土壤地球化学测量发展历程与进展

2021-04-12龙天祥李文辉杨爱平王小虎

云南地质 2021年1期

龙天祥，李文辉，杨爱平，王小虎

(1.云南省国土资源规划设计研究院，云南昆明 650216； 2.云南省地质调查院，云南昆明650216)

地球化学是20世纪兴起的一门学科。学科建立以来，其在各个研究领域中都得到了迅速发展并取得了重要成果[1]。勘查地球化学作为地球化学的一门分支科学，是指系统测量天然介质中化学元素或化合物含量和组成用于矿产勘查的科学[2]。它的目的是发现土壤、岩石、水系沉积物、水、植物及气体等介质中形成各种类型的地球化学分散模式或异常去追踪和发现新的矿床或油气藏[3]。土壤地球化学测量为勘查地区化学学科中一种重要方法手段。进入21世纪，随着全球矿业市场的蓬勃发展，勘查地球化学发展与研究也取得了诸多丰硕成果。追踪研究勘查地球化学发展历程及进展的文献很多，但土壤地球化学发展历程及最新研究进展相关文献甚少。即便土壤地球化学已在矿产勘查、生态、环保、人类健康、食品安全等多目标领域已取得了丰硕成果和长足发展。

本文基于前人研究及取得成果基础之上，通过对土壤地球化学发展历程及研究进展进行总结综述，以期阐明这些研究进展及成果在矿产勘查、生态环境、现代农业等多目标领域中的运用和作用。

1 土壤地球化学发展历程

1932年，苏联地质学家费尔斯曼、谢而盖耶夫等最早开展了土壤地球化学找矿尝试，他们系统采集了土壤及风化岩石样品进行化学分析，分析结果用于指导找矿[4]。当时受限于测试设备等原因，其主要分析测试及找矿对象为金属矿物。1935年，苏联研制成功了适用于大规模土壤地球化学样品分析测试的光谱分析设备，这为土壤地球化学全方位找矿奠定了基础。

20世纪40～50年代，美国、加拿大、英国、法国等也正式开展了土壤地球化学研究和找矿工作。1951年，我国地球化学先驱谢学锦在安徽月山进行了地球化学找矿实验。20世纪中-末期，土壤地球化学找矿在我国初见成效，发现了吉林大黑山大型钼矿床等。

20世纪70～80年代，成立了“国际勘查地球化学协会”，推行了“国际地球化学填图计划”，极大推广了地球化学找矿。在谢学锦等大力推动下，在此期间，我国开始了“区域化探全国扫面计划”[5]，这一计划主要工作内容为土壤、水系沉积物地球化学测量等。

2 土壤地球化学研究进展

2.1 多目标领域运用与进展

2.1.1 全国多目标区域地球化学调查

1999年我国开展的“全国多目标区域地球化学调查”，是我国继区域化探全国扫面计划之后一个新的国家地球化学填图计划[6-7]。据谢学锦[8]介绍，这项计划以土壤地球化学填图为基础，其实质是对地球表层整个生态系统进行地球化学填图。其成果不但可在环境、农业、土地质量、海洋、矿产勘查等领域中做出重大贡献，而且是一种新思路、新方法、新技术的形成与运用创新，其技术方法在国际相关领域也具有创新性和领先优势。

多目标区域地球化学调查及成果的转化运用，对于我国改善和调控生态环境、保护和合理利用有限的土地资源、制定农业经济规划和为土地生态可持续发展规划提供了科学依据[9]。利用多目标区域地球化学调查成果，浙江萧山地区因地施种，进行“北菜南移”，在浙北富硒土壤区，发展富硒农产品；四川成都地区依据地球化学图元素分布状况，将土壤划分为宜农、宜林、宜牧三类[10]。这些成果的转化运用真正实现了因地制宜，为地方农业种植业区划和产业结构调整提供了科学依据，推进了农业经济的快速发展，为地方脱贫致富做出了贡献。

2.1.2 覆盖区多目标地球化学填图

覆盖区又称掩盖区，指第四纪以前的基岩被终年冰雪、水体、沼泽、植被以及冲积、冰积、风积等松散沉积物广泛掩盖的地区[11]。我国东北、华北、长江中下游平原、珠江三角洲、四川盆地等人口密集大面积区域被冰雪、植被、水系湖泊、洪冲积物等所覆盖。土壤圈处于相互关联的地球系统之中，记录和保存了岩石圈、水圈、大气圈和生物圈的大量信息[12]。依托覆盖区多目标地球化学填图技术，通过采集土壤样品分析测试，成果直接或间接用于分析研究岩石圈、水圈、大气圈和生物圈中化学元素富集分配情况，最终用于指导区域规划、厘清地质界线、应对碳减排等。如湖南根据洞庭湖地区多目标区域地球化学调查提供的土地污染数据，及时修编了株洲市2005年土地总体利用方案，避免了不必要的损失；吉林中西部地区，通过对多目标区域地球化学调查资料的综合分析，根据元素地球化学图的空间分布规律，厘清了各时代地层的地质界线；四川、江苏等地，利用多目标区域地球化学调查数据，划分土地肥力等级，在缺乏相应元素地区采取精准增补施肥，使得果蔬农副产品增产增收，实现经济效益最大化[12]。利用多目标区域地球化学数据比较准确地估算出我国不同地区土壤实测碳储量应对碳减排，使我国工农业发展更趋环境友好，不断实现科学与可持续发展。

除此之外，土壤地球化学测量对水系沉积物测量有补充作用。比如在森林沼泽区、玄武岩分布区等特殊地段，采集到合格水系沉积物样品将会很困难或不可能时，可以采集残坡积土壤样来代替水系沉积物样品，以达到工作任务要求[12]。

2.1.3 全国土地质量地球化学调查

随着人类物质生活水平的不断提高，对自身乃至全球性的健康协调发展要求不断提高。土地质量地球化学调查内容涵盖地质、生态、农业、土壤微生物等领域，主要研究元素在不同生态系统中的分布分配特征、地球化学循环过程，及其对生态系统和人类健康的影响等[13-16]。1999年我国启动了国土资源大调查，内容涵盖土地土壤质量、矿产资源、生态环境等。2016年我国发布了《土壤污染防治行动计划》即“土十条”[17]。截至2018年底，全国共完成1∶25万土地质量地球化学调查面积254.96万km2，完成1∶5万土地质量地球化学调查评面积278132.28km2。取得的主要成果有以下几方面[19]：①摸清了土壤国情状况，查明了主要耕地污染及肥力状况；②查明了中国土壤有机碳储量分布的主要特征；③发现富硒土地逾20万km2；④助力基础地质研究与找矿突破。

土壤质量调查取得的重要成果之一，发现一批富含硒等特色有益元素的土地资源。硒(Se)是人体和动物必需的微量元素，在维持人体和动物健康方面具有十分重要的作用[20-22]。缺硒会使人和动物产生多种组织器官的病变，硒摄入不足会导致克山病、大骨节病、牲畜白肌病等[23-26]。人体所需的硒主要是通过食物链从土壤中获取，因此，探究土壤硒的含量分布及其影响因素，对区域内的农产品安全以及维护人群健康具有十分重要的意义[21，27-29]。得益于土壤调查成果，近年我国湖南省新田县、江西省丰城市、湖北省恩施市等地建成了富硒特色农产品种植示范基地，形成数百家生产企业、合作社，带动现代农业发展和城乡就业，取得了显著经济效益和社会效益[30]。

2.2 矿产勘查领域运用与进展

土壤作为地表岩石风化的产物，其直接来源于地壳岩石圈，在地球表层分布广泛，因此，土壤样品比较容易采集获取，利用高精度仪器分析测试土壤样品所获得成果代表性强、准确度高。无论在什么类型地球化学景观区，土壤地球化学采样物质均为原生岩石风化残积的产物。相对水系沉积物样品来说，所圈定异常与实际发生异常地质体(矿体)位置偏离较少；相对岩石地球化学测量而言，其不受基岩出露情况限制；相对物探方法，土壤地球化学异常无多解性、精度高，对找矿指向更明确。土壤元素含量及其组合与原岩、矿(化)体等存在极大的相似性，通过研究土壤地球化学性质，能够发现与原岩矿化有关的地球化学异常.地球化学土壤测量在化探方法中最成熟，同时也是最有效的方法[31]。土壤地球化学一经诞生就是用来找矿的，历经近一个世纪的发展完善，其在找矿领域的作用越来越凸显，特别在有色金属、贵金属、油气、放射性矿产与覆盖区隐伏矿找矿领域发挥了巨大作用。

2.2.1 有色金属、贵金属矿产勘查进展与运用

地球化学中的土壤一般是指覆盖于地表的疏松残积、坡积物。残积、坡积物也是金属矿区分布最广的一种疏松覆盖层，发育在这种介质中的地球化学异常直接来自矿体和围岩的风化产物，因此，这类异常具有最明确的找矿意义，其在找矿实践中发挥的作用也最大[32]。近些年来，土壤地球化学在有色金属、贵金属找矿实践中取得了诸多丰硕成果。

金元素在残坡积土壤或水系沉积物中的含量与其母岩相比，具有明显的富集倾向[33]。另据程志中等在山东北部冲积物覆盖区活动态金属在土壤中的分配规律研究发现，元素在各活动态之间的分配关系除与元素的化学性质有关外，土壤的性质也影响元素的分配关系，表生条件下土壤中活动态Au占有较大的比例，表生条件下Au主要以纳米或亚微米等超微细颗粒形式存在，这些微粒Au可在土壤或水中长期迁移和稳定存在[34]。金等贵金属在地壳中含量极低(数量以ppb计)，但在成壤过程发生了富集并长期稳定存在。那么我们在寻找类似金等贵金属矿产时，通过采集残坡积土壤样品就比较容易圈出异常，有利于指导找矿，这也就是在找金等贵金属矿产时土壤化探方法效果极佳的原因。

王建平等通过对中国258个金矿床资料的分析研究，指出地球化学方法在金矿床的找寻中发挥的作用越来越大，1980年以后发现的99个金矿床中，化探起重要作用的有34个，占34%[35]。作者所指的化探主要也就是土壤及水系沉积物测量。

著名的云南镇源老王寨金矿最初发现也得益于地球化学提供的信息。1980年完成的1∶50万云南省地球化学图，圈出了哀牢山金地球化学找金远景区，1985年云南省第三地质大队在老王寨-冬瓜林一带开展了1∶5000土壤地球化学剖面测量，圈出了老王寨Au、As组合异常，经剥土取样化验发现了Ⅲ号矿体，后经工程揭露验证，该矿体成为老王寨矿段最大矿体[36]。

2000年，黑龙江省地勘局在争光地区圈出了Ht-4土壤异常，经槽探验证发现了6条金矿体[12]。后经坑探、浅钻等进一步验证，累计发现金矿体68条[37]，预测远景储量超过20 t，最终找到一个大型金矿床，取得了找矿重大突破。

2001年～2003年，安徽省地质调查院开展内蒙古自治区1∶20万阿荣旗幅区域化探扫面时，发现HS-18 Mo、Bi异常[12]，后经进一步化探、地质勘查工作，圈出12个隐伏钼矿体，控制钼金属量超过5×104t，发现了太平沟大型钼矿床。

杨元江等[40]在黑龙江漠河盆地南缘运用土壤地球化学方法检查水系沉积物圈定的异常时发现了多条铅、锌矿体和矿化体，说明土壤地球化学测量方法在寻找有色金属矿产效果也十分明显。

2.2.2 油气矿产勘查进展与运用

赋存于地表土壤、松散覆盖物或岩石中固态或液态烃类是找寻油气矿藏最有价值的指示因子，而迁移到地表的烃类气体主要存在形式有作为气体存在于土壤颗粒之间或吸附到矿物颗粒中及溶解于地下水中[41]。地下水在圈循环过程中必径地表土壤，土壤对水分有吸附及保存功能。所以，通过采集土壤样品可以提取油气指示剂烃类物质，从而找寻到油气矿藏。

运用地球化学原理找油气的方法可以统称为油气化探。油气化探测量常用技术方法有：紫外吸收光谱法、碳同位素法、土壤吸附烃找油法等[12]。无论采用何种方法，其主要采样介质为土壤或水。在地球内动力驱动下，埋藏于地下的油气发生垂向运移、散逸，最终附着于土壤、岩石矿物颗粒间隙或水体。因此，找寻油气矿藏时利用采集土壤介质的油气化探方法是一种行之有效的方法，其在油气矿藏勘探过程中发挥了巨大作用，也相继发现了大批国内外油气田。如国内双河油田、松辽盆地油气田、任丘油田等[12]，国外有美国蒙大拿州Bell Creek油田、墨西哥Cognac油田、挪威附近北海中的Agate油田[42]等。

2.2.3 放射性矿产(铀矿)勘查进展与运用

铀是一种放射性矿产，它是核工业、原子能工业重要原料。铀既可用于核弹头、原子弹等国防领域，也可以用于核电站、民用化工、医疗领域。找寻到更多的铀矿资源即是国防安全的需要，又是造福民生的需求。铀主要以沥青铀矿物和被有机质及矿物吸附的形式存在[43]。地表土壤富含有机质和具有强吸附力的黏土矿物。铀矿体产生的含铀离子或微粒在地质营力的作用下会迁移至近地表，聚积于土壤层[44]。姚文生等[45]研究表明：盆地砂岩型铀矿的成矿及伴生元素以多营力结合的方式垂向迁移至地表，被富含粘土矿物的地表疏松土壤所捕集、富集，形成穿透性地球化学异常，在鄂尔多斯盆地利用土壤样品圈定的异常与铀矿体位置相符，取得了较好的应用效果。郝威[46]通过研究土壤金属活动态元素富集规律，圈出了伊犁盆地砂岩型铀矿位置。

地表次生粘土形成过程中吸附了深部隐伏铀矿迁移上来的铀酰罗络阳离子，指示了深部隐伏矿床[45]。基于这一原理，我们同样可以运用土壤地球化学方法采集花岗岩及火山岩风化形成黏土层、风化壳样品，分析测试结果用来圈定铀矿异常，进而指导找寻铀矿。除了砂岩型铀矿，花岗岩型、火山岩型铀矿也是我国极具工业价值的重要铀矿类型。

2.2.4 隐伏矿勘查进展与运用

埋藏于地下一定深度或者说是地表无出露的矿床即为隐伏矿床，这类矿床一般埋深大于几十、几百、或上千米，很难通过地表工程进行揭露控制，盲目进行深孔钻探或坑探由于巨大的成本和风险，是不科学及不现实的。在已知矿区外围或深部寻找隐伏矿体是当前矿产资源勘查的重要方向之一[47]。运用土壤化探方法寻找隐伏矿体是在覆盖区进行找矿的主要方法，近年来已经有较成功的案例[48-51]。王子正、唐菊兴等[47]在西藏雄村金矿周边运用土壤地球化学圈出异常，最终查证了则莫多拉隐伏铜金矿，说明土壤地球化学测量在寻找隐伏铜金等多金属矿床是一种有效的勘查手段。

20世纪末兴起的“深穿透地球化学”，主要原理是通过追踪提取圈定深部隐伏矿床成矿元素(活动态金属粒子、纳米微粒等)运移到地表后形成的异常来指导找矿[52]。地表除了岩石绝对未风化或水体冰川覆盖区，其余地区都可以较易采取到土壤残积物。自20世纪90年代以来，发展的系列深穿透地球化学技术，都是以固体土壤为采样介质的选择性提取技术，使用土壤作为采样介质的深穿透地球化学技术，元素含量相对较高和操作简单，因此获得了广泛应用[53]。运用深穿透原理与土壤采样方法在我国吐哈盆地圈出了2个有可能发现大型隐伏铀矿的靶区[54，55]；在川西北若尔盖草原地区圈出的巨大有机结合态(OBM)金异常已由钻探证实为一大型隐伏金矿[56]；这种方法在美国内华达Mike隐伏金矿、智利Gaby Sur隐伏斑岩铜矿也得到了很好的验证[52]；王学求，叶荣[53]在实验室建立的模拟迁移柱和河南南阳周庵隐伏铜镍矿中均验证了这种方法可直接寻找深部隐伏矿。