干旱荒漠景觀區(qū)金屬微粒遷移機(jī)制淺析

劉攀峰, 文美蘭, 張佳莉*, 羅先熔, 鄭超杰, 高 文

干旱荒漠景觀區(qū)金屬微粒遷移機(jī)制淺析

劉攀峰1, 2, 文美蘭1, 張佳莉1*, 羅先熔1, 鄭超杰1, 高 文1

(1. 桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 廣西 桂林 541006; 2. 桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 廣西 桂林 541006)

干旱荒漠景觀區(qū)面積遼闊, 找礦潛力巨大, 受限于常規(guī)地球化學(xué)勘查方法, 被認(rèn)為是勘查地球化學(xué)的難點(diǎn)重點(diǎn)區(qū)。本研究簡要總結(jié)干旱荒漠景觀區(qū)潛在的金屬微粒向上遷移的機(jī)制, 依據(jù)其作用范圍分為: 潛水面以下的機(jī)制, 包括地下水作用、壓力泵機(jī)制、地氣流和電化學(xué)遷移機(jī)制; 潛水面以上的機(jī)制, 包括毛細(xì)管作用、植物吸收、氣態(tài)物質(zhì)遷移和生物擾動(dòng)。研究中介紹各遷移機(jī)制的作用原理、有效性及其局限性, 認(rèn)為每種機(jī)制在特定的環(huán)境條件下均能以不同形式運(yùn)移相關(guān)的金屬微粒, 但由于復(fù)雜的地形地貌、漫長的地質(zhì)演化, 任何機(jī)制不可能獨(dú)立單一地存在, 彼此間相互協(xié)同作用。另外, 潛水面以上與包氣帶有關(guān)的機(jī)制主要發(fā)生在沉積地段的運(yùn)移覆蓋層中, 在開展深穿透地球化學(xué)(地氣類方法、選擇性提取方法、植物地球化學(xué)方法和地球電化學(xué)方法)找礦之前, 有必要了解研究區(qū)古氣候、沉積物性質(zhì)和地貌演化史, 便于合理選擇采樣層位和采樣介質(zhì), 盡可能發(fā)現(xiàn)由金屬運(yùn)移機(jī)制引起的綜合異常。

深穿透地球化學(xué); 遷移機(jī)制; 金屬微粒; 干旱荒漠景觀區(qū)

0 引 言

干旱荒漠區(qū)面積遼闊, 截止2011年底全球荒漠面積達(dá)到4000萬km2, 占陸地面積的25%, 我國荒漠面積占國土面積的比例高達(dá)27% (金銘, 2012; 劉海俐等, 2018)。由于干旱荒漠區(qū)絕大部分被第三、四紀(jì)覆蓋層所覆蓋, 沙漠、戈壁廣布, 其深部具有巨大的找礦潛力, 但常規(guī)地球化學(xué)勘查方法(水系沉積物、土壤和巖屑測(cè)量法)難以發(fā)揮效用, 因此, 干旱荒漠區(qū)一直被認(rèn)為是勘查的難點(diǎn)區(qū)域。近年來, 隨著深穿透地球化學(xué)方法的提出, 包括地氣類方法、選擇性提取方法、植物地球化學(xué)方法、細(xì)粒級(jí)土壤全量測(cè)量和地電化學(xué)方法等(王學(xué)求, 1998; 謝學(xué)錦, 1998; 謝學(xué)錦和王學(xué)求, 2003; 唐金榮等, 2007; 劉攀峰等, 2018; 魯美等, 2019), 使得這一問題得到改善。我國學(xué)者在新疆金窩子礦田210金礦區(qū)開展了地氣和土壤活動(dòng)態(tài)測(cè)量, 表明其方法可以有效地反映覆蓋層下隱伏礦體(Wang et al., 2007; 張必敏等, 2012; 葉榮等, 2013)。宋慈安等(2004)在甘肅北山荒漠區(qū)開展植物地球化學(xué)找礦研究, 認(rèn)為紅砂的縱向深根, 具有較強(qiáng)的吸附聚集深部成礦有關(guān)元素的能力, 并建立干旱荒漠區(qū)隱伏金屬礦床的植物地球化學(xué)找礦深度模型, 對(duì)隱伏礦的埋藏深度、礦化類型及深部規(guī)模進(jìn)行預(yù)測(cè)?？得骱婉R孟浩(2008)運(yùn)用地球電化學(xué)法在新疆金窩子金礦區(qū)開展了區(qū)域性勘查研究, 也取得了良好的找礦效果。

通過運(yùn)用深穿透地球化學(xué)方法在干旱荒漠區(qū)盡管取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果和找礦實(shí)例, 可是對(duì)于反映深部礦體直接信息的來源問題尚不清楚, 特別是與成礦相關(guān)的金屬微粒上升運(yùn)移的機(jī)制仍然是深穿透地球化學(xué)方法中研究和爭論的焦點(diǎn)。本文以荒漠景觀區(qū)潛水面深、覆蓋層厚等特點(diǎn)為基礎(chǔ), 系統(tǒng)總結(jié)該類景觀區(qū)存在的金屬微粒遷移機(jī)制, 及其各種有效機(jī)制的局限性, 為改進(jìn)適合此類景觀區(qū)的深穿透地球化學(xué)找礦方法和選擇最優(yōu)的深穿透地球化學(xué)方法組合提供理論依據(jù)。

1 景觀及地貌地質(zhì)特征

1.1 景觀特點(diǎn)

干旱荒漠景觀是氣候、水文、地貌、土壤、動(dòng)植物等一系列自然地理因素相互作用、相互聯(lián)系的綜合產(chǎn)物。我國的干旱荒漠區(qū)分布于36°00′N～48°00′N之間, 東面以賀蘭山為界, 南到西昆侖阿爾金山和祁連山, 西、北兩面均為國界, 總面積達(dá)260萬km2(文雪琴, 2008; Wang et al., 2016)。干旱荒漠景觀區(qū)屬暖溫帶, 地處內(nèi)陸, 距海遙遠(yuǎn), 地形封閉, 其氣候特點(diǎn)為大陸干旱性氣候, 年蒸發(fā)量是年降雨量的數(shù)倍, 甚至數(shù)十倍, 年蒸發(fā)量可高達(dá)1500 mm, 幾乎無地表徑流, 夏季異?？釤? 最高氣溫達(dá)49 ℃, 晝夜溫差大, 冬季寒冷漫長。干旱荒漠景觀區(qū)植被低矮稀疏, 根系發(fā)達(dá), 植物種類少, 以灌木或半灌木為主, 如駱駝刺()、梭梭()、紅砂()、松葉豬毛菜()和鹽爪爪()等。動(dòng)物稀少, 可見黃羊、野駱駝、野馬等珍稀動(dòng)物。

1.2 地貌地質(zhì)特征

我國干旱荒漠區(qū)在地質(zhì)上處于古亞洲成礦域及其兩側(cè)地區(qū), 成礦條件優(yōu)越, 東(西)天山、北山、祁連三大金屬成礦帶橫貫其中, 尋找隱伏礦的潛力巨大, 也是西部大開發(fā)的重要金屬礦資源遠(yuǎn)景區(qū)(葉榮等, 2004)。干旱荒漠區(qū)是地質(zhì)、物理和化學(xué)等自然過程參與的特殊產(chǎn)物。在白堊紀(jì), 特別是第四紀(jì)以來, 剝蝕作用、風(fēng)力搬運(yùn)作用和巖石機(jī)械崩解作用強(qiáng)烈, 蒸發(fā)作用也相當(dāng)強(qiáng)烈, 地貌通常以山地、丘陵與山間盆地交錯(cuò)分布為主, 經(jīng)過長期剝蝕、風(fēng)化、搬運(yùn), 山地、丘陵又往往準(zhǔn)平原化而形成剝蝕石質(zhì)戈壁, 山前地帶發(fā)育洪積?沖積平原(文雪琴, 2008; 趙哈林等, 2011)。根據(jù)覆蓋層風(fēng)化產(chǎn)物來源, 將干旱荒漠區(qū)分為出露地段(基巖出露區(qū))、殘余地段(原地風(fēng)化區(qū))和沉積地段(外來風(fēng)化物沉積區(qū)), 見圖1, 其中沉積地段在第四紀(jì), 受強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制, 又受全球性冰期、間冰期交錯(cuò)變化及地區(qū)性季風(fēng)環(huán)流的影響, 風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積作用明顯, 由于接受大量坡積物和沖洪積物沉積, 形成了準(zhǔn)平原化地貌, 圖2以新疆金窩子礦區(qū)為例演示了準(zhǔn)平原化過程, 金窩子礦區(qū)占干旱荒漠區(qū)面積的60%～70%, 相關(guān)的金屬微粒遷移機(jī)制多存在于這一地段, 也是本次研究的重點(diǎn)區(qū)域。

2 金屬微粒遷移機(jī)制及其分類

干旱荒漠區(qū)蒸發(fā)量遠(yuǎn)超降水量, 地下水位較深, 潛水面靠下, 潛水面以上部分對(duì)金屬微粒能否運(yùn)移到近地表并形成異常至關(guān)重要, 本研究將潛在的金屬微粒向上運(yùn)移的機(jī)制依據(jù)其作用范圍分為潛水面以下(包括地下水作用、壓力泵機(jī)制、地氣流和電化學(xué)遷移機(jī)制)和潛水面以上(包括毛細(xì)管作用、植物吸收、氣態(tài)物質(zhì)遷移、生物擾動(dòng)), 見圖3。金屬微粒從深部向地表的運(yùn)移是逆重力向上的, 因此介質(zhì)(水、氣體、礦物顆粒)和驅(qū)動(dòng)力(濃度差、溫度梯度、壓力梯度以及電場(chǎng))是引起其向上運(yùn)移的兩大因素, 表1列出各帶區(qū)現(xiàn)有運(yùn)移機(jī)制所需介質(zhì)和驅(qū)動(dòng)力。除這些主要的運(yùn)移機(jī)制外, 還需著重考慮運(yùn)移覆蓋層古氣候和地貌演化兩個(gè)因素, 因?yàn)樗鼈冿@著影響大多數(shù)機(jī)制的作用范圍和有效性。

以上機(jī)制在有效的前提下, 在近地表能形成直接或間接的異常(Smee, 2003)。在形成直接異常時(shí), 與礦化有關(guān)的金屬轉(zhuǎn)移到近地表。例如, 從礦體上方地氣和土壤中同時(shí)觀測(cè)到納米金屬顆粒, 其與深部礦體觀測(cè)到的納米顆粒在形貌、大小和晶體結(jié)構(gòu)方面具有一致性或相似性, 表明它們之間具有繼承關(guān)系(王學(xué)求和葉榮, 2011; 王學(xué)求等, 2012)。近地表的間接異常形成是由與礦化體相關(guān)的另一種作用引起。例如, 植物的深根吸附聚集深部成礦有關(guān)元素, 并在其體內(nèi)富集, 通過對(duì)其檢測(cè), 將暗示深部可能有隱伏的礦(化)體存在。

2.1 飽水帶遷移機(jī)制

2.1.1 地下水循環(huán)

水是化學(xué)風(fēng)化作用的主要介質(zhì), 也是風(fēng)化層和深層含水層中金屬擴(kuò)散和平流運(yùn)移的介質(zhì)。風(fēng)化層內(nèi)的飽和地下水與巖石的接觸促進(jìn)含水層礦物溶解或沉淀, 但由于原生礦石礦物的熱力學(xué)不穩(wěn)定性, 地下水主要通過將成礦元素及其伴生元素釋放到溶液中, 并以溶質(zhì)和礦物顆粒吸附到膠體上來促進(jìn)原生或礦石礦物的溶解。地下水與風(fēng)化層和巖石接觸時(shí)間越長, 就越有可能在巖石周圍的地下水中形成化學(xué)異常。礦體周圍地下水中金屬的橫向或縱向分散距離從幾米達(dá)到數(shù)千米, 圍繞埋藏礦化體的大量水化學(xué)研究表明: 礦化體附近地下水中金屬元素含量較高, 金屬元素的類型和含量反映了礦化體的化學(xué)性質(zhì)。在地下水影響范圍內(nèi)與礦化體相關(guān)的元素的橫向運(yùn)移和異常含量已被實(shí)測(cè)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同位素進(jìn)行的地下水金屬地球化學(xué)研究表明, 金屬分散到地下水中的距離不同, 并對(duì)區(qū)分淺層地下水中的礦化特征有一定指示意義(Caritat et al., 2005)。盡管如此, 地下水中相關(guān)金屬組分也受到化學(xué)或生物反應(yīng)的限制, 表2中列出了相關(guān)反應(yīng)的主要過程和對(duì)金屬活動(dòng)性的影響, 這些反應(yīng)大多數(shù)可通過質(zhì)量輸運(yùn)方程和平衡熱力學(xué)函數(shù)的組合來建模, 這種模型可以作為一種預(yù)測(cè)工具, 當(dāng)確定含水層的某些固體和溶質(zhì)性質(zhì)時(shí)能估計(jì)特定金屬的分散性, 但還需要進(jìn)一步量化。

圖1 干旱荒漠區(qū)出露地段、殘余地段和沉積地段劃分(以覆蓋層風(fēng)化產(chǎn)物來源)示意圖

圖2 新疆金窩子礦區(qū)準(zhǔn)平原化過程演化圖(據(jù)張必敏等, 2011修改)

2.1.2 地氣流

地氣流的來源主要有礦化體分異風(fēng)化產(chǎn)生的氣體(CO2、SO2)、火山噴發(fā)(CO2、H2S)、放射性元素(He、Rn)衰變和地幔排氣(He、CH4、S)(王學(xué)求, 1996), 以及包氣帶土壤中生物作用產(chǎn)生的氣體。地氣流運(yùn)移主要包括氣相金屬運(yùn)移和微氣泡攜帶金屬運(yùn)移兩類, 氣相金屬如Hg等, 汞氣測(cè)量法應(yīng)用已相當(dāng)成熟, 在此不再贅述。Malmqvist and Kristiansson(1984)提出氣體是 Cu、Zn、Ni、Pb等金屬附著在氣泡流上細(xì)顆粒物的載體, 認(rèn)為微氣泡攜帶金屬和其他極細(xì)顆粒運(yùn)移, 克服了非揮發(fā)性金屬(Cu、Pb、Zn、Au)運(yùn)移的限制?；诟×Φ奶匦? 氣體和金屬之間可能存在一種傳遞機(jī)制, 氣體以氣泡的形式通過不同的介質(zhì)向上移動(dòng), 由于靜水壓力的變化, 特別是在地下水位附近, 溶解在地下水中的氣體可以分離成不同直徑的氣相氣泡, 浮力的特性促使氣泡在液體介質(zhì)中垂直向上移動(dòng)并在表面逃逸或“破裂”, 具有足夠濃度并形成氣相氣泡的氣體被稱為載氣, 主要有CO2和CH4, 氣泡在上升過程中可以與周圍的液體交換氣體并吸附相關(guān)金屬微粒, 金屬附著在氣泡上并與氣泡共同運(yùn)移到地表從而導(dǎo)致金屬微粒的快速運(yùn)移(Etiope and Martinelli, 2002)。對(duì)金屬隨著氣泡或氣溶膠的運(yùn)移的支持來自于海洋氣溶膠成分的研究和對(duì)短期放射性同位素Rn的實(shí)驗(yàn)室研究, 對(duì)海洋表面破裂氣泡的微量元素地球化學(xué)研究發(fā)現(xiàn): 與海水相比, 特定元素可在氣泡中富集, 但富集程度不同。如海洋表面破裂氣泡中Cu、Cd和Zn的富集系數(shù)為200, Pb的富集系數(shù)達(dá)到2000以上(Piotrowicz et al., 1979), 海洋氣溶膠氣泡的富集系數(shù)為30～600 (Walker et al., 1986)。對(duì)飽和砂柱中微氣泡運(yùn)移現(xiàn)象的研究表明, 放射性同位素Rn和細(xì)礦物顆?？赏ㄟ^附著在氣泡上向上遷移(Vàrhegyi et al., 1992; Etiope and Lombardi, 1996)。理論上, 飽和介質(zhì)中氣泡遷移速度受斯托克斯定律控制, 與氣泡直徑、地下水密度、氣體密度和地下水粘度有關(guān), 而氣泡直徑受介質(zhì)孔隙度和粒徑的影響。另外, 在干旱荒漠景觀區(qū)隱伏礦體上方的地氣和土壤中發(fā)現(xiàn)納米金屬顆粒, 如新疆金窩子金礦和薩爾布拉克金礦(童純菡等, 1998; 王學(xué)求等, 2012), 其與深部礦體觀測(cè)到的納米顆粒在形貌、大小和晶體結(jié)構(gòu)方面具有一致性或相似性(圖4), 證明礦石中納米級(jí)金屬微粒通過與微氣泡表面相結(jié)合, 以地氣流為載體, 或納米微粒本身具有類氣體性質(zhì), 可以克服重力影響, 穿透厚覆蓋層遷移至地表。

2.1.3 壓力泵

壓力泵作為干旱荒漠區(qū)將金屬微粒遷移到近地表的有效機(jī)制, 主要發(fā)生在地震、火山、構(gòu)造活動(dòng)發(fā)育地區(qū)。在智利北部的Spence斑巖銅礦床發(fā)現(xiàn)了對(duì)這一機(jī)制的支持, 該礦床具有50～100 m的中新世礫石覆蓋層, 采集由基底斷裂后重新活動(dòng)形成的垂直裂縫的相關(guān)樣品, 對(duì)礦化以上的表層土和下伏裂縫樣品的化學(xué)分析表明其具有明顯銅異常, 而離礦體較遠(yuǎn)的土壤和裂縫則沒有, 礦體上方土壤中的銅異常與礦床附近地下水中銅含量異常一致。認(rèn)為構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生一系列斷裂和裂隙, 局部應(yīng)力的釋放導(dǎo)致沿?cái)嗔逊较虍a(chǎn)生壓力差, 礦化地下水和氣體沿著斷裂向上, 從而導(dǎo)致金屬微粒向上遷移, 這種機(jī)制可繞過地下水位高度的限制。在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū), 礦化地下水和氣體有可能在近地表排出、釋放, 水分則由于干旱區(qū)的強(qiáng)烈蒸發(fā)在近地表形成異常(Cameron et al., 2002, 2004; Kelley et al., 2003)。地震誘發(fā)地下水向上運(yùn)動(dòng)的理論是基于地震前斷裂在脆性地殼中的存在, 裂縫成為地下水運(yùn)動(dòng)的儲(chǔ)集空間和通道, 地震期間發(fā)生的擠壓應(yīng)力導(dǎo)致裂縫閉合, 隨后地下水沿?cái)鄬酉虻乇磔^低壓力區(qū)域擠壓,導(dǎo)致裂縫和斷層系統(tǒng)內(nèi)的地下水通過覆蓋層向上輸送到地表(Sibson et al., 1975)。此外, 在地震發(fā)生后, 地表的地下水滲出現(xiàn)象會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

圖3 干旱荒漠區(qū)金屬微粒遷移機(jī)制理想圖示

表1 飽水帶區(qū)和包氣帶區(qū)存在機(jī)制及對(duì)應(yīng)介質(zhì)和力

2.1.4 電化學(xué)遷移

電化學(xué)遷移過程涉及帶電粒子在電場(chǎng)內(nèi)的移動(dòng), 被認(rèn)為是有效的遷移機(jī)制。電化學(xué)遷移的驅(qū)動(dòng)力來自礦化體的自發(fā)電位和氧化還原梯度, 因此電化學(xué)遷移的模型將分為兩類: 一類是由礦化體(硫化物) 本身引起的電化學(xué)遷移, 這類電化學(xué)遷移模型的本質(zhì)是與礦化有關(guān)的物質(zhì)先通過礦體自身產(chǎn)生的自然電場(chǎng)向上遷移, 在礦體上方形成富集帶, 再由富集帶與地表之間產(chǎn)生的離子濃度差, 通過化學(xué)擴(kuò)散模式向上遷移, 從而在地表形成直接或間接異常(圖5a、b) (Ryss and Alekseeva, 1973; Govett, 1976; Govett et al., 1984)。所以, 該模式只能用來解釋淺覆蓋區(qū)形成的異常, 并不適用于厚覆蓋區(qū); 另一類由氧化還原梯度引起的電化學(xué)遷移, 是在礦化體本身引起電化學(xué)遷移的基礎(chǔ)上, 認(rèn)為深部基巖處于還原狀態(tài), 地下水面以上則處于氧化狀態(tài), 從基巖頂部到地下水面之間, 由于氧化劑的消耗會(huì)產(chǎn)生還原環(huán)境。而在基巖中硫化物礦體的頂部與接近地表的地下水面之間, 氧化還原條件是有差異的, 從而產(chǎn)生了縱向的電化學(xué)梯度。沿此梯度, 還原的和氧化的活性物質(zhì)發(fā)生相對(duì)遷移, 彼此發(fā)生氧化還原反應(yīng)。在此過程中, 地下水內(nèi)有限的氧化劑會(huì)先被耗盡, 同時(shí), HS?、Fe2+等還原性物質(zhì)也有消耗, 導(dǎo)致它們從礦體頂部繼續(xù)向外或向上彌散。O2從地下水面補(bǔ)進(jìn), 反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行, 還原性物質(zhì)繼續(xù)彌散, 還原鋒面向上推進(jìn), 直到潛水面處才會(huì)中止, 形成一個(gè)還原柱(圖5c、d、e)。在此過程中, 還原態(tài)物質(zhì)(如Fe2+等金屬微粒)會(huì)穿過覆蓋層向上運(yùn)動(dòng), 由于電荷從礦體頂部彌散出來, 礦體內(nèi)的自發(fā)電位電流就可繼續(xù)發(fā)生, 在地表就有可測(cè)量到的電場(chǎng)(即自發(fā)電位電流), 還原柱內(nèi)會(huì)產(chǎn)生pH值降低和伴生的碳酸鹽溶解等效應(yīng)(Hamilton, 1998; Cameron et al., 2004; Hamilton et al., 2004)。另外, 影響電化學(xué)遷移的因素有飽和度及H+和金屬陽離子的擴(kuò)散, 有關(guān)電動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明, 在中等飽和度時(shí), 電化學(xué)遷移的效率顯著降低, 這些都會(huì)制約電化學(xué)遷移的效率。目前, 地電化學(xué)技術(shù)作為深穿透地球化學(xué)方法之一, 其原理基于隱伏金屬礦體內(nèi)部不同礦物之間存在自然電位差, 促使礦化體產(chǎn)生電化學(xué)溶解, 在電化學(xué)場(chǎng)作用下礦體周圍形成離子暈, 這些與礦化體相關(guān)的離子在電化學(xué)電場(chǎng)、地氣搬運(yùn)和地下水運(yùn)動(dòng)等各種自然營力作用下遷移到近地表形成淺部離子暈(羅先熔, 2005)。該離子暈來自于深部礦體, 具有動(dòng)態(tài)性, 在外加電場(chǎng)的作用下, 打破離子動(dòng)態(tài)平衡, 促使離子向地電化學(xué)提取裝置遷移。該技術(shù)在干旱荒漠景觀區(qū)找礦效果顯著, 如甘肅金川銅鎳礦和青海尕大阪銅多金屬礦(曹中煌等, 2010; 黃學(xué)強(qiáng)等, 2012), 地電化學(xué)異常與礦化體賦存位置對(duì)應(yīng)基本一致(圖6), 間接證明電化學(xué)遷移機(jī)制的有效性。

表2 水化學(xué)相關(guān)反應(yīng)和過程與其對(duì)金屬活動(dòng)性的影響(據(jù)Drever, 1988; Langmuir, 1997修改)

(a) 地氣中Cu-Fe-Zr納米微粒; (b) 土壤中Cu-Ti納米微粒; (c) 地氣中Cu-Au納米微粒。

圖5 電化學(xué)遷移機(jī)制模型圖示(據(jù)Govett, 1976; Govett et al., 1984; Cameron et al., 2004修改)

2.2 包氣帶遷移機(jī)制

2.2.1 毛細(xì)作用

毛細(xì)作用能使地下水作用范圍高出地下水面以上數(shù)米, 是金屬微粒向上遷移的潛在機(jī)制。由于礦物–水界面的表面張力, 地下水受到向上的拉力, 在地下水面(壓位差=0)以上, 周圍巖石中的孔隙是飽和的, 但壓力小于大氣壓力(<0), 其壓力或張力推動(dòng)水向上進(jìn)入孔隙, 當(dāng)孔隙的曲率半徑小到足以引起氣–水界面的壓差時(shí), 水的上升將繼續(xù)(Gillham, 1984)。在毛細(xì)作用下地下水上升的上限是毛細(xì)邊緣, 顆粒間的水是由毛細(xì)升力引起的, 水由于粘附作用吸附在礦物顆粒(如水化膜)上, 而毛細(xì)水上升高度取決于土壤的性質(zhì)和干燥的程度(Berkowitzet al., 2004)。黏土比沙或淤泥產(chǎn)生更強(qiáng)烈的毛細(xì)作用, 干土比濕土產(chǎn)生更強(qiáng)烈的毛細(xì)作用。Keeling(2004)計(jì)算了不同粒徑沉積物中理論毛細(xì)作用上升高度, 見表3。在干旱荒漠區(qū), 地下水深超過10 m, 甚至更深, 因此這種機(jī)制不太可能獨(dú)立遷移金屬微粒在地表形成異常, 但是毛細(xì)作用可以與植被結(jié)合, 將金屬微粒遷移至近地表。Mann et al. (2005)提出類似機(jī)制, 認(rèn)為水和蒸汽從地下水上升的驅(qū)動(dòng)力以及細(xì)顆粒沉積物中毛細(xì)管上升的極限是蒸發(fā)鋒面, 通常位于根部或根部以下。蒸發(fā)鋒面發(fā)育的深度隨年降水量和土壤類型而變化。由于蒸發(fā)和蒸騰作用, 根部和根部以下的水分損失很大, 形成了一個(gè)蒸發(fā)鋒面, 并可以逐漸向下移動(dòng)。蒸發(fā)鋒面頂部水分的蒸發(fā)損失會(huì)增加毛細(xì)管水中溶質(zhì)濃度, 導(dǎo)致硫酸鹽、磷酸鹽和氯化物的析出和金屬微粒對(duì)蒸發(fā)帶內(nèi)土壤礦物的吸附。此外, 植被也能夠從毛細(xì)管水中吸收和轉(zhuǎn)移金屬, 這兩個(gè)過程協(xié)同發(fā)展可使金屬微粒遷移至近地表(圖7)。

表3 不同粒徑沉積物毛細(xì)管上升的理論高度(據(jù)Keeling, 2004修改)

圖7 毛細(xì)作用與植物吸收協(xié)同遷移機(jī)制圖示

2.2.2 植被吸收

植被作為將金屬從深部礦化轉(zhuǎn)移到近地表的機(jī)制是有效的, 因?yàn)樗蜖I養(yǎng)物質(zhì)被葉子和根之間的水勢(shì)差向上驅(qū)動(dòng), 并且植被各部位的微量元素常反映基質(zhì)成分(Brooks et al., 1995; Dunn, 2007)。植物地球化學(xué)找礦正是遵循這一遷移機(jī)制, 植被從地下水或礦物表面吸收和代謝各種生物必需元素(Ca、K、Mg、Na、S、Cu、Fe、Mo、Se和Zn)和非必需元素, 包括那些被選擇性吸收的有潛在毒性的元素(Ag、As、Au、Cr、Pb、Sb、Cd和U), 這些可以更直接地反映基質(zhì)成分, 從地下水中獲取的金屬經(jīng)過新陳代謝分布到植物各個(gè)組織器官, 部分隨蒸發(fā)釋放到大氣中或作為落葉可能直接釋放到近地表土壤中。在干旱荒漠區(qū), 由于潛水面深, 植被多數(shù)旱生、鹽生, 種屬相對(duì)較少、植株矮小和覆蓋度較低, 為了滿足必須的水分和營養(yǎng)物質(zhì), 在側(cè)根發(fā)育的同時(shí), 縱向深根也異常發(fā)達(dá), 以適應(yīng)這一特殊景觀氣候, 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 最大縱向根深可達(dá)53 m(Canadell et al., 1996)。在一些干旱區(qū)進(jìn)行的氫同位素(氘)實(shí)驗(yàn)表明, 特定的植物種類(如金合歡、桉樹)在干旱季節(jié)對(duì)地下水或深層水的依賴性增強(qiáng), 根深度達(dá)到6～20 m (Dawson and Pate, 1996; Zencich et al., 2002)。我國甘肅北山荒漠區(qū)主要植物群落紅砂的垂直根深, 具有較強(qiáng)的吸附聚集深部成礦有關(guān)元素的能力(宋慈安等, 2001)。隨著電子顯微鏡精度的不斷提高, Lintern et al. (2013)在金礦區(qū)開展植物地球化學(xué)找礦研究, 通過掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)在厚層沉積物上方的桉樹樹葉中發(fā)現(xiàn)富集有含金顆粒(圖8), 與隱伏金礦體位置對(duì)應(yīng)基本一致。這些研究證實(shí), 特定的植物能夠吸收深部地下水, 加之與毛細(xì)作用產(chǎn)生的協(xié)同機(jī)制, 完全可能將金屬微粒從地下水轉(zhuǎn)移到地表, 并將其釋放到土壤中。

2.2.3 生物擾動(dòng)

生物擾動(dòng)是由于無脊椎(蚯蚓、螞蟻、白蟻, 還有少量蟬、甲蟲、蜘蛛和蟋蟀)和有脊椎穴居動(dòng)物(鳥類和袋熊、沙鼠、鼴鼠等哺乳動(dòng)物)在近地表活動(dòng)將地下可能含金屬微粒的土壤通過物理機(jī)械搬運(yùn)至地表, 并隨著時(shí)間的推移導(dǎo)致金屬微粒的富集。在澳大利亞、南非、印度和南美洲的熱帶稀樹草原地區(qū), 土壤中的中型動(dòng)物——白蟻(), 分布廣泛、數(shù)量龐大, 生物擾動(dòng)認(rèn)為是遷移金屬微粒的有效途徑之一(Gleeson and Poulin, 1989; Johnson et al., 2005)。在我國干旱荒漠區(qū), 大沙鼠()是主要的建群鼠種, 會(huì)建立定居點(diǎn)和挖掘復(fù)雜的洞穴系統(tǒng), 在1 m深的尺度上的洞穴與大沙鼠所需食物(梭梭、鹽爪爪等)分布范圍基本一致(喬洪海等, 2011; 夏參軍等, 2012; 劉江等, 2017), 目前國內(nèi)尚未有關(guān)于大沙鼠行為和其洞穴對(duì)金屬微粒遷移影響的報(bào)道, 但不能否定其有導(dǎo)致金屬微粒遷移的可能。另外, 生物擾動(dòng)能夠作用的深度、有效性和覆蓋層性質(zhì)對(duì)生物擾動(dòng)的影響都有待進(jìn)一步研究證實(shí)。

(a) 不同的金屬元素分布圖; (b) 銅(藍(lán)色)、鍶(綠色)和金(紅色)元素分布圖; (c) 顆粒狀金顆粒(白色箭頭指示)分布圖; (d) 錳元素分布圖; (e) SEM-EDS鑒定圖c中金顆粒的光譜圖。

2.3 飽水帶和包氣帶內(nèi)存在遷移機(jī)制作用過程及其局限性

基于以上干旱荒漠區(qū)存在的潛在金屬微粒遷移機(jī)制分析與討論, 將飽水帶和包氣帶內(nèi)存在遷移機(jī)制作用過程及其局限性進(jìn)行總結(jié), 見表4。

3 影響因素

在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期, 基巖或基巖原地風(fēng)化層上覆蓋著各種類型和不同時(shí)代的覆蓋層。運(yùn)移覆蓋層是各種潛在機(jī)制存在的基礎(chǔ), 其可能經(jīng)歷了不同程度的沉積–風(fēng)化–構(gòu)造運(yùn)動(dòng)–剝蝕–再沉積(風(fēng)化), 最終形成目前所看到的地形地貌。因此, 運(yùn)移覆蓋層的性質(zhì)和演化直接或間接影響金屬遷移機(jī)制的有效性。下面將從古氣候和地貌演化兩方面討論其對(duì)遷移機(jī)制的影響。

3.1 古氣候

氣候通過降水影響地下水位的深度, 進(jìn)而影響不同機(jī)制的有效性。濕潤氣候有較高的地下水位, 而半干旱、干旱的氣候相反將有較厚的包氣(滲水)帶和較深的地下水位。因此, 相對(duì)于在潮濕、濕潤氣候下有效的與包氣帶相關(guān)的遷移機(jī)制, 在干旱氣候條件下的影響更大, 與當(dāng)前氣候?qū)w移機(jī)制的影響相同, 古氣候也同等重要。胡俊杰等(2017)分析柴達(dá)木盆地北緣地區(qū)大煤溝侏羅紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)剖面沉積巖的地球化學(xué)元素, 認(rèn)為中–晚侏羅世柴達(dá)木盆地北緣地區(qū)古氣溫、古濕度均在一定幅度內(nèi)頻繁變化, 自中侏羅世晚期開始, 古氣候開始由溫暖潮濕向炎熱干旱轉(zhuǎn)變。南半球澳大利亞大部分地區(qū)目前處于半干旱和干旱狀態(tài), 但在新生代期間, 不同地區(qū)經(jīng)歷了濕潤到過濕潤的氣候, 并伴隨強(qiáng)降雨(Macphail, 2007)。在潮濕氣候下, 地下水位高, 可能位于地表附近, 從深部礦化體到地下水位頂部(潛水面)形成連續(xù)的氧化還原電位梯度, 而不同電位差產(chǎn)生的電化學(xué)遷移導(dǎo)致原風(fēng)化前緣釋放的還原性離子(如Fe2+、Mn2+)向上遷移并在地下水位附近(氧化前緣)被氧化, 最終在氧化前緣形成酸性條件; 氣候在向干旱轉(zhuǎn)變的過程中, 加上風(fēng)化剝蝕, 通常會(huì)使地下水位降低到運(yùn)移覆蓋層以下, 但原來的異常氧化帶依舊保留在原地, 在植被和生物擾動(dòng)作用下將金屬轉(zhuǎn)移到地表(圖9)。這種情況在澳大利亞很常見, 在中生代沉積物中發(fā)現(xiàn)的原地下水位形成的異常氧化帶, 由于鐵錳氧化物和氫氧化物的吸附, 運(yùn)移覆蓋層內(nèi)的古氧化帶具有較高的金屬含量(Anand, 2001; Anand and Paine, 2002)。

表4 飽水帶和包氣帶內(nèi)存在遷移機(jī)制作用過程及其局限性一覽表

圖9 古氣候?qū)\(yùn)移覆蓋層中金屬運(yùn)移機(jī)制的影響理想示意圖(據(jù)Anand et al., 2016修改)

3.2 地貌演化

在干旱荒漠區(qū), 依據(jù)覆蓋層風(fēng)化產(chǎn)物來源, 將干旱荒漠區(qū)分為出露地段(基巖出露區(qū))、殘余地段(原地風(fēng)化區(qū))和沉積地段(外來風(fēng)化物沉積區(qū))。出露和殘余地段金屬運(yùn)移匱乏, 潛在的有效機(jī)制有斷裂、地震引起的壓力泵和地氣流遷移等。而沉積地段較為復(fù)雜, 也是潛在的遷移機(jī)制主要作用范圍, 在整個(gè)地質(zhì)演化歷史進(jìn)程中, 可能經(jīng)歷了不同程度風(fēng)化、剝蝕、再沉積等作用, 進(jìn)而影響到金屬遷移機(jī)制引起的異常強(qiáng)度和范圍。如高度風(fēng)化覆蓋層中氣體相關(guān)金屬遷移引起的側(cè)向異常比年輕、風(fēng)化程度較低的土壤中的范圍大; 沉積、剝蝕的時(shí)間直接影響到生物擾動(dòng)、植被吸收等潛在機(jī)制能否有充足的時(shí)間攝取深層地下水的營養(yǎng)物質(zhì); 沉積物為砂質(zhì)并且環(huán)境干旱, 則有利于生物擾動(dòng)作用滲透到下面的異常殘余沉積物中, 并將異常物質(zhì)機(jī)械轉(zhuǎn)移到表面或附近, 沉積物為黏土類時(shí), 毛細(xì)吸力可能快速向上轉(zhuǎn)移金屬, 但其有效性取決于沉積物的粒度和地下水位高度, 同時(shí)這些也為不同沉積單元在隨后的沉積–風(fēng)化作用中遷移機(jī)制發(fā)生相互協(xié)同作用提供條件(Aspandiar et al., 2008)。圖10展示了: ①運(yùn)移覆蓋層經(jīng)歷風(fēng)化、剝蝕、沉積階段由金屬遷移機(jī)制引起的異常次生分散理想模型(圖10a、b、c); ②不同沉積單元內(nèi)可能由植被轉(zhuǎn)移、生物擾動(dòng)和毛細(xì)作用的綜合機(jī)制引起的異常次生分散理想模型(圖10d、e、f)。

4 總結(jié)與結(jié)論

(1) 通過對(duì)干旱荒漠區(qū)存在的潛在金屬微粒遷移機(jī)制分析與討論, 認(rèn)為每個(gè)機(jī)制在特定的環(huán)境條件下均能以不同形式運(yùn)移相關(guān)的金屬微粒, 但由于復(fù)雜的地形地貌、漫長的地質(zhì)演化, 任何機(jī)制不可能獨(dú)立單一地存在, 同樣所有的機(jī)制都存在一定的局限性, 需要進(jìn)一步地研究和測(cè)試。

(2) 干旱荒漠區(qū)地下水位深, 潛水面以上與包氣帶有關(guān)機(jī)制主要發(fā)生在運(yùn)移覆蓋層中, 也就是以風(fēng)化物來源分類的沉積地段, 并且沉積地段的古氣候、沉積物性質(zhì)和形成演化直接影響遷移機(jī)制是否存在和有效。因此, 在選擇使用哪種深穿透地球化學(xué)方法之前, 首先應(yīng)該了解研究區(qū)的古氣候、沉積物性質(zhì)和地貌演化史, 這樣才能合理選擇采樣層位和采樣介質(zhì), 最大可能地獲取由金屬遷移機(jī)制引起的綜合異常。

圖10 運(yùn)移覆蓋層內(nèi)不同階段金屬遷移機(jī)制引起的異常次生分散理想模型(據(jù)Aspandiar et al., 2008; Anand et al., 2016修改)

致謝:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)龔慶杰教授和另外一位匿名審稿專家對(duì)文章提出了建設(shè)性修改意見, 筆者在此表示衷心感謝！

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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

桂林理工大學(xué)科研啟動(dòng)基金(GUTQDJJ2019166)和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0600603)聯(lián)合資助。

劉攀峰(1990–), 男, 博士, 主要從事勘查地球化學(xué)、環(huán)境地球化學(xué)研究。E-mail: panfengliu@glut.edu.cn

張佳莉(1990–), 女, 實(shí)驗(yàn)師, 主要從事表生地球化學(xué)研究。E-mail: zjl2017@glut.edu.cn