柯丹，吳國東，劉洪軍

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團鈾資源勘查與評價技術(shù)重點實驗室，北京100029）

鈾礦勘查深穿透地球化學方法及其研究進展

柯丹，吳國東，劉洪軍

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團鈾資源勘查與評價技術(shù)重點實驗室，北京100029）

介紹了金屬活動態(tài)提取、地電化學提取和地氣測量等目前常用的深穿透地球化學方法發(fā)展歷程及其在鈾礦勘查中的研究進展和應(yīng)用現(xiàn)狀。隨著我國鈾礦資源勘查工作的不斷深入，地表出露和埋深較淺的鈾礦床大多已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，尋找深部隱伏鈾礦已經(jīng)成為鈾礦地質(zhì)工作者面臨的重要課題，我國鈾礦地質(zhì)工作已經(jīng)全面進入了“攻深找盲”階段，深穿透地球化學方法必然會發(fā)揮更加重要的作用。

鈾礦；深穿透；地球化學；隱伏礦產(chǎn)

“深穿透地球化學”的概念最早是在1997年由Cameron作為尋找深部隱伏礦產(chǎn)而出現(xiàn)的多種地球化學方法的統(tǒng)稱而提出的［1］。這些方法主要包括前蘇聯(lián)學者Ryss等［2］提出的地電化學方法、瑞典學者Kristiansson等［3］提出的地氣測量方法、美國學者Clark等［4］提出的酶提取方法、澳大利亞學者Mann等［5］提出的活動金屬離子法，以及謝學錦院士、王學求提出的金屬元素活動態(tài)法［6，7］和動態(tài)地球氣納微金屬測量法［8，9］。經(jīng)過多年大量的試驗和應(yīng)用，深穿透地球化學方法已經(jīng)逐漸走向成熟，并在隱伏礦產(chǎn)勘查中開始發(fā)揮作用。

我國鈾礦勘查工作已經(jīng)進入了“攻深找盲”階段［10］。針對深部隱伏鈾礦的勘查，在借助于地球物理方法尋找深部有利成礦空間的同時，還要通過其他手段來直接捕獲與深部鈾礦體有關(guān)的“直接信息”，從而實現(xiàn)對深部鈾礦體的準確定位。由于隱伏鈾礦埋藏深、覆蓋厚，在地表顯示出來的各種與深部鈾礦密切相關(guān)的“直接信息”十分微弱，導(dǎo)致常規(guī)化探方法對這種微弱信息的識別能力較為有限。深穿透地球化學方法的出現(xiàn)和成功應(yīng)用，為隱伏鈾礦勘查提供了新的技術(shù)手段。

1 深穿透地球化學遷移機制

自深穿透地球化學方法被提出以來，元素由深部向地表的遷移機制一直是勘查地球化學界研究和爭論的重要問題。Kristiansson、Hamilton和Cameron等［3，11-13］先后提出了地氣流遷移模式、還原囪模式、地震泵和冬季呼氣模式等遷移機制。2004年，Garnett［14］提出了雷暴電池模式和陸上潮汐模式。

王學求認為［15］，深穿透地球化學異常的形成是包括地下水循環(huán)、離子擴散、氧化還原電位梯度、蒸發(fā)作用、植物作用和地氣流等多種營力接力遷移的結(jié)果。

對于鈾礦的遷移機制研究，近年的主要進展在于發(fā)現(xiàn)鈾在氧化條件下可以長距離遷移到地表并被粘土所吸附［16］。

Kang等［17，18］模擬了不同地下水生環(huán)境條件下鈾的存在形態(tài)，認為鈾在水溶液中既能以［UO2（SO4）2］2-、［UO2（CO3）3］4-等絡(luò)陰離子存在，也能以UO22＋、［UO2OH］＋等絡(luò)陽離子存在，為采用地電化學方法進行鈾礦化信息提取提供了理論依據(jù)。

總之，經(jīng)過多年研究，在元素遷移機制方面已經(jīng)取得了較多研究成果，為進一步開展深穿透地球化學研究奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。

2 金屬活動態(tài)提取技術(shù)

2.1 發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

金屬活動態(tài)提?。↙eaching of Mobile Forms of Metals in Overburden，簡稱為MOMEO）是由謝學錦院士等［6，7，19］于20世紀90年代提出的。該方法能夠使載體中以水溶態(tài)、有機結(jié)合態(tài)、粘土吸附態(tài)和鐵錳氧化物態(tài)等活動態(tài)形式的金屬元素全部進入到提取液中。

金屬活動態(tài)提取技術(shù)探測深度達數(shù)百米，能捕獲來自隱伏礦體的直接信息，可以較好地反映“礦致”異常。與傳統(tǒng)提取方法相比，金屬活動態(tài)提取技術(shù)能夠?qū)⒏鞣N金屬活動態(tài)分別提取出來，因此可以根據(jù)不同的景觀條件選擇最佳的提取相態(tài)［19］。

2004年，尹金雙等［20］在金屬活動態(tài)提取技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對砂巖型鈾礦勘查提出了分量化探方法。該方法通過采用對U、Th和Mo等元素具有較好提取效果的專屬提取劑對土壤中活動態(tài)元素進行一步提取，來實現(xiàn)探測深部隱伏鈾礦的目的。

2.2 在鈾礦勘查中的應(yīng)用

近年來，金屬活動態(tài)提取技術(shù)在鈾礦勘查中得到了較多的應(yīng)用，并取得了明顯的找礦效果。

張守本［21］采用金屬活動態(tài)提取方法中的相量化探-腐殖酸法在新疆、河北等地鈾礦床上開展了應(yīng)用試驗，找礦效果明顯。

王光輝等［22］在伊犁盆地砂巖型鈾礦區(qū)開展了金屬活動態(tài)方法應(yīng)用研究，認為鈾礦化往往伴隨著元素活動態(tài)異常，與總量異常并沒有直接關(guān)系。

郭華等［23］在古寧渾迪地區(qū)開展的金屬活動態(tài)測量結(jié)果表明，U、Mo和Se元素活動態(tài)探測結(jié)果與鉆探結(jié)果吻合較好，絕大多數(shù)U分量異常能有效指示深部鈾礦化的存在。

尹金雙等［20］先后在兩個已知砂巖型鈾礦床和多片未知區(qū)，開展了分量化探方法試驗和應(yīng)用，取得了較好的找礦效果。

葉慶森等［24］在鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦上的試驗結(jié)果表明，在礦體上方都有U元素活動態(tài)異常出現(xiàn)，特別是粘土吸附態(tài)U含量級別高、異常襯度大。

王學求等［25，26］在東天山15萬km2的研究區(qū)內(nèi)開展的超低密度深穿透地球化學調(diào)查結(jié)果表明，距地表20～40 cm的弱膠結(jié)層是最佳的采樣介質(zhì)，在此層中活動態(tài)U占總量的40%～60%，并基于活動態(tài)異常圈定了鈾成礦有利區(qū)。

姚文生等［27］在鄂爾多斯盆地開展了元素活動態(tài)方法研究，針對鈾礦勘查自主研制了MML-U型專屬提取劑，建立了專屬性活動態(tài)提取技術(shù)，并在深部鈾礦體上方土壤中提取到了明顯的U元素異常。

沈光銀等［28］在大官廠鈾鉬礦區(qū)開展的氡氣和金屬活動態(tài)測量方法試驗，證實了在隱伏鈾鉬礦體上方存在明顯的氡氣和鈾鉬活動態(tài)疊合異常。在該區(qū)的找礦預(yù)測中，經(jīng)鉆探發(fā)現(xiàn)了位于疊合異常內(nèi)的隱伏鈾鉬礦體。

3 地電化學測量

3.1 發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

地電化學測量方法，又稱部分提取金屬法（CHIM）是由前蘇聯(lián)學者Ryss和Goldberg等［2］于20世紀70年代提出的，它利用人工電場將土壤中呈活動態(tài)的帶電金屬離子富集在電極上，從而實現(xiàn)尋找深部隱伏礦產(chǎn)的目的。20世紀80年代，前蘇聯(lián)學者在對覆蓋區(qū)礦體上方的上置暈進行研究時，聲稱地電化學方法可在不同景觀條件下發(fā)現(xiàn)埋深大于500 m的隱伏礦體［29］。20世紀90年代初，Ryss通過講學等方式向西方勘查地球化學界介紹了地電化學方法，引起了西方學者們的注意和重視［30］。20世紀90年代末，西方國家對地電化學方法的成暈機制進行了深入研究，如隱伏礦體離子的遷移方式、遷移速度以及離子在地表的形成模式等，此外在技術(shù)改進方面也取得了很大進步［2，31］。

地電化學提取作為深穿透地球化學方法的重要組成部分，在國內(nèi)外找礦試驗以及找礦應(yīng)用中得到了較好驗證，能夠準確地預(yù)測和定位隱伏金屬礦床［32］。

我國學者徐邦梁等［33］在20世紀70年代中后期獨立發(fā)展了地電化學提取法。此后我國許多學者都相繼開展過該方法的研究工作，并有許多專著和文章發(fā)表［34～42］。羅先熔［34］從20世紀80年代中期開始在國內(nèi)開展了大量的地電化學方法應(yīng)用和研究工作，對不同埋深、不同礦種和不同礦床類型的典型礦床（體）開展了大量的可行性試驗研究。結(jié)果表明，在多種礦床上方，幾乎都能測到清晰的地電化學異常。劉吉敏、劉占元等［35］在20世紀90年代針對地電化學方法開展了很多試驗和研究工作，證實了在銅鎳礦和金礦上，均有較好的地電提取異常顯示。李金銘等［36］認為在地電提取法測量中，供電電極附近所吸附的離子，是經(jīng)過漫長年代在各種地質(zhì)營力的作用下由地下深部運移到近地表的。

1986年，核工業(yè)部240所的高云龍等［37］開展了鈾礦地電提取模擬實驗。在鈾礦體正上方土壤中測得了鈾含量高值，表明鈾離子在外加人工電場作用下能夠被元素提取器吸附。

在地電化學提取裝置方面，前蘇聯(lián)及西方國家主要采用的是裝有酸性溶液的離子提取器和大電流供電的濃縮法；而我國學者從前期的采用蘇聯(lián)模式到后來發(fā)展為使用碳棒作為提取電極和小電流供電的電解法。

20世紀70年代，前蘇聯(lián)研制了用于地電提取的大功率CHIM-10型車載工作站。該工作站最大輸出電流為20A，各分道輸出最大電流為600 mA，一次可以同時完成28個測點的地電提取。我國科研及生產(chǎn)單位自20世紀80年代中期開始引進地電化學提取技術(shù)，并將其發(fā)展為高電壓、低電流和長時間的激發(fā)方式，形成了一套適合野外快速提取理論和野外工作技術(shù)。1986年，高云龍借鑒CHIM-10型工作站研制了地電化學找礦提取裝置，并取得了實用新型專利［37］。1988年，地質(zhì)礦產(chǎn)部地質(zhì)經(jīng)濟技術(shù)研究中心的魯光宇等研制出了輕便型地電化學探測儀［38］，采用的是小型汽油發(fā)電機組供電，相對于前蘇聯(lián)及高云龍研制的采樣裝置更為輕便。2004年，廊坊物化探所劉占元和程志中［39］開發(fā)出了一種結(jié)構(gòu)簡單、功能實用的固體載體型元素提取器，能夠大大提高地電化學野外采樣的工作效率。2009年，孫彬彬和劉占元［40］在2004年研制的固體載體元素提取器的基礎(chǔ)上，研制出了一種具有時間控制功能的固體載體元素提取器，能夠保證各測點提取時間的一致性。2015年，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院柯丹等［41］研制了具有恒定輸出功能的便攜式地電化學提取器，能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)節(jié)的恒壓和恒流輸出、定時和實時顯示等功能，可以保證多種提取條件的一致性。

單點獨立供電偶極子地電化學采集技術(shù)，具有提取設(shè)備輕便、實用性強等特點，有效克服了傳統(tǒng)地電化學測量設(shè)備笨重、可操作性差的問題。

3.2 在鈾礦勘查中的應(yīng)用

“十五”期間，核工業(yè)230研究所開展了地電化學方法研究，主要針對砂巖型鈾礦開展了地電提取液及提取材料方面的試驗工作，并在北方砂巖型鈾礦勘查中取得較好的效果［42］。

金和海等［43］在江西盛源盆地火山巖型鈾礦床上方提取到了明顯的地電化學U和Mo異常，表明地電化學方法對探測深部鈾礦化信息方面具有較好的效果。

柯丹等［44］在江西相山鈾礦田已知火山巖型礦體上方開展了地電化學法可行性試驗，結(jié)果表明已知礦體上方均顯示出了清晰的地電化學提取U、Mo等元素異常。

侯冬梅等［45］在我國江西省樂安縣湖溪某火山巖型和澳大利亞Four Mile East某砂巖型鈾礦開展了以地電化學提取測量為主、土壤離子電導(dǎo)率測量為輔的隱伏鈾礦找礦工作，發(fā)現(xiàn)在電導(dǎo)率高峰值夾持的異常地帶存在成礦元素U、Th、Mo及多金屬元素地電提取異常。在Four Mile East砂巖型鈾礦區(qū)，地電提取和土壤測量的U、Mo和V元素異常吻合，在土壤異常較弱的地方，地電提取異常相對明顯。

李世鑄等［46］在江西相山開展了地電化學方法應(yīng)用研究，在隱伏鈾鉛鋅多金屬礦體上方能夠清晰地顯示地電提取異常，表明地電提取方法在尋找火山巖型隱伏鈾鉛鋅多金屬礦床是有效的。

柯丹等［47］在二連盆地巴彥烏拉和鄂爾多斯盆地大營砂巖型鈾礦區(qū)分別開展了地電化學方法的應(yīng)用試驗，結(jié)果表明，在鈾礦體上方地電提取U和V等元素表現(xiàn)為跳躍的高值異常，能夠指示深部隱伏砂巖型鈾礦化信息。

4 地氣測量

4.1 發(fā)展及研究現(xiàn)狀

“地氣”的概念是由瑞典勘查地球化學家Kristiansson和Malmqvist在1982年提出的［3］。

20世紀80年代，地氣測量方法傳入中國，童純菡［48］對該方法在機理與測量方法兩方面進行了深入研究，提出并證實了地氣是以納米微粒的形式進行遷移的。

地氣測量找礦的機理是［49］：地球內(nèi)部存在著垂直運移的上升氣流，當它流經(jīng)礦體或巖層時，將其中元素的納米微粒攜帶并遷移至地表，從而在礦體上方形成了成礦元素、伴生元素的地氣異常。

王學求［9］將地氣測量稱為地球氣中的納米微粒金屬測量（Nanoscale Metals in Earthgas，簡稱為NAMEG）。任天祥等［50］則將地氣測量稱作為“地氣中納米物質(zhì)的測量”。

1994至1998年間，周四春等［51～53］進行了一系列上升氣流模型實驗和礦區(qū)實測實驗，證實了在上升氣流作用下，礦（巖）體中的多種元素，如Au、Fe、Zn、As、Co和稀土元素等，都會從礦（巖）體中遷移出來。這種元素遷移是垂向的，遠大于擴散作用，遷移的地氣物質(zhì)主要以納米微粒的形式存在［50，54］。

王學求等［55］在礦體上方的氣、固相地氣采樣介質(zhì)上觀察到礦體元素的納米微粒。劉曉輝等［56］通過元素遷移模型實驗進一步證實，即使是密封于結(jié)構(gòu)致密的人工玻璃固化物中的元素，在上升氣流作用下也會以納米微粒的形式遷移出來。以上研究為地氣法的應(yīng)用提供了基本的理論支持。

王學求等［57～59］在20世紀90年代開始進行捕獲地球氣中金屬的動態(tài)采樣試驗，試驗結(jié)果表明：礦體上方的氣體中有明顯異常Au元素的存在。

伍宗華［60］采用地氣中氣溶膠測量方法來尋找隱伏礦床和研究深部構(gòu)造地質(zhì)。通過研究地氣氣溶膠的組分、元素的賦存狀態(tài)及遷移特性，認為從深部不斷上升的氣體攜帶地氣溶膠以緩慢的速度到達地表，停留在土壤氣體中或停滯在土壤顆粒上，甚至進入大氣，經(jīng)過長時間的累積，在礦床上方便形成了地氣溶膠分散暈。

經(jīng)過多年的研究，地氣測量方法的很多理論與技術(shù)問題已經(jīng)得到地學界的共識：地氣中的物質(zhì)是以納米形式被上升氣流攜帶從深部遷移到地表的，且地氣以垂向遷移為主。

王學求等［57］使用特殊負載的聚氨脂泡沫塑料作為地氣捕集介質(zhì)。用抽氣泵進行勻速抽氣采樣，采集時間只要五分鐘左右。

周四春等［51］在前人研究的基礎(chǔ)上，對地氣樣品采集方法進行了改進，采用快速抽氣采樣法進行樣品采集，應(yīng)用地氣測量方法對隱伏鈾礦、鉛鋅礦和鋅銅礦進行勘查研究。目前，隨著地氣測量技術(shù)的不斷提高，這種方法逐漸應(yīng)用于深部找礦。

雖然地氣測量技術(shù)已經(jīng)取得了較大的突破，但其費用比較昂貴，不宜進行大面積勘查。

4.2 在鈾礦勘查中的應(yīng)用

劉曉輝等［56］針對品位偏低的鈾礦體對地氣中U濃度貢獻有限而導(dǎo)致地氣中U濃度極低的情況，采用雙捕集器串聯(lián)進行地氣采樣，進一步改善了動態(tài)地氣測量的找礦效果。

周四春等［52］在廣東長排鈾礦田開展了地氣測量方法研究，認為地氣中元素組合關(guān)系與礦石中元素組合關(guān)系基本一致，即隱伏鈾礦體上方會呈現(xiàn)明顯的地氣鈾、伴生元素以及稀土元素異常。地氣測得的U異常中心與隱伏鈾礦體中心比較吻合，可以為鉆孔布設(shè)提供指導(dǎo)。

韓紹陽、談成龍等［61］在鄂爾多斯盆地東勝地區(qū)開展了地氣測量方法試驗，在隱伏鈾礦上方發(fā)現(xiàn)了明顯的地氣鈾元素異常。此外，在內(nèi)蒙古賽漢塔拉地區(qū)圈定了多處地氣異常，后經(jīng)鉆探工程驗證發(fā)現(xiàn)了鈾礦體，表明地氣測量方法用于尋找北方砂巖型鈾礦具有較好的實用價值。

趙峰等［62］在粵北某花崗巖鈾礦勘查區(qū)開展了地氣測量探測隱伏鈾礦的試驗研究。研究結(jié)果表明，U、Mn、Sr和Zn等元素地氣異常在礦體上方或礦體邊緣位置有不同程度的顯示。

周四春等［63］在粵北諸廣山巖體隱伏鈾礦床上的地氣測量應(yīng)用試驗結(jié)果表明，在兩個不同埋深的鈾礦體正上方均捕獲到明顯的地氣異常，地氣測量呈現(xiàn)異常的除了目標元素U外，還有稀土、Cd、Mn、Pb和Zn等元素。表明利用地氣測量勘查埋深達600 m的隱伏花崗巖鈾礦是可行的。

5 結(jié)語

1）隨著我國鈾礦勘查工作對“攻深找盲”的需求不斷加大，深穿透地球化學方法將會在隱伏鈾礦勘查中發(fā)揮越來越重要的作用。

2）先進的分析測試技術(shù)和設(shè)備為深穿透地球化學方法的研究與應(yīng)用提供了強有力的技術(shù)支撐，但由于所探測的隱伏鈾礦化信息十分微弱，更易受到諸如采樣介質(zhì)和地球化學景觀等因素的影響，因此需要將深入研究如何從“背景噪音”中提取出與深部礦化密切相關(guān)的“微弱信號”，從而突出來自于深部隱伏礦產(chǎn)的信息。

3）深穿透地球化學方法分支較多，所適用的條件各不相同，應(yīng)該根據(jù)研究區(qū)的實際地質(zhì)情況、礦體類型和埋藏深度來選擇適宜的方法，必要時要開展方法的條件和應(yīng)用試驗以確定方法的適用性與采集方案。

4）目前大多數(shù)深穿透地球化學方法在樣品的分析技術(shù)和采集參數(shù)方面沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范或標準，特別是有些技術(shù)還涉及到知識產(chǎn)權(quán)保護等問題，對方法的推廣和廣泛應(yīng)用形成了一定的阻礙。

5）雖然深穿透地球化學方法的研究和應(yīng)用取得了諸多進展，但仍然有一些問題尚未解決，如深部元素垂向遷移機制問題。從目前的應(yīng)用情況來看，深穿透地球化學方法能夠探測到深達數(shù)百米的隱伏鈾礦化信息，但對于更深部的鈾礦體（埋深大于700 m），是否仍然適用，值得進一步深入研究。

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The history and advance of deep-penetrating geochemistry in the exploration for uranium resources

KE Dan，WU Guodong，LIU Hongjun

（CNNC Key Laboratory of Uranium Resource Exploration and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

The history and advance of the deep-penetrating geochemistry，especially the MOMOE，electrogeochemistry and geogas measurement in the exploration for uranium resources are elucidated in this paper．With the progress of exploration for uranium resources in China，outcropped or shallowburied deposits are fewer and fewer．Explore the deep-buried deposits become the challenging task for uranium geologists．Therefore，deep-penetrating geochemical methods are doomed to play an important role in the exploration for deep-buried and concealed uranium deposits in China．

uranium deposit；deep-penetrating；geochemistry；concealed orebody

P632

A

1672-0636（2016）03-0160-07

10.3969/j.issn.1672-0636.2016.03.006

2015-11-02

柯丹（1981—），男，安徽懷寧人，高級工程師，主要從事勘查地球化學方法研究。Email:kedan1125@126．com