熱帶雨林景觀土壤測量采樣深度與樣品粒級(jí)試驗(yàn)研究
——以加納國雅卡錳金礦為例

丁兆舉，常 昊，張年生，尉 青

(中國冶金地質(zhì)總局西北地質(zhì)勘查院，陜西西安 710119)

0 引言

雅卡錳金礦床位于加納國著名的阿散蒂金礦帶南部，屬于熱帶雨林氣候，為濕潤中低山景觀區(qū)。前人主要進(jìn)行錳礦地質(zhì)勘查，對(duì)區(qū)內(nèi)的金礦勘查相對(duì)較少，地表未開展與金礦有關(guān)的土壤地球化學(xué)勘查。對(duì)尋找金等多金屬礦來說，前期土壤地球化學(xué)測量是一種行之有效的找礦手段(羅先熔等，2007；孫凱等，2011；張善明等，2011；席明杰等，2013；王瑞軍等，2016；湯國棟等，2020)，也是礦產(chǎn)地球化學(xué)勘查中十分重要的勘查方法之一，目前在地質(zhì)勘查中土壤地球化學(xué)找礦被廣泛應(yīng)用(宋慈安等，2001；劉邦定等，2015；蒙勇等，2016；楊永春等，2017)。近70年來前人利用土壤測量尋找金礦(劉增鐵，1993；謝學(xué)錦等，2004；劉珊等，2016；尚小社等，2018；董一博等，2019；王喬林等，2021)、銅多金屬礦(杜明龍等，2015；劉洪微，2017；楊笑笑等，2018；李凱和萬歡，2019；王喬林等，2021)取得了很好的效果。土壤地球化學(xué)測量的關(guān)鍵技術(shù)問題是采樣深度和樣品粒級(jí)，其直接影響土壤地球化學(xué)找礦信息的提取。本文以加納國雅卡錳金礦床為研究對(duì)象，對(duì)采樣深度和樣品粒級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)研究，了解成礦元素在土壤垂向剖面中的分布規(guī)律和成礦元素在土壤中的最佳富集粒度(李源林等,2017)，確定適合熱帶雨林景觀區(qū)土壤地球化學(xué)測量的最佳方法技術(shù)，目的是獲得真實(shí)、可靠的土壤微量元素地球化學(xué)信息(賈先巧等,2009；李源林等，2017)和成礦元素在該區(qū)的分布情況和富集規(guī)律，為圈定找礦靶區(qū)提供依據(jù)(湯國棟等，2020)。該項(xiàng)工作可以降低勞動(dòng)的強(qiáng)度，又可避免人為活動(dòng)所造成的采樣污染(龐緒貴等,2005)。

1 自然地理及景觀特征

礦區(qū)位于赤道附近，屬典型熱帶雨林型氣候，全年高溫炎熱(左立波等，2013)，各月平均氣溫25～28 ℃，年最高氣溫36.8 ℃(2～3月)，最低氣溫19.5 ℃(8～9月)。年降水量達(dá)2000 mm以上，主要集中在每年的5～9 月。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，森林密布，地形較平緩，多為丘陵，海拔50～160 m。礦區(qū)基本為第四系覆蓋，主要以基巖風(fēng)化形成的殘坡積碎屑土層為主，土壤類型主要以粘土、亞粘土為主，在局部低洼地段分布少量的沖積、洪積、礫石等松散堆積物?；鶐r出露較少，僅在山頂、山脊或殘丘有基巖或殘積碎屑巖(塊)出露。在高溫多雨的影響下，熱帶雨林地區(qū)的風(fēng)化淋濾作用強(qiáng)烈，地表的巖石遭受強(qiáng)烈的分化淋濾呈磚紅色-褐色等土狀或半風(fēng)化狀態(tài)，形成土壤的過程快速而徹底，所以土層較厚。那些不易溶解的礦物，相對(duì)集中起來，最常見的殘留礦物為鐵、錳氧化物，土壤顏色偏紅，土壤類型主要以紅壤(曹鐵生等，2020)、黃褐壤為主。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

礦區(qū)大地構(gòu)造位置屬于西非克拉通東南部，比里姆巖群東南部阿散蒂變質(zhì)火山巖帶南端，加納著名的阿散蒂金礦帶南部(圖1)。

圖1 加納雅卡錳金礦區(qū)地質(zhì)簡圖①

區(qū)內(nèi)出露的地層為古元古代比里姆巖群，形成于2195～2072 Ma，出露面積很小，主要為火山碎屑巖、碳酸鹽巖地層，少量變質(zhì)火山巖系綠巖相，絕大部分被第四系土壤覆蓋。火山碎屑巖以蝕變凝灰?guī)r為主，呈淺紫色、淺灰綠色。區(qū)內(nèi)錳礦、金礦均主要賦存于比里姆巖群上部的綠巖內(nèi)，有著名的阿散蒂金礦(李鵬和羅習(xí)文，2015；曹鐵生等，2020)。錳礦賦存于兩層綠巖單元中間的沉積層內(nèi)，碳酸鹽巖地層為錳礦的主要賦礦層位。含礦層位以碳酸鹽巖地層上部和下部的火山沉積序列為邊界，底部的下-綠巖地層主要由火山碎屑巖組成，其上被沉積巖系列覆蓋。該沉積巖系列被其上部的上-綠巖地層覆蓋，上-綠巖地層由變質(zhì)熔巖，以及可能存在的變質(zhì)細(xì)粒火山碎屑巖組成。區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，較大斷層呈NE-SW向分布，次一級(jí)斷層呈NW-SE向分布。礦區(qū)內(nèi)巖漿巖分布范圍較廣，以古元古代Dixcove花崗巖為主。比里姆巖群火山碎屑巖及沉積巖整體發(fā)生了強(qiáng)烈變形，晚期Dixcove花崗巖的侵入發(fā)生了圍巖蝕變。在元古代晚期的構(gòu)造變質(zhì)作用形成了變質(zhì)火山巖系列和變質(zhì)沉積巖系列。從空間分布來看，花崗巖類巖石包裹著比里姆系巖石，部分凝灰?guī)r覆蓋于花崗巖頂部或者捕虜體狀分布。

3 樣品采集與粒級(jí)

3.1 樣品采集

土壤垂向試驗(yàn)剖面選擇區(qū)內(nèi)已知的錳礦體，及前人采金豎井附近及背景地段處，避開沖積、洪積、礫石等松散堆積物覆蓋區(qū)，以研究礦(化)體及背景地段土壤垂向剖面微量元素賦存變化規(guī)律。在礦區(qū)內(nèi)選擇三處典型剖面作為試驗(yàn)研究剖面，該三處剖面的巖性依據(jù)周圍轉(zhuǎn)石情況推測分別為凝灰?guī)r、花崗巖、含錳碳酸鹽巖。其目的是掌握微量元素含量變化特征與采樣深度與樣品粒級(jí)之間的關(guān)系(鄒長毅等，2002；龍宣霖，2013)，為下一步開展面積性土壤地球化學(xué)測量確定最佳采樣深度和樣品粒級(jí)(刁理品等，2010；龍宣霖，2013；張榮國和潘北斗，2019)。

每條土壤剖面挖掘規(guī)格為1 m×1 m×1 m，即長1 m、寬1 m、深1 m。對(duì)土壤剖面進(jìn)行詳細(xì)觀察并分層，樣品自地表向深部依次按0～20 cm(A 層)、20～40 cm(B1層)、40～60 cm(B2 層)、60～90 cm(C1層)四層分層(鄒長毅等，2002；賈先巧等,2009)，每個(gè)層位的樣品按照10 cm×10 cm規(guī)格以連續(xù)刻槽法采集，每條剖面按分層采集4件樣品，三條剖面共采集12件樣品，野外采集的樣品重量為3 kg。

3.2 樣品粒級(jí)選擇、加工與分析

試驗(yàn)樣品自然風(fēng)干后，木棍敲碎，反復(fù)手搓，除去樣品顆粒物表面上附著的粘土，把每個(gè)樣品用不銹鋼樣篩按照-4～+20目、-20～+40目和-40目套篩加工成三個(gè)粒級(jí)段樣品(鄒長毅等，2002；賈先巧等,2009)，三條剖面的樣品按照三個(gè)粒級(jí)段加工分解為36件樣品。樣品由加納國家具有分析化探樣品資質(zhì)的甲級(jí)單位分析測試，樣品加工及分析方法均按照加納國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，測試中采用該國一級(jí)標(biāo)樣進(jìn)行準(zhǔn)確度監(jiān)控，并插入10%的密碼樣進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果表明，樣品測試的準(zhǔn)確度和精確度均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)，分析質(zhì)量可靠。

4 土壤測量方法技術(shù)試驗(yàn)成果

4.1 采樣深度

金礦化附近(即S1剖面)采樣深度Au、Mn、Cu含量變化特征(圖2)：Au在20 cm深度處富集，從40～80 cm深度略有減低，但變化幅度不大。Au在20 cm深度富集，是由于表生富集作用的影響，但隨著采樣深度的增加，Au基本趨于穩(wěn)定，其含量水平不隨采樣深度的加深而增高(圖2a)。Mn主要富集在20 cm和60 cm深度處，Mn在20 cm深度處富集，可能是由于鐵錳次生富集造成的，但隨著采樣深度的增加，錳含量水平略有減低，但變化幅度不大，這種變化可能反映了本景觀條件下錳元素的次生富集特征(圖2b)。銅元素隨著采樣深度的增加而增高，但變化幅度也不大(圖2c)?？傊?，Au含量與采樣深度無較大關(guān)系，Mn、Cu隨著采樣深度的加深稍有增加。但隨著采樣深度的加深，可以消除近地表次生富集的影響，真實(shí)地反映本區(qū)微量元素在土壤中的含量水平。

圖2 S1剖面不同采樣深度樣品粒級(jí)含量變化圖

錳礦體地段(即S2剖面)采樣深度Au、Mn、Cu含量變化特征(圖3)：Au、Mn、Cu元素含量隨著采樣深度的加深逐漸增高，Au在60 cm深度富集(圖3a)；Mn、Cu分布模式基本相同(圖3b～c)，除了在20 cm處富集外，在60～80 cm深度有較強(qiáng)的富集，即隨著采樣深度的加深，Mn、Cu元素的異常含量逐步增大，更好地反映了微量元素在土壤中的真實(shí)信息(鄒長毅等，2002；龍宣霖，2013)。

圖3 S2剖面不同采樣深度樣品粒級(jí)含量變化圖

背景地段(即S3剖面)采樣深度Au、Mn、Cu含量變化特征(圖4)：Au含量在土壤剖面中變化不大，基本趨于穩(wěn)定，其含量水平不隨采樣深度的加深而增高或減低(圖4a)。這種變化特征可能是本區(qū)土壤覆蓋較厚，而Au比較穩(wěn)定，在土壤覆蓋較厚的地段變化不明顯所致；Mn含量隨著采樣深度的加深逐步減低，所反映的地質(zhì)效果也較好(圖4b)；Cu元素表現(xiàn)為從淺部到深部元素含量逐步增加，在60～80 cm深度處基本趨于穩(wěn)定(圖4c)。

圖4 S3剖面不同采樣深度樣品粒級(jí)含量變化圖

4.2 樣品粒級(jí)

金礦化附近樣品粒級(jí)Au、Mn、Cu 含量變化特征(圖2)：主要元素Au、Mn、Cu粒級(jí)含量分布差異不十分明顯，但也存在較小的變化，Au、Cu在-4～+20目粒級(jí)段含量水平相對(duì)較高，-20～+40目、40目以下(-40目)兩個(gè)粒級(jí)段含量水平差異很??；Mn含量在-4～+20目、-20～+40目、40目以下三個(gè)粒級(jí)段內(nèi)上下波動(dòng)，無明顯規(guī)律。因此，在金礦化附近Au、Cu含量在-4～+20目粒級(jí)段內(nèi)相對(duì)富集。

錳礦體地段樣品粒級(jí)Au、Mn、Cu 含量變化特征(圖3)：主要元素Au、Mn、Cu粒級(jí)段含量差異較為明顯，從細(xì)粒級(jí)到粗粒級(jí)元素含量呈逐漸增加的分布狀態(tài)，Au、Mn、Cu在-4目～+20目粒級(jí)段富集最強(qiáng)，其次為-20～+40目，40目以下Au、Mn、Cu富集最弱。

背景地段樣品粒級(jí)Au、Mn、Cu含量變化特征(圖4)：Au、Mn粒級(jí)段含量變化不明顯，元素富集和粒級(jí)之間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，即細(xì)粒級(jí)與粗粒級(jí)之間的元素含量相差無幾，但Cu在粗粒級(jí)(-4～+20目)含量相對(duì)富集。

4.3 采樣深度和樣品粒級(jí)有效性分析

在雅卡錳礦區(qū)Ⅰ-Ⅰ剖面線上(剖面位置見圖1)，按采樣點(diǎn)距50 m，采樣深度60～80 cm，在測定的采樣點(diǎn)周圍點(diǎn)線距1/10 范圍內(nèi)取樣，樣品由三處以上組成(董一博等，2019)。野外粗加工粒級(jí)-4～+20目，對(duì)試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。對(duì)剖面礦化地段與背景地段的樣品分別進(jìn)行了地球化學(xué)參數(shù)特征統(tǒng)計(jì)(表1)，結(jié)果表明，在錳礦(化)地段Au、Cu、Mo、Mn、Cr、Ni平均含量、變化系數(shù)、濃集克拉克值均比背景地段高，其中礦化地段Au、Mo的平均含量分別是背景地段的5.6倍、8倍，Au、Mn的變化系數(shù)大于等于2，表明這兩種元素在區(qū)內(nèi)分布特征具有極不均勻性，同時(shí)也說明了Au、Mn元素參與了次生富集成暈的過程，極易形成地球化學(xué)礦致異常(袁和等，2017；袁和和許云鵬，2021)，Zn、Cr兩元素的變化系數(shù)小于1，說明兩元素在區(qū)內(nèi)的分布均勻，沒有起到較大的起伏變化(陳樂柱等，2016；袁和和許云鵬，2021)。這表明所選擇的采樣方法技術(shù)，既能反映礦化地段微量元素礦化信息特征及地球化學(xué)強(qiáng)變化特征，又能體現(xiàn)背景地段的地球化學(xué)變化特征，二者之間差異明顯。

表1 加納雅卡錳金礦Ⅰ-Ⅰ剖面元素地球化學(xué)參數(shù)特征

選取剖面上部分主要成礦元素制作含量曲線圖(圖5)，從圖中可以看出：錳礦體及其含鐵錳凝灰?guī)r上呈現(xiàn)出Mn、Cu、Pb、Zn、Mo、Ni、Co異常，其中Mn、Mo異常值高，連續(xù)性好，與錳礦體對(duì)應(yīng)較好，反映了錳礦體元素組合特征。變凝灰?guī)r呈現(xiàn)出Au、Cu、Mn、Mo、Co、Ni、Pb、Zn異常，其中Au、Cu、Mn、Mo、Co、Ni異常高，疊加較好。Pb、Zn異常較弱，可能與熱帶雨林地表淋濾環(huán)境有關(guān)?；◢忛W長巖與角閃花崗巖中有金異常分布，但寬度窄，以金單元素異常出現(xiàn)，可能反映花崗巖體中的含金石英脈?？傮w上錳礦體上Mn、Cu、Pb、Zn、Mo、Ni、Co異常規(guī)模大，異常連續(xù)性較好，具有明顯濃集中心；變凝灰?guī)r上Au、Cu、Mn、Mo、Co、Ni異常規(guī)模較大，疊加較好，濃集中心明顯，但伴生元素Pb、Zn異常含量較低。

圖5 雅卡錳金礦區(qū)Ⅰ-Ⅰ剖面線土壤測量異常圖

5 結(jié)論

(1)根據(jù)采樣深度試驗(yàn)結(jié)果，在礦體(化)上，采樣深度在60～80 cm能夠客觀反映土壤微量元素礦化信息特征。這既能避免表生人類活動(dòng)所帶來的污染，又能客觀反映深部基巖風(fēng)化后的礦化信息特征。在非礦地段或背景區(qū)，60～80 cm的采樣深度能較好地體現(xiàn)基巖風(fēng)化后的背景值特征，又能消除淺部次生富集帶來的非礦異常。

(2)根據(jù)樣品粒度試驗(yàn)結(jié)果，在礦體(化)地段各粒級(jí)段樣品中，主要元素Au、Mn、Cu和與之共生的微量元素均有異常顯示，但粗粒級(jí)(-4～+20目)比細(xì)粒級(jí)(-20～+40目、40目以下)效果好；在背景地段粗粒級(jí)(-4～+20目)與細(xì)粒級(jí)(40目以下)相比，Cu相對(duì)富集，Au、Mn含量變化不顯著，但其含量變化在一定的背景含量范圍內(nèi)波動(dòng)。

(3)采用采樣深度60～80 cm和截取樣品粒級(jí)-4～+20目，在礦區(qū)錳礦上方殘坡積土壤中發(fā)現(xiàn)了明顯的Mn、Ba、As、Cu、Pb、Zn、Ce、Mo、Ni、Co等異常；在變凝灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)了明顯的Au、Cu、Mn、Mo、Ba、Co、Ni、Pb、Zn等異常，在花崗閃長巖和角閃花崗巖中發(fā)現(xiàn)了金異常。這說明60～80 cm采樣深度和-4～+20目樣品加工粒級(jí)是合理的，證明所采用的土壤測量方法技術(shù)在加納雅卡錳金礦區(qū)是有效的。

(4)試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在赤道附近熱帶雨林景觀條件下，采樣深度對(duì)土壤異常的強(qiáng)弱影響較大，粗粒級(jí)(-4～+20目)樣品元素含量相對(duì)富集。因此采用60～80 cm采樣深度，采用-4～+20目樣品加工粒級(jí)，不僅能體現(xiàn)礦化地段地球化學(xué)信息，又能反映背景地段的元素變化特征，獲得的地球化學(xué)異常是真實(shí)的、可靠的，完全能滿足赤道附近熱帶雨林景觀條件下土壤地球化學(xué)找礦需要。

[注 釋]

①中國冶金地質(zhì)總局西北地質(zhì)勘查院.2019.加納共和國西部省YAKAU錳礦普查報(bào)告[R].