引用本文
陈亚东, 孙彬彬, 刘占元, 周国华, 朱晓婷. 地电化学提取有效性及提取条件试验——以半干旱草原风成砂浅覆盖景观区为例[J]. 物探与化探, 2015,39(5): 1008-1012.
CHEN Ya-Dong, SUN Bin-Bin, LIU Zhan-Yuan, ZHOU Guo-Hua, ZHU Xiao-Ting. Geo-electrochemical extraction effectiveness and conditions test — Taking semi-arid grasslands aeolian shallow overburden areas as an example[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(5): 1008-1012.
Doi:10.11720/wtyht.2015.5.21  
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地电化学提取有效性及提取条件试验——以半干旱草原风成砂浅覆盖景观区为例
陈亚东1,2, 孙彬彬1,2,3, 刘占元1,3, 周国华1,3, 朱晓婷1,2
1. 中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000
2. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院,北京 100083
3. 国土资源部 地球化学勘查技术重点实验室,河北 廊坊 065000

作者简介: 陈亚东(1990-),男,硕士研究生。研究方向:地球化学。

收稿日期: 2014-12-09
基金: 中国地质调查局地质矿产调查评价项目“东乌旗整装勘查区热磁与地电化学方法技术研究应用”(12120113100400)
摘要

地电化学方法作为覆盖区矿产资源勘查的一种有效手段,其原理是在人工外加电场作用下,将近地表介质中呈电活动态的物质选择性地提取,通过研究电提取元素组合、含量分布及异常特征,进而提供找矿信息的一种勘查方法。笔者通过在内蒙古洛恪顿矿区开展地电化学勘查研究,验证了地电化学法在内蒙古东乌旗风成砂覆盖区勘查的有效性,并通过对不同提取时间、不同密度的载体物质等提取条件的对比研究,确定在该区进行地电化学勘查的提取时间为24 h,载体物质选用高密度泡塑。

关键词: 地电化学; 电提取条件; 泡塑; 风成砂覆盖区; 内蒙古
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)05-1008-05 doi: 10.11720/wtyht.2015.5.21
Geo-electrochemical extraction effectiveness and conditions test — Taking semi-arid grasslands aeolian shallow overburden areas as an example
CHEN Ya-Dong1,2, SUN Bin-Bin1,2,3, LIU Zhan-Yuan1,3, ZHOU Guo-Hua1,3, ZHU Xiao-Ting1,2
1. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, CAGS, Langfang 065000, China
2.School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
3.Key Laboratory for Geochemical Exploration Technology, MLR, Langfang 065000,China
Abstract

Geo-electrochemical extraction is an effective method in mineral exploration for overburden covers, the principle of which is to extract near-surface materials selectively artificial electric field. The exploration method provides prospecting information by studying the electrical extracted element combination、content distribution and anomaly characteristic. Applying this technique to the Luokedun deposit in Inner Mongolia, we proved the effectiveness of geo-electrochemical exploration for aeolian shallow overburden areas. Comparing different extraction time and density carriers, we conclude that the extraction time of 24h and high-density ploolyform carrier material is the best choice for geo-electrochemical exploration in this area.

Keyword: geo-electrochemical; geo-electrochemical extraction condition; foam; aeolian overburden areas; Inner Mongolia

随着地质工作的不断深入, 地表露头矿及浅部矿已逐渐勘查殆尽, 覆盖区已成为当前及今后找矿的重点区域。常规的化探方法技术在覆盖区往往受到极大限制, 特别是干旱— 半干旱草原风成砂覆盖区, 由于水系不发育, 且风成砂覆盖层大面积不连续分布, 对矿产勘查工作造成了极大的干扰[1]。因此, 开发、试验并完善有效的非常规化探方法技术, 服务于覆盖区的找矿突破工作, 显得越来越重要[2]。

当前, 使用较广泛的各类非常规化探方法技术包括:活动态测量、气体测量、地电化学测量和浅钻测量等。前3种方法由于在异常形成机理及方法技术的有效性和条件等方面存在较大不确定性, 被接受程度相对较低, 而浅钻测量方法可以直接采集覆盖层底部原生或次生介质样品, 具有更直接、有效的优点(类似于常规化探), 所以更易于被人们所接受, 但其成本过高以及由其所导致的代表性不足等缺点也尤为突出。因此, 如何针对每种方法技术存在的问题, 进行有效的改进与完善, 对方法技术的应用推广具有重要意义。此外, 针对不同的工作目的, 也可以选择多种方法技术相结合, 以达到“ 扬长避短” 的目的。

地电化学(CHIM)方法技术是由前苏联提出的一种针对覆盖区勘查找矿的地球化学方法 34, 其原理是利用外加电场, 将呈电活动态存在的金属离子迁移到指定接收电极, 采集并分析电极上吸附的载体物质, 从而达到找矿勘查等目的。该方法技术在20世纪80年代引入我国, 核工业、黄金部队、原地矿部及地质高校等科研单位都对此方法进行了找矿勘查效果研究及不同程度的技术改进 511, 通过几十年的发展, 该项技术目前的主流已发展为“ 独立供电偶极子地电化学技术” 。

在利用地电化学方法寻找隐伏矿床方面, 前人做了很多工作, 并取得了较多成果。但由于不同的研究单位及人员, 多样的地球化学景观条件及矿床类型, 以及复杂的野外地质条件等因素, 目前, 对地电化学所涉及的仪器装置及各类技术条件尚无统一规范。笔者利用独立供电偶极子地电化学技术装置— — 时控固体载体型元素提取器 1213, 在内蒙古风成砂浅覆盖景观区洛恪顿热液型铅锌多金属矿床开展了提取条件试验, 验证了地电化学方法在该景观区的有效性, 并提出了适合该景观区的部分电提取条件。

1 矿床地质特征

洛恪顿矿床位于内蒙古自治区东乌珠穆沁旗境内, 内蒙古高原东南边缘, 大地构造位于内蒙古— 大兴安岭华力西褶皱系, 二连— 东乌旗复背斜的北翼, 额仁高比复式向斜北东端。在工作区出露的地层有古生界中泥盆统塔尔巴格特组(D2t)浅海相沉积、中生界侏罗系满克头鄂博组(J3mk)陆相沉积及新生界陆相沉积。中泥盆统塔尔巴格特组(D2t)下岩段是矿区内分布最广、与成矿有关的直接围岩, 在矿区呈北东向展布, 为一套浅海相泥砂质岩石, 主要由变质长石石英砂岩、变质粉砂岩、砂质板岩等组成。中生界侏罗系满克头鄂博组(J3mk)分布于工作区西南部, 是一套陆相火山岩建造, 主要为中酸性凝灰熔岩、凝灰角砾岩、晶屑岩屑凝灰岩, 与后期侵入的花岗斑岩、安山玢岩次火山岩形成环形分布出露。新近系上新统(N2)在地形低洼处分布, 地表未出露, 仅在浅井和钻孔中发现, 主要岩性是红色黏土, 底部夹有砾石。第四系全新统(Qh)主要由腐植土、风成砂土、砂砾石和冲洪积以及残坡积物等组成, 全矿区广泛分布, 地表95%以上被其覆盖。

区内侵入岩主要有华力西期辉长岩和燕山早期黑云母二长花岗岩、花岗斑岩、闪长岩及安山玢岩等。通过物探资料和侵入岩分布特点, 工作区内断裂构造有北西向、北东向断裂、雁行排列断裂和工作区西南部的环形断裂构造。中泥盆统塔尔巴格特组下岩段泥砂质地层, 除普遍具有不同程度的区域变质作用外, 当花岗岩浆侵入时因受热力影响, 形成局部的热接触变质作用, 产生角岩化及形成各种角岩。

工作区属大兴安岭中段西坡低山丘陵区, 低山丘陵夹平缓开阔地, 属于半干旱草原覆盖区。区内90%以上被第四系风成砂或新近系红土层覆盖, 水系不发育, 表层土壤主要由腐殖土、风成砂土、砂砾石、冲洪积及残坡积物组成, 覆盖层厚度1~70 m不等, 仅少数山头可见棱角状基岩风化碎屑, 是开展地电化学勘查较理想的区域。[14]

2 样品分析测试

本次试验所使用的地电化学载体物质为泡塑, 其分析测试方法与传统的土壤、岩石及水系沉积物样品的分析测试方法具有显著的差异。

2.1 地电化学(泡塑)样品的预处理

目前, 对于地电化学(泡塑)样品的预处理主要采用高温灰化法, 虽然已开发了微波消解等预处理方法, 并取得了一定的进展, 但因其所用样品量过少, 暂时还无法很好的保证样品代表性问题, 并没有大规模使用。因此, 本次研究使用高温灰化法对泡塑样品进行了预处理, 具体方法如下:

首先将野外采集的地电化学泡塑样品沿直径方向平均分成四份, 取对角方向的两份为测试样品用于分析测定, 其余留做副样。将分析测定用的泡塑卷紧放入石英坩埚中, 滴加2滴无水乙醇, 放入马弗炉中, 从室温升至550 ℃, 保持2 h(中间打开炉门两次供氧, 保证灼烧完全)。冷却后, 加入少量水润湿残渣, 加入6 mL新配制王水, 于电热板上低温溶解残渣, 蒸至近干后, 稍冷, 加入2 mL王水、少量去离子水溶解残渣, 至溶液清亮, 转入25 mL塑料比色管中, 定容。

2.2 元素含量测定

目前, 多元素同时测定的方法主要包括ICP-MS(等离子质谱)法、X射线荧光光谱法和中子活化分析法等[15]。由于泡塑载体的质量较小, 每个提取点泡塑样品质量仅为2 g左右, 灰化后会更大程度损失其质量, 因此, 不能使用压片或溶片X射线荧光光谱法测定元素含量, 而中子活化分析周期往往较长、费用高, 不能达到快速测定及大规模应用的目的。因此, 本次试验的泡塑样品使用HR-ICP-MS(高分辨等离子质谱)测定样品中的元素含量, 并在测定过程中进行加标回收监控。

3 地电化学电提取有效性试验

在洛恪顿矿区I勘查区5勘探线开展地电化学提取有效性试验。在试验剖面上, 由于0~8、42~50号点位间钻探资料不甚丰富, 将点距放宽至100 m, 其余点位间距50 m, 共布设点位43个, 剖面长度 2.5 km。测点上, 采集地电化学提取样品及配套的土壤样品, 通过地电化学方法与常规土壤测量方法对比研究, 验证地电化学方法的有效性。地电化学提取采用高密度(28 kg/m3)泡塑作为载体物质, 提取时间选择24 h。

图1 洛恪顿矿区5勘探线多种元素地电化学提取效果与土壤测量效果对比

图1为多种元素地电化学提取效果与土壤测量效果对比, 从图中可知:① 对于两种成矿元素Pb、Zn, 其土壤测量异常呈现双峰式, 且异常位置向矿体倾斜上方出露区偏移, 推断可能由于地表风化碎屑引起; 地电化学提取异常位置与矿体位置对应较好, 在矿体上方形成较明显的多峰异常; Ag作为铅锌矿的伴生元素, 无论是电提取异常还是土壤测量异常, 其异常位置与形态都和Pb、Zn呈现出较好的一致性。② 贵金属Au, 土壤测量在矿体上方形成微弱的异常, 电提取异常与矿体位置对应关系较差, 其原因可能是该矿床主要为热液型铅锌矿床, 伴生元素中不含Au。③ Cu、Cr、Ni、Mo等微量元素, 其土壤测量无明显的异常显示或异常强度较弱, 异常位置与矿体对应也较差; 然而Cu、Cr、Ni电提取异常效果较好, 异常衬度大, 且异常位置与矿体对应较好; Mo可能与Au原因相同, 导致其电提取异常强度较弱, 异常衬度不高, 异常位置与矿体对应关系也较差。

综上所述, Pb、Zn、Ag土壤测量异常效果较好, 但异常位置略有偏移; 其他元素的土壤测量无明显异常显示。地电化学提取对于大多数元素都有很明显的异常显示效果(Au、Mo除外), 说明地电化学勘查方法在洛恪顿矿区的找矿勘查是有效的, 同时对Ag、Cu、Cr、Ni、Fe、Al等金属元素形成的矿床都会有较好的勘查效果。

4 地电化学电提取条件试验

在洛恪顿矿区的找矿勘查证明了上述地电化学方法的有效性, 为了突出异常效果, 准确圈定异常范围, 提高野外工作效率, 在洛恪顿矿区I勘查区5勘探线继而开展地电化学提取条件试验, 在有效性试验的同点位分别布设了低密度泡塑(密度18 kg/m3)24 h电提取、低密度泡塑48 h电提取及高密度泡塑(28 kg/m3)24 h电提取3个提取条件试验。

从理论上来说, 提取时间越长, 地电化学提取系统与土壤系统间的电平衡稳定性越好, 地电化学提取效果也越好。但考虑到野外的工作效率, 应综合考虑各种因素, 选择一个相对合理的的提取时间。聚氨酯泡沫塑料的孔隙率高、比表面积大、孔结构丰富、流体易从泡沫内部渗透, 且具有对环境中小颗粒物质吸附性能强等特点, 其分子中有大量的极性基团, 使其既可通过范德华力作用, 也可以靠氢键实现对金属离子等的有效吸附[16], 是具有特殊吸附、过滤和捕集功能的材料, 可作为一种吸附剂用于痕量金属分析 1718。

图2为使用两种密度泡塑开展的不同提取时间效果对比, 以及与常规土壤测量效果的对比。

图2 洛恪顿矿区5勘探线Pb、Zn提取条件试验效果对比

(1) 对于主要成矿元素Pb、Zn, 土壤异常呈现为双峰式, 异常显示位置向矿体头部方向倾斜, 应为地表矿化所致; 24 h高密泡塑提取异常效果较好, 在矿体上方形成很明显的多峰异常, 异常范围较大; 24 h低密泡塑电提取异常所指示的位置, 向矿体倾斜方向有一定偏移, 低密度泡塑异常显示效果不如高密度泡塑, 仅Pb等个别元素异常与矿体对应关系较好, 但异常衬度不高; 随着提取时间的增加, 48 h低密泡塑电提取效果变佳, 异常范围较大, 最大异常点出现在矿体正上方, 且在矿体上方两侧形成“ 兔耳状” 异常。

(2) 提取时间上对比, 48 h低密泡塑的提取效果比24 h低密泡塑提取效果略好, 其与矿体对应关系更好, 在矿体上方两侧形成“ 兔耳状” 异常, 能很好地揭示矿体所在的位置, 但提取时间的增加并没有显著增加泡塑中的元素含量, 推断可能是由于随提取时间的增加, 土壤介质理化性质发生改变, 限制了元素的进一步迁移富集。

(3) 从载体物质密度上对比, 24 h高密泡塑电提取与矿体空间对应关系明显优于24 h低密泡塑, 也比48 h低密泡塑的提取效果略好, 各元素均呈现出较好的异常显示, 在矿体上方形成明显的多峰异常, 与矿体的对应关系也更加准确, 说明增加提取时间或者换用高密度的载体物质, 都能够提高提取效果, 而且增加泡塑的密度可以使得提取时间变短。其原因可能是由于高密度泡塑的孔隙度大, 分子中含有更多的极性基团, 对元素吸附能力也更强, 增加了泡塑中的元素含量, 使得异常衬度变大, 异常显示更加明显。

综上所述, 结合其他元素如Zn、As、Al等, 24 h 高密泡塑的提取效果略好于48 h低密泡塑, 也明显优于24 h低密泡塑的提取效果。可见, 通过增加提取时间或者增加泡塑的密度都可以提高提取效果。但从实际野外工作效率方面, 并不能够无限制的增加提取时间, 24 h电提取异常即能显示出很好异常, 不论是从勘查成本方面, 亦或是工作效率方面, 乃至在该方法进行推广时, 提取时间设定为24 h都具有更大的意义。提取时间的减少可以通过增加载体物质的密度来弥补提取效果, 目前市场上能够买到的泡塑有厚度为0.8 cm(28 kg/m3)和1 cm(18 kg/m3)两种, 在实际工作中, 应选用高密度空白泡塑作为载体物质。

5 结论

(1) 地电化学方法在洛恪顿铅锌多金属矿是有效的, 比常规土壤测量更能够准确地圈定异常所在的位置, 对于Pb、Zn、Ag、Cu、Cr、Ni、Fe、Al等形成的异常具有很好的勘查效果, 对于Au、Mo形成的异常勘查效果不明显。

(2) 不同提取时间试验表明:延长提取时间, 地电化学提取系统与土壤系统间的电平衡稳定性越好, 可使得异常显示更加明显。实际工作中, 考虑到勘查成本及工作效率, 设定提取时间为24 h, 即能获得较好的提取效果。

(3) 不同密度泡塑载体试验表明:高密度泡塑由于其孔隙度大, 吸附能力强, 对元素具有更好的吸附作用, 异常位置对应也更加准确。结合市场上能够买到的泡塑情况, 应定制高密度低空白的泡塑样品开展地电化学工作。

The authors have declared that no competing interests exist.

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