勘查地球化學(xué)-氣體勘查地球化學(xué)

-----第七章勘查地球化學(xué)第二節(jié)氣體勘查地球化學(xué)一、概述二、氣體異常的形成三、汞氣異常四、氦氣異常五、其他氣體異常六、地氣或納米金屬異常一、概述氣體勘查地球化學(xué)是通過系統(tǒng)測(cè)量大氣或壤中氣的氣體成分特征，發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行找礦。由于氣體穿透力強(qiáng)、擴(kuò)散迅速，反映深度大，人們一直寄希望于用它來找深部盲礦和隱伏礦。特別是在厚層覆蓋區(qū)，其它方法受到限制時(shí)，氣體地球化學(xué)方法就更被重視。氣體勘查地球化學(xué)中研究應(yīng)用較多的是烴類氣體找石油天然氣，He、Rn用于找鈾礦，汞氣、SO2、H2S、COS(羰基硫,別名硫化碳酰)和其它含硫氣體，以及CO2、O2氣異常用于找金屬硫化物礦床、金銀貴金屬礦床。其中，應(yīng)用較成功的是烴類氣體直接找油氣田，汞氣異常找硫化物礦床以及He、Rn找鈾礦。含硫氣體、CO2等氣體作為輔助性指標(biāo)，在氣體勘查地球化學(xué)中也有較廣泛的應(yīng)用。根據(jù)測(cè)量對(duì)象和采樣方法的不同，氣體勘查地球化學(xué)通常有三種方法：1．土壤氣體測(cè)量，亦稱壤中氣測(cè)量。2．近地面氣體測(cè)量，在地面行進(jìn)中，抽吸氣體測(cè)量。3．航空氣體測(cè)量：用裝有高靈敏度儀器的飛機(jī)低空飛行，進(jìn)行氣體采樣分析。二、氣體異常的形成深成氣是深部地質(zhì)作用，主要是由巖漿脫氣作用和放射性衰變作用產(chǎn)生的氣體。前者主要以CO2、CO、CH4、H2S、CS2、H2等還原氣體為主，后者主要是惰性氣體。表成氣體則是在水、陽光、游離氧、生物作用下形成的，當(dāng)然也包括有放射性衰變形成氣體。由于地質(zhì)條件不同，表成氣體種類差異很大，碳酸鹽巖地區(qū)，重碳酸鹽分解形成以CO2為主的氣體；有機(jī)質(zhì)豐富的地層及疏松沉積物，細(xì)菌活動(dòng)強(qiáng)烈，產(chǎn)生大量有機(jī)氣體，缺氧條件形成CH4及其它碳氧化合物，富氧條件則形成CO2為主的氣體。金屬硫化物氧化，則形成各種含硫氣體。氣體異常的來源，主要有以下三種：1．原生成礦作用的內(nèi)生氣體這類氣體異常由于氣體成分與背景大氣無明顯組分差別，加之原生氣體有限、長期散失后，異常襯度變低。并無實(shí)際價(jià)值。2．礦石氧化的表生氣體金屬硫化物在表生帶氧化時(shí)，能形成H2S、SO2、CO2、COS、(CH3)2S（二甲硫）、CS2以及(CH3)2Se、(CH3)3As等。

2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+H2SO44FeS2+2H2SO4+O2→2Fe2(SO4)3+2H2OZnS+H2SO4→ZnSO4+H2S↑FeS2+Fe2(SO4)3→3Fe(SO4)+2S2S+2O2→SO2↑氧化產(chǎn)生的硫酸和硫酸鹽如遇圍巖中的碳酸鹽反應(yīng)生成CO2：

H2SO4+CaCO3→CaSO4+H2O+CO2↑2CaCO3+2CuSO4+H2O→Cu(CO3)(OH)2+2CaSO4+CO2↑氣體形成后，并不能永久存在下去，它們可能因溶于水，或相互反應(yīng)、分解而消失。據(jù)蘭德爾（1977）的研究，COS最為穩(wěn)定，壽命達(dá)600天，而H2S僅存留一天，(CH3)2S是三天，SO2只有九天，CS2是40天。汞是硫化物礦床中普遍伴生的元素，表生氧化作用中，普遍有汞氣異常形成。鹵族元素是成礦熱液中重要的絡(luò)合劑，它們往往以成礦的殘余溶液中的離子運(yùn)移到礦上圍巖中，形成外帶異常。在富含鹵族元素的金屬礦床上方壤中氣或大氣中，能形成鹵族氣體異常。3．放射性衰變形成的射氣異常由鈾、釷礦物衰變形成He和Rn是鈾、釷礦床上的典型射氣異常成分，利用氡氣和徑跡探測(cè)技術(shù)能成功地探測(cè)200米以下的含鈾礦床。粒子是放射性衰變過程中從原子核內(nèi)放射出的一個(gè)粒子，它是氦的原子核，由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成。粒子穿過物質(zhì)時(shí)可留下痕跡，痕跡數(shù)量與放射性礦物含量有關(guān)。利用硝酸纖維薄膜或醋酸纖維薄膜來記錄粒子的行蹤，稱為徑跡測(cè)量。此法稱杯法測(cè)量。三、汞氣異常汞是典型的親硫元素，在內(nèi)生熱液作用中與Cu、Pb、Zn、Ag、Au、Cd、In、T1以及As、Sb、Bi、Se、Te等密切伴生，主要以類質(zhì)同象賦存于許多金屬硫化物中，低溫階段還能形成自己的獨(dú)立礦物。地表大氣中，汞的背景含量為0.2-10ng/m3，火山氣中常高達(dá)幾百—幾千ng/m3，金屬硫化物礦區(qū)大氣則常為30-1000ng/m3。1．汞氣異常的形成在內(nèi)生過程中汞及其化合物呈氣態(tài)遷移，這是可以相信的，但那時(shí)形成的氣體異常，早已消失殆盡，現(xiàn)在實(shí)際觀察到的氣體異常都是新生的。一切含汞量高的地質(zhì)體，都可能成為汞氣異常的來源。（1）硫化物礦床，（2）氧化物礦床，（3）富汞巖石，（4）地?zé)崽铮?）油氣田，（6）人工污染源。（1）硫化物礦床只能在150℃以下的低溫中晶出，據(jù)此，可以把硫化物礦床分為高溫和低溫兩類。在高溫礦床內(nèi)，汞主要在礦床外圍，礦體本身含汞較低。低溫硫化物礦床則相反，礦石中含有很高的汞，除了獨(dú)立礦物辰砂外，淺色閃鋅礦是汞的主要賦存礦物，此時(shí)汞氣異常的形成主要來自礦床本身的氧化。（2）氧化物礦床汞異常并不來自含氧礦物本身，而仍舊是來自伴生的硫化物。因?yàn)榛烊胙趸锏墓茈y在地表?xiàng)l件下轉(zhuǎn)換成氣體。（3）富汞巖石碳質(zhì)巖石、磷塊鹽巖石、富堿巖漿巖、富鐵錳質(zhì)巖石等有時(shí)可含較高的汞，它們的平均含量低于礦石，但由于總量大，可形成汞氣的高背景帶。在構(gòu)造有利地段，也能富集成局部高異常點(diǎn)，形成非礦異常。（4）地?zé)崽铮?）在油氣田上的汞氣異常也引起有關(guān)單位的重視，可成為尋找油氣田的輔助方法。（6）人工污染的汞氣，則來自燃燒礦化燃料及某些消耗汞的化工工業(yè)。在北京一個(gè)氯堿工廠的周圍大氣中，曾檢測(cè)到300ng/m3以上的汞濃度，沿著風(fēng)向伸展達(dá)一公里以上。石灰窯的上空也曾觀察到汞的異常。有些金礦的提煉采用汞齊法，此時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)可以造成很高的汞氣濃度。汞蒸氣形成的機(jī)制，歸納起來有下列幾種：

（1）自然汞及辰砂的蒸發(fā)與升華。（2）汞的不均衡反應(yīng)：[Hg2]2+→Hg0+Hg2+不能自發(fā)進(jìn)行，需要消耗能量，可能來自陽光和微生物活動(dòng)，因此，這一反應(yīng)主要在地表進(jìn)行。（3）無游離氧時(shí)的硫化物氧化亞鐵或原生硫化物中“欠價(jià)”化合物的還原作用：

2Fe2++Hg2+→2Fe3++Hg0Pb(1+δ)S+δHgS→(1+δ)PbS+δHg0（4）游離氧的氧化作用S2－氧化成S6+，共放出8個(gè)電子，可還原4個(gè)Hg2+很可能這種還原過程是分階段進(jìn)行的。第一步把Hg2+還原成Hg+，然后通過不均衡反應(yīng)生成Hg0。

2．汞氣異常的觀察及影響異常

形成的因素由于汞蒸氣濃度極低，干擾測(cè)定的因素又多，所以通常要將被測(cè)氣體通過一種選擇性捕汞裝置，使汞濃集并與干擾分離。我國最常見的是金絲捕汞管。對(duì)捕汞管的要求是吸收與釋放效率高，各管間的一致性好，壽命長。影響汞氣異常發(fā)育的下列因素：（1）地質(zhì)條件（2）土壤厚度與性質(zhì)（3）氣候條件（4）工作條件的一致性實(shí)際工作中，只要二次異常存在，范圍相似即可，而含量高低影響因素較多，不可過于苛求。3．壤中汞氣異常的一般特點(diǎn)與應(yīng)用4．汞氣測(cè)量的一些其他方法（1）近地表大氣取樣（2)熱釋法熱釋法是對(duì)固體樣品（土壤、巖石或單礦物）進(jìn)行加溫，同時(shí)記錄不同溫度下?lián)]發(fā)出來的汞量。在熱釋曲線中特別有意義的是150℃左右的峰，這無疑是吸附的原子態(tài)的汞，這部分的汞可以用簡單的裝備，大量的測(cè)定，將能提出有價(jià)值的找礦信息。（3）離子汞法這實(shí)際上是一種冷提取法，即把一定量的土壤樣品用硫酸亞錫溶液處理，測(cè)定在常溫下釋放出來的汞。（4）減壓釋放法將樣品置于密閉管子內(nèi)，通過降壓使吸附的汞釋放出來。不同吸附強(qiáng)度的汞，將在不同的負(fù)壓下釋放出來。據(jù)測(cè)定，減壓釋放的汞，只占樣品中全汞的千分之一，但更能反映下伏礦化情況。四、氦氣異常He實(shí)際上就是獲得電荷的質(zhì)點(diǎn)，每一個(gè)238U、235U、232Th原子蛻變成最終Pb的穩(wěn)定同位素后，分別放出8、7、6個(gè)He原子核（α質(zhì)點(diǎn)）。He的測(cè)定需用質(zhì)譜儀.He氣的觀察方法有：1）壤中氣測(cè)量；2）水中氣測(cè)量

；3）泥漿中氣體.用一密閉的半透性容器，最方便的是用乒乓球，埋于泥漿中，若干時(shí)間后抽取球內(nèi)氣體注入質(zhì)譜儀測(cè)定。

He氣測(cè)量在我國開展尚不普遍，主要是儀器還不普及。五、其他氣體異常1．O2/CO2異常早在1954-1956年間就在蘇聯(lián)提出來了，他們?cè)诹蚧锏V床上的0.4-2.5m深處的壤中氣內(nèi)發(fā)現(xiàn)了O2下降和CO2升高的現(xiàn)象。硫化物氧化消耗氧，氧化產(chǎn)物中硫酸與圍巖或脈石礦物中的碳酸鹽作用生成CO2。這兩個(gè)反應(yīng)可概括成：（以黃鐵礦為代表）2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4H2SO4+CaCO3→CaSO4+CO2↑

+H2OCO2產(chǎn)生的原因很多，所以異常解釋困難。作為擴(kuò)大氣體測(cè)量的種類，有利于綜合解釋，對(duì)這二種氣體的測(cè)量工作是值得開展的。2．含硫氣體研究從天然吸附劑—土壤中解脫含硫氣體的找礦方法。其方法是在野外用嚴(yán)密的塑料瓶取表層土壤樣品，到實(shí)驗(yàn)室后，在80℃下加熱，抽取樣品容器頂部的氣體注入氣相色譜儀進(jìn)行分析。他們的初步結(jié)論是各種含硫氣體的分子形式的鑒別并沒有對(duì)找礦有多少幫助，而含硫氣體的總量則是很好的找礦指示。試制簡易的只分析含硫氣體總量的輕便色譜儀。美國的泰勒等,根據(jù)計(jì)算，應(yīng)釋放的氣體按多→少的次序?yàn)椋篐2S、COS、CS2、CH3SH、(CH3)2S2、SO2及S2。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果，只有CS2及COS二種氣體。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明硫化礦物特別是黃鐵礦氧化時(shí)，能產(chǎn)生足以檢測(cè)到CS2及COS，而且水份飽和時(shí)，產(chǎn)生的速度更快。而SO2只能在極其干燥的條件下生成，一旦遇到水份，就溶解了。因此H2S及SO2都不是很好的氣體指標(biāo)，相反CS2及COS是最好的指示硫化礦床的含硫氣體。3．氡氣異常氡氣測(cè)量雖然應(yīng)用歷史較久，但只限于找鈾礦。六、地氣或納米金屬異常1．研究簡況以上介紹的傳統(tǒng)意義上的氣體地球化學(xué)異常，是以氣態(tài)分子狀態(tài)存在于大氣中的異常。上一世紀(jì)七十年代后期，國外一些勘查地球化學(xué)家和勘探公司在氣體勘查地球化學(xué)方面另辟溪徑，不局限于氣體分子本身的研究，開始對(duì)氣體攜帶的固體物質(zhì)進(jìn)行觀測(cè)，這就是地氣測(cè)量技術(shù)。2．地氣異常的形成現(xiàn)在多數(shù)人認(rèn)為是由于地球深部的脫氣作用，放射性衰變作用，以及熱穩(wěn)定性差的組分、含水礦物在熱力作用下形成的水蒸氣以及各種次生氣體，在地球表層產(chǎn)生微氣流，形成氣體地球化學(xué)場(chǎng)。深部氣流上升，攜帶上來微粒固態(tài)物質(zhì)（主要是納米級(jí)物質(zhì)）。處于納米尺度的物質(zhì)（0.1—100μm）的物理化學(xué)性質(zhì)與其固體結(jié)晶物質(zhì)有很大的不同。由于其微粒極小，表面積極大，表面原子越多，具有更大的無序度。因而，表面活性越強(qiáng)，更接近于氣體性質(zhì)，呈所謂“類氣體”物質(zhì)。這就是納米物質(zhì)的界面效應(yīng)。因此，納米物質(zhì)具有極高的化學(xué)活性和擴(kuò)散速度，當(dāng)