金属活动态测量在冲积平原覆盖区隐伏矿的试验研究——以安徽无为龙潭头硫铁矿为例

付亚龙， 常海钦， 林 鑫,2， 孟刚刚， 张苗苗

(1.长安大学 地球科学与资源学院，西安 710054;2.西安时空地质矿产技术有限公司，西安 710068)

0 引言

随着出露区矿产资源的日益枯竭，人们逐渐把找矿的注意力转移到了覆盖区[1]，而传统地球化学方法难以在覆盖区发挥作用。为了发现厚层覆盖物下的矿化信息，许多学者提出了深穿透地球化学这一概念。近年来，深穿透地球化学已经在矿产勘查领域得到了突破性进展，取得成功的实例不断增多[2]。我国科学家在深穿透地球化学领域开展了大量工作，取得了很多原创性技术。包括地气动态测量技术[3]、金属活动态测量技术[4]、独立供电的电化学提取技术[5]等。其中，金属活动态测量技术已经在国内、外已知的隐伏矿床进行了广泛的试验。其原理是：矿体中与成矿信息有关的微量组分可以被多种营力迁移至近地表处，并在近地表被各种次生可溶性盐类、黏土、氧化物、有机物或胶体物质捕获。金属活动态测量方法可以提取这部分微量组分。但中国覆盖区景观条件差别很大，涵盖了六大地球化学景观区，分别为内地及沿海中低山丘陵区、森林沼泽区、半干旱草原区、干旱荒漠区、高寒山区、岩溶区[6]。而金属活动态技术试验多开展于我国北方高山草甸，干旱和森林沼泽等特殊景观区(如新疆金窝子矿区[7]、甘南草甸区[8]、内蒙古额尔古虎拉林金矿区[9]及黑龙江大兴安岭地区[10]等)，对以第四系冲积平原覆盖为主的长江中下游中低山丘陵区研究较少。而长江中下游成矿带是我国重要的Cu-Au-S-Fe多金属成矿带，该区域具有较大找矿潜力。安徽省无为县龙潭头硫铁矿床处于该成矿带中的铜陵、庐枞矿集区之间，其表层被厚层冲积物覆盖，传统的地球化学勘查方法难以提取深部矿化信息。为研究金属活动态方法在长江中下游中低山丘陵区找矿的有效性。笔者以龙潭头金-硫铁多金属矿床为研究对象，开展土壤全量和金属活动态测量的试验研究，以期为在长江中下游覆盖区寻找隐伏矿床选择有效的化探找矿方法提供参考。

1 地质背景

长江中下游地区位于扬子板块北缘的长江断裂坳陷带内，是我国一个重要的Cu-Fe-Au-Mo矿产走廊[11]。北西以襄樊广济断裂和郯(郯城)庐(庐江)断裂为界，南东以阳新-常州断裂为界，总体上呈南西狭窄、北东宽阔的“v”字型展布[11](图1)。区内的基底为晚太古代-新元古代变质核杂岩构成的崆岭-董岭式基底和部分巨厚海相浊积复理石沉积岩夹海相火山岩以及晚元古代花岗岩组成的江南基底[13]，上覆为一套连续的震旦系—早三叠系被动大陆边缘沉积，发育巨厚的陆相沉积岩系和火山岩系。龙潭头硫铁矿位于庐枞火山岩盆地和长江断陷两大构造之间，与江南铜陵铜、金、硫等矿集区隔江相对(图1)，发育有与铜陵地区基本一致的一套古生界～中生界的海相碳酸盐～陆相碎屑岩组合。矿区内主要被第四系覆盖，其成因类型复杂多样，主要以冲积沉积为主，其次为洪积、湖积和沼泽沉积，沉积厚度平均约30 m～50 m(图2)。第四系沉积物自上而下大致为：①灰黄色、浅棕黄色中-细砂、粉砂、砂质粘土；②灰褐色、灰黑色淤泥质粉砂、砂质粘土；③黄褐色砂质粘土、夹砾石、粘土质砂砾；④具典型二元结构的冲积砾石、砂砾石层。区域褶皱构造为湖陇隐伏复式向斜。同时，受长江北东向深大断裂及南西部庐枞盆地所产生的环行断裂影响，区域内存在一系列早期形成的近南北向的压性、压扭性断层和近东西向张性、张扭性断层，组成了区内断裂的构造框架。岩浆岩在区域内出露不多，主要为一套中碱、中基、偏酸性的岩石类型。

龙潭头硫铁矿目前达中型规模。矿体形态简单，呈层状、似层状顺层产出，主要矿石矿物为黄铁矿，也有少量黄铜矿、闪锌矿、磁黄铁矿等，脉石矿物为方解石、石英等。主要容矿层位为黄龙组(C2h)、其次为船山组(C2c)和栖霞组(P1q)底部。矿体产出在岩层界面上(图3)，赋存位置主要在黄龙组(C2h)与上泥盆统五通组(D3w)之间的层间破碎(剥离)带、船山组(C2c)灰岩与栖霞组(P1q)灰岩之间的层间破碎带中，主要赋矿围岩为大理岩。矿体与围岩界线明显，内部常见大理岩角砾，表明矿体主要受层间破碎带控制。围岩蚀变主要表现为岩体侵位导致接触带附近地层发生大理岩化、角岩化及后期热液活动形成的碳酸盐化、硅化、萤石化、绿泥石化等。矽卡岩化不发育。

图1 长江中下游成矿带岩浆岩及矿床分布简图(改自周涛发[12])Fig.1 Distribution of magmatic rock and ore deposits in the middle and lower reaches of the Yangtze River (from Zhou Taofa [12])

图2 无为县龙潭头地区地质略图(据胡彦强[14]，表面均被第四系冲积物覆盖)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 采样与制备

笔者在龙潭头矿区进行了Cu、Au、S、Fe、Pb、Zn、As、Ag等8个元素的金属活动态分析和土壤全量分析工作。其中，Cu、Au、S、Fe元素为龙潭头矿区的成矿元素，这些元素含量相对较高(Au并非主要成矿元素或重要伴生元素，仅在局部位置有一定品位显示)。Pb、Zn、As、Ag元素为非成矿元素。为了剔除腐殖质和耕作层对样品质量的影响，本次试验采样深度为50 cm(B 层)，共采集土壤样10件(其中包含重复样两件)。所有样品沿垂直于矿体走向的剖面采集(近东西向)，因研究区还未有采矿、运输等工作，所以该地球化学剖面不存在任何污染。受稻田等因素的影响，采样间距变化范围为20 m～500 m，在每个采样点周围(5 m)采3点～5点复合样品。样品平均重量3 kg，并用GPS 定位、照相机拍照以及详细记录第四系地质情况。另外，为了避免样品间的相互污染，将野外采集的样品直接装至塑料自封袋，封口，然后再用布袋封装。所有样品均在自然条件下晾晒、风干。风干后的样品过200目筛，将经筛分后的样品分为等重的2份，分别装至自封袋，编号。其中1份用于金属活动态分析，另1份则用于全量分析。

2.2 样品分析

本次所有样品均送往河南省岩矿测试中心进行元素的活动态和全量分析。分析项目包括Cu、Au、Ag、As、Pb、Zn、Fe 和S。采用了以电感耦合等离子质谱技术(ICP-MS)为主体、原子吸收(AAS)、原子荧光(AFS)和等离子体发射光谱(ICP-AES)为辅的分析方法体系。各个元素具体测试方法见表1。

图3 无为县龙潭头地区20线地质剖面图Fig.3 Geological profile of the 20 line in Longtantou area, Wuwei county

检测项目与参数检测方法依据主要检测仪器水溶态(Cu、Pb、Zn、Au、Ag)DD2005-03XSERIES2电感耦合等离子体质谱仪吸附态(Cu、Pb、Zn、Au、Ag)DD2005-03XSERIES2电感耦合等离子体质谱仪有机态(Cu、Pb、Zn、Au、Ag)DD2005-03XSERIES2电感耦合等离子体质谱仪铁锰氧化态(Cu、Pb、Zn、Au、Ag)DD2005-03XSERIES2电感耦合等离子体质谱仪水溶态As、吸附态As、有机态AsDD2005-03AFS-8330 双道原子荧光光度计铁锰氧化态AsDD2005-03AFS-8330 双道原子荧光光度计水溶态(Fe(T)、S)DD2005-03iCAP6300 Radial 等离子体发射光谱仪吸附态(Fe(T)、S)DD2005-03iCAP6300 Radial 等离子体发射光谱仪有机态(Fe(T)、S)DD2005-03iCAP6300 Radial 等离子体发射光谱仪铁锰氧化态(Fe(T)、S)DD2005-03iCAP6300 Radial 等离子体发射光谱仪

2.3 质量控制

为保证数据质量可靠性，插入空白样与国家一级标准物质(GBW07403、GBW07429)、单样重复分析、重复样分析以监控分析质量。

对数据的可靠性评价用以下三个指标：

1)准确度(Accuracy)：用标准样分析测试值与标准推荐值来衡量：

其中，Ci为某国家一级标准物质的某次测试结果，Cj为该标准物质的标准值。

2)精密度(Precision)：即样品的分析重现性，以预先集中抽取的密码重复样来衡量：

其中，Ca、Ca′分别为同一样品2 次测试结果。

3)采样误差(Error)：以同一采样点位2个样品

分析结果来衡量：

其中，Cm、Cn为同一个采样点位2个样品的分析结果。

按照区域化探的要求：元素的含量在三倍分析方法检出限以上时，RE%或RD%一般小于10%；元素含量>10 μg/g 时，RE%或RD%小于10%，单次测定误差小于20%；含量0.1 μg/g ～10 μg/g，RE%或RD%小于15%，单次测定一般应小于30%；含量<0.1μg/g，RE%或RD%小于25%，单次测定一般小于50%(含量在分析方法测定限附近时，单次测定的最大相对偏差<100%)。分析结果显示一级标准物质合格率(除Au 为97%外)和重复分析样合格率(除Ag为99%外)均为100%。所有元素的分析测试结果都能满足要求，均有较高的精密度和准确度。

3 结果与讨论

对所测得的Cu、Au、S、Fe、Pb、Zn、As、Ag等8个元素数据进行整理时，首先应确定元素背景值及异常下限值。高于异常下限值的点即为异常点。考虑到原始数据分布特征，我们选择采用传统的方法：异常下限=μ+kσ。μ表示元素含量平均值(去掉一个最高值)，σ表示元素含量标准差，k为常值，因为矿体埋藏较深，在地表所形成异常可能较低，本文取k=1.5。平均衬度为各异常点与背景值之比的平均值。数据及计算结果结果列于表2、表3。图4为龙潭头矿区Pb、Zn、As、Ag元素部分四相态及全量分析异常图。图5为龙潭头矿区Cu、Au、S、Fe元素四相态及全量分析异常图。

1)全量。从测试结果看，整条剖面Au元素的全量值小于0.05×10-6。Cu、Fe、S元素虽有异常显示，但异常衬度很低，只有1.2左右，且不在矿体上方。说明常规的土壤地球化学方法无法在本区发挥作用。造成这种情况的原因可能是：隐伏硫铁矿上方覆盖层以早期的冲、洪积物和后期形成的土壤为主，覆盖层中的化学元素含量绝大部分代表着外来的物质组成，不代表原地的物质信息，更不能代表深部的矿化信息；全量分析采用强酸溶样，除了溶解“活动态”金属元素外，土壤样品中的次生矿物、稳定矿物中呈稳定态的元素也被溶解，使得与隐伏硫铁矿有关的很少量的活动态金属形成的地球化学异常被掩盖。因此，土壤全量分析在长江中下游第四系覆盖区很难发挥作用。

2)水溶态。Cu和S元素的水溶态峰值出现在矿体上方，为单峰异常。异常强度比其他元素高。Cu元素含量峰值为0.64×10-9，背景值为0.26×10-9，异常衬度2.50。S含量峰值为14.8×10-9，背景值为4.81×10-9，异常衬度为3.08。Au和Fe元素的水溶态测试结果无明显异常。

3)吸附态。从计算结果看，Cu、Au、S元素吸附态无异常出现。Fe在矿体上方出现了两个明显高值，有异常显示，异常带宽度较大。Fe含量峰值为165×10-6，背景值66.83×10-6，异常衬度2.37。

4)有机态。Cu和Au元素的有机态异常较为明显，为单峰异常。Cu元素含量峰值为2.08×10-6，背景值为1.08×10-9，异常衬度为1.78。Au元素的含量峰值为0.24×10-9，背景值为0.16×10-9，异常衬度为1.53。而S元素虽然显示异常，但异常衬度较低，为1.20。Fe元素无异常出现。

5)铁锰氧化物态。剖面上，Fe和S在矿体上方显示出明显异常。其中，Fe元素含量峰值为534×10-6，背景值为262.29×10-6，异常衬度为1.92。S元素含量峰值为33.2×10-6，背景值为21.01×10-6，异常衬度为1.58。Cu和Au元素的铁锰氧化物态无明显异常。

6)Pb元素水溶态在3号点有异常显示，不在矿体正上方。含量峰值为0.28×10-6，异常下限为0.22×10-6，异常衬度为1.98。其他相态无明显异常显示。全量结果在5号点有峰值出现。

表2 龙潭头硫铁矿区金属活动态测量分析结果ω(B)/10-6(ω(Au)/10-9)

表3 龙潭头含金硫铁矿区土壤全量分析结果ω(B)/10-6

图4 龙潭头矿区Pb、Zn、As、Ag元素异常剖面图Fig.4 Abnormal of Pb、Zn、As、Ag Longtantou mining area(a)Pb水溶态；(b)Pb吸附态；(c)Pb全量；(d)Zn水溶态；(e)Zn铁锰氧化物态；(f)Ag水溶态；(g)Ag铁锰氧化物态；(h)As全量；(i)Zn全量

7)Zn元素水溶态在1号点有异常显示，含量峰值为0.62×10-6，异常下限为0.42×10-6，异常衬度为2.89。异Zn元素全量测量在3号点有异常显示。

8)As元素四相态及全量测量结果在剖面上均没有较好异常显示。

9)Ag元素在水溶态上有较大异常出现。峰值含量为0.62×10-6，异常下限为0.42×10-6，异常衬度为2.89。异常位于1号点。全量在1号点有异常，但异常衬度较小。

对Pb、Zn、As、Ag元素的分析可以看出，剖面上非成矿元素的活动态与全量测量获得的元素异常位置与矿体空间关系不密切，且异常衬度比成矿元素的小。

综合以上表1、表2、表3数据及图4、图5可以看出：土壤全量测量取得的异常衬度低，且与矿体在空间上联系不密切。而在金属活动态测量中，成矿元素Cu和S元素的水溶态，Fe元素的铁锰氧化物态和吸附态在矿体上方呈现出高异常，异常衬度达到2及以上。其中，S的水溶态异常最为明显，含量峰值达14.8×10-9，背景值为4.81×10-9，异常衬度3.08。其次，Cu元素的有机态和S元素的铁锰氧化物态呈现较高异常，异常衬度为1.5以上。而且金属活动态取得的异常分布范围均出现在含金硫铁矿体上方，与赋矿主断裂空间关系密切，明显指示了矿体的赋存位置。而非成矿元素Au、Pb、Zn、As、Ag等的金属活动态及全量测量提取的异常并不理想。所以，金属活动态测量法可能对成矿元素形成的异常更加有效。

图5 龙潭头矿区Cu、Au、S、Fe元素异常剖面图(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四相态及全量剖面；(b)Fe四相态及全量剖面；(c)S四相态及全量剖面；(d)Au四相态剖面；(e)地质剖面简图

不同的金属由于其化学性质或地球化学性质的差别，在不同相态中所占比例有较大差别[14]。从含量上可以看出，Au(相比其他相态)、Cu的有机结合态含量相对较高(图6)，这是因为研究区降水量大，年均降水量达1 400 mm～1 600 mm，气候湿润，植被发育，地表有大量腐殖质。大量发育的植被使土壤中富含有机物，而腐殖质是土壤有机物的重要成分。在富含腐殖质的环境中，金属能与很多有机物形成络合物和鳌合物，比如腐殖酸对Au、Cu有着很强的吸附作用，使其在一定条件下与有机质结合而沉淀富集[15]。同时，土壤吸附作用常形成地球化学淋滤障，降低了元素的淋滤作用[16]，保留了土壤中金属有机态的含量，所以Cu元素的有机态能很好地反映隐伏矿信息。而Au元素有机态虽然占比较高，但活动态总量偏少，所以形成的异常衬度较低。采样区风化作用强烈，其风化产物(铁锰氧化物)广泛分布，在地下深50 cm处，有一层淋积层，主要由铁锰结核构成[17]。而本次采样取自地表下50 cm处，常见铁锰结核，故Fe的铁锰氧化物态含量占比很高(图6)，其反应的异常结果也较好。值得注意的是，Fe元素的水溶态在6号点出现负异常，其原因可能是由于地表物理化学作用的影响，水溶态Fe元素重新分配至吸附态，有机态、铁锰氧化物态中。

图6 Cu、Fe、S、Au元素各相态比例示意图Fig.6 Diagrams of various phase proportions of Cu,Fe,S and Au elements

图7 元素迁移模式图(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])

综上所述，主成矿元素金属活动态测量提取的异常均位于隐伏矿体上方，且与赋矿主断裂空间关系密切。在处于冲积平原覆盖区的龙潭头硫铁矿区，用金属活动态方法比传统地球化学方法探测地球化学异常效果更好。可以运用该方法在长江中下游等冲积平原开展找矿研究。同时，我们在使用该方法时也要谨慎，因为化探异常的形成是多种因素共同作用的结果，包括所测元素是否为成矿元素、是否存在迁移通道与迁移介质、隐伏矿床的类型、主成矿元素的活动性等。例如本例中，龙潭头硫铁矿床被深大断裂错断，断层与裂隙发育；降水及地下水丰富，可作为迁移介质；S、Fe元素活动性强，容易迁移。而我们的结果也表明并不是所有成矿元素的各个相态都有好的异常结果显示。所以金属活动态方法能在长江中下游冲积平原覆盖区取得较好实验效果，但具体何种元素的何种相态能取得较好效果，对于不同矿种，气候，地形可能会有不同。对此，目前研究还不深入，需要进一步的工作来完善。而综合以上讨论我们认为研究区龙潭头隐伏含金硫铁矿上方的地球化学异常是元素受多营力迁移的结果(图7)。在龙潭头矿区所处的长江中下游地区，气候湿润，地下水溶解矿床本身及其围岩中的成矿元素或伴生元素，并在充水的通道中(断层、裂隙等)向上迁移至潜水面。在潜水面处，由于物理化学条件发生变化，上覆粘土层可形成地球化学屏障，使与矿化信息有关的元素卸载。在接近地表处离子扩散、植物作用、蒸发作用等因素再使这些元素向地表迁移从而形成异常。迁移至地表的成矿元素或伴生元素的活动态形式含量很低，占全量的比例较小，因此，做全量分析时，这部分信息会被土壤的背景所掩盖。但用金属活动态测量方法可以只提取这部分活动态形式的金属，不破坏矿物晶格中的元素形式，使弱的信息得到强化[20]。

4 结论

1)基于金属活动态分析的穿透性地球化学探测在龙潭头矿区获得了较为理想的初步试验效果。Cu和S元素的水溶态，Fe元素的铁锰氧化物态和吸附态呈现出高异常，异常衬度达到2及以上。Cu元素的有机态和S元素的铁锰氧化物态呈现较高异常，异常衬度1.5以上。这些异常与矿体及赋矿主断裂空间关系密切。所以在长江中下游冲积平原覆盖区，金属活动态测量方法对于寻找隐伏矿床应当有着较好的应用前景。

2)龙潭头隐伏硫铁矿上方土壤全量和金属活动态测量分析结果表明，在龙潭头矿区Cu、S、Fe金属活动态测量对该区覆盖区寻找隐伏矿床效果更好。

3)在长江中下游的冲积平原覆盖区，相比于非成矿元素，成矿元素用金属活动态方法取得的化探异常效果更好。