对其进行典型相关分析，Cu、Mo与上述元素以及常量组分SiO2、Al2O3、K2O的相关系数列于表2。

另外，成矿元素Cu、Mo与粘土成分SiO2、Al2O3、K2O不相关，显示与表层土壤没有成因联系，也就是说，热磁组分测量反映的是深部矿化信息。

表1 乌努格吐山试验区重点研究样品元素含量及特征值统计

注：Ag、Cd单位为10-9，其他元素为10-6

表2 土壤热磁组分中Cu、Mo与各元素相关系数(n-2=6)

注：“-” 表示相关系数为负值

表3是斑岩铜矿指示元素统计表，比较发现，国内元素组合相对国外增加了Pb、Zn、Mn、W等元素，而这些元素恰恰是低温蚀变带(青磐岩化带)的组合特征[10]。蚀变分带是斑岩铜矿典型特征，国内元素组合涵盖了整个蚀变带，可见国内更注重对矿床整体的总结，而国外则偏重矿体或矿化体。本次研究的结论与国外相近，更倾向于对矿体的表征。

表3 国内外斑岩型铜矿原生晕指示元素组合统计

从表3可以发现，国、内外研究中均将Hg元素作为重要指示元素。由于汞的热释特性，本次试验未将Hg元素考虑在内。

在确定矿床指示元素组合的过程中，我们发现，相比岩石，土壤热磁组分具有更高的元素含量，可以挖掘出更多的异常信息，这可能与该矿区岩石风化破碎强烈，元素迁移流失有关。

上述试验表明，在确定指示元素组合方面，土壤热磁组分是一种可行的介质，统计分析的应用可以有效区分矿体外围元素，甄别矿体指示元素。郭志娟等[12]在准苏吉花钼矿，应用统计分析方法对土壤热磁测量数据进行了处理，成功确定了矿体指示元素组合。这一成果与本次试验结果具有一致性。

3 丰山洞铜矿试验区

3.1 试验区概况及工作部署

丰山洞铜矿[13]位于湖北省阳新县境内，濒临长江南岸，与位于江西境内的城门山铜矿、武山铜矿构成北西向展布的九瑞成矿带。区内出露地层主要是三叠系下统大冶组灰岩及中统嘉陵江组灰岩和白云质灰岩。矿区构造是一个近东西向的复式倒转向斜，燕山期的花岗闪长斑岩沿其次级褶皱的轴部侵入，为一近椭圆形岩株(图2)。本区矿化作用的主要类型有：花岗闪长斑岩体中的斑岩型铜、钼矿化；接触带附近矽卡岩型铜、钼矿化(并伴生铅、锌矿化)；后期爆破角砾岩型铜矿化及热液贯入角砾岩型铜矿化。花岗闪长斑岩中铜、钼的矿化作用主要是伴随石英-绢云母化作用产生的，矿化作用呈网脉状和细脉状，加之早期形成的浸染状矿化，在岩体中构成典型的细脉浸染型矿化，具有斑岩型铜矿化的基本特征，只是矿化作用不强，未能形成工业矿体。而后期的含矿热液主要作用于矽卡岩带中，形成重要的矽卡岩型矿体，是目前矿区主要的开采对象。

为与乌努格吐山铜矿试验区对比，本试验区研究对象选择花岗斑岩矿化体，采样平面位置如图2所示。现场为一露天采坑，主要开采矽卡岩铜矿，于采坑内采集9件岩石样品，岩性主要为花岗斑岩，肉眼可见黄铁矿化、黄铜矿化，呈星散状或细脉浸染状分布，偶见辉钼矿化。

图2 丰山洞铜矿试验区地质平面示意图Fig．2 The geological schematic plan of the study area in Fengshandong copper mine(据中南冶金勘探公司604队资料修编)

岩石样品经粗碎、细碎，截取-20～+60目粒级，一分为二。一部分经热磁技术处理后磨至200目送分析；另一部分进行黄铁矿单矿物挑选，每件挑出量不低于2 g，经人工研磨(采用玛瑙罐)后送分析。

热磁技术焙烧条件[8]为：岩石50 g，-20目～+60目，焙烧温度600℃，焙烧时间40 min，SX-4-10型马弗炉。热磁组分分选电流设为0.2 A，LZC-1B型带式矿物电磁分选仪。

表4 丰山洞试验区研究样品元素含量及特征值统计

注：Ag、Cd单位为10-9，其他元素为10-6

3.2 数据分析

计算岩石热磁组分和黄铁矿中各元素的平均含量，列于表4。岩石热磁组分和黄铁矿均是从岩石提取而来，为便于比较，研究采用统一背景值计算各自衬值，背景值取华东南地块上地壳元素丰度[9]。

从表中可以看出，衬值>1.2的元素有Cu、Mo、Ag、As、Sb、Bi、W、Pb、Zn、Cd、Co、Ni等，黄铁矿与岩石热磁组分统计结果一致。Co、Ni均为亲铁亲硫元素，Fe、Co、Ni密切共生，显然，其在黄铁矿或岩石热磁组分中会呈现比较高的含量，除此，可确定该矿化体指示元素组合为Cu、Mo、Ag、As、Sb、Bi、W、Pb、Zn、Cd，与我国斑岩型铜矿原生晕指示元素组合(表3)比对，非常接近。其中W、Bi、Pb、Zn的出现，推测是受矽卡岩及其伴生的铅锌矿化的影响。

从含量和衬值看，Cu、Mo、Ag均达到很高的水平，可视为斑岩型铜矿化的成矿指示元素，其它元素为伴生伴生元素。

由表4显示，有些元素衬值虽然很高，但在黄铁矿和热磁组分中的含量差异依然很大，如As、Bi、Cu。分析认为，As、Bi高温挥发性强，其在热磁组分中含量的骤降可能是焙烧造成的，而Cu含量的飙升可能与磁分选有关。我们知道，黄铁矿焙烧后可以转化为磁黄铁矿[5]，无磁性的毒砂焙烧后会带有磁性，这些都是Cu的载体矿物，而黄铜矿族矿物[14]因为含铁，焙烧后也带有磁性，此外，热磁组分中可能还存在其它少量Cu的富集矿物，这些因素综合作用的结果造成了Cu含量的大幅上升。

另外，与土壤热磁组分相似，进入岩石热磁组分的矿物是以岩石颗粒或烧结物[15]形式存在的，显然会携带一些非铁质矿物，从而造成其它一些不具明显找矿意义的元素含量的升高(相比黄铁矿单矿物)，如Sr、Ba等，这些干扰可通过衬值化或其它一些统计分析方法屏蔽掉。

试验表明，在确定成矿指示元素组合方面，岩石热磁组分与黄铁矿单矿物具有一致的效果。比较而言，岩石热磁组分将具有更宽的适用范围，比如风化的地表岩石，含铁标型矿物(黄铁矿、黄铜矿、毒砂等)均会出现褐铁矿化，通过焙烧可将其转化为热磁组分，但若挑选黄铁矿则很困难。

4 结论

通过对乌努格吐山铜矿和丰山洞铜矿两个试验区的试验研究，关于热磁技术在确定矿床有效指示元素方面，获得以下几点结论和认识：

1) 乌努格吐山铜矿试验表明，在确定成矿指示元素组合方面，土壤热磁组分是一种可行的介质，相比岩石，具有更高的元素含量，可以挖掘出更多的异常信息，并可通过典型相关分析来屏蔽一些外围元素的干扰。

2) 丰山洞铜矿试验表明，在确定成矿指示元素组合方面，岩石热磁组分与黄铁矿具有一致的效果。比较而言，岩石热磁组分将具有更宽的适用范围，比如风化的地表岩石，通过焙烧可获取热磁组分，但挑选黄铁矿则很难。

3) 作为一种人工方法分离组分，热磁组分弥补了岩石或黄铁矿等自然介质本身所固有的一些不足，为成矿指示元素的选择提供了一个新的研究平台；对于确定同一类型矿床有效指示元素组合，解决找矿模型的普适性问题,开拓了一种新思路。

参考文献：

[1] 阮天健，朱有光. 地球化学找矿[M]. 北京：地质出版社，1985.

[2] BOGOLJUBOV A N，VOROSHILOV L N.Physicochemical basis of thermomagnetic geochemical method and a first experience of its application. In: Geochemical Basis for Exploration and Prediction of Ore Deposits[M]. Nauka, Novosibirsk,1978．

[3] 龚美菱. 相态分析与地质找矿(第二版)[M]. 北京：地质出版社，2007.

[4] 胡树起，史长义，马生明，等. 热磁技术在覆盖区找矿中的应用[J]. 物探与化探，2010，34(5):622-626.

[5] 潘兆橹. 结晶学及矿物学(上册)[M].北京：地质出版社，1984.

[6] 丁汝福，张西平. 热磁地球化学方法试验研究[J].有色金属矿产与勘查，1996，5(2)：102-106.

[7] 王荣全，宋雷鹰，曹书武，等. 乌努格吐山斑岩铜-钼矿地球化学特征及评价标志[J]. 矿产与地质，2007,21(5)：515-519.

[8] 胡树起，马生明，刘崇民，等. 热磁技术方法条件实验及相关问题[J]. 物探与化探，2011，35(2)：212-217.

[9] 邵跃. 热液矿床岩石测量(原生晕法)找矿[M]. 北京：地质出版社，1997.

[10] 胡树起，马生明，刘崇民. 斑岩型铜矿勘查地球化学研究现状及进展[J]. 物探与化探，2011,35(4)：431-437.

[11] 罗先熔，文美兰，欧阳菲，等. 勘查地球化学[M]. 北京：冶金工业出版社，2007.

[12] 郭志娟，马生明，席明杰，等.统计分析在土壤热磁组分测量异常解释中的应用[J].物探化探计算技术，2013,35(2)：196-202.

[13] 钟汉，林金泉，穆惠民. 湖北丰山洞铜矿矿化类型及其演化模式[J]. 长春地质学院学报，1984(1)：1-19.

[14] 潘兆橹. 结晶学及矿物学(下册)[M].北京：地质出版社，1984.

[15] 郭志娟，马生明，胡树起，等. 土壤热磁组分形貌特征及元素富集方式[J]. 物探与化探，2012,36(3)：396-402.