金屬活動(dòng)態(tài)測(cè)量在東戈壁鉬礦找礦效果研究

楊剛剛，李方林，張雄華

（1.新疆地質(zhì)調(diào)查院，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北 武漢 430074）

近年來(lái)，隨著勘查程度的不斷提高，在地表找到新礦產(chǎn)的可能性越來(lái)越小，尋找隱伏礦成為近年來(lái)地球化學(xué)工作者關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了大量能探測(cè)幾百米以下隱伏礦體的新理論和新方法。這些方法包括七十年代前蘇聯(lián)科學(xué)家Ryss和Goldberg提出的電地球化學(xué)方法(CHIM)[2]；八十年瑞典科學(xué)家Kristiansson和Malmqvis提出的地氣法(GEOGAS)[3]；九十年代美國(guó)地調(diào)所Clark等提出的酶提取法(ENZYMELEACH)[4]；九十年代澳大利亞Mann等提出的活動(dòng)態(tài)金屬離子法(MMI)[5]；及中國(guó)八十年代末和九十年代初王學(xué)求等提出的金屬元素活動(dòng)態(tài)提取方法(MOMEO)和動(dòng)態(tài)地球氣納微金屬測(cè)量法(NAMEG)[6-7]。其中王學(xué)求等提出的金屬元素活動(dòng)態(tài)提取方法(MOMEO)，經(jīng)多年理論完善和實(shí)踐證明，逐漸走向成熟，并在礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著重要作用。

前人曾運(yùn)用金屬活動(dòng)態(tài)測(cè)量法在我國(guó)不同景觀區(qū)、不同礦床上進(jìn)行了一系列研究。如在西北干旱荒漠戈壁覆蓋區(qū)、黃土覆蓋區(qū)、東北原始森林覆蓋區(qū)、華北沖洪積物覆蓋區(qū)、南方濕潤(rùn)第四系殘坡積層覆蓋區(qū)等分別展開(kāi)過(guò)金、銅、鈾等多金屬礦床的找礦預(yù)測(cè)研究[8-17]，事實(shí)證明金屬活動(dòng)態(tài)測(cè)量在指示隱伏礦體方面具其它傳統(tǒng)地球化學(xué)勘查方法無(wú)法比擬的優(yōu)越性。東戈壁鉬礦是新疆發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)大型隱伏斑巖型鉬礦，最大埋深達(dá)300多米，表層被幾十厘米至幾米的荒漠土和石質(zhì)土所覆蓋，該礦床目前尚未開(kāi)采，污染較少，是良好的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。筆者選取礦區(qū)蓋層中主成礦元素Mo，W和Cu進(jìn)行了金屬活動(dòng)態(tài)研究，詳細(xì)探討了金屬活動(dòng)態(tài)測(cè)量法對(duì)隱伏斑巖型鉬礦指示效果及元素在土壤中活動(dòng)態(tài)主要存在形式，為西北戈壁荒漠地區(qū)運(yùn)用金屬活動(dòng)態(tài)測(cè)量法尋找隱伏鉬礦床提供一定的參考依據(jù)。

1 金屬活動(dòng)態(tài)測(cè)量法原理

王學(xué)求等認(rèn)為金屬礦床及圍巖中[18]，與礦有關(guān)的超微細(xì)金屬或金屬離子、化合物會(huì)相應(yīng)增多。這些超微細(xì)金屬或離子及化合物，在多種營(yíng)力作用下(如地下水、離子擴(kuò)散、氧化還原電位梯度、地氣流、蒸發(fā)作用、生物作用、毛細(xì)管作用等)向地表遷移。遷移到地表后，被上覆土壤或其它疏松物中的粘土礦物、鐵錳氧化物等地球化學(xué)障所捕獲，并在原介質(zhì)元素含量的基礎(chǔ)上形成活動(dòng)態(tài)疊加含量。使用適當(dāng)提取劑將這些元素疊加含量提取出來(lái)，從而達(dá)到尋找和評(píng)價(jià)隱伏礦的目的。

表生條件下，金屬元素主要有以下存在形式：①水溶性鹽類(包括游離離子及可溶性化合物、絡(luò)合物)；②膠體形式或被膠體吸附；③呈離子或超微細(xì)顆粒吸附在粘土礦物表面，或呈可交換的離子態(tài)存在于粘土礦物之中；④有機(jī)絡(luò)合物及被有機(jī)質(zhì)表面吸附；⑤游離自然金(對(duì)金而言)；⑥被鐵錳氧化物吸附或包裹；⑦碳酸鹽包裹；⑧與硫化物結(jié)合；⑨硅酸鹽晶格或缺陷中的金屬[6]。

上述形式中，①、②、③、④、⑥ 5種存在形式稱為活動(dòng)態(tài)，這部分金屬易于遷移，有可能被各種營(yíng)力長(zhǎng)距離遷移，包括被上升氣體攜帶長(zhǎng)距離遷移，從而反映深部礦化信息。這些形式的金屬可用較弱試劑提取出來(lái)。針對(duì)金屬活動(dòng)態(tài)的提取，王學(xué)求等給出了金屬活動(dòng)態(tài)兩個(gè)階段提取方案[15]。第一階段使用順序提取方法，將載體由弱到強(qiáng)依次溶解，使金屬元素釋放出來(lái)；第二階段是對(duì)提取液的處理過(guò)程，將第一階段釋放出的金屬溶解于溶液中。

金屬活動(dòng)態(tài)提取主要包括以下4種形式：①水提取金屬(包括金屬離子、可溶性化合物、可溶性膠體和可溶性鹽類中的金屬元素)；②粘土吸附和可交換金屬；③有機(jī)質(zhì)結(jié)合金屬；④鐵錳氧化物膜吸附或包裹金屬。金屬活動(dòng)態(tài)提取流程如圖1[6]。

2 研究區(qū)景觀特征

研究區(qū)位于哈密市南110 km，雅滿蘇鎮(zhèn)西44 km處[19]，為典型荒漠戈壁區(qū)，屬大陸性干旱氣候，降雨量稀少，大部分地區(qū)年降雨量不足50 mm，蒸發(fā)量高達(dá)1 500 mm，在強(qiáng)蒸發(fā)作用下，土壤層形成堿性地球化學(xué)障。水源缺乏，幾乎無(wú)地表徑流，地下水位低，地勢(shì)較低的山區(qū)或低山丘陵區(qū)的干溝中有季節(jié)性洪流沖積物。寒暑變化劇烈，氣溫年差一般在40℃以上，夏季異?？釤幔罡邭鉁剡_(dá)45℃，晝夜溫差大；植被稀少，風(fēng)大沙多，干燥剝蝕作用和風(fēng)力搬運(yùn)作用強(qiáng)烈，地表普遍受到風(fēng)塵沙影響。研究區(qū)地形南高北低，但起伏較小。地貌特點(diǎn)為低矮山地、丘陵和山間盆地交錯(cuò)，在極端干旱條件下，經(jīng)長(zhǎng)期剝蝕作用和準(zhǔn)平原化過(guò)程，該區(qū)逐漸演化為典型荒漠戈壁區(qū)?；哪瓯诳煞譃橐云路e物和殘積物為主的剝蝕戈壁、以沖積物和洪積物為主的堆積戈壁兩種亞景觀。研究區(qū)主要發(fā)育荒漠土、石質(zhì)土和少量鹽土。土壤中水分和有機(jī)質(zhì)含量極低，鹽漬化普遍，含有數(shù)量不等的易溶鹽分，土壤剖面中部易聚積成堅(jiān)硬的鹽磐層。

3 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于天山造山帶東段，覺(jué)羅塔格晚古生代島弧增生帶內(nèi)。南部15 km為北天山與中天山分界斷裂帶阿奇克庫(kù)都克深大斷裂帶[20]。礦區(qū)出露下石炭統(tǒng)干墩組，為一套巨厚的陸源碎屑-碳酸鹽巖沉積建造，巖性主要為變質(zhì)含礫砂巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖-砂質(zhì)泥巖、泥巖、凝灰?guī)r及安山巖。礦區(qū)南部溝谷中第四紀(jì)覆蓋層較發(fā)育。區(qū)內(nèi)發(fā)育有NE、NW和近EW向3組斷裂，其中EW向斷裂最發(fā)育，與區(qū)域構(gòu)造線方向一致。區(qū)內(nèi)巖漿巖較發(fā)育，以花崗巖類為主，閃長(zhǎng)巖類次之，可見(jiàn)部分安山巖出露，礦區(qū)中部有華力西晚期侵入的隱伏斑狀花崗巖體(圖2)[20]。礦體賦存于石炭系干墩組淺變質(zhì)碎屑巖中，并分布于隱伏斑狀花崗巖體東側(cè)外接觸帶。礦體平面形態(tài)為不規(guī)則的近圓形，直徑1 500 m左右，面積1.58 km2。剖面中礦體呈似層狀-透鏡狀產(chǎn)出。礦石礦物主要由輝鉬礦、黃鐵礦、黃銅礦、黑鎢礦和白鎢礦等組成。礦體埋深12.98～319.25 m，屬淺部隱伏礦床[20-21]。

圖1 金屬活動(dòng)態(tài)提取流程Fig 1 Schematic of the MOMEO sequential leach scheme

4 樣品采集及測(cè)試分析

土壤剖面AA＇位于東戈壁鉬礦礦區(qū)東部1號(hào)主礦體之上，由南至北橫穿整個(gè)鉬礦區(qū)(圖2)。為防止污染，剖面已避開(kāi)前人施工密集區(qū)域。每200 m采集一個(gè)樣，在礦體上方加密為100 m一個(gè)樣，剖面總長(zhǎng)約6 km。為提高每個(gè)采樣點(diǎn)上的代表性并保證樣品重量，在采樣點(diǎn)附近20 m的范圍內(nèi)進(jìn)行3點(diǎn)采樣，并合并為一個(gè)樣品，采樣深度30～40 cm，即在弱膠結(jié)層中采集樣品，樣品重量不小于300 g，分別采集粗粒-4～+20目和細(xì)粒-160目?jī)煞N粒級(jí)的土壤樣品共70件，并測(cè)試樣品中Mo，Cu，W 3種元素全量含量；剖面AA＇中35件-160目細(xì)粒土壤樣品則進(jìn)行元素活動(dòng)態(tài)測(cè)試，元素活動(dòng)態(tài)測(cè)試分析由中國(guó)地球物理地球化學(xué)勘查研究所實(shí)驗(yàn)室完成，主要測(cè)試Mo，Cu，W 3種元素在水提取態(tài)、粘土吸附態(tài)、鐵錳氧化物態(tài)中含量。

圖2 東戈壁鉬礦地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig 2 Geological Sketch of the East Gobi Molybdenum Ore

5 研究區(qū)剖面異常特征

剖面AA＇地勢(shì)為南高北低，南部0～2.2 km主要為以沖-洪積物為主的第四紀(jì)堆積戈壁，覆蓋物相對(duì)較厚，弱膠結(jié)層細(xì)粒中粘土礦物含量最高達(dá)25%；北部2.2～6.0 km主要為以坡-殘積物為主的剝蝕戈壁，覆蓋物較薄，弱膠結(jié)層細(xì)粒中粘土礦物含量為10%左右(表1)。鉬礦體主要位于1.2～3.0 km，其中南部堆積戈壁區(qū)礦體埋深100 m以上(1.2～2.2 km)，剝蝕戈壁區(qū)埋深為20～50 m(2.2～3.0 km)(圖3中所示礦體僅反映相對(duì)延伸位置及發(fā)育程度，不表示深淺)。

由于研究區(qū)為典型戈壁荒漠區(qū)，植被稀少，土壤中有機(jī)質(zhì)含量極低，因此，4種相態(tài)中僅測(cè)試-160目細(xì)粒土壤中Mo，W，Cu元素水提取態(tài)、粘土吸附態(tài)和鐵錳氧化物態(tài)3相態(tài)數(shù)據(jù)。

5.1 剖面AA＇元素活動(dòng)態(tài)異常特征

由于各元素在不同相態(tài)中含量相差較大，且元素活動(dòng)態(tài)與全量數(shù)據(jù)量級(jí)不同，為直觀反映同一坐標(biāo)系中元素在不同相態(tài)和全量地球化學(xué)特征，采用各元素襯值含量（原始值/中值）替代原始含量作圖。同時(shí)為避免活動(dòng)態(tài)在測(cè)試過(guò)程中由于偶然因素造成含量的高低跳躍，活動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采用兩點(diǎn)移動(dòng)平均數(shù)據(jù)作圖。圖4、圖5均為元素相關(guān)含量襯值變化曲線圖。

從剖面AA＇元素活動(dòng)態(tài)襯值變化曲線圖中可看到（圖4），Mo，W兩元素異常特征基本相似，三相態(tài)在剖面中均有一定的高值異常區(qū)。Mo，W兩種元素水提取態(tài)和粘土吸附態(tài)襯值變化曲線分布形態(tài)和元素異常強(qiáng)度基本一致，在礦體上方存在明顯的連續(xù)高值異常區(qū)，異常襯值最高分別為6.7和9.3，與礦體對(duì)應(yīng)性好，但水提取態(tài)中Mo，W含量明顯高于粘土吸附態(tài)，在活動(dòng)態(tài)總量中所占比例高達(dá)60.5%和51.1%，因此，水提取態(tài)為Mo，W元素主要存在相態(tài)，對(duì)礦體指示效果好。鐵錳氧化態(tài)中Mo含量低，僅為水提取態(tài)含量的1/5，襯值曲線呈鋸齒狀分布，波動(dòng)性較強(qiáng)，與礦體對(duì)應(yīng)性較差，對(duì)礦體指示意義不大。鐵錳氧化物態(tài)W襯值曲線為1.8～2.8 km，存在一個(gè)連續(xù)高值區(qū)，但曲線相對(duì)較平緩，含量和異常襯值較低，不適合作為指示相態(tài)。Cu元素活動(dòng)態(tài)襯值曲線雖與Mo，W元素相似，但活動(dòng)態(tài)Cu主要存在于鐵錳氧化物態(tài)中，該相態(tài)中Cu含量高，為活動(dòng)態(tài)總量的91.2%，異常襯值最大為5.5，在礦體上方存在一個(gè)明顯的連續(xù)高值異常區(qū)，與礦體對(duì)應(yīng)性好。水提取態(tài)和粘土吸附態(tài)中Cu含量相對(duì)較低，其中水提取態(tài)中Cu含量極低，平均值為0.09×10-6，僅為活動(dòng)態(tài)總量的1.8%，襯值曲線變化平緩，無(wú)明顯高值區(qū)。粘土吸附態(tài)中Cu含量也較低，平均值僅0.33×10-6（表2），但在礦體上方存在一個(gè)相對(duì)平緩的連續(xù)高值區(qū)，與礦體對(duì)應(yīng)性好，該相態(tài)對(duì)礦體也有一定指示意義。

表1 東戈壁鉬礦不同景觀區(qū)弱膠結(jié)層細(xì)粒級(jí)土壤中礦物含量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of Mineral Content in Fine-grained Soil at Weak Cementation Layers in Different landscapes in the East Gobi Molybdenum Ore 單位：%

圖3 剖面AA＇地形景觀示意圖Fig 3 The schematic diagram of terrain and landscape in the Section AA＇

Mo，W，Cu元素活動(dòng)態(tài)總量占土壤全量比例大小不同，其中W僅為2.3%，元素主要以穩(wěn)定態(tài)形式存在于殘?jiān)鼞B(tài)中。其中Mo，Cu活動(dòng)態(tài)所占比例相對(duì)較高，平均為12.3%和14.3%，最大比例達(dá)34%和27%。Mo主要存在于水提取態(tài)中，Cu主要存在于鐵錳氧化物態(tài)中，二者在礦體上方異常襯值大，與礦體對(duì)應(yīng)性好，是良好的活動(dòng)態(tài)指示元素。雖W元素活動(dòng)態(tài)總量占土壤全量比例相對(duì)較低，一般僅為2.3%，最大比例也僅為3.4%，但W元素在水提取態(tài)中異常襯值大，異常連續(xù)性好，與礦體對(duì)應(yīng)性較好，可作為良好的活動(dòng)態(tài)指示元素（表2）。

5.2 剖面AA＇元素活動(dòng)態(tài)與全量異常特征對(duì)比

從圖5中可看出，4-20目粗粒土壤中Mo，W，Cu 3種元素在剖面中有相似變化特征，即在礦體上方存在一個(gè)明顯的高值異常區(qū)（1.2～3.6 km），異常襯值高，連續(xù)性好，并在地勢(shì)高、覆蓋薄、礦體埋深淺的剝蝕戈壁區(qū)礦體上方2.2～2.8 km達(dá)到最大，該區(qū)域中Mo，W元素異常襯值最高12和24.5，明顯高于細(xì)粒級(jí)土壤中元素全量和活動(dòng)態(tài)異常襯值。而-160目細(xì)粒土壤中Mo，W，Cu元素含量低，異常襯值小，襯值曲線變化平緩，沒(méi)有明顯的連續(xù)異常高值區(qū)。Mo，W元素僅在埋深淺的主礦體上方出現(xiàn)2～3個(gè)高值點(diǎn)，而Cu元素沒(méi)有明顯高值點(diǎn)，因此，-160目細(xì)粒級(jí)土壤全量不能有效反映礦區(qū)真實(shí)的地球化學(xué)特征。細(xì)粒級(jí)土壤中Mo，W水提取態(tài)和Cu鐵錳氧化物態(tài)襯值曲線在礦體上方存在一個(gè)明顯高值異常區(qū)，但存在兩個(gè)高峰異常區(qū)，第一個(gè)高峰異常區(qū)在剖面南部1.2～2.2 km的堆積戈壁區(qū)，異常襯值大，連續(xù)性好，異常強(qiáng)度明顯高于粗細(xì)兩粒級(jí)土壤全量在該區(qū)域中的強(qiáng)度。第二個(gè)高峰異常區(qū)位于中部2.4～2.8 km的剝蝕戈壁區(qū)，異常襯值小，明顯低于粗細(xì)兩粒級(jí)土壤全量在該區(qū)中的襯值。

元素活動(dòng)態(tài)異常高值區(qū)與元素全量異常高值區(qū)所在位置相差較大，主要與礦體埋深、覆蓋層發(fā)育程度及弱膠結(jié)層中礦物組成有關(guān)。剖面南部堆積戈壁區(qū)隱伏礦體上方，由于覆蓋層較發(fā)育，弱膠結(jié)層細(xì)粒級(jí)土壤中粘土礦物、鐵錳氧化物含量都較高，在近地表形成了較強(qiáng)的地球化學(xué)障，能有效捕獲深部遷移上的活動(dòng)性金屬元素，并以不同形式卸載于土壤中，形成元素活動(dòng)態(tài)二次疊加，提取這部分活動(dòng)性金屬元素含量能反映深部礦化信息。剖面中部剝蝕戈壁區(qū)隱伏礦體上方，雖礦體埋深淺，但地勢(shì)高、覆蓋層不發(fā)育，覆蓋物以坡-沖積物為主，弱膠結(jié)層土壤中可見(jiàn)大量粗粒巖屑顆粒，細(xì)粒級(jí)土壤所占比例小，且后生粘土礦物和鐵錳氧化物所占比重也較低，活動(dòng)性金屬元素不能及時(shí)有效的被捕獲沉降下來(lái)，元素活動(dòng)態(tài)二次疊加作用較弱，元素主要以穩(wěn)定態(tài)形式存在于弱膠結(jié)層礦物中，因此，剝蝕戈壁區(qū)粗粒土壤全量更能有效反映區(qū)域地球化學(xué)異常。

圖4 東戈壁鉬礦剖面AA＇元素活動(dòng)態(tài)襯值變化曲線圖Fig.4 Variation Curve of Contrast Values of the Mobile Forms of Elements in the Section AA＇of East Gobi Molybdenum Ore

表2 東戈壁鉬礦剖面異常區(qū)元素活動(dòng)態(tài)含量統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of the Content of the Mobile Forms of Elements in Abnormal Areas of the Section of the East Gobi Molybdenum Ore

圖5 東戈壁鉬礦剖面AA＇元素活動(dòng)態(tài)襯值與元素全量襯值變化曲線圖Fig 5 Variation Curve of Contrast Values of the Mobile Forms of Elements and Total Concentrations in the Section AA＇of East Gobi Molybdenum Ore

6 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

(1)從土壤中元素全量和元素活動(dòng)態(tài)襯至變化曲線圖中可發(fā)現(xiàn)，4～20目粗粒中元素含量高，異常襯值大，礦體上方有明顯的連續(xù)高值異常區(qū)，并在剝蝕戈壁區(qū)主礦體上方達(dá)到最大，是剝蝕戈壁區(qū)良好的采樣粒級(jí)。鉬、鎢元素的水提取態(tài)和銅元素的鐵錳氧化物態(tài)與土壤全量相比，在埋藏深、覆蓋厚的堆積戈壁區(qū)礦體上方具更明顯的異常顯示，異常襯值高，連續(xù)性好，因此，金屬活動(dòng)態(tài)測(cè)量法在堆積戈壁區(qū)對(duì)隱伏礦體具較好的指示效果。

(2)鉬、鎢元素主要以可溶性酸根離子形式存在于水提取態(tài)中，活動(dòng)態(tài)銅則主要存在于鐵錳氧化物態(tài)中。據(jù)王學(xué)求的遷移模型，認(rèn)為東戈壁鉬礦中成礦及指示元素在多種地質(zhì)營(yíng)力共同作用下，由礦體遷移至近地表基巖附近，并在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下遷移至地表弱膠結(jié)層中，被粘土礦物、鐵錳氧化物等吸附并卸載于土壤中，在表生條件下轉(zhuǎn)化成可溶性酸根離子或離子團(tuán)，被膠體吸附，形成活動(dòng)態(tài)的二次疊加含量。元素活動(dòng)態(tài)主要存在形式及疊加強(qiáng)度，與元素性質(zhì)，礦體埋深，覆蓋層發(fā)育程度，區(qū)域景觀及氣候特征都具密切聯(lián)系。

(3)初步研究認(rèn)為金屬活動(dòng)態(tài)測(cè)量對(duì)堆積戈壁區(qū)隱伏鉬礦具有較好的指示效果，可在類似景觀找礦有利區(qū)中進(jìn)行推廣和應(yīng)用，尋找隱伏礦床。

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