安山岩风化过程中元素行为——以豫西熊耳山地区为例

马云涛，龚庆杰，韩东昱，刘宁强，袁玉涛，佟依坤，贾玉杰

(1. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；2. 中矿资源勘探股份有限公司，北京 100089)



安山岩风化过程中元素行为
——以豫西熊耳山地区为例

马云涛1，龚庆杰1，韩东昱1，刘宁强1，袁玉涛1，佟依坤1，贾玉杰2

(1. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；2. 中矿资源勘探股份有限公司，北京 100089)

在风化过程中主量元素的风化行为可用风化指数来表征，但对在地球化学中更重要的微量元素的风化行为还缺少研究。本文研究了豫西熊耳山地区—安山岩风化剖面，发现花岗岩风化指数(WIG)也适用于安山岩风化过程的定量表征。基于上陆壳作标准绘制风化剖面样品稀土元素配分曲线时, 发现风化过程稀土元素出现分馏现象，表现为富集中稀土; 但基于球粒陨石作标准时, 风化壳样品均具有相似的稀土配分曲线形态，即上陆壳是一种比球粒陨石更为敏感的稀土元素标准化标尺。牛头沟金矿区安山岩风化过程中部分微量表现出随风化程度增强而显著富集的特征，Au、Ag含量变化可达两个数量级以上，Pb、As、Hg可达一个数量级以上。

安山岩 元素风化行为 牛头沟金矿 熊耳山 豫西

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中国区域化探项目从1979年至今样品采集区域已经覆盖了中国700多万平方公里的陆地面积(Xieetal.，2014；Lietal.，2014)。区域化探矿产勘查的理论是，矿石或者蚀变岩首先发生风化，而后其风化产物(通常是土壤)在水系中被搬运，经沉积形成水系沉积物，最终这些水系沉积物被采集后经测试分析而发现异常，进而识别异常与矿体的关系达到找矿的目的。土壤及水系沉积物中找矿指示元素对原生晕基岩的继承性是识别矿致异常的关键。风化作用可以引起部分微量元素发生显著富集(Maetal., 2007；Gongetal., 2010)，为有效识别矿致异常需要尽量消除风化作用对微量元素行为的影响(Gongetal.，2013)。

前人对风化过程中元素的行为进行了广泛的研究，提出了用化学风化指标来描述风化过程中元素的行为。化学风化指标是一种基于样品化学成分的变化(通常为主量氧化物含量的变化)来衡量样品风化程度的指标。Duzgoren-Aydinetal.(2002)对30多种风化指标进行了评述，详细分析了各自的优缺点。目前经常使用的化学风化指数有CIA(Nesbittetal., 1982)，WIP(Parker, 1970)和WIC(Colman, 1982)等，但这些风化指数的计算均需要用到样品中的CO2分析数据，而本次研究以及我国区域地球化学扫面调查中均未分析样品中的CO2含量，从而限制了这些风化指数的使用。为了表征中国区域化探样品的风化程度，Gongetal. (2013)对前人风化指标进行了改进，提出了表征花岗岩风化程度的花岗岩风化指标WIG(Weathering Index of Granite)。针对微量元素的风化行为及定量表征，元素质量平衡计算、质量得失百分数(Xgp或CDFx)和τ值的相关理论被提出并得到了广泛应用(Gresens, 1967; Brimhall and Dietrich, 1987; Macleanetal. 1987; Nesbittetal. 1997; Ngetal., 2001; Riebeetal., 2003; Brantleyetal., 2007; Brantleyetal., 2009; Gongetal., 2011)。Gongetal.(2013)基于花岗岩风化剖面的研究发现部分微量元素含量在风化过程中与其WIG呈指数关系，从而达到定量表征元素风化行为的目的。

本文以豫西牛头沟金矿区—安山岩风化剖面为例，研究风化过程中元素的变化行为，在分析主量氧化物风化行为的基础上重点探讨了稀土元素及热液成矿指示元素的风化行为。

1 区域地质

豫西熊耳山地区位于河南省洛阳市洛宁县以南，嵩县以西，栾川县以北的广大地区，东西长约80km，南北宽约15～40km，面积约2000km2(郭保健等，2005)(图1a)。大地构造位置处于华北克拉通南缘熊耳山台隆东南，紧邻北秦岭造山带(吴发富等，2012;Dengetal.，2014)。

熊耳山地区主要出露地层为太华群片麻岩、熊耳群安山岩、汝阳群碎屑粗砂岩、栾川群大理岩及新生代地层(图1a)。区内构造以断裂为主，近东西向的马超营断裂(MF)是区域最重要的控岩、控矿构造(贾玉杰等，2013)。马超营断裂(MF)以北发育有多条NE-NEE次级断裂为该地区成矿提供了有利的容矿空间。区内岩浆活动发育，具有长期性、多期次活动性的特点(吴发富等，2012；王卫星等，2010a，b；Wangetal.，2012)。区内金矿、钼矿等矿床分布广泛(Dengetal.，2014)。

牛头沟金矿床位于豫西熊耳山南麓(图1b)，是熊耳山地区近年来发现的大型金矿床之一，主要包括松里沟矿段、西岭-沙土凹-陈吴子沟矿段、阴寺沟-南沟-小岭矿段、木耳沟矿段和上庄矿段(贾玉杰等，2013；佟依坤等，2014)。矿区出露地层简单，主要为太古宇太华群和中元古界熊耳群，具典型的双层结构。太华群主要分布于矿区北部，岩性以黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩为主，是区域最古老结晶基底的主体。熊耳群主要分布于矿区南部，以陆相喷发为主的钙碱性火山岩系(以斑状、杏仁状安山岩为主)不整合于太华岩群之上(辛志刚，2010)。矿区构造以断裂为主，主要发育北西向断裂，北东向断裂次之，南北向和东西向断裂较弱。北西向断裂为主要控岩、控矿断裂，北东向断裂为次级控矿断裂(姚宏伟等，2006)。矿区大的岩体主要为五丈山花岗岩体，出露在矿区东部，岩性为斑状钾长-二长花岗岩，同时发育有多条石英斑岩脉(王卫星等，2010a,b; Wangetal.，2012)。

牛头沟金矿区气候属北温带大陆性季风气候，矿区地表植被茂盛，以灌木林为主， 森林覆盖率约50%左右。矿区内地表水主要靠大气降水补给，山间溪流均为季节性河流，雨季可有山洪发生，旱季则基本干涸(贾玉杰等，2013)。

2 样品与方法

2.1 样品采集

本次研究的D06风化壳剖面取自牛头沟金矿中部近南北向断裂带的西侧(图1b)，风化壳母岩为熊耳群玄武质安山岩，剖面为残积风化壳，深度约7 m(图2)。风化剖面样品采集自底部基岩向上依据样品风化程度逐渐增强的顺序来取样，同时根据样品风化程度差异适当调整采样间距，共采集11件样品。采样深度及样品描述如表1所示。

图2 牛头沟金矿D06风化壳剖面样品采集点位图 (红点表示采样位置)Fig.2 D06 profile in the Niutougou Au deposit (Red dots denote sampling sites)

2.2 样品分析

对于较大的块状岩石样品，加工时先采用颚式碎样机粗碎，然后再细碎至小于200目(<0.076mm)；对于颗粒状或块体较小的样品，直接细碎至小于200目。最后将加工获得的小于200目的粉末样品送至国土资源部武汉矿产资源监督检测中心(武汉综合岩矿测试中心)实验室进行主量成分及微量元素分析。具体分析方法及分析质量详见Gongetal. (2013)。

3 结果与讨论

3.1 主量元素

牛头沟金矿区D06风化剖面11件样品中的11项主量成分分析结果及其统计参数如表1所示。

牛头沟金矿区D06风化剖面11件样品中元素含量随采样深度的变化如图3所示。

从图3可以看出，自柱样底部至顶部，10项主量氧化物和LoI的含量随深度变化可以划分为四种情况：1) 含量基本表现为逐渐增大，如在剔除表层根系土样品的情况下的Al2O3、K2O和LoI；2) 含量基本表现为逐渐减小，如Na2O和CaO；3) 含量在剖面中出现明显富集或贫化层位，如SiO2、MnO和P2O5；4) 含量变化趋势比较复杂，如MgO、Fe2O3和TiO2。

为了综合刻画风化过程中主量氧化物的变化行为，Gongetal.(2013)在研究胶东玲珑花岗岩风化剖面时提出了花岗岩风化指标WIG(Weathering Index of Granite)：

WIG=100[Na2O+K2O+(CaO-10/3P2O5)]/

(Al2O3+Fe2O3+TiO2)

表1 风化壳剖面样品11项主量成分分析结果及其统计参数Table 1 Analytical results and statistical parameters of major components of samples

注：采样深度单位为cm，氧化物的含量单位为%，中国土壤数据引自迟清华等(2007)。

图3 风化壳剖面主量元素含量含LoI及WIG与深度的关系Fig.3 Contents of major elements in the D06 profile Including LoI and WIG

式中，氧化物含量采用摩尔数；当(CaO-10/3P2O5)为负值时其值取0，即(CaO-10/3P2O5)取值范围大于等于0。尽管WIG指标是基于花岗岩风化所提出的，但Gongetal.(2013)认为这一指标同样也可适用于火山岩风化过程的定量表征。

牛头沟金矿区D06风化壳剖面样品WIG指标计算结果也表示在表1，其随深度的变化如图3所示。从柱样底部至顶部，WIG随深度呈现明显的规律性变化。即柱样底部B1～B3样品其WIG基本不变，反映母岩的风化程度比较接近(以物理风化为主)，随后自B4～B11(即自柱样深部至地表)WIG逐渐降低，反映风化程度逐渐增强，这与野外采样时对样品的风化程度划分相一致，同时表明花岗岩风化指标WIG也可适用于安山岩风化过程的定量表征。

3.2 稀土元素

牛头沟金矿区D06风化剖面11件样品中的14种稀土元素分析结果及统计参数如表2所示。

表2 风化壳剖面样品14种稀土元素分析数据及其统计参数Table 2 Analysis results and statistical parameters of 14 REE of samples

注：元素的含量单位为μg/g；中国土壤数据引自迟清华等(2007)。

稀土元素数据通常采用稀土配分曲线来表示(Gongetal., 2011)。由于所研究的样品均采自陆地表层，按照Gongetal.(2011)的建议选择上陆壳(UCC)稀土元素丰度(Tayloretal., 1995)作为标准样品来绘制稀土元素配分曲线。

牛头沟金矿区D06风化剖面样品的稀土元素配分曲线如图4所示。

从图4可以看出，以上陆壳作为标准样品时，剖面底部三件样品B1～B3与剖面顶部两件样品B10、B11具有相似的稀土配分曲线形态，均表现为具弱正铕异常的平坦型。剖面中部六件样品B4～B9的曲线形态表现为轻稀土左倾、重稀土略微右倾的特征，即中稀土富集的特征。

对于风化过程中中稀土富集这一现象，Jietal.(2004)在研究贵州平坝白云岩风化剖面时也曾发现。Gongetal.(2010)在研究中国西南地区白云岩风化剖面时也发现了样品中中稀土富集的现象。为了进一步查证风化过程中中稀土富集现象，他们对白云岩样品进行酸溶实验来模拟其风化过程，结果显示在酸溶残余物(代表不同风化程度的产物)中中稀土元素贫化，采用残积层风化过程中地表水淋滤下渗-深层土壤水毛细上升的机理解释了风化剖面中部层位样品中稀土元素富集的原因(Gongetal., 2010)。

在研究稀土元素行为时，通常采用球粒陨石对样品进行标准化。牛头沟金矿区D06风化剖面样品采用球粒陨石作标准代的稀土元素配分曲线如图5所示。

图4 风化壳剖面样品稀土元素配分曲线上陆壳数据 引自(Taylor et al.,1995)Fig.4 REE patterns of samples in D06 profile Data were normalized by UCC (Taylor et al., 1995)

图5 风化壳剖面样品稀土元素配分曲线 球粒陨石数据(引自Boynton,1984)Fig.5 REE patterns of samples in D06 profile Data were normalized by Chondrite (Boynton, 1984)

从图5可以看出，以球粒陨石作为标准样品时剖面中11件样品均具有相似的稀土配分曲线形态，这为基于稀土元素配分曲线形态示踪物质来源提供了例证。这11件样品不仅在稀土配分曲线形态上均表现为缓右倾，而且其含量也十分接近。这与D06剖面为基岩风化残积风化壳的野外观测相一致。

上述结果表明，地表同源样品若采用球粒陨石进行标准化则其稀土元素配分曲线形态相似，但若采用上陆壳进行标准化时就有可能发现稀土元素存在分馏行为。即对稀土元素进行标准化来绘制配分曲线时，上陆壳是一种比球粒陨石更为敏感的标尺。对于采自陆地表层的样品，在不示踪壳-幔物源时建议选用上陆壳来进行稀土元素标准化处理。

3.3 微量元素风化行为

3.3.1 热液成矿指示元素

由于W、Sn、Mo、Bi、Cu、Pb、Zn、Cd、Au、Ag、As、Sb、Hg这13项元素通常在热液成矿过程中发生富集，并且在区域地球化学调查(普查与详查)和异常查证中经常被选择作为找矿指示元素，因此Gongetal.(2013)将这13项元素称为热液成矿指示元素。牛头沟金矿区D06风化壳剖面中热液成矿指示元素(表3)与花岗岩风化指数WIG的关系如图6所示。

从图6可以看出:1)Au、Ag、Pb、As、Hg、W、Sb、Cd、Bi、Cu计10项元素表现出随风化指数WIG减小(即样品风化程度的增强)而富集的特征，其中Au、Ag含量变化可达两个数量级以上，Pb、As、Hg可达一个数量级以上，W、Sb、Cd、Bi、Cu接近一个数量级。2)Sn、Mo、Zn三元素随风化程度增强(即WIG值减小)其含量富集趋势相对较弱。

与胶东玲珑花岗岩风化壳剖面相比，豫西熊耳山地区牛头沟金矿区D06安山岩风化壳剖面中W、Au含量明显偏高，但As、Sb含量与花岗岩的基本一致。虽然豫西牛头沟金矿区安山岩风化壳剖面中W、Au含量明显高于其在胶东地区玲珑花岗岩风化剖面中的含量，但W、Au两元素随风化程度增强而富集的趋势基本一致。与中国土壤相比较，在风化程度相似的条件下D06柱样土壤中明显富集的元素有Au、Ag、W、Zn计4项元素。

3.3.2 其它元素

牛头沟金矿区D06风化剖面其余15项微量元素含量(表4)及La含量与其风化指数WIG的关系如图7所示。

从图7可以看出:1) B、Th、U、Zr、Nb、Li、Be计7项元素表现出随WIG指数减小(即风化程度增强)而富集的特征，其中B含量变化大于一个数量级，Th、U接近一个数量级。2) Sr表现出随风化程度增强而贫化的特征。3) Ba、F、Co、Ni、V、Cr、La、Y计8项元素随风化程度改变其含量未表现出明显的变化趋势。

与胶东玲珑花岗岩风化壳剖面相比，豫西熊耳山地区牛头沟金矿区D06安山岩风化剖面中Nb、F、Co、Ni、V、Cr含量明显偏高，但Zr、Th含量与胶东玲珑花岗岩风化壳中的含量比较接近。与中国土壤相比较，在风化程度相似的条件下D06剖面土壤中明显富集的元素有Sr、Ba、F、Co、V、Cr计6项元素。

在上述29种微量元素中，Au、As、Hg、W、Sb、Cd、Bi、Cu、Th、U、Zr、Nb、F、Co、Ni、V、Cr在图6和图7中近似呈直线分布，即元素含量与WIG之间呈指数关系。这种指数关系与Gongetal.(2013)所拟合的关系相一致，尤其对As、Sb、Zr、Th而言，其关系与基于胶东玲珑花岗岩所拟合的直线近似重合。此外，Au、W含量与WIG的指数关系在图6中近似与胶东玲珑花岗岩所拟合的直线相平行，这可能是Au、W两元素在矿区安山岩中的含量明显高于其在胶东玲珑花岗岩中含量所致，但元素在这两个地区的风化行为相似。这说明虽然采用指数关系可以表征Au、As、Sb、Hg、W、Bi、Cu、Cd、Th、U、Zr、Nb、F、Co、Ni、V、Cr的风化行为，但针对不同岩性应采用不同的经验方程来表达。

表3 热液成矿指示元素含量及其统计参数Table 3 Contents and statistical parameters of indicator elements

注：Au、Ag、Cd、Hg的含量单位为ng/g，其它元素的含量单位为μg/g；中国土壤数据引自迟清华等(2007)。

图6 热液成矿元素含量与风化指数WIG的关系 胶东玲珑花岗岩数据引自Gong et al.(2013)；中国土壤数据引自迟清华等(2007)Fig.6 Relation between indicator element contents and their WIG values of samples Linglong granite data are from Gong et al. (2013); China soil data are from Chi et al. (2007)

表4 微量元素含量及其统计参数Table 4 Contents and statistical parameters of trace elements

注： Au、Ag、Cd、Hg的含量单位为ng/g，其它元素的含量单位为μg/g；中国土壤数据引自迟清华等(2007)。

图7 微量元素含量与风化指数WIG的关系 (胶东玲珑花岗岩数据引自Gong et al.(2013)；中国土壤数据引自迟清华等(2007))Fig.7 Relation between trace element contents and their WIG (values of the Linglong granite are from Gong et al. (2013); China soil data are from Chi et al.(2007))

在图6和图7中，Ag、Pb、B、Li四种元素含量的对数值与WIG的变化呈现出一种非线性的减函数关系，而Sr则表现为非线性的增函数关系，这说明对Ag、Pb、B、Li等微量元素而言则可能需要其它定量关系来更好地刻画其风化行为。

4 结论

(1) 牛头沟金矿区安山岩风化剖面为原地残积风化产物，花岗岩风化指标WIG(Weathering Index of Granite)可适用于表征安山岩的风化程度。

(2) 基于上陆壳作标准绘制风化剖面样品稀土元素配分曲线时发现风化过程稀土元素出现分馏现象(富集中稀土)，但基于球粒陨石作标准时风化壳样品均具有相似的稀土配分曲线形态，即上陆壳是一种比球粒陨石更为敏感的稀土元素标准化标尺。

(3) 牛头沟金矿区安山岩风化过程中部分微量表现出随风化程度增强而显著富集的特征，Au、Ag含量变化可达两个数量级以上，Pb、As、Hg可达一个数量级以上。

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Behavior of Major and Trace Elements During Weathering of Andesite: A Case Study of the Xiong'ershan Region, Western Henan Province

MA Yun-tao1, GONG Qing-jie1, HAN Dong-yu1, LIU Ning-qiang1, YUAN Yu-tao1, TONG Yi-kun1, JIA Yu-jie2

(1.SchoolofEarthSciencesandResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083;2.SinomineResourceExplorationCo.,LTD，Beijing100089)

Behavior of major oxides can be described by chemical indexes of weathering, while behavior of trace elements remains unclear, though it plays a more important role in geochemical exploration. This work focused on a regolith profile of andesite to investigate the behavior of both major and trace elements during weathering, which is located in the Niutougou gold deposit of the Xiong'ershan region, western Henan Province. The results suggest that the weathering index of granite (WIG) is also suitable to describe the weathering degree of the regolith profile developed over andesite. Fractionation of REE (or middle REE enriched more) is observed when REE pattern is plotted on upper continental crust (UCC), but no fractionation of REE (or similar REE pattern) occurs when REE pattern is plotted on Chondrite. Therefore, UCC is more sensitive than Chondrite when they are used as standard samples in REE pattern diagrams. Some trace elements enriched significantly with more extensive weathering in the regolith profile. Contents of Au and Ag of the upper samples in the profile are two magnitudes greater than those of the fresh andesite, and contents of Pb, As and Hg in the upper soils are one magnitude greater with respect to their fresh parent rock.

Xiong'ershan, Niutougou gold deposit, andesite, weathering

2014-11-25；

2015-03-15；[责任编辑]陈伟军。

中国地质调查局地质调查工作项目(1212011120950)和国家科技支撑计划课题(2011BAB04B09)联合资助。

马云涛(1988年—)，男，中国地质大学(北京)在读硕士研究生，地质工程专业，研究方向为矿产普查与勘探。E-mail：525661659@qq.com。

龚庆杰(1972年—)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事地球化学教学与科研工作。E-mail: qjiegong@cugb.edu.cn。

P618

A

0495-5331(2015)03-0545-10