內(nèi)蒙古中部地區(qū)礦床的地球化學(xué)性質(zhì)及成礦機(jī)理

尤景廣

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083）

作為鞏固國(guó)防和發(fā)展新能源的戰(zhàn)略資源，礦產(chǎn)資源對(duì)于我國(guó)的重要性不言而喻。最新的“能源發(fā)展十三五規(guī)劃”指出，我國(guó)在建核電規(guī)模居世界第一，對(duì)金屬礦產(chǎn)資源需求量極大。“十三五”期間自然資源部提出“三深一土”戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)向地球深部進(jìn)軍，大力推進(jìn)地球深部探測(cè)，開(kāi)展深部能源快速高效勘查評(píng)價(jià)，而這離不開(kāi)穿透性地球化學(xué)勘查技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。長(zhǎng)期以來(lái)，放射性作為過(guò)去勘查金屬礦的主要手段發(fā)揮了巨大作用，但這種方法只適用于尋找出露礦或地表礦，對(duì)于隱伏礦的勘查無(wú)能為力。近些年，深穿透地球化學(xué)在隱伏礦勘查中發(fā)揮了重要作用。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中北部，地勢(shì)總體南高北低，受蒙古高氣壓影響，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候和干旱荒漠草原氣候。年均氣溫3.4℃左右，年均降水量142.2mm，蒸發(fā)量卻達(dá)到2622mm。區(qū)內(nèi)地表覆蓋層厚度為幾米到幾十米，含有大量第四系風(fēng)成沙，地表很少有巖體露頭，給找礦工作帶來(lái)了極大困擾。

勘查區(qū)在早白堊世受燕山運(yùn)動(dòng)的影響發(fā)生幕式裂陷，第一幕裂陷發(fā)生在早白堊世早期（阿爾善期），該期斷裂活動(dòng)由弱變強(qiáng)，沉積以水體較淺的沖洪積和河流相為主；第二幕裂陷發(fā)生在早白堊世中期（騰格爾期），沉積作用嚴(yán)格受同生斷裂的控制，沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，形成厚而廣泛的湖相沉積，構(gòu)成盆地重要的生油層。收縮回返期發(fā)生在早白堊世晚期（賽漢期），坳陷邊部發(fā)育沖積扇、辮狀河及三角洲沉積體系，構(gòu)成賽漢早期尋找隱伏礦床的有利相帶；賽漢晚期，盆地進(jìn)一步萎縮，在坳陷內(nèi)地形相對(duì)低凹區(qū)域形成建造間古河道，構(gòu)成二連盆地尋找礦床的有利場(chǎng)所。古近紀(jì)以來(lái)盆地的持續(xù)抬升及干旱氣候，斷裂活化，沉積作用整體相對(duì)較弱，而代之以風(fēng)化剝蝕為主要特征，為本區(qū)地下水的滲入、層間氧化，提供了相對(duì)有利的地質(zhì)構(gòu)造條件。

二連盆地主要有兩種類(lèi)型的礦體，分別為古河谷砂巖型、沉積成巖型。其中，東部及中部地區(qū)主要為古河谷砂巖型，該區(qū)礦體主要受賽漢組上段古河谷砂體控制；西部工作區(qū)主要為沉積成巖型，礦體受二連組湖泊泥巖控制。

2 內(nèi)蒙古中部地區(qū)礦床的地球化學(xué)性質(zhì)及成礦機(jī)制

內(nèi)蒙古中部地區(qū)的礦床具有非常獨(dú)特的地球化學(xué)性質(zhì)。在氧化環(huán)境中很容易被氧化，呈+6 價(jià)，以陽(yáng)離子（U022+）形式存在，活動(dòng)性很強(qiáng)，易溶于水并隨水沿構(gòu)造裂隙遷移。當(dāng)水?dāng)y帶 酰絡(luò)陽(yáng)離子遷移至還原環(huán)境中時(shí)，被還原成+4 價(jià)，溶解度很小，容易沉積富集而形成礦化。所以隱伏礦床的礦體（礦化層）通常賦存于灰綠色、灰色、灰黑色砂（泥）巖等具有還原條件的巖體里。

在隱伏礦體中，表生環(huán)境的水通過(guò)巖體的裂隙、底層接觸帶的等通道進(jìn)入巖體形成氧化帶。水中攜帶的氧將巖體中的金屬元素氧化為6 價(jià)，以陽(yáng)離子形式存在，隨水沿?cái)嗔褞А⒌讓咏佑|帶、節(jié)理、微裂隙和孔隙等通道遷移。當(dāng)含陽(yáng)離子的水遷移至還原環(huán)境中時(shí)，水中的金屬被還原為4 價(jià)，4 價(jià)金屬難溶于水，從而沉淀在還原環(huán)境中。隨著含金屬元素水不斷向還原環(huán)境遷移，4 價(jià)金屬不斷沉淀累積，金屬元素不斷富集從而形成礦體（礦化）。

3 隱伏礦床上方土壤地球化學(xué)異常及形成機(jī)理

3.1 土壤地球化學(xué)異常

選取努和廷隱伏礦床上覆土壤為采樣介質(zhì)，沿東西走向布置勘探線橫穿努和廷礦床上方，共布置24 個(gè)采樣點(diǎn)，每50m 采取一個(gè)樣品，采樣深度為5cm ～30cm。每個(gè)樣品由采樣點(diǎn)附近5m 范圍內(nèi)3 個(gè)子樣均勻混合而成，采取時(shí)過(guò)20 目篩去除碎石、草根等雜質(zhì)，每個(gè)樣品質(zhì)量不少于500g，隨機(jī)在選取每條勘探線上不同點(diǎn)位采集野外重復(fù)樣進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。樣品室內(nèi)風(fēng)干后，去除雜質(zhì)，篩取20 目～120 目粗粒級(jí)土壤以及-120 目的細(xì)粒級(jí)土壤。對(duì)采集的粗粒級(jí)和細(xì)粒級(jí)土壤中的金屬元素含量進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

由圖1 可見(jiàn)，土壤中金屬元素含量與礦體的距離成反比，隨著與礦體距離的減小，金屬元素含量逐漸增高，在隱伏礦體上方含量達(dá)到最大值。在遠(yuǎn)離礦體的背景區(qū)，細(xì)粒級(jí)土壤中金屬含量高于粗粒級(jí)中金屬元素含量，但比較接近，都是比較低的含量水平。而接近礦體處和礦體上方的土壤中，粗粒級(jí)土壤中金屬元素含量沒(méi)有明顯的變化，而細(xì)粒級(jí)土壤中元素含量卻有著非常顯著的增高。說(shuō)明上覆土壤的異常可以反映隱伏礦體的礦化信息，而且這些礦化信息主要被細(xì)粒級(jí)土壤捕獲。

圖1 隱伏礦床上覆土壤金屬元素含量圖

表1 粗粒級(jí)和細(xì)粒級(jí)土壤中金屬元素含量（ppm）

3.2 土壤地球化學(xué)異常形成機(jī)理

金屬礦物被氧化后，以陽(yáng)離子形式存在。①由于礦體與圍巖、土壤間存在濃度差，一部分U 元素會(huì)在離子擴(kuò)散作用下向濃度低的表生環(huán)境遷移；②由于研究區(qū)屬于干旱型草原氣候，該區(qū)年蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨量。在長(zhǎng)期的蒸發(fā)作用、毛細(xì)管作用以及植物根系吸收等作用下，地下水通過(guò)構(gòu)造裂隙、斷裂帶及砂巖本身的孔隙等通道在垂向上向地表遷移，從而將陽(yáng)離子攜帶至表生環(huán)境；③礦體元素在氧化還原作用中會(huì)不斷釋放電子，使深部礦體與上部圍巖土壤間產(chǎn)生電位差，形成一個(gè)天然電池。這種電池使礦體中元素被氧化，形成金屬離子，釋放的電子以礦體為導(dǎo)體從底部部位沿礦體向頂部流動(dòng)。同時(shí)礦體外部圍巖的裂隙水和土壤飽和水中溶解的金屬離子圍繞礦體向上遷移，構(gòu)成外部位移電流這種電化學(xué)過(guò)程源源不斷地持續(xù)進(jìn)行，致使礦體上部疏松沉積層內(nèi)的金屬離子濃度增高在礦體周?chē)纬伞半x子暈”。④此外，在干旱地區(qū)，這種氣態(tài)遷移至關(guān)重要，因?yàn)樵陔[伏礦床上方的礦石及覆蓋物空隙中主要由蒸氣及空氣充滿，礦床內(nèi)的金屬可由氣壓泵推動(dòng)達(dá)于地表，氣壓泵指高氣壓與低氣壓的旋回過(guò)程。高氣壓將空氣壓入，而低氣壓使空氣將礦石或礦床中的氣體帶出。在上述營(yíng)力作用下，陽(yáng)離子從礦體遷移至上覆土壤。細(xì)粒級(jí)土壤中含有大量具有吸附能力的粘土礦物，而粗粒級(jí)土壤中含有大量風(fēng)成沙，由于陽(yáng)離子易被吸附在粘土礦物和鐵錳氧化物中，所以細(xì)粒級(jí)土壤中U 含量比粗粒級(jí)土壤高。遷移至隱伏礦床上方的陽(yáng)離子被粘土礦物吸附，形成地球化學(xué)異常。

4 結(jié)論

由于隱伏礦床陽(yáng)離子呈碩大半徑的啞鈴狀，不能與任何陽(yáng)離子類(lèi)質(zhì)同象替代，但它易于嵌入鏈狀或?qū)訝畹V物面網(wǎng)中，因此易被細(xì)粒土壤中富含的粘土礦物和鐵錳氧化物所吸附。所以在努和廷隱伏礦床上覆細(xì)粒級(jí)土壤中形成了金屬礦的地球化學(xué)異常。