土壤微细粒分离测量技术在黄土覆盖区隐伏金矿勘查中的应用及异常成因探讨

张必敏,王学求,叶 荣,姚文生,王 玮

(1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,自然资源部地球化学探测重点实验室, 河北 廊坊 065000;2.联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心, 河北 廊坊 065000;3.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083)

深穿透地球化学是一种通过识别地表介质中微弱的成矿元素异常信息以寻找深部隐伏矿的地球化学勘查理论与方法,其研究内容包括元素从隐伏矿至地表的迁移机理,含矿信息在地表的富集规律,以及发展含矿信息采集、提取、分析与成果解释技术[1-3]。该方法诞生于20世纪70年代,经过40多年的发展,目前已形成六大方法技术系列,包括物理分离提取技术、电化学测量技术、选择性化学提取技术、气体和地气测量技术、水化学测量技术和生物测量技术[4]。区别于传统化探方法,深穿透地球化学方法的最大优势就是能应用于覆盖区矿产勘查,随着找矿重点由出露区向覆盖区转变，以及对矿产资源需求的不断提高,该方面的研究也呈现升温的趋势。

土壤微细粒分离测量技术是近十几年发展起来的一种深穿透地球化学技术。其野外工作方法是筛分土壤细粒级组分,因此从手段本身来说是一种常规的地球化学勘查方法,可视为土壤地球化学测量,但其原理是通过分离土壤中细粒级组分以富集来自于深部矿体的活动性金属元素,从而达到识别深部隐伏矿的目的,因此其本质具有深穿透的特性。该方法近几年在半干旱草原覆盖区[5-6]、荒漠戈壁覆盖区[7-10]以及火山岩覆盖区[11]取得了一些成功案例,特别对金矿、铜钼矿、砂岩型铀矿等指示效果明显。

我国黄土覆盖面积约63万km2, 长期以来其大部分地域被视为区域化探扫面禁区。 黄土覆盖区地质找矿难度很大, 已经发现的矿床基本上都分布在黄土带“帽”区, 或者沟壑地带有矿体出露地区,由于发现异常难度大,开展的研究工作也较少。本文以豫西黄土覆盖区申家窑金矿为例,运用土壤微细粒分离测量方法开展了试验应用研究,并根据矿床特征和地球化学异常的空间对应关系,以及在地表土壤和地气中观测到的纳米金属微粒,对地表异常的成因进行了探讨,为未来将该类方法应用于黄土覆盖区快速地球化学扫面调查提供理论和技术支撑。

1 研究区概况

申家窑金矿位于小秦岭崤山熊耳山金矿成矿带上,是河南省发现的第一个蚀变破碎带型金矿[12]。该矿位于崤山穹隆区核心基底的西北角,板块构造位置属华北板块下的豫西元古宙裂谷带[13],矿体赋存于崤山群与天爷庙杂岩的接触带,赋矿构造是北北西向断层或其与层间断层的复合处[12,14](图1)。

研究区地貌单元为塬间河谷阶、黄土台塬,除沟壑底部有少量基岩出露外,大部分被第四系风成黄土覆盖,覆盖厚度22～75 m,海拔高度700～1 100 m。出露的基岩主要为：元古宙熊耳群安山岩、安山玢岩,太古宙太华岩群片麻状斑状花岗岩类，太古宙兰树沟组片岩等[15]。

矿床含金构造蚀变带有崤01、 崤09、 崤03、 崤04。 崤01规模最大, 长5 430 m, 厚度1～19 m,平均厚度11.32 m。 总体似层状,上宽下窄,局部膨胀狭缩。该构造蚀变带近南北走向,平均倾向265°,平均倾角31°(图2),分布在片麻岩与片岩的接触面附近,围岩为绿泥钠长片岩、绢云钠长片岩,斜长角闪片岩等,局部地段为混合岩化黑云斜长片麻岩和燕山期的侵入角砾岩[16]。金矿矿石矿物组合以硫化矿物为主,金属矿物包含黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、铁闪锌矿、黄铜矿、自然金等,非金属矿物含石英、绢云母、方解石、绿泥石等[15]。

图1 申家窑矿区地质图(据文献[12]修改)Fig.1 Geological map of Shenjiayao depositQ—第四系; Pt1Xs—崤山群申家窑组; Pt1Xl—崤山群兰树沟组; Art—天爷庙杂岩;γ—花岗斑岩;1—斜长角闪岩等表壳岩包体;2—金矿化带;3—混合岩类;4—片岩类;5—压扭带;6—地质界线

图2 申家窑01带0号勘探线剖面示意图[14]Fig.2 Geological section of the 01 gold vein of Shenjiayao deposit1—崤山群;2—天爷庙杂岩;3—钻孔编号;4—矿体

2 土壤微细粒分离测量技术原理及方法简介

2.1 土壤微细粒分离测量技术基本原理

来自深部矿体的活动性金属元素迁移至地表后,必然以多种形式赋存于地表介质中,存在形式包括离子化合物、络合物、可溶性盐类、胶体、单质颗粒、合金矿物颗粒等[17]。不管以何种形式存在,活动性金属元素往往带正电性,因此很容易被带负电性的粘土矿物或铁锰氧化物所吸附。

粘土矿物是土壤中最主要的次生矿物,它以次生的结晶层状硅酸盐为主,包含高岭土、蒙脱石、伊利石、绿泥石、水云母、蛭石等层状硅酸盐矿物,土壤粘土矿物胶体表面带电荷,比表面积大(表1),因此是活动性金属元素的理想赋存载体。粘土矿物主要存在于微细粒级土壤组分中,因此物理分离土壤微细粒组分的同时也会将富含活动性金属元素的粘土矿物从土壤中分离出来,从而可达到识别深部弱异常信息的目的。

另外,铁锰氧化物在地表疏松物中大量存在,矿物颗粒表面也常常被铁锰氧化物膜覆盖。铁锰氧化物土壤样品组分随着样品粒径的减小,其比表面积呈指数增加,比表面积越大,其吸附活动性金属元素的能力就越强。因此,物理分离土壤微细粒组分将有效富集活动性金属元素(图3)。

表1 土壤中常见粘土矿物的比表面积[18]

Table 1 Specific surface of clay minerals in soil m2/g

矿物成分内比表面积外比表面积总比表面积蒙脱石700～75015700～850蛭石400～7501400～800水云母0～59090～150高岭石055～40埃洛石01010～45水化埃洛石40025430水铝英石130～400130260～800

从以上可知,矿体上方地表土壤粘土矿物以及矿物颗粒表面极易赋存来自于深部矿体的含矿信息,也就是说细粒级物质的强烈吸附与可交换性能是活动态形式元素的天然“捕获井”[19]。土壤微粒分离测量技术通过物理分离土壤微细粒组分来识别深部矿体引起的地球化学弱异常,以上也是该技术应用的原理。

图3 土壤不同颗粒组分的比表面积[18]Fig.3 Specific surface of different grian size fraction in soil

2.2 土壤微细粒分离测量技术方法

在覆盖区开展土壤微细粒分离测量时，根据工作比例尺和景观确定采样介质和采样深度。中小比例尺主要选择汇水域沉积物作为采样介质,大比例尺选择地表土壤作为采样介质。选择采样深度时要考虑尽量避开地表风成沙和腐殖层,如干旱荒漠戈壁区采样深度可选择10～30 cm,半草原覆盖区采样深度可选择5～30 cm。在采样粒级上,可直接利用普通样品筛筛分-120目(125 μm)或-200目(75 μm)样品进行分析,对于-200目样品反映效果不好或需要筛分更细粒级土壤样品时,则可使用高精度电磁震荡筛或超声波震荡筛,以实现更细粒级土壤样品的物理分离。分离的样品送实验室直接分析元素全量。

土壤微细粒分离测量方法相对于别的深穿透地球化学方法,在野外采样赫尔实验室分析环节,操作上均更为简单,易于掌握,也便于推广,因此无论对于矿区隐伏矿的普查和详查，还是对于覆盖区快速地球化学扫面调查均比较适宜。

3 矿体上方黄土覆盖层中元素的垂向分布

在申家窑金矿区矿体上方选择了一个厚约10 m的黄土剖面(图4)开展了从黄土表层一直到黄土与基岩接触层的连续垂直取样,每1 m取1件样品,以研究黄土覆盖层中金的垂直分布情况。

图4 申家窑矿体上方黄土剖面照片Fig.4 Photo of loess profile over Shenjiayao orebody

从图5可以看出,Au在矿体上方黄土覆盖层的顶层和底层含量高,中间层低,呈现“C”型分布特征。黄土底层金的高含量主要与接触基岩矿化蚀变有关,表层金的高含量则推测与金等成矿元素的垂向迁移与富集有关。此外,Ag、As、Hg、Cu、Pb、Zn、Sb、Bi等元素与Au在矿体上方黄土覆盖层中的垂向分布特征较为一致,Ba、Ni、Sn等元素无此分布特征。

4 土壤微细粒分离测量方法在矿区的应用

4.1 样品采集与加工

所选试验区几乎均被第四系风成黄土覆盖,北半部分黄土覆盖较厚,达近百米,南半部分黄土覆盖相对较浅, 同时受水流冲刷的影响, 沟壑中有一定的基岩出露, 因此南半部分在地质图中显示为基岩出露区。 本研究选择土壤微细粒分离测量方法来开展工作, 分离粒级为-200目(75 μm)。 同时, 出于试验目的, 采样介质尽量选择原地黄土而非沟壑中的土壤, 采样深度为5～30 cm。

图5 元素在矿体上方黄土覆盖层中的垂向分布特征Fig.5 Vertical distribution characteristics of elements in the loess cover over deposit

本次选择了大约5 km2区域开展面积性试验(图6)。采样点距为50～100 m,线距为200～400 m, 实际采集样品261件。 样品自然风干后, 用木锤将土壤颗粒敲碎, 过-200目筛(75 μm), 送实验室。

4.2 土壤样品分析及地球化学数据特征

样品测试由中国地质科学院地球物理地球化学中心实验室完成,共分析了Au、Ag、Cu、Ni、Pb、Zn、Co、Cr、Hg等40种元素,其地球化学数据特征见表2。

三门峡洛宁部分地区开展过区域地球化学调查工作, 其中Au 5.88 ng/g、 Ag 178 μg/g、 Ni 28 μg/g、 Co 17 μg/g、 Cr 84 μg/g、 Pb 80 μg/g、 Zn 107 μg/g、 Hg 23 ng/g(据区域化探数据)。 本项目样品的原始数据平均值为Au 14 ng/g、 Ag 830 μg/g、 Ni 33 μg/g、 Co 14 μg/g、 Cr 79 μg/g、Pb 105 μg/g、 Zn 166 μg/g、 Hg 307 ng/g。 可以得出实验区内主成矿元素的Au、Ag、Ni、Pb、Zn、Hg等平均含量均高于区域内平均值。

4.3 地球化学空间分布特征

采用Geoexpl软件制作研究区元素地球化学图。 从Au地球化学图(图7)可以看出,金异常主体呈北偏西向展布, 异常分布的形态与金矿脉的分布较为一致, 不仅在南部浅覆盖区圈出了矿体异常, 而且在北部深覆盖区已发现隐伏矿体的区域也显示了很好的异常。 异常浓度高, 且具有多层套合关系。 从Ag、 As、 Sb、 Cd、 Cu、 Pb、 Zn地球化学图(图7—图9)可以看出, 这些元素的异常分布与Au极其一致, 与金矿脉的分布均较为吻合。 另外, Ni、 Sn、 Co、 V等元素的异常分布与金矿脉的分布区别较大。

图6 申家窑研究区地质图和土壤采样点位置Fig.6 Geological map and soil sampling site of Shenjiayao study area1—黄土；2—太华群片麻岩；3—斜长花岗质片麻岩；4—花岗闪长片麻岩；5—矿体；6—采样点

试验结果充分说明所选用的土壤微细粒分离测量方法可有效用于该区域寻找埋藏深度较浅的隐伏金矿体。Au、Ag、As、Sb、Cd、Cu、Pb、Zn元素可以作为该地区运用该技术寻找隐伏金矿的找矿指示元素。此外,Ni、Sn、Co、V元素与成矿不相关,对矿体不具有指示作用。

5 地表异常成因探讨

在豫西申家窑隐伏金矿上方黄土覆盖层开展的垂向剖面实验所反映的元素“C”型分布模式,表明矿体上方地表土壤成矿元素获得了较好的迁移富集。在矿区开展的土壤微细粒分离测量面积性应用试验也很好地指示了已知金矿体。由于研究区地表几乎都被第四系黄土所覆盖,成矿元素是如何从矿体穿透黄土盖层迁移至地表的,是解释异常成因的一个关键。

1981年瑞典科学家Malmgvist和Kristiansson等[20]在研究Rn的迁移机制时发现，与传统的扩散迁移理论有很大矛盾,于是提出Rn原子一定是通过另外气体的持续不断地向上运动而被带到地表。这种作为微气泡的运载气体流能够携带Rn原子呈加速向上运动,其运动速度比扩散要快得多，这种运载气体被称之为地气“geogas”。据此逐渐发展了地气测量技术,并被应用于金属矿勘查。将地气测量定义为是基于微气泡流通过矿体时能够将矿体的微量组分携带至地表,对地气测量的实质是对气体所携带的金属元素的测量[21-22]。该理论目前已被大量针对地气所捕捉物质的微观观测实验所证实[22-28]。

表2 申家瑶金矿地球化学勘查土壤地球化学参数

续表2

注: Au、 Hg单位为ng/g;*单位为%; 其余元素单位为μg/g。

图7 申家窑研究区微细粒土壤Au、Ag、As、Sb元素地球化学图Fig.7 Geochemical maps of Au,Ag,As and Sb in fine grain soils of Shenjiayao study area

图8 申家窑研究区微细粒土壤Cd、Cu、Pb、Zn元素地球化学图Fig.8 Geochemical maps of Cd,Cu,Pb and Zn in fine grain soils of Shenjiayao study area

本研究选择4条垂直隐伏矿体的剖面线开展了地气测量试验,剖面线走向近东西向,以期最大程度控制含金构造蚀变带和矿体,测量面积约为0.64 km2。从地气测量结果可以看出,在覆盖区圈出连续矿化,成矿元素自南向北具有等距分带性质,分带对应已知矿体在覆盖区地表投影位置(图10)。地气测量结果表明,矿体上方地气中存在能反映深部矿体位置的地球化学异常信息,这为地气能长距离携带深部成矿物质到达地表提供了测试证据。

同时,在该矿矿体上方和黄土背景区开展了地表地气介质中纳米微粒的微观观测工作。利用地气捕集装置对纳米微粒进行捕集,再用高分辨透射电镜进行观测。结果发现捕获到的纳米微粒含Au、Cu、Pb、Zn、Mo等成矿元素(图11、12),微粒元素组合与矿石具一致性。背景区所捕集的纳米微粒在成分上则几乎不含这些元素(图13)。该结果在一定程度上表明，采集的纳米微粒具有成矿指示剂意义,纳米微粒来自黄土覆盖层下方矿体,其为深部矿化源区物质,是形成地表地球化学异常的物质。

根据以上结果,初步建立了豫西黄土覆盖区金矿元素迁移模型(图14)。该区域金矿主要为蚀变破碎带型金矿,矿体总体沿着构造破碎带发育。在矿体形成过程中,Au、Ag等成矿元素可以以纳米级单质或合金、络合物等形式与成矿流体一起顺着构造裂隙向上迁移,部分成矿物质能直达地表,之后受风化作用影响发生解离,并向周边低洼处运移。最终这些物质均被风成黄土所覆盖。随后,在漫长地质历史时期,矿体或岩石解离的化合物或纳米颗粒可进一步穿透黄土孔隙向上迁移至地表,并在表层微细粒土壤中赋存聚集。因此采用土壤微细粒分离测量和地气测量方法可有效圈出矿致异常。

图9 申家窑研究区微细粒土壤Ni、Sn、Co、V元素地球化学图Fig.9 Geochemical maps of Ni, Sn, Co and V in fine grain soils from Shenjiayao study area

图10 申家窑研究区地气测量Au、As地球化学异常图Fig.10 Geochemical anomaly maps of Au and As in geogases from Shenjiayao study area

图11 申家窑金矿上方地气中Pb-Fe-Zn-Cu-Au微粒Fig.11 Pb-Fe-Zn-Cu-Au particle in geogas over Shenjiayao deposit

图12 申家窑金矿上方地气中Cu微粒Fig.12 Cu particles in geogas over Shenjiayao deposit

图13 背景区地气中Ca-K-Si-Al-O微粒Fig.13 Ca-K-Si-Al-O particle in geogas of background area

图14 黄土覆盖区金矿元素迁移模型[10]Fig.14 Deep-penetrating geochemical migration model for concealed Au deposits in loess covered areas

6 结 论

(1)利用土壤微细粒分离测量方法在小秦岭黄土覆盖区申家窑金矿开展的有效性试验取得满意结果,该方法所指示的异常范围与已知矿体位置具有很好的对应关系,能够互相印证,可将该方法应用于黄土覆盖区地球化学找矿勘查。

(2)申家窑金矿为蚀变破碎带型金矿,Au、Ag、As、Sb、Cd、Cu、Pb、Zn元素可以作为该地区寻找该类型隐伏金矿的找矿指示元素。

(3)在隐伏矿体上方地表土壤地气中捕集观测到含Au、Cu、Pb、Zn、Mo等成矿元素的纳米微粒,一定程度上表明矿体或岩石解离的化合物或纳米颗粒可穿透黄土孔隙向上迁移至地表,并赋存于地气中或被粘土矿物或铁锰氧化物所吸附而富集形成地球化学异常。