干旱荒漠景观区金属微粒迁移机制浅析

刘攀峰, 文美兰, 张佳莉*, 罗先熔, 郑超杰, 高 文

干旱荒漠景观区金属微粒迁移机制浅析

刘攀峰1, 2, 文美兰1, 张佳莉1*, 罗先熔1, 郑超杰1, 高 文1

(1. 桂林理工大学 地球科学学院, 广西 桂林 541006; 2. 桂林理工大学 环境科学与工程学院, 广西 桂林 541006)

干旱荒漠景观区面积辽阔, 找矿潜力巨大, 受限于常规地球化学勘查方法, 被认为是勘查地球化学的难点重点区。本研究简要总结干旱荒漠景观区潜在的金属微粒向上迁移的机制, 依据其作用范围分为: 潜水面以下的机制, 包括地下水作用、压力泵机制、地气流和电化学迁移机制; 潜水面以上的机制, 包括毛细管作用、植物吸收、气态物质迁移和生物扰动。研究中介绍各迁移机制的作用原理、有效性及其局限性, 认为每种机制在特定的环境条件下均能以不同形式运移相关的金属微粒, 但由于复杂的地形地貌、漫长的地质演化, 任何机制不可能独立单一地存在, 彼此间相互协同作用。另外, 潜水面以上与包气带有关的机制主要发生在沉积地段的运移覆盖层中, 在开展深穿透地球化学(地气类方法、选择性提取方法、植物地球化学方法和地球电化学方法)找矿之前, 有必要了解研究区古气候、沉积物性质和地貌演化史, 便于合理选择采样层位和采样介质, 尽可能发现由金属运移机制引起的综合异常。

深穿透地球化学; 迁移机制; 金属微粒; 干旱荒漠景观区

0 引 言

干旱荒漠区面积辽阔, 截止2011年底全球荒漠面积达到4000万km2, 占陆地面积的25%, 我国荒漠面积占国土面积的比例高达27% (金铭, 2012; 刘海俐等, 2018)。由于干旱荒漠区绝大部分被第三、四纪覆盖层所覆盖, 沙漠、戈壁广布, 其深部具有巨大的找矿潜力, 但常规地球化学勘查方法(水系沉积物、土壤和岩屑测量法)难以发挥效用, 因此, 干旱荒漠区一直被认为是勘查的难点区域。近年来, 随着深穿透地球化学方法的提出, 包括地气类方法、选择性提取方法、植物地球化学方法、细粒级土壤全量测量和地电化学方法等(王学求, 1998; 谢学锦, 1998; 谢学锦和王学求, 2003; 唐金荣等, 2007; 刘攀峰等, 2018; 鲁美等, 2019), 使得这一问题得到改善。我国学者在新疆金窝子矿田210金矿区开展了地气和土壤活动态测量, 表明其方法可以有效地反映覆盖层下隐伏矿体(Wang et al., 2007; 张必敏等, 2012; 叶荣等, 2013)。宋慈安等(2004)在甘肃北山荒漠区开展植物地球化学找矿研究, 认为红砂的纵向深根, 具有较强的吸附聚集深部成矿有关元素的能力, 并建立干旱荒漠区隐伏金属矿床的植物地球化学找矿深度模型, 对隐伏矿的埋藏深度、矿化类型及深部规模进行预测。康明和马孟浩(2008)运用地球电化学法在新疆金窝子金矿区开展了区域性勘查研究, 也取得了良好的找矿效果。

通过运用深穿透地球化学方法在干旱荒漠区尽管取得了不错的应用效果和找矿实例, 可是对于反映深部矿体直接信息的来源问题尚不清楚, 特别是与成矿相关的金属微粒上升运移的机制仍然是深穿透地球化学方法中研究和争论的焦点。本文以荒漠景观区潜水面深、覆盖层厚等特点为基础, 系统总结该类景观区存在的金属微粒迁移机制, 及其各种有效机制的局限性, 为改进适合此类景观区的深穿透地球化学找矿方法和选择最优的深穿透地球化学方法组合提供理论依据。

1 景观及地貌地质特征

1.1 景观特点

干旱荒漠景观是气候、水文、地貌、土壤、动植物等一系列自然地理因素相互作用、相互联系的综合产物。我国的干旱荒漠区分布于36°00′N～48°00′N之间, 东面以贺兰山为界, 南到西昆仑阿尔金山和祁连山, 西、北两面均为国界, 总面积达260万km2(文雪琴, 2008; Wang et al., 2016)。干旱荒漠景观区属暖温带, 地处内陆, 距海遥远, 地形封闭, 其气候特点为大陆干旱性气候, 年蒸发量是年降雨量的数倍, 甚至数十倍, 年蒸发量可高达1500 mm, 几乎无地表径流, 夏季异常酷热, 最高气温达49 ℃, 昼夜温差大, 冬季寒冷漫长。干旱荒漠景观区植被低矮稀疏, 根系发达, 植物种类少, 以灌木或半灌木为主, 如骆驼刺()、梭梭()、红砂()、松叶猪毛菜()和盐爪爪()等。动物稀少, 可见黄羊、野骆驼、野马等珍稀动物。

1.2 地貌地质特征

我国干旱荒漠区在地质上处于古亚洲成矿域及其两侧地区, 成矿条件优越, 东(西)天山、北山、祁连三大金属成矿带横贯其中, 寻找隐伏矿的潜力巨大, 也是西部大开发的重要金属矿资源远景区(叶荣等, 2004)。干旱荒漠区是地质、物理和化学等自然过程参与的特殊产物。在白垩纪, 特别是第四纪以来, 剥蚀作用、风力搬运作用和岩石机械崩解作用强烈, 蒸发作用也相当强烈, 地貌通常以山地、丘陵与山间盆地交错分布为主, 经过长期剥蚀、风化、搬运, 山地、丘陵又往往准平原化而形成剥蚀石质戈壁, 山前地带发育洪积‒冲积平原(文雪琴, 2008; 赵哈林等, 2011)。根据覆盖层风化产物来源, 将干旱荒漠区分为出露地段(基岩出露区)、残余地段(原地风化区)和沉积地段(外来风化物沉积区), 见图1, 其中沉积地段在第四纪, 受强烈构造运动的控制, 又受全球性冰期、间冰期交错变化及地区性季风环流的影响, 风化、搬运和沉积作用明显, 由于接受大量坡积物和冲洪积物沉积, 形成了准平原化地貌, 图2以新疆金窝子矿区为例演示了准平原化过程, 金窝子矿区占干旱荒漠区面积的60%～70%, 相关的金属微粒迁移机制多存在于这一地段, 也是本次研究的重点区域。

2 金属微粒迁移机制及其分类

干旱荒漠区蒸发量远超降水量, 地下水位较深, 潜水面靠下, 潜水面以上部分对金属微粒能否运移到近地表并形成异常至关重要, 本研究将潜在的金属微粒向上运移的机制依据其作用范围分为潜水面以下(包括地下水作用、压力泵机制、地气流和电化学迁移机制)和潜水面以上(包括毛细管作用、植物吸收、气态物质迁移、生物扰动), 见图3。金属微粒从深部向地表的运移是逆重力向上的, 因此介质(水、气体、矿物颗粒)和驱动力(浓度差、温度梯度、压力梯度以及电场)是引起其向上运移的两大因素, 表1列出各带区现有运移机制所需介质和驱动力。除这些主要的运移机制外, 还需着重考虑运移覆盖层古气候和地貌演化两个因素, 因为它们显著影响大多数机制的作用范围和有效性。

以上机制在有效的前提下, 在近地表能形成直接或间接的异常(Smee, 2003)。在形成直接异常时, 与矿化有关的金属转移到近地表。例如, 从矿体上方地气和土壤中同时观测到纳米金属颗粒, 其与深部矿体观测到的纳米颗粒在形貌、大小和晶体结构方面具有一致性或相似性, 表明它们之间具有继承关系(王学求和叶荣, 2011; 王学求等, 2012)。近地表的间接异常形成是由与矿化体相关的另一种作用引起。例如, 植物的深根吸附聚集深部成矿有关元素, 并在其体内富集, 通过对其检测, 将暗示深部可能有隐伏的矿(化)体存在。

2.1 饱水带迁移机制

2.1.1 地下水循环

水是化学风化作用的主要介质, 也是风化层和深层含水层中金属扩散和平流运移的介质。风化层内的饱和地下水与岩石的接触促进含水层矿物溶解或沉淀, 但由于原生矿石矿物的热力学不稳定性, 地下水主要通过将成矿元素及其伴生元素释放到溶液中, 并以溶质和矿物颗粒吸附到胶体上来促进原生或矿石矿物的溶解。地下水与风化层和岩石接触时间越长, 就越有可能在岩石周围的地下水中形成化学异常。矿体周围地下水中金属的横向或纵向分散距离从几米达到数千米, 围绕埋藏矿化体的大量水化学研究表明: 矿化体附近地下水中金属元素含量较高, 金属元素的类型和含量反映了矿化体的化学性质。在地下水影响范围内与矿化体相关的元素的横向运移和异常含量已被实测到, 如Au、As、Mo、Cr、Bi、Cu和Se(Gray, 2001; Cameron et al., 2004; Gray et al., 2018)。而且利用S、Pb和Sr同位素进行的地下水金属地球化学研究表明, 金属分散到地下水中的距离不同, 并对区分浅层地下水中的矿化特征有一定指示意义(Caritat et al., 2005)。尽管如此, 地下水中相关金属组分也受到化学或生物反应的限制, 表2中列出了相关反应的主要过程和对金属活动性的影响, 这些反应大多数可通过质量输运方程和平衡热力学函数的组合来建模, 这种模型可以作为一种预测工具, 当确定含水层的某些固体和溶质性质时能估计特定金属的分散性, 但还需要进一步量化。

图1 干旱荒漠区出露地段、残余地段和沉积地段划分(以覆盖层风化产物来源)示意图

图2 新疆金窝子矿区准平原化过程演化图(据张必敏等, 2011修改)

2.1.2 地气流

地气流的来源主要有矿化体分异风化产生的气体(CO2、SO2)、火山喷发(CO2、H2S)、放射性元素(He、Rn)衰变和地幔排气(He、CH4、S)(王学求, 1996), 以及包气带土壤中生物作用产生的气体。地气流运移主要包括气相金属运移和微气泡携带金属运移两类, 气相金属如Hg等, 汞气测量法应用已相当成熟, 在此不再赘述。Malmqvist and Kristiansson(1984)提出气体是 Cu、Zn、Ni、Pb等金属附着在气泡流上细颗粒物的载体, 认为微气泡携带金属和其他极细颗粒运移, 克服了非挥发性金属(Cu、Pb、Zn、Au)运移的限制。基于浮力的特性, 气体和金属之间可能存在一种传递机制, 气体以气泡的形式通过不同的介质向上移动, 由于静水压力的变化, 特别是在地下水位附近, 溶解在地下水中的气体可以分离成不同直径的气相气泡, 浮力的特性促使气泡在液体介质中垂直向上移动并在表面逃逸或“破裂”, 具有足够浓度并形成气相气泡的气体被称为载气, 主要有CO2和CH4, 气泡在上升过程中可以与周围的液体交换气体并吸附相关金属微粒, 金属附着在气泡上并与气泡共同运移到地表从而导致金属微粒的快速运移(Etiope and Martinelli, 2002)。对金属随着气泡或气溶胶的运移的支持来自于海洋气溶胶成分的研究和对短期放射性同位素Rn的实验室研究, 对海洋表面破裂气泡的微量元素地球化学研究发现: 与海水相比, 特定元素可在气泡中富集, 但富集程度不同。如海洋表面破裂气泡中Cu、Cd和Zn的富集系数为200, Pb的富集系数达到2000以上(Piotrowicz et al., 1979), 海洋气溶胶气泡的富集系数为30～600 (Walker et al., 1986)。对饱和砂柱中微气泡运移现象的研究表明, 放射性同位素Rn和细矿物颗粒可通过附着在气泡上向上迁移(Vàrhegyi et al., 1992; Etiope and Lombardi, 1996)。理论上, 饱和介质中气泡迁移速度受斯托克斯定律控制, 与气泡直径、地下水密度、气体密度和地下水粘度有关, 而气泡直径受介质孔隙度和粒径的影响。另外, 在干旱荒漠景观区隐伏矿体上方的地气和土壤中发现纳米金属颗粒, 如新疆金窝子金矿和萨尔布拉克金矿(童纯菡等, 1998; 王学求等, 2012), 其与深部矿体观测到的纳米颗粒在形貌、大小和晶体结构方面具有一致性或相似性(图4), 证明矿石中纳米级金属微粒通过与微气泡表面相结合, 以地气流为载体, 或纳米微粒本身具有类气体性质, 可以克服重力影响, 穿透厚覆盖层迁移至地表。

2.1.3 压力泵

压力泵作为干旱荒漠区将金属微粒迁移到近地表的有效机制, 主要发生在地震、火山、构造活动发育地区。在智利北部的Spence斑岩铜矿床发现了对这一机制的支持, 该矿床具有50～100 m的中新世砾石覆盖层, 采集由基底断裂后重新活动形成的垂直裂缝的相关样品, 对矿化以上的表层土和下伏裂缝样品的化学分析表明其具有明显铜异常, 而离矿体较远的土壤和裂缝则没有, 矿体上方土壤中的铜异常与矿床附近地下水中铜含量异常一致。认为构造活动产生一系列断裂和裂隙, 局部应力的释放导致沿断裂方向产生压力差, 矿化地下水和气体沿着断裂向上, 从而导致金属微粒向上迁移, 这种机制可绕过地下水位高度的限制。在构造活动强烈区, 矿化地下水和气体有可能在近地表排出、释放, 水分则由于干旱区的强烈蒸发在近地表形成异常(Cameron et al., 2002, 2004; Kelley et al., 2003)。地震诱发地下水向上运动的理论是基于地震前断裂在脆性地壳中的存在, 裂缝成为地下水运动的储集空间和通道, 地震期间发生的挤压应力导致裂缝闭合, 随后地下水沿断层向地表较低压力区域挤压,导致裂缝和断层系统内的地下水通过覆盖层向上输送到地表(Sibson et al., 1975)。此外, 在地震发生后, 地表的地下水渗出现象会持续一段时间。

图3 干旱荒漠区金属微粒迁移机制理想图示

表1 饱水带区和包气带区存在机制及对应介质和力

2.1.4 电化学迁移

电化学迁移过程涉及带电粒子在电场内的移动, 被认为是有效的迁移机制。电化学迁移的驱动力来自矿化体的自发电位和氧化还原梯度, 因此电化学迁移的模型将分为两类: 一类是由矿化体(硫化物) 本身引起的电化学迁移, 这类电化学迁移模型的本质是与矿化有关的物质先通过矿体自身产生的自然电场向上迁移, 在矿体上方形成富集带, 再由富集带与地表之间产生的离子浓度差, 通过化学扩散模式向上迁移, 从而在地表形成直接或间接异常(图5a、b) (Ryss and Alekseeva, 1973; Govett, 1976; Govett et al., 1984)。所以, 该模式只能用来解释浅覆盖区形成的异常, 并不适用于厚覆盖区; 另一类由氧化还原梯度引起的电化学迁移, 是在矿化体本身引起电化学迁移的基础上, 认为深部基岩处于还原状态, 地下水面以上则处于氧化状态, 从基岩顶部到地下水面之间, 由于氧化剂的消耗会产生还原环境。而在基岩中硫化物矿体的顶部与接近地表的地下水面之间, 氧化还原条件是有差异的, 从而产生了纵向的电化学梯度。沿此梯度, 还原的和氧化的活性物质发生相对迁移, 彼此发生氧化还原反应。在此过程中, 地下水内有限的氧化剂会先被耗尽, 同时, HS−、Fe2+等还原性物质也有消耗, 导致它们从矿体顶部继续向外或向上弥散。O2从地下水面补进, 反应继续进行, 还原性物质继续弥散, 还原锋面向上推进, 直到潜水面处才会中止, 形成一个还原柱(图5c、d、e)。在此过程中, 还原态物质(如Fe2+等金属微粒)会穿过覆盖层向上运动, 由于电荷从矿体顶部弥散出来, 矿体内的自发电位电流就可继续发生, 在地表就有可测量到的电场(即自发电位电流), 还原柱内会产生pH值降低和伴生的碳酸盐溶解等效应(Hamilton, 1998; Cameron et al., 2004; Hamilton et al., 2004)。另外, 影响电化学迁移的因素有饱和度及H+和金属阳离子的扩散, 有关电动实验表明, 在中等饱和度时, 电化学迁移的效率显著降低, 这些都会制约电化学迁移的效率。目前, 地电化学技术作为深穿透地球化学方法之一, 其原理基于隐伏金属矿体内部不同矿物之间存在自然电位差, 促使矿化体产生电化学溶解, 在电化学场作用下矿体周围形成离子晕, 这些与矿化体相关的离子在电化学电场、地气搬运和地下水运动等各种自然营力作用下迁移到近地表形成浅部离子晕(罗先熔, 2005)。该离子晕来自于深部矿体, 具有动态性, 在外加电场的作用下, 打破离子动态平衡, 促使离子向地电化学提取装置迁移。该技术在干旱荒漠景观区找矿效果显著, 如甘肃金川铜镍矿和青海尕大阪铜多金属矿(曹中煌等, 2010; 黄学强等, 2012), 地电化学异常与矿化体赋存位置对应基本一致(图6), 间接证明电化学迁移机制的有效性。

表2 水化学相关反应和过程与其对金属活动性的影响(据Drever, 1988; Langmuir, 1997修改)

(a) 地气中Cu-Fe-Zr纳米微粒; (b) 土壤中Cu-Ti纳米微粒; (c) 地气中Cu-Au纳米微粒。

图5 电化学迁移机制模型图示(据Govett, 1976; Govett et al., 1984; Cameron et al., 2004修改)

2.2 包气带迁移机制

2.2.1 毛细作用

毛细作用能使地下水作用范围高出地下水面以上数米, 是金属微粒向上迁移的潜在机制。由于矿物–水界面的表面张力, 地下水受到向上的拉力, 在地下水面(压位差=0)以上, 周围岩石中的孔隙是饱和的, 但压力小于大气压力(<0), 其压力或张力推动水向上进入孔隙, 当孔隙的曲率半径小到足以引起气–水界面的压差时, 水的上升将继续(Gillham, 1984)。在毛细作用下地下水上升的上限是毛细边缘, 颗粒间的水是由毛细升力引起的, 水由于粘附作用吸附在矿物颗粒(如水化膜)上, 而毛细水上升高度取决于土壤的性质和干燥的程度(Berkowitzet al., 2004)。黏土比沙或淤泥产生更强烈的毛细作用, 干土比湿土产生更强烈的毛细作用。Keeling(2004)计算了不同粒径沉积物中理论毛细作用上升高度, 见表3。在干旱荒漠区, 地下水深超过10 m, 甚至更深, 因此这种机制不太可能独立迁移金属微粒在地表形成异常, 但是毛细作用可以与植被结合, 将金属微粒迁移至近地表。Mann et al. (2005)提出类似机制, 认为水和蒸汽从地下水上升的驱动力以及细颗粒沉积物中毛细管上升的极限是蒸发锋面, 通常位于根部或根部以下。蒸发锋面发育的深度随年降水量和土壤类型而变化。由于蒸发和蒸腾作用, 根部和根部以下的水分损失很大, 形成了一个蒸发锋面, 并可以逐渐向下移动。蒸发锋面顶部水分的蒸发损失会增加毛细管水中溶质浓度, 导致硫酸盐、磷酸盐和氯化物的析出和金属微粒对蒸发带内土壤矿物的吸附。此外, 植被也能够从毛细管水中吸收和转移金属, 这两个过程协同发展可使金属微粒迁移至近地表(图7)。

表3 不同粒径沉积物毛细管上升的理论高度(据Keeling, 2004修改)

图7 毛细作用与植物吸收协同迁移机制图示

2.2.2 植被吸收

植被作为将金属从深部矿化转移到近地表的机制是有效的, 因为水和营养物质被叶子和根之间的水势差向上驱动, 并且植被各部位的微量元素常反映基质成分(Brooks et al., 1995; Dunn, 2007)。植物地球化学找矿正是遵循这一迁移机制, 植被从地下水或矿物表面吸收和代谢各种生物必需元素(Ca、K、Mg、Na、S、Cu、Fe、Mo、Se和Zn)和非必需元素, 包括那些被选择性吸收的有潜在毒性的元素(Ag、As、Au、Cr、Pb、Sb、Cd和U), 这些可以更直接地反映基质成分, 从地下水中获取的金属经过新陈代谢分布到植物各个组织器官, 部分随蒸发释放到大气中或作为落叶可能直接释放到近地表土壤中。在干旱荒漠区, 由于潜水面深, 植被多数旱生、盐生, 种属相对较少、植株矮小和覆盖度较低, 为了满足必须的水分和营养物质, 在侧根发育的同时, 纵向深根也异常发达, 以适应这一特殊景观气候, 据不完全统计, 最大纵向根深可达53 m(Canadell et al., 1996)。在一些干旱区进行的氢同位素(氘)实验表明, 特定的植物种类(如金合欢、桉树)在干旱季节对地下水或深层水的依赖性增强, 根深度达到6～20 m (Dawson and Pate, 1996; Zencich et al., 2002)。我国甘肃北山荒漠区主要植物群落红砂的垂直根深, 具有较强的吸附聚集深部成矿有关元素的能力(宋慈安等, 2001)。随着电子显微镜精度的不断提高, Lintern et al. (2013)在金矿区开展植物地球化学找矿研究, 通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)在厚层沉积物上方的桉树树叶中发现富集有含金颗粒(图8), 与隐伏金矿体位置对应基本一致。这些研究证实, 特定的植物能够吸收深部地下水, 加之与毛细作用产生的协同机制, 完全可能将金属微粒从地下水转移到地表, 并将其释放到土壤中。

2.2.3 生物扰动

生物扰动是由于无脊椎(蚯蚓、蚂蚁、白蚁, 还有少量蝉、甲虫、蜘蛛和蟋蟀)和有脊椎穴居动物(鸟类和袋熊、沙鼠、鼹鼠等哺乳动物)在近地表活动将地下可能含金属微粒的土壤通过物理机械搬运至地表, 并随着时间的推移导致金属微粒的富集。在澳大利亚、南非、印度和南美洲的热带稀树草原地区, 土壤中的中型动物——白蚁(), 分布广泛、数量庞大, 生物扰动认为是迁移金属微粒的有效途径之一(Gleeson and Poulin, 1989; Johnson et al., 2005)。在我国干旱荒漠区, 大沙鼠()是主要的建群鼠种, 会建立定居点和挖掘复杂的洞穴系统, 在1 m深的尺度上的洞穴与大沙鼠所需食物(梭梭、盐爪爪等)分布范围基本一致(乔洪海等, 2011; 夏参军等, 2012; 刘江等, 2017), 目前国内尚未有关于大沙鼠行为和其洞穴对金属微粒迁移影响的报道, 但不能否定其有导致金属微粒迁移的可能。另外, 生物扰动能够作用的深度、有效性和覆盖层性质对生物扰动的影响都有待进一步研究证实。

(a) 不同的金属元素分布图; (b) 铜(蓝色)、锶(绿色)和金(红色)元素分布图; (c) 颗粒状金颗粒(白色箭头指示)分布图; (d) 锰元素分布图; (e) SEM-EDS鉴定图c中金颗粒的光谱图。

2.3 饱水带和包气带内存在迁移机制作用过程及其局限性

基于以上干旱荒漠区存在的潜在金属微粒迁移机制分析与讨论, 将饱水带和包气带内存在迁移机制作用过程及其局限性进行总结, 见表4。

3 影响因素

在漫长的地质历史时期, 基岩或基岩原地风化层上覆盖着各种类型和不同时代的覆盖层。运移覆盖层是各种潜在机制存在的基础, 其可能经历了不同程度的沉积–风化–构造运动–剥蚀–再沉积(风化), 最终形成目前所看到的地形地貌。因此, 运移覆盖层的性质和演化直接或间接影响金属迁移机制的有效性。下面将从古气候和地貌演化两方面讨论其对迁移机制的影响。

3.1 古气候

气候通过降水影响地下水位的深度, 进而影响不同机制的有效性。湿润气候有较高的地下水位, 而半干旱、干旱的气候相反将有较厚的包气(渗水)带和较深的地下水位。因此, 相对于在潮湿、湿润气候下有效的与包气带相关的迁移机制, 在干旱气候条件下的影响更大, 与当前气候对迁移机制的影响相同, 古气候也同等重要。胡俊杰等(2017)分析柴达木盆地北缘地区大煤沟侏罗纪标准剖面沉积岩的地球化学元素, 认为中–晚侏罗世柴达木盆地北缘地区古气温、古湿度均在一定幅度内频繁变化, 自中侏罗世晚期开始, 古气候开始由温暖潮湿向炎热干旱转变。南半球澳大利亚大部分地区目前处于半干旱和干旱状态, 但在新生代期间, 不同地区经历了湿润到过湿润的气候, 并伴随强降雨(Macphail, 2007)。在潮湿气候下, 地下水位高, 可能位于地表附近, 从深部矿化体到地下水位顶部(潜水面)形成连续的氧化还原电位梯度, 而不同电位差产生的电化学迁移导致原风化前缘释放的还原性离子(如Fe2+、Mn2+)向上迁移并在地下水位附近(氧化前缘)被氧化, 最终在氧化前缘形成酸性条件; 气候在向干旱转变的过程中, 加上风化剥蚀, 通常会使地下水位降低到运移覆盖层以下, 但原来的异常氧化带依旧保留在原地, 在植被和生物扰动作用下将金属转移到地表(图9)。这种情况在澳大利亚很常见, 在中生代沉积物中发现的原地下水位形成的异常氧化带, 由于铁锰氧化物和氢氧化物的吸附, 运移覆盖层内的古氧化带具有较高的金属含量(Anand, 2001; Anand and Paine, 2002)。

表4 饱水带和包气带内存在迁移机制作用过程及其局限性一览表

图9 古气候对运移覆盖层中金属运移机制的影响理想示意图(据Anand et al., 2016修改)

3.2 地貌演化

在干旱荒漠区, 依据覆盖层风化产物来源, 将干旱荒漠区分为出露地段(基岩出露区)、残余地段(原地风化区)和沉积地段(外来风化物沉积区)。出露和残余地段金属运移匮乏, 潜在的有效机制有断裂、地震引起的压力泵和地气流迁移等。而沉积地段较为复杂, 也是潜在的迁移机制主要作用范围, 在整个地质演化历史进程中, 可能经历了不同程度风化、剥蚀、再沉积等作用, 进而影响到金属迁移机制引起的异常强度和范围。如高度风化覆盖层中气体相关金属迁移引起的侧向异常比年轻、风化程度较低的土壤中的范围大; 沉积、剥蚀的时间直接影响到生物扰动、植被吸收等潜在机制能否有充足的时间摄取深层地下水的营养物质; 沉积物为砂质并且环境干旱, 则有利于生物扰动作用渗透到下面的异常残余沉积物中, 并将异常物质机械转移到表面或附近, 沉积物为黏土类时, 毛细吸力可能快速向上转移金属, 但其有效性取决于沉积物的粒度和地下水位高度, 同时这些也为不同沉积单元在随后的沉积–风化作用中迁移机制发生相互协同作用提供条件(Aspandiar et al., 2008)。图10展示了: ①运移覆盖层经历风化、剥蚀、沉积阶段由金属迁移机制引起的异常次生分散理想模型(图10a、b、c); ②不同沉积单元内可能由植被转移、生物扰动和毛细作用的综合机制引起的异常次生分散理想模型(图10d、e、f)。

4 总结与结论

(1) 通过对干旱荒漠区存在的潜在金属微粒迁移机制分析与讨论, 认为每个机制在特定的环境条件下均能以不同形式运移相关的金属微粒, 但由于复杂的地形地貌、漫长的地质演化, 任何机制不可能独立单一地存在, 同样所有的机制都存在一定的局限性, 需要进一步地研究和测试。

(2) 干旱荒漠区地下水位深, 潜水面以上与包气带有关机制主要发生在运移覆盖层中, 也就是以风化物来源分类的沉积地段, 并且沉积地段的古气候、沉积物性质和形成演化直接影响迁移机制是否存在和有效。因此, 在选择使用哪种深穿透地球化学方法之前, 首先应该了解研究区的古气候、沉积物性质和地貌演化史, 这样才能合理选择采样层位和采样介质, 最大可能地获取由金属迁移机制引起的综合异常。

图10 运移覆盖层内不同阶段金属迁移机制引起的异常次生分散理想模型(据Aspandiar et al., 2008; Anand et al., 2016修改)

致谢:中国地质大学(北京)龚庆杰教授和另外一位匿名审稿专家对文章提出了建设性修改意见, 笔者在此表示衷心感谢！

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Analysis on the migration mechanism of metal particles in arid desert area

LIU Panfeng1, 2, WEN Meilan1, ZHANG Jiali1*, LUO Xianrong1, ZHENG Chaojie1, GAO Wen1

(1. College of Earth Sciences, Guilin University of Technology, Guilin 541006, Guangxi, China; 2. College of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541006, Guangxi, China)

The arid deserts are vast areas and has great potential for prospecting. It is considered to be a difficult area for geochemical exploration due to the limitaions of conventional exploration methods. This paper briefly summarizes the migration mechanism of metal particles in the arid desert area and classifies the capable mechanisms of moving metal particles upwards into the phreatic zone (groundwater action, dilatancy pumping, geogas flow, and electrochemical migration) and the vadose zone (capillary, plant uptake, gaseous migration, bioturbation), and introduces the principles, effectiveness, and limitations of each migration mechanism. The metal particles relevant to each mechanism can be transported in different forms in specific environmental conditions. However due to the complex topography and long geological evolution, these mechanisms cannot exist independently and synergistically need each other. In addition, above the phreatic surface, the mechanism associated with the vadose zone mainly occurred in the transport cover of depositional section. Before conducting deep penetrating geochemistry methods (geogas method, selective extraction method, plant geochemical method, geoelectrochemical method), it is necessary to understand the paleoclimate, sediment properties and geomorphological evolution of the study area, strategically select the sampling horizon and sampling medium, and find synthesis anomaly caused by metal migration mechanism as much as possible.

deep penetrating geochemistry; migration mechanism; metal particles; arid desert area

P592; P593

A

0379-1726(2022)01-0019-15

10.19700/j.0379-1726.2022.01.003

2019-09-09;

2020-04-09

桂林理工大学科研启动基金(GUTQDJJ2019166)和国家重点研发计划项目(2016YFC0600603)联合资助。

刘攀峰(1990–), 男, 博士, 主要从事勘查地球化学、环境地球化学研究。E-mail: panfengliu@glut.edu.cn

张佳莉(1990–), 女, 实验师, 主要从事表生地球化学研究。E-mail: zjl2017@glut.edu.cn