唐世新, 馬生明, 胡樹起

(1.自然資源部地球化學探測重點實驗室，廊坊 065000；2.中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000)

0 引言

當前，世界處于百年未有之大變局，國際貿(mào)易爭端跌宕起伏，逐漸由經(jīng)濟領域擴展到高科技領域，并蔓延至礦產(chǎn)資源領域[1]。礦產(chǎn)資源是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，社會生產(chǎn)和科學技術的迅猛發(fā)展，加速了對礦產(chǎn)資源的勘查、開發(fā)和利用程度。我國已經(jīng)成為全球礦產(chǎn)資源生產(chǎn)大國和消費大國，供需矛盾尤為突出。隨著我國經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，大部分近地表礦產(chǎn)資源已被發(fā)現(xiàn)并開發(fā)，無論是礦業(yè)界、高校，還是科研機構(gòu)，已經(jīng)達成共識，未來要發(fā)現(xiàn)更多的礦床，保障人類對資源的需求，必須突破覆蓋區(qū)，走向深部。

實踐證明，勘查地球化學方法在基礎地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源普查、詳查以及深部礦產(chǎn)勘查等各個階段均發(fā)揮著不可或缺的作用，是解決礦產(chǎn)資源勘查實際問題的有效手段和依據(jù)，這是由地球化學勘查微觀、定量、直接和多信息的技術特點和優(yōu)勢決定的[2]。然而，隨著地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)勘查程度的逐步深入，找礦目標體從淺表轉(zhuǎn)向覆蓋區(qū)，研發(fā)能夠穿透蓋層提取深部成礦信息的地球化學勘查方法迫在眉睫。為了滿足覆蓋區(qū)找礦需求，勘查地球化學界一直以來不斷開展非常規(guī)的地球化學方法研究示范與應用，從采樣介質(zhì)、樣品處理與測試、數(shù)據(jù)分析、異常解譯等方面進行大量創(chuàng)新，如地電化學法、地氣法、酶提取法、金屬元素活動態(tài)提取法、土壤細粒級測量以及熱磁組分測量等勘查方法[2]。特別是近十五年，這些非常規(guī)地球化學勘查方法，在基礎理論研究、方法技術標準化、示范應用推廣等方面，都得到了進一步發(fā)展。本文在介紹納米地球化學研究進展基礎上，圍繞土壤活動態(tài)及細粒級土壤全量測量、地電化學、熱磁組分測量以及淺鉆地球化學勘查方法技術，總結(jié)了近十五年來我國覆蓋區(qū)礦產(chǎn)資源地球化學勘查方法研究進展，提出了未來發(fā)展方向。

1 納米地球化學

近年來，納米地球化學受到越來越多地球化學家的關注，已然發(fā)展成一個具有潛在生命力的研究領域[3]。我國高校和科研院所針對覆蓋區(qū)地表介質(zhì)中納米顆粒的采集觀測和遷移機理開展了大量研究，取得了重要進展。

1.1 納米顆粒采集與觀測

開展納米地球化學研究，首先需要通過特定裝置和方法采集納米顆粒，為此各科研團隊對納米顆粒采集裝置進行了研發(fā)，并針對氣體、固體不同介質(zhì)制定了差異化的采集方法[3]。地氣中納米金屬微粒的采集方式分為主動抽氣取樣法和被動累積取樣法，中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所(簡稱“物化探所”)王學求研究團隊和中國地質(zhì)大學(北京)葉榮研究團隊[3-8]主要使用主動抽氣法采集地氣中納米金屬顆粒，中山大學曹建勁[9-11]研究團隊則使用被動累積法進行取樣。采集固體樣品中的納米金屬微粒，則需借助電磁振蕩微米篩，使400目以下樣品中納米金屬微粒向空氣中分散，再利用捕集裝置將納米金屬微粒卸載到捕集鍺網(wǎng)上。

2011年王學求研究團隊[12]首次在河南南陽盆地400 m深隱伏礦上方土壤觀測到成礦元素銅的納米微粒以及銅-鐵、銅-銀、銅-鉻、銅-鎳、銅-鈦等復合金屬納米微粒，并證實這些納米金屬顆粒是內(nèi)生條件下的產(chǎn)物，該發(fā)現(xiàn)不僅實證了深穿透地球化學具有堅實的理論基礎，而且為采集土壤以捕獲其中微粒物質(zhì)指導覆蓋區(qū)找礦提供了可能。葉榮等[13]通過觀測對比淺覆蓋蝕變巖型金礦和厚覆蓋巖漿熱液型銅鎳礦兩種不同覆蓋深度、不同成因類型的礦床上方土壤顆粒中納米金屬顆粒發(fā)現(xiàn)，兩種納米顆粒在粒徑大小、形態(tài)、微粒連接和簇聚關系、元素組合性質(zhì)以及內(nèi)部有序結(jié)構(gòu)等方面十分相似，都高度繼承源區(qū)特征，進一步證實了金屬納米顆粒是元素的穩(wěn)定存在形式。

1.2 遷移機理

納米金屬微粒是如何從深部礦體到達地表的，是勘查地球化學家需要回答的重大科學問題，自從在地表介質(zhì)中觀測到含成礦元素的納米金屬微粒以來，微粒遷移機理研究就從未停止。相較于上升氣流，含成礦元素的微粒物質(zhì)密度較大，上升氣流攜帶微粒很難克服重力遷移到地表。曹建勁研究團隊[10]選擇十幾個隱伏金屬礦床，研究了上升氣流微粒特征、形成及遷移機理，認為成礦期后與隱伏礦體有關微粒主要形成于斷層作用、氧化作用和生物作用，由于地殼內(nèi)部和地表存在溫差，從而可以吸附到微氣泡或本身以類氣相形式呈“布朗運動”快速上升，這為含成礦元素納米金屬微粒遷移到達地表提供了合理解釋[11, 14-15]。

王學求等[16]在礦區(qū)土壤和礦石中發(fā)現(xiàn)大量的納米金屬微粒，這些微粒擁有良好的六邊形晶型，還與礦種有密切關系，例如含金的微粒主要與金礦床，含銅、鎳的微粒則主要與銅鎳礦有關。研究認為，這些微粒是在成礦過程中或者礦物風化過程中產(chǎn)生的，與CO2、SO2等氣體結(jié)合后，穿透覆蓋層遷移至地表，一部分繼續(xù)保留在氣體中，還有一部分則被土壤中的粘土、膠體等吸附捕獲，此外，納米微粒具有易分散性質(zhì)，自身也可以發(fā)生垂向遷移至地表，被植物吸收(圖1)[5]。

圖1 地氣流攜帶納米金屬顆粒遷移模型[4]Fig.1 Transport model of metal nanoparticles carried by ground airflow

2 土壤活動態(tài)及細粒級土壤全量測量技術

由于地表蓋層的影響，常規(guī)土壤全量測量獲得的地球化學異常非常微弱，很難滿足覆蓋區(qū)找礦勘查的需求。研究發(fā)現(xiàn)，吸附態(tài)和離子可交換態(tài)等活動態(tài)形式是成礦指示元素在土壤中賦存的主要形式之一，王學求[3]研究團隊認為通過提取、測試土壤中的活動態(tài)金屬能夠達到探測蓋層以下隱伏礦的目的。白金峰等[17]對智利 Spence 隱伏斑巖銅礦床的活動態(tài)提取試驗結(jié)果表明，已知礦上方水提取相和吸附相有明顯的礦致異常顯示，同時研究認為在分相合理性、相態(tài)提取流程和分析方法等方面仍有許多工作要做。

由于蘊含豐富成礦信息的活動態(tài)金屬更多地存在于土壤細粒級(粒徑<75 μm)，因此土壤細粒級全量測量同樣可以用于隱伏礦勘查，相較于活動態(tài)提取具有經(jīng)濟、快速、便于操作的優(yōu)勢。王學求等[4]在干旱荒漠區(qū)金窩子金礦開展土壤細粒級測量試驗，通過分析基巖接觸層2.0 m～3.0 m、1.0 m～2.0 m、0.3 m～1.0 m以及0.1 m～0.3 m等5個層位成礦元素Au的三維空間分布，發(fā)現(xiàn)Au元素在深部礦體賦存部位均有明顯的異常顯示，呈現(xiàn)出頂?shù)装瀹惓姸雀?、中間層位異常強度相對較弱的特點，盡管這種特征是受地球化學景觀條件影響，但毫無疑問，細粒級土壤測量可以作為干旱荒漠景觀區(qū)探測隱伏礦體的有效技術手段。劉漢糧等[18]在甘肅柳園花牛山礦區(qū)開展了采樣密度和采樣時間的對比分析試驗，結(jié)果認為土壤細粒級測量具有較好的異常重現(xiàn)性，奠定了該方法的實用基礎。

3 地電化學技術

地電化學技術是指利用外加電場提取與成礦有關的活動態(tài)金屬離子，通過分析研究元素組合、分布和異常特征達到找礦目的一種非常規(guī)地球化學勘查方法[19-21]。自上世紀80年代開始，我國勘查地球化學家針對該方法開展了大量試驗研究。近十五年來，隨著偶極地電提取方法、低電壓偶極地電提取裝置及具有時間控制功能的固體載體型元素提取器等專利技術的授權，以及《地電化學測量技術規(guī)程(征求意見稿)》的編寫完成，地電化學技術進入到技術方法規(guī)范化階段[22-23]。

以桂林理工大學和物化探所為代表的高校和科研院所，先后在我國高寒山區(qū)、高山峽谷區(qū)、中低山區(qū)、巖溶區(qū)、干旱與半干旱風成砂區(qū)開展大量試驗研究，證實地電化學技術在典型礦區(qū)能夠取得了良好找礦效果。羅先熔[20]研究團隊在金川銅鎳礦區(qū)應用地電化學技術取得找礦突破，獲取礦石資源儲量上千萬噸，經(jīng)濟效益顯著。在內(nèi)蒙洛恪頓礦區(qū)，孫彬彬等[19]通過1:50 000地電化學測量圈出了地球化學異常，配合激電中梯掃面，經(jīng)鉆探工程驗證深部存在厚大隱伏銀、銅富礦體，實現(xiàn)找礦新發(fā)現(xiàn)。

目前，各研究團隊對地電化學異常的形成機理尚有不同認識。孫彬彬等[19]認為地電化學技術獲得的地球化學異常主要是由于土壤中存在具有電活動性的納微米級細粒粘土礦物顆粒所引起；羅先熔研究團隊[20]認為礦體、圍巖及地表存在離子動態(tài)平衡，當施加人工電場作用，打破局部平衡，離子會逐級向上補充，直至深部礦體；熊長林等[24]認為異常來源于電極周圍土壤及礦物中元素異常，并與元素的化學形態(tài)有關。異常來源認識不統(tǒng)一，在一定程度上將影響地電化學技術的推廣應用。

4 熱磁組分測量技術

在土壤物質(zhì)組成成分中，普遍存在著一種與各種類型的成礦元素關系密切的非晶質(zhì)鐵錳(氫)氧化物物質(zhì)，(前)蘇聯(lián)A.H.波戈留波夫等[25]在上世紀70年代嘗試將這種非晶質(zhì)鐵錳(氫)氧化物作為采樣對象，稱之為熱磁組分測量技術，并將其應用于常規(guī)地球化學勘查方法效果不佳的覆蓋區(qū)隱伏礦勘查。

胡樹起等[25-28]引進熱磁組分測量技術，提出了熱磁組分的提取方法及熱、電控制參數(shù)，研發(fā)了第一代熱磁組分提取裝備，并在河北蔡家營鉛鋅礦殘坡積物和風成砂土覆蓋地區(qū)布設2條剖面開展方法有效性試驗，初步結(jié)果顯示，熱磁組分測量具有發(fā)現(xiàn)覆蓋層下礦化信息的較強能力。尤其是在風成砂土覆蓋的剖面上(圖2)，常規(guī)土壤測量 Pb、Zn、Ag、As、Sb、Cd 等基本沒有異常顯示或異常很弱，土壤熱磁組分測量在覆蓋層下深部礦體產(chǎn)出部位成礦指示元素異常顯著，異常地段與礦體空間位置具有很好的對應關系，而且礦體埋藏較淺的部位異常強度高，礦體埋藏深的部位異常弱但仍然明顯，反映出土壤熱磁組分測量具有發(fā)現(xiàn)風成砂土覆蓋層下礦化信息的較強能力。

圖2 蔡家營風成砂覆蓋區(qū)熱磁組分測量有效性試驗剖面[27]Fig.2 Experimental section of thermal magnetic component measurement in Caijiaying aeolian sand-covered area[27](a)Pb;(b)As;(c)Zn;(d)Sb;(e)Ag;(f)Cd

2011年～2018年，在地質(zhì)調(diào)查項目與科研項目的持續(xù)資助下，物化探所研發(fā)了第二代熱磁組分自動化提取裝備，滿足了樣品批量處理的要求，并先后在草原干旱-半干旱景觀區(qū)、干旱荒漠景觀區(qū)、高寒山區(qū)、森林沼澤區(qū)、沖積平原區(qū)等不同景觀區(qū)，進一步開展了大量的熱磁組分測量技術試驗研究工作，涉及熱液型銅多金屬和鉛鋅銀多金屬礦、蝕變巖型金礦和銅鎳硫化物礦等礦床類型[29-34]。試驗結(jié)果表明，熱磁組分測量技術具有強化弱異常的優(yōu)勢，能夠發(fā)現(xiàn)運積物蓋層中蘊藏的深部微弱礦化信息。至關重要的是，熱磁組分測量技術獲得的礦致異常重現(xiàn)性很好，這為方法技術的示范應用奠定了基礎。在前期大量方法試驗的基礎上，馬生明等[35]嘗試將熱磁組分測量技術應用于內(nèi)蒙古黑鷹山地區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查，這也是該方法首次大范圍應用在生產(chǎn)調(diào)查工作中。在常規(guī)土壤測量無異常顯示地段，利用熱磁組分測量技術發(fā)現(xiàn)典型砂巖型鈾礦元素組合地球化學異常，后經(jīng)槽探工程揭露，發(fā)現(xiàn)蓋層下方存在砂巖型鈾礦化體，實證了熱磁組分測量技術的有效性與實用性。

5 淺鉆地球化學測量

淺鉆地球化學測量是指在淺覆蓋區(qū)應用機動淺鉆以基巖之上風化殘留疏松物(或基巖)為采樣介質(zhì)的地球化學勘查工作。該方法穿過外來物蓋層，直接針對殘積層進行定量分析研究，不僅能反映真實的下伏基巖地球化學信息，還能快速系統(tǒng)采樣開展元素表生活動性研究，而且能盡量減少對植被的破壞，降低對環(huán)境的影響，是貫徹綠色勘查理念的直接體現(xiàn)，是貫徹落實習近平生態(tài)文明思想的重要舉措[36]。2008年起，隨著“應用機動淺鉆的地球化學勘查方法技術研究”、“長江中下游淺覆蓋1∶250 000基礎地質(zhì)調(diào)查修測”等地質(zhì)調(diào)查項目的啟動實施，先后在內(nèi)蒙古東部、安徽廬樅盆地、新疆哈密東天山等不同景觀條件的淺覆蓋區(qū)(50 m以淺)，開展不同勘查階段的淺鉆地球化學測量方法試驗研究，證實該方法在追蹤定位礦化體、淺覆蓋區(qū)資源潛力地球化學定量預測評價及地質(zhì)地球化學立體填圖等方面具有應用前景[37-40]。特別是內(nèi)蒙古花敖包特銀鉛鋅礦床外圍銀多金屬礦體的發(fā)現(xiàn)，印證了淺鉆地球化學測量在覆蓋區(qū)地球化學勘查中的可行性和實效性。

2013年，物化探所針對不同景觀、不同覆蓋類型制定了機動淺鉆選型和配套鉆進取樣工藝，確定了采樣目的層的判(識)別方法、采樣介質(zhì)和采樣方法，提出了淺鉆地球化學技術操作規(guī)程(初稿)[39]。隨后，北京探礦工程研究所和物化探所聯(lián)合起草《淺層取樣鉆探技術規(guī)程》，目前該技術規(guī)程已作為行業(yè)標準被自然資源部正式發(fā)布，為綠色勘查提供了技術支撐。盡管如此，由于淺鉆鉆探技術的全面性和成熟性仍有欠缺，輕便性和經(jīng)濟性也有待進一步提高，在一定程度上也限制了淺鉆地球化學測量方法的廣泛應用。

6 結(jié)論

覆蓋區(qū)找礦一直是勘查界公認的難點，也是勘查地球化學領域長期以來研究的熱點。特別是近十五年來，地表介質(zhì)中金屬納米顆粒的發(fā)現(xiàn)為覆蓋區(qū)化探找礦提供了直接的微觀證據(jù)，細粒級土壤全量測量、地電化學、熱磁組分測量等技術的發(fā)展和應用為覆蓋區(qū)找礦提供了有效手段。淺鉆地球化學測量能真實反映蓋層下伏基巖地球化學信息，但受限于淺鉆鉆探工程的輕便性與經(jīng)濟性，在實際找礦勘查中尚未得到廣泛應用。在未來很長一段時間內(nèi)，成礦物質(zhì)從深部到淺部的遷移機理以及在地表介質(zhì)中的賦存形態(tài)將仍是需要地球化學家進一步研究的課題，淺鉆施工采用的鉆探機具及配套工藝也還有待改進完善。