新疆查岗诺尔铁矿上覆盖层地球化学元素垂向分布特征

李国涛， 谢淑云， 张忠良， 周兴家， 张陇和， 孙艳铃

(1.山东正元地质勘查院，山东济南250013； 2.中国地质大学(武汉)地球科学学院，湖北武汉430074)



新疆查岗诺尔铁矿上覆盖层地球化学元素垂向分布特征

李国涛1,2， 谢淑云2， 张忠良2， 周兴家2， 张陇和2， 孙艳铃2

(1.山东正元地质勘查院，山东济南250013； 2.中国地质大学(武汉)地球科学学院，湖北武汉430074)

摘要：我国西北部地区被戈壁荒漠广泛覆盖，这一地带在地质上处于我国古亚洲成矿域及其两侧地区，成矿条件优越，进一步找矿勘探尤其是寻找隐伏矿的潜力巨大，是西部大开发的重要金属资源远景区。分析了查岗诺尔铁矿某矿体上方土壤覆盖层中不同深度、不同粒径中元素含量的分布规律，旨在为覆盖区地球化学找矿提供参考。在土壤剖面采集自地表至基岩5、15、30、45、60、75、90、105、120、135、150 cm处的土壤样品，共11件。研究发现，在粒径>2.00 mm的粗颗粒中，元素可分为2类：As、Cu、Co、Fe、Zn为第一类；Sb、Sn、Ni为第二类。第一类总体表现为自底部至顶部元素含量呈逐渐增加的趋势，可能受后期作用影响较大；第二类表现为由底部至顶部，元素含量逐渐降低。在粒径2.00～0.850、0.850～0.425、0.425～0.250、0.250～0.180、<0.180 mm较细颗粒中，As、Zn渐变模式与大于2.00 mm的粗颗粒表现一致，亦为从底部至顶部元素含量呈逐渐增加的趋势；而另一些元素Sb、Sn、Ni、Cu、Co、Fe表现为底部元素含量较高、顶部元素含量较低、中间振荡变化的复合型变化模式。这种复合型变化可能说明该地区土壤中主要元素含量受下部隐伏矿的影响显著，继承了下部基岩的特征，元素在成土过程中呈现逐步贫化的趋势，预示该地区在覆盖区隐伏矿找矿过程中，可以参考土壤层中元素含量递减区域的分布特征进行进一步勘探。

关键词：戈壁荒漠覆盖区；隐伏矿；纵向地球化学特征；查岗诺尔铁矿；新疆西天山

0引言

近年来，国内外寻找隐伏矿所采用的地球化学方法涉及多种采样介质的勘探，其中土壤地球化学测量受到了地学工作者的极大关注。在地球化学勘探过程中，传统的找矿方法已经不能满足目前在厚覆盖区的找矿需求，深部找矿方法的研究日益引起人们的关注(智超等,2014; Cohen et al., 2010)。国内研究如张必敏等(2011)在新疆金窝子金矿对戈壁覆盖区景观演化与Au的分散迁移做了大量工作；赵善定等(2005)对土屋铜矿上方覆盖层元素分布规律进行了详细的研究。

国外自20世纪50年代、我国自20世纪六七十年代就开始发展适合于隐伏矿勘查的深穿透技术，深穿透地球化学是通过检测来自覆盖区深部矿体或地质体发出的直接矿化信息，寻找隐伏矿床的勘查地球化学理论与方法。通过系统研究成矿及其伴生元素向地表的迁移机理和分散模式，含矿信息在地表的存在形式和富集规律，并发展含矿信息采集、提取、分析和成果解释技术以达到在覆盖区寻找隐伏矿的目的(叶荣等，2004;赵善定等，2005;文雪琴等，2010;张必敏等，2011;王学求等，2012)。

由于覆盖层形成于矿床之后，并覆盖在矿床之上，所以覆盖层一般不会保留下方矿床的原始信息(成秋明，2012)。然而，由于长期受到地表系统、物理、化学、生物等作用的影响，覆盖层下的成矿物质(元素、颗粒)会向上迁移，在覆盖层中富集，在地表介质中形成地球化学异常。但目前国内外还没有一种被广泛接受并普遍适用的地球化学元素迁移和地球化学(Smee，1998)、扩散与对流机制(Goldberg，1998)、蒸发-流逸-对流机制、循环的膨胀性泵吸机制、植被和生物化学机制(Dunn，2007)以及地气中的纳米颗粒迁移机制(王学求等，2011;叶荣等，2012)。总而言之，这些研究均显示覆盖层下的成矿物质可以以多种形式向上迁移。

地球化学元素在环境中的迁移转换机制复杂，在土壤垂直剖面中，元素的含量分布有的呈现从土壤层底部至顶部逐渐富集的趋势；有的呈现由底部至顶部逐渐贫化的趋势；还有的显示为顶底高而中间低的“C”型，或顶底低而中间高的倒“C”型以及其他各种混合形态(王学求等，2011;叶荣等，2012)。“C”型分布模式是指底部靠近矿体的风化层和顶部土壤层中元素含量高，这种分布被认为是多种因素共同影响的结果。各种因素所起的作用，由具体的矿体深度、气候、地表景观等条件而定。底部靠近矿体的风化层和顶部土壤层中元素含量低而残积层及半风化层上部元素含量高的倒“C”型分布模式，可能是由于残积层中Fe、Mn等氢氧化物、黏土、有机质等对元素的吸附使元素聚集而成，这种分布模式可以作为指示隐伏矿体存在的一种标志。各种不同形态的分布对特定的研究区土壤中元素迁移机理研究及覆盖区隐伏矿的寻找有重要的指示意义(谢淑云等，2012)。

我国西北部地区广泛为戈壁荒漠覆盖，在地质上处于我国古亚洲成矿域及其两侧地区，成矿条件优越，找矿尤其寻找隐伏矿的潜力巨大，是西部大开发的重要金属资源远景区(叶荣等，2004;张必敏等，2011)。在戈壁荒漠覆盖区找矿，传统方法遇到困难，所以研究元素从矿体到地表的垂向地球化学变化和迁移机制对地球化学异常形成机理、模型的构建和异常解释以及含矿信息的精确分离尤其重要(王学求等，2012)。为了研究戈壁荒漠覆盖区元素的纵向地球化学特征，在新疆查岗诺尔铁矿系统采集从地表到基岩的土壤样品，分析其中的元素含量及相关地球化学特征，研究元素从矿体到地表在垂向上的地球化学变化和迁移机制，以指导厚覆盖区找矿工作。

1研究区地质概况

新疆西天山地区矿产资源丰富，成矿条件复杂，矿化类型多样，矿种齐全，在已经发现的各矿种中以铁矿最为重要，从目前发现的矿化来看，大致沿自然山系可分为3个矿带：博罗科努矿带、伊犁矿带、哈尔克山矿带。在宏观上，大地构造环境对矿产的空间分布有直接的影响，形成了不同级别的成矿带；对具体矿床来说，矿产往往产于断裂破碎带、韧性剪切带、火山机构等特定的构造部位，构成控矿构造。在西天山地区，自2004年以来相继勘查或发现了查岗诺尔、备战、智博、敦德等多个铁矿床(洪为等，2012;张作衡等，2012)。西天山查岗诺尔地区位于伊犁石炭纪—二叠纪裂谷的东端，是新疆重要的铁铜成矿带，属伊犁成矿系列，其成矿地质条件优越(洪为等，2012)。从地形上看，查岗诺尔铁矿主要分布在一山谷中，有2个主要的铁矿体，出露于山谷两侧，位处新疆巴音郭楞蒙古自治州和田县内，是一大型磁铁矿床(陈文革等，2011)。

查岗诺尔铁矿区出露地层有元古界、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系及第四系(胡秀军等，2010，2011；陈文革等，2011)。石炭系分布最广泛，分上、下石炭统，下石炭统为大哈拉军山组，上石炭统为伊什基里克组，两者之间为断层接触。大哈拉军山组是铁矿床赋矿层位(田敬全等，2009；邵青红等，2010;胡秀军等，2010，2011;陈文革等，2011)，下部以中基性岩为主，上部酸性岩较多，岩石具有远离火山口海底喷发沉积特征，属于喷发沉积相的碳酸盐-火山碎屑岩建造(胡秀军等，2011)。上石炭统伊什基里克组为1套火山角砾岩、凝灰岩及熔岩，局部夹正常沉积岩和灰岩，具海陆交互相特征(陈文革等，2011)。

查岗诺尔铁矿位于西天山伊犁地块东北缘，构造背景为属于博罗科努晚古生代岛弧带，矿区构造整体上受破火山口构造的制约(陈文革等，2011)。区域上经历了多阶段构造活动，造成极为复杂的构造格局，断裂构造发育，可以分为受区域构造制约的断裂和受火山构造控制的环状断裂(图1)。线性断裂的规模不大，构造角砾发育，气液活动明显、蚀变强烈，为铁矿床的形成提供了容矿、运矿等条件(邵青红等，2010)。

图1　西天山构造纲要图Fig.1　Structural outline map of the Western Tianshan Mountains

2样品采集与处理

为进一步探明地球化学元素在覆盖层中的垂向迁移规律及与下部矿体的关系，此次研究工作在查岗诺尔铁矿矿区已发现的2个主要铁矿体间的山谷内采集土壤样品。整个采集样品的垂直剖面位于基岩上部、两大铁矿体上方出露的基岩之间。该剖面地势高，除出露基岩外未发现高于此地的后期沉积物，鉴于此，可以判断该剖面能较好地代表原地风化覆盖的产物。采集方法首先选取天然露头良好的剖面，使用小铁铲采集自地表到基岩5、15、30、45、60、75、90、105、120、135、150 cm处的土壤样品11件。采集过程中为避免污染逆序采样，即从底部到顶部依次采样，每件样品质量约500 g。样品在近地表处(5 cm)为黑褐色，颗粒较粗，有细小的植物根系，往下为黄褐色，中细粒颗粒，有时可见碎石出现。采集样品置于布袋封装，外加塑料袋以防样品运送过程中相互污染。样品取回后先在野外室内自然风干，然后运回实验室。查岗诺尔铁矿区土壤钙质胶结较弱，土壤较松软，孔隙较为发育。

首先对查岗诺尔铁矿地区所采集的11件样品过筛，得到>2.00、2.00～0.850、0.850～0.425、0.425～0.250、0.250～0.180、<0.180 mm共6个粒级的样品。过筛后的土壤样品通过塑料薄膜压实，采用便携式X射线荧光光谱仪对其元素含量进行测试，每个样品重复测试3～5次，记录并取平均值。测量的元素主要有Pb、Zn、Cu、Fe、Mn、Ti、Ni、As等30多种。选取其中的As、Cu、Co、Fe、Zn、Sb、Sn、Ni共8个元素进行分析。

3地球化学元素纵向分布特征

3.1正态性检验

徐德义等(2012)认为当元素含量不服从正态分布时，按大数定律原理，元素含量的空间序列中随机因素并未起到主要作用，是浓度扩散这一确定因素起主导作用。通过不同粒级下元素SW(Shapiro-Wilk)统计量进行正态性检验(若显著性水平sig值<0.05则表示不服从正态分布，否则为服从正态分布)，所得结果如表1所示。从表1可以看出，查岗诺尔铁矿地区不同粒级下As、Sb、Sn、Cu、Co、Fe、Ni、Zn元素含量主体服从正态分布，说明查岗诺尔铁矿地区浓度扩散对元素含量在空间分布的影响并不明显，其他随机因素可能影响元素含量的空间分布特征。

表1　查岗诺尔铁矿不同粒级下元素SW统计量

3.2R型聚类分析

对同一粒级样品的元素含量进行R型聚类分析，观察各个元素之间的相关性。选取的仍是As、Sb、Sn、Cu、Co、Fe、Ni、Zn 这8个元素，运用SPSS软件，采用距离系数进行R型聚类分析，结果如图2所示。

图2　查岗诺尔铁矿不同粒级R型聚类分析图Fig.2　R-type cluster analysis of elements from different sizes of soils in the Chagangnuoer iron deposit

研究发现，在>2.00 mm的粗颗粒中，元素可分为2类:As、Cu、Co、Fe、Zn为一类，其中As与Zn关系最为密切，Sb、Sn、Ni为另一类；而在2.00～0.850、0.850～0.425、0.425～0.250、0.250～0.180、<0.180 mm等较细粒径颗粒内，元素As、Zn为一类，Sb、Sn、Ni、Cu、Co、Fe为另一类。

3.3地球化学元素纵向特征

3.3.1不同粒级的地球化学元素含量特征大量研究认为，土壤粒级一定程度上影响着土壤对元素的吸附能力。多数情况下表现为土壤颗粒由粗到细，元素含量呈逐步增加的趋势(魏华玲等，2013)。为研究查岗诺尔铁矿不同粒级样品的元素含量变化特征，对>2.00、2.00～0.850、0.850～0.425、0.425～0.250、0.250～0.180、<0.18 mm 6个粒级样品分析，研究不同粒级的元素含量纵向变化(图 3)。

对比各粒级的元素含量变化和聚类分析结果，发现元素在不同粒级的纵向变化表现与聚类分析所得的分类结论一致。在>2.00 mm的粗粒级中，元素的纵向变化表现为2类，从底部到顶部，As、Cu、Co、Fe、Zn 5种元素总体上表现为底部低而顶部略高的分布趋势，总体有不同程度的波动，而Sb、Sn、Ni表现为从底部到顶部逐渐衰减；而在2.00～0.850、0.850～0.425、0.425～0.250、0.250～0.180、<0.180 mm等较细粒级，元素As、Zn表现为从底部到顶部含量逐渐增加，Sb、Sn、Ni、Cu、Co、Fe呈现振荡衰减的趋势。

研究已知，元素在残积层中可以被铁、锰氢氧化物、黏土矿物、有机质等吸附，使元素聚集而成(Butt et al.，1992)。而Sb、Sn、Ni在表生氧化条件下稳定，元素不易迁移，通常迁移速度较慢，这可能导致它们在不同粒级下从底部到顶部元素含量呈现缓慢降低的趋势。 Zn在表生条件下较活跃、易迁移，但在氧化或迁移中可以被黏土矿物、铁、锰氧化物胶体吸附；As在氢氧化铁沉积物中富集，其含量与氢氧化铁的凝集速度有关，凝集得越快含量越高，所以As、Zn在底部时较低而在近地表时的含量最高。Cu、Co、Fe较之Sb、Sn、Ni在表生氧化条件下可以迁移，但又比Zn的迁移能力差，而铁、锰氢氧化物、黏土矿物等在较粗粒级中含量较少。故在>2.00 mm的粗粒径中，元素从底部到顶部元素含量略有升高；较细粒径，元素含量有降低的趋势。

图3　查岗诺尔铁矿元素纵向相对含量变化图(横坐标为极差变换后的元素含量；纵坐标为深度，cm)Fig.3　Vertical variation of element relative contents in the Chagangnuoer iron deposit(horizontal coordinate represents element content after range transformation, and longitudinal coordinate represents depth, cm)

3.3.2成矿元素纵向变化特征查岗诺尔铁矿已有的1∶50万区域化探资料显示，区内为Cu、Sn等元素的高背景带；区域内1∶5万化探组合异常显示，Zn、Pb、Fe、Cu、Au元素异常值较高(Goldberg，1998)。由于便携式X射线荧光光谱仪测量样品较多，数据量较大，故选取Fe、Cu、Zn 3种成矿元素进行分析。对不同粒级下的元素含量进行极差变换，作相对元素含量纵向变化图，用多项式拟合元素趋势作元素含量的长期趋势图(图4)。

图4　查岗诺尔铁矿不同粒级中Cu、Fe、Zn相对元素含量纵向变化(左)及变化趋势(右)图(横坐标为极差变换后的元素含量；纵坐标为深度，cm)Fig.4　Vertical variation(L) and variation trend(R) of relative Cu, Fe and Zn contents in different sizes of soils in the Chagangnuoer iron deposit(horizontal coordinate represents element content after range transformation, and longitudinal coordinate represents depth, cm)

Cu含量在>2.00、2.00～0.850 mm较粗粒级中有顶底高、中间低的变化，但Cu在较细粒级时表现为随深度的增加而增加。Zn 在<0.180 mm较细粒级中有顶底高、中间低的变化，在粗粒时从顶部至底部元素含量整体上呈减少的趋势。Fe在>2.00 mm较粗粒级时整体上表现为随深度的增加而降低，在较细粒级时表现为随深度的增加而增加。

3.3.3其他元素纵向变化特征由于便携式X射线荧光光谱仪测量样品比较多，数据量比较大，故其他元素只分析As、Co、Ni、Sb、Sn 5种微量种元素。为了研究它们在不同粒级下的分布特征，分别对不同粒级下的元素含量进行极差变换，作相对元素含量纵向变化图，用多项式拟合元素趋势作元素含量的长期趋势图(图5)。

图5　查岗诺尔铁矿不同粒级中As、Co、Ni、Sb、Sn相对元素含量纵向变化(左)及变化趋势(右)图(横坐标为极差变换后的元素含量；纵坐标为深度，cm)Fig.5　Vertical variation(L) and variation trend(R) of relative As, Co, Ni, Sb and Sn contents in different sizes of soils in the Chagangnuoer iron deposit(horizontal coordinate represents element content after range transformation, and longitudinal coordinate represents depth, cm)

As、Sb、Sn元素在不同粒级下随深度的变化基本上相似。从图5还可以看出不同粒级的Co、Sb、Sn、Ni都会表现为元素在近地表时含量较低，并且随深度的增加而增加，在深部含量较高。As在顶部近地表含量较高，总体表现为随深度的增加而降低。Sb、Sn的含量变化表现为随深度的增加而增加。Ni的含量表现为顶底低、中间高。Co在不同粒级下的含量随深度的变化较复杂，从整体上看，Co在>2.00 mm较粗粒级中表现为随深度的增加而降低，在较细粒级表现为随深度的增加而增加。

4结论

(1) As、Cu、Co、Fe、Zn、Sb、Sn、Ni元素在矿体上方垂向覆盖层不同粒级中的含量大部分服从正态分布，表明浓度扩散并不是影响查岗诺尔铁矿地区覆盖层中元素含量空间分布的主要因素。

(2) R型聚类分析显示，在>2.00 mm的粗粒级中，元素As、Cu、Co、Fe、Zn、Sb、Sn、Ni可分为2类:第一类As、Cu、Co、Fe、Zn总体表现为从底部至顶部元素含量呈渐渐增高的趋势,第二类Sb、Sn、Ni表现为逐渐降低。

(3) 聚类分析显示：2.00～0.850、0.850～0.425、0.425～0.250、0.250～0.180、<0.180 mm较细粒级中，元素As和Zn自成一类，Sb、Sn、Ni、Cu、Co、Fe为另一类。

As、Zn渐变模式与>2.00 mm粗粒级中的表现一致，而另一类Sb、Sn、Ni、Cu、Co、Fe表现为底部元素含量较高、顶部元素含量较低、中间振荡变化的复合型变化模式，其中主要成矿元素Fe与Cu、Ni相关性好。这种底部元素含量较高，顶部元素含量较低的复合型变化可能说明该地区土壤中主要元素含量受下部隐伏矿的影响显著，预示该地区在覆盖区隐伏矿找矿过程中，可以参考土壤层中元素含量递减区域的分布特征进行进一步勘探。

(4) 由于元素本身的稳定性、迁移能力不同，会表现出不同的垂直分布形式。在表生氧化条件下稳定、不易迁移的元素，在不同粒级中自底部到顶部，元素含量均有降低的趋势；在表生条件下较活跃、易迁移的元素，在近地表时的含量最高；在表生氧化条件下可以迁移但又迁移能力较差的元素，在>2.00 mm的粗粒级中，自底部到顶部元素含量升高；在较细粒级中元素含量有降低的趋势。

致谢：

在野外工作、样品制备与测试分析过程中，得到了中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室和材料与化学科学学院、资源学院部分老师和同学的大力支持，在此一并表示感谢！

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给予对照组患者传统开腹手术治疗，患者行腰硬联合麻醉，麻醉后打开腹腔，进行粘连松解手术，尽可能保证患者的输卵管恢复到正常的解剖结构。观察组患者采用腹腔镜手术治疗，对患者进行气管插管，行全身麻醉。患者采取膀胱截石位，于患者脐部约10 mm的范围内行一切口，置入腹腔镜；同时在患者两侧髂前上棘内3 cm处行两个5 mm的切口，对输卵管和子宫进行美蓝通液治疗，针对患者的具体情况进行针对性的治疗方法。手术完成后，给予患者右旋糖酐、地塞米松、强大霉素等预防粘连，同时给予患者抗炎、抗感染及活血化瘀等治疗。

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Vertical distribution of geochemical elements in the overburden of the Chagangnuoer iron deposit, Xinjiang

LI Guotao1,2, XIE Shuyun2， ZHANG Zhongliang2， ZHOU Xingjia2, ZHANG Longhe2， SUN Yanling2

(1. Geological Exploration Institute of Shandong Zhengyuan, Jinan 250013, Shandong, China； 2. School of Earth Sciences, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, Hubei, China)

Abstract：The northwest China region is widely covered by gobi deserts, which lies in the Paleo-Asia metallogenic domain and has excellent metallogenic conditions. This region has a good prospecting potential to discover buried orebodies, and is thus an important prospecting area for metal resources during the development of the West Regions. This study analyzed the element concentration distribution at different depths and of different grain sizes of soil covers of an orebody in the Chagangnuoer iron ore deposit, in order to provide references for geochemical prospecting in covered areas. A total of 11 soil samples collected from the surface to the bedrock along one vertical soil profile were analyzed, and the depths of the soil samples were 5, 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105, 120, 135 and 150 cm, respectively. It is indicated that among the coarse-grained samples, the elements can be divided into two groups: (1) As, Cu, Co, Fe and Zn; and (2) Sb, Sn and Ni. The element concentrations of the first group increase gradually from bottom to top and may be affected by the late process, while those of the second group exhibit a gradually reducd trend. Moreover, among those of grain sizes of 2.00～0.850, 0.850～0.425, 0.425～0.250, 0.250～0.180 and <0.180 mm, the variations of the As and Zn concentration show a similar trend with the elements of those with grain sizes larger than 2.00 mm. The concentrations of another type of elements, i.e., Sb, Sn, Ni, Cu, Co and Fe, show strong fluctuations from bottom, middle to the top of the profile, which are higher at the bottom and lower at the top but fluctuate irregularly among the middle parts. These composite variations suggest that the content of the main elements in the soil is significantly influenced by the lower buried ores, with a similar trend with the bottom bedrock. The elements become depleted during the soil-forming process. It is thus inferred that those areas with decreasing element content in soil should be further explored during the next prospecting of concealed orebodies in covered areas.

Keywords：gobi desert covered area; buried ore; vertical geochemical characteristics; Chagangnuoer iron deposit; Western Tianshan Mountains, Xinjiang

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.01.76

收稿日期：2015-07-13；修回日期：2015-08-25；编辑：陆李萍

基金项目：中国地质调查局项目“覆盖区弱异常形成机理与地球化学勘查”(12120113088900)

作者简介：李国涛(1989—),男，工程师，硕士研究生，地球化学专业，主要从事覆盖区地球化学勘查工作，E-mail： 29121905@qq.com

中图分类号：P622+.3

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2016)01-0076-09