地电提取离子异常形成机制探讨（罗先熔《地质与勘探》1992.10）.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 地电提取离子异常形成机制探讨 罗先 熔 桂林冶金地 质学院隐伏矿床预刚研完所 以地电化学成晕理论为基础 , 据水槽中模拟矿体产生的地电化 学溶解现象 , 润述了矿体产生电化学溶解导致离子晕形成 , 论证 了在 外电场作用下 , 与矿体有直接关系的成晕离子沿一定方向运移聚集至 元素接收器阴极 , 为解释地 电提取异常形成机制提供了依据 。 关幼词地电化学模拟试验 , 离子晕 , 地电提取离子异常 根据地电化学成晕理论可知 , 隐伏矿体 金 属离子晕的形成 , 地电化 学溶解迁移起着 主导作 用 。 引起矿体产生 电化学溶解 的主要 原 因是组成矿体的各种矿物具有不同的 电极 电位 , 从而 形成许多微观原电池或宏观原 电 池 , 在地下水参与下 , 便会 自然并持续地进 行着矿体的 电化学溶解作用 , 导致体周 围形 成与成矿有 关元素的离子 晕 。 矿物的电化学溶解 矿物产生电化学溶解作 用 , 主要是 因相 邻矿物间存在着电极 电位差所致 。 因此 , 在 其有不 同电极电位金属硫化物矿 物组 成的集 合体中 , 不可避 免地 会形成原 电池 。如 果一种 矿物 的 电极 电位 与另一种矿 物相 比为负 , 当 两种矿物接触时 , 多余的电子将从第一种矿 物向第二种矿物移动 。 这就使得离子导电介 质中的两种矿物界面上的物质交换与电交换 的下衡遭到破坏 。 为 了恢复失 去的平衡 , 在 近 头一种矿物的界面上 , 不是离子介质中的 某利 ,组分发射 电子, 就是由于固态组分的破 坏而释放电子即产生氧化 电极反 应 , 使头 一种矿物或周围孔 隙水 的组 分氧化 , 在上述 两 种情 况下 , 正 电荷均从头一种矿物 流向周 旧 介质 。 第二种矿物界面附近平衡的破坏 , 或者使正离子放 电 , 并以固态形式沉淀在矿 物 , 或者 正矿物的粒子破坏而负电荷通 过 边界转移 , 并在离子介质中形成负离子 。 也 就是发生还原 电极反应 , 使电流的正电荷从 孔隙水流向第二种矿物 。 与此同时 , 在离子 介质 中正离子将从头一种矿物的边界移向第 二种矿物的边界 , 负离子则反之 。 这样在矿 体的某一部位便构成一个原 电池 。 众所周知 , 矿体是 由多种矿物组成的集 合体 。 不同矿 物具有不同的电极电位 , 在犷 体各部分只要相邻矿物间存在 着 电 极 电位 差 , 就会自然地形成一个微观原 电池 。 相邻 两种矿物间的 电极 电位差值越大 , 产生的微 观原电池的 电流强度也就越大 , 矿体的 电化 学溶解作用也就越强烈 。 前苏联学者拉齐麦尔和扭普路沃斯 特等 , 曾对黄铁矿 、 方铅矿 、 磁黄铁矿 、 黄 铜犷的 电化学溶解过程做过全面研究 , 从理 论上解释了电化学成晕的机制 。 下面 以方铅 矿为例说 明其电化学溶解作用的结果 。 实验表明 , 当反应的 电位 值 在 十 时 , 方铅矿阳极溶解的产物是铅离 子和呈浅黄色弥散物质元素硫的薄膜部 分地掩盖在矿物表面 , 在这一 电位 值范甩 内 , 方铅矿的阳极反 应式为 一今 十 随着电位值的增高 , 除铅离 子和硫元素 外 , 还会出现硫酸根离子 , 这 说 明在电位大 于的情况下 , 在方铅矿 上 的 电化学过 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 程 中除上式外 , 还发生硫的氧化作用 , 其反 应式为 “一 , ” 三 一 全 一 ,全 硫的全氧化式为飞 “ ,爱 一 十 在硫的全氧化作 用条件下 , 方铅矿上 电 化学反应总式为 ,芝 一 十 在试验中还得知 , 在 电位值较低 情况 下 , 方铅矿的电化学溶解作 用和铅离子的生 成作用最有效 , 随着电位增高 , 大部分电量 消耗在硫的氧化作 用上 。 研究矿物的电化学溶解均考虑是在单一 的原电池作用情况下进行 , 如矿物 为多种金 属硫化物共生时 , 情况就比较复杂 , 既有宏 ‘观 氧化一还原电位引起 的宏观原电池 , 又存 在由于各矿物间电极电位差形成的 多个微观 原电池 。 就一个矿体而言 , 总的都发生在一 个大的 “ 电解池 ” 中 , 各 自进行着强弱不等 的 电化学溶解作 用 , 在微观原电池中一般都 是电极电位值低的为负极 。 前苏联学者 斯维什尼科夫按室 内研究结果列出 了电 极电位由正到负的硫化 物系列为 十 白铁矿黄铁矿,黄铜矿,毒砂,斑 铜矿,辉铜矿,磁黄铁矿 方铅矿,镍黄铁 矿‘辉钥矿,闪锌矿一 从该系列可以看出 , 闪锌矿无论与何种 矿物共生 , 无疑都是负极 , 其电化学溶解作 用最为强烈 , 这就是为 什么在 进行电提取时 矿往往是所有离子晕中含量最高的原因 。 在 水文地球化 学分散晕形成的 试验研究 中 , 也发现矿物发生电化学溶解的佐证 , 当 把方铅矿与黄铁矿粉末放在一 起时 , 铅在溶液中的含 量达 , 而只 有方铅矿一种粉末进行 溶解时 , 水 中铅含量 仅 , 说明方铅矿与黄铁矿两种矿物构 成一个原电池 , 使其产生电化学溶解而释放 出大量铅离子又如闪锌矿与黄铁 矿粉末放在一起 , 溶液中锌含量高达 可 , 而 只有闪锌矿单矿物粉末时 , 溶液 中锌含量一般为 。 在方铅矿 、 闪锌矿 、 黄铜矿及黄铁矿混 合在一起时 , 溶液 中 含 、、 。 、 不含 , 而的含量不超过 , 含量 达 , 。含量高达 。 从上述例子 可以看出 , 矿体产生电化学 溶解时 , 能 释放大量离子并形成离子晕是客 观存在的 。 离子晕的迁移与提取 矿体产生电化学溶解后 , 在其周围聚集 着高浓度的金 属离子晕在电场力作 用 一 「 , 离子晕便按照一定规律进行迁移若迁移过 程 中未遇到与金属离子能形成难溶化合 物的 阴离子 , 金属离子 晕便在 大地电场作 用下不 断向上迁移 , 直至矿体上方近地表的疏松沉 积层中 , 并形成动态平衡的离子 晕 。 当对滞 留这些离子晕的介质施加一定的人工电场 , 成晕离子便沿一定方向迁移到所设置的 阴极 提取器中 , 随着人工电场的加大和供电时间 的加长 , 处于动态平衡的离子就象接 力赛跑 一样一个接一个的往上迁移 。 即每个单元体 积 内移出的离子 , 必须由相邻单元体积内的 离子移人来补充 , 以保持 自身的动态平衡 。 只要在所施人工电场范围内的深部存在大的 离子源矿体 , 便 会有离子源源不断地进 人到地表所设置的阴极提取器 中积累起来 , 直至达到新的动态平衡 。 因此 , 元素接收器 内所提取的离子不仅与近地表次生晕有关 , 而且反映了逐步来 自深部与矿体有关的离子 晕 , 提取是先浅 后深的连续过程 。 通过分析 元素接收器中的离子浓度 , 便会发现地 电提 取离子异常从而达到找盲矿的 目的 。 模拟试验 为了进一步探讨矿体产生电化学溶解形 成离子晕的机制 , 以及离子进入元素接收器 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 石墨电极 电扭 外加电橄 凝凝凝凝 口口 数数数数数数数 自 来水 目目目同同 卜卜 二二 二 匕匕匕 圈摸拟实脸装里和元寮接收器示愈 中的有关 问题 , 在实验室内做 了硫化矿体的 电提取模拟试验 , 为该方法的应 用提供理论 依据 。 , 实验装里 在室 内设置一长 , 宽 , 高的水 泥槽 , 槽 内放置一长 , 直径 的人造柱状模拟矿体主要是破碎成小 块的 闪锌矿和方铅矿 , 在模 拟 矿体两端加 一 电压为 , 电流的激发 电源 , 以 自来水为 电解液放人水泥槽中 , 通电使矿体 产生电化学 溶解 。 在水槽内布置电提取装置 , 即在 槽内左侧放置光谱纯石墨电极做正极 , 右侧 放置元素接收器为负极 , 两极间 施加电压 , 电流 。 实验总体装置见图 , 元素接收器的 组成见图 。 实 验结 果 上述装置按装好后开始 通 电 , 每隔 小 时从元素接收器中取样分析矿含量 , 据测 缝数据绘 制时量 曲线图 。 从图可 以看出 , 在小时之前进人 提 取器中的量 较低 , 当实验进行至小 时提取器中 “十的 含量 突增至 , 说 明 在小时以前进入接收器中的 。 十 可 能来 自 水的本底含最 , 或开始放人水时被模拟矿体 污染的少量 “十, 而通 电到小时接收器中 的 十 突然增加 , 是 由模拟矿体 发生 电 化学 叫 伍 图 模找实验 十 提取时曲线 溶解所产生的大量 十 进人 到元 素 接收器 中 , 通 电小时以后接收器中的矿含量基 本保持稳定 , 即逐步达到动态 平衡 。 实验 中还可观测到矿体电化学溶解的宏 观现象 , 在模拟矿体向阳极一侧的槽底 , 有 呈舌状的黄色物质出现 , 具颜色由深变浅的 分带现象 , 表明模拟矿体产生 电化学溶解 后 , 金属阳离子被提取到元素接收器 , 阴离 子 ’一向阳极移动 , 并被氧化 , 其 电离式为 共乏 一 在电场作用下 , 一向阳 极 移动 , 使 电 离平衡被破坏 , 导致反应向正方向进行 , 产 生大量的 一, 其在迁移过程 中被氧化成元 素硫 , 所以在模拟矿体向阳极一侧的槽底可 见到黄色物质的分带现象 。 实验室所做矿物的 电化学溶解试验及水 槽中的模拟实验结果 , 进一步证明在自然 电 场或人工 电场作用下 , 能使矿体 产生 电化学 下转第页 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 增加了破岩的自由面 , 有利于岩石 的破碎 。 由于吸渣口数量增加 , 又有贮存岩 渣的功能 , 所以瞬问相应增大 了岩渣 的排 量 。 结论 气举反循环钻进适应的最佳地层 为 破 、 脆 、 碎地层 。 对于粘 、 塑性较强的地层 , 可不必使 用气举反循环而以正循环钻进 。 在第四系松散层进行大口径水文 、 水井钻探 , 应采用小口径正循环钻进 、 气举 反循环扩孔成井的工艺 。 气举反循环钻进规程 , 与正循环钻 进规程不 同 , 尤须注意压 力和转数的控制 。 实现大口径气举反循环正常钻进的 关键是钻头及吸渣口的合理设计 。 破碎的岩渣是否能及时排出而不造 成重复破碎 , 是直接影响钻进效率的主要因 素 。 今考文做 】屠厚泽等 , 探矿工程学 , 年 , 张永江 , 探矿工程 ,, 第期 【姚凤绵 , 探矿工程 ,, 第‘熟 一 一 ,一 一 七 一 上接 第页 溶解 , 所电离出的金属离子在外电场作 用下 可源源不断进人到所设置的元素接收器中积 累起来 。 通过测试 , 可获得地电提取离子异 常 , 从而达到找深部隐伏矿体的 目的 。 七 五期间 , 我们应用地电提取法在新疆戈壁 覆盖区 、 晋北厚层黄土覆盖区以及河北 、 湖 北 、 浙江 、 广东 、 广西 、 云南等省的残坡积 物 、 冲积物 、 堆积物等覆 盖区 , 寻 找 、 、、 、、 、、 等多金属矿 均取得较好的找矿效果 , 解决了用常规物化 探不能解决的一些 问题 。 随着该方法 的不断 完善 , 在寻找深部隐伏矿工作中必将会发挥 更大的作 用 。 参考文献 【雷斯 ,, 地电化学勘探法 , 地质出版 社 , 年 【地科院水文地质工程地质研究 所 , 水文地球 化学找矿法 , 地质出版社 , 年 【】罗先熔等 , 地质与勘探 ,, 第期 【】江琳才 , 物理化学 , 人民教育出版社 , 马 年 。 主 。叮 , 五 一 , 宜 班 五汀 盯 。 。 吞