地气测量的原理及其在地质勘查中的应用.pdf

地气测 量的原理 及其在地质勘查 中的应用。 ／ 堡室堡垒 叠古平等 地矿 部物化探研 究所， 廊 坊1 0 2 8 4 9 摘要本文 介绍 了金 属气 体和 金属微 粒 的形成 、 地气 流 的垂 向搬 运 以及 内生 金属 矿 床周 围地气 分散 晕 的广泛 存 在 ． 同 时还 介绍 丁地 气测量 在我 隐伏 矿和 勘查 运 积物 覆 盖 下 的岩 石 类型 的 应 用前 景 。 关 键 词 密， 龟 墨 三 玉 整 雎 ， ， 找 隐 伏 矿 应 用 前 景 。 I 彩 重 地气 测量 又称综合气体测量， 它是 研究地气流 中气体和 气溶 胶组 分 的分 布分配 及其 运动 规律用 于地质勘查 的-f ] 新兴学科 。利用 与矿床 有关 的特征 气体 组分 进行找 矿 的思想， 首先 起源于油气田上方油气苗所散发的特殊气味和汞矿床上方游离汞的存在。 自本世纪 3 0 4 0 年代先后有 G． 劳伯梅 1 9 2 9 、 B A索科洛夫 1 9 3 3 、 萨乌科夫 1 9 4 6 等学者分别提出用烃类 气津找石油， 用汞蒸气找汞矿床。此后， 至 5 O 年代又开展了射气找铀矿的工作。七十年代加 拿大 巴林杰公 司大 规模 地开展了气溶胶 找金属 矿的研 究， 曾研制 成空 中和地面微迹 系统 。8 O 年代 I O． C口 一 证实 了金属 矿床周 围金属分 散晕的普遍 存在 ， 并 研制 成检测这类 晕 的地 电化 学方法 。9 O年代初， o． 普吉科夫 1 9 9 4 对 气分散 晕的形成 机理进 行 了专 门的研究 ， 他指 出 无论是 高热条件 下， 还是在常温状 态下， 地气流均 能对金属微粒进行 近于垂向的迁移。 目前我国对 地气测量的研究正在逐步升 温， 研 究用地气 找矿 的单位和人数在不 断增 多， 样 品预富集和样 品分析方法也 五花 八门。总 的来说异常 的重 现性 不 能令 人满意 ， 地气 测量 的基 础理论 和方法 技术 仍有待于进一步改进和完善 。尽管如此 ， 大 多数研究者一致认 为， 地气测量 在找隐伏矿和 研究深 部地 质问题 等方面具有极其 良好 的前景。 1 内生金属矿床周 围的金属分散晕 这里所提及的金属分散 晕是 指岩 浆上 侵时 ， 金属组分从溶 融体 中分 离出来， 呈气 态金属 或 金属微粒 向构造裂 隙和 岩石 孔隙渗透 和扩散所形成的分散晕 。这种分散 晕在时间上 形成 于矿 体形成之前 。晕 中金属 呈微粒 、 准气态 、 金属 气体等形式存在 ， 而不 是呈硫化 物存在， 用 肉眼和 高倍 显微镜均见不到金属组分 的独 立矿物 。它是 矿床 原生晕 的重要 组成 部分， 但与传 统的原 生晕的概念有着本质 的区别。呈 单 质金属状 态 存在 的分散 晕是成 矿早 期 阶段 气体沉 积 的产 物， 是后期成 矿的重 要金属 来源。 为了证明成矿过程 中金属气体沉 积阶段 的存在 ， 火法 冶炼厂 周 围气态金 属和金属 微粒异 常的存在是最理想 的模拟试验 。在高温冶炼炉 中． 热 稳 定性低 的金属 组分可 以呈气 态和 金属 。车 文 为国家 自然科 学基金 资助项 目 4 9 2 9 0 1 0 0 研 究成 果。 1 9 9 5年 1 1月 2 3 E l 收 稿。 ／ 搀 { 尸 维普资讯 2 6 0 物探 与 化探 2 0卷 微粒 随烟尘 向大 气 中扩 散， 随着扩散迁移距离的增 大和温度 的降低， 在常温 下 可呈气 态的汞 在近地面大气 中形 成汞蒸气 的异常 。图 1是甘肃 白银厂炼铜 厂烟 囱下方所形成 的扇状金属 异常和 汞蒸气异常。大气中的汞异常 H g 气 与土壤中的 汞异常 N g 基本一致。 地质工作者早就发 现了 内生金属 矿床与 各类 岩浆热源体之 间 的密切关 系， 并 试图 用火 法 冶金 的原 理去 解 释各 类 金属 矿床 的形成 。早 在 1 9 7 0 年， 拉 济乌斯 Ma 3 H y c ， 1 9 7 0 提出 了关 于汞矿床 形 成的升华理论 。我 国著名汞矿专家严钧平 1 9 8 9 提出， 在汞矿床 形成 的 初期阶 段 存在着 明显 的汞 蒸气沉积期。大量资料证 明， 无论 是汞 ， 还 是其它 高沸点金属 ， 在纯热力 的作用下， 仅能生成 金属 蒸 气 ， 而不能生成金属硫化物 ， 因而对金属气体 沉积 在 形成过 程中的作用， 没有予以重视 。 近几年来 ， 美 国斯坦 福 大学 的地 质学 家在 观 察火 山岩 中的气泡 时， 发 现 气泡 中含 有 比围岩 高 若干倍 的金属元 素， 证 明火 山活动初期 的岩浆 中， 有富含 矿 质组 分 的 金属 气体 存 在。H A o 3 e l D o lB a 在对 火 山气样 品 的分 析 中， 发 现 火 山气 中 As 、 s b 的含量 比大 气 中高 2 3个数 量 级 ， 铜 的 含量 高 1 ． 5 2倍 。我们 在 内生 金属 矿 床周 围同 样发 现 了吸附态 汞的普遍存在。我 国著名原生晕 专家徐 外生在对浙 江乌岙 铅锌矿 原 生晕 的研 究 中， 发 现 P b的富集 是就地 取 材 的， 由于 P b在矿 体 周 围的 浓集， 在浓集 区的外 围形 成大片 的亏损 区 图 2 。 绝大部分 内生金属矿床周 目， 蒸发晕 、 游离金属晕 和元素分带序列的存在， 是成矿过程中气沉积阶 段存在的直接证据。 气体沉积 阶段 ， 在热 源 体上 方沉 积 的金属 组 分和 准气态组分 ， 具有较强的 活动迁移 能力， 在有 利于热水溶掖循 环的条 件下可 进一 步 富集成 矿 。 在地气流的作用下， 可形成地 气分散晕。 在表生过程中， 随着矿 床剥 蚀深 度的增大 ， 金 属 硫化物被 氧化， 硫 化物 中的金属被还 原， 岩 石 中 的气态包体遭 破坏 ， 吸 附在岩石表 面 的金 属气体 和金属 微粒开始 脱 附， 使金属 矿床周 围的 金属组 分得到进一步 的复 活和 加强， 为地气 流提供 了大 量容 易搬运的 气体组分和 金属组分 。 烟 囱 l C 1 I lL m＼ ＼ l ＼ H g 10 ‘ 圉 1 甘肃白银厂炼铜厂周围金晨微尘 和盒晨气体的异常 圉 2 浙江乌岙铅锌矿 4 l线 P b 浓度 分布圉 I 自馀 外生 1 9 8 5 1 一 片麻 岩 、 混 台岩 片麻岩 2 一 闪长玢 岩 ； 3石 奠 斑岩； 4 铅锌矿体 5 一黄铜矿脉 6 断裂 7 亏 损区； 8 一背景区； 9 一敲集区 维普资讯 3期 伍宗 华等 地 气测量 的 原理 及其 在地 质勘 查 中的应 用 -2 6 1 2 地气流 的形成和对地球深部物质的垂 向搬运 地 球在长期 的演化中， 在 热力 、 重力和 其它营力 的作用下 ， 已分导成 气 圈、 水 圈和岩石 圈。 这种分 异仍在继续 ， 地球 内部通 过放射性 元素 的衰变、 岩石老 化、 胶 体岩 化、 有 机 质热解、 地下 水蒸 发、 火 山喷发、 油气逸漏 和岩浆上侵等地 质作用过 程， 不断 向外排放 各种气 体。地球 各 圈 层排放 出来的气体 ， 在强大的压力梯度 、 温度梯度 和浓度 梯度的作 用下 ， 呈微 细气流 或气 泡流 不断 自地球 深部 向大气 圈排 放， 便 形成 了各地 普遍存 在 的地 气流 图 3 。地气 流汇 集 了垂直 方 向不同气 源体排放 的气 体， 呈面 流状 向地 表迁 移， 并在 上升迁 移途 中与沿途 的岩石 、 土 壤 、 地 下水、 生物 和气 体 发 生多种 多样 的物理 化 学和 生 一楫f_ 一 璺 性 。 其 次 是 搬 运 的 方 向 性 和 继 承 性 。 多 相 性 系 指 一 潜 水 面 一 。一 一 ． ；． ． 一 ． 『 一 被搬运 的物质 中固、 液 、 气 三相 并存。分异性表 现 ～ 麓i i／ ／ 喜 萎 蓄 薹 墨 羹 羹 孟 』 不 同 组 分 之 间 的 分 离 。 方 向 性 和 继 承 性 ，是 指 搬 基岩 t ⋯ ⋯ 运 的 方 向 和 途 径 基 本 是 固 定 的 。 、i 一 1．地气流对物质的搬运是垂向搬运为主。大 J lI l 『l l I I lf lilI卡I 气流对物质的搬运是以水平搬运为主。 l l I 1 l l I目ll；I l f”l l引 2地气流的搬运能力弱，仅能搬运容易搬运 Lj L二J 置 萱 些 。 ．． 流 登 孳 气 和 气 溶 胶 图 3金 属 气 溶 胶 形 成 示 意 图 外 ，还能搬运 较粗 大的 ／i g 体颗粒， 如风成砂等。 3 地 气 测 量 及 其在地 质勘 查 中 的应 用 地 质工 作者通过研 究不同营力对物质的搬运特 性后， 都相 继研究 出相应 的找矿 方法 。如 水系沉积物测量 、 水化学测量 、 重砂测量 、 冰碛 物测量 、 植物 测量 、 蚁蚯 测量等。 当地气 流的普 遍存在得到科学验证 后， 地气测 量方 法也 随之而生。 广义的地气测量 不仅 仅是 测量地 气流 中的气 体组分 ， 还应 包括地 气流所携 带 的气溶胶 组 分 、 固体微粒 以及 它们的衍生物。因此， 地气测量要 样品介 质 可以是气 体和气溶 胶 ，也可 以是 土壤 吸附气 和水 溶解气 等等 。根据 不同的地 质任务， 采集 最佳 的样品介 质 ，用最先进的方 法技术从 中提取与深部地质构造和矿 化类型 有关 的信 息， 是 当前地 气测量 的前缘与热 点 。 维普资讯 物探 与 化探 2 0卷 从 目前 情况看 ， 地气测量 在下列方面有较大 的应 用前 景。 3 ． 1 找 隐伏矿 基于各种矿床 中均 含有特征 的成矿元 素和伴 生元 素， 其外围又有上述元 素的金属分散 晕， 地气能将这些组分 带至地表， 为找 隐伏矿提供 了最直观的找矿标志。 图 4是 内蒙柴 火栏 子金矿 1 5线近地表 土壤 中气溶胶金的含量 曲线 。 从 图 4可 以看 出， 该 剖面 的 S W 端有 两段 气 溶腔 金异常， 与 两个 已知金矿 化带 的 位置 较 为吻 合。在该剖 面 的 NE端 发 现 了一 处 新 的金 异 常， 后经 竖 井 查 证 ，见 到 含 金 石 英 脉 。 石 英 脉 厚 4 0 c m， 含金 3 ． S g ／ T。 3 ． 2 推断运积层下 的岩 石类型 不同类型岩石往往具有特 征的常量元 素和微 量元素组 分特征 ， 如超 基 性和 基性 岩 通常 含 有较 高的 c r 、 C o 、 Ni 、 C u和 P b的微 量元 素。酸性 火成 岩中 L i 、 B e 、 R n 、 Z r 和 稀土等元 素的含量 较高。泥 Ⅱ矿带 L 蕊 异 常 啦 证 矿 圉 4内蒙柴 火栏 子金 矿 1 5线 气溶 胶金 量曲 线 质和泥质碳酸盐岩石汞 的含量 一般 较高 。含 碳质 较高的岩石 中 V、 Mo 、 U、 P、 Cu 、 A g等元 素的 含量 一般 较高等等。从超基性 到酸 性火 成岩 K、 Na 、 C a 、 Mg 、 AI 、 S i 等 元素 的含量 也是 具有 明 显差异的。这些具有差异 的特征组 分， 一 旦被地气 带至地 表， 人 们根 据地气 流 中的组分 特征， 可直接推断松散层下 的下伏岩 石类 型。 图 5是 叶县一南漳地学剖 面上 的 z n 、 co 、 P b 、 c r 、 Ni 、 c 的含量 曲线。从图 5可 以看出 ， 在 宽坪群和二郎坪群等基性变质岩上方， 上述元素有明显的峰值与之对应。宽坪群和二郎坪群 的上方均有数米到数 十米 的运 积物覆盖 ， 因剖面的 比例尺太 小， 无法标 出。宽坪 群和 二郎坪群 的位置是根据地质 、 地震和部分钻孔 资料 确定 的。宽坪和二 郎坪群之后的秦岭群 、 刘 岭群和陡 岭群等地层 中， 也出现有 z n 、 c r 、 Ni 、 C u等元 素的异 常 ， 可能 是反 映 了剥蚀 区和 沉积 区之 间的 关 系， 表现在微量元素方 面具有 明显 的继 承性 。 3 3 推断 特征地质体的埋深 地下物 质被 地气 流搬运 的距离大小 ， 除与地气 流 的动 能 外， 还 与被搬 运物 质的相 态， 密度 和质量大 小等多种因素有关。体积大密度也 大的固体物质， 最不容易被搬运， 惰性气 体能被搬 运 的距 离最大 。对 于 同种 组分 而言， 随着 离源 区的距离 增大 ， 地气流 中该组 分 的浓度逐 渐降 低 。B． C戈 卢别 夫 1 9 7 7 曾用下式表达 He的含量与垂直 向上 迁移距离之 间的关系 C m K． i 0 一 ／ x 。 式中C 一He的异常含量 垂 向迁移距 离。 我们曾试图用沉积盖层 的特征组分 与基 底的特 征组 分 之 比， 用于 推断沉积 盖 层底界 面的 埋 深也获得 了较为满意 的结果 。 Hg是沉积盖层的特征组分 ， R n是 酸性 火成 岩 的特 征 组分 ， Hg ／ R n比值 的变化 可反 映沉 积 盖层底界面的起伏变化 ， 经与 已知资料标定后 ， 可转换成沉积盖层底 界面的埋 深。 图 6是 叶县一南 漳剖 面上 Hg ／ R n 滑动平 均处 理 及 推断 的盖 层底 界面埋 深 曲线。所 推 断 的盖层底 界面埋深 曲线与地 质、 地震和部分钻探资料所确 定的底 界面埋 深曲线基本一致。 维普资讯 3期 伍 宗 华等 地 气测 量的 原理及 其在 地质 勘查 中的应 用 2 6 3 4展 望 L ～ ～ 一 、 ／r 一 ， ， 、 √ 机幽 ，、A 1 一一 回 回z 回 圃 回s 日 圈 5 偏基 性岩 娄上 方 的 c r c o 、 Ni 和 P h 、 z n 、 异常分 布圈 1 一 宽坪群 2 一 二 郎坪 群 3 一 秦岭 群 ；4刘峥群 ； 5 一 陡岭 群 ；6 一 地质界 线 据理 论计 算， 内生金属 矿床上方可能有数百种 不同的气 体组 分存在 ， 由于 测试水平 所限， 已往仅 限于少 数几 种气体组分 的测量 。该方法 除在 找放 射性 矿和 找隐伏断裂方 面取得较 大进 展外 ， 在找金属矿方面 总是 步履 艰难 。近几年来， 金属气溶 胶测 量 已取 得 了长 足的进 展， 大 大 增强 了地气测量 的直观性和有效性 。迄今为止 ， 尽管地 气测量 的基础理 论和 方法技术 仍需进 一 步 改进 和完善， 预计 到 2 1世纪初， 它将与物 探方法 一道 ， 成为找 隐伏矿主要方法技术之一 维普资讯 物探 与 化探 2 0卷 l O 北 缘 [ 1 ] [ 2 ] 3 ] 图 6 e - l- i 一南 漳 剖面 H g ／ Rn比值 法 推断 的盖 层 底界 面 与地 震 方法 推断 的 底界 面埋 深 曲线 对 比图 参考文献 PRI NCI PLES OF GEOGAS S URVEY AND I TS APPLI CATI ON I N GEOLOG I CAL EXPLORATI ON Wu Z o t g h u a ，J i n Y a e n ，G u P i n g d e n g № m m R e s e a r c h C e n t e r Mo d e r n G∞ ∞z E 0 m 0 n T e c h n i q s ．L a n g f a n g 1 0 2 8 4 9 Ab s t r a c t Th i s p a p e r h a s d e a l t w i t h t h ef i s t e o r m nc a e t i o n E o fme t a d l l i 5 pe i c g a s e 0I 1 s a h n a d m a et r 0u a l l i n c d p e a r t i c ⋯ l e s , t h e m v e e t r t i c 1 a l d t q r a Ⅷ ns p t s or ． t a A - t io n o f g e o g a s c u r r e t tt ， a n d t h e e x t e rhs iv e 既I o 1 g 。 。 g ⋯⋯ ⋯ IlU U C ll ⋯一 ⋯一 ，， d 埚c u s s a g l v e n 。 n t h e p r b a p p l y i n g g e o g as s u r v e y T O t h e p r c p e c t i r t g 。 “ d 印 0 s n d t h 灿“ 一血 “ 墨 o v e r b 。u r d 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