土壤地球化學勘查.ppt

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第三章土壤地球化學勘查,前言一、原生環(huán)境次生環(huán)境二、次生異常是勘查地球化學研究的主體,,概念土壤地球化學勘查，是對土壤(包括殘積物、塌積物、風成物、冰磧物)中元素含量進行系統(tǒng)測定，研究它在土壤中的分布、分配、集中與分散等規(guī)律，以發(fā)現(xiàn)土壤中與礦有關的地球化學異常來找礦，以及解決某些地質問題或其它問題研究對象：土壤湖積物、鐵帽雖不是土壤，但通常納入土壤地球化學勘查研究中,概念以土壤為采樣對象的地球化學勘查與士壤學中對士壤概念給以嚴格的定義不同，這里的土壤是指一切地表疏松細粒覆蓋物，如殘積物、坡積物、塌積物、冰積物、風積物、湖積物及有機成因的覆蓋物等,土壤地球化學異常是指環(huán)繞在礦體或異常源周圍賦存于地表疏松覆中的次生異常。該方法是系統(tǒng)地測量和研究土壤中的微跡元素含量或其它地球特征，以發(fā)現(xiàn)與礦化有關的各類次生異常，并進而尋找礦床(體）,環(huán)繞在礦體或原生異常源周圍的次生異常稱前蘇聯(lián)學者又稱其為次生暈。土壤中次生異常的形成過程要經(jīng)歷了一個漫長而又復雜的過程，它包括風化、成壤、侵蝕、搬運與沉積的過程。這些過程總起來構成了次生地球化學旋回,表生帶：巖石圈、水圈、生物圈的界面相互交錯重疊的帶——地表向下直至雨水能滲入最深處為止。原生帶：表生帶以下直至各種深成巖和內(nèi)生礦床的形成范圍為止地殼深處的巖石或礦石進入表生帶后，因物理化學條件的改變而發(fā)生改造和破壞，以達到新的地球化學平衡——風化作用。表生帶與原生帶的物理化學條件,一、巖石的表生風化作用各類巖石出露于地表時，由于太陽能、大氣降水、地下水、冰、大氣中的氧和二氧化碳以及微生物、植物等相互而發(fā)生風化作用風化作用發(fā)生的環(huán)境特點：溫度與壓力低、水充足且游離氧與二氧化碳的濃度高。因此，在深成環(huán)境內(nèi)形成的穩(wěn)定礦物，到了次生環(huán)境就會變得不穩(wěn)定,風化作用主要類型:物理風化化學風化生物風化,1、物理風化作用:風化作用的初級階段（1）物理風化的營力重力、溫差、凍結與凍溶、鹽類的結晶、植物的生長,（2）物理風化控制因素物理風化的強度明顯受絕對高程、相對高程及溫度控制在高寒山區(qū)和極地地區(qū)，物理風化占絕對優(yōu)勢。我國高寒山區(qū)面積達100萬平方公里以上，在這些地區(qū)，廣泛分布石流坡、石海、倒石堆等物理風化產(chǎn)物,2、化學風化作用:化學風化作用的主要化學反應：水解反應水合反應氧化還原反應離子交換反應,（1）水解作用——水電離產(chǎn)物H+、OH-與礦物中的離子發(fā)生反應4K[AlSi2O8]+6H2O——4K++4OH-+Al4[Si4O10](OH)8-(正長石)+8SiO2Fe2SiO4(鐵橄欖石)+4H2O——2Fe2++4OH-+2H2O+SiO2,（２）水合作用——水分子進入礦物的晶格中形成新的含水礦物。Fe2O3(赤鐵礦)+nH2O——Fe2O3.nH2O(水赤鐵礦)CaSO4(硬石膏)+nH2O——CaSO4.2H2O(石膏),（３）氧化還原反應氧化還原的實質是電子的接受。化學反應中包含有價態(tài)的變化，對于失去電子的元素來說，它受到氧化；對于獲得電子的元素來說，它受到了還原（４）離子交換反應主要指粘土礦物及膠體物質的吸附與交換離子的反應,盡管在硅酸鹽和碳酸鹽的風化過程中水解作用是最重要的，但起主導作用的是氧化作用。因為鐵帽、鐵與錳的氧化物以及硫化礦床的次生分散暈，正是在氧化作用過程中生成的,３、生物風化作用:由生物作用引起的物理風化及化學風化作用,a植物的根系——擴大巖石裂隙植物根系沿巖石裂隙節(jié)理生長可以擴大其裂縫以加速物理風化作用。生物活動可以混拌及選分大量的地表物質，結果使團粒粉碎，透過率增加，便于空氣與水進入，在植物根系尖端發(fā)生極端的酸性反應可進一步分解巖石,b有機質分解——腐殖酸地表微生物如細菌與真菌在許多復雜的有機氧化反應中可使植物殘骸逐漸解體形成可溶性的腐殖化合物生物作用導致地表環(huán)境的改變，加速化學反應，間接影響化學風化作用,生物活動雖然主要局限于土壤中，但是通過溶解與膠體分散，其分解產(chǎn)物如CO2與H2O，對于深處風化帶內(nèi)的化學反應起相當程度的作用。因為它們的存在可以使氧化作用一直伸展到地下水位以下很深的地方兼具物理風化、化學風化作用,二、土壤（一）、土壤的性質巖石與礦物在表生風化作用下不斷受到破壞與改造，其結果最終導致土壤的形成,土壤的主要組分:（1）原生礦物：基巖經(jīng)機械風化作用形成的粗粒部分，包括巖塊、巖屑及原生礦物（2）次生礦物表生風化作用形成細粒的風化產(chǎn)物，包括粘土礦物、膠體、半氧化物及鹽類礦物,A、次生礦物－粘土礦物由原生造巖硅酸鹽礦物風化而成，主要是Al、Fe及Mg的含水硅酸鹽。它們具有相對穩(wěn)定的結晶構造。常見的粘土礦物有高嶺石、蒙脫石、蛙石、綠泥石、埃洛石等，它們都屬于層狀構造礦物。粘土礦物靠晶體邊緣或層間電荷吸附陽離子,B、次生礦物－膠體和鐵錳氧化物膠體和鐵錳氧化物主要為Al、Fe、Mn等元素的氧化物，它們在地表通常不能在水溶液中大量存在，而呈結核、巖石表面被膜、粘土中的銹斑等形式廣泛出現(xiàn)。按礦物成分主要有赤鐵礦、針鐵礦、纖鐵礦、一水鋁石、三水鋁石、軟錳礦、硬錳礦等。它們對其它微量元素有強烈的吸附及沉淀作用,C、次生礦物－鹽類礦物殘、坡積層中的鹽類組分其物質來源：1、巖石和礦體中的易溶組分經(jīng)表生地球化學作用殘留下來2、由地下水與地表水沖刷其中，難溶鹽在殘、坡積層中能形成表生礦物；易溶鹽在溫暖潮濕地區(qū)，一般在土壤溶液中呈游離狀態(tài)存在，但在干旱缺水的地區(qū)，能以晶質狀態(tài)存在于殘、坡積中,（二）、土壤的結構,,,,,,,,,A1,A2,B,C,生物活動最大的層位淋濾最大的層位,淋積層位（物質從淋濾水中借分解或沉淀而聚集）,由風化的母質構成,深色層位富含有機質，與礦物共存,淺色層位具最大淋濾在某些土壤中很明顯，在另一些土壤中不發(fā)育或缺失，一般結構松散,褐至桔褐色層位粘土礦物或鐵及有機質聚集致密成塊結構,不同景觀表現(xiàn)不同,土層,理想土壤剖面,覆蓋在基巖之上的生長著植物的疏松物。它是在巖石風化產(chǎn)物的基礎上通過成壤作用(生物參加，經(jīng)過淋濾、沉淀等)逐步形成的。它受氣候、溫度、地形、時間、生物、母質等因素的綜合影響不同氣候帶形成的土壤各不相同。亞熱帶——紅壤、磚紅壤、黃壤(富Fe、A1)半干燥氣候——黑土：A0，A-鈉硝石層-C-D干燥氣候——堿土(富NaCl、CaSO4)、荒漠土壤：C-D濕冷干燥帶——棕色森林土(多Si、Fe、A1)溫暖氣候——灰化土、黑色壤：A-B-C-D山區(qū)——初生土壤：A0-B-C-D,植物殘體，部分被分解。富含有機質的砂、粉砂和粘土組成。棕黑色—暗色泥粘土礦物、可溶性堿、氫氧化物、有機質大量被淋濾—淺色層，粘性差，松散淀積層：由A層淋濾下來的Fe、Al、Mn氫氧化物及粘土質點在此處沉淀。富含粘土，粘性強。黃褐色、棕褐色。有機質可有或無。母質層：淋濾和淀積作用均不發(fā)育，含風化程度不等的、部分被分解的巖石。C層是A、B層的母質。有機質含量最少半風化基巖，半干燥、干燥氣候以及初生的土壤分層發(fā)育情況不同。溫暖氣候條件下形成的土壤分層剖面圖,（三）、土壤中微量元素存在形式1、原生礦物及其中的原生混入物(包括類質同像、機械混入物、氣液包裹體)物理風化的產(chǎn)物，形成碎屑異常的元素主要以這種形式存在,2、次生礦物及其中的次生混入物微量元素在土壤中重要存在形式。除了各種粘土礦物外，對金屬來說主要是碳酸鹽、硫酸鹽、砷酸鹽、磷酸鹽及各種氧化物與氫氧化物。此外，還可能有少量次生硅酸鹽和次生石英,3、被吸附的離子及分子這一形式可能是土壤中大多數(shù)不能形成獨立礦物的微量元主要存在形式。存在于土壤中的大量粘土礦物及膠體是吸附與離子交換形式存在的基礎,4、有機分子狀態(tài)存在土壤中腐植質對金屬離子具有強的絡合或螯合作用，在富含腐植質的森林土壤中可成為金屬元素的重要存在形式,5、自由離子或自由分子狀態(tài)存在于土壤水分中的溶解物及土壤孔隙中的氣體分子。這部分物質與土壤固體顆粒的聯(lián)系最弱，因而其活動性最大。如土壤氣汞、水可提取部分金屬離子等,（四）、元素在土壤中的正常分布、分配1元素含量分布不均一。Si、Al、Ca、K、Na相對較高；2常量元素差異不大，微量元素差異顯著；3微量元素在不同的土壤層中的分配不同；,4同一土壤層中因粒度變化元素含量不一致(抵抗能力)5概率分布形式為對數(shù)正態(tài)分布,（五）、土壤中元素異常的形成1、碎屑異常的形成同生碎屑異常可以看成是單純物理風化的產(chǎn)物，在前蘇聯(lián)文獻中稱為機械分散暈在重力及其他各種機械力的作用下，固體顆粒在地表有三種可能的運動方式：崩塌、潛動及碎屑擴散,崩塌是巖石碎塊在山坡上的突發(fā)運動，雖然它不能經(jīng)常發(fā)生，但由于地質時期中多次事件的積累，可以形成大片倒石堆，使懸?guī)r后退，峽谷形成。災變性的滑坡與泥石流也可以歸入這一類,潛動是地表的松散堆積物在安息角以下，受重力作用向下坡作難以觀察的緩慢運動，它包括土流及蠕動二種作用(波利卡爾波奇金，1976),碎屑擴散是松散物中各個顆粒受到各種偶然作用，如溫度變化，濕脹與干縮，凍結與溶化，土居動物的搬運等，使各個顆粒在原來位置附近作微小的隨機運動，從而導致顆粒間的位置變換如在地質時期中觀察其積累效果，可以與分子的不規(guī)則運動相比擬。這種作用不受重力場的直接制約，某些質點甚至可以逆重力而上,2、水成異常的形成（1）元素轉入溶液的形式A、溶解可呈簡單離子、氫與氧的絡合離子，如Na+、Zn+、HCO3-、MoO42-等,B、氧化作用由于表生作用中含游離氧、二氧化碳和水，可使許多礦物特別是金屬硫化物發(fā)生氧化C、形成絡合物在各種有機或無機絡合劑存在的情況下，許多元素以絡合物而轉入溶液,（2）元素在溶液中遷移形式A、擴散在濃度差的作用下，高濃度向低濃度擴散，直至平衡B、流動由大氣降水或地下水、地表水的流動所造成的,C、毛細作用－虹吸作用由于毛細上升高度與毛細管的直徑成反比，與溶液濃度成正比，所以從理論上來講，細粒土壤毛細上升的高度較高由毛細作用輸送到地表的金屬，由于水分的蒸發(fā)而沉淀,（３）元素沉淀A、地球化學條件改變－地球化學障在水溶液中遷移的元素，一部分可以隨著溶液的遷移從周圍介質中吸取新的物質而不斷升高，直到飽和變成穩(wěn)定為止;另一部分則隨地表水或地下水從一種環(huán)境進入另一種條件極為不同的新環(huán)境時，水中某些元素因環(huán)境變化而發(fā)生沉淀。這種轉變在空間上表現(xiàn)為一個狹窄的地帶，蘇聯(lián)的AN彼列爾曼把它稱為地球化學障在地球化學障上，化學元素溶液中的遷移受阻，對于溶液中的元素來說地球化學障就是沉淀障。根據(jù)引起沉的原因將地球化學障分為氧化障、還原障、酸性障、堿性障、水解障、吸附障及蒸發(fā)障等,不同元素在不同障上沉淀析出而引起表生地球化學分異。例如，鐵在氧化障析出，鈾在還原障上析出。化合物的水解作用與溶液的pH值有關。在pH值變化處，即二種不同pH值的水匯合處，產(chǎn)生水解障,B、其他作用膠體的凝聚、膠體的吸附、絡合物分解及植物的解體等等都會引起元素從溶液中沉淀,三、次生暈(一)形成已生成的礦體、礦化體及原生暈，在表生帶與圍巖一起遭受風化作用。隨著巖石的破碎、礦物的分解，使其中的一些元素發(fā)生遷移。在一定條件下，某些成礦元素在礦體上方或附近的土壤中聚集為高含量的地段。故由礦體及原生暈破壞后形成的為次生暈,成暈方式：1機械遷移元素呈固相(原生礦物、難溶次生礦物、碎屑)遷移——機械分散暈A地形平緩時，暈在礦體正上方B地形較陡時，暈在礦體的下方2水成遷移元素以離子、分子、絡離子或膠體形式遷移——水成分散暈前蘇聯(lián)文獻中，將元素以水溶液(真溶液)形式遷移形成的暈稱為鹽暈特點：離礦體較遠，甚至被搬運到湖底沉積物中,3生物遷移植物根系從土壤(尤其在礦體附近)中吸收一些微量元素進入到植物的各種器官中。當植物的枝、葉落在地面，可使一些元素聚集在A0層中；若發(fā)生腐爛，使吸收的這些元素又轉入地表水、地下水中。其中一部分又被植物吸收，另一部分聚集在腐殖層中，還有一部分隨地下水滲透到土壤B層中被Fe、Mn氫氧化物或粘土礦物吸附——生物成因暈,4自然電場遷移在表生帶中金屬硫化物與地下水接觸，構成一個天然的電場池。潛水面之上處于氧化帶，易失去電子，礦體帶正電，溶液帶負電；潛水面之下礦體處于還原帶，礦體易得到電子帶負電，溶液帶正電。從而在潛水面上下存在一個電位差。這樣，在礦體上方出現(xiàn)低含量帶，四周出現(xiàn)高含量帶,(二)特征1形態(tài)與規(guī)模1)地形較平緩時，暈在剖面上呈喇叭狀，上寬下窄。規(guī)模比礦體、原生暈大2)地形傾斜時，因重力作用、水的沖刷等，使暈在剖面上呈向下方拉長的舌狀，但平面上暈的形態(tài)可以不同于礦體及原生暈的形態(tài)——上坡方向次生暈的邊緣形態(tài)有時可作為礦體或礦帶形態(tài)的推斷依據(jù)之一,3)次生暈的規(guī)模隨取樣深度的增加而減小，但強度則隨之增大4)次生暈的形態(tài)和規(guī)模隨樣品粒度不同而變化(如W-粗粒中)5)次生暈的均勻性比原生暈好,2組分特征1)指示元素：仍是礦床中的主要成礦元素與伴生元素。2)指示元素存在形式A原生礦物及其中的混入物——類質同象、機械混入物、氣液包裹體；B次生礦物及其中次生混入物——主要是礬類及氫氧化物；C被吸附的離子；D土壤水中自由離子。,3)指示元素的含量A不同土壤層中含量不同；B土壤粒度不同，元素含量也不同。,4)組分分帶性——次生暈中指示元素及其組合在空間上呈現(xiàn)規(guī)律性分布的現(xiàn)象。次生暈組分的分帶大都繼承了礦床與原生暈的組分分帶的特點。,3次生暈與礦體的空間關系次生暈相對于礦體的空間位置，主要受地形、礦體產(chǎn)狀和土壤厚度控制。1)當?shù)匦屋^平緩，礦體直立時，礦體位于次生暈內(nèi)。暈內(nèi)高含量中心附近即為礦體頂端在地面的投影位置。,2)當?shù)匦屋^平緩，礦體傾斜時，礦體雖位于次生暈邊界范圍內(nèi)，但暈內(nèi)高含量中心不于與礦體頂端在地面的投影位置相對應。傾斜越緩，疏松層越厚，礦體距暈中高含量中心越遠。,3)地表傾斜，礦體直立時，暈中高含量與礦體不對應，向地形下坡移動。地形坡度越大，疏松層越厚，兩者距離越遠。,4)地表傾斜，礦體也傾斜，且礦體傾斜與地表傾斜相反時，次生暈分布于礦體下坡方向。礦體傾斜越緩或坡度越大，坡積物越厚，暈中高含量中心位移越遠，甚至礦體完全可能產(chǎn)于暈外上坡方向,5)地表傾斜，礦體也傾斜，且礦體傾斜與地表傾斜相同時，礦體可能在次生暈高含量中心上坡方向，也可能在下坡方向。,(三)控制因素1原生礦物的性質；2礦體規(guī)模大小與品位；3介質的物化條件；4膠體5生物6氣候與地形,四、土壤地球化學異常模式,（一）、殘積物中同生碎屑異常１單個濃度分界面,,C0,,C1,X,,,H,,,Z,,,,Cx,,,２厚礦脈的殘積異常,,,C1,,,H,,,,,,,C0,,C0,,,,,,,,C1,C0,,３垂直薄礦體的殘積異常-1,,,,,H,,,,,,,,,３垂直薄礦體的殘積異常-2,,,,,,,,,,,地面,風化殼,基巖,基巖面,殘積異常理想剖面,４礦脈組異常-1,,,,,,H,,,,,,,,d,D>2KHK=L/h,,,,L,,,h,４礦脈組異常-2,,,,,,H,,,,,,,,d,D=2KHK=L/h,,,L,,,h,,,,,,,,（二）、坡積物中同生碎屑異常,,,,,地面,基巖面,,,,,,地面,基巖面,,,,,,,（三）、后生異常形成異常的物質通常已經(jīng)在活動相(水溶液、氣體、植物體及大氣搬運的質點）中遷移了或遠或近的距離，而在異常地點沉積下來C總＝C同＋C后由于后生異常與異常源的關系更疏遠，因此，解釋比較困難,１上移水成異常水溶液中的元素，通過毛細管上升及植物根系吸收而向上運動，在地表土壤或其他覆蓋物中形成地球化學異常。異常與下伏異常源空間位置對應,２側移水成異常金屬元素被地下水溶解并隨著遷移很遠的距離，在某種沉淀障上析出，形成側移的水成異常,,,,,礦化土壤,,滲出帶,,ppm,五、土壤地球化學勘查方法,（一）、實驗工作１實驗剖面試驗剖面應布置在主要的、有代表性的礦床和覆蓋物地段，剖面線盡量與目標體垂直。每條剖面的兩端必須各有3一5個點落在背景地段上,a采樣層位實驗確定采樣最佳層位(深度)，首先應區(qū)分疏松覆蓋物性質(原地風化或外來的)，利用已知礦體或礦化地段的探槽或淺井，進行槽(井)壁取樣試驗,(1)當疏松覆蓋層為原地風化形成的殘坡積物時，其土壤剖面大多數(shù)由A層(腐殖層)、B層(淋積層)、C層(母質層)三個層位組成。元素在土壤剖面上的含量變化是受氣候、地理條件和表生地球化學作用的控制。一般地說，元素在土壤剖面中的分布情況有如下情況:,i元素在各層位中的含量大致相近，即Ca＝Cb＝Cc。這種情況一般出現(xiàn)在干旱荒漠地區(qū)或是山坡上。這是由于坡積物不斷更新、成土作用不能深人進行、化學與生物化學作用極為微弱所致。,ii元素含量隨深度增加而增高，即CaCc。這是由于殘余富集作用或生物積聚作用的結果。,iv元素的最高含量出現(xiàn)在淋積層位上，而淋積層位受當?shù)氐臐撍嫠剿刂啤＿@種情況較少見。,b當疏松覆蓋層為外來物(如洪積物、冰積物、風積物、耕地或其它外來搬運物等)，通常應穿過這些覆蓋物，在原地的殘坡積層中取樣，只有經(jīng)過試驗，確認采集外來覆蓋物可取得同樣地質效果，方可在外來覆蓋物的合理采樣層位。,采樣粒級實驗用一套20目至160目的樣篩由上而上依次疊放，直接將干燥樣品放于最上一層樣篩內(nèi)過篩分析。根據(jù)所研究樣品的分析結果，指示元素含量高、異常清晰的粒級區(qū)間即是該元素的富集粒級，并根據(jù)粒級重量分布，選擇最佳采樣粒級。,(二)、樣品采集1、特殊地貌區(qū)應根據(jù)不同自然地理條件和實驗景觀選用不同的采樣方法。2、同一個地區(qū)的工作應盡量作到采樣層位、土壤性質一致。3、應采用多點組合法采樣，以增加樣品的代表性。4、樣品重量應根據(jù)土壤粒級而定，盡量做到樣品風干過篩后（一般60目）重量>150g。,(三)、采樣記錄采樣編錄必須統(tǒng)一要求，逐點認真作好編錄。內(nèi)容包括:工區(qū)名稱、編號(圖幅號），點線號(橫、縱坐標）、樣品號、取樣層位、覆蓋層特征、礦化、地質、地貌簡況等。,六、土壤地球化學勘查的適用條件和作用1適用條件殘坡積發(fā)育地區(qū)，也可用于運積物覆蓋地區(qū)的找礦。2作用A區(qū)測、普查階段：評價殘坡積層覆蓋的巖石與構造的含礦性，圈定成礦遠景區(qū)；B詳查、勘探與開發(fā)利用階段：尋找被殘坡積覆蓋的礦體，間接尋找盲礦；C尋找地熱與油田；D圈定被殘坡積層覆蓋地區(qū)的地質體界線，區(qū)分物化探異常是礦異?；蚍堑V異常。,七、鐵帽的含礦性評價在金屬硫化物礦床的氧化帶一般發(fā)育鐵帽。一些含鐵巖石在地表氧化后也可形成鐵帽。鐵帽形成原因及評價顯得十分重要。鐵帽含礦性評價方法：1與已知不同成因鐵帽中元素組合、含量、元素比值進行對比，確定區(qū)分標志；2根據(jù)鐵帽中成礦元素的殘留比例預測礦石類型和品位；殘留率=鐵帽中元素的平均含量/礦石中元素的平均含量X100%3運用數(shù)理統(tǒng)計方法評價鐵帽的類型和評估礦石品位。,