热带雨林景观土壤测量采样深度与样品粒级试验研究——以加纳国雅卡锰金矿为例

丁兆举，常 昊，张年生，尉 青

(中国冶金地质总局西北地质勘查院，陕西西安 710119)

0 引言

雅卡锰金矿床位于加纳国著名的阿散蒂金矿带南部，属于热带雨林气候，为湿润中低山景观区。前人主要进行锰矿地质勘查，对区内的金矿勘查相对较少，地表未开展与金矿有关的土壤地球化学勘查。对寻找金等多金属矿来说，前期土壤地球化学测量是一种行之有效的找矿手段(罗先熔等，2007；孙凯等，2011；张善明等，2011；席明杰等，2013；王瑞军等，2016；汤国栋等，2020)，也是矿产地球化学勘查中十分重要的勘查方法之一，目前在地质勘查中土壤地球化学找矿被广泛应用(宋慈安等，2001；刘邦定等，2015；蒙勇等，2016；杨永春等，2017)。近70年来前人利用土壤测量寻找金矿(刘增铁，1993；谢学锦等，2004；刘珊等，2016；尚小社等，2018；董一博等，2019；王乔林等，2021)、铜多金属矿(杜明龙等，2015；刘洪微，2017；杨笑笑等，2018；李凯和万欢，2019；王乔林等，2021)取得了很好的效果。土壤地球化学测量的关键技术问题是采样深度和样品粒级，其直接影响土壤地球化学找矿信息的提取。本文以加纳国雅卡锰金矿床为研究对象，对采样深度和样品粒级进行试验研究，了解成矿元素在土壤垂向剖面中的分布规律和成矿元素在土壤中的最佳富集粒度(李源林等,2017)，确定适合热带雨林景观区土壤地球化学测量的最佳方法技术，目的是获得真实、可靠的土壤微量元素地球化学信息(贾先巧等,2009；李源林等，2017)和成矿元素在该区的分布情况和富集规律，为圈定找矿靶区提供依据(汤国栋等，2020)。该项工作可以降低劳动的强度，又可避免人为活动所造成的采样污染(庞绪贵等,2005)。

1 自然地理及景观特征

矿区位于赤道附近，属典型热带雨林型气候，全年高温炎热(左立波等，2013)，各月平均气温25～28 ℃，年最高气温36.8 ℃(2～3月)，最低气温19.5 ℃(8～9月)。年降水量达2000 mm以上，主要集中在每年的5～9 月。区内水系发育，森林密布，地形较平缓，多为丘陵，海拔50～160 m。矿区基本为第四系覆盖，主要以基岩风化形成的残坡积碎屑土层为主，土壤类型主要以粘土、亚粘土为主，在局部低洼地段分布少量的冲积、洪积、砾石等松散堆积物。基岩出露较少，仅在山顶、山脊或残丘有基岩或残积碎屑岩(块)出露。在高温多雨的影响下，热带雨林地区的风化淋滤作用强烈，地表的岩石遭受强烈的分化淋滤呈砖红色-褐色等土状或半风化状态，形成土壤的过程快速而彻底，所以土层较厚。那些不易溶解的矿物，相对集中起来，最常见的残留矿物为铁、锰氧化物，土壤颜色偏红，土壤类型主要以红壤(曹铁生等，2020)、黄褐壤为主。

2 矿区地质特征

矿区大地构造位置属于西非克拉通东南部，比里姆岩群东南部阿散蒂变质火山岩带南端，加纳著名的阿散蒂金矿带南部(图1)。

图1 加纳雅卡锰金矿区地质简图①

区内出露的地层为古元古代比里姆岩群，形成于2195～2072 Ma，出露面积很小，主要为火山碎屑岩、碳酸盐岩地层，少量变质火山岩系绿岩相，绝大部分被第四系土壤覆盖。火山碎屑岩以蚀变凝灰岩为主，呈浅紫色、浅灰绿色。区内锰矿、金矿均主要赋存于比里姆岩群上部的绿岩内，有著名的阿散蒂金矿(李鹏和罗习文，2015；曹铁生等，2020)。锰矿赋存于两层绿岩单元中间的沉积层内，碳酸盐岩地层为锰矿的主要赋矿层位。含矿层位以碳酸盐岩地层上部和下部的火山沉积序列为边界，底部的下-绿岩地层主要由火山碎屑岩组成，其上被沉积岩系列覆盖。该沉积岩系列被其上部的上-绿岩地层覆盖，上-绿岩地层由变质熔岩，以及可能存在的变质细粒火山碎屑岩组成。区内构造发育，较大断层呈NE-SW向分布，次一级断层呈NW-SE向分布。矿区内岩浆岩分布范围较广，以古元古代Dixcove花岗岩为主。比里姆岩群火山碎屑岩及沉积岩整体发生了强烈变形，晚期Dixcove花岗岩的侵入发生了围岩蚀变。在元古代晚期的构造变质作用形成了变质火山岩系列和变质沉积岩系列。从空间分布来看，花岗岩类岩石包裹着比里姆系岩石，部分凝灰岩覆盖于花岗岩顶部或者捕虏体状分布。

3 样品采集与粒级

3.1 样品采集

土壤垂向试验剖面选择区内已知的锰矿体，及前人采金竖井附近及背景地段处，避开冲积、洪积、砾石等松散堆积物覆盖区，以研究矿(化)体及背景地段土壤垂向剖面微量元素赋存变化规律。在矿区内选择三处典型剖面作为试验研究剖面，该三处剖面的岩性依据周围转石情况推测分别为凝灰岩、花岗岩、含锰碳酸盐岩。其目的是掌握微量元素含量变化特征与采样深度与样品粒级之间的关系(邹长毅等，2002；龙宣霖，2013)，为下一步开展面积性土壤地球化学测量确定最佳采样深度和样品粒级(刁理品等，2010；龙宣霖，2013；张荣国和潘北斗，2019)。

每条土壤剖面挖掘规格为1 m×1 m×1 m，即长1 m、宽1 m、深1 m。对土壤剖面进行详细观察并分层，样品自地表向深部依次按0～20 cm(A 层)、20～40 cm(B1层)、40～60 cm(B2 层)、60～90 cm(C1层)四层分层(邹长毅等，2002；贾先巧等,2009)，每个层位的样品按照10 cm×10 cm规格以连续刻槽法采集，每条剖面按分层采集4件样品，三条剖面共采集12件样品，野外采集的样品重量为3 kg。

3.2 样品粒级选择、加工与分析

试验样品自然风干后，木棍敲碎，反复手搓，除去样品颗粒物表面上附着的粘土，把每个样品用不锈钢样筛按照-4～+20目、-20～+40目和-40目套筛加工成三个粒级段样品(邹长毅等，2002；贾先巧等,2009)，三条剖面的样品按照三个粒级段加工分解为36件样品。样品由加纳国家具有分析化探样品资质的甲级单位分析测试，样品加工及分析方法均按照加纳国行业标准执行，测试中采用该国一级标样进行准确度监控，并插入10%的密码样进行检查，检查结果表明，样品测试的准确度和精确度均优于标准，分析质量可靠。

4 土壤测量方法技术试验成果

4.1 采样深度

金矿化附近(即S1剖面)采样深度Au、Mn、Cu含量变化特征(图2)：Au在20 cm深度处富集，从40～80 cm深度略有减低，但变化幅度不大。Au在20 cm深度富集，是由于表生富集作用的影响，但随着采样深度的增加，Au基本趋于稳定，其含量水平不随采样深度的加深而增高(图2a)。Mn主要富集在20 cm和60 cm深度处，Mn在20 cm深度处富集，可能是由于铁锰次生富集造成的，但随着采样深度的增加，锰含量水平略有减低，但变化幅度不大，这种变化可能反映了本景观条件下锰元素的次生富集特征(图2b)。铜元素随着采样深度的增加而增高，但变化幅度也不大(图2c)。总之，Au含量与采样深度无较大关系，Mn、Cu随着采样深度的加深稍有增加。但随着采样深度的加深，可以消除近地表次生富集的影响，真实地反映本区微量元素在土壤中的含量水平。

图2 S1剖面不同采样深度样品粒级含量变化图

锰矿体地段(即S2剖面)采样深度Au、Mn、Cu含量变化特征(图3)：Au、Mn、Cu元素含量随着采样深度的加深逐渐增高，Au在60 cm深度富集(图3a)；Mn、Cu分布模式基本相同(图3b～c)，除了在20 cm处富集外，在60～80 cm深度有较强的富集，即随着采样深度的加深，Mn、Cu元素的异常含量逐步增大，更好地反映了微量元素在土壤中的真实信息(邹长毅等，2002；龙宣霖，2013)。

图3 S2剖面不同采样深度样品粒级含量变化图

背景地段(即S3剖面)采样深度Au、Mn、Cu含量变化特征(图4)：Au含量在土壤剖面中变化不大，基本趋于稳定，其含量水平不随采样深度的加深而增高或减低(图4a)。这种变化特征可能是本区土壤覆盖较厚，而Au比较稳定，在土壤覆盖较厚的地段变化不明显所致；Mn含量随着采样深度的加深逐步减低，所反映的地质效果也较好(图4b)；Cu元素表现为从浅部到深部元素含量逐步增加，在60～80 cm深度处基本趋于稳定(图4c)。

图4 S3剖面不同采样深度样品粒级含量变化图

4.2 样品粒级

金矿化附近样品粒级Au、Mn、Cu 含量变化特征(图2)：主要元素Au、Mn、Cu粒级含量分布差异不十分明显，但也存在较小的变化，Au、Cu在-4～+20目粒级段含量水平相对较高，-20～+40目、40目以下(-40目)两个粒级段含量水平差异很小；Mn含量在-4～+20目、-20～+40目、40目以下三个粒级段内上下波动，无明显规律。因此，在金矿化附近Au、Cu含量在-4～+20目粒级段内相对富集。

锰矿体地段样品粒级Au、Mn、Cu 含量变化特征(图3)：主要元素Au、Mn、Cu粒级段含量差异较为明显，从细粒级到粗粒级元素含量呈逐渐增加的分布状态，Au、Mn、Cu在-4目～+20目粒级段富集最强，其次为-20～+40目，40目以下Au、Mn、Cu富集最弱。

背景地段样品粒级Au、Mn、Cu含量变化特征(图4)：Au、Mn粒级段含量变化不明显，元素富集和粒级之间没有明显的相关关系，即细粒级与粗粒级之间的元素含量相差无几，但Cu在粗粒级(-4～+20目)含量相对富集。

4.3 采样深度和样品粒级有效性分析

在雅卡锰矿区Ⅰ-Ⅰ剖面线上(剖面位置见图1)，按采样点距50 m，采样深度60～80 cm，在测定的采样点周围点线距1/10 范围内取样，样品由三处以上组成(董一博等，2019)。野外粗加工粒级-4～+20目，对试验研究结果进行了有效性验证。对剖面矿化地段与背景地段的样品分别进行了地球化学参数特征统计(表1)，结果表明，在锰矿(化)地段Au、Cu、Mo、Mn、Cr、Ni平均含量、变化系数、浓集克拉克值均比背景地段高，其中矿化地段Au、Mo的平均含量分别是背景地段的5.6倍、8倍，Au、Mn的变化系数大于等于2，表明这两种元素在区内分布特征具有极不均匀性，同时也说明了Au、Mn元素参与了次生富集成晕的过程，极易形成地球化学矿致异常(袁和等，2017；袁和和许云鹏，2021)，Zn、Cr两元素的变化系数小于1，说明两元素在区内的分布均匀，没有起到较大的起伏变化(陈乐柱等，2016；袁和和许云鹏，2021)。这表明所选择的采样方法技术，既能反映矿化地段微量元素矿化信息特征及地球化学强变化特征，又能体现背景地段的地球化学变化特征，二者之间差异明显。

表1 加纳雅卡锰金矿Ⅰ-Ⅰ剖面元素地球化学参数特征

选取剖面上部分主要成矿元素制作含量曲线图(图5)，从图中可以看出：锰矿体及其含铁锰凝灰岩上呈现出Mn、Cu、Pb、Zn、Mo、Ni、Co异常，其中Mn、Mo异常值高，连续性好，与锰矿体对应较好，反映了锰矿体元素组合特征。变凝灰岩呈现出Au、Cu、Mn、Mo、Co、Ni、Pb、Zn异常，其中Au、Cu、Mn、Mo、Co、Ni异常高，叠加较好。Pb、Zn异常较弱，可能与热带雨林地表淋滤环境有关。花岗闪长岩与角闪花岗岩中有金异常分布，但宽度窄，以金单元素异常出现，可能反映花岗岩体中的含金石英脉。总体上锰矿体上Mn、Cu、Pb、Zn、Mo、Ni、Co异常规模大，异常连续性较好，具有明显浓集中心；变凝灰岩上Au、Cu、Mn、Mo、Co、Ni异常规模较大，叠加较好，浓集中心明显，但伴生元素Pb、Zn异常含量较低。

图5 雅卡锰金矿区Ⅰ-Ⅰ剖面线土壤测量异常图

5 结论

(1)根据采样深度试验结果，在矿体(化)上，采样深度在60～80 cm能够客观反映土壤微量元素矿化信息特征。这既能避免表生人类活动所带来的污染，又能客观反映深部基岩风化后的矿化信息特征。在非矿地段或背景区，60～80 cm的采样深度能较好地体现基岩风化后的背景值特征，又能消除浅部次生富集带来的非矿异常。

(2)根据样品粒度试验结果，在矿体(化)地段各粒级段样品中，主要元素Au、Mn、Cu和与之共生的微量元素均有异常显示，但粗粒级(-4～+20目)比细粒级(-20～+40目、40目以下)效果好；在背景地段粗粒级(-4～+20目)与细粒级(40目以下)相比，Cu相对富集，Au、Mn含量变化不显著，但其含量变化在一定的背景含量范围内波动。

(3)采用采样深度60～80 cm和截取样品粒级-4～+20目，在矿区锰矿上方残坡积土壤中发现了明显的Mn、Ba、As、Cu、Pb、Zn、Ce、Mo、Ni、Co等异常；在变凝灰岩中发现了明显的Au、Cu、Mn、Mo、Ba、Co、Ni、Pb、Zn等异常，在花岗闪长岩和角闪花岗岩中发现了金异常。这说明60～80 cm采样深度和-4～+20目样品加工粒级是合理的，证明所采用的土壤测量方法技术在加纳雅卡锰金矿区是有效的。

(4)试验研究结果表明，在赤道附近热带雨林景观条件下，采样深度对土壤异常的强弱影响较大，粗粒级(-4～+20目)样品元素含量相对富集。因此采用60～80 cm采样深度，采用-4～+20目样品加工粒级，不仅能体现矿化地段地球化学信息，又能反映背景地段的元素变化特征，获得的地球化学异常是真实的、可靠的，完全能满足赤道附近热带雨林景观条件下土壤地球化学找矿需要。

[注 释]

①中国冶金地质总局西北地质勘查院.2019.加纳共和国西部省YAKAU锰矿普查报告[R].