孫躍,張振宇,馮斌,楊少平,王之峰

(1. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所 自然資源部地球化學(xué)探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 廊坊 065000; 2. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所 聯(lián)合國(guó)教科文組織全球尺度地球化學(xué)國(guó)際研究中心,河北 廊坊 065000)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著社會(huì)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,對(duì)礦產(chǎn)資源的依賴(lài)程度越來(lái)越大,礦產(chǎn)資源安全已經(jīng)成為國(guó)家發(fā)展的根本保障。然而,出露區(qū)經(jīng)歷了人類(lèi)肉眼上千年的找礦歷史和一個(gè)多世紀(jì)的系統(tǒng)地質(zhì)勘查,找到新的礦產(chǎn)地的可能性不斷降低,找礦難度不斷升高。目前,普遍認(rèn)為尋找新的,特別是大型或巨型礦床,最有可能是在隱伏區(qū)和已知礦床的深部。

隱伏區(qū)又稱(chēng)覆蓋區(qū)(covered region)或掩蓋區(qū),通常指第四紀(jì)以前的基巖被第四系松散堆積物廣泛覆蓋的地區(qū),這些覆蓋物主要為沖積、洪積、冰積、風(fēng)積等成因的非本地的外來(lái)堆積物,厚度從幾米到數(shù)千米不等,與下伏基巖沒(méi)有成因聯(lián)系,部分地表還生長(zhǎng)著廣袤的牧草或茂密的森林,找礦難度極大。

在20 世紀(jì)的找礦實(shí)踐中,傳統(tǒng)地球化學(xué)勘查方法取得了令礦產(chǎn)勘查界矚目的重要成就,找到了大量對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大影響的大型以上規(guī)模的礦產(chǎn)資源。面對(duì)新的找礦形勢(shì),實(shí)現(xiàn)21世紀(jì)找礦突破的關(guān)鍵是研發(fā)出適用于尋找覆蓋區(qū)隱伏礦和已知礦區(qū)深部礦的地球化學(xué)勘查技術(shù)。只適用于出露區(qū)找礦的傳統(tǒng)地球化學(xué)勘查方法已不能適應(yīng)新的找礦形勢(shì),急需通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)地球化學(xué)勘查方法的升級(jí)改造或研制新的地球化學(xué)勘查方法技術(shù)予以補(bǔ)充。

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始,中國(guó)地球化學(xué)勘查學(xué)者就開(kāi)始了地電化學(xué)、元素活動(dòng)態(tài)、地氣、土壤微細(xì)粒分離、土壤熱磁組分、綜合氣體測(cè)量等新方法、新技術(shù)在淺覆蓋區(qū)找礦的初步研究。歷經(jīng)30余年,部分肯定了這些方法技術(shù)的找礦有效性,研制出了基于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件下的相關(guān)儀器設(shè)備,為這些方法技術(shù)的成熟奠定了基礎(chǔ)。

1997年國(guó)際合作項(xiàng)目Deep-penetrating Geo-chemistry PhaseⅡ拉開(kāi)了覆蓋區(qū)找礦技術(shù)與方法——深穿透地球化學(xué)礦產(chǎn)勘查研究和應(yīng)用的大幕,國(guó)內(nèi)外多家科研單位參與其中。我國(guó)的謝學(xué)錦院士與加拿大的E.M.Cameron共同提出了深穿透地球化學(xué)(deep-penetrating geochemistry)的概念,討論了近年出現(xiàn)的一些新的能夠有效探索數(shù)百米以下隱伏礦床的方法:地氣(geogas)、酶提取、電地球化學(xué)方法(CHIM)、元素有機(jī)態(tài)法(MRF)、活動(dòng)金屬離子法(MMI)、金屬活動(dòng)態(tài)法(MOMEO)[1]。這次國(guó)際合作發(fā)展了選擇性提取技術(shù)、地電技術(shù)和有機(jī)、無(wú)機(jī)氣體測(cè)量技術(shù),并且提出地震泵、大氣壓泵、冬天呼氣、CO2發(fā)生器等驅(qū)動(dòng)活動(dòng)態(tài)金屬向上遷移的理論,奠定了穿透性地球化學(xué)勘查的基礎(chǔ)。

本文擬從覆蓋區(qū)礦產(chǎn)勘查地球化學(xué)基礎(chǔ)理論和方法技術(shù)研究?jī)蓚€(gè)方面,簡(jiǎn)要綜述2013～2022年期間覆蓋區(qū)礦產(chǎn)勘查地球化學(xué)研究的主要進(jìn)展,以供同行從整體上把握覆蓋區(qū)礦產(chǎn)勘查地球化學(xué)的發(fā)展方向。

1 覆蓋區(qū)元素遷移特征和形成機(jī)理研究

1.1 地表疏松層元素遷移特征

有關(guān)覆蓋層元素遷移機(jī)理的研究,主要在草原覆蓋區(qū)的內(nèi)蒙古東烏旗整裝勘查區(qū)和黃土覆蓋區(qū)的河南省小秦嶺整裝勘查區(qū)多個(gè)礦區(qū)開(kāi)展,獲得了以下發(fā)現(xiàn)。

在多個(gè)礦區(qū)地電化學(xué)樣品中,通過(guò)掃描電鏡(SEM)觀測(cè),發(fā)現(xiàn)地電化學(xué)泡塑樣品中吸附著大量的納微米級(jí)黏土礦物顆粒(成分主要為Fe、Al硅酸鹽礦物);結(jié)合無(wú)電靜態(tài)吸附試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),地電化學(xué)樣品中大多數(shù)微量元素在疏松層中的遷移跟隨土壤中存在的具有電活動(dòng)性和選擇性吸附的納微米級(jí)黏土礦物微粒的遷移而移動(dòng),這些納微米級(jí)黏土礦物微粒具有電活動(dòng)性和選擇吸附性。同時(shí),在隱伏Au礦體上方的地電化學(xué)泡塑樣品中,發(fā)現(xiàn)大量的納米級(jí)Au單質(zhì)顆粒,粒徑從幾十納米至1～2 μm;證明在覆蓋條件下,Au元素的遷移是由納米級(jí)Au單質(zhì)顆粒所引起。這一認(rèn)識(shí)顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)為的元素地電化學(xué)遷移是由“離子”所引起的學(xué)術(shù)觀點(diǎn),解釋了之前許多地電化學(xué)勘查過(guò)程中遇到的諸如異常解釋及重現(xiàn)性等各方面問(wèn)題,也為今后方法技術(shù)的改進(jìn)與完善指明了方向[2]。

黃土覆蓋區(qū)的多個(gè)礦區(qū)中,在礦體上覆的黃土樣品中,利用透射電鏡(TEM)觀測(cè)到了與礦體有關(guān)的微粒物質(zhì),其化學(xué)成分上明顯區(qū)別于背景區(qū)樣品。礦體上方地氣和土壤樣品中觀測(cè)到的微粒物質(zhì)在成分、形態(tài)、粒徑、結(jié)構(gòu)等方面均具有可對(duì)比性;從而揭示出土壤和地氣中觀測(cè)到的金屬微粒在一定程度上可反映其深部礦化源區(qū)性質(zhì);間接說(shuō)明了黃土覆蓋區(qū)地表異常信息從深部向地表遷移的可能途徑以及地表地氣和土壤異常的形成原因[3]。

在不同礦種礦區(qū)采集的熱磁組分研究中,肉眼觀察到土壤熱磁組分以單顆粒的形式存在。在掃描電鏡(SEM)觀測(cè)中,發(fā)現(xiàn)土壤熱磁組分多以更細(xì)小的顆粒集合體形式出現(xiàn);并在熱磁組分微孔隙中發(fā)現(xiàn)了納微米級(jí)金屬顆粒,這些金屬顆粒存在于熱磁組分表面微孔隙之中,其組成主要為成礦元素及成礦伴生元素Au、Zn、W、Ag等[4],為熱磁方法技術(shù)機(jī)理研究提供了微觀證據(jù)。

1.2 覆蓋區(qū)弱異常賦存狀態(tài)和形成機(jī)理

覆蓋區(qū)弱異常賦存狀態(tài)和形成機(jī)理研究工作主要集中在干旱區(qū)和半干旱區(qū)中,對(duì)其他景觀區(qū)研究較少。

1.2.1 半干旱草原區(qū)弱異常賦存狀態(tài)

以?xún)?nèi)蒙古拜仁達(dá)壩銀鉛鋅礦床作為半干旱草原區(qū)的典型代表,以垂直剖面的方式,研究了礦體上覆不同土壤層位中成礦元素的賦存分布特征。

在拜仁達(dá)壩銀鉛鋅礦區(qū),發(fā)現(xiàn)成礦元素Ag、Cu、Pb、Zn及成礦相關(guān)元素在礦區(qū)覆蓋層各個(gè)層位中,幾種相態(tài)的元素含量均高于非礦區(qū)的覆蓋層;成礦元素在覆蓋物中除殘?jiān)鼞B(tài)以外主要以腐殖酸結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)存在,且在近地表的土壤中能夠富集;說(shuō)明深部礦體的礦化信息能夠遷移至地表,在覆蓋層中有所體現(xiàn),于地球化學(xué)常規(guī)土壤測(cè)量采樣深度處出現(xiàn)富集,形成異常,指示隱伏礦體的存在[5]。

在洛恪頓鉛鋅多金屬礦5號(hào)勘探線地電化學(xué)勘查剖面上采集了電提取前后的土壤樣品,開(kāi)展了全量及順序提取“七步法”分析測(cè)試[6],對(duì)比結(jié)果表明: 地電化學(xué)勘查試驗(yàn)中所提取的元素主要以水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)等多種活性相態(tài)存在于土壤介質(zhì)中,顆粒較小的弱活性相態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)顆粒均可被電化學(xué)過(guò)程所遷移和吸附;電提取后,土壤中多數(shù)元素某一種或幾種相對(duì)活性相態(tài)含量與礦體產(chǎn)生了極好的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系,以成礦指示元素Ag的表現(xiàn)最為突出(圖1);運(yùn)積物覆蓋層之下及深部有礦體或礦化體存在時(shí),電提取后土壤中多數(shù)微量金屬元素不同相態(tài)的含量會(huì)顯著增加,而背景地段元素的含量增加卻不明顯;以上表明在運(yùn)積物覆蓋區(qū)地電化學(xué)具有較強(qiáng)的勘查適用性。

圖1 洛恪頓鉛鋅多金屬礦5號(hào)勘探線電提取前后土壤中 Ag 全量及各相態(tài)含量空間變化[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 干旱荒漠區(qū)弱異常形成機(jī)理

以新疆吐哈盆地十紅灘沉積砂巖型鈾礦和哈密隱伏斑巖型鉬礦東戈壁鉬礦為典型代表,開(kāi)展了干旱荒漠戈壁覆蓋層中元素遷移規(guī)律的研究。

在十紅灘沉積砂巖型鈾礦區(qū)的研究[7]發(fā)現(xiàn):砂巖型鈾礦中,鈾酰絡(luò)陽(yáng)離子是活動(dòng)性鈾的主要存在形式, 鈾酰絡(luò)陽(yáng)離子很容易受地下水運(yùn)動(dòng)及蒸發(fā)蒸騰作用而通過(guò)砂巖的孔隙、構(gòu)造裂隙等發(fā)生遷移。到達(dá)地表后, 鈾酰絡(luò)陽(yáng)離子易與土壤中帶負(fù)電的黏土礦物結(jié)合而賦存其中,形成異常。

在東戈壁鉬礦區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)[5]:元素在不同粒級(jí)下隨深度的變化趨勢(shì)基本一致,細(xì)粒級(jí)(-160目)中相對(duì)富集;同時(shí),礦物成分對(duì)元素含量亦有一定的影響,黏土礦物強(qiáng)烈的吸附性能對(duì)元素起到一個(gè)很好的疊加富集作用,特別是從深部遷移上來(lái)的元素可以被黏土物質(zhì)有效捕獲而賦存在細(xì)粒級(jí)中。進(jìn)一步分析得出:

1)無(wú)論是異常區(qū)還是背景區(qū),成礦元素Mo含量從基巖到近地表元素含量逐漸降低,異常面積也逐漸減小;Mn、CaO、P2O5的含量變化趨勢(shì)與Mo一致;而成礦伴生元素Cu在異常區(qū)含量隨深度的增加而升高,在背景區(qū)則相反。成礦指示元素Fe、Zn、As含量隨深度的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為頂?shù)赘?、中間低,類(lèi)似于“C”型的變化。

2)土壤元素相態(tài)分析顯示,土壤中成礦指示元素Fe、Mn、Cu、Pb主要賦存于鐵錳氧化態(tài)中,其空間分布呈頂?shù)赘?、中間低的分布特征。底部高可能是繼承了礦體風(fēng)化產(chǎn)物,而近地表或地表的富集,說(shuō)明可能受深部遷移上來(lái)的組分到達(dá)地表后,被地表土壤中的黏土和鐵錳氧化膜所吸附并富集引起。這種變化可以指示隱伏礦體的存在。Mo則是從基巖到近地表,元素含量逐漸降低。因此,在干旱荒漠區(qū)需要注意Mo弱異常的找礦前景評(píng)價(jià),避免漏礦。

3)根據(jù)元素全量及不同相態(tài)三維地球化學(xué)空間分布特征,推測(cè)干旱荒漠覆蓋區(qū)地球化學(xué)異常的形成過(guò)程為:自然條件下,元素受到包括地下水循環(huán)、氧化還原電位梯度、蒸發(fā)蒸騰作用、植物作用以及地氣流等多種營(yíng)力共同影響,從礦體向地表作垂向遷移。由于地表黏土礦物的存在,這些活動(dòng)態(tài)的元素在地表被細(xì)粒級(jí)土壤中的黏土和鐵錳氧化膜所吸附并富集。元素垂向遷移至地表以后,還存在一個(gè)側(cè)向遷移的過(guò)程,這個(gè)過(guò)程使異常得以向四周擴(kuò)散,形成一個(gè)更大面積的異常。

1.2.3 其他地區(qū)異常形成機(jī)理

通過(guò)對(duì)紫金山悅洋(火山巖)盆地火山巖型銀多金屬礦、南陽(yáng)(變質(zhì)巖)盆地周庵變質(zhì)巖蓋層下的銅鎳礦和洛寧(黃土覆蓋)盆地沉積蓋層下的金礦開(kāi)展探測(cè)試驗(yàn)研究[7],得出: ①火山巖盆地中, 與火山巖近乎同期形成的礦床, 礦床形成過(guò)程中含礦流體攜帶成礦元素銀、金、銅等沿構(gòu)造裂隙運(yùn)移, 遷移到地表后被土壤中的黏土礦物所吸附,形成礦體上方的異常;②在侵位過(guò)程中, 變質(zhì)巖接觸帶與變質(zhì)巖盆地超基性巖體將產(chǎn)生大量的構(gòu)造裂隙, 所以當(dāng)流體通過(guò)巖體和巖體接觸帶時(shí), 將攜帶礦體中銅、鎳向上遷移至地表, 形成環(huán)狀異常;③位于黃土覆蓋區(qū)的洛寧盆地金礦在成礦過(guò)程中,成礦元素Au、Ag等以絡(luò)合物、納米級(jí)單質(zhì)或合金等形式,被流體攜帶沿構(gòu)造破碎帶向上遷移, 成礦元素在地表巖石風(fēng)化后發(fā)生解離,后被黃土覆蓋,巖石或礦體解離的納米顆?；蚧衔锎┻^(guò)黃土孔隙向上遷移至地表, 并賦存在細(xì)粒級(jí)黏土中形成異常。這些研究成果為活動(dòng)態(tài)提取和微細(xì)粒分離兩種方法技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用提供了理論支撐。

在我國(guó)北方火山巖型鈾礦勘查的試驗(yàn)研究中,發(fā)現(xiàn)隱伏礦體上方表層覆蓋物中存在獨(dú)有的亞微米級(jí)含鈾顆粒[8]。

2 覆蓋區(qū)地球化學(xué)勘查方法技術(shù)研究

近十年來(lái),覆蓋區(qū)地球化學(xué)勘查方法技術(shù)研究主要集中在地電化學(xué)測(cè)量、元素活動(dòng)態(tài)測(cè)量、地氣測(cè)量、土壤微細(xì)粒分離測(cè)量、土壤熱磁組分測(cè)量和綜合氣體測(cè)量等方面,其他方法技術(shù)研究開(kāi)展很少。

2.1 地電化學(xué)測(cè)量

地電化學(xué)法是將地球物理、地球化學(xué)和電化學(xué)綜合為一體的地球化學(xué)找礦方法。典型的地電化學(xué)法是蘇聯(lián)提出的“部分提取金屬法”(CHIM),依靠在地表施加的人工電場(chǎng),使來(lái)自礦體的活動(dòng)態(tài)元素離子分別向正負(fù)極移動(dòng),通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間供電,用安裝在正負(fù)極上的元素接收器分別把陰陽(yáng)離子收集并富集起來(lái),再分析接收器中的元素含量,查明異常。

1992年以色列ExploTech公司的Levitski A.等[9]首次以文字報(bào)道的方式提出了“偶極子地電化學(xué) (Dipole CHIM)”的概念,并在以色列南部的艾因亞哈夫壩(Ein Yahav Dyke)及阿什凱隆市(Ashqelon)的Kokhav油田西部邊界開(kāi)展了應(yīng)用試驗(yàn),獲得了與傳統(tǒng)地電化學(xué)方法一致的提取效果。 但其在試驗(yàn)中仍然使用大功率發(fā)電機(jī)組及穩(wěn)流裝置,多點(diǎn)同時(shí)發(fā)射,多點(diǎn)同時(shí)接收,僅將正負(fù)極的距離由“無(wú)窮遠(yuǎn)”式改變?yōu)椤芭紭O子”式,勘查設(shè)備依然笨重,勘查效率較低。之后,國(guó)外并未見(jiàn)與“偶極子”地電化學(xué)相關(guān)的研究報(bào)道,進(jìn)入21世紀(jì),有關(guān)地電化學(xué)方面的報(bào)道也幾近于無(wú)。

而國(guó)內(nèi)地電化學(xué)界并未就此消沉,以中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所和桂林理工大學(xué)為代表的一些地電化學(xué)研究團(tuán)隊(duì),仍然未間斷地從事著與地電化學(xué)相關(guān)的方法技術(shù)研究與應(yīng)用工作。通過(guò)理論和技術(shù)創(chuàng)新,提出了便攜式、低壓、獨(dú)立供電和“偶極子”式地電化學(xué)提取裝置及其方法。并于20世紀(jì)90年代初開(kāi)始不斷地對(duì)“偶極子”地電化學(xué)技術(shù)進(jìn)行著改進(jìn)與完善。近年來(lái)的研究主要集中在提取裝置優(yōu)化和方法技術(shù)中小比例尺工作適應(yīng)性研究?jī)蓚€(gè)方面。

2.1.1 地電化學(xué)提取裝置優(yōu)化

對(duì)便攜式、低壓、獨(dú)立供電和“偶極子”式的地電化學(xué)提取裝置的優(yōu)化是研究工作的聚焦點(diǎn)[10-12]。接收端采用泡塑等固態(tài)載體,研制成功新型“獨(dú)立供電偶極子地電化學(xué)提取裝置”,在野外現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行單點(diǎn)獨(dú)立供電,即每個(gè)采樣點(diǎn)組成一套單獨(dú)的低壓供電系統(tǒng);大大提高了裝置的便攜性和機(jī)動(dòng)性,使開(kāi)展中小比例尺地電化學(xué)測(cè)量成為可能。

同時(shí),“室內(nèi)電吸附方法”(采集土壤樣品后,在室內(nèi)一定條件下進(jìn)行電吸附、富集)研究也取得一定進(jìn)展。

與原有地電化學(xué)方法相比,這兩種地電化學(xué)新方法可大幅度提高勘查效率,并取得良好的找礦效果,具有較好的推廣應(yīng)用前景。

2.1.2 地電化學(xué)方法技術(shù)適應(yīng)性研究

以?xún)?nèi)蒙古洛恪頓熱液型鉛鋅多金屬礦床和蔡家營(yíng)鉛鋅礦床(代表半干旱草原風(fēng)成砂淺覆蓋景觀區(qū))、青海尕大坂銅多金屬礦床(代表黃土+新近—古近系紅層覆蓋景觀區(qū))、河南周庵銅鎳硫化物礦床(代表半濕潤(rùn)大面積第四系農(nóng)田覆蓋區(qū))等4個(gè)礦區(qū)為典型,進(jìn)行了地電化學(xué)勘查方法技術(shù)中小比例尺工作適應(yīng)性研究[13]。

在內(nèi)蒙古洛恪頓熱液型鉛鋅多金屬礦區(qū)(風(fēng)成砂淺覆蓋)約 40 km2范圍內(nèi),開(kāi)展了1∶5萬(wàn)地電化學(xué)測(cè)量與常規(guī)土壤同點(diǎn)測(cè)量效果對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明:地電化學(xué)測(cè)量可圈定出與已知礦體元素組合相同的Pb-Zn-Ag-As-Bi-Cd 等多元素綜合異常,且異常位置與已知礦(化)體空間分布范圍較一致;而常規(guī)土壤測(cè)量異常僅在小山頭殘積土出露區(qū)呈點(diǎn)狀分布。與常規(guī)土壤測(cè)量結(jié)果相比,地電化學(xué)異常范圍、襯度及連續(xù)性均遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)土壤測(cè)量。同時(shí),地電化學(xué)測(cè)量在試驗(yàn)區(qū)西北部風(fēng)成砂淺覆蓋區(qū)發(fā)現(xiàn)多元素組合地電化學(xué)異常,根據(jù)此異常部署開(kāi)展了1∶1萬(wàn)激電中梯測(cè)量及鉆探驗(yàn)證工作,在540 m以下處發(fā)現(xiàn)6 m厚富銀和銅礦體,實(shí)現(xiàn)了找礦突破。

在河南周庵銅鎳礦區(qū)也取得了類(lèi)似的研究成果。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明,在覆蓋區(qū)開(kāi)展1∶50 000地電化學(xué)測(cè)量能有效圈定找礦靶區(qū),可在今后覆蓋區(qū)礦產(chǎn)勘查工作中加以推廣應(yīng)用[14]。

2.1.3 推廣應(yīng)用前景

大量實(shí)驗(yàn)研究成果的取得表明,地電化學(xué)測(cè)量可以應(yīng)用于各類(lèi)地球化學(xué)景觀區(qū)內(nèi)、數(shù)百米厚度外來(lái)堆積物覆蓋區(qū)的貴金屬和有色金屬的礦產(chǎn)勘查工作;以干旱荒漠區(qū)和半干旱草原區(qū)的找礦效果最為突出,其他景觀區(qū)也可以取得一定的找礦效果。

隨著便攜式、低壓、獨(dú)立供電和“偶極子”式地電化學(xué)方法技術(shù)的進(jìn)步和成熟,地電化學(xué)測(cè)量打破了過(guò)去只能用于大比例尺礦產(chǎn)勘查的技術(shù)限制,可以開(kāi)展中小比例尺的礦產(chǎn)勘查工作。為覆蓋區(qū)礦產(chǎn)勘查提供了一個(gè)全新、有效的不同比例尺的地球化學(xué)勘查方法。

2.2 元素活動(dòng)態(tài)測(cè)量

在地球化學(xué)勘查中,把地球化學(xué)樣品測(cè)試中的水提取相、黏土吸附相、有機(jī)結(jié)合相、鐵錳氧化物相定義為元素活動(dòng)態(tài);以分析測(cè)試活動(dòng)態(tài)含量進(jìn)行的地球化學(xué)勘查工作稱(chēng)為元素活動(dòng)態(tài)測(cè)量。元素活動(dòng)態(tài)測(cè)量能捕捉到來(lái)自地下深部的成礦元素信息,在覆蓋區(qū)地球化學(xué)勘查中有特殊的意義。

澳大利亞勘查地球化學(xué)家Mann等[15]提出的活動(dòng)態(tài)金屬離子法(mobile metal ions,簡(jiǎn)稱(chēng)MMI)即是提取呈活動(dòng)態(tài)的金屬離子,MMI方法現(xiàn)已取得10多項(xiàng)專(zhuān)利,100多個(gè)成功案例,年產(chǎn)值在4 000萬(wàn)澳元左右,是目前最成功的地球化學(xué)勘查偏提取技術(shù),被應(yīng)用于覆蓋區(qū)填圖。

國(guó)內(nèi)王學(xué)求團(tuán)隊(duì)研制了金屬活動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)(leaching of mobile forms of metals in overburden, MEMEO),用于提取土壤中金屬的活動(dòng)態(tài)形式。并且他們認(rèn)為與成礦有關(guān)的超微細(xì)金屬、金屬離子或者化合物遷移到地表之后,在原有介質(zhì)元素含量的基礎(chǔ)上疊加活動(dòng)態(tài)元素含量,提取活動(dòng)態(tài)金屬能夠探測(cè)隱伏礦床[16]。

目前,國(guó)外土壤偏提取技術(shù)的發(fā)展著重于研制不同的提取劑,但配方嚴(yán)格保密。國(guó)內(nèi)基于金屬活動(dòng)態(tài)理論與方法,對(duì)活動(dòng)態(tài)提取與測(cè)定方法不斷進(jìn)行改進(jìn),開(kāi)展了針對(duì)不同金屬元素專(zhuān)用提取劑和元素活動(dòng)態(tài)測(cè)量方法技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方面的研究。

徐善法等[17]在參考國(guó)外研究成果和國(guó)內(nèi)在相態(tài)分析時(shí)所用到的一些常用提取試劑的基礎(chǔ)上,研制出針對(duì)黃土覆蓋區(qū)金礦和多金屬礦的兩種專(zhuān)用提取試劑:①金專(zhuān)用提取劑主要由檸檬酸銨、硫脲和硫代硫酸鈉組成;②多金屬專(zhuān)用提取劑主要由草酸銨、檸檬酸銨、乙二胺四乙酸鈉(EDTA)、二乙基三胺五乙酸(DTPA)、氨基三乙酸(NTA)、三乙醇胺(TEA)組成。

使用專(zhuān)用提取劑,開(kāi)展了提取條件實(shí)驗(yàn),內(nèi)容包括提取液固液比、固液分離方法、提取時(shí)間、提取液pH以及提取溫度等[18]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):①多金屬活動(dòng)態(tài)專(zhuān)用提取劑在提取過(guò)程中,不同的固液比對(duì)Cu、Ni、Zn、Pb、REE等元素影響較小,但對(duì)Cr的提取量影響較大,固液比的最佳實(shí)驗(yàn)條件還應(yīng)考慮 pH 緩沖能力。②不同固液分離方式對(duì)多金屬活動(dòng)態(tài)提取的提取量影響不大。③提取時(shí)間選擇是影響Cu活動(dòng)態(tài)專(zhuān)用提取劑(MML-Cu)提取結(jié)果的主要因素之一。④提取液 pH 是影響元素活動(dòng)態(tài)提取量的主要因素之一。⑤隨著提取溫度的升高,多數(shù)元素的提取量增大,不同元素隨溫度變化的程度不同。Ca 提取量隨溫度變化趨勢(shì)與多數(shù)元素相反。⑥活動(dòng)態(tài)分析質(zhì)量控制中,應(yīng)對(duì)提取所用所有試劑的空白進(jìn)行嚴(yán)格控制,實(shí)驗(yàn)條件保持一致。

王翰等[19]研究出土壤納米簡(jiǎn)便提取的新方法——超聲波納米提取測(cè)量法,利用超聲波空化原理,快速提取土壤中的活動(dòng)態(tài)納米物質(zhì),并在內(nèi)蒙古半干旱草原區(qū)上方開(kāi)展了超聲波納米提取測(cè)量法的地球化學(xué)勘查方法的試驗(yàn)工作。結(jié)果表明,通過(guò)超聲波納米提取測(cè)量法獲得的地球化學(xué)異常明顯,其中主要成礦元素銅、鉛、鋅等在隱伏礦體上方均有顯著異常,并且異常襯度與礦體埋藏深度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系;礦體埋藏深度越淺異常襯度越大,礦體埋藏深度越深異常襯度越小;該試驗(yàn)表明超聲波納米提取法可作為該景觀區(qū)尋找隱伏礦的有效手段。

實(shí)驗(yàn)研究成果表明,元素活動(dòng)態(tài)測(cè)量主要適用于干旱荒漠區(qū)、半干旱草原區(qū)和黃土覆蓋區(qū)中百米厚度左右外來(lái)堆積物覆蓋區(qū)的隱伏貴金屬和有色金屬礦產(chǎn)勘查工作中。其他景觀區(qū)可以參考使用。

2.3 地氣測(cè)量

地氣測(cè)量是指通過(guò)各種技術(shù)手段,捕集覆蓋層中由地氣流攜帶上來(lái)的與隱伏礦體有關(guān)的納米級(jí)金屬微粒,分析測(cè)試其含量,發(fā)現(xiàn)異常,并用來(lái)尋找隱伏礦的地球化學(xué)勘查方法。

1987 年瑞典Kristiansson K.等[20]發(fā)布了地氣測(cè)量找礦成果,認(rèn)為地氣測(cè)量技術(shù)有找礦深度大、指示礦體直接等特性;他們主要采用被動(dòng)埋置法采樣。

地氣法引入我國(guó)后,不僅在不同礦種、不同景觀區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn),并對(duì)采樣方法及裝置進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn),摒棄了費(fèi)時(shí)費(fèi)力、采樣裝置丟失嚴(yán)重的被動(dòng)埋置法,研制出主動(dòng)抽氣采樣法及其相應(yīng)的采樣裝置,使地氣測(cè)量在我國(guó)有了更為廣泛的應(yīng)用前景。

地氣主動(dòng)采樣法:用鋼釬在覆蓋層中打-80 cm深的抽氣孔,將螺旋取樣鉆擰入孔中,連接手提式氣體采樣筒。定量抽取氣體,讓氣體通過(guò)0.5 μm微孔濾膜后進(jìn)入捕集器,捕集器內(nèi)置有能夠捕獲微粒金屬的載體,載體材料為不含成礦元素或預(yù)測(cè)目標(biāo)元素的固體或液體,在采樣完成后,載體送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試[21]。

經(jīng)過(guò)幾十年的研發(fā),國(guó)內(nèi)有關(guān)地氣載體物質(zhì)基本上穩(wěn)定在液體和固體兩類(lèi)。液體基本上選用超純酸,按照找礦目標(biāo)選用相應(yīng)的酸種,其優(yōu)點(diǎn)是材料低、空白值易控制且均勻,保留副樣的代表性極好;但缺點(diǎn)是野外安全攜帶困難,需要特別防護(hù)。同時(shí),液體載體的捕集器通常采用玻璃材質(zhì),野外易破損。固體載體多采用聚氨酯泡塑,其優(yōu)缺點(diǎn)與液體載體正好相反,材料低、空白值極難控制且不均勻,保留副樣的代表性較差,但野外攜帶極其方便;同時(shí),固體載體的捕集器通常采用有機(jī)玻璃材質(zhì),野外不易破損。因此,在兩難選擇中,固體和液體載體材料的應(yīng)用基本上并行不悖,各自發(fā)展。

近十年來(lái)地氣研究工作主要集中在固體載體材料的凈化和方法適應(yīng)性?xún)纱蠓矫妗?/p>

2.3.1 固體載體材料的預(yù)處理

由于地氣含量的超痕量特點(diǎn),只有載體測(cè)量材料中目標(biāo)元素的空白含量控制在相當(dāng)?shù)偷乃讲拍苡行У陌l(fā)現(xiàn)可靠的地氣異常。因此,使固體載體材料中目標(biāo)元素空白含量盡可能降低到極低的水平的預(yù)處理方法受到極大的重視。

目前,常用的聚氨酯泡塑預(yù)處理方法如下:按照捕集器的規(guī)格,將聚氨酯泡塑經(jīng)磨具制取成型,先使用自來(lái)水洗滌、晾干,再使用20%的王水浸泡24 h,再用超純水清洗晾干,最后浸泡在5%的超純王水中保存[3],以待野外工作中使用。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的聚氨酯泡塑其元素含量明顯降低到研究區(qū)背景值之下(表1),可以滿(mǎn)足地氣測(cè)量工作的需要。

表1 去本底處理前后泡塑中元素含量對(duì)照[3]Table 1 Comparison of trace elements content foam plastic before and after the pretreatment[3]

2.3.2 方法適應(yīng)性研究

方法適應(yīng)性研究主要在半干旱草原區(qū)[22]、干旱戈壁荒漠區(qū)[23]、黃土淺覆蓋區(qū)[24]、沖積物淺覆蓋區(qū)、中低山丘陵茂密植被覆蓋區(qū)[8]進(jìn)行,主要涉及有色金屬礦床、貴金屬礦床、放射性礦床,都取得了良好的找礦效果,最深可以發(fā)現(xiàn)200～400 m埋深的隱伏礦體[8]。

適應(yīng)性研究成果表明,地氣測(cè)量是上述覆蓋區(qū)尋找隱伏有色金屬、貴金屬、放射性礦產(chǎn)的一種有效方法,具有較好的推廣應(yīng)用前景。

2.4 土壤微細(xì)粒分離測(cè)量

在地球化學(xué)勘查中,將土壤樣品風(fēng)干后,直接過(guò)200目(74 μm)孔徑的篩子,獲得樣品,進(jìn)行分析測(cè)試,獲得地球化學(xué)異常的勘查工作稱(chēng)為土壤微細(xì)粒分離測(cè)量。這是一種能反映深部礦化信息的地球化學(xué)勘查方法技術(shù)。

國(guó)外細(xì)粒級(jí)土壤測(cè)量采用<2 μm富含黏土的土壤,相對(duì)粗粒部分,土壤細(xì)粒部分地球化學(xué)背景不均一性降低,微量元素相對(duì)含量升高[25]。

中國(guó)細(xì)粒級(jí)土壤全量測(cè)量技術(shù)采集地表以下5～30 cm處,粒徑<75 μm的土壤樣品,樣品中元素濃度普遍大于相對(duì)的粗粒級(jí)土壤。土壤微細(xì)粒分離測(cè)量技術(shù)已在多種景觀區(qū)取得成功試驗(yàn)案例。

在覆蓋區(qū)開(kāi)展土壤微細(xì)粒分離測(cè)量時(shí),根據(jù)工作比例尺和景觀確定采樣介質(zhì)和采樣深度。①采樣介質(zhì)的選擇:中小比例尺主要選擇匯水系沉積物,大比例尺選擇地表土壤。②采樣深度選擇:主要考慮盡量避開(kāi)地表風(fēng)成砂和腐殖層,如干旱荒漠戈壁區(qū)采樣深度可選擇10～30 cm,半草原覆蓋區(qū)采樣深度可選擇5～30 cm。③采樣粒級(jí)選擇:可直接利用普通樣品篩篩分-120目(-125 μm)或-200 目(-75 μm)。對(duì)于-200目或更細(xì)粒級(jí)土壤樣品,可使用高精度電磁震蕩篩或超聲波震蕩篩篩分。樣品送實(shí)驗(yàn)室直接分析元素全量[26]。

劉漢糧等[27]選擇位于干旱戈壁荒漠區(qū)的甘肅柳園花牛山鉛鋅礦區(qū),開(kāi)展了土壤微細(xì)粒測(cè)量試點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比不同采樣時(shí)間和不同采樣密度獲得的地球化學(xué)數(shù)據(jù)和地球化學(xué)分布模式發(fā)現(xiàn):①土壤微細(xì)粒測(cè)量獲得的元素含量中位值和背景值很接近,地球化學(xué)分布模式在形態(tài)和變化趨勢(shì)上非常相似,濃集中心位置重合,表明可獲得穩(wěn)定的、可追索的地球化學(xué)分布模式。②采樣密度越大數(shù)據(jù)離散程度越高;元素分布的這種局部的不均一性表明地球化學(xué)模式的細(xì)節(jié)變化可以通過(guò)加密采樣刻畫(huà)出來(lái),為逐步追蹤礦化體提供了支撐。③圈定的主成礦元素(鉛、鋅)異常襯度高、變異系數(shù)大,與深部隱伏礦體位置吻合。該方法技術(shù)針對(duì)干旱戈壁荒漠區(qū)尋找隱伏鉛鋅礦是有效的。

豫西黃土覆蓋區(qū)的申家窯金礦區(qū)和四川甲基卡新3(X03)號(hào)隱伏鋰礦脈上開(kāi)展的土壤微細(xì)粒測(cè)量應(yīng)用試驗(yàn)[26,28],取得了不同景觀(黃土淺覆蓋區(qū)和高寒山區(qū))、不同礦種(金礦和鋰礦)尋找隱伏礦體的良好實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果表明:土壤微細(xì)粒測(cè)量方法相對(duì)于別的深穿透地球化學(xué)方法,在野外采樣和實(shí)驗(yàn)室分析兩個(gè)環(huán)節(jié)上,操作均更為簡(jiǎn)單,易于掌握,也便于推廣,因此無(wú)論對(duì)于礦區(qū)隱伏礦的普查和詳查,還是對(duì)于覆蓋區(qū)快速地球化學(xué)掃面調(diào)查均比較適宜;適應(yīng)的礦種和景觀與傳統(tǒng)的土壤測(cè)量類(lèi)似。

2.5 土壤熱磁組分測(cè)量

土壤熱磁組分測(cè)量方法是以土壤為原始采樣介質(zhì),通過(guò)分析測(cè)試熱磁組分吸附的成礦或伴生成礦指示元素含量及其他地球化學(xué)特征,發(fā)現(xiàn)和強(qiáng)化異常,以達(dá)到覆蓋區(qū)礦產(chǎn)勘查目的的地球化學(xué)勘查方法。其原理是在高溫、還原等有利物理?xiàng)l件下,將土壤中普遍存在的非晶質(zhì)鐵錳(氫)氧化物膠體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂写判缘木з|(zhì)鐵錳氧化物,比磁化系數(shù)大為提高,再利用磁提取方法將晶質(zhì)化的鐵錳氧化物分離出來(lái),在磁提取過(guò)程中,賦存在非晶質(zhì)鐵錳(氫)氧化物膠體中的金屬礦化指示元素也隨之一同從土壤中分離出來(lái),這時(shí)測(cè)定其中吸附的礦化指示元素的含量,能夠明顯提高地球化學(xué)異常的強(qiáng)度和襯度,就可以達(dá)到強(qiáng)化異常信息的目的。

土壤熱磁組分測(cè)量方法最早由蘇聯(lián)學(xué)者波戈留波夫在 20 世紀(jì) 90 年代提出,國(guó)內(nèi)有關(guān)研究報(bào)導(dǎo)相對(duì)較少,僅魯岳鑫等[28]、胡樹(shù)起等[29-30]、唐世新等[31-32]所在研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表過(guò)數(shù)篇科技論文,針對(duì)單一類(lèi)型試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行過(guò)初步探討。目前尚處在方法技術(shù)摸索和找礦有效性研究階段,涉及的景觀僅有干旱荒漠區(qū)和半干旱草原區(qū)。

唐世新等[33-34]在古風(fēng)成砂覆蓋區(qū)(內(nèi)蒙古東部洛恪頓鉛鋅礦)、現(xiàn)代風(fēng)成砂覆蓋區(qū)(河北蔡家營(yíng)熱液型鉛鋅銀礦和新疆沙泉子巖漿型銅鎳硫化物礦)以及沖洪積物覆蓋區(qū)(甘肅野馬泉矽卡巖型鐵銅多金屬礦)先后開(kāi)展了相關(guān)研究工作。

通過(guò)幾年的研究[33],初步確定出的熱磁測(cè)量技術(shù)如下:在還原條件下,對(duì)土壤樣品進(jìn)行熱磁化處理,熱磁化處理的溫度以650 ℃為宜,此時(shí)土壤磁化率基本處于最大值;規(guī)范化的熱磁化處理時(shí)間為45 min;熱磁組分的分選電流為1～2 A。

在內(nèi)蒙古東部洛恪頓鉛鋅礦區(qū),開(kāi)展了土壤熱磁組分和土壤細(xì)粒測(cè)量2種方法對(duì)比研究。結(jié)果表明:①在90 m覆蓋深度的見(jiàn)礦區(qū),2種方法均能圈出指示元素異常,而熱磁組分測(cè)量結(jié)果具有異常強(qiáng)度高、連續(xù)性好的優(yōu)勢(shì),土壤細(xì)粒級(jí)測(cè)量具有便捷與相對(duì)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì);②在200 m蓋層厚度的見(jiàn)礦區(qū),細(xì)粒級(jí)測(cè)量元素異常較弱,與礦體吻合程度相對(duì)較低,而熱磁組分測(cè)量則能夠圈出分帶明顯、與礦體吻合較好的指示元素異常[33]。因此在覆蓋厚度較大的地區(qū),土壤熱磁組分測(cè)量方法更具優(yōu)勢(shì)。

在蔡家營(yíng)鉛鋅礦區(qū)(圖2)和沙泉子銅礦區(qū)進(jìn)行了土壤熱磁測(cè)量和常規(guī)土壤測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明,通過(guò)常規(guī)土壤測(cè)量方法獲得的異常較弱較小;而熱磁組分測(cè)量成果與之相比異常較強(qiáng)、面積較大,能清晰地反映出深部隱伏礦體賦存的空間位置和形態(tài),可發(fā)現(xiàn)新異常和強(qiáng)化弱異常;野馬泉地區(qū)試驗(yàn)結(jié)果表明,在運(yùn)積物覆蓋達(dá)百米以上的隱伏礦體賦存地段,熱磁組分測(cè)量不但可以圈定出明顯異常,而且異常元素空間套合較好,與隱伏礦體具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖2 蔡家營(yíng)試驗(yàn)區(qū)風(fēng)成砂覆蓋地段常規(guī)土壤與熱磁組分測(cè)量結(jié)果對(duì)比[34]Fig.2 Comparison of conventional soil and thermomagnetic components of a eolian sand covered area in Caijiaying experimental area[34]

初步研究結(jié)果表明,土壤熱磁組分測(cè)量是干旱荒漠區(qū)和半干旱草原區(qū)隱伏有色金屬礦產(chǎn)勘查的有效方法之一。

2.6 綜合氣體測(cè)量

綜合氣體測(cè)量通常是指在野外現(xiàn)場(chǎng),通過(guò)測(cè)量隱伏礦床上方土壤中與礦體相關(guān)的氣體的含量,發(fā)現(xiàn)隱伏礦床找礦信息的方法技術(shù)。這里主要討論有關(guān)金屬礦產(chǎn)勘查中的綜合氣體測(cè)量,涉及的氣體主要是Hg、Rn、He、Ne、CO2、H2S、SO2和有機(jī)氣體(主要是烷烴(CH4等)及烯烴)。目前,比較成熟并具有測(cè)量規(guī)范的只有Hg氣和Rn氣。其他氣體由于檢測(cè)技術(shù)的限制,都處在試驗(yàn)研究中。

綜合氣體測(cè)量的原理:礦床形成時(shí)封存于礦石和近礦圍巖中的各類(lèi)原生氣體和礦體進(jìn)入氧化帶以后,巖礦石氧化產(chǎn)生的各類(lèi)次生氣體沿著構(gòu)造裂隙和蓋層空隙遷移上升,富集于地表土壤層中。通過(guò)測(cè)量地表土壤中氣體的濃度,發(fā)現(xiàn)隱伏礦化信息,從而找到隱伏礦床。

2.6.1 Hg氣測(cè)量

Hg氣測(cè)量是最成熟的氣體測(cè)量方法之一,1991年我國(guó)就頒行了《汞蒸氣測(cè)量規(guī)范》(DZ/T 0003—1991)。近十年來(lái)Hg氣測(cè)量研究主要集中在采樣方法技術(shù)優(yōu)化方面,研究成果大部分已經(jīng)被吸收進(jìn)了修訂后的《汞蒸氣測(cè)量規(guī)程》(DZ/T 0003—2022)中。

采樣方法技術(shù)優(yōu)化主要著眼于增加樣品代表性和提高測(cè)量重現(xiàn)性。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的Hg氣測(cè)量方法要點(diǎn)為:①在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上,采用2～3個(gè)孔采集樣品可以增加樣品的代表性。②每個(gè)采樣孔拔出鋼釬,應(yīng)迅速將采樣錐快速旋上,這樣可以大大減少空氣回灌的稀釋作用。③使用大氣采樣器時(shí),須特別注意電量,及時(shí)更換新電池;用手提抽氣筒采樣時(shí),提拉抽氣筒須注意盡可能勻速抽拉,才能取得良好的測(cè)量效果。④單孔采氣量最多3 L。⑤采樣完成后立即將捕汞管兩端用PVC塑料套塞上,以防止所捕集的汞氣揮發(fā)和外源汞氣的污染。⑥完成樣品采集的捕汞管最好在當(dāng)天進(jìn)行測(cè)定;但因故未能在當(dāng)天測(cè)定,存放2～3天對(duì)測(cè)定結(jié)果沒(méi)有明顯影響[35]。

Hg氣測(cè)量適用于各類(lèi)景觀(沼澤地和高地下水位區(qū)除外)中覆蓋層厚度大于40 cm、具有良好儲(chǔ)氣條件的地區(qū)尋找隱伏礦;適應(yīng)尋找的礦種廣泛,有金、銀、銅、鉛—鋅、鉬、錫、砷、銻、鉍、汞、硒、碲、鎘、鉈、鎳、鉑—鈀、鍶、鋇、硼、氟、鈾、石油天然氣、地?zé)崽锏取?/p>

2.6.2 Rn氣測(cè)量

Rn氣測(cè)量是最成熟的一種氣體測(cè)量方法,1991年我國(guó)就頒行了《氡及其子體測(cè)量規(guī)范》(NJ/T 605—91)。Rn氣測(cè)量方法可以分為兩大類(lèi):瞬時(shí)測(cè)氡法和累積測(cè)氡法。前者包括γ能譜法、RaA法、閃爍瓶法等;后者包括釙-210法、活性炭吸附法、徑跡法、α杯法、α卡法等。前者的優(yōu)勢(shì)是可以獲得完整的數(shù)據(jù),但測(cè)量的穩(wěn)定性受影響的因素比較多。后者的優(yōu)勢(shì)是測(cè)量的穩(wěn)定性相對(duì)好很多,但丟失采樣裝置的概率很高,難以獲得完整的數(shù)據(jù),特別是在人口密集的內(nèi)地。因此,在礦產(chǎn)資源勘查中,多使用瞬時(shí)測(cè)氡法。

近十年來(lái)Rn氣測(cè)量技術(shù)研究主要集中在適應(yīng)瞬時(shí)測(cè)量的測(cè)氡儀升級(jí)改造和數(shù)據(jù)處理規(guī)范化方面,數(shù)據(jù)處理的研究成果大部分已經(jīng)被吸收進(jìn)了修訂后的《鈾礦勘查氡及其子體測(cè)量規(guī)程》(NJ/T 605—2018)中。

近幾年推出的測(cè)氡儀的升級(jí)改造主要體現(xiàn)在:①大幅度降低儀器檢測(cè)下限,已經(jīng)達(dá)到了0.01 Bq/L;②用自動(dòng)取氣和排氣代替了人工取氣、排氣工作;③取樣吸附裝置與測(cè)量裝置一體化設(shè)計(jì),便于現(xiàn)場(chǎng)攜帶;④增加了測(cè)量環(huán)境(溫度、濕度)修正功能,使測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響盡可能的降低;⑤測(cè)量結(jié)果機(jī)身存儲(chǔ)量大增(>6萬(wàn)次),通信接口通用化(采用USB),支持現(xiàn)場(chǎng)藍(lán)牙打印;⑥降低儀器功耗,一次充電可連續(xù)測(cè)量數(shù)百個(gè)測(cè)點(diǎn)。

Rn氣測(cè)量廣泛應(yīng)用于不同景觀條件下的隱伏礦產(chǎn)勘查(特別是鈾礦勘查)、隱伏斷層探測(cè)、斷裂活動(dòng)性評(píng)價(jià),地?zé)豳Y源勘查中也有應(yīng)用。其主要適用于埋藏深度100 m以?xún)?nèi)的淺覆蓋區(qū),大于100 m的中深覆蓋區(qū)的探測(cè)效果受到一定影響。

2.6.3 其他氣體測(cè)量

這里的其他氣體是指與尋找礦產(chǎn)資源有關(guān)的地表土壤中的O2、CO2、SO2、H2S、COS、He、Ne等和有機(jī)氣體。其他氣體測(cè)量研究目前處于初級(jí)階段,對(duì)于O2、CO2這類(lèi)濃度較高、間接指示礦化的氣體來(lái)說(shuō),主要集中在找礦有效性的確定和采樣現(xiàn)場(chǎng)便攜式儀器的研制;對(duì)于其他濃度很低、直接指示礦化的氣體來(lái)說(shuō),主要集中在這些氣體的測(cè)定方法技術(shù)研究方面。

使用改進(jìn)的CO2快速分析儀,分別在湖南黃金洞金礦區(qū)金枚礦段和梨樹(shù)坪礦段進(jìn)行了CO2氣體測(cè)量試驗(yàn)性研究。結(jié)果表明:儀器的檢出限能達(dá)到1×10-6,能夠有效地發(fā)現(xiàn)隱伏礦(化)體和構(gòu)造上方的CO2異常,可以滿(mǎn)足目前礦產(chǎn)勘查工作的需要;方法具有快速、探測(cè)深度大、能在野外直接讀數(shù)的特點(diǎn),可第一時(shí)間提供有效的找礦信息;面積性試點(diǎn)測(cè)量共圈定出4處找礦靶區(qū),為研究區(qū)下一步地質(zhì)勘查重點(diǎn)區(qū)提出了地球化學(xué)依據(jù)[36]。

使用便攜式多組分氣體快速分析儀(PMGRA),在遼東地區(qū)五龍金礦區(qū)和青城子鉛鋅礦區(qū)開(kāi)展了探索性的試驗(yàn)研究,并與相應(yīng)的土壤地球化學(xué)測(cè)量成果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示,異常區(qū)氣體的濃度襯值非常大;在部分氣體異常區(qū),沿著構(gòu)造傾向方向,CO2異常峰值通常出現(xiàn)在 H2S、SO2和 CH4之前。在遼東淺覆蓋區(qū),氣體和土壤地球化學(xué)測(cè)量均能反映隱伏構(gòu)造和礦體;而在覆蓋較厚地區(qū),氣體地球化學(xué)測(cè)量對(duì)斷裂和礦體反映更明顯,受覆蓋層的類(lèi)型和厚度影響較小。本次試驗(yàn)結(jié)果顯示了基于 PMGRA 氣體地球化學(xué)測(cè)量方法在淺覆蓋區(qū)具有一定的可行性[37]。

在湖南沃溪礦區(qū)魚(yú)兒山礦段及其外圍的紅巖溪—馬兒橋礦段開(kāi)展的烴汞綜合氣體測(cè)量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):紅巖溪—馬兒橋礦段土壤地球化學(xué)場(chǎng)存在兩種不同類(lèi)型疊加場(chǎng),一類(lèi)是深源疊加場(chǎng),Au與烴類(lèi)組分相關(guān)性較好,烴類(lèi)異常組分齊全,同時(shí)Au、Hg異常較好,具有深源成礦熱液疊加,深部找礦潛力較大;另一類(lèi)是同生疊加場(chǎng),Au與烴類(lèi)組分相關(guān)性較差,元素組合相對(duì)簡(jiǎn)單,缺少烴類(lèi)組分異常,找礦意義不大。研究區(qū)烴類(lèi)異常模式以對(duì)偶雙峰異常模式為主,在烴類(lèi)異常雙峰之間的低值區(qū)發(fā)育有較好的烴汞類(lèi)綜合疊加異常,說(shuō)明深部具有平行盲脈存在。經(jīng)鉆探驗(yàn)證,深源疊加場(chǎng)深部見(jiàn)真厚度8.58 m、平均品位3.55×10-6的金礦體,而同生疊加場(chǎng)只見(jiàn)有金礦化,取得了良好的預(yù)測(cè)效果[38]。

開(kāi)發(fā)不受沼澤微生物影響的地球化學(xué)勘查技術(shù)是提高中緯度凍土區(qū)天然氣水合物探井預(yù)測(cè)成功率的重要課題之一。以高寒沼澤景觀的祁連山聚乎更天然氣水合物已知區(qū)為目標(biāo),進(jìn)行了惰性氣體勘查技術(shù)實(shí)驗(yàn),研究了氦氖的測(cè)試方法。實(shí)驗(yàn)區(qū)面積150 km2,采樣密度2點(diǎn)/km2,采樣深度60cm,采集土壤頂空氣樣品300件和DK-3井巖心樣品400件。應(yīng)用色譜反吹技術(shù)對(duì)頂空氣樣品進(jìn)行了惰性氣體氦氖的分析。結(jié)果表明:惰性氣體異常(圖3)與天然氣水合物礦藏關(guān)系密切,與烴類(lèi)異常濃度范圍一致,為頂部異常模式。實(shí)驗(yàn)區(qū)天然氣水合物礦藏11個(gè)水合物發(fā)現(xiàn)井有10個(gè)位于He、Ne異常內(nèi),1個(gè)井位于異常外。通過(guò)天然氣水合物巖心頂空氣輕烴和氦氖指標(biāo)的垂向分布特征研究,發(fā)現(xiàn)近地表氦氖異常源于深部水合物礦藏和斷裂構(gòu)造,不受沼澤微生物的影響[39],表明土壤惰性氣體測(cè)量是凍土區(qū)天然氣水合物勘查的一種有效技術(shù)。

圖3 祁連山聚乎更礦區(qū)頂空氣He地球化學(xué)分布[39]Fig.3 Contour map of He in Juhugeng in the Qilian Mountain[39]

3 前景展望

3.1 覆蓋區(qū)元素遷移、弱異常賦存狀態(tài)和形成機(jī)理

近十年來(lái),覆蓋區(qū)元素遷移特征和異常形成機(jī)理研究獲得了令人鼓舞的進(jìn)展,初步確定了不同元素從深部向地表遷移的主要形式——納微米級(jí)微顆粒(元素單質(zhì)或混合物);通過(guò)同位素示蹤和對(duì)比研究,初步建立了與下伏礦體的成因聯(lián)系,確定地表捕獲的納微米級(jí)金屬微顆粒來(lái)自隱伏礦體。地表獲得的各元素異常通常都是弱異常,主要都以離子態(tài)、黏土吸附態(tài)、鐵錳氧化態(tài)等活動(dòng)態(tài)形式存在,推測(cè)元素遷移機(jī)制為在自然條件下,活動(dòng)態(tài)的元素受地下水循環(huán)、氧化還原電位梯度、蒸發(fā)蒸騰作用、植物作用以及地氣流等多種營(yíng)力共同影響,從礦體向地表作垂向遷移;到達(dá)地表以后,這些活動(dòng)態(tài)的元素被地表廣泛存在的細(xì)粒級(jí)土壤中的黏土和鐵錳氧化膜所吸附并富集形成表生異常,在地表各種營(yíng)力作用下疊加側(cè)向遷移后,形成一個(gè)更大面積的異常。

由于元素從深部向地表遷移的機(jī)理無(wú)法直接觀測(cè)且元素遷移量的變化極其微小,表生地球化學(xué)觀測(cè)研究一直是勘查地球化學(xué)基礎(chǔ)研究的難點(diǎn)。加上研究選擇的景觀區(qū)類(lèi)型和礦區(qū)很少(主要集中在干旱區(qū)和半干旱區(qū))。目前的研究成果只是萬(wàn)里長(zhǎng)征走完了第一步,我們對(duì)覆蓋層中的元素遷移機(jī)理還知之甚少,僅停留在理念階段,今后的路還很長(zhǎng),需要研究的問(wèn)題很多。近期需要:①在已有研究方法和成果的基礎(chǔ)上,擴(kuò)大研究景觀的類(lèi)型,增加研究成果的代表性和普適性;②繼續(xù)開(kāi)發(fā)同位素示蹤技術(shù)、微觀觀測(cè)技術(shù)、室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)等新的觀察手段;③繼續(xù)開(kāi)展進(jìn)一步的研究,為已經(jīng)建立的元素推測(cè)性遷移模型提供實(shí)證性證據(jù),完善模型;④利用傳統(tǒng)地學(xué)之外的環(huán)境學(xué)、生物學(xué)、微生物學(xué)等研究成果,拓展研究視野和開(kāi)闊研究思路,促進(jìn)學(xué)科發(fā)展。

3.2 方法技術(shù)研究和示范

通過(guò)多年來(lái)的持續(xù)研究和示范,覆蓋區(qū)地球化學(xué)勘查方法技術(shù)取得了一定的進(jìn)展,在諸多方法中,地電化學(xué)方法的進(jìn)步最大,從只能在大比例尺礦區(qū)勘探中使用,擴(kuò)展到可以開(kāi)展1∶5萬(wàn)礦產(chǎn)普查工作。示范也取得了較多的找礦效果,在業(yè)內(nèi)的認(rèn)可度較高,推廣的前景較好。其次是地氣測(cè)量方法和活動(dòng)態(tài)測(cè)量方法取得一定的進(jìn)步,大量的示范基本上可以肯定找礦的有效性,但技術(shù)操作層面的規(guī)范性仍存在一定的難度,技術(shù)的成熟度還差火候。嚴(yán)格來(lái)說(shuō),土壤微細(xì)粒分離測(cè)量技術(shù)仍是傳統(tǒng)土壤測(cè)量技術(shù)的范疇,在殘坡積物覆蓋區(qū)的找礦效果可以肯定,但在外來(lái)覆蓋層分布區(qū)的找礦有效性還存在質(zhì)疑。土壤熱磁組分測(cè)量方法還處在試驗(yàn)研究階段,距推廣應(yīng)用有著較大的差距。

綜合氣體測(cè)量方法中,Hg氣和Rn氣測(cè)量方法技術(shù)最成熟,有操作規(guī)范可遵循,廣泛應(yīng)用在隱伏礦產(chǎn)和隱伏構(gòu)造的勘查之中,取得了業(yè)界公認(rèn)的勘查成果。其次是有機(jī)氣體(主要是烷烴及烯烴)測(cè)量方法比較成熟,大量應(yīng)用在石油天然氣資源的勘查中,在國(guó)內(nèi)油氣勘查領(lǐng)域占有一席之地,在覆蓋區(qū)找礦中的應(yīng)用前景看好。He、Ne、CO2、H2S、SO2等氣體測(cè)量方法在礦產(chǎn)勘查中的作用都處于有效性試驗(yàn)研究階段,距推廣應(yīng)用的路還很長(zhǎng),還需要進(jìn)行大量的研究工作,使方法技術(shù)盡快成熟起來(lái)。

盡管在覆蓋區(qū)地球化學(xué)勘查方法技術(shù)方面取得了很大的進(jìn)步,有些方法還有一定的突破性進(jìn)展,但也發(fā)現(xiàn)了一些亟待解決的問(wèn)題:①對(duì)已經(jīng)成熟的Hg氣測(cè)量、Rn氣測(cè)量和有機(jī)氣體測(cè)量方法,應(yīng)開(kāi)展大規(guī)模的推廣應(yīng)用,最大程度發(fā)揮出其在覆蓋區(qū)礦產(chǎn)勘查和油氣資源調(diào)查中的作用。②對(duì)比較成熟的地電化學(xué)和地氣測(cè)量方法來(lái)說(shuō),需要研制標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),促使方法技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化,達(dá)到不同地區(qū)的測(cè)量成果可對(duì)比分析。③對(duì)于方法成熟度不夠的元素活動(dòng)態(tài)測(cè)量、熱磁測(cè)量和多數(shù)氣體測(cè)量需要繼續(xù)開(kāi)展研究,促使方法盡快達(dá)到可統(tǒng)一操作的程度;同時(shí),需要建立針對(duì)不同蓋層性質(zhì)的有效采樣技術(shù)和含礦信息提取技術(shù),為覆蓋區(qū)隱伏礦勘查增加新的可靠的方法技術(shù)。④繼續(xù)開(kāi)展進(jìn)一步的研究,將已經(jīng)成熟的覆蓋區(qū)礦產(chǎn)勘查方法技術(shù)的有效探測(cè)深度從第一找礦空間(深度500 m以?xún)?nèi))提高到第二找礦空間(深度500～1 000 m),以適應(yīng)將來(lái)新的礦產(chǎn)勘查形勢(shì)。

3.3 聚焦國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)是地球化學(xué)勘查方法技術(shù)面臨的新機(jī)遇

勘查地球化學(xué)的遠(yuǎn)景目標(biāo)是通過(guò)地球系統(tǒng)科學(xué)研究與大數(shù)據(jù)信息揭示自然資源與自然環(huán)境和自然生態(tài)狀況,實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的科學(xué)開(kāi)發(fā)、合理利用和整體保護(hù),從而創(chuàng)造人與地球和諧相處的生存環(huán)境。

依據(jù)新時(shí)期國(guó)家地質(zhì)工作定位及服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方向的要求,20多年來(lái),勘查地球化學(xué)完成了戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型,由單一的礦產(chǎn)勘查轉(zhuǎn)為資源環(huán)境多目標(biāo)調(diào)查評(píng)價(jià)并重。近年來(lái)提出了“調(diào)查評(píng)價(jià)、整體保護(hù)、規(guī)劃利用、治理修復(fù)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、監(jiān)測(cè)預(yù)警”24字方針[40]。在資源勘查方面,近年來(lái)地球化學(xué)勘查主要聚焦在36種國(guó)家戰(zhàn)略性礦產(chǎn)勘查上,特別是緊缺戰(zhàn)略性礦產(chǎn)Cu、Li、Ni、Co、U和優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)略性礦產(chǎn)Sn、Sb、稀土勘查的地球化學(xué)方法技術(shù)研究。今后,在覆蓋區(qū)尋找戰(zhàn)略性礦產(chǎn)方面,將是覆蓋區(qū)地球化學(xué)勘查新方法、新技術(shù)的用武之地,在全國(guó)新一輪找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)中,無(wú)疑將是不可或缺的重要?jiǎng)?chuàng)新驅(qū)動(dòng)力之一。

相信通過(guò)一代又一代勘查地球化學(xué)工作者的努力,礦產(chǎn)勘查地球化學(xué)基礎(chǔ)理論和方法技術(shù)研究的持續(xù)進(jìn)步,地球化學(xué)勘查技術(shù)的探測(cè)深度將持續(xù)加大,探測(cè)精度持續(xù)提高,不同方法的有效組合和數(shù)據(jù)綜合分析與解釋能力持續(xù)加強(qiáng),采樣、分析流程更加簡(jiǎn)化,更加高效、經(jīng)濟(jì)地開(kāi)展覆蓋區(qū)找礦工作將指日可待。