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桂林工学院 硕士学位论文 土壤离子电导率法成晕机制、方法技术及找矿研究 姓名唐启亮 申请学位级别硕士 专业地球化学 指导教师罗先熔 20070401 桂林5 - 学院硕士学位论文 摘要 土壤电导率找矿法是利用测定土壤溶液的导电性来发现隐伏矿体的一种找矿新方法， 该方法前人已作过许多的找矿研究，且找矿效果十分明显，尤其在隐伏矿床方面，本次研 究主要是在方法的成晕机制、成分特征和可行性研究方面作一些讨论和总结，并应用该方 法进行了找矿预测研究。土壤离子电导率的形成可大致分为以下四个过程地下矿体发生 溶解，溶解物质向地表迁移，物质在地表的转化．形成离子晕。隐伏矿体的溶解主要是一 个电化学溶解过程。电化学溶解产生的金属离子，在各种自然营力的作用下向近地表迁移。 迁移方式有离子扩散作用蒸发作用；毛细管作用；植物的根系吸收；地下水循环氧 化还原电位梯度气载迁移等。金属离子的迁移过程是一个综合作用的过程，以上几种作 用方式都会起到作用，但是由于环境 温度，压力、地下水的发育程度等 的不一样，各 种作用方式发挥作用的大小就不同，但是只肯定其中的一些作用方式，认为物质的向上迁 移只是某种或某几种作用方式的作用结果，而忽略其它作用方式显然是片面的。同时在此 基础上构建了电导率异常形成机制综合模型图。在离子成分特征方面，通过研究可以认为 不论什么地区、何种矿床类型，离子电导率都是严格受这样一套固定离子组合所控制可 溶性s 0 4 2 - 、H C 0 3 ’阴离子团，c l 一、F ．卤素及碱金属l ．、N a 碱土金属c a 2 、M f 等影响， 而成矿元素对电导率贡献较小。在方法可行性方面，针对不同矿种 金、银、钨、锑、铅、 锌等 开展工作是可行的；对于寻找不同厚度覆盖层的隐伏矿体是可行的；在我国大部分 地区开展工作也是可行的；最后进行了方法找矿预测研究1 在湖南省衡南县刘湾南部 地区，通过土壤离子电导率测量法在1 5 线和4 线圈出异常靶区，为矿区找矿提供了重要 信息。2 在云南木利三号背斜地区，通过土壤离子电导率测量法在三号背斜地区圈出的 I 号异常靶区，该地区3 线和4 线，推测是寻找隐伏锑矿的最佳部位。3 在安徽血河大 巩山未知区，通过土壤离子电导率测量法在未知区圈出三个小型金矿靶区。 关键词土壤离子电导率；隐伏矿床；找矿研究；找矿预测 I l 桂林工学院硕士学位论文 A b s t r a c t T h em e t h o do fm e a s u r i n gt h ei o n i cc o n d u c t i v i t yo fs o i li sap r o s p e c t i n gm e t h o df o r d i s c o v e r i n gh i d d e no r e b o d i e sb yu s i n gd e t e r m i n a t i n gt h ei o n i cc o n d u c t a n c eo fs o i l ．t h ef o r m e r h a sd o n et h i sm e t h o da n df o u n dt h eo r ev e r yw e l l ，e s p e c i a l l yi ns e a r c hf o rb u r i e dd e p o s i t s ， T h es t u d yd i s c u s s e sa n d s u m m a r i z e sh a l o f o r m i n gm e c h a n i s m 、c h a r a t e r i s “ t i c so fi o n i c c o m p o n e n t sa n da v a i l a b i l i t i e s ，f i n a l l yp r o s p e c t sh i d d e nd e p o s i tw i t hi t 、T h ef o r m i n gc a nb e a p p r o x i m a t e l yd i v i d e di n t of o u rp r o c e s s e s t h ed i s s o l u t i o no f h i d d e nd e p o s i t 、t h em o v i n gu p o f d i s s o l u t i o n 、t h et r a n s l a t i o ni nt h ee a r t hs u r f a c e ，f o r m i n gh a l o ．T h eh i d d e nd e p o s i td i s s o l v e s b e c a u s eo fm i c r o b a t t e r y ．m a c r o b a t t e r y ；T h ed i s s o l u t i o nm o v e su pd u et om a n yk i n d so f f o r c e s ，t h e s ef o r c e sm a i n l yc o m p r i s e e l e c t r o c h e m i s t r yf o r c e ．d i f f u s ef o r c ea n dg a st r a n s i t t i n g e r e ．T h em o v i n gu po fd i s s o l u t i o ni sv e r yc o m p l e xp r o c e s s ，t h em a i n e s tf o r c ei sd i f f e r e n ti n d i f f e r e n ta r e a sa n dd i f f e r e n td e p o s i t s ．As e r i e so ft r a n s l a t i o n sh a p p e nw h e ns u b s t a n c eg e t st o t h ee a r t hs u r f a c e ，f i n a l l yi o n h a l of o r m s ．I ni o nc o m p o n e n t ，t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ei o n i c c o n d u c t i v i t yo f s o i li sc o n t r o l e db yas u i to ff i x e di o nc o m b i n a t i o ni n c l u d i n gs o l u b l eS 0 4 ’、 H C 0 3 ’a n i o ng r o u p ，h a l o g e nC I 。．F a n da l k a l im e t a l sK 、N a ，a l k a l i n e - e a r t hm e t a l sC a 2 、 M 9 2 e t c ．h o w e v e r ，m i n e ．e l e m e n t s ’c o n t r i b u t i o ni sn o ti m p o r t a n tt ot h ei o n i cc o n d u c t i v i t y ．I n t h ea v a i l a b i l i t i e s ，t h em e t h o di se f f e c t i v ei nd i f f e r e n to r e s ，t os e a r c hh i d d e nd e p o s i to f d i f f e r e n t d e p t h ，a l s oi nm o s ta r e a so fo u rc o u n t r y ，F i n a l l yp r o s p e c t i n gh i d d e nd e p o s i tw i t ht h em e t h o d ．． 1 p r o s p e c t i n ga b n o r m i t yt a r g e t w i t ht h em e t h o di nL i u w a n H e n g n a n H u n a n p r o v i n c e ．s u g g e s t i n gv a l i d a t i n gt h e m t og i v et h ei n f o r m a t i o nt ot h e m ．2 I na r e ao fM u l i Y u n n a n ，p r o s p e c t i n ga b n o r m i t yt a r g e tw i t ht h em e t h o d ，e s p e c i a l l y ，o nt h el i n eo f t h r e ea n d f o u r 3 p r o s p e c t i n gt h r e em i n i t y p eg o l dm i n et a r g e t w i t ht h em e t h o da n do t h e rw a y si n D a g o n g s h a nW u h eA n h u ip r o v i n c e ，s u g g e s t i n gv a l i d a t i n gt h e m ． K e y w o r d s I o n i cc o n d u c t i v i t yo fs o i l ；H i d d e nd e p o s i t ；S t u d yf o ro r ed e p o s i t s ；P r o s p e c t i n gf o r o r ed e p o s i t s 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在罗先熔教授指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了 谢意。 学位论文作者 签字 鏖垒丕 签字日期 丑丑。厶 壶 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即按照学校要 求提交学位论文的印刷本和电子版本学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提 供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 保密论文在解密后 遵守此规定 学位论文作者 签字 指导教师签字 签字日期 桂林工学院硕士学位论文 1 ．1 选题的目的意义 第一章绪论 随着人们对于矿产资源需求的增加和地表出露矿的日益减少，找寻深部矿以及运积 层覆盖下的隐伏盲矿的任务便显得日益重要。长期以来，厚层覆盖区的找矿一直是地质 工作的一个难题。因此，这使许多人从不同领域探索解决这～问题的方法。 隐伏矿的深部定位预测一直是矿产资源预测中的一项急迫而又艰难的课题，而探索 矿体空间定位机制和定位规律与表征方法、多源预测信息的有效提取与优化方法、隐伏 矿体定位预测的有效方法组合是今后隐伏矿定位预测的发展趋势。近年来发展了一系列 寻找隐伏矿的新方法，如酶浸提取法、元素有机态法 M P F 、活动金属离子法 M M I 、 金属活动态法 M O M E O 、地气法 G E O G A S 、生物地球化学法、离子晕法等。这些方法 在操作上均在地表取样，适用于地表厚层土壤覆盖区，并且需要一系列高精度的分析手 段，虽然都取得一定的应用效果，但成本较高，并不能广泛采用。而地电化学方法是将 地球物理、地球化学和电化学综合交叉为一体的找矿方法。包括土壤离子电导率测量法、 地电化学提取法、元素存在形式法、地电化学极谱法及热磁地球化学法等。其中土壤离 子电导率测量法在厚层覆盖区找隐伏矿床效果较好，尤其是在那些常规的物化探方法解 决不了的困难地区，本方法更能发挥其独特性。～般都是垂直于矿体上方电导率异常清 晰，很能直观的反映矿体赋存位置。该法前人已经做了很多工作，而且取得了一定的成 绩，但仍存在～些不足，如土壤离子电导率机制、野外工作、室内实验等方面。此次 研究主要是尽量完善该法。 1 ．2 相关的研究进展 1 ．2 ．1 方法提出及在国外的发展 土壤离子电导率测量法首先是由澳大利亚的G ．J ．S ．G o v e t t 在1 9 7 1 年提出来的，按 G o v e t t 提出的原方法应是壤泥浆电导率及H 浓度普查法。 1 9 7 1 年G ．J ，S ．G o v e t t 等人根据电化学溶解的理论，为查明硫化物矿床次生分散f 用 的可能电化学机理，开始了一系列岩石固体中硫化物矿体模拟实验，结果发现硫化物矿 体周围的电位和次生晕之间有一定关系，即电化学反应的结果可能使硫化物矿体的元素 l 桂林工学院硕士学位论文 发生分散，从而肯定了元素以电化学迁移机制的存在。模拟实验在人工电槽内进行。用 人工海水或去离子水作为水相，用玄武岩石英长石斑岩和石英砂岩作为基质，在电槽中 心部位加入2 0 0 网目的尼龙纱包卷成的筒状硫化物矿粉，观察其电位变化情况，了解矿 体上的岩石覆盖层的导电性是否高于离矿体远一些的岩石。经在实验槽里取样分析，发 现在最靠近硫化物矿体的地方导电性明显增；虽【“。 1 9 7 6 年G ．J ．S ．G o v e t t 等人在加拿大马里巴省弗林弗伦的白湖C u 。Z n 硫化物矿床上进 行了研究，他们通过测定地表土壤样品的电导率来寻找深埋的和盲的硫化物矿床，结果 在隐伏矿体上表层土壤中发现了很好的电导率异常，并且通过对电化学分散机理的研 究，提出了深埋的硫化物矿体元素的分散是以电化学作用为主1 2 ] ，提出的分散机理与观 察到的地球化学结果是一致的。 1 9 8 1 年加拿大多伦多大学地质系的E S i v e a s 和F w B e a i e s 对于硫化物矿床有关的天 然地电池进行了室内模拟理论性研究，研究结果指出了任何导体或半导体硫化物矿体都 可起到一个地电池的作用，可以产生电位口】，在以往类似研究中，如S a t o 和 M o o n e y , H a b a s h i ．L o g v 等人都认识到了矿体对电位的产生所起的作用j 对硫化物矿体周 围所产生的电位提出了两种机理氧浓差电池和硫化物原电池。1 9 8 2 年E S i v e n a s ’和 F ．w ．B e a l 在室内理论研究的基础上，在美国V i b a r h u m t r e e m d 铅矿上进行了野外测量研 究，进一步证实了硫化物矿床地电池的存在，并提出氧浓差电池和硫化物原电池是矿石 电位的总和的认识I 引。 1 9 8 3 年加拿大地球化学家B ．W ．S m e e 用实验的方法研究地电化学作用，得出了由于 地电化学驱动作用使得覆盖于冰湖沉积物下的离子穿透迁移到地表的能力增加的结论。 该结论的模拟实验是从加拿大魁托克省诺兰达之北采回一块3 4 0 0 c m 3 淤泥状冰川湖积 物，将这种至少含有两整套薄层状淤泥的块体用电工刀切成2 c m 厚的薄片，将去离子水 与沉积物薄片搅拌制成泥浆，然后装入一个直径2 0 c m 、高度4 0 c m 的有机玻璃圆筒中， 使之沉淀，因容器底部处于真空，放掉多余水，便形成由下至上的石英矿一粗粒一粘七颗 粒序列。该过程反复多次直至形成1 0 c m 的纹泥沉积物柱体，让沉积物稳定三个星期， 便放入要研究的各种离子，接通1 5 5 V 的直流电源，实验观察约一年后，便在实验圆筒 中测出了清晰的电位模式，在矿石层中实验进行1 0 0 天后出现清晰的弓形电位模式。这 种模式随着实验的进行基本保持不变，只是负电场的强度随时问增加。实验结束后，从 粘土层中取7 个样品进行分析，得到由于电化学驱动作用产生的离子扩散迁移模式，从 2 桂林工学院硕士学位论文 而支持了离子地电化学迁移的理论。该实验结果与O o v e t t 、B o l v i u e n 和L o g n 最初提出 的离子电化学迁移理论是吻合的。根据考察扩散数据得到的计算结果表明，在厚层粘土 覆盖区分析地表物质得不到贱会属异常，而用去离子水将有机土壤制成的泥浆测定电导 率，可在硫化矿物上测出明显异常。为了验证模拟实验结果， B ．W ．S m e e 等人在加拿大 魁北克省诺兰达西北约5 0 K M 的一个块状铜锌硫化物矿床上进行了工作。该矿床被厚达 3 - 2 0 m 冰川湖积淤泥层所覆盖，利用常规的土壤测量，未能发现隐伏矿体，而用土壤离 子电导率测量则揭示了隐伏矿体的存在【4 I 。 1 9 8 4 年G J ．S ．G o v e t t 等人在澳大利亚新南威尔士的一个块状硫化物矿床上进行了研 究，结果证实了在块状硫化物矿体周围存在地电化学异常，在硫化物矿体上方测出了明 显的电导率异常。这一研究结果正广泛应用于澳大利亚许多地区，利用这一方法可在澳 大利亚经济、快速地勘探隐伏硫化物矿床。 1 9 8 7 年，QJ ．S ．G o v e t t 和P ．R ．A t h e r d e n 对澳大利亚昆士兰州塔朗加 T h a l a n g a Q u e e n s l a n d ．A u s t t r a l i a 盲矿的勘查方法进行研究，得出了地电化学作用过程形成的分散 模式，即块状硫化物矿体之上相对低离子值，并具有侧向峰值，叫做“兔耳”异常。 表土中H ，C u 2 和Z n 2 的“兔耳”异常出现在硫化物矿带上方，在盖层相当深的地方， H 模式更加清楚 异常宽约5 0 0 m 7 。C u 异常宽3 0 0 - - 6 0 0 m ，Z n 异常宽4 5 0 - 6 7 5 m 。即使 覆盖达5 0 0 m ，不规则的矿和Z n 2 “兔耳”异常也清晰可辨【l 】[ 2 1 。 1 9 9 8 年，S ，M ．H a m i l t o n 经过对冰川覆盖地区隐伏矿床的研究，认为在厚层覆盖物 中存在有逐渐增加的氧化还原梯度，是形成地电化学异常的主要因素，是离子迁移 的主要驱动力。在深部还原剂较为充足和浅部氧化剂较为充足的原始氧化还原场中，基 岩中的陡倾斜导电体 如石墨或多金属硫化物 起到一个阳离子从阳极迁移到阴极的“短 路”作用【5 1 。该模式对G o v e t t 1 9 7 6 、8 m e e 1 9 8 3 等提出的与矿化有关的地电化学 异常模式是一个重要补充。 1 ．2 ．2 方法在国内的发展 桂林工学院罗先熔教授从1 9 8 2 年起先后在河北、山东、山西、新疆、青海、湖北、 湖南、江西、浙江、安徽、广东、广西、云南、贵州等省 区 3 0 多个矿区的不同类型 隐伏矿上进行了土壤离子电导率测量找矿可行性试验研究，取得了大量的实际资料和研 究成果【6 】。并于1 9 9 6 年出版了地球电化学勘查及深部找矿一书，其中的第二篇，土 桂林工学院硕士学位论文 壤离子电导率测量法对该方法的成晕机制、技术条件规范等方面作了系统、全面、深入 的阐述。该书对该方法的推广应用起到了重大的指导作用。 2 0 世纪8 0 年代以来，桂林工学院隐伏矿床研究所在华北平原、长江中下游平原厚 层冲积物、淤积物覆盖区、华南、西南丘陵及山区厚层残坡积物覆盖区、西北厚层黄土 及戈壁覆盖区进行了铜、铅、锌、金、钨、锡、锑、汞、砷等金属矿床普查找矿研究， 在3 8 个厚层覆盖区发现了4 8 个具有找矿前景的异常靶区，在进行深部验证的1 0 个异 常中，有6 个异常见有隐伏的铅、锌、金、银、钨、锡、锑的工业矿体【6 l 。 地质矿产部物化探所刘吉敏、刘占元等人也曾做过～些方法找矿试验工作，并在新 疆取得了较好的找矿效果。武警黄金地质研究所李习安等人 1 9 9 1 年 利用电导率测量 法在内蒙古乌拉山、大青山绿岩型金矿上进行试验研究，发现土壤和岩石的电导率异常 与金矿体在空间上具有较好的对应关系[ T 1 i s ] [ 9 1 。 中国科学院地质研究所的沈远超等人自2 0 世纪8 0 年代中期以来进行危机矿山深部 定位预测研究中，利用地电化学参数法 电导率法 在新疆哈图、吉林夹皮沟、山东乳 山、山东临沂等地得到了很好的应用效果I l o l 。 总之，该方法经过这些年发展己逐步趋于成熟，但仍然有些问题值得我们去探讨和 研究。 1 ．3 研究方案及主要研究内容 土壤离子电导率测量法是地电化学方法的衍生方法，我们用该方法在不同的地区， 不同的们蒯嘲越行了试验和应用，取得了明显的实效。 本次研究的主要内容包括； ①、再清方法技术的基本原理； ②、掌握方法技术的操作应用 ⑨、探讨方法技术的影响因素、应用条件、真假异常判别； ④、进行方法可行性的找矿试验研究； ⑤、建立方法找矿预测理论模型； ⑥、结合各区地质条件，进行方法在该地区找矿预测研究。 1 ．4 预期达到的目的 通过本次研究，预期达到以下目的 桂林工学院硕士学位论文 ①、理论研究与实验相结合，更深入总结方法的成晕机理。 ②、制定出测量法的规范化、标准化方案，以期作为一套成型的科学技术提交给广 大的地质科研、生产单位，以便推广运用。 ③、通过方法找矿可行性研究总结方法在不同矿种的应用效果，及方法对不同埋深、 不同覆盖景观的矿床的应用效果，便于方法的大规模推广使用。 本次论文主要采用的研究方法主要有 ①、理论研究大量收集前人资料，在系统地总结前人所做工作及取得的成果的基 础上，结合本次实验研究成果，使离子成晕理论系统化，进一步完善成晕机理。 ②、室内模拟在室内进行了矿体电化学溶解的模拟实验，进行金属矿体的电化学 溶解研究。 ③、野外试验大量开展野外工作，采集不同深度的土壤样品进行对比研究，并在 野外进行了己知剖面上的方法可行性研究和未知区的找矿预测研究。 ④、室内测试研究主要是室内测试样品，通过对比研究，得出方法的室内标准分 ．析流程，以便实验数据的可比性数据及方法的大规模推广运用。 1 ．5 主要开展的工作及完成工作量 1 完成工作量统计表 矿区名称野外．J 作时 测线剖强采集样品备注 间 ‘ 条数总长度 m 个 安徽五河大巩2 0 0 3 矩 1 1 条6 3 4 0 m 3 1 8 个 室内测试工 山金矿区 1 0 ．8 ．3 ．2 I 作由作者在 湖南衡南县刘 2 0 0 4 年5 条 5 2 6 0 m 2 6 3 个 桂林工学院 湾矿区 3 ，1 6 - 4 ．2 3 资环系勘查 地球化学实 云南木利锑矿 2 0 0 5 年1 0 条 5 6 0 0 m 2 7 9 个 验室完成。 矿区8 ．1 0 - 9 ．2 0 桂林工学院硕士学位论文 1 ．6 、取得的主要成果 1 ．6 ．1 理论成果 1 系统地阐述了土壤离子电导率的基础理论，在成晕机理方面认为深部矿体 离子晕的迁移机制主要为电化学场的作用和地气的搬运，改变了以前单一的电场作用机 制的认识； 2 在离子成分特征方面尽管地区不同，但电导率都由以下一套可溶性离子控 制可溶性S O , } 、H C 0 3 “ 阴离子团，C l - 、F 一卤素及碱金属K ’、N a ，碱土金属C a 2 、 M 9 2 等。 3 通过室内和野外的实验研究，论述了土壤离子电导率成晕机理。作者认为 矿体在受到电化学作用，在矿体周围形成离子晕，在电化学电场、地气搬运、地下水运 动、毛细管等各种自然营力作用下迁移到近地表，土壤离子电导率成晕的物质来源就是 这种近地表的离子晕，该离子晕异常来自于深部矿体。如果地下深部有矿体存在，矿体 电化学溶解产生的离子就会源源不断地向上迁移，形成动态平衡的离子晕。尽管单个离 子的迁移速率较小，迁移距离较短，但无数个离子的相互传递，即可完成长距离的搬运。 1 ．6 ．2 方法技术成果 1 通过实验对比研究，总结出统一的室内分析流程，即称取l g 过1 0 0 目的土样， 放入1 0 0 m l 的玻璃杯中，加入1 0 0 m l 去离子水，用磁力搅拌器搅拌l m i n ，静置3 0 s ，将 电导率电极插入溶液中读取电导率值。 2 通过在不同景观区和不同厚度覆盖层隐伏矿床上进行的实验研究和勘查实例 的总结，对土壤离子电导率方法技术用于寻找隐伏矿床的可行性进行了系统的试验研 究，得出了利用该方法技术来寻找各种隐伏矿床是有效可行的。在此基础上，进行了土 壤离子电导率方法技术的规范化和标准化研究。 1 ，6 | 3 方法应用成果 1 通过在厚层残坡积物覆盖区，森林沼泽区、岩溶地区、冲积平原区、干旱荒 漠戈壁区等5 种景观类型的已知剖面上开展的找矿可行性试验研究，得出利用土壤离子 息导率测量法在上述不周的景观区开展找矿预测工作是可行的， 2 在找矿预测研究方面A 在湖南衡南县刘湾矿区的1 5 线和4 线圈出异常靶区。 6 桂林工学院硕士学位论文 B ．在云南木利三号背斜地区圈出的I 号异常靶区。C ．在安徽血河大巩山未知区圈出三 个小型金矿靶区。 1 ．7 本论文的创新点 通过试验研究，对土壤离子电导率成晕机制作出了新的解释。 1 认为深部矿体离子晕的迁移机制主要为电化学场的作用和地气的搬运，改变 了以前单一的电场作用机制的认识；同时完善了野外和室内工作方法。 2 矿体产生电化学溶解， 然后经过电化学电场、地气搬运、地下水运动、毛细 管等各种自然营力作用下，使得离子就会源源不断地向上迁移，在地表形成离子晕异常。 在此基础上作者构建了电导率异常形成机制综合模型图。 桂林工学院硕士学位论文 第二章方法基本原理及成晕机制 2 ．1 基本原理 土壤离子电导率测量是地电化学测量法的一 种。该方法主要依据以下原理设计当隐伏的矿 体位于潜水面或岩石之下，在裂隙水发育或土壤 饱和水条件下，相当于把一个惰性电导体置于电 解液中，电子从电导体的电位低的一端 矿体的 底部 流向电位高的一端 矿体的顶部 ，这样围 绕矿体的阳离子必须完全向上迁移，阴离子完全 向下迁移 图2 ．1 ，以保持电中性，正是由于这 种电化学溶解作用，促使矿体和疏松沉积层中的 阴阳离子按一定规律迁移和分布，便形成一个扰 乱电场，使得岩石和土壤中原有物理化学参数发 生变化，如各种阴阳离子的浓度增大，这些离子 ／＼竺竺 地I 舢 日，囝t 圈a 囡t 口s 囤 图2 - 1 矿体周围元素电化学分散模式 卜等电位线2 一电流；3 一阴极；4 一电子流 5 一阳极；6 一矿体 的电导率也随之增高，可见土壤离子电导率能较好地反映出土壤中所有可溶性离子的浓 度，由此可以推出，电导率异常应是多种离子成晕作用的总产物，是一个示矿较强的物 理化学综合指标，反映矿化信息远比单元素反映的要强，一般在常规物化探方法难以突 破找矿的复杂地区，电导率测量便能显示特殊作用【6 1 。 2 ．2 土壤及其形成 在应用土壤离子电导率法进行找矿过程中，主要是以土壤作为介质；同时在野外、 室内分析，都离不开这种介质，所以首先应该对土壤及其形成进行一定的了解。 土壤是在岩石风化的基础上通过成壤作用逐渐形成的。土壤由矿物质、有机质及土 壤溶液和土壤空气等部份所组成，但是，矿质和有机质是土壤的主体和物质基础。 土壤矿物质，包括原生矿物 如石英、云母等 和次生矿物 如高岭石、蒙脱石等 两大 类，不同气候带不同类型的土壤中，土壤的矿物成份不完全相同。土壤的有机质，包括 非腐植质 如蛋白质，碳水化合物，脂肪等 和腐植质两类有机物质。腐植质是微生物活 桂林工学院硕士学位论文 动的产物，一般不易为微生物所分解，是土壤有机质的主体。 在岩石矿物J x L 化和成壤过程中，可溶性碱及二氧化硅、三氧化二铁、三氧化二铝等 相继成为游离状态，并且产生各种不同的次生矿物。同时由于有机质的分解和腐植质的 形成，产生各种无机酸和有机酸及其盐类。在这些物质的基础上，通过淋溶和淀积两方 面的作用，逐渐形成土壤发生层。 在土壤发生层的上层，由于下渗水流的作用。不仅可溶性碱，而且胶状倍半氧化物 及二氧化硅和粘土质点等成分，随水下淋。由于植物残体的聚积和细菌分解作用，使下 渗水具有更强的游蚀作用。这样 宵机质层 昭色层 浸 浅色层 度 尺 淀积层 母质层 F e 2 0 3 ％ 在上层就形成淋提层 或称溶提层 ，通常以A 表示。因此在A 层中，上部为富含有机质 的暗色层 A 1 ，下部由于粘土矿物、铁锰倍半氧化物及有机质大量被淋提 包括微量元素 而成浅色层 舢 。它主要由砂 二氧化硅 组成并含有一定数量的粘土，粘性差、较松散 为A 2 层的另一特点。A 2 层厚度多小于3 0 公分，在气候潮湿的情况下，土壤发育成熟， A l 与A 2 层均可见。但在干旱地区或成壤不充分的地段，A 2 层可能缺失。 由A 层淋提下来的倍半氧化物及粘土质点，在其下淀积，因而在淋提层下出现淀积 层，简称为B 层。在B 层因更富含粘土，粘性强，具有粘土结构，由于铁、锰的倍半 氧化物的存在而使土层呈黄褐色、棕褐色。至于有机质很可能在A 层即完全分解为二氧 化碳与水，但也可以转移至B 层。除了可通过下渗水将上层物质转移至B 层外，有时 下伏层位中的可溶性物质靠地下水循环也可带至B 层淀积下来。 在B 层以下为淋溶和淀积作用均不发育的C 层。在C 层含有风化程度不等的，部 分被分解的岩石，C 层是形成A 层、B 层土壤的“母质”，故有母质层之称。在C 层有 机物含量最少，所含粘土也往往比B 层少，并比B 层颜色浅，有时尚部分保留原岩的 9 一匪燃匪小匪删霉匿 桂林工学院硕士学位论文 结构构造。 由上所述可以看出，土壤的形成和土壤剖面的分层是一个统一过程。尽管B 层与A 层同时在形成，。但往往在A 层很明显之后才能辨认。因而成壤作用不充分的土壤，分层 界线模糊不清，在A 层之下甚至缺失B 层，成壤作用充分的成熟土壤的理想剖面如图2 2 所示。 在成壤过程中，由于物质的淋提和淀积，微量元素也进行再分配。耐风化矿物中的 元素，容易在A 层中富集。可溶金属元素或粘土等胶体吸附的元素，从A 层移出，部 分在B 层中与含水的铁，锰氧化物及粘土一起聚集。如赞比亚红土剖面上某些元素在土 壤层位中的变化，除碱金属随深度而增加，钴、镍变化很小外，其它元素均在B 层中富 集。见图2 ．3 ． 需要说明的，微量元素不仅在不同层位的土壤中分布不均匀，而且在同一层位不同 粒度的土壤中的含量也不一致。其原因是元素在风化、成壤过程中的行为状态不同。很 显然，耐风化矿物中的元素与在粘土或铁、锰氧化物上成吸附离子的易溶金属元素相比， 后者肯定富集于更细粒的土壤中。这些情况，对矿化地区或无矿化的地区都是存在的。 从上述理论可知在土壤形成的过程中，离子附存在土壤中，逐步形成异常。而且对 于土壤离子电导率法找矿来说，研究电导率就是在研究土壤的次生异常。从而达到研究 目的。 2 ．3 土壤离子电导率异常的形成过程 土壤离子电导率异常的形成是一个相当复杂的物理化学过程，经过模拟实验和对典 型矿体研究并参照一些理论分析，大致可以认为土壤离子电导率的形成经历了这样四个 过程矿体产生溶解溶解物质迁移物质在地表的转化形成离子电导率异常 f 9 J 。 2 ．3 ．1 矿体溶解 促使矿体溶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。 1 最普遍的溶解作用是矿体产生的微观原电池的溶解作用1 9 1 。当矿体埋藏较深 时，微观原电池作用是矿体发生溶解的主要形式。微观原电池作用是由相邻矿物间的电 0 桂林工学院硕士学位论文 极电位差造成的。因此，在不同电极电位矿物组分的金属矿体中不可避免地形成原电池。 如果一种矿物的电极电位与另一种矿物相比为负 图2 - 4 ，则当两种矿物接触时，由于电 位差电子将从第一种矿物向第二种移动，这就使得离子导电介质中的两种矿物界面上的 物质交换的平衡遭到破坏，为了恢复失去的平衡，在头一种矿物界面上不是离子介质中 的某种组分失去电子，就是由于固态组分的破坏而释放电子，即发生氧化电极反应，使 头一种矿物的组分或周围空隙的组分氧化，在多种情况下，正电荷都从头一种矿物流向 周围介质，第二种矿物界面附近平衡的破坏，或者使正离子放电并以固态形成，沉淀在 矿物上，或者使矿物的粒子破坏而负电荷通过边界并在离子介质中形成负离子，即发生 还原电极反应，使电流的正电荷从空隙水流向第二种矿物。与此同时，在离子介质中正 离子将从头一种矿物的边界移向第二种矿物的边界，负离子则反之，这样在矿体的某一 部位便构成了一个微观原电池。 众所周知，矿体是由多种不同的矿物组 成。由于不同的矿物都具有不同的电极电位， 所以在矿体各部分，只要在相邻的矿物间存在 着电位差，就会自然形成一个微观原电池，如 果相邻两种矿物电极电位差值很大，则产生的 微观原电池电流强度就大，矿体的电化学溶解 作用就强烈。根据矿物的电极电位值的大小顺 序，将表2 - 中主要金属矿物，排列成如下的 电化学系列磁铁矿一辉铜矿一磁黄铁矿一镍 黄铁矿一方铅矿一黄铜矿 辉钼矿 一闪锌矿。 在这个矿物电化学系列中，凡是位于左侧的矿 表2 ．1主要金属矿物的电板电位 e V 矿物矿物的电板电住 磁铁矿 磁黄铁矿 黄铁矿 黄铜矿 辉铜矿 闪锌矿 方铅矿 镍黄铁矿 辉钼矿 1 J6 0 士O ．1 0 O ．6 0 0 ．1 0 O ．6 0 O ．0 5 0 ．1 5 0 ．1 0 O ．1 5 0 ．1 0 0 ．0 5 士0 ．1 0 O ．3 0 0 ．1 0 O ．0 4 0 ．0 5 1 ．5 0 0 ．0 5 据罗先熔 物，相对与右侧的矿物而言，就是微观原电池的阴极；而右侧矿物相对于左侧矿物来说， 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，而闪锌矿是阳 极。其它矿物位于磁铁矿和闪锌矿之间，一般相对于闪锌矿来说是阴极，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，形成矿物的会属离子，在阴极硫化物被分解析出硫离子。其化学反应式为 桂林工学院硕士学位论文 阳极M e S - - * M e 2 S o 2 e 阴极M e S 2 e - - - M e o S 2 ‘ 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 产生电化学溶解作用。在硫化矿物发生电化学溶解过程中， 除有金属离子和元素硫外，还会出现大量的硫酸根离子，比 如 2 F e S 2 黄铁矿 2 I - 1 2 0 7 0 2 2 F e S 0 4 2 H z S 0 4 P b S 方铅矿 2 0 2 P
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