趙 辰, 文美蘭, 吳彥彬, 黃文斌

(桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 廣西 桂林 541006)

0 引 言

20世紀(jì)初, 隨著科技的發(fā)展, 在鋼鐵、煤炭、冶金等行業(yè), 分析速度快、操作簡單、工作曲線制作方便、自動化程度高的高頻燃燒-紅外碳硫儀已經(jīng)成為一種快速測定全碳、全硫含量的主要檢測手段[1-5]。

碳、硫元素在自然界是很常見的元素, 土壤中碳元素的主要來源為有機(jī)質(zhì), 硫元素主要來源為硫化物和硫酸鹽。碳、硫元素作為地質(zhì)樣品分析中的常規(guī)項目, 傳統(tǒng)測定法有氣體體積法、非水滴定法、燃燒-容量法、重量法等, 操作不便且速度極慢, 不能滿足大批量樣品分析的需求[2]。為了滿足土壤、巖石、水系沉積物等大批量的樣品分析的需求, 高頻紅外碳硫分析儀開始應(yīng)用到地質(zhì)行業(yè)，主要為農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查、地調(diào)、區(qū)調(diào)等提供有力的監(jiān)測數(shù)據(jù), 但是未曾用于礦產(chǎn)勘查方面[6]。

研究表明, 有機(jī)質(zhì)在金屬成礦中對金屬元素起到了富集、活化和遷移的作用, 為成礦物質(zhì)的排出和匯集提供了通道和動力, 有機(jī)質(zhì)中的碳元素可能以烷烴等含碳?xì)怏w的形式伴隨金屬元素遷移至地表在表層土壤中富集[7-8]。硫在成礦過程中是普遍存在的元素, 起到搬運(yùn)金屬和沉淀成礦元素的作用[9-10], 在熱液作用中隨著溫度的下降以及堿性的增加形成大量的硫化物, 然后在表層土壤中氧化環(huán)境下硫化物中的硫氧化成亞硫酸鹽及硫酸鹽, 并且在表層土壤中穩(wěn)定下來[11]。

同一地區(qū)土壤中碳、硫元素含量受到外界影響是一致的, 所以可以忽略地形地貌、氣候、覆蓋、植被等條件對土壤中碳、硫含量的影響。本文選擇福建上杭縣羅卜嶺銅(鉬)礦區(qū)、內(nèi)蒙古額爾古納市格魯其堆山鉛鋅多金屬礦區(qū)、云南保山隆陽區(qū)西邑鉛鋅礦區(qū)作為研究區(qū), 采集礦區(qū)內(nèi)已知礦體剖面上方表層土壤樣進(jìn)行碳、硫含量測試, 實驗結(jié)果與隱伏礦體進(jìn)行對應(yīng)分析, 以此來探究碳、硫分析在金屬礦產(chǎn)勘查方面的應(yīng)用效果。

1 樣品采集與測試分析

1.1 樣品采集

在福建羅卜嶺銅(鉬)礦、內(nèi)蒙古格魯其堆山鉛鋅多金屬礦和云南西邑鉛鋅礦3個礦區(qū)已知礦體上方分別布設(shè)了1條大于1 000 m的剖面線, 沿著剖面按照相應(yīng)的點距采集表層土壤500 g, 采樣深度10～30 cm。其中羅卜嶺礦區(qū)264線剖面總長2 400 m, 采樣點距25～50 m(礦體上方加密至25 m), 采集68件樣品; 格魯其堆山礦區(qū)15線剖面總長1 000 m, 采樣點距20 m, 采集50件樣品; 西邑礦區(qū)0線剖面總長1 250 m, 采樣間距25 m, 采集50件樣品。樣品晾干后過100目(0.15 mm)篩, 備用。

1.2 測試分析

1.2.1 樣品制備 先將過篩后的樣品和國家土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW 07408)置于60 ℃的恒溫烘箱中干燥4 h以上, 用萬分之一天平稱取0.100 0 g樣品; 陶瓷坩堝在900 ℃的干凈馬弗爐中灼燒0.5 h以上， 烘干備用。

1.2.2 測試分析 采用德國ELTRA生產(chǎn)的CS-800碳硫分析儀對樣品進(jìn)行分析, 其中: 純鐵助熔劑的純度>99.8%、粒度<1.25 mm、碳含量<0.000 5%、硫含量<0.000 5%; 鎢助熔劑粒度為20～40目(0.83～0.38 mm)、碳含量<0.000 8%、硫含量<0.000 5%; 氧氣純度≥99.999%、壓力13.0±0.5 MPa; 分析時間90 s; 實驗環(huán)境平均溫度25 ℃、平均濕度50%。樣品檢測重復(fù)率為5%。 測試過程中, 每測試2～3個樣品后用鋼絲刷把置放坩堝的位置刷干凈, 并采用國家標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW 07408)校準(zhǔn)儀器, 按照每10個樣品進(jìn)行儀器穩(wěn)定性檢測。 由表1可知, 樣品分析質(zhì)量符合要求。

表1 以GBW 07408校準(zhǔn)儀器測定數(shù)據(jù)比較

2 不同覆蓋區(qū)已知剖面土壤碳、硫異常特征

2.1 福建羅卜嶺銅(鉬)礦區(qū)264線剖面

2.1.1 地質(zhì)概況 羅卜嶺銅(鉬)礦礦床類型為斑巖型銅(鉬)礦床, 位于福建紫金山礦田東北部，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候, 溫濕多雨。研究區(qū)內(nèi)地勢切割強(qiáng)烈、陡峭、地表覆蓋較厚, 露頭不連續(xù), 植被十分發(fā)育。沉積物類型為坡積物和殘坡積物, 土壤類型為砂礫質(zhì)酸性紅壤。礦體主要產(chǎn)于花崗閃長斑巖體的外接觸帶, 賦存于絹云母化疊加鉀化蝕變帶和黃鐵絹英巖化蝕變帶中, 呈馬鞍狀向外展布, 中部礦體平緩, 北西和南東邊礦體產(chǎn)狀較陡, 傾角在50°～60°。礦化類型以銅鉬為主, 呈細(xì)脈浸染狀、脈狀、網(wǎng)脈狀產(chǎn)于花崗閃長斑巖中, 金屬硫化物礦物主要有黃鐵礦、黃銅礦、輝鉬礦, 為他形粒狀、半自形-自形結(jié)構(gòu)等[12-14]。

2.1.2 碳、硫異常特征 本文背景值和異常下限均使用長剖面法確定。羅卜嶺礦區(qū)實驗結(jié)果如圖1所示。 C的背景值是2.29%, 異常下限值是2.58%。該剖面C異常集中在10～20、35～45、53～65號點, 其中10～20號點的異常與賦存礦體范圍及上方斷層對應(yīng), 異常峰值為14號點的2.72%, 異常寬約225 m; 35～45號點的異常呈雙峰狀, 異常范圍在礦體范圍內(nèi), 異常峰值為42號點的3.69%, 異常寬約275 m; 50～66號點的異常呈多峰狀, 與已知礦體不對應(yīng), 異常峰值為54號點的3.76%, 異常寬約800 m。S的背景值是0.021%, 異常下限值是0.03%。在該剖面S異常集中在13～20、32～56號點, 其中13～20號點的異常呈雙峰狀, 異常范圍在深部礦體范圍內(nèi), 異常峰值為13號的0.048%, 是背景值的3倍, 異常寬約175 m; 32～56號點的異常范圍大于深部礦體范圍, 異常峰值為38號的0.092%, 是背景值的7 倍, 異常寬約775 m。礦體上方的C、S異常形態(tài)吻合, 異常峰谷位于礦體尖滅處。

圖1 福建羅卜嶺礦區(qū)264線剖面C、S異常特征Fig.1 Abnormal characteristics of carbon and sulfur in profile of Line 264 of Luoboling mining area in Fujian

2.2 內(nèi)蒙古格魯其堆山鉛鋅多金屬礦區(qū)15線剖面

2.2.1 地質(zhì)概況 格魯其堆山鉛鋅多金屬礦為中低溫?zé)嵋旱V床, 位于大興安嶺西北麓，屬寒溫帶大陸性氣候, 風(fēng)大雨少。研究區(qū)內(nèi)有大面積的草地覆蓋,屬于半干旱半荒漠草原區(qū),由于低山地貌條件,陰面坡物理風(fēng)化作用較強(qiáng), 巖石出露, 植被發(fā)育地區(qū)有機(jī)質(zhì)加速了成壤作用, 土壤類型為中細(xì)粒砂土。礦體賦存在震旦系額爾古納河組, 巖性為灰白色大理巖。礦體為同一蝕變帶控制、近平行分布, 總體走向為65°, 傾向南東, 傾角78°～85°, 局部近直立。主礦體長1 048 m, 平均厚度2.43 m, 控制最大延深248 m。礦石自然類型以原生礦為主, 氧化礦不發(fā)育。礦石工業(yè)類型為方鉛閃鋅硫化物型鉛鋅礦石。金屬礦物主要為方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦、黃銅礦[15]。

2.2.2 碳、硫異常特征 格魯其堆山礦區(qū)實驗結(jié)果如圖2所示。 C的背景值為4.12%, 異常下限值為5.06%，該剖面C異常集中在23～33號點清晰可見, 呈雙峰狀, 異常范圍在淺部礦體范圍內(nèi), 異常峰值為26號點的7.43%, 是背景值的2倍, 異常寬約200 m。 S的背景值為0.019%, 異常下限值為0.023%, 該剖面S異常集中在13～20號點, 呈雙峰狀, 異常范圍在深部礦體范圍內(nèi), 異常峰值為19號點的0.045%, 是背景值的2倍, 異常寬約140 m。C、S異常形態(tài)相似, S異常在C異常的北西方向, 礦體的傾斜方向為北西方向。

圖2 內(nèi)蒙古格魯其堆山礦區(qū)15線剖面C、S異常特征Fig.2 Abnormal characteristics of carbon and sulfur in profile of Line 15 of Geluqiduishan mining area in Inner Mongolia

2.3 云南西邑鉛鋅礦區(qū)0線剖面

2.3.1 地質(zhì)概況 西邑鉛鋅礦為沉積巖容礦的海底噴流沉積型(SEDEX型), 位于云南省西部邊緣, 橫斷山脈中南段。屬亞熱帶高原型山地季風(fēng)氣候區(qū), 降雨多、濕度大。研究區(qū)內(nèi)屬強(qiáng)烈侵蝕切割中高山地貌區(qū), 植被較發(fā)育, 地表被坡積物覆蓋, 覆蓋率達(dá)30%～40%, 覆蓋層主要由褐紅色、黃色黏土、巖石碎礫及黑色鐵錳質(zhì)組成, 礦區(qū)內(nèi)局部山地被開墾為耕地[14]。礦體主要賦存于下石炭統(tǒng)香山組, 主礦體呈似層狀產(chǎn)于隱伏的緩傾斜斷層破碎帶中, 并受到破碎帶和香山組地層控制, 控制了礦體走向和斜深大于1 000 m, 走向及傾向上均具波狀起伏特征, 向北側(cè)伏, 礦體平均厚6.91 m。礦石礦物比較簡單, 主要為硫化物, 少量碳酸鹽、硅酸鹽和氧化物[16-20]。

2.3.2 碳、硫異常特征 西邑礦區(qū)實驗結(jié)果如圖3所示。 C的背景值是1.65%, 異常下限值是1.75%，該剖面C異常集中在20～36、41～48號點, 其中20～36號點的異常呈單峰狀, 異常范圍在淺部礦體范圍內(nèi), 異常峰值為27號點的2.12%, 異常寬約300 m; 41～48號點的異常在已知礦體范圍外, 異常峰值為48號點的2.03%, 異常寬約225 m。S的背景值是0.011%, 異常下限值是0.012%，該剖面S異常集中在3～9、27～31、38～48號點, 其中3～9號點的異常呈單峰狀, 異常范圍在深部礦體范圍內(nèi), 異常峰值為7號點的0.015%, 異常寬約200 m; 27～31號點的異常呈單峰狀, 異常范圍在淺部礦體范圍內(nèi), 異常峰值為29號點的0.013%, 異常寬約100 m; 38～48號點的異常范圍在已知礦體范圍外, 異常峰值為42號點的0.014%, 異常寬約250 m。深部礦體對應(yīng)的S異常在淺部礦體對應(yīng)的C異常的西北方向, 礦體的傾斜方向為西北方向。

圖3 云南西邑礦區(qū)0線剖面碳、硫異常特征Fig.3 Abnormal characteristics of carbon and sulfur in profile of Line 0 of Xiyi mining area in Yunnan

3 討 論

(1)羅卜嶺銅(鉬)礦區(qū)的礦物學(xué)研究以及結(jié)合前人的研究表明, 礦區(qū)深部具有向斑巖型礦化過渡的特征, 主要銅礦物組合和含礦物組合的變化特征均反映了從淺部到深部硫逸度和氧逸度是逐漸升高的, 即深部晚期的成礦流體具有高硫逸度和高氧逸度的特征, 在高壓力的作用下沿著構(gòu)造裂隙向上遷移， 作為金屬元素遷移的載體, 一同遷移到地表之后在風(fēng)化作用下硫最終以硫酸鹽的形式富集在地表土壤中。 較多的地表植物在雨水較多的地區(qū)對硫的富集起了很重要的作用, 一方面對硫化物的吸收把硫留在表層土壤; 另一方面，植物的根際對雨水的遷移能力有一定的阻礙, 再加上較多的基巖出露, 所以硫在礦體上方出現(xiàn)清晰的異常。碳異?？梢詡?cè)面反映成礦后有機(jī)質(zhì)對金屬元素的富集和遷移作用。斷層上方的碳、硫異常說明碳、硫元素與金屬成礦元素在易遷條件下一起遷移。碳、硫的異常形態(tài)吻合說明有機(jī)質(zhì)對硫的吸附起正效應(yīng), 二者相互印證。

(2)格魯其堆山鉛鋅礦區(qū)內(nèi)大面積草地覆蓋, 覆蓋層較厚, 風(fēng)化作用強(qiáng), 但是碳、硫異常范圍仍然在礦體范圍內(nèi), 礦體向北西方向傾斜, 其中硫異常在碳異常的西北側(cè)出現(xiàn), 硫異常范圍與深部礦體范圍對應(yīng), 碳異常范圍與淺部礦體范圍對應(yīng)。

(3)云南西邑鉛鋅礦區(qū)內(nèi)植被較發(fā)育, 與格魯其堆山礦區(qū)一樣, 礦體向西北方向傾斜, 硫異常在碳異常的西北側(cè)出現(xiàn)。這說明成礦后有機(jī)質(zhì)在表層土壤中運(yùn)移時受束于較厚地表覆蓋條件, 導(dǎo)致異常范圍局限且集中。

4 結(jié) 論

(1)硫元素在金屬礦成礦過程中起到了對金屬元素有富集和遷移的作用, 并且同金屬元素在有發(fā)育構(gòu)造裂隙的地區(qū)共同遷移并富集到地表土壤中, 有機(jī)物的吸附作用促進(jìn)了硫元素的富集形成異常, 因此對深部礦體有一定的指示作用。碳元素主要來源為地表植被和生物殘體, 少量的碳元素來源于成礦過程中產(chǎn)生的含碳物質(zhì), 表層土壤中的碳可以絡(luò)合和吸附成礦金屬元素, 因而對淺部金屬礦具有很好的指示作用。

(2)通過碳、硫元素測試開展的找礦應(yīng)用探究, 認(rèn)為碳、硫元素對于在植被覆蓋較厚、雨水較少、物理風(fēng)化程度較弱和人為活動較少的地區(qū)尋找隱伏金屬礦有指示作用， 但是地表覆蓋情況對礦體上方碳、硫元素含量的影響情況還需要進(jìn)一步探究。