土壤地球化学找矿.ppt

第三章土壤地球化学找矿 土壤地球化学找矿是在系统地测量土壤中元素的分布的基础上 研究其分散 集中的规律与其与矿床表生破坏的联系 通过发现异常 解释评价异常来进行找矿 由于矿体及其原生晕的表生破坏 在矿体上方覆盖土壤形成的 以成矿有关的元素的含量增高为主要特征的地球化学异常地段 称之为矿床次生分散晕 简称次生晕 土壤地球化学找矿就是发现土壤地球化学异常地段 区分出与矿床有关的次生晕 一 土壤组成土壤一般是指覆盖在基岩表面 生长在植物的疏松层 在化探中把基岩表面覆盖的细粒疏松物质通称为土壤 土壤 陆地表面由矿物质 有机质 水分 溶液 空气和生物所组成 具有肥力 能够生长植物 包括作物 的疏松表层 土壤是生态系统结构的主要造成部分 土壤主要由矿物质 有机质 土壤溶液和土壤空气组成 矿物质 粘土矿物 高岭石 蒙脱石 铁镁氢氧化物 原生矿物 石英 云母等 主体 有机质 腐殖质 非腐殖质 土壤有机质的主要成分 占有机质总量的85 90 腐殖质结构复杂 分子量高 呈黑褐色胶体状 土壤中很少有游历状态的腐殖质 大多是矿物质胶体结合形成的有机无机复合胶体 主要有 富咖酸 胡敏酸 腐殖酸等组成 碳水化合物 含氢的无机化合物 亚麻酸 无机酸等化合物 土壤溶液 土壤水分及其所含溶质的总称 与土壤空气共存于土壤颗粒之间的空隙中 是土壤中最活跃的组成部分 土壤溶液 重力水 受重力支配 是进一步向土壤剖面深层运动的水 吸附水 束缚水 受土壤吸附力作用所保持可分为吸湿水 膜状水和毛管水 土壤溶质 土壤溶液中含有各种无机物 有机物及胶体物质 吸湿水 土壤表面分子吸附水汽和液态水 膜状水 被吸附在吸湿水的外层的液态水 定向排列为水膜 毛管水 受毛管作用所保持的水 土壤水分 吸附水 土壤空气 是土壤的重要组成部分 也是土壤肥力的因素之一 由大气进入土壤中的气体和土壤内生物化学过程中产生的气体作用所组成 土壤空气的理解从以下两个方面 1 土壤空气不同于大气 其组成特点有三 1 土壤空气是不连续的 而是存在于被土壤隔开的空隙当中 因此土壤不同部位的空气组成不完全一样 局部土穴中 气体反映会明显改变土壤空气的组成 2 土壤空气中氧的含量低于大气 CO2的含量则比大气中含量高十倍至几十倍 且表现有明显的季节性和依赖于土壤空气中的有机质含量与土壤的空隙度 3 土壤空气中水汽的含量高于大气 经常为水汽所饱 在通气不良的情况下 还会出现少量不利于作物生长的还原性气体 如H2S H2等 土壤空气与大气的组成的比较 容积 2 土壤空气的组成和数量不是均匀分布的 1 土壤中空气常因土壤特性 气候条件 农业技术措施等不同而变化 2 降雨对土壤的CO2的含量有明显的影响 3 CO2含量通常随土层深度而增加 因土壤表层比较松散 土壤空气容易与大气交换而进入较多的新鲜氧气 使土壤空气得到更新并接近大气成分 较下层土壤由于根系及微生物的呼吸和有机质的分解等 消耗大量的氧气 放出的CO2不能及时更新 气体交换困难 CO2含量增高 土壤空气浊化 不利植物生长 在土壤学中 把土壤的垂直剖面根据颜色 成分 结构及土壤的熟化程度划分为A B C D等层位 最上面的一层叫做A层 淋溶层 也叫腐殖层 生物作用最活跃的部分 可以细分为A00 A0 A1 A2和A3 A00层 是由未分解的枯枝落叶铺垫而成 A0层 是部分分解的有机残体 主要成分为腐殖质 基本上反映了生长在其上的植物成分 二 土壤剖面 A1亚层 为富含有机质的砂 粉砂和粘土组成 含有一定的无机物 一般呈棕黑色 又称暗色层 A2亚层 在A1层下部有时可以见到一层褪色层 颜色浅 一般不超过30cm 称为A2亚层 这是由从上面淋滤下来的酸性溶液与A1层作用 使其中的有机物分解 微迹元素淋溶造成的 该层的主要成分为砂 粉砂和粘土 在这一层 即使下面有矿也不会有异常 所以取样时一定要避开 A3亚层 有时在A2亚层的下部还可以见到一个A3亚层 其成分与A1亚层类似 只是粒度略粗些 图7 4土壤剖面示意图 B层 淀积层 有机质含量逐渐减少 主要是由砂质和粘土组成 一般为棕色及黄褐色 从A层淋溶下来的物质 很可能在B层淋积下来 此外 有时下伏层位的可溶性物质靠地下水循环也可带到B层沉淀下来 往往富集了许多元素 C层 母质层 它是A B层位的 母质 由岩石碎屑及部分分解的基岩构成 有机质很少 微量元素含量与基岩基本一致 D层为未风化的基岩 三 土壤中元素的分配 1 土壤中常量元素的分配不同母质土壤剖面中 常量元素的分布有一个共同特点 即越向土壤的上层 主要元素含量的差异越来越小 与母岩原始含量关系不密切 也就是说 由于土壤成分主要为粘土矿物 所以 不能根据土壤中主要元素成分来反映下伏基岩的岩石成分 2 土壤中微量元素的分配 微量元素在土壤中的丰度主要取决于形成土壤的原岩 与基岩趋于一致 如超基性岩风化形成的土壤中相对富集Ni Cr Co Cu 而花岗岩风化后形成的土壤则相对富集W Sn Be Mo Pb Li Th Te等 土壤中微量元素在不同的土壤层中的分配是不同的 归纳起来 主要有下列五种情况 元素含量从上到下在分析误差范围内变化 因此在图上近似为一条直线 图7 8中a 这是在干旱寒冷地区的山坡上 因生物和化学风化很弱 物理风化占有绝对优势 坡积物不断被剥蚀作用所更新而造成的情形 如荒漠土壤和苔原土壤常有这种情况 图7 8元素在土壤层位中的分配 越往下 含量越高 图7 8中b 这代表强烈淋滤和淋失的情况 在热带 亚热带潮湿气候条件下 Cu Zn Mo U Ni等元素在非碳酸盐母岩上的土壤中常具有这种分布 这时 取样深度对发现异常有决定性的意义 图7 8元素在土壤层位中的分配 越往下 含量越低 图7 8中c 这是地表发生了残余富集作用 生物聚积或盐渍化作用所引起 在石灰岩地区 随着CaCO3的大量流失 而Zr Ti Pb Sn Fe等元素则相对富集起来 生物聚积 或积聚 是由植物根系从深处吸收了某些营养元素 然后以落叶的形式富集在地表层 Cu Zn Co Mn等元素在寒冷地区有机物分解慢的条件下 往往有这种分布 在干旱地区 由于蒸发量大于降雨量 土壤水带来的可溶盐由于水分的蒸发 在地表晶出 造成盐渍化 这对农业生产会造成很大危害 但对找矿来说 却提供了发现下伏矿化的机会 在淀积层 B 中聚积 图7 8中d 常可见到白色的粘土层 结核或钙质层 红色或褐色的铁锰层等 一些Cu Ni Zn Co常富集在这些层位里面 它的成因可能是粘土 铁锰氢氧化物或有机质的吸附 也可能是由于Eh PH的变化造成的富集层位 复杂情况 表示有几种作用同时存在 此外 原始母岩中各种元素含量分布的不均匀性可以保存在它所形成的残积土壤内 造成土壤剖面的一些不规则分布 3 微量元素与土壤粒度的关系微量元素在土壤中有一定的富集粒度 抗风化能力强的矿物 如铬铁矿 锡石 黑钨矿等在土壤中以原生矿物颗粒出现 因此 Cr Sn W Nb Ta等元素常富集在较粗粒级的土壤中 抗风化能力较弱的矿物 如黄铜矿 闪锌矿等在土壤中很容易被分解 Cu Zn Ni Co等元素则以被粘土所吸附的形式存在于细粒级土壤中 四 土壤地球化学异常 一 元素的迁移方式土壤中元素迁移成晕的方式主要有机械迁移 水成迁移 生物迁移和自然电场迁移等 1 机械迁移元素呈固相 包括原生矿物或难溶的次生矿物的碎屑 进行迁移 矿石碎屑由矿体位置向外迁移 矿体附近围岩的碎屑向原矿体位置迁移 于是使得矿体上覆土壤中由于有矿体或原生晕碎屑的存在 使某些元素的含量显著高于正常岩石所形成的土壤中的含量而形成次生分散晕 通过这种方式形成的晕叫做机械分散晕 当地面有一定坡度时 由于重力等作用 使地表疏松物向下滑动 越接近地表下滑的速度和距离越大 从而使晕发生位移 图7 9 此外 由于冰川 风的作用及地表水的冲刷 可以使矿石破坏后的碎屑被搬运离开矿体一定距离而形成离矿较远的次生晕 图7 10 7 11 7 12 图7 9风化岩石碎块籍中力作用向下坡滑动1 土壤 2 矿体 3 岩石碎屑 图7 10风力活动造成的次生晕 图7 11冰川活动造成的次生晕 图7 12冲击锥及山麓冲积物中的次生晕 2 水成迁移元素在水溶液中呈分子 离子 络离子或胶体等形式进行迁移 1 上移水迁移土壤中的水分可以通过毛细管向上迁移 溶解在土壤溶液 水 中的元素便一起带到近地表的土壤中 当水分蒸发后 这些元素便沉淀下来 这种毛细作用上升的高度与毛细管的直径成反比 与溶液浓度成正比 根据实验发现 土壤由细砂 中砂 砂组成时 毛细作用上升的高度一般不足一米 当土壤为粘土构成时 毛细上升的高度可达5 12m 2 侧移水迁移一些金属元素如V Mo Cr等可形成可溶性络离子 Fe Al Ti U V等可与腐殖质形成可溶性有机络合物 此外 Zr4 Ti4 Th4 Ce4 Al3 Fe3 的氢氧化物 As Sb Cd Cu Pb的硫化物等以胶体形式存在于水中 由地下水将有关金属元素带到较低洼处再沉淀下来 也可以配合毛细作用沉淀下来 由水成迁移形成的异常不能判断矿体的确切位置 但它能反映整个地下水源区的矿化情况 图7 13 图7 13地下水运动示意图1 雨季潜水面 2 雨季泉水或渗出区 3 旱季泉水或渗出区 4 旱季潜水面 5 矿体 6 次生晕 3 生物迁移植物通过根系能从土壤中 特别是从矿体附近的土壤中吸收一些微量元素 如Cu Co Ni Pb Zn As Sn Be Mo Fe Ag Au Mn V U等而进入植物的各个器管中 当植物的枝 叶落到地面或植物死后 可使一些元素聚积在A0层中 植物腐烂以后 这些元素可转入地表水或地下水中 有的又为植物吸收 随地下水下渗到土壤B层中为Fe Mn氢氧化物或粘土吸附 从而土壤中某些元素聚集成晕 图7 14 图7 14生物迁移成晕示意图 4 自然电场迁移在自然界 正在氧化的矿体 石墨质岩石甚至下渗中的地下水都能产生电场 因此 在水溶液中的离子将在自然电场的驱驶下运动 成为元素迁移的动力 金属硫化物矿体在潜水面之上的部分被氧化 放出电子 其表面有多余的电子 起着阴极的作用 吸引金属阳离子运移 在潜水面之下的部分被还原 吸收电子起着阳极的作用 图7 15 矿体作为电子导体 四周的溶液作为离子导体而构成整个迴路 土壤溶液中的阳离子将按电流方向迁移 于是在矿体上方将出现一个金属元素的低含量带 而在两侧形成一个高含量带 构成一个双峰异常 图7 15自然电场形成的阳离子异常示意图 次生晕的形态和规模与地形 取样深度和样品粒度有关 1 地形较平缓时 晕在剖面上的形态为上面大下面小 上宽下窄 的喇叭状 图7 17 其规模比矿体及原生晕要大 2 当地形倾斜时 由于重力作用和水的冲刷而向下坡方向拉长 呈舌状 图7 18 上坡方向次生晕的边缘有时可作为矿体位置的依据 二 次生异常的特征 图7 17土壤剖面上次生晕形态 图7 18地形倾斜时次生晕的形态 3 次生晕的规模随取样深度加大而减少 其强度一般随取样深度增大而增大 4 次生晕形态与取样粒度也有关系 如W富集于较粗粒土壤中 因而粒度粗的样品所得的晕 其规模比细粒样品所得晕要大 图7 17土壤剖面上次生晕形态 图7 18地形倾斜时次生晕的形态 次生晕形成和产出的控制因素有 1 原生矿物的性质主要是原生矿物抵抗风化能力的强弱 其抗风化能力的顺序为氧化物 硅酸盐 碳酸盐和硫化物 如锡石 黑钨矿富集在较粗的颗粒中 又如Cu Ni Co的硫化物 多以水成迁移为主 它们多富集在土壤的较细的粒级中 三 控制因素 2 矿体规模的大小 品位的高低它们影响次生晕的规模和含量 矿体规模大 品位高一般形成晕的规模和强度也较大 3 介质的物理化学条件主要是指介质的成分 pH值Eh值 它们控制元素在水中溶解和沉淀 大多数金属元素的离子在酸性溶液中溶解迁移 当pH值增高时 金属配离子便水解沉淀 介质的Eh值影响离子的价态 而不同价态的离子的溶解度不同 特别是对变价元素的影响更显著 4 胶体矿体在风化过程中 一些难溶的元素可以以胶体形式进行迁移 当胶体发生聚沉时 这些元素便在土壤中形成次生晕 胶体包括Fe Mn氢氧化物 腐殖质 粘土等 它们均为负胶体 其周围常吸附大量金属离子 并且还可与土壤溶液交换所吸附的离子 5 生物主要是生物的化学风化 它可以在地表发生生物富集 A1层 有机酸使A2层淋失 B层淀积 A0层生物残体 另外 植物 树 的根系可达十米以上 可将深部元素转移上来 6 气候和地形气候主要是指雨量和气温 其中降雨量是主要的 因为降雨量影响植被的发育 化学风化及生物风化的进行等 如干旱地区雨量少 植被不发育 物理风化为主 元素主要以机械迁移 土壤多为荒漠土壤 土壤常呈碱性 半干旱地区雨水较少 土壤及水PH值较高 不利于元素迁移 7 地球化学障元素在表生带迁移除了以上所讲的受控因素和元素本身性质外 还要受到地球化学环境对元素迁移的影响 彼利尔曼在研究地球化学环境对元素表生迁移的影响时 提出了地球化学障的概念 地球化学障 是地球化学环境发生骤然改变 而使元素活动性急剧降低 并在其中浓集的地段 元素在表生带的地球化学障主要有氧化障 还原障 硫化氢障 酸性障 吸附障 生物障 蒸发障等 例如 地下水渗出处具有氧化障特征 随地下水迁移的Fe2 Mn2 在这里被氧化成Fe3 和Mn4 并呈氢氧化物沉淀下来 Fe Mn氢氧化物为胶体 它们同渗出区土壤中的粘土一起又构成了吸附障 于是地下水中的金属离子被吸附而聚积 场址U Sr Cs地球化学工程屏障的概念设计 浅埋处置库顶盖结构 五土壤地球化学异常工作方法及技术 土壤地球化学勘查的工作方法包括资料调研 实地踏勘 方案设计 野外采样 样品分析 资料处理 成果解释及异常检查八个步骤 第一步 资料调研 工作之前应根据勘查目标和任务认真作好资料调研工作 要收集勘查区的地理地形 地貌 地质背景 水文资料 土壤资料 地球物理 地球化学等方面的资料并消化 第二步 实地踏勘 在资料调研的基础上 到勘查目标要求的现场踏勘 踏勘的目标在于将资料调研阶段获得的初步认识变成感性认识 踏勘中还要做土壤剖面测量 土壤取样方法和取样方式的实验研究 第三步 方案设计 这一步骤非常重要 牵涉到整个土壤勘