0 引言
运积物是指在重力、流水、风力、冰川等作用下风化物质被迁移形成的崩积物、冲积物、海积物、湖积物、冰碛物和风积物等,其与下伏地层没有继承关系。由于受大陆性气候的影响,我国西、北部的主要区域处于干旱半干旱气候区,冬春季西、北季风的盛行使中国大陆近3/5的面积分布有风积物,显著特点是大风日数多,风力大,风力吹蚀和风积十分普遍。北山、东天山、昆仑山—阿尔金以南等地区重要的矿产资源集中产地均有不同程度的风成砂覆盖[1]。而塔里木、柴达木等盆山边缘成矿有利地带,山区溪沟间歇性洪水挟带的碎屑物质堆积在山前沟口,多形成冲洪积物。如何在运积物屏蔽下获取真实可信的深部成矿信息以及具有明确指示意义的直接找矿证据,以实现运积物覆盖区找矿突破,一直是地球化学勘查方法亟待突破的技术瓶颈,同时也是矿产勘查界公认的难题[2,3,4]。笔者近几年来在内蒙东部—冀北、东天山等风成砂覆盖区以及柴达木盆地边缘冲洪积物大面积覆盖地区先后开展地球化学勘查方法试验,发现土壤热磁组分测量技术为解决运积物覆盖区找矿难题提供了一种行之有效的地球化学勘查方法。
土壤热磁组分测量方法最早由前苏联学者波戈留波夫在20世纪90年代提出,国内有关研究报导相对较少,仅笔者所在团队发表过数篇科技论文[5,6,7,8,9],针对单一类型试验区进行过初步探讨。该方法是以土壤为原始采样介质,通过分析测试热磁组分吸附的成矿或其伴生成矿指示元素含量及其他地球化学特征,发现异常、强化异常,以达到覆盖区矿产勘查目的的地球化学勘查方法。其原理是在高温、还原等有利物理条件下,将土壤中普遍存在的非晶质铁锰(氢)氧化物胶体[10,11,12]转变为具有磁性的晶质铁锰氧化物,比磁化系数大为提高,再利用磁提取方法将晶质化的铁锰氧化物分离出来,在磁提取过程中,赋存在非晶质铁锰(氢)氧化物胶体中的金属矿化指示元素也随之一同从土壤中分离出来,这时测定其中吸附的矿化指示元素的含量,能够明显提高地球化学异常的强度和衬度,就可以达到强化异常信息的目的。笔者以风成砂覆盖蔡家营热液型铅锌银矿、沙泉子岩浆型铜镍硫化物矿以及冲洪积物覆盖野马泉地区矽卡岩型铁铜多金属矿等不同成因类型矿床或勘查区为例,对试验研究结果进行说明。
1 样品处理方法及分析测试
土壤热磁组分测量样品处理过程中包括3个环节:① 样品在还原(隔氧)条件下的高温焙烧,即热磁化处理过程,促使土壤中非晶质的铁锰氧化物转化为具有磁性的热磁组分;② 通过电磁分选的方式将具有磁性的热磁组分分离出来;③ 样品分析测试前的实验室处理。考虑到非晶质铁锰氧化物需要在高温还原条件下才能转化为具有较磁性的晶质铁锰氧化物,创造还原条件是热磁化处理的前提条件。首先将100 g土壤样品装入耐高温瓷坩埚,同时上覆5 g活性炭,再将盛满样品的坩埚放入DC-B30/11型气氛型马弗炉,通过注入惰性气体的方式制造还原条件。
焙烧温度与时间也是影响热磁组分转化率的关键因素,笔者选择以往常用的技术参数做了相关试验,试验温度分别为650 ℃、750 ℃、850 ℃,时间分别设定为30 min、45 min、60 min,样品处理前后比磁化率变化情况如图1所示。从图中可见,7件试验样品650 ℃时土壤比磁化率处于最大值,高出热处理前数倍至数十倍,但随着温度的升高,比磁化率随之降低,温度越高,比磁化率反而越低,猜测高温对磁性物质的成分或结构产生了影响或改变,温度在650 ℃时生成并保留的磁性物质相对要多些。另外,不同温度预热时间也存在差异,实验表明,在正常室温条件下,温度越高预热时间越长,650 ℃、750 ℃、850 ℃预热时间分别为50 min、55 min及75 min。很显然,加热温度越高,功耗越大,综合考虑磁性物质生成比例及功耗,实验选择650 ℃作为热磁化处理温度。样品预热至650 ℃后,将加热时间分别设定为30 min、45 min及60 min,图1b显示,随着时间增加,比磁化率总体呈上升趋势,但变化幅度并不大。45 min与60 min土壤比磁化率比较接近,略高于30 min,说明45 min时间基本上可以使大部分非晶质铁锰氧化物完成晶化,与30 min相比,晶化程度应更高一些。从磁分选角度分析,45 min和60 min所造成的磁性差异对磁分选应该不会有太大影响,因此选择45 min作为样品热处理时间。
图1
图2
图2
热磁组分电磁分选流程示意
Fig.2
Electromagnetic sorting process of thermomagnetic component
研究样品分析测试工作由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所中心实验室完成,热磁组分样品分析测试方法与常规土壤保持一致,分析过程中,通过一级标准物质的均匀密码插入,与样品同时分析,计算多次测定的平均值与标准值的对数偏差。所有样品分析合格率为100%,能够满足研究需求。
2 冀北蔡家研究区
蔡家营铅锌矿属典型半干旱草原区景观,研究区内降水较少,地表水系并不发育,风化主要为物理风化。选择CJ315勘探线作为土壤热磁组分测量方法试验剖面,该剖面地形相对平坦,且全部为第四系风成砂所覆盖,盖层与下伏岩体无物质继承关系,是开展地球化学勘查方法试验较理想的地段。野外样品采集深度为20~40 cm,样品成分主要为风成砂。河北蔡家营铅锌矿CJ315剖面的试验结果表明(图3),常规土壤测量Pb、Zn、Ag等成矿元素与As、Sb、Cd等成矿指示元素含量相对较低,仅Zn与Ag在矿体埋藏位置有微弱的含量异常,其他指示元素基本没有异常显示。土壤热磁组分测量与常规土壤测量相比效果有明显改善,Pb、Zn、Ag、As、Sb、Cd等含量明显大幅增高,特别是Pb、Zn高值区段能够达到邵跃[16]提出的异常浓度分级内带水平,可以确定为主成矿元素,且在覆盖层下深部矿体产出部位,所有指示元素均有显著异常,异常地段与矿体空间产出位置具有很好的空间对应关系。此外,异常强度对矿体埋藏深度也有所反应,在矿体埋藏较浅的部位地球化学异常强度高,矿体埋藏深的部位异常强度相对降低但仍然明显,反映出土壤热磁组分测量具有较强发现风成砂土覆盖层下矿化信息的能力。
图3
图3
蔡家营试验区风成砂覆盖地段常规土壤与热磁组分测量结果对比
Fig.3
Comparison of conventional soil and thermomagnetic components of aeolian sand covered area in Caijiaying experimental area
有研究表明[13],蔡家营多金属矿床受地层、构造、岩浆作用多重因素控制,区内断裂构造发育,区域性的导矿构造具有多期活动特征,早期的张性活动引起了深部岩浆的侵入,控制了区内岩浆岩的分布,晚期的压扭性活动不仅为成矿热液的运移提供了良好的通道,还在其旁侧形成平行排列的羽状构造,为热液的运移和矿体的形成提供了良好的容矿空间,也正是由于这些构造的存在,为深部成矿元素迁移至地表提供了通道,并在近地表被土壤中胶体捕获。
3 东天山沙泉子研究区
东天山—北山成矿带成矿条件优越,是我国比较重要的铜、镍、铁、金、铅、锌、钨、钼矿集区之一,沙泉子研究区则位于该成矿带内[17]。沙泉子为岩浆型铜镍硫化物矿床,该矿床是东天山成矿带内较重要的矿床类型。区域地层分布范围较广,依次出露下石炭统雅满苏组基性—酸性火山岩、中石炭统底坎尔组中基性火山岩与碳酸盐岩组合、二叠系下统阿其克布拉克组中酸性火山岩、中元古界长城系星星峡群浅海相碎屑岩建造以及蓟县系卡瓦布拉克群浅海相细碎屑岩。研究区内地层主要出露长城系星星峡群与第四系风积、冲积运积物,岩浆岩主要有酸性、中性以及基性—超基性杂岩体,其中基性—超基性杂岩体为主要含矿岩体,顶板、底板围岩分别为片麻状花岗岩与黑云斜长片岩[18,19,20,21]。
研究区地处干旱荒漠戈壁区,受风成砂及季节性冲洪积物干扰,伴随元素迁移和再分配,使得地球化学勘查变得十分困难,这也是方法试验研究的理想选区。选择包含主要矿体产出位置在内的3.75 km2范围内,按照100 m×40 m 的网度采集土壤样品,为尽可能避免地表人为影响,采样深度控制在30~50 cm,共采集土壤样品1 031件。采集的土壤用不锈钢样品筛筛分出+4~-60目及+60~120目两部分,分别用于土壤测量与热磁组分测量。对2种地球化学方法主成矿元素测试结果进行分析并制作箱式图,以直观地展示2种方法的数据差异,结果如图4所示。与常规土壤测量相比,热磁组分中成矿元素Ni、Cu表现为数据变化性更大,在异常下限提高了一倍基础上,异常点数也更多,这也说明土壤热磁组分测量更有利于把含量低、变化微弱的异常信息放大,增加异常识别的可能性。此外由于数据变化较大,分析精度对热磁组分测试结果的影响不大,具有明显的优势。
图4
图4
沙泉子试验区成矿元素箱式图
Fig.4
Box diagram of metallogenic elements in Shaquanzi experimental area
为了进一步对比热磁组分测量方法的有效性,采用GeoIPAS制图软件分别制作2种地球化学勘查方法成矿元素含量等值线图(图5),以呈现元素的地球化学分布特征,以及异常与矿体的位置对应关系。从元素地球化学异常图中看出,常规土壤测量成矿元素Ni、Cu圈定的异常规模较小,在矿体地表对应部位有不连续的异常显示。异常总体分布在试验区南部,呈NE向展布,与控矿构造及矿体有一定对应关系,另外在北部杂岩体有少量弱异常分布。相较之下,热磁组分测量异常规模较大,且异常分带明显,具有多个浓集中心,Ni、Cu浓集中心含量能够达到邵跃提出的异常浓度分级内带水平。在矿体地表垂向投影部位,Ni、Cu异常呈带状沿NE向连续展布,异常范围大,分带性好,浓集中心突出,这与岩体及构造等地质条件相符。在中部基性—超基性杂岩体产出位置,Ni、Cu同样有较为明显的异常显示。2种方法在已知矿体出露部位均有较为明显的成矿元素异常显示,但两者在异常总体分布、规模和强度等方面还是存在一定差异。相比而言,常规土壤测量除矿体出露部位圈定出强异常以及未知区的孤点异常外,其他基本为分散弱异常,分布规律较差。热磁组分测量则具有如下优势:① 强异常分布规律性与连续性更好,异常范围更大,指示作用更明确;② 强化弱小异常,而热磁组分测量在杂岩体产出部位异常强度更高,异常空间范围更大,Ni异常表现出近EW向带状分布;③ 发现新异常,热磁组分测量在试验区杂岩体北部发现了规模大、强度高的Cu、Ni异常,为区内进一步找矿勘查提供了线索。
图5
图5
沙泉子试验区常规土壤与热磁组分主成矿元素异常分布
Fig.5
Abnormal distribution of main ore-forming elements of conventional soil and thermomagnetic components in Shaquanzi experimental area
4 柴周缘野马泉研究区
野马泉地区位于柴达木盆地边缘与昆仑山脉交界的部位,属于盆山边缘地带。该区地处东昆仑成矿带,成矿条件良好,是我国重要的铜、铁、铅、锌矿产集中地之一[22,23,24,25,26],但绝大部分为山前运积物覆盖的平缓地段,覆盖物多为风成砂与冲洪积物,覆盖厚度较大,达几十米到上百米,直接导致该区土壤测量等常规地球化学勘查方法效果不佳。在该区选取200 km2范围开展土壤热磁组分测量方法试验,试验区内包括野马泉大型矽卡岩型铁铜多金属矿床、No.Ⅰ号铅锌银勘查区、以及No.Ⅱ号多金属矿化勘查区,除野马泉工作程度较高,其他2个勘查区矿产资源勘查程度仍较低,目前仍以勘查为主。热磁组分测量野外样品采集工作比例尺为1:50 000,采样密度500 m×100 m,共采集土壤样品4 000件。每个土壤样品原始采样量控制在0.5~1 kg范围内,由随机采集的3~5个亚样品(0.2~0.4 kg)混合。
柴周缘野马泉铁多金属矿区及外围土壤热磁组分测量试验结果显示(图6),在野马泉地区几乎被运积物全覆盖的已知勘查区内,土壤热磁组分测量均有异常显示。Pb-Zn-Ag异常主要产出在No.Ⅰ号铅锌银勘查区,异常元素与成矿元素吻合;Cu-Pb-Mo异常则与野马泉铁多金属矿区空间产出位置相对应,元素异常套合较好;No.Ⅱ号多金属矿化勘查区则发育Pb-Zn-Ag-Cu-Mo异常,根据目前已有工程资料,这与Ⅱ号勘查区运积物覆盖相对较薄且已知矿体大多埋藏较浅有关。尽管异常规模各异,异常强度也有所不同,但上述试验结果已充分证明了土壤热磁组分测量在柴周缘及类似地区的有效性和适用性,其发现和强化运积物覆盖层中微弱地球化学异常信息的能力毋庸置疑,且异常元素相互套合良好,准确指示了矿区或已知勘查区的位置,可作为重要找矿指示元素。因此,在试验区外围北东部位发现的范围和强度更大的Cu-Pb-Mo多元素组合异常,为区域进一步勘查工作指明了方向,建议主攻矿种为铁铜多金属矿。
图6
图6
野马泉地区土壤热磁组分测量地球化学异常分布
Fig.6
Geochemical anomaly distribution of soil thermomagnetic components in the wild horse spring area
5 结论
1) 冀北蔡家营热液型铅锌银矿运积物覆盖剖面结果显示,在深部矿体赋存部位,土壤测量地表大部分指示元素并无异常显示,仅个别元素有微弱异常,热磁组分测量异常显著,与矿体空间产出位置对应较好,且地表异常强度与矿体埋藏深度吻合。
2) 东天山沙泉子岩浆型铜镍硫化物矿区面积性试验结果显示,与常规土壤测量方法相比,热磁组分测量成矿元素异常很好地反映出铜镍矿体空间位置及展布形态,具有强化弱异常、发现新异常的优势。
3) 柴周缘野马泉地区试验结果表明,在运积物覆盖达百米以上的已知矿区或勘查区,热磁组分测量均有异常显示,异常元素空间套合较好,并为已知区外围覆盖区找矿勘查提供新的找矿靶区。
4) 运积物覆盖区矿产勘查难度一般较大,勘查地球化学元素含量较低且变化不大,异常较弱,通过冀北、东天山、东昆仑运积物覆盖区不同矿床成因类型试验区结果表明,热磁组分测量恰好能够克服上述困难,通过提高异常强度来发现弱小异常,为运积物覆盖区矿产勘查提供了一种行之有效的地球化学找矿方法。
(本文编辑:蒋实)
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