岩石地球化学勘查方法与技术

岩石地球化学勘查方法，即岩石地球化学测量。它是通过系统采集和分析岩石样品来发现赋存于其中的原生地球化学异常，从而进行找矿的一种地球化学勘查方法。岩石地球化学异常，常被称为原生地球化学异常或原生晕。过去在西方文献中，常把原生地球化学异常定义为在岩浆作用、变质作用、热液作用等内生地质作用过程中形成的异常。后来，地球化学家们注意到沉积岩石中的、与成岩成矿作用同时形成的原生地球化学异常，才把原生地球化学异常或原生晕定义为：在成岩成矿作用过程中与岩石或矿石同时形成的，发育于固体岩石中的一种地球化学异常。

不同成因类型矿床，其形成的地质环境和地球化学条件大不相同，岩石地球化学异常的发育特征也有很大的差异。过去，尽管勘查地球化学家对内生作用各种矿床和外生作用的沉积矿床都作过大量的岩石地球化学勘查方法研究。但是，由于不同矿床类型的数量、规模、工业价值、经济价值、找矿实践等方面的不同，迄今为止，热液矿床的原生晕的研究程度大大高于其他类型矿床，其成果也最多，方法技术也相对更为成熟。因此，下面以热液矿床为主，兼顾其他类型矿床实例，介绍岩石地球化学基本勘查方法。

热液矿床地球化学异常形成的原因比较复杂，主要有矿床围岩的构造、围岩性质、成矿溶液的性质、热液的迁移和运移方式和运移过程等一些因素起作用。岩石地球化学基本勘查方法从热液的迁移和运移这一运动观点入手，抓住主要矛盾。热液迁移和运移的动力学因素则主要考虑渗滤作用和扩散作用。

17.1.1 扩散作用

在某个由矿物、岩石和溶液构成的体系的不同部分内，浓度的不同导致的浓度梯度驱使质点（元素、离子）自动迁移，这种迁移总是从高浓度部位向低浓度部位移动，直到体系内达到浓度平衡为止，这种地球化学过程叫做扩散作用。扩散作用有下列特点。

（1）扩散是一个连续的物质迁移过程，在此过程中体系内元素的浓度发生连续变化。

（2）扩散介质不一定发生移动，体系内浓度陡度的存在是扩散的动力。

（3）扩散的速度与浓度陡度成比例，因而随距离增大而迅速减小，即扩散服从Fick扩散定律：

勘查技术工程学

式中q为截面面积（cm²）；C为浓度（mol／m³）；X为离开扩散中心的距离（cm）；C/X为沿X方向的浓度梯度；dm／dt是当浓度陡度为C/X时单位时间内扩散通过截面面积q的物质的量（mol／s），即扩散速度；D为扩散系数，是给定浓度梯度下扩散速度的度量（cm²／s）。

扩散系数D与扩散物质性质有关，在25 ℃水溶液中，大多数扩散物质的D值在0.25～2.5之间变化。式（17.1-1）中的负号表示浓度向着扩散方向减小，它指出扩散自高浓度向低浓度方向进行，某一方向的扩散速度与此方向上的浓度梯度成比例。不同元素的扩散速度（活动性）是不同的。阳离子的扩散速度随离子半径的减小和电价的增高而降低。碱金属的扩散速度最大，二价阳离子次之，Si、Al、Ti等的扩散系数最小。在天然水溶液中，水和CO₂的扩散速度最大，其他一些阴离子，特别是氧等的扩散速度要小一些。总的来看，阴离子的扩散速度一般要大于阳离子。

17.1.2 渗滤作用

在外力作用下，溶液中的元素或离子沿岩石中孔隙系统均匀地流动而迁移，这样一种地球化学过程叫做渗滤作用。换句话说，“渗滤作用是热液在压力梯度的作用下，元素通过溶液沿岩石裂隙系统整体自由地流动而迁移的一种过程。在这迁移过程中，由于化学和物理化学的作用，溶液在所流经的围岩裂隙中留下了矿液活动的痕迹——矿体和原生晕。”渗滤作用具有下列特点。

1）溶液是流动的，实质上是通过孔隙溶液的流动而迁移。

2）导致渗滤的原因是压力陡度。

3）迁移的速度恒定，并与浓度陡度无关，有时甚至向着浓度增大的方向进行。

4）受岩石过滤性质影响，渗滤溶液中的溶质与溶剂的流动速度不同，亦即在渗滤过程中经常伴随着岩石孔隙所引起的过滤效应。

岩石的细小孔隙可以近似地看作是一种半透膜。热液通过这种“半透膜”时，溶质和溶剂的透过能力不同。一般来说，溶剂易于通过而溶质相对难以通过。这样，由于溶质被“半透膜”的阻滞，热液的前锋的溶质含量就自然降低。有时，溶质的透过能力较大，可以造成热液前锋溶质含量增高。勘查地球化学以渗滤效应系数表示溶质与溶剂通过岩石细小孔隙的能力差异。

渗滤效应系数=溶质质点的平均速度/溶剂质点的平均速度

渗滤效应系数＞1，溶质的透过能力较大，也即迁移距离较大；渗滤效应系数＜1，溶质的透过能力较小，也即迁移距离较小；渗滤效应系数=1时不存在渗滤效应。

渗滤系数与岩石孔隙大小和多少有关。在岩石孔隙大小和多少条件相同的情况下，主要还是与元素本身性质有关，不同组分渗滤系数是不同的。例如，经实验（0.001mol浓度溶液）测定，下述离子的平均渗滤效应系数是：Fe²⁺（0.88），Al³⁺（0.86），Zn²⁺（0.79），Ni²⁺（0.76），Cu²⁺（0.74），Mg²⁺（0.66）。阴离子的渗滤效应系数多接近于1。

17.1.3 矿床原生晕分带

矿床的岩石地球化学异常的外部形态各异。以热液矿床为例，一般来说，有线状异常、带状异常、等轴状异常和不规则状异常等。除线状异常外，带状异常、等轴状异常和不规则状异常等都可能出现岩石地球化学分带性。由于不同组分（元素、离子等）在围岩和热液中的扩散速度等的差异，必然导致热液前锋的组分浓度和各种元素在热液中的析出顺序不断变化，使各种组分在围岩中有规律地沉淀出来，形成了热液矿床岩石地球化学异常的分带，即原生晕的分带。

从分带的元素含量和组成来看，原生晕的分带主要有同一元素的浓度分带和不同元素组分分带。浓度分带是同一元素含量自矿化中心或异常中心向外呈现有规律变化的现象。这种分带自异常中心向外一般可分为内带、中带和外带三个带。主要成矿元素在内带的浓度一般高于中带和外带。对于出现负异常的某些元素，内带的浓度低于中带和外带。不同指示元素在岩石地球化学异常空间上有规律变化，就导致了不同元素的组分分带。

从分带的空间产状来看，原生晕的分带一般有水平分带、垂直分带和轴向分带。一般来说，主要由扩散作用造成的、垂直于矿体走向的异常分带叫横向分带。当矿体产状为陡倾斜时的横向分带就叫水平分带。主要由渗滤作用造成的沿矿液运移方向上的异常分带就叫轴向分带。当矿体产状为陡倾斜时的轴向分带就叫垂直分带。

17.1.3.1 横向分带和水平分带

Беус和Григрян（1975）对原苏联中亚地区金属矿床原生晕横向分带序列研究（表17-1），至今仍有重要的参考价值。

表17-1 热液矿床原生晕的横向分带

不同类型热液矿床的岩石地球化学异常（原生晕），往往具有不同的水平分带模式。例如江西德兴斑岩铜矿床原生晕的水平分带模式为：内带（W［Bi］MoCu［Ag］）→中带（ZnPb［Ag］CoNi）→外带（［Co］Mn）。陕西某铜钼钨多金属矿区原生晕的水平分带模式为：由中心向外出现W、Mo、Sn、Bi、Cu、As、Zn、Ag、Pb的分带性。

17.1.3.2 轴向分带和垂直分带

矿床原生晕的轴向分带的例子有很多，Беус和Григрян（1975）对原苏联中亚地区金属矿床原生晕轴向分带序列研究成果列于表17-2。

表17-2 产状平缓的金属矿床原生晕的轴向分带

热液矿床原生晕的垂直分带主要由不同标高位置上指示元素的组合、元素对的比值、累加晕或累乘晕比值等因子来表现。

不同标高位置上指示元素的组合可以指示原生晕的垂直分带。例如，1987年原苏联的M·C·拉法伊洛维奇总结了70多个金矿床的原生晕分带序列特点，研究了金及其伴生元素在每个典型矿床中的位置，总结出了金矿床原生晕垂直分带综合序列（从上到下）：上部矿及矿上元素（Hg、Ba）→金-多金属的（Sb—As²—Ag²—Au³—Ag¹Pb—Zn）→金砷的（Au²—As¹）→金、铜-稀有金属的（CuAu¹BiMo—W）→下部矿及矿下元素（Co—Ni）。其中As¹指的是毒砂中的As，As²指的是砷黝铜矿、雌黄和雄黄中的As，Ag¹指的是多金属硫化物中的Ag，Ag²指的是独立银矿物中的Ag。李惠（1991）通过对典型矿床分带序列的统计，结合各典型矿床指示元素异常分布特点，总结出了我国石英脉型、破碎带蚀变岩型金矿床的指示元素分带序列，从上到下是：Hg-Sb、F（B、I）-As、Pb-Zn、Ag-Au、Cu-Mo、Bi、Mn、Co、Ni（Sn）。这一分带序列与原苏联M·C·拉法伊洛维奇总结的金矿床分带序列有很大的相似性。

不同标高位置上指示元素对的比值也能很好地指示原生晕的垂直分带。例如，某铀矿床的原生晕的主要指示元素由矿体上部到矿体下部出现的分带序列为Pb—Mo—U。Pb为矿床原生晕的前缘组合，U为矿床原生晕的尾部组分，因而w（Pb）／w（U）比值最能显示原生晕的垂直分带规律。表17-3表现了这样一种指示元素对的比值垂直分带规律。

表17-3 某热液铀矿床指示元素衬度值及其比值

各指示元素的异常含量值（或异常的线金属量值或面金属量）累加就构成累加组合晕，累乘就构成累乘组合晕。采用累加组合晕或累乘组合晕的比值也能指示热液矿床原生晕的垂直分带。例如，某斑岩铜矿床的自上而下的垂直分带序列为：Hg—Bi—（As，Sr，Ag）—（Pb，Mo）—（Sn，Cu）—W—Zn—Co，将P（As）·P（Sr）·P（Ag）／P（Zn）·P（Co）·P（Sn）线金属量比值作为该矿床原生晕的分带系数，随矿床深度增加，原生晕的分带系数值变化是：1.1×10^-1→1.1×10^-2→8.2×10^-6→1.9×10^-8→1.8×10^-10。

17.1.3.3 分带序列的确定方法

矿床原生晕的分带序列的确定，一般采用经验方法或半经验方法参数方法来确定。下面以原苏联某多金属矿床从化探原始数据（表17-4）到原生晕分带序列的确定步骤为例，介绍半经验参数方法的计算步骤。

表17-4 原苏联某多金属矿床原生晕的线金属量数据（m×0.01）

步骤1：数据标准化。

由于表17-4中的数据不在相同或相近数量级，需要标准化。这时采用格里戈良（Григрян）的方法，将低含量元素的数值人为地扩大n个数量级（每个数据乘以标准化系数K_H，K_H的值为1×10ⁿ），使所有元素的最大值处于同一数量级内。标准化后的数据见表17-5。

表17-5 原苏联某多金属矿床原生晕的线金属量标准化数据

步骤2：计算元素的分带指数值。

以表17-5中各元素的标准化数值除以表格最后一栏的Σ线金属量值，得到元素的分带指数值（表17-6）。

表17-6 原苏联某多金属矿床原生晕的元素的分带指数值

步骤3：计算元素的变异性指数值G。

变异性指数 G=^D_max/D_iD_max为某元素的分带指数值最大值；D_i为某元素的分带指数值（不考虑分带指数最大值所在中段）；n为中段数（不考虑分带指数最大值所在中段）。

步骤4：计算变异性指数梯度差ΔG。

勘查技术工程学

G_上表示分带指数最大值所在中段以上的变异性指数值；G_下表示分带指数最大值所在中段以下的变异性指数值。

步骤5：确定元素分带序列。

（1）当两个以上的元素分带指数最大值同时位于剖面的最上中段或最下中段时，可以用变异性指数G来进一步确定它们的相对位置。

表17-6中，As和Sb的最大值同时位于剖面的最上中段（地表），可求G值：

勘查技术工程学

计算结果G_As＞G_Sb值，说明自地表向下的变异性指数As的大于Sb的，反映出As比Sb更具有向上富集的趋势。因此在分带序列中，As应排在Sb的前面。

（2）当两个以上的元素分带指数最大值同时位于剖面的中部中段时，可以用变异性指数梯度差ΔG来进一步确定它们的相对位置。

表17-6中，Cu和Bi的最大值同时位于剖面的Ⅱ中段（中部），可求ΔG值：

勘查技术工程学

在同一中段内，某元素的G_上-G_下大，说明该元素倾向于向下富集，反之亦然。由于ΔG_Bi＞ΔG_Cu，所以Bi相对于Cu更易于向下富集，在分带序列中Bi应排在Cu的后面。

总的来划分，完整、确切的分带序列应该是：As—Sb—Pb—Cu—Bi—Mo。