前言

传统地球化学勘查将原生晕和次生晕分布模式各自独立描述，如何构建原生晕和次生晕之间的空间对应关系，建立从原生晕到次生晕联合地球化学勘查模型是覆盖区地球化学勘查急需解决的科学问题。

选题依据及意义

1、胶东金矿集区

胶东金矿集区已探明金资源储量 5000 余吨，是我国最大、世界第三大金矿集区

（宋明春等，2020）。2005 年之后，随着浅部资源日趋枯竭，勘探方向已逐渐由浅部转向深部，已探明深部超大型金矿床 10 个，大型金矿床 8 个，其中在 500～2000m 深度范围内累计探明金资源储量达 2700 余吨

是我国攻深找盲及实现深部找矿重大突破的典型代表（宋英昕等，2017；宋明春，2015；宋明春等，2020；于学峰等，2016）。曲家金矿区位于胶东地区西北部最重要的成矿构造带——焦家断裂带（JJF）。

该矿区大量的地表化探数据、钻孔岩芯数据、矿床成因机理研究成果等，为构建和深化金矿三维地球化学模型提供了强有力支撑。金矿三维地球化学模型构建涉及成矿过程中及其后深部成矿元素以何种形式、由何种通道运移至浅部形成原生晕，

以及随后在表生风化作用下原生晕又是如何在地表土壤或水系沉积物中形成异常，换而言之，即厘定地表异常形成的内、外生控制因素，构建成矿流体-矿体-原生晕-次生晕完整证据链，对于解释地表化探异常成因及其深部继承关系提供强有力的实证性理论支撑（王学求等，2020；杨德平等，2020）。

传统地球化学勘查将原生晕和次生晕分布模式各自独立描述，如何构建原生晕和次生晕之间的空间对应关系，建立从原生晕到次生晕联合地球化学勘查模型是覆盖区地球化学勘查急需解决的科学问题。

地球化学勘查模型

过去地球化学勘查模型都是二维模型，既原生晕的剖面模型和次生晕的曲线模型，建立三维模型是精细刻画地球化学异常空间几何形态亟待解决的技术问题。基于上述科学与技术问题，本论文以近年在胶东焦家成矿带覆盖区发现的曲家金矿为例

开展从钻孔原生晕到地表次生晕联合三维地球化学探测模型研究，以便为覆盖区找矿提供新的技术手段和理论支撑。

三维地球化学建模能够集成不同类型和不同尺度的数据，通过对曲家金矿各元素进行三维地球化学模式精细表征，能够从宏观的三维立体角度加深对矿区地质、地球化学过程的认识对于深入认识金矿、异常的形成机制、元素组合和指示元素的提取、异常成因解释以及深部隐伏金矿靶区预测等具有重要意义。

进而对于推动胶东深部找矿示范区建设、提升我国深部矿产资源探测技术水平和找矿效果具有重要的指导意义。本论文以国家重点研发计划专项项目“穿透性地球化学勘查技术”（2016YFC0600600）、国家自然科学基金 （41903071 和 42002108）和河北省重大科技成果转化项目（19057411Z）为依托

过去地球化学勘查模型都是二维模型，即原生晕的剖面模型和次生晕的曲线模型，建立三维模型是精细刻画地球化学异常空间几何形态急需解决的技术问题。基于上述科学与技术问题，本论文以近年在胶东焦家成矿带覆盖区发现的曲家金矿为例

开展从钻孔原生晕到地表次生晕联合三维地球化学探测模型研究，以便为覆盖区找矿提供新的技术手段和理论支撑。胶东金矿集区是中国第一和世界第三大金矿集区。

本文以莱州曲家金矿为例，基于 9 条勘探线共计 38 个钻孔、1130 件钻孔岩芯样品和地表 652 件土壤微细粒样品，通过使用 Micromine 软件构建成矿和指示元素三维地球化学模型，对于解释地表化探异常成因及与深部继承关系提供强有力的实证性理论支撑。

研究内容A、B矿床

外来覆盖层 外来覆盖层隐伏矿是当今地球化学勘探面临的主要挑战之一（王学求等，2012a， 2012b，2016；龚庆杰等，2020）。王学求等（2012a）总结了不同矿体产出类型和相应的化探方法技术。

其中，A 类矿床是出露矿，B 类矿床是地球化学出露矿，C 类矿床上方覆盖物是原地风化残积物，其继承了矿体组分，因此针对 A 类、B 类和 C 类矿床可以采用土壤、岩石测量、水系沉积物测量或原生晕元素分带等传统地球化学勘探方法对其异常加以识别。

Ｄ类矿床代表的是外来运积物（如运积土壤、风成沙、黄土、冲洪积物等）覆盖的隐伏矿床，这类矿床上覆沉积物与下伏矿床成分没有任何关系（新疆金窝子 210 金矿）。E 类矿床则是矿床被沉积岩或火山岩所覆盖（如奥林匹 克坝铜铀金银矿）。

F 类矿床代表产出于盆地中的沉积矿床或盆地底部的热液矿床（如鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿、紫金山悦洋盆地低温热液型银-金-铀矿）。而 D-F 类矿床则由于外来覆盖层的存在导致传统地球化学方法无法有效识别相关矿致异常，因此必须采用特殊手段提取或捕获下伏隐伏矿成分穿透盖层迁移至地表的信息以指示隐伏矿外来覆盖层的存在会导致两种情形

风化产物

一是出露原生晕风化产物发生横向分散迁移，在远离原生晕的部位形成次生异常，进而削弱了其对隐伏矿勘查的指示意义；二是厚覆盖层的存在会导致原生晕正上方存在弱异常，甚至是无异常。

而这种弱异常由于区域强异常的存在，常常被忽略。无论是以上哪种情形，都对隐伏矿的勘探造成强烈干扰。针对这一挑战，化探学者也提出了一些解决方案，如地气测量（Kristiansson and Malmqvist，1987；Kristiansson et al.，1990；王学求和谢学锦，1995；童纯函和李巨初，1999）、土壤微细粒测量（Wang et al.，1997；

Zhang et al.，2020a；张必敏等，2016；刘汉粮等，2015，2016，2018）、偏提取测量（王学求和程志中，1996；Wang，1998；叶荣等，2003）等。原生金矿或金矿化在表生条件下，由于物理化学等风化作用金被释放出来，而原生金矿或金矿化中金的存在状态为Au0 或Au、Ag等合金，总体上是不溶于表生水的；少量是离子态的。

但是Au0 或在自然条件下可以被氧化形成Au+ 或Au3+Emmons（1911）和Boyle（1979）推断，在酸性条件下（如硫化物分 解产生硫酸）通过产生游离的氯气作为媒介将Au0 氧化为可溶解Au3+络合物。

Ta et al.（2015）实验表明，在酸性环境下水钠锰矿可以将Au+氧化为Au3+，中性水的流入将吸附在铁锰矿物上的Au3+快速释放进入溶液中活化迁移，这也是澳大利亚盐湖环境下发现Au3+络合物的一个合理解释；

Au与锰联吡啶反应则表明生物成因类似物也能够氧化Au，但是需要进一步研究氧化过程的中间产物和最终产物。由于离子金具有极高的离子电位，因此以独立离子状态存在的可能性低，主要与水中的各种配体或离子等形成络合物。

氧化还原反应

这些金可以在化学和生物化学作用下发生氧化还原，并在有利的条件下与自然界中的配体络合以络合物或螯合物的形式迁移。简而言之，原生金矿在化学风化、微生物以及植物等作用下发生活化、迁移和再沉淀，金主要与含硫配体、卤族离子以及氰化物等形成络合物或者以纳米金胶体的形式发生运移

在迁移过程中物理化学条件发生变化失稳发生还原、沉淀（Rimstidt and Vaughan，2003；Kleinjan et al.，2005；Melashvili et al.，2015）；另一方面，原生金矿受物理风化作用，会在有利的部位经重力分异作用以及叠加次生富集形成砂金矿或者含金地球化学异常。

金在表生条件下可以发生横向（如地表水流或地下水流动）和垂向运移（如纳米颗粒本身或者以地气、降水淋滤作用等），并在特定部位沉淀（如钙质结砾岩、铁结砾岩、不整合面等）或在特定介质中形成异常（如地气和植物等）

金表生地球化学行为-沉淀含硫配体氧化破坏：在酸性条件下，23 2−被源于氢氧化铁中的3+氧化而分解（Rimstidt and Vaughan，2003），但是在碱性条件下相对稳定，虽然会发生缓慢氧化 36 2− → 3 2− → 4 2− （方程式（1–18）–（1–20））（Rimstidt and Vaughan，2003；Melashvili et al.，2015）；

同时值得注意的是，23 −在向下迁移的过程中，23 2−被还原也会导致形成胶体金（Benedetti and Boulegue，1991）或者纳米金硫化物或者元素金，进而在黄钾铁矾中沉淀，随后随地质时间演化保留在铁帽中（Shuster et al.，2014）。

而Au（HS）2 - 则会由于pH和氧化还原电位的微小变化而与硫化物等在表生带的底部沉淀。这些过程已有众多学者通过实验室研究得到证实（Webster，1986；Rimstidt and Vaughan，2003；Melashvili et al.，2015）。这些过程可能会有微生物参与，并且主要是发生在硫化物氧化表面酸性环境。

结论

基于胶东莱州曲家金矿土壤微细粒和钻孔岩芯地球化学数据进行应用统计分析和三维地球化学建模，本文取得如下新认识：

通过成矿元素和指示元素连续空间分布三维地球化学模型

展示矿体-原生晕-地表异常完整几何形态：在原生晕中 Au、Ag、TFe2O3、S 和 Bi 沿控矿构造断裂带呈稳定连续高含量分布， Cl 在垂向上存在连续分布，Hg 在垂向上呈不连续的串珠状分布，并伴随着低缓 Au 异常和高含量 Pb 异常；

在矿体上方和构造带上方地表微细粒土壤中存在 Au-Ag-Hg 组合异常，表明 Au、Ag、Hg 既发生了沿主断裂带的轴向迁移，又发生了垂向迁移。这一模型为地表化探异常的成因及与深部矿的继承关系提供强有力的实证性理论依据。

2地球化学数据

.随着岩石风化，Au、Ag 在表生风化作用下发生活化、迁移和再富集，在土壤中被粘土矿物等吸附形成次生异常。指示元素 Hg 则更容易在矿体上方形成强异常，由于其具有类气体性质，基本不发生横向迁移。

基于土壤微细粒地球化学数据 alr（SiO2）变换后的因子分析，得出 F4 alr（Au-Ag 组合）是曲家金矿区土壤化探成矿相关元素组合。F2alr（Hg-Br-I-S-Se-Sn 组合）是深部热液流体迁移至地表浅部的产物，可以作为指示元素。

因此，土壤微细粒 Au-Ag-Hg 组合异常是指示深部隐伏矿有效指标。土壤微细粒异常和矿体（或原生晕）之间的高度吻合性进一步从三维立体角度证明在暖温带湿润气候区土壤微细粒测量方法是一种有效的深穿透地球化学勘查方法