土壤电导率异常的形成机理及理想模式（罗先熔《桂林冶金地质学院学报》1991.1）.pdf

第11卷第1期 1 991年2月 桂林冶金地质学院学报 JOURNAL OF GUILlN COLLEGE OF GEOLOGY V 01.11, No. 1 Feb. 1 9 9 1 土壤电导率异常的形成机理及理想模式 。寻| 罗允熔 桂林冶金地质学院隐伏矿床预测研究所 摘要以地电化学成晕理论为基础，阐述了土壤电导率异常形成的基木原 理、形成过程及组成电导率异常的离子成分特征。根据国内外不同地区和矿区 土壤中可溶性离子及土壤电导率的测试结果，给出了电导率异常与土壤中离子 组分的相关性，建立了土壤电导率异常形成的理想模式。研究结果表明，电导 率异常的形成并非是一个简单的次生地球化学异常的转化过程，从矿休溶解到 各种成晕离子转化成为电导率异常，要经过以地电化学作用为主的4个物理化 学过程z电导率异常这个物理参数，反映的是各种地球化学成分，并日受一套 固定的离子群所控制。 主题词土壤z电导率异常z理论模式F地球化学勘查 分类号P632.1 0646.5 近年来，在各种地质和地球化学景观条件下，利用土壤电导率测量法对不同成因和不同 类型的隐伏矿所进行的找矿有效性试验及找矿预测的结果表明，土壤电导率测量是适用于各 种厚覆盖区戈壁、厚层黄土、厚层冲积物、厚层残坡积物等覆盖区〉找寻各种成因类型的 铜、铅、铮、金、银、鸽、锡等矿床的-种方法。以往作者曾对该方法的找矿效果、影响因 素及应用条件等进行过研究口，2 J本文着重阐述土壤电导率异常形成的基本原理，给出理 想模式，为异常的评价和方法的应用提供理论依据。 1 土壤电导率异常的形成原理及形成过程 深部隐伏的多金属矿床，可以视为一个置于电解质榕液地下水〉中的惰性电导体，矿 体与电解质溶液组成一个“电导池“。在这个天然的“电导池η中，必然存在着氧化-还原梯 度差，自然有电子从低电位→端通过惰性导体矿体〉流向高电位一端图1。电流的回 路由周围的电解液地下水中的离子来完成，即阳离子向导体矿体阴极一端移动，阴 1990年2月10日收稿，9月20日改回，刘宜河编辑。 68 桂林冶金地质学院学m1991年 m可一\地表臼然电位. \\/ _.Q /卢\\兰兰工 地面 / 01曰z曰a 国4日5回6 图I矿休周固元素电化学分散模式 据文献C3 修改 Fig. 1 Electrochemical dispersion model for elements around orcbody 1一等电位线2一电流3一阴极4一电子流; 5一阳极6一矿体 组成的金属矿体中，不可避免地形成微观原 电池图2。如果金属矿体中甲种矿物的电极 电位与乙种矿物的电极电位相比为负，当两 种矿物接触时，多余的电子将从甲种矿物向 乙种矿物移动，这就使得离子导电介质中的 两种矿物界面上的物质交换平衡遭到破坏。 为了恢复失去的平衡，在甲矿物的界面上， 要么离子介质中的某种组分发射电子，要么 固态组分被破坏而释放电子。无论何种作 川，均发生氧化电极反应，使甲种矿物的组 分或周围孔隙水的组分氧化。在多数情况 下，正电荷都从甲种矿物流向周围介质。在 乙种矿物界面附近有可能使正离子放电并以 固态形式沉淀在矿物上，或者使矿物的粒子 破坏而负电荷通过边界转移并在离子介质中 形成负离子，发生还原电极反应，使电流的 正电荷从孔隙水流向乙种矿物。与此同时， 离子向导体矿体阳极一端移动。于是在 自然界形成了一个“扰乱“电场。整个氧化 还原过程，使导体矿体〉产生电化学榕 解，原来介质中固有的物理化学参数发生改 变，如各种阴阳离子浓度增大。阴阳离子浓 度增大，必然导致电导率增高，在导体矿 体上方形成电导率异常【3J。 土壤电导率异常的形成是-个复杂的物 理化学过程，要经历4个过程z矿体产生陪 解→溶解物质迁移→物质在地表的转化→形 成电导率异常。 1.1 矿体的语解作用 促使矿体榕解的原因和方式是多方面 的，在不同条件下，起主导作用的因素也是 不相同的。 最普遍的榕解作用是矿体产生的微观原 电池的溶解作用[4]。当矿体埋藏较深时， 微观原电池作用是矿体发生榕解的主要形 式。微观原电池作用是由相邻矿物间的电极 电位差造成的。因此，在由不同电极电位矿物 a 彪祭这 ... ...宁 b 曰L曰2 2 矿物极观原电;也形成示意图 Fig. 2 Schcme showing the ation of primary cells of minerals 1一电子和负肖子的运动方向2一正离子的运动方向 罗先熔s土棋也导率异常的形成机理及理想模式69 第11卷第1期 在离子介质中正离子将从甲种矿物的边界移 向乙种矿物的边界，而负离子的移动方向则 相反。这样，在矿物的某一部位便构成了一个 微观原电池。矿体由多种矿物组成，由于各 种矿物具有不同的电极电位表1 .所以 在矿体各部分，只要在相邻的矿物间存在着 电位差，就会形成一个微观原电池。相邻 两种矿物电极电位差值越大，则所产生的 微观原电池的电流强度就越大，矿体的电化 学溶解作用也就越强烈。根据矿物的电极电 位值的大小顺序，将表l中主要金属矿物， 排列成如下的电化学系列z磁铁矿→辉铜矿 →磁黄铁矿→镇黄铁矿→方铅矿→黄铜矿 辉锢矿→闪辞矿。在这个矿物电化学系列中，凡是位于左侧的矿物，相对于右侧的矿物 而言，就是微观原电池的阴极p而右侧矿物相对于左侧的矿物来说，就是微观原电池的阳 极。在上述矿物电化学系列中，磁铁矿一般是阴极，而闪铮矿是阳极。其它矿物位于磁铁矿 和闪铮矿之间，一般相对于闪辞矿来说是阴极，而相对于磁铁矿来说是阳极。因此，在一个 简单的硫化矿物电化学体系中具有较高电化学电位的矿物形成阴极，而电位较低的矿物则形 成阳极。电化学溶蚀作用的结果，使得阳极硫化物被溶解，形成矿物的金属离子，在阴极硫 化物被分解析出硫离子。其化学反应式为z 在1主要金属矿物的电极电位eV[3] Tabe 1 Eectrode potentias of major meta1lic minerals e V - z , 』 -JMW 矿的电极电位 磁铁矿 磁黄铁矿 fii-铁矿 芮铜矿 辉铜矿 闪铮矿 方铅矿 镇货J夫矿 辉铝矿 十1.6010 .10 0.60土0.10 0.60土0.05 0.15士0.10 十0.1510.10 一0.05士0.10 十0.30土O.四 十0.04土0.05 十1.5010.05 阳极MeSMe 2SO 2e 阴极MeS2eMe 0 2 e 在这个微观原电池体系中，由矿物分解出的阴阳离子，被地下水循环作用，不断从矿物 表面带走，而保证矿物不断产生电化学榕解作用。在硫化矿物发生电化学路解过程中，除有 金属离子和元素硫外，还会出现大量的硫酸根离子。方铅矿、黄铜矿电化学榕解过程总的 反应式为z PbS 4 HzO→Pb z 十SO-8H十8e CuFeSz 4 H 20 2 Cu2十SO-8HI0e 由上述两个电化学反应式可看出，SO-始终是一种主要的成分。 另一种溶解作用是宏观原电池的溶解作用。主要发生在两种情况r一种情况是矿体跨 越两种不同的氧化-还原环境，比如，矿物跨越深部缺氧和浅部富氧的环埠，或矿体跨越砂 岩层与炭质岩层环境。另一种情况是，矿物中的矿物成分分带明显，存在着宏观的电极电位 差。这两种溶解作用是有条件的，矿体两端的极性随条件而定。 第三种榕解作用是氧或二氧化碳进入地下，增强了浅部地下水的溶解能力。当矿体埋藏 较浅时，这种含氧或二氧化碳的水对矿体的榕解比其他任何洛解作用都要明显得多。 在上述各种动力作用下，矿体产生溶解后，周围的水变为强矿化水，其特征是成矿元素 及其他与矿体关系密切的成晕离子浓度增高，电导率随之增高。模拟实验图3显示，矿 1991年 70 桂林冶金地质学院学报 体在经过人工电场的作用后，促使矿体 产生电化学分解，在矿体上方出现了明 显的电导率异常及相应的离子异常。{且 应指出，这是在人工电场作用下完成 的，不完全等同于自然界中矿体的溶解 情况。 1 .2 溜解物质的迁移 洛解物质在不同作用力的作用下向 地表迁移。一般情况，依以下3种方式 迁移1 地下水运动2 由故 度差造成的扩散作用3 由电动势 产生的离子迁移①。在一个完整的成晕 体系中，主要分为以下几个过程z 1 矿体产生溶解后，在矿体附 近聚集着高浓度的成矿元素及与矿体有 密切相关的成晕离子。此时，物质的迁移 主要是以浓度差造成的扩散作用为主。 在扩散作用下，各种成晕离子迅速向周 围介质扩散。 2 在扩散晕边缘，元素浓度呈不饱和状态，扩散力显著减弱。此时促使元素在地 下水中继续迁移的动力主要是大地氧化-还原场的作用。在这种作用下，向上部迁移的物质 主要是阴离子和络阴离子，而阳离子受阻。 3 当矿体周围存在多个微观原电池或明显的宏观原电池时，矿体的洛解以电化学作 用为主。此时，电化学榕解后的各种成晕离子主要是在电动力作用下迁移到上部土壤介质中。 在实际中，试图将电化学迁移产生的异常与其他迁移方式产生的异常区分开来，是不可能 的。它们是在同一体系中，几乎是同时发挥各自的作用，所以，绝对不可能忽视其他作用对 电导率异常的形成所起的作用，必须明确电导率的形成，不单是电化学作用所致。 除此之外，促使元素向上迁移的因素可能还有裂隙承压水、逸散气流、化学热和地热扩 散等。 4 在潜水面以上，毛细管水上升作用成为主要迁移动力。在干旱地区以及湿润地区 的干早季节，由于蒸发作用，毛细管水上升迁移持续不断，离子迁移速度相当快。毛细管水上 升高度取决于岩石孔隙，或土壤粒度的大小，孔隙越小或土壤粒度越小，毛细管水上升高度 越大。湿润地区毛细管水一般可达地表，干旱地区由于潜水面较低或土壤粒度粗，毛细管水 通常不能达到地表。 5 毛细管水上升极限至地表这一段，;j搭元素的迁移主要靠蒸发作用。 不同元素的迁移能力是有差别的。参考硅酸盐岩体风化的元素序列看到，由于5，Ca, 川 uw.川M“ n咱“.户 nν句‘u -to- 60 40 20 nhvaa 町，-nHHW E 町C。υWBOd 2 水位线节气L__，J___...L_ _ A __J- t . .拈土扣 。0 01矿l。-。-。。。i士- -I。叮叮- γTrJqL丘上。00 000 1 图3矿休产生电化学溶解作用的模拟实验图 Fig. 3 Model experiment for electrochemical solution produced by o.ebody ①桂林矿产地质研究院.与硫化物矿床有关的天然地电池.金属矿床地质勘查译丛，1985, 94“13R 第11卷第1期罗5t熔s土壤电导率异常的形成机理及理想模式71 Mn的迁移速度大于Cu，Pb, Zn, Fe, Mg等元素，在矿体埋藏较深的情况下，在地表能 够发现前一组元素来自矿体部分比后一组元素的含量要高得多。 1.3 表生带的转化 通过上述各种作用，各种元素组分被迁移进入土壤层后即进入一个新的化学环境。许多 元素原来的迁移形式遭到破坏以后，一部分被土壤吸附，另→部分与土壤胶体发生离子交换 反应，因此组成电导率的各种离子组分也随之发生变化。据彼列尔曼研究[5JCU2, Pb2. 等离子被土壤吸附的能力比Ca 2 ，Mg2, Na, K等强，所以当离子洛液进入肢体扩散 层时，吸附能力强的离子能够置换那些吸附能力弱的离子。例如z l胶粒-Cal川与l胶粒-叫Ca2 水榕液中成矿金属元素的减少，对电导率贡献明显降低，Ca和Mg等元素逐渐增加， 对电导率贡献增高，致使电导率的组分发生改变。 1.4 形成电导率异常 在上述3种作用过程结束后，电导率异常的形成过程基本结束，组成电导率异常的成晕 离子自然在地表某一部位高度聚集，而形成示矿信息较强的电导率异常。 2 土壤电导率异常的离子成分特征 为详细了解组成土壤离子电导率的离子组分特征以及这些离子组分的含量变化，对电导 率贡献如何，分别对不同地区的土壤进行了分析，并对分析结果进行了电算处理。由此得到 以下认识z 2.1 单个离子对总浓度的贡献大小 从地电化学成晕机制可推导出，电导率反映的实质上是样品中离子总浓度，或者说是各 个离子的总贡献。 对广西平桂-栗木56个、长江中下游46个及湘南粤北地区86个土壤样进行了离子组分分 析。分析结果表2表明z不同地区的土壤中水榕性离子对总离子浓度的贡献大小顺序是z 广西平挂地区Ca2S0-HCO;Mg2KCl- NaFe 3F-Mn 2 H 长江中下游地区HCO;Ca 2 SO- Cl- K Fe3 Na Mg2 F- Mn2H 湘南粤北地区SO-Ca2 HCO;Cl-KNaMg2Fe3F-H 表2显示，尽管土壤样品来自不同地区，但其中可洛性离子成分特征却类似。放度高的 离子主要为SO-，HCO, Ca 2 ;其次为Cl-，K, Mg2等H十的含量最低。 根据TurekianDavis，B.B。波利卡尔波奇金等人有关国外地表水和地下水离子组分含 量资料表2分析，水榕液中单一离子对总离子浓度的贡献由大至小的顺序为z 地表水HCOCa2Cl-NaMg2 SO- K自F-H; 地下水HCOCa2 SO-NaCl-Mg2KH 由此可见，各种离子的浓度不同，对总离子浓度的贡献也不同。土壤中各种可溶性离子浓 度与地表水和地下水的离子浓度的排列顺序有一致性。这种一致性说明，土壤、地表水、地下 72 地区介质项目 长游二txppro 江地 下巾x/ Ll1 区 fU 顺j言号 广平土文ppm 桂 西地x/ LCI 区壤 顺序号 湘粤土xppm 南北地王};C. 区壤 顺序号 地Xppm 国[6J表王LC. 7] 顺序号 外 地xppm 下x/LC. 水顺序号 桂林冶金地质学院学报1991年 在2不同地区土壤中离子及地表水地下水离子含量① Tabe 2 Co且tentsof ions n 窍门;1，sllrface 飞vateran1 undergroulld water in different regions H F-K HCO豆SOi-Mg2 Ca2 Fc3Mn2 Cl-Na立IIC 1.27 7.689 67.55 f43.75 131 4.125 3寻S.f354.75 2.0叮7.37543.23 1470.631 X 10-7 8.64 5.23 4.59 4.38 9.04 2.32 2.f2 3.73 1.40 6.62 6.62 x 1日-1X 10-3 X 10-2 X 10-1 X 10-7. X 10-2 X 10-1 X 10-2 X 10-2 -SO-Ca2Cl-Fe3 lvfg2 Na K H Mn2F- 其中，与电导率相关系数大于0.5的可榕性离子有SO-，Ca2;相关系数为0.20.5 的有Cl-，日CO，Fe 3, Mg2, K, Na气呈负相关的有H，Mn2, F-。 长江中下游地区2C;SO-HCO Mg2 Ca2Na tv1n2 K C1- H勺F-Fe3 其中，与电导率相关系数大于0.5的有SO-和HCO;;介于0.2O.5的有Mg2，Ca 2 1 N旷，Mn 2;基本不相关或呈负相关的有K\Cl-，H, F-, Fe 3 。 罗先熔z土壤l包导率异常的形成机理及理想模式73 第11卷第1期 由此可见，在不同地区，各种离子对电导率的贡献大小是不一致的。如平桂-栗木地区， 影响总离子浓度的主要离子是Ca 2 ，SO-，HCO;, Mg2, K，与电导率最为相关的离 于是SO-，Ca2, Cl-, HCO;。而在长江中下游地区，与电导率最为相关的离于是z SO-， HCO;, Mg2和Ca 2 。另外，离子对电导率贡献大小的排列顺序也发生了改变。这 说明，在不同地区，不同景观条件下提供给电导率的各种离子的含量大小是可变的，因而各种 离子对电导率的贡献大小也随之变化。如表3所示，不同矿区的土壤电导率与水洛性离子的 相关系数具有明显差异。例如，广西六合增锡矿区控制电导率的离子组合为SO-，Ca 2 , Fe 3, HCO;, JVIg2，湖北阳城矿区SO-，Mn 2 ，Ca 2 ，K与电导率密切相关z安徽铜 陵金口岭砂卡岩型铜矿Ca 2 ，Mg2, Na, HCO;与电导率密切相关。总之，随着矿床 类型和地质景观的改变也导率的离子组成是有所变化的。但从提供给电导率总离子组 成特征来看，不论什么地区，何种矿床类型，部是严格受一套固定离子群可溶性阴离子 团SO-反HCO;，卤素C仁，F-及碱金属或碱土金属阳离子Ca 2 ，IvIg2，K及Na等所 控制。对其地球化学行为进行Jjt合分析研3后证明，无论是在矿床形成过程中，还是在矿体形 成之后，在所产生的地电化学溶解及其他方式的路加过程中，这圣j离子群与矿源都有密切的内 在联系。因此，在解释电导率异常时，→定要结合实际地质情况，抓住电导率的起因，做出 正确的判断。 8 土壤电导率异常的理想模式 根据上述所探讨的电导率形成过程及其 离子组成特征的研究，参照硫化物矿体周围 元素分散和自然电位异常的理想模式[1] 将形成电导率异常的过程用一方框图宣观表 示图4，并整理归纳成如图55斤示的理想 在3不同矿区土壤离子电导卒与各 类水，.If生组分间的相关系主之 Tabe 3 Correlation coefficient between s司i ionic conductivity an过variouskinds of soIub1e compositions in differenmining districts 离子Frg可珊安徽南北 组分六合拗/、金口岭旧城 W -3.03 0.59 -0.09 -O.O -0.30 Ca2 0.79 0.83日.630.95 0.35 Mg2 0.34 0.64 0.34 0.83 0.11 Na -0.03 0.57 0.32 0.76 -0.04 K 0.19 0.32 0.24 0.25 0.24 Mn2 0.73 -0.04 0.55 A恤9“2u4- 4i14nuJnuu .... nHU内HunHunHV nxum反“nλMmλ“ 乓drO 句3nL .... 向川UnHU内HUnHU 〈JA 噜 QJ4i qdAA『roro .... 向HUAHU向HU川U QJ。。，，。句3 nurOOOA 斗 .... nHunHunHunMU OBqd『dnU A锦州 3巧，。3 .... nHvnHunHunHV - O- dC情『 FHgF C1 CI 0.35 0.31 0.45 0.50 -0.0 0.96 0.97 0.93 0.89 -0.96 阐再豆1it1 l可溶性离子总和 尸Ol-，H叫F-ι| Na, K, Mg2, Mn2, H等| l 示矿离子表现形式 二二→L一一一一_1_一- i ttg，*可一问代半年用l j 二十一|物质在地丧转化l l玩再王II干副局-1阿瓦函| I 4为质移动 lF面I翌li\1tlI I ffu{F I ↑矿体溶解 一一_1一一 矿体 图4土嚷电导卒异常秒成过程框图 Fig.4 Block schemc showing the process of the ation of conductivity anomay in soilcover -1 .... 图 式模晕 成层 形成过程 各种作用力 成最物质特征 各种作用力的结果 位 土 壤 501-, HCO, Caz, Mgz, K, Na等可i容性离子高度 集中 迁移物质进入一个新的 土壤吸附f信用，胶体 物表 的 转 质 在 层 地球化学环境 代换 前立阶叭即捧回怅野惊奇EE拉 w飞 L旬 高浓度成矿元素相对降 低，电化学成晕离子浓 成矿元素及其他电化学 成晕离子，在各种动力 作用下，通过各种渠道 电动力作用，地下水 运动，扩散作用，近 化 地 n溶 解 物 度相对增高 地表蒸发作用 高含llPb，Zn, C口， 等成矿元素，及50l， CaZ, Mgz等离子电 向地表土壤层迁移 成矿元素及与矿体有密 切关系的电化学成晕离 在矿体周围聚集高浓度 宏观原电池作用，微 观原电池作用，其他 非电化学作用 移 生 质 {;,; 亏X J 矿 导率值高 子 8 因 7 图5土嚷离于电导卒异常形成理想模式 The theoretical model showing the ation of soil ionic conductivity anomaly 1一硫化物矿体2一阴极3一电子流4一等电位线5一离子高浓度密集区; 6一成矿金属元素7一离子迁移方向及离子通道8一电导率 因 6 囚 5 3 因 2 巴 1 Fig.5 回 第11卷第1期罗先熔g土壤电导率异常的形成机理及理想、模式75 模式。该模式图以简要的文字和图示形式，显示了矿体经过多种溶解作用后，在各种动力作 用的驱使下，使物质向地表迁移，在地表土壤发生一系列反应，最后形成电导率异常的过程。 4结论 电导率异常的形成是一个物理化学转变过程，从矿体产生溶解到与矿体有关的各种成 晕离子转化成为电导率异常，大致经历了4个过程，即矿体溶解溶解物质迁移→物质在 地表转化→形成电导率异常。从而把电导率异常看成是由于各种动力综合作用下，将那些 与矿体有密切相关的各种成晕离子迁移到地表积累转化的系列总产物，得出电导率异常是一 个示矿信息很强的综合地球化学指标。因此，在厚覆盖区利用电导率异常寻找深部隐伏盲矿 能发挥独特的找矿作用。 土壤离子电导率，虽是一个物理参数，但实质上反映的是多种地球化学成分。从对土 壤离子电导率组成特征的分析得知，组成电导率异常的离子是受一套固定的离子群所控制 的，只不过在不同地区、不同矿床，各离子含量大小有所不同，对电导率贡献有差异而已。 参考文献 1 罗先熔.厚层覆盖区壤中电导卒测fZ找矿研究及找矿效果.地质与勘探，1987, 23 3 60-..,64 2 罗先熔.土壤离子电导率测量找矿的影响因素、应用条件、找矿效果.地质与勘探，1989, 25 3 4246 3 Govett G J S. Detectio且ofdeeply buried and blind sulphide doposits by皿easurementof H and conductivity of c10sely spaced surface soil samples, Geochemexplor, 1976, 6 359382 4 雷斯旧C若;张肇元，崔林沛译.地电化学勘探法.北京地质出版社，1986.12 5 波利尔曼AN.后生地球化学.北京地质出版社，1975 6 波利卡尔波奇金BB若;吴传壁，邱郁文译.次生分散带和分散流.北京1地质出版社，1981.3 76 桂林冶金地质学院学报 MECHANISM OF THE ATION OF CONDUCTIVITY ANOMAL Y IN SOILCOVER AND ITS THEORETICAL MODEL Luo Xianrong Insfitute 0/ Hidden Ore .Deposits Prognostication. Guilin College 0/ Geology Abstract 1991年 On the basis o[ the theory of electrochemical halo the basic principle and the process of the ation of conductivity anomaly in soilco er and ionic composi tion charact巳risticscomposi ng cond u cti vi ty anomaly are explained. Based on tested results of soluhie iOlls in soilcover and soil conductivity at home an abroad, the correlation of conductivity anomaly with the ionic composition is given and the theoretical model of the ation of conductivity anomaly in soilcover is set up. Research resu1ts show that the ation o[ conductivity anomaly is not a simple transfomation process of secondary geochemical anomaly. Cond uctivi ty anomaly ed by transation from the solution of orebody into various kinds of halo- ng ions goes throu th four physicoch巳micalprocesses. Conductivity anomaly, as a physical parameter, essentially ref1ects various chemical compositions and is controlled by a suit of fixed ionic groups. Key \Vords soil; conductivi ty anomaly; theoretical model, geochemical exploration