熱磁技術(shù)確定礦床有效指示元素的試驗(yàn)與效果

胡樹(shù)起 ， 馬生明 ， 劉崇民

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊 065000)

0 前言

工作中人們有時(shí)會(huì)碰到這樣的問(wèn)題，在某一地區(qū)建立的找礦模型或者找礦指標(biāo)，應(yīng)用到另一地區(qū)找礦效果并不理想。原因可能很多，其中一個(gè)重要的原因是，一些從早期容礦圍巖繼承下來(lái)的元素，因含量高襯度大而被當(dāng)作找礦指示元素使用，并參與構(gòu)建模型，其實(shí)這些元素與礦體僅有空間關(guān)系而無(wú)成生關(guān)系，反映的只是成礦環(huán)境，成礦環(huán)境變了，指示意義自然不復(fù)存在。

指示元素是最基本的找礦指標(biāo)，以往礦區(qū)化探確定指示元素，分析的介質(zhì)主要為巖(礦)石或單礦物[1]。其中巖石應(yīng)用最為廣泛，也是上述問(wèn)題的起因之一。單礦物中常用的是黃鐵礦和毒砂，二者是熱液礦床中分布最廣的共生礦物，是許多指示元素的載體或富集礦物，分析這些單礦物中微量元素的含量,可以得到比全樣分析更為明顯的找礦信息和更加有效的指示元素組合，但樣品采集、加工成本較高。針對(duì)這種情況，就如何確定礦床有效指示元素，我們嘗試引入熱磁技術(shù)。

1 理論基礎(chǔ)

熱磁技術(shù)是前蘇聯(lián)A.H.波戈留波夫等人在上世紀(jì)70年代提出的一種偏提取技術(shù)[2]，其技術(shù)關(guān)鍵是通過(guò)焙燒和磁分選方式提取地球化學(xué)樣品中的磁性物質(zhì)，過(guò)去主要用于覆蓋區(qū)找礦[3-4]，從熱磁組分的物質(zhì)組成看，其用于確定礦床指示元素是具有理論基礎(chǔ)的。

大量研究發(fā)現(xiàn)，各種類(lèi)型的成礦元素與含鐵礦物關(guān)系密切，后者是前者的載體或富集介質(zhì)，這是熱磁技術(shù)應(yīng)用的前提條件。含鐵礦物在新鮮巖石中多以黃鐵礦、毒砂等形式存在，通過(guò)限氧焙燒可將其轉(zhuǎn)變?yōu)榇劈S鐵礦[5]和具磁性的毒砂，這時(shí)熱磁組分可以起到某一單礦物的作用。對(duì)于風(fēng)化的地表巖石，熱磁組分的代表意義更為豐富，因?yàn)榕c成礦作用相伴而生的含鐵礦物(如黃鐵礦、黃銅礦、毒砂等)，在氧化環(huán)境中均會(huì)褐鐵礦化，通過(guò)熱磁技術(shù)可將其還原為磁性礦物[2]。對(duì)于殘坡積物，在其形成過(guò)程中，與成礦作用伴生的含鐵礦物在巖石的崩解中發(fā)生機(jī)械分散，分散的礦石質(zhì)點(diǎn)繼承了成礦元素與之的伴生關(guān)系，隨后的氧化分解并未徹底改變這種關(guān)系[2]，而熱磁組分繼承并放大了這種伴生關(guān)系，表現(xiàn)形式為帶有較強(qiáng)磁性的鐵錳氧化物[6]。

有資料表明，熱磁組分中成礦元素含量及各元素的比值非常接近于礦化原生源中的含量及比值[2]，因此通過(guò)熱磁組分確定礦床指示元素理論上是可行的。作者以烏努格吐山銅礦、豐山洞銅礦為例，就熱磁組分確定礦床指示元素的效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 烏努格吐山銅礦試驗(yàn)區(qū)

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況及工作部署

烏努格吐山銅礦[7]位于內(nèi)蒙古自治區(qū)新巴爾虎右旗境內(nèi)，北東距滿洲里市區(qū)22 km?，F(xiàn)已查明該礦床為一大型斑巖型銅鉬礦，其中伴生元素錸、銀儲(chǔ)量已達(dá)大、中型規(guī)模。礦體主要賦存在燕山早期黑云母花崗巖(γβ)與后期侵入的燕山晚期次斜長(zhǎng)花崗斑巖(γiπ)的接觸帶上的石英-長(zhǎng)石化黑云母花崗巖及次斜長(zhǎng)花崗巖中(圖1)。礦區(qū)具有典型的斑巖銅鉬礦床蝕變特征，蝕變分帶明顯，地表蝕變范圍達(dá)7 km2。礦床以次斜長(zhǎng)花崗斑巖體為中心形成環(huán)帶狀銅鉬礦化，礦帶中部受成礦后NWW向斷裂(F7)所破壞，造成礦帶不連續(xù)，將礦床分為南、北兩個(gè)礦段。礦石類(lèi)型主要為細(xì)脈浸染型硫化礦石。

試驗(yàn)沿北礦段布設(shè)一條長(zhǎng)剖面W650(圖1)，沿線同點(diǎn)范圍采集土壤和巖石樣品，點(diǎn)距50 m，兩端放稀至100 m～200 m。巖石取樣探槽或基巖露頭，共40件，以花崗巖為主，破碎強(qiáng)烈；土壤樣品在巖石樣點(diǎn)附近采集，樣深20 cm ～40 cm，以殘坡積物為主。

采集的土壤樣品晾干后輕碎，然后過(guò)篩，截取-20目～+60目粒級(jí)，經(jīng)熱磁技術(shù)處理后細(xì)磨至200目然后送分析。巖石樣品破碎后細(xì)磨至200目，直接送分析。

熱磁技術(shù)焙燒條件[8]為：土壤50g，-20～+60目，焙燒溫度650℃，焙燒時(shí)間40 min，SX-4-10型馬弗爐。熱磁組分分選電流設(shè)為0.2A，LZC-1B型帶式礦物電磁分選儀。

2.2 數(shù)據(jù)分析

從圖1可以看到，設(shè)計(jì)測(cè)線W650中段剛好從礦體上部穿過(guò)，地質(zhì)上認(rèn)為，該地段風(fēng)化剝蝕強(qiáng)烈，采樣點(diǎn)已近高溫蝕變帶，即石英-絹云母化帶。巖石分析結(jié)果顯示，該地段Cu、Mo含量較高，部分樣品已達(dá)到礦床原生暈元素異常濃度分級(jí)[9]內(nèi)帶水平，是主成礦元素。選擇Cu>400×10-6或Mo>40×10-6的8件連續(xù)樣品(圖1之重點(diǎn)研究測(cè)點(diǎn))作為研究對(duì)象，分別統(tǒng)計(jì)巖石和相對(duì)應(yīng)的土壤熱磁組分中各元素的特征值。

圖1 烏努格吐山試驗(yàn)區(qū)北礦段地質(zhì)略圖Fig．1 The schematic geological map of northern mine segment of the study area in Wunugetu hall copper mine (據(jù)黑龍江有色地質(zhì)勘查706隊(duì)資料修編)

巖石和土壤熱磁組分中各元素的平均值列于表1。考慮到熱磁組分與礦化巖石存在著密切的關(guān)系，即熱磁組分中成礦元素含量及各元素的比值非常接近于礦化原生源中的含量及比值[2]，研究采用統(tǒng)一的背景值計(jì)算各自襯值，背景值是以40件巖石樣品動(dòng)態(tài)剔除高于(低于)平均值加(減)三倍離差(X±3S)數(shù)據(jù)后的平均值為標(biāo)準(zhǔn)。

從表1可以看出，巖石襯值>1.2的元素有Cu、Mo、Cd、Pb、Sr等，元素組合較為單薄。而與之對(duì)應(yīng)的土壤樣品熱磁組分中各元素襯度大幅提高，其中Cu、Mo含量提高3倍之多，襯值>2的元素就達(dá)16種，元素組合為：Cu、Mo、Cd、Pb、Sr、Ag、As、B、Bi、Co、Cr、Ni、S、Sb、Ti、Zn。這些元素未必都是成礦指示元素，可能有部分來(lái)自容礦圍巖或外圍低溫蝕變帶，由于土壤中含鐵礦物的集成作用(一是對(duì)伴生關(guān)系的繼承，一是鐵錳氧化物的后期吸附，通過(guò)熱磁技術(shù)綜合并放大)，使之呈現(xiàn)出較高含量，實(shí)際上與Cu、Mo并無(wú)相關(guān)性。為進(jìn)一步了解這組元素與Cu、Mo的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行典型相關(guān)分析，Cu、Mo與上述元素以及常量組分SiO2、Al2O3、K2O的相關(guān)系數(shù)列于表2。

另外，成礦元素Cu、Mo與粘土成分SiO2、Al2O3、K2O不相關(guān)，顯示與表層土壤沒(méi)有成因聯(lián)系，也就是說(shuō)，熱磁組分測(cè)量反映的是深部礦化信息。

表1 烏努格吐山試驗(yàn)區(qū)重點(diǎn)研究樣品元素含量及特征值統(tǒng)計(jì)

注：Ag、Cd單位為10-9，其他元素為10-6

表2 土壤熱磁組分中Cu、Mo與各元素相關(guān)系數(shù)(n-2=6)

注：“-” 表示相關(guān)系數(shù)為負(fù)值

表3是斑巖銅礦指示元素統(tǒng)計(jì)表，比較發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)元素組合相對(duì)國(guó)外增加了Pb、Zn、Mn、W等元素，而這些元素恰恰是低溫蝕變帶(青磐巖化帶)的組合特征[10]。蝕變分帶是斑巖銅礦典型特征，國(guó)內(nèi)元素組合涵蓋了整個(gè)蝕變帶，可見(jiàn)國(guó)內(nèi)更注重對(duì)礦床整體的總結(jié)，而國(guó)外則偏重礦體或礦化體。本次研究的結(jié)論與國(guó)外相近，更傾向于對(duì)礦體的表征。

表3 國(guó)內(nèi)外斑巖型銅礦原生暈指示元素組合統(tǒng)計(jì)

從表3可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)、內(nèi)外研究中均將Hg元素作為重要指示元素。由于汞的熱釋特性，本次試驗(yàn)未將Hg元素考慮在內(nèi)。

在確定礦床指示元素組合的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，相比巖石，土壤熱磁組分具有更高的元素含量，可以挖掘出更多的異常信息，這可能與該礦區(qū)巖石風(fēng)化破碎強(qiáng)烈，元素遷移流失有關(guān)。

上述試驗(yàn)表明，在確定指示元素組合方面，土壤熱磁組分是一種可行的介質(zhì)，統(tǒng)計(jì)分析的應(yīng)用可以有效區(qū)分礦體外圍元素，甄別礦體指示元素。郭志娟等[12]在準(zhǔn)蘇吉花鉬礦，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)土壤熱磁測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，成功確定了礦體指示元素組合。這一成果與本次試驗(yàn)結(jié)果具有一致性。

3 豐山洞銅礦試驗(yàn)區(qū)

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況及工作部署

豐山洞銅礦[13]位于湖北省陽(yáng)新縣境內(nèi)，瀕臨長(zhǎng)江南岸，與位于江西境內(nèi)的城門(mén)山銅礦、武山銅礦構(gòu)成北西向展布的九瑞成礦帶。區(qū)內(nèi)出露地層主要是三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r及中統(tǒng)嘉陵江組灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r。礦區(qū)構(gòu)造是一個(gè)近東西向的復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜，燕山期的花崗閃長(zhǎng)斑巖沿其次級(jí)褶皺的軸部侵入，為一近橢圓形巖株(圖2)。本區(qū)礦化作用的主要類(lèi)型有：花崗閃長(zhǎng)斑巖體中的斑巖型銅、鉬礦化；接觸帶附近矽卡巖型銅、鉬礦化(并伴生鉛、鋅礦化)；后期爆破角礫巖型銅礦化及熱液貫入角礫巖型銅礦化?；◢忛W長(zhǎng)斑巖中銅、鉬的礦化作用主要是伴隨石英-絹云母化作用產(chǎn)生的，礦化作用呈網(wǎng)脈狀和細(xì)脈狀，加之早期形成的浸染狀礦化，在巖體中構(gòu)成典型的細(xì)脈浸染型礦化，具有斑巖型銅礦化的基本特征，只是礦化作用不強(qiáng)，未能形成工業(yè)礦體。而后期的含礦熱液主要作用于矽卡巖帶中，形成重要的矽卡巖型礦體，是目前礦區(qū)主要的開(kāi)采對(duì)象。

為與烏努格吐山銅礦試驗(yàn)區(qū)對(duì)比，本試驗(yàn)區(qū)研究對(duì)象選擇花崗斑巖礦化體，采樣平面位置如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)為一露天采坑，主要開(kāi)采矽卡巖銅礦，于采坑內(nèi)采集9件巖石樣品，巖性主要為花崗斑巖，肉眼可見(jiàn)黃鐵礦化、黃銅礦化，呈星散狀或細(xì)脈浸染狀分布，偶見(jiàn)輝鉬礦化。

圖2 豐山洞銅礦試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)平面示意圖Fig．2 The geological schematic plan of the study area in Fengshandong copper mine(據(jù)中南冶金勘探公司604隊(duì)資料修編)

巖石樣品經(jīng)粗碎、細(xì)碎，截取-20～+60目粒級(jí)，一分為二。一部分經(jīng)熱磁技術(shù)處理后磨至200目送分析；另一部分進(jìn)行黃鐵礦單礦物挑選，每件挑出量不低于2 g，經(jīng)人工研磨(采用瑪瑙罐)后送分析。

熱磁技術(shù)焙燒條件[8]為：巖石50 g，-20目～+60目，焙燒溫度600℃，焙燒時(shí)間40 min，SX-4-10型馬弗爐。熱磁組分分選電流設(shè)為0.2 A，LZC-1B型帶式礦物電磁分選儀。

表4 豐山洞試驗(yàn)區(qū)研究樣品元素含量及特征值統(tǒng)計(jì)

注：Ag、Cd單位為10-9，其他元素為10-6

3.2 數(shù)據(jù)分析

計(jì)算巖石熱磁組分和黃鐵礦中各元素的平均含量，列于表4。巖石熱磁組分和黃鐵礦均是從巖石提取而來(lái)，為便于比較，研究采用統(tǒng)一背景值計(jì)算各自襯值，背景值取華東南地塊上地殼元素豐度[9]。

從表中可以看出，襯值>1.2的元素有Cu、Mo、Ag、As、Sb、Bi、W、Pb、Zn、Cd、Co、Ni等，黃鐵礦與巖石熱磁組分統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。Co、Ni均為親鐵親硫元素，F(xiàn)e、Co、Ni密切共生，顯然，其在黃鐵礦或巖石熱磁組分中會(huì)呈現(xiàn)比較高的含量，除此，可確定該礦化體指示元素組合為Cu、Mo、Ag、As、Sb、Bi、W、Pb、Zn、Cd，與我國(guó)斑巖型銅礦原生暈指示元素組合(表3)比對(duì)，非常接近。其中W、Bi、Pb、Zn的出現(xiàn)，推測(cè)是受矽卡巖及其伴生的鉛鋅礦化的影響。

從含量和襯值看，Cu、Mo、Ag均達(dá)到很高的水平，可視為斑巖型銅礦化的成礦指示元素，其它元素為伴生伴生元素。

由表4顯示，有些元素襯值雖然很高，但在黃鐵礦和熱磁組分中的含量差異依然很大，如As、Bi、Cu。分析認(rèn)為，As、Bi高溫?fù)]發(fā)性強(qiáng)，其在熱磁組分中含量的驟降可能是焙燒造成的，而Cu含量的飆升可能與磁分選有關(guān)。我們知道，黃鐵礦焙燒后可以轉(zhuǎn)化為磁黃鐵礦[5]，無(wú)磁性的毒砂焙燒后會(huì)帶有磁性，這些都是Cu的載體礦物，而黃銅礦族礦物[14]因?yàn)楹F，焙燒后也帶有磁性，此外，熱磁組分中可能還存在其它少量Cu的富集礦物，這些因素綜合作用的結(jié)果造成了Cu含量的大幅上升。

另外，與土壤熱磁組分相似，進(jìn)入巖石熱磁組分的礦物是以巖石顆粒或燒結(jié)物[15]形式存在的，顯然會(huì)攜帶一些非鐵質(zhì)礦物，從而造成其它一些不具明顯找礦意義的元素含量的升高(相比黃鐵礦單礦物)，如Sr、Ba等，這些干擾可通過(guò)襯值化或其它一些統(tǒng)計(jì)分析方法屏蔽掉。

試驗(yàn)表明，在確定成礦指示元素組合方面，巖石熱磁組分與黃鐵礦單礦物具有一致的效果。比較而言，巖石熱磁組分將具有更寬的適用范圍，比如風(fēng)化的地表巖石，含鐵標(biāo)型礦物(黃鐵礦、黃銅礦、毒砂等)均會(huì)出現(xiàn)褐鐵礦化，通過(guò)焙燒可將其轉(zhuǎn)化為熱磁組分，但若挑選黃鐵礦則很困難。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)烏努格吐山銅礦和豐山洞銅礦兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)的試驗(yàn)研究，關(guān)于熱磁技術(shù)在確定礦床有效指示元素方面，獲得以下幾點(diǎn)結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

1) 烏努格吐山銅礦試驗(yàn)表明，在確定成礦指示元素組合方面，土壤熱磁組分是一種可行的介質(zhì)，相比巖石，具有更高的元素含量，可以挖掘出更多的異常信息，并可通過(guò)典型相關(guān)分析來(lái)屏蔽一些外圍元素的干擾。

2) 豐山洞銅礦試驗(yàn)表明，在確定成礦指示元素組合方面，巖石熱磁組分與黃鐵礦具有一致的效果。比較而言，巖石熱磁組分將具有更寬的適用范圍，比如風(fēng)化的地表巖石，通過(guò)焙燒可獲取熱磁組分，但挑選黃鐵礦則很難。

3) 作為一種人工方法分離組分，熱磁組分彌補(bǔ)了巖石或黃鐵礦等自然介質(zhì)本身所固有的一些不足，為成礦指示元素的選擇提供了一個(gè)新的研究平臺(tái)；對(duì)于確定同一類(lèi)型礦床有效指示元素組合，解決找礦模型的普適性問(wèn)題,開(kāi)拓了一種新思路。

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