內蒙古中部地區(qū)礦床的地球化學性質及成礦機理

尤景廣

（1.中國地質科學院地球物理化學勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.中國地質大學，北京 100083）

作為鞏固國防和發(fā)展新能源的戰(zhàn)略資源，礦產資源對于我國的重要性不言而喻。最新的“能源發(fā)展十三五規(guī)劃”指出，我國在建核電規(guī)模居世界第一，對金屬礦產資源需求量極大?！笆濉逼陂g自然資源部提出“三深一土”戰(zhàn)略，強調向地球深部進軍，大力推進地球深部探測，開展深部能源快速高效勘查評價，而這離不開穿透性地球化學勘查技術的創(chuàng)新和應用。長期以來，放射性作為過去勘查金屬礦的主要手段發(fā)揮了巨大作用，但這種方法只適用于尋找出露礦或地表礦，對于隱伏礦的勘查無能為力。近些年，深穿透地球化學在隱伏礦勘查中發(fā)揮了重要作用。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于內蒙古自治區(qū)中北部，地勢總體南高北低，受蒙古高氣壓影響，屬中溫帶大陸性季風氣候和干旱荒漠草原氣候。年均氣溫3.4℃左右，年均降水量142.2mm，蒸發(fā)量卻達到2622mm。區(qū)內地表覆蓋層厚度為幾米到幾十米，含有大量第四系風成沙，地表很少有巖體露頭，給找礦工作帶來了極大困擾。

勘查區(qū)在早白堊世受燕山運動的影響發(fā)生幕式裂陷，第一幕裂陷發(fā)生在早白堊世早期（阿爾善期），該期斷裂活動由弱變強，沉積以水體較淺的沖洪積和河流相為主；第二幕裂陷發(fā)生在早白堊世中期（騰格爾期），沉積作用嚴格受同生斷裂的控制，沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，形成厚而廣泛的湖相沉積，構成盆地重要的生油層。收縮回返期發(fā)生在早白堊世晚期（賽漢期），坳陷邊部發(fā)育沖積扇、辮狀河及三角洲沉積體系，構成賽漢早期尋找隱伏礦床的有利相帶；賽漢晚期，盆地進一步萎縮，在坳陷內地形相對低凹區(qū)域形成建造間古河道，構成二連盆地尋找礦床的有利場所。古近紀以來盆地的持續(xù)抬升及干旱氣候，斷裂活化，沉積作用整體相對較弱，而代之以風化剝蝕為主要特征，為本區(qū)地下水的滲入、層間氧化，提供了相對有利的地質構造條件。

二連盆地主要有兩種類型的礦體，分別為古河谷砂巖型、沉積成巖型。其中，東部及中部地區(qū)主要為古河谷砂巖型，該區(qū)礦體主要受賽漢組上段古河谷砂體控制；西部工作區(qū)主要為沉積成巖型，礦體受二連組湖泊泥巖控制。

2 內蒙古中部地區(qū)礦床的地球化學性質及成礦機制

內蒙古中部地區(qū)的礦床具有非常獨特的地球化學性質。在氧化環(huán)境中很容易被氧化，呈+6 價，以陽離子（U022+）形式存在，活動性很強，易溶于水并隨水沿構造裂隙遷移。當水攜帶 酰絡陽離子遷移至還原環(huán)境中時，被還原成+4 價，溶解度很小，容易沉積富集而形成礦化。所以隱伏礦床的礦體（礦化層）通常賦存于灰綠色、灰色、灰黑色砂（泥）巖等具有還原條件的巖體里。

在隱伏礦體中，表生環(huán)境的水通過巖體的裂隙、底層接觸帶的等通道進入巖體形成氧化帶。水中攜帶的氧將巖體中的金屬元素氧化為6 價，以陽離子形式存在，隨水沿斷裂帶、底層接觸帶、節(jié)理、微裂隙和孔隙等通道遷移。當含陽離子的水遷移至還原環(huán)境中時，水中的金屬被還原為4 價，4 價金屬難溶于水，從而沉淀在還原環(huán)境中。隨著含金屬元素水不斷向還原環(huán)境遷移，4 價金屬不斷沉淀累積，金屬元素不斷富集從而形成礦體（礦化）。

3 隱伏礦床上方土壤地球化學異常及形成機理

3.1 土壤地球化學異常

選取努和廷隱伏礦床上覆土壤為采樣介質，沿東西走向布置勘探線橫穿努和廷礦床上方，共布置24 個采樣點，每50m 采取一個樣品，采樣深度為5cm ～30cm。每個樣品由采樣點附近5m 范圍內3 個子樣均勻混合而成，采取時過20 目篩去除碎石、草根等雜質，每個樣品質量不少于500g，隨機在選取每條勘探線上不同點位采集野外重復樣進行質量監(jiān)控。樣品室內風干后，去除雜質，篩取20 目～120 目粗粒級土壤以及-120 目的細粒級土壤。對采集的粗粒級和細粒級土壤中的金屬元素含量進行了分析，分析結果見表1。

由圖1 可見，土壤中金屬元素含量與礦體的距離成反比，隨著與礦體距離的減小，金屬元素含量逐漸增高，在隱伏礦體上方含量達到最大值。在遠離礦體的背景區(qū)，細粒級土壤中金屬含量高于粗粒級中金屬元素含量，但比較接近，都是比較低的含量水平。而接近礦體處和礦體上方的土壤中，粗粒級土壤中金屬元素含量沒有明顯的變化，而細粒級土壤中元素含量卻有著非常顯著的增高。說明上覆土壤的異常可以反映隱伏礦體的礦化信息，而且這些礦化信息主要被細粒級土壤捕獲。

圖1 隱伏礦床上覆土壤金屬元素含量圖

表1 粗粒級和細粒級土壤中金屬元素含量（ppm）

3.2 土壤地球化學異常形成機理

金屬礦物被氧化后，以陽離子形式存在。①由于礦體與圍巖、土壤間存在濃度差，一部分U 元素會在離子擴散作用下向濃度低的表生環(huán)境遷移；②由于研究區(qū)屬于干旱型草原氣候，該區(qū)年蒸發(fā)量遠遠大于降雨量。在長期的蒸發(fā)作用、毛細管作用以及植物根系吸收等作用下，地下水通過構造裂隙、斷裂帶及砂巖本身的孔隙等通道在垂向上向地表遷移，從而將陽離子攜帶至表生環(huán)境；③礦體元素在氧化還原作用中會不斷釋放電子，使深部礦體與上部圍巖土壤間產生電位差，形成一個天然電池。這種電池使礦體中元素被氧化，形成金屬離子，釋放的電子以礦體為導體從底部部位沿礦體向頂部流動。同時礦體外部圍巖的裂隙水和土壤飽和水中溶解的金屬離子圍繞礦體向上遷移，構成外部位移電流這種電化學過程源源不斷地持續(xù)進行，致使礦體上部疏松沉積層內的金屬離子濃度增高在礦體周圍形成“離子暈”。④此外，在干旱地區(qū)，這種氣態(tài)遷移至關重要，因為在隱伏礦床上方的礦石及覆蓋物空隙中主要由蒸氣及空氣充滿，礦床內的金屬可由氣壓泵推動達于地表，氣壓泵指高氣壓與低氣壓的旋回過程。高氣壓將空氣壓入，而低氣壓使空氣將礦石或礦床中的氣體帶出。在上述營力作用下，陽離子從礦體遷移至上覆土壤。細粒級土壤中含有大量具有吸附能力的粘土礦物，而粗粒級土壤中含有大量風成沙，由于陽離子易被吸附在粘土礦物和鐵錳氧化物中，所以細粒級土壤中U 含量比粗粒級土壤高。遷移至隱伏礦床上方的陽離子被粘土礦物吸附，形成地球化學異常。

4 結論

由于隱伏礦床陽離子呈碩大半徑的啞鈴狀，不能與任何陽離子類質同象替代，但它易于嵌入鏈狀或層狀礦物面網中，因此易被細粒土壤中富含的粘土礦物和鐵錳氧化物所吸附。所以在努和廷隱伏礦床上覆細粒級土壤中形成了金屬礦的地球化學異常。