赵 辰, 文美兰, 吴彦彬, 黄文斌

(桂林理工大学 地球科学学院, 广西 桂林 541006)

0 引 言

20世纪初, 随着科技的发展, 在钢铁、煤炭、冶金等行业, 分析速度快、操作简单、工作曲线制作方便、自动化程度高的高频燃烧-红外碳硫仪已经成为一种快速测定全碳、全硫含量的主要检测手段[1-5]。

碳、硫元素在自然界是很常见的元素, 土壤中碳元素的主要来源为有机质, 硫元素主要来源为硫化物和硫酸盐。碳、硫元素作为地质样品分析中的常规项目, 传统测定法有气体体积法、非水滴定法、燃烧-容量法、重量法等, 操作不便且速度极慢, 不能满足大批量样品分析的需求[2]。为了满足土壤、岩石、水系沉积物等大批量的样品分析的需求, 高频红外碳硫分析仪开始应用到地质行业，主要为农业地质调查、地调、区调等提供有力的监测数据, 但是未曾用于矿产勘查方面[6]。

研究表明, 有机质在金属成矿中对金属元素起到了富集、活化和迁移的作用, 为成矿物质的排出和汇集提供了通道和动力, 有机质中的碳元素可能以烷烃等含碳气体的形式伴随金属元素迁移至地表在表层土壤中富集[7-8]。硫在成矿过程中是普遍存在的元素, 起到搬运金属和沉淀成矿元素的作用[9-10], 在热液作用中随着温度的下降以及碱性的增加形成大量的硫化物, 然后在表层土壤中氧化环境下硫化物中的硫氧化成亚硫酸盐及硫酸盐, 并且在表层土壤中稳定下来[11]。

同一地区土壤中碳、硫元素含量受到外界影响是一致的, 所以可以忽略地形地貌、气候、覆盖、植被等条件对土壤中碳、硫含量的影响。本文选择福建上杭县罗卜岭铜(钼)矿区、内蒙古额尔古纳市格鲁其堆山铅锌多金属矿区、云南保山隆阳区西邑铅锌矿区作为研究区, 采集矿区内已知矿体剖面上方表层土壤样进行碳、硫含量测试, 实验结果与隐伏矿体进行对应分析, 以此来探究碳、硫分析在金属矿产勘查方面的应用效果。

1 样品采集与测试分析

1.1 样品采集

在福建罗卜岭铜(钼)矿、内蒙古格鲁其堆山铅锌多金属矿和云南西邑铅锌矿3个矿区已知矿体上方分别布设了1条大于1 000 m的剖面线, 沿着剖面按照相应的点距采集表层土壤500 g, 采样深度10～30 cm。其中罗卜岭矿区264线剖面总长2 400 m, 采样点距25～50 m(矿体上方加密至25 m), 采集68件样品; 格鲁其堆山矿区15线剖面总长1 000 m, 采样点距20 m, 采集50件样品; 西邑矿区0线剖面总长1 250 m, 采样间距25 m, 采集50件样品。样品晾干后过100目(0.15 mm)筛, 备用。

1.2 测试分析

1.2.1 样品制备 先将过筛后的样品和国家土壤标准样品(GBW 07408)置于60 ℃的恒温烘箱中干燥4 h以上, 用万分之一天平称取0.100 0 g样品; 陶瓷坩埚在900 ℃的干净马弗炉中灼烧0.5 h以上， 烘干备用。

1.2.2 测试分析 采用德国ELTRA生产的CS-800碳硫分析仪对样品进行分析, 其中: 纯铁助熔剂的纯度>99.8%、粒度<1.25 mm、碳含量<0.000 5%、硫含量<0.000 5%; 钨助熔剂粒度为20～40目(0.83～0.38 mm)、碳含量<0.000 8%、硫含量<0.000 5%; 氧气纯度≥99.999%、压力13.0±0.5 MPa; 分析时间90 s; 实验环境平均温度25 ℃、平均湿度50%。样品检测重复率为5%。 测试过程中, 每测试2～3个样品后用钢丝刷把置放坩埚的位置刷干净, 并采用国家标准样品(GBW 07408)校准仪器, 按照每10个样品进行仪器稳定性检测。 由表1可知, 样品分析质量符合要求。

表1 以GBW 07408校准仪器测定数据比较

2 不同覆盖区已知剖面土壤碳、硫异常特征

2.1 福建罗卜岭铜(钼)矿区264线剖面

2.1.1 地质概况 罗卜岭铜(钼)矿矿床类型为斑岩型铜(钼)矿床, 位于福建紫金山矿田东北部，属中亚热带季风气候, 温湿多雨。研究区内地势切割强烈、陡峭、地表覆盖较厚, 露头不连续, 植被十分发育。沉积物类型为坡积物和残坡积物, 土壤类型为砂砾质酸性红壤。矿体主要产于花岗闪长斑岩体的外接触带, 赋存于绢云母化叠加钾化蚀变带和黄铁绢英岩化蚀变带中, 呈马鞍状向外展布, 中部矿体平缓, 北西和南东边矿体产状较陡, 倾角在50°～60°。矿化类型以铜钼为主, 呈细脉浸染状、脉状、网脉状产于花岗闪长斑岩中, 金属硫化物矿物主要有黄铁矿、黄铜矿、辉钼矿, 为他形粒状、半自形-自形结构等[12-14]。

2.1.2 碳、硫异常特征 本文背景值和异常下限均使用长剖面法确定。罗卜岭矿区实验结果如图1所示。 C的背景值是2.29%, 异常下限值是2.58%。该剖面C异常集中在10～20、35～45、53～65号点, 其中10～20号点的异常与赋存矿体范围及上方断层对应, 异常峰值为14号点的2.72%, 异常宽约225 m; 35～45号点的异常呈双峰状, 异常范围在矿体范围内, 异常峰值为42号点的3.69%, 异常宽约275 m; 50～66号点的异常呈多峰状, 与已知矿体不对应, 异常峰值为54号点的3.76%, 异常宽约800 m。S的背景值是0.021%, 异常下限值是0.03%。在该剖面S异常集中在13～20、32～56号点, 其中13～20号点的异常呈双峰状, 异常范围在深部矿体范围内, 异常峰值为13号的0.048%, 是背景值的3倍, 异常宽约175 m; 32～56号点的异常范围大于深部矿体范围, 异常峰值为38号的0.092%, 是背景值的7 倍, 异常宽约775 m。矿体上方的C、S异常形态吻合, 异常峰谷位于矿体尖灭处。

图1 福建罗卜岭矿区264线剖面C、S异常特征Fig.1 Abnormal characteristics of carbon and sulfur in profile of Line 264 of Luoboling mining area in Fujian

2.2 内蒙古格鲁其堆山铅锌多金属矿区15线剖面

2.2.1 地质概况 格鲁其堆山铅锌多金属矿为中低温热液矿床, 位于大兴安岭西北麓，属寒温带大陆性气候, 风大雨少。研究区内有大面积的草地覆盖,属于半干旱半荒漠草原区,由于低山地貌条件,阴面坡物理风化作用较强, 岩石出露, 植被发育地区有机质加速了成壤作用, 土壤类型为中细粒砂土。矿体赋存在震旦系额尔古纳河组, 岩性为灰白色大理岩。矿体为同一蚀变带控制、近平行分布, 总体走向为65°, 倾向南东, 倾角78°～85°, 局部近直立。主矿体长1 048 m, 平均厚度2.43 m, 控制最大延深248 m。矿石自然类型以原生矿为主, 氧化矿不发育。矿石工业类型为方铅闪锌硫化物型铅锌矿石。金属矿物主要为方铅矿、闪锌矿、黄铁矿、黄铜矿[15]。

2.2.2 碳、硫异常特征 格鲁其堆山矿区实验结果如图2所示。 C的背景值为4.12%, 异常下限值为5.06%，该剖面C异常集中在23～33号点清晰可见, 呈双峰状, 异常范围在浅部矿体范围内, 异常峰值为26号点的7.43%, 是背景值的2倍, 异常宽约200 m。 S的背景值为0.019%, 异常下限值为0.023%, 该剖面S异常集中在13～20号点, 呈双峰状, 异常范围在深部矿体范围内, 异常峰值为19号点的0.045%, 是背景值的2倍, 异常宽约140 m。C、S异常形态相似, S异常在C异常的北西方向, 矿体的倾斜方向为北西方向。

图2 内蒙古格鲁其堆山矿区15线剖面C、S异常特征Fig.2 Abnormal characteristics of carbon and sulfur in profile of Line 15 of Geluqiduishan mining area in Inner Mongolia

2.3 云南西邑铅锌矿区0线剖面

2.3.1 地质概况 西邑铅锌矿为沉积岩容矿的海底喷流沉积型(SEDEX型), 位于云南省西部边缘, 横断山脉中南段。属亚热带高原型山地季风气候区, 降雨多、湿度大。研究区内属强烈侵蚀切割中高山地貌区, 植被较发育, 地表被坡积物覆盖, 覆盖率达30%～40%, 覆盖层主要由褐红色、黄色黏土、岩石碎砾及黑色铁锰质组成, 矿区内局部山地被开垦为耕地[14]。矿体主要赋存于下石炭统香山组, 主矿体呈似层状产于隐伏的缓倾斜断层破碎带中, 并受到破碎带和香山组地层控制, 控制了矿体走向和斜深大于1 000 m, 走向及倾向上均具波状起伏特征, 向北侧伏, 矿体平均厚6.91 m。矿石矿物比较简单, 主要为硫化物, 少量碳酸盐、硅酸盐和氧化物[16-20]。

2.3.2 碳、硫异常特征 西邑矿区实验结果如图3所示。 C的背景值是1.65%, 异常下限值是1.75%，该剖面C异常集中在20～36、41～48号点, 其中20～36号点的异常呈单峰状, 异常范围在浅部矿体范围内, 异常峰值为27号点的2.12%, 异常宽约300 m; 41～48号点的异常在已知矿体范围外, 异常峰值为48号点的2.03%, 异常宽约225 m。S的背景值是0.011%, 异常下限值是0.012%，该剖面S异常集中在3～9、27～31、38～48号点, 其中3～9号点的异常呈单峰状, 异常范围在深部矿体范围内, 异常峰值为7号点的0.015%, 异常宽约200 m; 27～31号点的异常呈单峰状, 异常范围在浅部矿体范围内, 异常峰值为29号点的0.013%, 异常宽约100 m; 38～48号点的异常范围在已知矿体范围外, 异常峰值为42号点的0.014%, 异常宽约250 m。深部矿体对应的S异常在浅部矿体对应的C异常的西北方向, 矿体的倾斜方向为西北方向。

图3 云南西邑矿区0线剖面碳、硫异常特征Fig.3 Abnormal characteristics of carbon and sulfur in profile of Line 0 of Xiyi mining area in Yunnan

3 讨 论

(1)罗卜岭铜(钼)矿区的矿物学研究以及结合前人的研究表明, 矿区深部具有向斑岩型矿化过渡的特征, 主要铜矿物组合和含矿物组合的变化特征均反映了从浅部到深部硫逸度和氧逸度是逐渐升高的, 即深部晚期的成矿流体具有高硫逸度和高氧逸度的特征, 在高压力的作用下沿着构造裂隙向上迁移， 作为金属元素迁移的载体, 一同迁移到地表之后在风化作用下硫最终以硫酸盐的形式富集在地表土壤中。 较多的地表植物在雨水较多的地区对硫的富集起了很重要的作用, 一方面对硫化物的吸收把硫留在表层土壤; 另一方面，植物的根际对雨水的迁移能力有一定的阻碍, 再加上较多的基岩出露, 所以硫在矿体上方出现清晰的异常。碳异常可以侧面反映成矿后有机质对金属元素的富集和迁移作用。断层上方的碳、硫异常说明碳、硫元素与金属成矿元素在易迁条件下一起迁移。碳、硫的异常形态吻合说明有机质对硫的吸附起正效应, 二者相互印证。

(2)格鲁其堆山铅锌矿区内大面积草地覆盖, 覆盖层较厚, 风化作用强, 但是碳、硫异常范围仍然在矿体范围内, 矿体向北西方向倾斜, 其中硫异常在碳异常的西北侧出现, 硫异常范围与深部矿体范围对应, 碳异常范围与浅部矿体范围对应。

(3)云南西邑铅锌矿区内植被较发育, 与格鲁其堆山矿区一样, 矿体向西北方向倾斜, 硫异常在碳异常的西北侧出现。这说明成矿后有机质在表层土壤中运移时受束于较厚地表覆盖条件, 导致异常范围局限且集中。

4 结 论

(1)硫元素在金属矿成矿过程中起到了对金属元素有富集和迁移的作用, 并且同金属元素在有发育构造裂隙的地区共同迁移并富集到地表土壤中, 有机物的吸附作用促进了硫元素的富集形成异常, 因此对深部矿体有一定的指示作用。碳元素主要来源为地表植被和生物残体, 少量的碳元素来源于成矿过程中产生的含碳物质, 表层土壤中的碳可以络合和吸附成矿金属元素, 因而对浅部金属矿具有很好的指示作用。

(2)通过碳、硫元素测试开展的找矿应用探究, 认为碳、硫元素对于在植被覆盖较厚、雨水较少、物理风化程度较弱和人为活动较少的地区寻找隐伏金属矿有指示作用， 但是地表覆盖情况对矿体上方碳、硫元素含量的影响情况还需要进一步探究。