水文地球化学勘查方法与技术

Question

如题所述

Answer 1

水文地球化学勘查通过对地表水和地下水的采样分析，圈定和研究水化学异常，达到寻找金属、非金属矿床和石油天然气等能源矿产的目的，并为环境质量评价、地震预报等服务。

17.4.1 水文地球化学勘查基本概念

17.4.1.1 地球表层的水

地表和近地表水的分布有海洋、河流、湖泊、地下水等，这些水多数呈自由态H₂O分子形式存在，以液态为主，也呈气态与固态存在。地表水体中（不包括矿物结合水），其总体积约为15.79×10⁸ km³，其中咸水约占98.22%，淡水只占1.78%。水文地球化学勘查的研究对象如下。

（1）海洋水成分特征

海洋溶解有各种组分，其中水约占96.5%，溶解盐类占3.5%左右。此外，还含有颗粒物质、溶解气体和有机化合物。

海水中含量大于1.0×10^-6的常量元素有11种，即 Na⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，K⁺，Sr²⁺等五种阳离子，Cl^-，，HCO₃^-，Br^-，F^-等五种阴离子和硼酸分子（H₃ BO₃ ），占海水中所有溶解物质的99.9%。其他含量小于1.0×10^-6的微量元素，占海水所溶物质总量的0.1%。海水中的溶解气体有O₂、N₂、CO₂ 及惰性气体 He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn 等。海水中含有的无机碳主要存在形式是 CO₂、H₂ CO₃、HCO₃^-及。这几种形式的碳可以互相转化。海水中溶解碳的相对含量、总溶解量与温度、压力和pH值等密切相关。海洋中的碳酸体系是重要的缓冲体系之一，海水中不同形式的碳的分布与pH值具有密切的关系。同时，压力和温度也是影响碳存在形式和总溶解量的重要因素。海水中氧的来源主要在近表层以上，不论是空气中氧被海水吸收，还是生物光合作用产生的氧，都只能在海洋的近表层中进行。表层以下的海水中的氧处于消耗过程。影响海水中氧含量的因素主要有：表层海水与大气氧间的交换，生物活动过程以及海水中溶解有机物分解时消耗氧。三大洋含氧量的大小顺序为：大西洋含氧量＞印度洋含氧量＞太平洋含氧量。

从海洋地球化学的角度来说，海洋中的有机物主要指海洋生物的代谢物、分解物、残骸和碎屑等，它们是海洋中固有的或者是由于陆地上的生物和人类活动所造成的。海水中的有机物可分为三类：溶解有机物（DOM）、颗粒有机物（POM）、挥发性有机物（VOM）。

（2）河流水成分特征

河流是降水经地面径流汇集而成。由于流域面积十分广阔，又是敞开的流动水体，河水成分与地区的地形、地质条件、气候条件关系密切，而且受生物及人类活动影响极大。

不同地区的岩石、土壤组成决定着该地区河水的基本化学成分。在结晶岩地区，河流水中溶解离子较少；在石灰岩地区，河水中富含Ca²⁺及；若河流流经白云岩及燧石层时，水中 Mg²⁺、Si含量增高；流经石膏层时，使水中富含，且总含盐量有所增加；富含吸附阳离子的页岩及泥岩地区则向河水提供大量溶解物质，如 Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺。河水中一般总含盐量在 100～200 mg/L 之间，一般不超过 500 mg/L。河水中主要离子关系为 w（Ca²⁺）＞ w（Na⁺），w（^-）＞ w（）＞ w（Cl^-）。河水化学成分有一定的稳定性，若出现异常，大多是被污染所致。

河流中的有机物既有溶解态有机物，也有颗粒有机物，河流中的有机物总量通常为10～30 mg／L。热带河流中，河水通过丛林沼泽可以使有机质含量增高，此时河流可有较高的色度。河水中的有机物质主要来源于土壤和沼泽冲刷而来的腐殖质，以及其他各种有机质的分解产物。河水耗氧量的动态是：冬季河水为潜水补给，北方河流封冻，此时河水中的有机物质含量为最少，耗氧量最低；当雨季和汛期到来时，由于从土壤和沼泽中洗刷出大量的有机物质进入河中，使耗氧量增高。

河流中的溶解气体主要受水温、水中光合作用强度、河流的补给、封冻时形成的气体的分压控制。氧的含量和水温的关系决定着它在一年内动态变化的基本趋向，冬季温度低时氧的含量增加，夏季温度高时含氧量降低。水中光合作用在温暖季节进行旺盛，水生植物放出的氧气使河水中氧增加。河流补给方式的转换也影响着河水的含氧量，缺乏氧气的地下水在冬季流入河流致使河水含氧量降低，最后河流封冻期将河水与大气隔绝，影响到氧气进入到河中。当河流中生物作用微弱以及潜水补给中有氧存在时，则河水中氧的含量基本上与该温度下的溶解度相适应，其含量大致变动在夏季为6～8 mg／L，冬季为8～12 mg／L之间。河水中的二氧化碳的动态与氧的动态相反，当水中二氧化碳含量少时，就从大气中吸收。

（3）湖泊水成分特征

大多数情况下，当淡水湖的矿化度不到500 mg／L时，湖水属于重碳酸钙水或重碳酸钠水。当湖水矿化度增高时，阴离子中或 Cl^-便开始占优势，阳离子中则 Na⁺占优势，Mg²⁺含量则比 Ca²⁺大。湖水离子成分的季节性变化主要受气候条件和流入水成分的相应变化影响。在气候湿润、水量丰富的地区，矿化度变化比较小。流入水成分的相应变化的影响，相当程度上取决于湖的大小及流入水的多少。湖水的离子成分在垂向上也有不均一的现象。如和的分层现象，由于空气中放出 CO₂ 以及光合作用结果，碳酸盐平衡便向着由产生 CO₂ 的方向进行，因此在湖的表面聚集了，而在稍深的水层由于地下水带来，常见到和共同存在。

湖泊中的有机物质可以分为三类：悬浮的有机物质、溶解有机物质和沉积物的有机物质。湖泊中溶解气体主要是氧、氮、二氧化碳，还有淤泥中生物遗体分解出来的气体——甲烷、氢、硫化氢。在大多数情况下，溶解气体的含量在湖的各个部分中，特别在各个深度中是不同的。

（4）地下水的化学组成

地下水的无机和有机化学成分主要有：①大量组分：如 Cl^-、、Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺、H⁺、、Fe³⁺、Fe²⁺、Al³⁺等。② 微量组分：如 Br、I、F、B、Mo、Cu、Pb、Zn、P、As、Li、Sr、Ba、Ni、Co等数十种。③放射性组分：U、Ra、Th、Rn 等。④气体组分：N₂、O₂、CO₂、CH₄、H₂ S、H₂ 等。⑤有机组分：C、H、N、S、O、P。

地下水中的气体以自由状态和溶解状态存在。地下水中气体的来源有以下几种：①空气来源的气体（由空气进入岩石圈的气体）：N₂、O₂、CO₂、Ne、Ar。②生物化学来源的气体（由微生物分解有机物和矿物质所形成）：CH₄、CO₂、N₂、H₂S、H₂、O₂等。③化学来源的气体（在正常或高温、高压下，由水和岩石相互作用而形成）：CO₂、N₂、H₂S、H₂、CH₄、CO、N₂、HCl、HF、SO₂、Cl₂、NH₃等。④放射性和核反应来源的气体：He、Rn。溶解于地下水中的氧称为“溶解氧”。氧在水中有较大的溶解度，其溶解量与水的矿化度、埋藏深度、温度、大气压力及氧的分压有关。地下水中氧的来源主要为大气，因此在近地表的地下水中，其含量较高，越往深处含量越低。地下水的溶解氧在很大程度上决定着地下水的氧化-还原电位值，并进而影响风化壳中元素的迁移。

17.4.1.2 水文地球化学异常表示方法

水文地球化学异常表示组分浓度的单位，常量组分多采用质量/体积单位，如毫克/升（mg／L）、克/升（g／L）；mol／L等；微量组分多采用质量分数（注：现ppm已改用10^-6，ppb已改用10^-9表示）。天然水样的化学成分，一般采用库尔洛夫式表示：

微量元素（g/L）气体成分（g/L）矿化度（g/L）·t℃pH

式中阴离子和阳离子按摩尔分数x的大小先后列出。必要时，也可将摩尔分数小于10%者列入，然后按摩尔分数大于25%者定名。例如山东某泉水化学成分的库尔洛夫式为：

勘查技术工程学

17.4.2 水文地球化学基本工作方法

水化学异常的形成及水化学异常指标的特殊性，决定了水化学找矿工作方法的某些特点，主要表现在以下诸方面。

17.4.2.1 野外勘查

勘查水文地球化学的野外勘查工作，通常同地质调查结合进行，或者与其他地球化学和地球物理方法同时进行，但有时也可单独使用。在研究程度较差或缺乏水文地质资料的地区，水文地球化学方法也可用在其他方法之前，因为水文地球化学异常分布范围较广（有时可延伸到几百米甚至数千米之远），能反映出大面积异常，容易发现异常。在这种情况下，一般多采用1∶20万的小比例尺。如果为了详查或圈定个别矿床的位置，则可采用1∶5万～1∶2.5万的比例尺。在已知矿区范围内，查明新的矿化远景地段或圈定矿体的位置，需要用1∶1万或1∶5千或更大的比例尺，这要视矿体的埋藏条件和矿化类型以及勘探程度而定。

水文地球化学的野外勘查，主要包括水文地球化学剖面的研究、样品采集和填图编录（有时进行快速现场分析）等工作。需采水样的数量、采样点的分布等主要取决于勘查的比例尺和任务。在野外，应利用一切地下水的天然露头及人工露头的调查。水样主要应采集地下水的天然露头——泉，地下水的人工露头——水井、钻孔、开采坑道与勘探坑道，地表水——河、溪、湖、沼泽以及流往地表的矿山工程中的水。一般应尽可能地采集地下水的露头，其次是采集地表水。

样品采集的密度，在小比例尺勘查中大约每平方千米0.08～0.1个样左右，有人认为每平方千米应有0.2～0.5个；在中比例尺勘查中，我国的经验一般为每平方千米2～6个样左右；在大比例尺勘查中，采样通常可按地质勘查的网度来布置，但采样点可较稀一些。

采集水样的步骤和方法是水文地球化学勘查很重要的一个环节。工作中所使用的样瓶、瓶塞、试管等，采样前必须酸洗，除去金属离子，防止人工污染。做金属元素分析的水样，应加入少许纯盐酸［每升水样加入浓度为2 mol/L的盐酸10滴左右］酸化，以避免水样中金属离子沉淀或吸附。

采集水样的数量决定于勘查任务和分析项目，通常在进行中、小比例尺勘查时，需采集2～2.5 L水样，其中1 L作光谱分析（在野外做其沉淀法浓缩时则不需再采样），1 L做化学分析，其余做金属元素的分析。

在野外采水样时，认真的观察和编录十分重要。对采样点附近的地质、水文地质特征和地球化学环境等应进行详细描述。将采样点的位置正确地绘于图上，并加以编号。同时需测定水和空气的温度、泉水的流量、水井的深度和水位、地表水流的特征和流量、流速等。此外，还应记录水的物理性质（颜色、味道、气味、混浊度等）和现场测定的化学组分的含量。

17.4.2.2 采样点的布置

水化学找矿需采水样的数量和采样点的分布，主要取决于水文地球化学调查的比例尺和任务，也决定于调查区的研究程度，地质构造复杂程度及区内的地球化学环境。在野外应利用一切地下水的天然露头及人工露头进行调查，以查明与矿体有关的异常水。必要时（即人工露头的数量不足以满足取样密度时）水样也可采自地表水——河、溪、湖、沼泽以及流往地表的矿山工程中的水。利用地表溪水作为调查对象时，最好在旱季进行，因为在此期间，地表溪水的水流主要是山地的地下水补给的，水的化学成分基本上能代表地下水的特征，能起到泉水同样的效果。

17.4.2.3 采集水样的方法和技术要求

采集水样的步骤和方法，对水文地球化学调查是一个很重要的方面。往往由于采集水样不严格而造成人工污染，因此在采样前和采样时应注意以下各项要求。

（1）水样瓶需用10%的盐酸溶液或热洗液处理，然后用蒸馏水洗涤数次，并用玻璃塞或用处理过的硬橡皮塞、硬软木塞塞紧。

若用塑料瓶作水样瓶，对于塑料瓶是否对金属离子起吸附作用等问题，应在事先做一定的试验工作。

（2）采样时，水样瓶和塞子必须用被采集的水洗刷三次以上。

（3）采样时，水样不要充满瓶子，以防温度升高塞子被冲开。

（4）在现场测定水和空气的温度，测定水的pH值。

（5）做金属元素分析的水样，应加入少许盐酸（每升水样加入浓度为2mol/L的HCl 10滴左右）酸化，以防止水样中金属离子沉淀或吸附。最好在现场采用共沉淀法或离子交换树脂预先富集。

（6）在地下水出露地表时，易发生气体的逸出和氧化作用，会促使pH值和某些化学成分的变化。在这种情况下，应直接在水的出露地采集水样。

（7）从河流及溪水中采集水样时，应在水流较缓慢的地方及在水面以下采集。

（8）潮湿地区，以旱季采样为宜。在干旱地区，则雨季水化学异常可能呈现得更为明显。

17.4.2.4 采集水样时的观察和记录

在采集水样时，对采样点附近的地质、水文地质特征和地球化学环境的详细描述，对以后异常解释将起重要的作用。

采样点的编录工作除定点、编号、填写水样卡片外，应特别注意如下几点。

（1）泉的类型（上升泉或下降泉）及泉水的流量。

（2）水井的深度和水位，水井的结构，水井的利用情况。

（3）地表水的特征和流量、流速。

（4）水的物理性质（颜色、气味、混浊度等）。

（5）在地表水流中采样时，应注意是否水已被污染，了解地表水与地下水的可能联系。从地下水中采样时，应注意含水层厚度和采样深度，记录采样时的大气情况（雨前、雨后还是雨中、雨量的大小等）。

（6）采样地点的地质和水文地质条件。

17.4.2.5 水样的分析

在没有水文地球化学资料的地区，一般要求测定：、Cl^-、、Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、、pH、E _h值、总矿化度、耗氧量、总硬度、游离 CO₂ 及所要求的金属元素。在进行大比例尺详查时，则重点测定成矿元素、主要伴生元素和、pH值等主要找矿指标。

水的分析方法要求灵敏度高，分析迅速且精确，以保证分析质量和满足大量水样的分析要求。

水样应当及时分析，最好是当天进行。特别是那些易变组分（如pH值等），必须当天测定，其他组分的测定也不能拖延时间过长。因为地下水出露后所发生的化学成分的变化在水样保存期间井没有间断，如水温的变化、气体的逸出、水的氧化-还原电位与空气的氧化条件之间的差别等等，都会引起水样成分的变化。例如，氧化作用会使Fe²⁺→Fe³⁺，并使铁等元素产生沉淀；水中CO₂逸失，会引起镁、钙的碳酸盐沉淀等等。同时，存放的时间越长，越会增加瓶壁对某些元素的吸附作用，从而影响分析结果。

用作多元素分析的水样，最好就地加以浓集，以减少运输的困难。水样浓集的方法有蒸干法、共沉淀法和离子交换法等。

采集水样的体积，取决于调查的任务和分析项目的多少，一般在500～2 500 ml之间变化。

17.4.2.6 水文地球化学背景值的确定

在评价水文地球化学勘查所得资料的实际意义时，为了区别异常，首先应确立各找矿标志的正常背景值和背景值的上限，然后在此基础上划分出异常来。除了确定区域性背景值之外，有时还要确定局部地方性背景值，只有这样才能分辨某一水样的含量为正常含量或异常含量。

在一个地区内，由于各个地段的各种条件都可能有所不同。因此某一元素在背景区内的分布常常是不均匀的，因而水文地球化学背景往往不是一个固定的含量值。有时对同一元素来说，在这一地区是异常，而在另一地区则可能是背景。因此，在确定背景值时，一定要考虑不同地区或地段内的地质、水文地质条件和元素的地球化学特性。在不同类型的地下水中，金属元素的背景值有时差别也很大，所以通常都要对同一类型的水进行比较。

在确定背景值时，最好是在一个做过研究的已知矿床的地区内进行一次试验性标定。根据已知矿床、矿化地段和未受矿化影响的地区内的地下水中标志元素的含量分析进行比较，从而确定该地区较可靠的背景值。有时缺乏进行标定试验的适当地区，这时可采用统计学的方法来求算背景值。为了求得可靠的背景值，必须采取适量的水样，将一批背景样品的含量加以平均（算术平均或几何平均），从而得出背景平均值（简称背景值）。

17.4.2.7 水文地球化学的异常评价

水文地球化学异常，对找矿来说系指水文地球化学找矿标志的含量异常。它可以自许多取样点中的一个水点中发现，也可以是几个水点中发现，后者可以水晕表现。有时仅有一种水文地球化学标志出现异常，有时则是有几种找矿标志出现异常。

水文地球化学异常，一般可以是由矿体或矿体的原生晕直接引起的矿异常，也可以是由其他因素及人为因素所引起的非矿异常（或称假异常）。将这二者区分开来，乃是水文地球化学勘查中首先需要解决的问题，然后才开始进一步探讨异常的远景、异常与矿体的关系。矿异常和非矿异常的区分，只有在仔细分析、研究了地区的地质和水文地质条件后方能确定，同时在野外对异常应进行必要的检查工作。

水文地球化学勘查资料解释的困难性，在于其找矿标志的异常浓度可由矿体影响发生，也可由岩石的分散矿化、蒸发、浓缩等其他多种原因所造成。综合分析、研究显得十分重要。结合其他地球物理和地球化学方法，才能对异常的含矿远景做出评价。一般来说，矿体和不具工业品位的分散矿化地段所反映出的水文地球化学异常的强度是不同的。前者的异常很强，各个找矿标志都有良好的显示，而且含量明显增高；后者的异常则较弱，各找矿标志的异常含量也较低。同时，矿体直接引起的异常，当接近矿体时异常的组合成分非常接近于矿体矿物元素的组合成分；远离矿体，这些组分的含量即逐渐降低，特别是水中不稳定组分的降低更为明显，甚至趋近背景值。

通常在确定水文地球化学异常的远景时，首先需查明异常标志中是否有矿体指示元素存在，亦即在地下水中是否发现有含量极高的矿体成分的特征性元素存在。指示矿体有无价值的标志，主要视异常的规模和异常的衬度；其次是看地下水中有无贵重金属和稀有元素等的增高含量。此外，应考虑区内的地质条件、矿床特征、围岩性质、水文地质条件、地下水的矿化度、有机质对pH值的影响、水迁移系数与金属元素迁移系数的关系等等。某些研究者认为，后两个系数的联系在水文地球化学勘查中具有重要意义。因为金属的迁移系数经常大于水迁移系数，在水文地球化学图上所圈定出的根据水迁移系数大于或等于已确定的金属迁移系数值的泉点范围，就可认为是金属成矿有远景的地区。