覆盖区矿产资源地球化学勘查方法技术研究新进展

孙跃,张振宇,冯斌,杨少平,王之峰

(1. 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 自然资源部地球化学探测重点实验室,河北 廊坊 065000; 2. 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心,河北 廊坊 065000)

0 引言

进入21世纪以来,随着社会生产和国民经济的飞速发展,对矿产资源的依赖程度越来越大,矿产资源安全已经成为国家发展的根本保障。然而,出露区经历了人类肉眼上千年的找矿历史和一个多世纪的系统地质勘查,找到新的矿产地的可能性不断降低,找矿难度不断升高。目前,普遍认为寻找新的,特别是大型或巨型矿床,最有可能是在隐伏区和已知矿床的深部。

隐伏区又称覆盖区(covered region)或掩盖区,通常指第四纪以前的基岩被第四系松散堆积物广泛覆盖的地区,这些覆盖物主要为冲积、洪积、冰积、风积等成因的非本地的外来堆积物,厚度从几米到数千米不等,与下伏基岩没有成因联系,部分地表还生长着广袤的牧草或茂密的森林,找矿难度极大。

在20 世纪的找矿实践中,传统地球化学勘查方法取得了令矿产勘查界瞩目的重要成就,找到了大量对国民经济发展具有重大影响的大型以上规模的矿产资源。面对新的找矿形势,实现21世纪找矿突破的关键是研发出适用于寻找覆盖区隐伏矿和已知矿区深部矿的地球化学勘查技术。只适用于出露区找矿的传统地球化学勘查方法已不能适应新的找矿形势,急需通过对传统地球化学勘查方法的升级改造或研制新的地球化学勘查方法技术予以补充。

从20世纪80年代开始,中国地球化学勘查学者就开始了地电化学、元素活动态、地气、土壤微细粒分离、土壤热磁组分、综合气体测量等新方法、新技术在浅覆盖区找矿的初步研究。历经30余年,部分肯定了这些方法技术的找矿有效性,研制出了基于当时技术条件下的相关仪器设备,为这些方法技术的成熟奠定了基础。

1997年国际合作项目Deep-penetrating Geo-chemistry PhaseⅡ拉开了覆盖区找矿技术与方法——深穿透地球化学矿产勘查研究和应用的大幕,国内外多家科研单位参与其中。我国的谢学锦院士与加拿大的E.M.Cameron共同提出了深穿透地球化学(deep-penetrating geochemistry)的概念,讨论了近年出现的一些新的能够有效探索数百米以下隐伏矿床的方法:地气(geogas)、酶提取、电地球化学方法(CHIM)、元素有机态法(MRF)、活动金属离子法(MMI)、金属活动态法(MOMEO)[1]。这次国际合作发展了选择性提取技术、地电技术和有机、无机气体测量技术,并且提出地震泵、大气压泵、冬天呼气、CO2发生器等驱动活动态金属向上迁移的理论,奠定了穿透性地球化学勘查的基础。

本文拟从覆盖区矿产勘查地球化学基础理论和方法技术研究两个方面,简要综述2013～2022年期间覆盖区矿产勘查地球化学研究的主要进展,以供同行从整体上把握覆盖区矿产勘查地球化学的发展方向。

1 覆盖区元素迁移特征和形成机理研究

1.1 地表疏松层元素迁移特征

有关覆盖层元素迁移机理的研究,主要在草原覆盖区的内蒙古东乌旗整装勘查区和黄土覆盖区的河南省小秦岭整装勘查区多个矿区开展,获得了以下发现。

在多个矿区地电化学样品中,通过扫描电镜(SEM)观测,发现地电化学泡塑样品中吸附着大量的纳微米级黏土矿物颗粒(成分主要为Fe、Al硅酸盐矿物);结合无电静态吸附试验发现,地电化学样品中大多数微量元素在疏松层中的迁移跟随土壤中存在的具有电活动性和选择性吸附的纳微米级黏土矿物微粒的迁移而移动,这些纳微米级黏土矿物微粒具有电活动性和选择吸附性。同时,在隐伏Au矿体上方的地电化学泡塑样品中,发现大量的纳米级Au单质颗粒,粒径从几十纳米至1～2 μm;证明在覆盖条件下,Au元素的迁移是由纳米级Au单质颗粒所引起。这一认识颠覆了传统认为的元素地电化学迁移是由“离子”所引起的学术观点,解释了之前许多地电化学勘查过程中遇到的诸如异常解释及重现性等各方面问题,也为今后方法技术的改进与完善指明了方向[2]。

黄土覆盖区的多个矿区中,在矿体上覆的黄土样品中,利用透射电镜(TEM)观测到了与矿体有关的微粒物质,其化学成分上明显区别于背景区样品。矿体上方地气和土壤样品中观测到的微粒物质在成分、形态、粒径、结构等方面均具有可对比性;从而揭示出土壤和地气中观测到的金属微粒在一定程度上可反映其深部矿化源区性质;间接说明了黄土覆盖区地表异常信息从深部向地表迁移的可能途径以及地表地气和土壤异常的形成原因[3]。

在不同矿种矿区采集的热磁组分研究中,肉眼观察到土壤热磁组分以单颗粒的形式存在。在扫描电镜(SEM)观测中,发现土壤热磁组分多以更细小的颗粒集合体形式出现;并在热磁组分微孔隙中发现了纳微米级金属颗粒,这些金属颗粒存在于热磁组分表面微孔隙之中,其组成主要为成矿元素及成矿伴生元素Au、Zn、W、Ag等[4],为热磁方法技术机理研究提供了微观证据。

1.2 覆盖区弱异常赋存状态和形成机理

覆盖区弱异常赋存状态和形成机理研究工作主要集中在干旱区和半干旱区中,对其他景观区研究较少。

1.2.1 半干旱草原区弱异常赋存状态

以内蒙古拜仁达坝银铅锌矿床作为半干旱草原区的典型代表,以垂直剖面的方式,研究了矿体上覆不同土壤层位中成矿元素的赋存分布特征。

在拜仁达坝银铅锌矿区,发现成矿元素Ag、Cu、Pb、Zn及成矿相关元素在矿区覆盖层各个层位中,几种相态的元素含量均高于非矿区的覆盖层;成矿元素在覆盖物中除残渣态以外主要以腐殖酸结合态和铁锰氧化物结合态存在,且在近地表的土壤中能够富集;说明深部矿体的矿化信息能够迁移至地表,在覆盖层中有所体现,于地球化学常规土壤测量采样深度处出现富集,形成异常,指示隐伏矿体的存在[5]。

在洛恪顿铅锌多金属矿5号勘探线地电化学勘查剖面上采集了电提取前后的土壤样品,开展了全量及顺序提取“七步法”分析测试[6],对比结果表明: 地电化学勘查试验中所提取的元素主要以水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态等多种活性相态存在于土壤介质中,颗粒较小的弱活性相态、残渣态颗粒均可被电化学过程所迁移和吸附;电提取后,土壤中多数元素某一种或几种相对活性相态含量与矿体产生了极好的空间对应关系,以成矿指示元素Ag的表现最为突出(图1);运积物覆盖层之下及深部有矿体或矿化体存在时,电提取后土壤中多数微量金属元素不同相态的含量会显著增加,而背景地段元素的含量增加却不明显;以上表明在运积物覆盖区地电化学具有较强的勘查适用性。

图1 洛恪顿铅锌多金属矿5号勘探线电提取前后土壤中 Ag 全量及各相态含量空间变化[6]Fig.1 Spatial variation of total Ag content and each phase content in soil before and after electrical extraction in the 5 exploration line of the Luokedun lead-zinc polymetallic mine[6]

1.2.2 干旱荒漠区弱异常形成机理

以新疆吐哈盆地十红滩沉积砂岩型铀矿和哈密隐伏斑岩型钼矿东戈壁钼矿为典型代表,开展了干旱荒漠戈壁覆盖层中元素迁移规律的研究。

在十红滩沉积砂岩型铀矿区的研究[7]发现:砂岩型铀矿中,铀酰络阳离子是活动性铀的主要存在形式, 铀酰络阳离子很容易受地下水运动及蒸发蒸腾作用而通过砂岩的孔隙、构造裂隙等发生迁移。到达地表后, 铀酰络阳离子易与土壤中带负电的黏土矿物结合而赋存其中,形成异常。

在东戈壁钼矿区的研究发现[5]:元素在不同粒级下随深度的变化趋势基本一致,细粒级(-160目)中相对富集;同时,矿物成分对元素含量亦有一定的影响,黏土矿物强烈的吸附性能对元素起到一个很好的叠加富集作用,特别是从深部迁移上来的元素可以被黏土物质有效捕获而赋存在细粒级中。进一步分析得出:

1)无论是异常区还是背景区,成矿元素Mo含量从基岩到近地表元素含量逐渐降低,异常面积也逐渐减小;Mn、CaO、P2O5的含量变化趋势与Mo一致;而成矿伴生元素Cu在异常区含量随深度的增加而升高,在背景区则相反。成矿指示元素Fe、Zn、As含量随深度的变化趋势表现为顶底高、中间低,类似于“C”型的变化。

2)土壤元素相态分析显示,土壤中成矿指示元素Fe、Mn、Cu、Pb主要赋存于铁锰氧化态中,其空间分布呈顶底高、中间低的分布特征。底部高可能是继承了矿体风化产物,而近地表或地表的富集,说明可能受深部迁移上来的组分到达地表后,被地表土壤中的黏土和铁锰氧化膜所吸附并富集引起。这种变化可以指示隐伏矿体的存在。Mo则是从基岩到近地表,元素含量逐渐降低。因此,在干旱荒漠区需要注意Mo弱异常的找矿前景评价,避免漏矿。

3)根据元素全量及不同相态三维地球化学空间分布特征,推测干旱荒漠覆盖区地球化学异常的形成过程为:自然条件下,元素受到包括地下水循环、氧化还原电位梯度、蒸发蒸腾作用、植物作用以及地气流等多种营力共同影响,从矿体向地表作垂向迁移。由于地表黏土矿物的存在,这些活动态的元素在地表被细粒级土壤中的黏土和铁锰氧化膜所吸附并富集。元素垂向迁移至地表以后,还存在一个侧向迁移的过程,这个过程使异常得以向四周扩散,形成一个更大面积的异常。

1.2.3 其他地区异常形成机理

通过对紫金山悦洋(火山岩)盆地火山岩型银多金属矿、南阳(变质岩)盆地周庵变质岩盖层下的铜镍矿和洛宁(黄土覆盖)盆地沉积盖层下的金矿开展探测试验研究[7],得出: ①火山岩盆地中, 与火山岩近乎同期形成的矿床, 矿床形成过程中含矿流体携带成矿元素银、金、铜等沿构造裂隙运移, 迁移到地表后被土壤中的黏土矿物所吸附,形成矿体上方的异常;②在侵位过程中, 变质岩接触带与变质岩盆地超基性岩体将产生大量的构造裂隙, 所以当流体通过岩体和岩体接触带时, 将携带矿体中铜、镍向上迁移至地表, 形成环状异常;③位于黄土覆盖区的洛宁盆地金矿在成矿过程中,成矿元素Au、Ag等以络合物、纳米级单质或合金等形式,被流体携带沿构造破碎带向上迁移, 成矿元素在地表岩石风化后发生解离,后被黄土覆盖,岩石或矿体解离的纳米颗粒或化合物穿过黄土孔隙向上迁移至地表, 并赋存在细粒级黏土中形成异常。这些研究成果为活动态提取和微细粒分离两种方法技术的实践应用提供了理论支撑。

在我国北方火山岩型铀矿勘查的试验研究中,发现隐伏矿体上方表层覆盖物中存在独有的亚微米级含铀颗粒[8]。

2 覆盖区地球化学勘查方法技术研究

近十年来,覆盖区地球化学勘查方法技术研究主要集中在地电化学测量、元素活动态测量、地气测量、土壤微细粒分离测量、土壤热磁组分测量和综合气体测量等方面,其他方法技术研究开展很少。

2.1 地电化学测量

地电化学法是将地球物理、地球化学和电化学综合为一体的地球化学找矿方法。典型的地电化学法是苏联提出的“部分提取金属法”(CHIM),依靠在地表施加的人工电场,使来自矿体的活动态元素离子分别向正负极移动,通过较长时间供电,用安装在正负极上的元素接收器分别把阴阳离子收集并富集起来,再分析接收器中的元素含量,查明异常。

1992年以色列ExploTech公司的Levitski A.等[9]首次以文字报道的方式提出了“偶极子地电化学 (Dipole CHIM)”的概念,并在以色列南部的艾因亚哈夫坝(Ein Yahav Dyke)及阿什凯隆市(Ashqelon)的Kokhav油田西部边界开展了应用试验,获得了与传统地电化学方法一致的提取效果。 但其在试验中仍然使用大功率发电机组及稳流装置,多点同时发射,多点同时接收,仅将正负极的距离由“无穷远”式改变为“偶极子”式,勘查设备依然笨重,勘查效率较低。之后,国外并未见与“偶极子”地电化学相关的研究报道,进入21世纪,有关地电化学方面的报道也几近于无。

而国内地电化学界并未就此消沉,以中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所和桂林理工大学为代表的一些地电化学研究团队,仍然未间断地从事着与地电化学相关的方法技术研究与应用工作。通过理论和技术创新,提出了便携式、低压、独立供电和“偶极子”式地电化学提取装置及其方法。并于20世纪90年代初开始不断地对“偶极子”地电化学技术进行着改进与完善。近年来的研究主要集中在提取装置优化和方法技术中小比例尺工作适应性研究两个方面。

2.1.1 地电化学提取装置优化

对便携式、低压、独立供电和“偶极子”式的地电化学提取装置的优化是研究工作的聚焦点[10-12]。接收端采用泡塑等固态载体,研制成功新型“独立供电偶极子地电化学提取装置”,在野外现场进行单点独立供电,即每个采样点组成一套单独的低压供电系统;大大提高了装置的便携性和机动性,使开展中小比例尺地电化学测量成为可能。

同时,“室内电吸附方法”(采集土壤样品后,在室内一定条件下进行电吸附、富集)研究也取得一定进展。

与原有地电化学方法相比,这两种地电化学新方法可大幅度提高勘查效率,并取得良好的找矿效果,具有较好的推广应用前景。

2.1.2 地电化学方法技术适应性研究

以内蒙古洛恪顿热液型铅锌多金属矿床和蔡家营铅锌矿床(代表半干旱草原风成砂浅覆盖景观区)、青海尕大坂铜多金属矿床(代表黄土+新近—古近系红层覆盖景观区)、河南周庵铜镍硫化物矿床(代表半湿润大面积第四系农田覆盖区)等4个矿区为典型,进行了地电化学勘查方法技术中小比例尺工作适应性研究[13]。

在内蒙古洛恪顿热液型铅锌多金属矿区(风成砂浅覆盖)约 40 km2范围内,开展了1∶5万地电化学测量与常规土壤同点测量效果对比试验。结果表明:地电化学测量可圈定出与已知矿体元素组合相同的Pb-Zn-Ag-As-Bi-Cd 等多元素综合异常,且异常位置与已知矿(化)体空间分布范围较一致;而常规土壤测量异常仅在小山头残积土出露区呈点状分布。与常规土壤测量结果相比,地电化学异常范围、衬度及连续性均远优于常规土壤测量。同时,地电化学测量在试验区西北部风成砂浅覆盖区发现多元素组合地电化学异常,根据此异常部署开展了1∶1万激电中梯测量及钻探验证工作,在540 m以下处发现6 m厚富银和铜矿体,实现了找矿突破。

在河南周庵铜镍矿区也取得了类似的研究成果。

以上试验结果表明,在覆盖区开展1∶50 000地电化学测量能有效圈定找矿靶区,可在今后覆盖区矿产勘查工作中加以推广应用[14]。

2.1.3 推广应用前景

大量实验研究成果的取得表明,地电化学测量可以应用于各类地球化学景观区内、数百米厚度外来堆积物覆盖区的贵金属和有色金属的矿产勘查工作;以干旱荒漠区和半干旱草原区的找矿效果最为突出,其他景观区也可以取得一定的找矿效果。

随着便携式、低压、独立供电和“偶极子”式地电化学方法技术的进步和成熟,地电化学测量打破了过去只能用于大比例尺矿产勘查的技术限制,可以开展中小比例尺的矿产勘查工作。为覆盖区矿产勘查提供了一个全新、有效的不同比例尺的地球化学勘查方法。

2.2 元素活动态测量

在地球化学勘查中,把地球化学样品测试中的水提取相、黏土吸附相、有机结合相、铁锰氧化物相定义为元素活动态;以分析测试活动态含量进行的地球化学勘查工作称为元素活动态测量。元素活动态测量能捕捉到来自地下深部的成矿元素信息,在覆盖区地球化学勘查中有特殊的意义。

澳大利亚勘查地球化学家Mann等[15]提出的活动态金属离子法(mobile metal ions,简称MMI)即是提取呈活动态的金属离子,MMI方法现已取得10多项专利,100多个成功案例,年产值在4 000万澳元左右,是目前最成功的地球化学勘查偏提取技术,被应用于覆盖区填图。

国内王学求团队研制了金属活动态测量技术(leaching of mobile forms of metals in overburden, MEMEO),用于提取土壤中金属的活动态形式。并且他们认为与成矿有关的超微细金属、金属离子或者化合物迁移到地表之后,在原有介质元素含量的基础上叠加活动态元素含量,提取活动态金属能够探测隐伏矿床[16]。

目前,国外土壤偏提取技术的发展着重于研制不同的提取剂,但配方严格保密。国内基于金属活动态理论与方法,对活动态提取与测定方法不断进行改进,开展了针对不同金属元素专用提取剂和元素活动态测量方法技术标准化方面的研究。

徐善法等[17]在参考国外研究成果和国内在相态分析时所用到的一些常用提取试剂的基础上,研制出针对黄土覆盖区金矿和多金属矿的两种专用提取试剂:①金专用提取剂主要由柠檬酸铵、硫脲和硫代硫酸钠组成;②多金属专用提取剂主要由草酸铵、柠檬酸铵、乙二胺四乙酸钠(EDTA)、二乙基三胺五乙酸(DTPA)、氨基三乙酸(NTA)、三乙醇胺(TEA)组成。

使用专用提取剂,开展了提取条件实验,内容包括提取液固液比、固液分离方法、提取时间、提取液pH以及提取温度等[18]。实验发现:①多金属活动态专用提取剂在提取过程中,不同的固液比对Cu、Ni、Zn、Pb、REE等元素影响较小,但对Cr的提取量影响较大,固液比的最佳实验条件还应考虑 pH 缓冲能力。②不同固液分离方式对多金属活动态提取的提取量影响不大。③提取时间选择是影响Cu活动态专用提取剂(MML-Cu)提取结果的主要因素之一。④提取液 pH 是影响元素活动态提取量的主要因素之一。⑤随着提取温度的升高,多数元素的提取量增大,不同元素随温度变化的程度不同。Ca 提取量随温度变化趋势与多数元素相反。⑥活动态分析质量控制中,应对提取所用所有试剂的空白进行严格控制,实验条件保持一致。

王翰等[19]研究出土壤纳米简便提取的新方法——超声波纳米提取测量法,利用超声波空化原理,快速提取土壤中的活动态纳米物质,并在内蒙古半干旱草原区上方开展了超声波纳米提取测量法的地球化学勘查方法的试验工作。结果表明,通过超声波纳米提取测量法获得的地球化学异常明显,其中主要成矿元素铜、铅、锌等在隐伏矿体上方均有显著异常,并且异常衬度与矿体埋藏深度有很好的对应关系;矿体埋藏深度越浅异常衬度越大,矿体埋藏深度越深异常衬度越小;该试验表明超声波纳米提取法可作为该景观区寻找隐伏矿的有效手段。

实验研究成果表明,元素活动态测量主要适用于干旱荒漠区、半干旱草原区和黄土覆盖区中百米厚度左右外来堆积物覆盖区的隐伏贵金属和有色金属矿产勘查工作中。其他景观区可以参考使用。

2.3 地气测量

地气测量是指通过各种技术手段,捕集覆盖层中由地气流携带上来的与隐伏矿体有关的纳米级金属微粒,分析测试其含量,发现异常,并用来寻找隐伏矿的地球化学勘查方法。

1987 年瑞典Kristiansson K.等[20]发布了地气测量找矿成果,认为地气测量技术有找矿深度大、指示矿体直接等特性;他们主要采用被动埋置法采样。

地气法引入我国后,不仅在不同矿种、不同景观区进行了应用试验,并对采样方法及装置进行了适应性改进,摒弃了费时费力、采样装置丢失严重的被动埋置法,研制出主动抽气采样法及其相应的采样装置,使地气测量在我国有了更为广泛的应用前景。

地气主动采样法:用钢钎在覆盖层中打-80 cm深的抽气孔,将螺旋取样钻拧入孔中,连接手提式气体采样筒。定量抽取气体,让气体通过0.5 μm微孔滤膜后进入捕集器,捕集器内置有能够捕获微粒金属的载体,载体材料为不含成矿元素或预测目标元素的固体或液体,在采样完成后,载体送到实验室进行测试[21]。

经过几十年的研发,国内有关地气载体物质基本上稳定在液体和固体两类。液体基本上选用超纯酸,按照找矿目标选用相应的酸种,其优点是材料低、空白值易控制且均匀,保留副样的代表性极好;但缺点是野外安全携带困难,需要特别防护。同时,液体载体的捕集器通常采用玻璃材质,野外易破损。固体载体多采用聚氨酯泡塑,其优缺点与液体载体正好相反,材料低、空白值极难控制且不均匀,保留副样的代表性较差,但野外携带极其方便;同时,固体载体的捕集器通常采用有机玻璃材质,野外不易破损。因此,在两难选择中,固体和液体载体材料的应用基本上并行不悖,各自发展。

近十年来地气研究工作主要集中在固体载体材料的净化和方法适应性两大方面。

2.3.1 固体载体材料的预处理

由于地气含量的超痕量特点,只有载体测量材料中目标元素的空白含量控制在相当低的水平才能有效的发现可靠的地气异常。因此,使固体载体材料中目标元素空白含量尽可能降低到极低的水平的预处理方法受到极大的重视。

目前,常用的聚氨酯泡塑预处理方法如下:按照捕集器的规格,将聚氨酯泡塑经磨具制取成型,先使用自来水洗涤、晾干,再使用20%的王水浸泡24 h,再用超纯水清洗晾干,最后浸泡在5%的超纯王水中保存[3],以待野外工作中使用。经过预处理的聚氨酯泡塑其元素含量明显降低到研究区背景值之下(表1),可以满足地气测量工作的需要。

表1 去本底处理前后泡塑中元素含量对照[3]Table 1 Comparison of trace elements content foam plastic before and after the pretreatment[3]

2.3.2 方法适应性研究

方法适应性研究主要在半干旱草原区[22]、干旱戈壁荒漠区[23]、黄土浅覆盖区[24]、冲积物浅覆盖区、中低山丘陵茂密植被覆盖区[8]进行,主要涉及有色金属矿床、贵金属矿床、放射性矿床,都取得了良好的找矿效果,最深可以发现200～400 m埋深的隐伏矿体[8]。

适应性研究成果表明,地气测量是上述覆盖区寻找隐伏有色金属、贵金属、放射性矿产的一种有效方法,具有较好的推广应用前景。

2.4 土壤微细粒分离测量

在地球化学勘查中,将土壤样品风干后,直接过200目(74 μm)孔径的筛子,获得样品,进行分析测试,获得地球化学异常的勘查工作称为土壤微细粒分离测量。这是一种能反映深部矿化信息的地球化学勘查方法技术。

国外细粒级土壤测量采用<2 μm富含黏土的土壤,相对粗粒部分,土壤细粒部分地球化学背景不均一性降低,微量元素相对含量升高[25]。

中国细粒级土壤全量测量技术采集地表以下5～30 cm处,粒径<75 μm的土壤样品,样品中元素浓度普遍大于相对的粗粒级土壤。土壤微细粒分离测量技术已在多种景观区取得成功试验案例。

在覆盖区开展土壤微细粒分离测量时,根据工作比例尺和景观确定采样介质和采样深度。①采样介质的选择:中小比例尺主要选择汇水系沉积物,大比例尺选择地表土壤。②采样深度选择:主要考虑尽量避开地表风成砂和腐殖层,如干旱荒漠戈壁区采样深度可选择10～30 cm,半草原覆盖区采样深度可选择5～30 cm。③采样粒级选择:可直接利用普通样品筛筛分-120目(-125 μm)或-200 目(-75 μm)。对于-200目或更细粒级土壤样品,可使用高精度电磁震荡筛或超声波震荡筛筛分。样品送实验室直接分析元素全量[26]。

刘汉粮等[27]选择位于干旱戈壁荒漠区的甘肃柳园花牛山铅锌矿区,开展了土壤微细粒测量试点。通过对比不同采样时间和不同采样密度获得的地球化学数据和地球化学分布模式发现:①土壤微细粒测量获得的元素含量中位值和背景值很接近,地球化学分布模式在形态和变化趋势上非常相似,浓集中心位置重合,表明可获得稳定的、可追索的地球化学分布模式。②采样密度越大数据离散程度越高;元素分布的这种局部的不均一性表明地球化学模式的细节变化可以通过加密采样刻画出来,为逐步追踪矿化体提供了支撑。③圈定的主成矿元素(铅、锌)异常衬度高、变异系数大,与深部隐伏矿体位置吻合。该方法技术针对干旱戈壁荒漠区寻找隐伏铅锌矿是有效的。

豫西黄土覆盖区的申家窑金矿区和四川甲基卡新3(X03)号隐伏锂矿脉上开展的土壤微细粒测量应用试验[26,28],取得了不同景观(黄土浅覆盖区和高寒山区)、不同矿种(金矿和锂矿)寻找隐伏矿体的良好实验结果。

试验结果表明:土壤微细粒测量方法相对于别的深穿透地球化学方法,在野外采样和实验室分析两个环节上,操作均更为简单,易于掌握,也便于推广,因此无论对于矿区隐伏矿的普查和详查,还是对于覆盖区快速地球化学扫面调查均比较适宜;适应的矿种和景观与传统的土壤测量类似。

2.5 土壤热磁组分测量

土壤热磁组分测量方法是以土壤为原始采样介质,通过分析测试热磁组分吸附的成矿或伴生成矿指示元素含量及其他地球化学特征,发现和强化异常,以达到覆盖区矿产勘查目的的地球化学勘查方法。其原理是在高温、还原等有利物理条件下,将土壤中普遍存在的非晶质铁锰(氢)氧化物胶体转变为具有磁性的晶质铁锰氧化物,比磁化系数大为提高,再利用磁提取方法将晶质化的铁锰氧化物分离出来,在磁提取过程中,赋存在非晶质铁锰(氢)氧化物胶体中的金属矿化指示元素也随之一同从土壤中分离出来,这时测定其中吸附的矿化指示元素的含量,能够明显提高地球化学异常的强度和衬度,就可以达到强化异常信息的目的。

土壤热磁组分测量方法最早由苏联学者波戈留波夫在 20 世纪 90 年代提出,国内有关研究报导相对较少,仅鲁岳鑫等[28]、胡树起等[29-30]、唐世新等[31-32]所在研究团队发表过数篇科技论文,针对单一类型试验区进行过初步探讨。目前尚处在方法技术摸索和找矿有效性研究阶段,涉及的景观仅有干旱荒漠区和半干旱草原区。

唐世新等[33-34]在古风成砂覆盖区(内蒙古东部洛恪顿铅锌矿)、现代风成砂覆盖区(河北蔡家营热液型铅锌银矿和新疆沙泉子岩浆型铜镍硫化物矿)以及冲洪积物覆盖区(甘肃野马泉矽卡岩型铁铜多金属矿)先后开展了相关研究工作。

通过几年的研究[33],初步确定出的热磁测量技术如下:在还原条件下,对土壤样品进行热磁化处理,热磁化处理的温度以650 ℃为宜,此时土壤磁化率基本处于最大值;规范化的热磁化处理时间为45 min;热磁组分的分选电流为1～2 A。

在内蒙古东部洛恪顿铅锌矿区,开展了土壤热磁组分和土壤细粒测量2种方法对比研究。结果表明:①在90 m覆盖深度的见矿区,2种方法均能圈出指示元素异常,而热磁组分测量结果具有异常强度高、连续性好的优势,土壤细粒级测量具有便捷与相对经济的优势;②在200 m盖层厚度的见矿区,细粒级测量元素异常较弱,与矿体吻合程度相对较低,而热磁组分测量则能够圈出分带明显、与矿体吻合较好的指示元素异常[33]。因此在覆盖厚度较大的地区,土壤热磁组分测量方法更具优势。

在蔡家营铅锌矿区(图2)和沙泉子铜矿区进行了土壤热磁测量和常规土壤测量对比试验。结果表明,通过常规土壤测量方法获得的异常较弱较小;而热磁组分测量成果与之相比异常较强、面积较大,能清晰地反映出深部隐伏矿体赋存的空间位置和形态,可发现新异常和强化弱异常;野马泉地区试验结果表明,在运积物覆盖达百米以上的隐伏矿体赋存地段,热磁组分测量不但可以圈定出明显异常,而且异常元素空间套合较好,与隐伏矿体具有良好的对应关系。

图2 蔡家营试验区风成砂覆盖地段常规土壤与热磁组分测量结果对比[34]Fig.2 Comparison of conventional soil and thermomagnetic components of a eolian sand covered area in Caijiaying experimental area[34]

初步研究结果表明,土壤热磁组分测量是干旱荒漠区和半干旱草原区隐伏有色金属矿产勘查的有效方法之一。

2.6 综合气体测量

综合气体测量通常是指在野外现场,通过测量隐伏矿床上方土壤中与矿体相关的气体的含量,发现隐伏矿床找矿信息的方法技术。这里主要讨论有关金属矿产勘查中的综合气体测量,涉及的气体主要是Hg、Rn、He、Ne、CO2、H2S、SO2和有机气体(主要是烷烃(CH4等)及烯烃)。目前,比较成熟并具有测量规范的只有Hg气和Rn气。其他气体由于检测技术的限制,都处在试验研究中。

综合气体测量的原理:矿床形成时封存于矿石和近矿围岩中的各类原生气体和矿体进入氧化带以后,岩矿石氧化产生的各类次生气体沿着构造裂隙和盖层空隙迁移上升,富集于地表土壤层中。通过测量地表土壤中气体的浓度,发现隐伏矿化信息,从而找到隐伏矿床。

2.6.1 Hg气测量

Hg气测量是最成熟的气体测量方法之一,1991年我国就颁行了《汞蒸气测量规范》(DZ/T 0003—1991)。近十年来Hg气测量研究主要集中在采样方法技术优化方面,研究成果大部分已经被吸收进了修订后的《汞蒸气测量规程》(DZ/T 0003—2022)中。

采样方法技术优化主要着眼于增加样品代表性和提高测量重现性。经过优化的Hg气测量方法要点为:①在每个测点上,采用2～3个孔采集样品可以增加样品的代表性。②每个采样孔拔出钢钎,应迅速将采样锥快速旋上,这样可以大大减少空气回灌的稀释作用。③使用大气采样器时,须特别注意电量,及时更换新电池;用手提抽气筒采样时,提拉抽气筒须注意尽可能匀速抽拉,才能取得良好的测量效果。④单孔采气量最多3 L。⑤采样完成后立即将捕汞管两端用PVC塑料套塞上,以防止所捕集的汞气挥发和外源汞气的污染。⑥完成样品采集的捕汞管最好在当天进行测定;但因故未能在当天测定,存放2～3天对测定结果没有明显影响[35]。

Hg气测量适用于各类景观(沼泽地和高地下水位区除外)中覆盖层厚度大于40 cm、具有良好储气条件的地区寻找隐伏矿;适应寻找的矿种广泛,有金、银、铜、铅—锌、钼、锡、砷、锑、铋、汞、硒、碲、镉、铊、镍、铂—钯、锶、钡、硼、氟、铀、石油天然气、地热田等。

2.6.2 Rn气测量

Rn气测量是最成熟的一种气体测量方法,1991年我国就颁行了《氡及其子体测量规范》(NJ/T 605—91)。Rn气测量方法可以分为两大类:瞬时测氡法和累积测氡法。前者包括γ能谱法、RaA法、闪烁瓶法等;后者包括钋-210法、活性炭吸附法、径迹法、α杯法、α卡法等。前者的优势是可以获得完整的数据,但测量的稳定性受影响的因素比较多。后者的优势是测量的稳定性相对好很多,但丢失采样装置的概率很高,难以获得完整的数据,特别是在人口密集的内地。因此,在矿产资源勘查中,多使用瞬时测氡法。

近十年来Rn气测量技术研究主要集中在适应瞬时测量的测氡仪升级改造和数据处理规范化方面,数据处理的研究成果大部分已经被吸收进了修订后的《铀矿勘查氡及其子体测量规程》(NJ/T 605—2018)中。

近几年推出的测氡仪的升级改造主要体现在:①大幅度降低仪器检测下限,已经达到了0.01 Bq/L;②用自动取气和排气代替了人工取气、排气工作;③取样吸附装置与测量装置一体化设计,便于现场携带;④增加了测量环境(温度、湿度)修正功能,使测量环境对测量结果的影响尽可能的降低;⑤测量结果机身存储量大增(>6万次),通信接口通用化(采用USB),支持现场蓝牙打印;⑥降低仪器功耗,一次充电可连续测量数百个测点。

Rn气测量广泛应用于不同景观条件下的隐伏矿产勘查(特别是铀矿勘查)、隐伏断层探测、断裂活动性评价,地热资源勘查中也有应用。其主要适用于埋藏深度100 m以内的浅覆盖区,大于100 m的中深覆盖区的探测效果受到一定影响。

2.6.3 其他气体测量

这里的其他气体是指与寻找矿产资源有关的地表土壤中的O2、CO2、SO2、H2S、COS、He、Ne等和有机气体。其他气体测量研究目前处于初级阶段,对于O2、CO2这类浓度较高、间接指示矿化的气体来说,主要集中在找矿有效性的确定和采样现场便携式仪器的研制;对于其他浓度很低、直接指示矿化的气体来说,主要集中在这些气体的测定方法技术研究方面。

使用改进的CO2快速分析仪,分别在湖南黄金洞金矿区金枚矿段和梨树坪矿段进行了CO2气体测量试验性研究。结果表明:仪器的检出限能达到1×10-6,能够有效地发现隐伏矿(化)体和构造上方的CO2异常,可以满足目前矿产勘查工作的需要;方法具有快速、探测深度大、能在野外直接读数的特点,可第一时间提供有效的找矿信息;面积性试点测量共圈定出4处找矿靶区,为研究区下一步地质勘查重点区提出了地球化学依据[36]。

使用便携式多组分气体快速分析仪(PMGRA),在辽东地区五龙金矿区和青城子铅锌矿区开展了探索性的试验研究,并与相应的土壤地球化学测量成果进行了对比。结果显示,异常区气体的浓度衬值非常大;在部分气体异常区,沿着构造倾向方向,CO2异常峰值通常出现在 H2S、SO2和 CH4之前。在辽东浅覆盖区,气体和土壤地球化学测量均能反映隐伏构造和矿体;而在覆盖较厚地区,气体地球化学测量对断裂和矿体反映更明显,受覆盖层的类型和厚度影响较小。本次试验结果显示了基于 PMGRA 气体地球化学测量方法在浅覆盖区具有一定的可行性[37]。

在湖南沃溪矿区鱼儿山矿段及其外围的红岩溪—马儿桥矿段开展的烃汞综合气体测量试验发现:红岩溪—马儿桥矿段土壤地球化学场存在两种不同类型叠加场,一类是深源叠加场,Au与烃类组分相关性较好,烃类异常组分齐全,同时Au、Hg异常较好,具有深源成矿热液叠加,深部找矿潜力较大;另一类是同生叠加场,Au与烃类组分相关性较差,元素组合相对简单,缺少烃类组分异常,找矿意义不大。研究区烃类异常模式以对偶双峰异常模式为主,在烃类异常双峰之间的低值区发育有较好的烃汞类综合叠加异常,说明深部具有平行盲脉存在。经钻探验证,深源叠加场深部见真厚度8.58 m、平均品位3.55×10-6的金矿体,而同生叠加场只见有金矿化,取得了良好的预测效果[38]。

开发不受沼泽微生物影响的地球化学勘查技术是提高中纬度冻土区天然气水合物探井预测成功率的重要课题之一。以高寒沼泽景观的祁连山聚乎更天然气水合物已知区为目标,进行了惰性气体勘查技术实验,研究了氦氖的测试方法。实验区面积150 km2,采样密度2点/km2,采样深度60cm,采集土壤顶空气样品300件和DK-3井岩心样品400件。应用色谱反吹技术对顶空气样品进行了惰性气体氦氖的分析。结果表明:惰性气体异常(图3)与天然气水合物矿藏关系密切,与烃类异常浓度范围一致,为顶部异常模式。实验区天然气水合物矿藏11个水合物发现井有10个位于He、Ne异常内,1个井位于异常外。通过天然气水合物岩心顶空气轻烃和氦氖指标的垂向分布特征研究,发现近地表氦氖异常源于深部水合物矿藏和断裂构造,不受沼泽微生物的影响[39],表明土壤惰性气体测量是冻土区天然气水合物勘查的一种有效技术。

图3 祁连山聚乎更矿区顶空气He地球化学分布[39]Fig.3 Contour map of He in Juhugeng in the Qilian Mountain[39]

3 前景展望

3.1 覆盖区元素迁移、弱异常赋存状态和形成机理

近十年来,覆盖区元素迁移特征和异常形成机理研究获得了令人鼓舞的进展,初步确定了不同元素从深部向地表迁移的主要形式——纳微米级微颗粒(元素单质或混合物);通过同位素示踪和对比研究,初步建立了与下伏矿体的成因联系,确定地表捕获的纳微米级金属微颗粒来自隐伏矿体。地表获得的各元素异常通常都是弱异常,主要都以离子态、黏土吸附态、铁锰氧化态等活动态形式存在,推测元素迁移机制为在自然条件下,活动态的元素受地下水循环、氧化还原电位梯度、蒸发蒸腾作用、植物作用以及地气流等多种营力共同影响,从矿体向地表作垂向迁移;到达地表以后,这些活动态的元素被地表广泛存在的细粒级土壤中的黏土和铁锰氧化膜所吸附并富集形成表生异常,在地表各种营力作用下叠加侧向迁移后,形成一个更大面积的异常。

由于元素从深部向地表迁移的机理无法直接观测且元素迁移量的变化极其微小,表生地球化学观测研究一直是勘查地球化学基础研究的难点。加上研究选择的景观区类型和矿区很少(主要集中在干旱区和半干旱区)。目前的研究成果只是万里长征走完了第一步,我们对覆盖层中的元素迁移机理还知之甚少,仅停留在理念阶段,今后的路还很长,需要研究的问题很多。近期需要:①在已有研究方法和成果的基础上,扩大研究景观的类型,增加研究成果的代表性和普适性;②继续开发同位素示踪技术、微观观测技术、室内模拟实验等新的观察手段;③继续开展进一步的研究,为已经建立的元素推测性迁移模型提供实证性证据,完善模型;④利用传统地学之外的环境学、生物学、微生物学等研究成果,拓展研究视野和开阔研究思路,促进学科发展。

3.2 方法技术研究和示范

通过多年来的持续研究和示范,覆盖区地球化学勘查方法技术取得了一定的进展,在诸多方法中,地电化学方法的进步最大,从只能在大比例尺矿区勘探中使用,扩展到可以开展1∶5万矿产普查工作。示范也取得了较多的找矿效果,在业内的认可度较高,推广的前景较好。其次是地气测量方法和活动态测量方法取得一定的进步,大量的示范基本上可以肯定找矿的有效性,但技术操作层面的规范性仍存在一定的难度,技术的成熟度还差火候。严格来说,土壤微细粒分离测量技术仍是传统土壤测量技术的范畴,在残坡积物覆盖区的找矿效果可以肯定,但在外来覆盖层分布区的找矿有效性还存在质疑。土壤热磁组分测量方法还处在试验研究阶段,距推广应用有着较大的差距。

综合气体测量方法中,Hg气和Rn气测量方法技术最成熟,有操作规范可遵循,广泛应用在隐伏矿产和隐伏构造的勘查之中,取得了业界公认的勘查成果。其次是有机气体(主要是烷烃及烯烃)测量方法比较成熟,大量应用在石油天然气资源的勘查中,在国内油气勘查领域占有一席之地,在覆盖区找矿中的应用前景看好。He、Ne、CO2、H2S、SO2等气体测量方法在矿产勘查中的作用都处于有效性试验研究阶段,距推广应用的路还很长,还需要进行大量的研究工作,使方法技术尽快成熟起来。

尽管在覆盖区地球化学勘查方法技术方面取得了很大的进步,有些方法还有一定的突破性进展,但也发现了一些亟待解决的问题:①对已经成熟的Hg气测量、Rn气测量和有机气体测量方法,应开展大规模的推广应用,最大程度发挥出其在覆盖区矿产勘查和油气资源调查中的作用。②对比较成熟的地电化学和地气测量方法来说,需要研制标准物质,促使方法技术标准化,达到不同地区的测量成果可对比分析。③对于方法成熟度不够的元素活动态测量、热磁测量和多数气体测量需要继续开展研究,促使方法尽快达到可统一操作的程度;同时,需要建立针对不同盖层性质的有效采样技术和含矿信息提取技术,为覆盖区隐伏矿勘查增加新的可靠的方法技术。④继续开展进一步的研究,将已经成熟的覆盖区矿产勘查方法技术的有效探测深度从第一找矿空间(深度500 m以内)提高到第二找矿空间(深度500～1 000 m),以适应将来新的矿产勘查形势。

3.3 聚焦国家生态文明建设是地球化学勘查方法技术面临的新机遇

勘查地球化学的远景目标是通过地球系统科学研究与大数据信息揭示自然资源与自然环境和自然生态状况,实现对资源的科学开发、合理利用和整体保护,从而创造人与地球和谐相处的生存环境。

依据新时期国家地质工作定位及服务经济社会发展方向的要求,20多年来,勘查地球化学完成了战略转型,由单一的矿产勘查转为资源环境多目标调查评价并重。近年来提出了“调查评价、整体保护、规划利用、治理修复、风险评估、监测预警”24字方针[40]。在资源勘查方面,近年来地球化学勘查主要聚焦在36种国家战略性矿产勘查上,特别是紧缺战略性矿产Cu、Li、Ni、Co、U和优势战略性矿产Sn、Sb、稀土勘查的地球化学方法技术研究。今后,在覆盖区寻找战略性矿产方面,将是覆盖区地球化学勘查新方法、新技术的用武之地,在全国新一轮找矿突破战略行动中,无疑将是不可或缺的重要创新驱动力之一。

相信通过一代又一代勘查地球化学工作者的努力,矿产勘查地球化学基础理论和方法技术研究的持续进步,地球化学勘查技术的探测深度将持续加大,探测精度持续提高,不同方法的有效组合和数据综合分析与解释能力持续加强,采样、分析流程更加简化,更加高效、经济地开展覆盖区找矿工作将指日可待。