深穿透地球化學方法

1、深穿透地球化學方法在礦產(chǎn)勘查中的應用摘要 常規(guī)的化探方法（如原生暈法、次生暈法、水化學法、分散流法等）在尋找近地表埋藏深度淺的礦體具有良好的效果，但是對于深部探礦存在一定的局限性。為了突破厚層覆蓋物，獲得深部隱伏礦的信息，各國學者逐步建立發(fā)展了深穿透地球化學方法。深穿透地球化學方法探測深度大，可達數(shù)百米；所測量的主要內(nèi)容是直接來自深部礦體的直接信息；這種信息極為微弱，但這種微弱信息反而更可靠，因為常規(guī)化探中起干擾作用的物質發(fā)不出這種信息。本文主要介紹深穿透地球化學方法的研究狀況、原理、在礦產(chǎn)勘查中應用及其存在的問題。1前言地球化學勘查簡稱化探，是一種找礦技術方法。它是系統(tǒng)地在不同尺度和規(guī)模上研

2、究大氣圈、巖石圈、水圈、土壤圈、生物圈中的化學元素、同位素及其化學特征的空間分布變化規(guī)律，并探討它們在宏觀、微觀尺度內(nèi)的分配與遷移機制。常規(guī)的化探技術方法如原生暈法、次生暈法、水化學法、分散流法等，在礦產(chǎn)勘探中取得了良好的效果1。隨著勘查程度的提高，在出露區(qū)找到新礦床的可能性越來越小，因此尋找大型礦床的最大機遇出現(xiàn)在隱伏區(qū)2。為適應在隱伏區(qū)尋找新的大型礦床的需要，突破覆蓋層、獲得深部礦化信息就成為當務之急，深穿透地球化學方法應運而生。深穿透地球化學是探測深部隱伏礦或地質體發(fā)出的直接信息的勘查地球化學理論與方法，通過研究隱伏礦成礦元素或伴生元素向地表的遷移機理和分散模式，含礦信息在地表的存在形式

3、和富集規(guī)律，發(fā)展含礦信息采集、提取、分析和成果解釋技術，以達到在覆蓋區(qū)尋找隱伏礦的目的3。2國內(nèi)外研究狀況多年來地球化學方法主要用于圈定出露及亞出露礦化四周的地表次生分散暈和分散流找礦或圈定盲礦上方地表的原生暈找礦，取得極大效果，但對被厚層沉積物或厚層成礦后沉積巖或火山巖埋藏的礦體，由于地表次生異常與原生暈皆被掩蔽而顯得無能為力4。為適應在隱伏區(qū)尋找新的大型礦床的需要，突破覆蓋層，獲得深部礦化信息，國際上自50年代開始就致力于能探測更大深度的地球化學新方法研究。瑞典人Kristiansson與Malmqvist首先提出的地氣（geogas）方法；美國Clarke等人提出酶提取方法；在90年代初

4、蘇聯(lián)提出引起廣泛國際關注的電地球化學方法（CHIM）、元素有機態(tài)法（MPF）；澳大利亞Mann等人提出活動金屬離子法（MMI）4。在形成機理的研究方面提出了地氣流遷移理論模型、還原煙筒柱模型等。我國地質工作者于上世紀六、七十年代開始，經(jīng)多年研究于1990年代進一步發(fā)展了適合隱伏區(qū)礦產(chǎn)勘查的深穿透地球化學理論與方法5。如謝學錦、王學求等人提出的金屬活動態(tài)法（MOMEO）。深穿透地球化學勘查技術包括以下幾個系列。（1）物理分離提取技術：細粒級測量、磁性分離氧化物測量；（2）電化學測量技術：大電流供電提取技術，小電流獨立供電提取技術；（3）選擇性化學提取技術：偏提取法、元素有機質形式結合法，活動金屬

5、離子法，酶提取法，金屬活動態(tài)提取法；（4）氣體和地氣測量技術：地氣測量，納米物質測量，氣溶膠測量，地球氣納微金屬測量，氣體測量（包括常規(guī)氣體和烴類氣體）；（5）水化學測量技術：元素測量、離子（硫酸根、氯離子、鈣離子等）測量；（6）生物測量技術：植物、細菌測量。3原理各類礦床本身及其圍巖中的成礦元素或伴生元素，以活動態(tài)的形式，在某種或幾種營力作用下被遷移至地表5。常見的活動態(tài)包括各種離子、絡合物、原子團、膠體、超微細的亞微米金屬顆粒、鐵族元素氧化物吸附和包裹金屬、碳酸鹽包裹金屬、礦物顆粒間的成礦元素獨立金屬礦物（自然金屬、金屬互化物、硫化物等）。 一般認為元素被運移至地表的幾種途徑是：（1）風化

6、過程中元素的物理和化學釋放；（2）地下水循環(huán)將元素溶解帶到地表；（3）離子擴散作用；（4）氧化還原作用（5）蒸發(fā)作用；（6）植物根系吸收；（7）氣體擴散或被氣體搬運。用適當?shù)姆椒ú东@或提取這些元素疊加在地表介質中的含量，可以達到尋找隱伏礦的目的3。不同的學者提出了不同的遷移模型，如離子擴散遷移模型（圖1）、地下水溶解遷移模型（圖2）、電化學遷移模型（圖3）、地氣流遷移模型（圖4）、多營力遷移模型等6。圖1 離子擴散模型 圖2 水成異常模型圖3 電化學遷移模型 圖4 地氣流遷移模型深穿透地球化學理論與方法具有下列特點：（1）可以用于大面積隱伏區(qū)的戰(zhàn)略性勘查；（2）方法具有廣譜性，可以適應于不同景

7、觀條件的隱伏區(qū)；（3）可以提取活動態(tài)金屬，這部分金屬都是可以被成礦流體所利用的，這就使得我們有可能從微觀精細的尺度認識成礦過程和控制礦床形成規(guī)模的“基因”，架起成礦學與找礦學的橋梁7。4金屬活動態(tài)法上面提到了多種深穿透地球化學方法，鑒于篇幅限制，現(xiàn)在主要介紹金屬活動態(tài)法（MOMEO）。4.1理論基礎金屬元素活動態(tài)測量方法提出的基本思想是在金屬礦床及其圍巖中，與礦有關的超微細金屬或金屬離子或化合物會相應增多，并會在某種營力作用下，如地下水、電場、地氣流、蒸發(fā)作用、濃度梯度、毛細管作用等，向地表遷移，到達地表后被上覆土壤或其它疏松物的地球化學障所捕獲，在原介質含量的基礎上形成活動態(tài)疊加含量，用適當

8、的提取劑將這些元素疊加含量提取出來，從而達到尋找隱伏礦的目的。金屬元素在地表的活動態(tài)形式主要有以下幾種：（1）離子狀態(tài)；（2）各種可溶性化合物和絡合物形式；（3）可溶性鹽類；（4）膠體形式吸附在土壤顆粒表面；（5）呈離子或超微細顆粒吸附在粘土礦物表面，或呈可交換的離子態(tài)存在于粘土礦物之中；（6）不溶有機質結合形式；（7）呈離子或超微細顆粒吸附在礦物顆粒的氧化膜上。4.2方法技術對金屬活動態(tài)的提取，不僅要破壞載體使金屬釋放出來，而且還要將釋放出來的金屬能夠溶解于溶液中。金屬活動態(tài)提取是針對金屬活動態(tài)本身的，而不只是對載體的提取，故稱之為金屬活動態(tài)提取(MOMEO)。針對金屬活動態(tài)的提取，提出了金

9、屬活動態(tài)2階段提取方案：第一階段是使用順序提取的方法將載體由弱到強依次溶解，并使金屬釋放出來；第二階段是對提取液的處理過程，將第一階段釋放出來的金屬溶解于溶液中。設計的金屬活動態(tài)提取形式主要包括：（1）水提取態(tài)金屬（包括金屬離子、可溶性化合物、可溶性膠體和可溶性鹽類中的金屬元素）；（2）吸附和可交換金屬；（3）有機質結合金屬；（4）氧化物膜吸附或包裹金屬。分析方法以等離子質譜為主，并配合石墨爐原子吸收、預富集化學光譜和原子熒光光譜的分析測試系統(tǒng)，可分析30余種元素?？筛鶕?jù)需要選擇分析其中的一種或幾種元素。一般來說，對金礦而言主要分析Au、Ag、As、Sb、Hg等元素，對于多金屬礦主要分析Cu、

10、Pb、Zn、Ag、Au等，對于銅鎳硫化物礦床主要分析Cu、Cr、Ni、Co、Pb、Zn、Fe、Mn，對于鉑族礦床主要分析Pt、Pd、Ir、Cu、Ni、Au等。4.3實際應用勘查地球化學的特點就是它借助于分析技術，可以有效識別肉眼無法識別的礦床類型或礦種，過去在發(fā)現(xiàn)難識別礦種或難識別類型上取得了巨大成功。但現(xiàn)在依然有些新的難識別礦種或難識別類型礦床，有待于深入研究和找礦技術的突破，如砂巖型鈾礦、黑色巖系中鉑族元素礦床、稀有分散元素礦床和油田中伴生的金屬礦床等。4.3.1砂巖型鈾礦過去對鈾礦的勘查主要是利用放射性方法。放射性方法在鈾礦找礦歷史中發(fā)揮了巨大作用，但放射性方法只適用于尋找出露礦或近地表

11、礦，即使只有幾英尺土壤蓋層或巖石蓋層，該方法就無能為力8?，F(xiàn)在世界各國都將找礦方向轉向盆地中砂巖型鈾礦。而盆地中砂巖型鈾礦都為隱伏礦，產(chǎn)于地表以下幾十米至幾百米深處。因此，發(fā)展能用于盆地砂巖鈾礦評價的地球化學方法是勘查地球化學面臨的重要挑戰(zhàn)。中國正在這方面取得重要進展，王學求等利用深穿透地球化學方法的元素活動態(tài)提取測量可以有效發(fā)現(xiàn)300m蓋層以下的鈾礦體，鈾鉬組合異常是砂巖型鈾礦的最顯著標志（圖5）。圖5 深穿透地球化學活動態(tài)U、Mo測量可清晰發(fā)現(xiàn)砂巖型鈾礦4.3.2黑色巖系中鉑族元素礦床俄羅斯干谷PGE-Au礦床，德國-波蘭交界地帶Cu-Au-PGE礦床，加拿大育空Nick盆地Ni-Zn-M

12、o-PGE礦床的共同特征是都產(chǎn)于黑色巖系中。我國西南地區(qū)有大片黑色巖系分布，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)巨大的鉑族元素、銅、鎳等地球化學異常。但由于黑色巖系中含有大量有機碳和金屬呈超微細分散狀態(tài)，因此難以識別。這類礦床的地球化學勘查受到很多地球學家的關注。4.3.3稀有分散元素礦床過去勘查地球化學對稀有分散元素礦床的找礦方法和大面積地球化學填圖所做的工作很少，勘查地球化學發(fā)揮的作用有限。但隨著現(xiàn)代工業(yè)對這些元素的大量需求以及環(huán)境問題對這些元素的研究興趣，引起了勘查地球化學研究人員的注意。如中國的區(qū)域化探掃面計劃所分析的39種元素，包括了極少幾個元素，國際地球化學填圖計劃和全球地球化學填圖計劃在開始醞釀時，也只

13、包括了少量這類元素，但后來增加到76種元素，新增加的元素大部分是這類元素。這76種元素的全國地球化學編圖的進行和完成，將會為稀有分散元素礦床的發(fā)現(xiàn)提供重要的找礦線索。4.3.4油田中伴生的金屬礦床過去由于受到認識的局限，對石油和金屬礦的尋找是風馬牛不相及的兩件事，但現(xiàn)在越來越多的證據(jù)顯示石油與某些金屬礦有著密不可分的關系。在世界很多油田中都發(fā)現(xiàn)含有大量金。如勝利油田原油中金的濃度可達0.106-0.132g/t，據(jù)稱是我國油田中石油含金量最高的。據(jù)勝利油田測井資料，在某鉆孔中2400m處，有1g/t的金含量。像這樣與石油相伴生的金屬，由于面積巨大，盡管含量相對較低，只要開采技術過關，完全可以加

14、以利用。5存在的問題（1）異常形成的時間、合理的采樣深度是影響深部隱伏礦異常探測的兩個關鍵要素?？偟膩碚f，沒有任何一種技術能使用于所有地區(qū)和所有礦種。每種提取技術的應用，都在相當程度上受土壤物理化學性質（如組分、組構、pH、Eh、粒度等）的影響，指示元素的地表地球化學行為和樣品加工分析過程中的思路、操作、控制技術都會左右測定和解釋的結果。因此，采樣深度與介質、“目標礦物”的選擇、次生礦物中內(nèi)外生組分的比例、提取劑的濃度、提取時的pH、膠體形成等問題，都是技術方法研究者和應用者必須面對的關鍵課題5。（2）區(qū)分礦致異常與非礦異常。隨著找礦難度的增加和眾多復雜因素的干擾，勘查過程中往往能發(fā)現(xiàn)大量性質

15、不明的化探異常，而僅從異常的規(guī)模、形態(tài)、元素含量以及從元素總量派生出的各種地球化學參數(shù)很難準確地判定異常的性質。因此，如何從為數(shù)眾多的化探異常中快速篩選出最有找礦前景的靶區(qū)，并對礦體進行定位預測，成為目前化探勘查中的關鍵技術難題之一。（3）與方法有關的基礎性問題的研究，如活動性元素的存在形式、遷移機制等。由于元素從深部向地表遷移的機理難以直接觀測，而且可能還有其他一些新的地質現(xiàn)象或作用營力未被發(fā)現(xiàn)和注意，因此這些基礎性問題一直存在著爭議。但是，這些問題的解決不僅對金屬礦產(chǎn)的勘查有著十分重要的意義，而且對于方法自身的發(fā)展以及對礦床成因等問題的研究都具有十分重要的意義。現(xiàn)有的試驗結果表明，還沒有一

16、種方法提取的結果能完全用現(xiàn)有的理論模型來解釋。每種方法都有使用的局限性，并非總能成功。所以在一個新區(qū)開展工作時，要進行大量的實驗研究，包括對各種技術方法的比較和采樣深度、提取時間、提取溫度的研究。（4）難識別類型或難識別礦種的勘查。過去一段時間，勘查地球化學借助于高精度、高靈敏度的分析技術，在發(fā)現(xiàn)難識別礦種或難識別類型礦床上取得了巨大成功，特別是貴金屬礦以及有色金屬礦。但目前依然存在一些新的難識別礦種或難識別類型礦床，有待于深入研究和找礦技術的突破，如砂巖型鈾礦、黑色巖系中鉑族元素礦床、稀有分散元素礦床和油田中伴生的金屬礦床等9。（5）此外，因為這類技術所探測的信息十分微弱，指示元素的含量水平

17、低，異常背景難以辨析，單憑分析結果解釋異常，不確定性會很大。所以在實際應用的過程中，要與基礎地質、地球物理等方法相結合，對分析的結果進行全面、綜合的評價。參考文獻1 彭省臨，邵擁軍，張建東金屬礦山隱伏礦找礦預測理論與方法J地質通報，2011，30（4）：538-5432 尤宏亮深穿透地球化學方法綜述J有色礦冶，2005，21（6）：3-63 王學求深穿透勘查地球化學J物探與化探，1998，22（3）：166-1694 謝學錦戰(zhàn)術性與戰(zhàn)略性深穿透地球化學方法J地學前緣，1998，5（1-2）：171-1835 楊少平，弓秋麗，文志剛等地球化學勘查新技術應用研究J地質學報，2011，85（11）：1844-18776 王學求深穿透地球化學遷移模型J地質通報，2005，24（10-11）：892-8967 王學求礦產(chǎn)勘查地球化學：過去的成就與未來的挑戰(zhàn)J地學前緣，2003，10（1）：239-2488 STEVENS D N， ROUSE G E， de VOTO R H Radon222 insoil gas： three uranium exploration case