勘查地球化學(xué)新方法在礦產(chǎn)勘查中的應用及其地質(zhì)效果

  目前, 我國正面臨著(zhù)日益嚴峻的資源形勢, 45種主要礦產(chǎn)中, 有一半以上儲量消耗速度大于儲量增長(cháng)速度, 而且隨著(zhù)國家對礦產(chǎn)資源需求的日益增長(cháng)和勘查程度的不斷提高, 找礦難度日趨加大。因此, 加強礦產(chǎn)資源勘查, 實(shí)現找礦重大突破, 是當前提高礦產(chǎn)資源保障程度的重要途徑。

 

  國內外找礦實(shí)踐證明, 勘查地球化學(xué)方法在礦產(chǎn)勘查工作中是一種快速、有效的技術(shù)手段。而且近年來(lái), 隨著(zhù)研究過(guò)程中廣泛吸收基礎理論學(xué)科和高精度、高靈敏度分析測試技術(shù)的研究新進(jìn)展, 發(fā)現了地球物質(zhì)中新的、過(guò)去未曾被注意到的存在形式和遷移機制, 如納米態(tài)活動(dòng)金屬、地球氣等。經(jīng)過(guò)多年的研究, 研發(fā)出了許多尋找隱伏礦床的新方法、新技術(shù), 并且取得了明顯的試驗和找礦效果。為此, 筆者主要結合前人的研究成果, 重點(diǎn)介紹國內外勘查地球化學(xué)新方法的應用現狀及其地質(zhì)效果, 同時(shí)對存在的問(wèn)題做了較為深入的討論, 并提出一些建議。

 

  1 勘查地球化學(xué)新方法的主要研究成果及其找礦效果勘查地球化學(xué)自20世紀30年代初誕生以來(lái), 經(jīng)過(guò)70余年的發(fā)展, 已經(jīng)從礦產(chǎn)勘查的一種經(jīng)驗或技術(shù), 發(fā)展成為一門(mén)行之有效理論體系的地學(xué)分枝科學(xué)。目前除了傳統的土壤地球化學(xué)測量、水系沉積物地球化學(xué)測量、水地球化學(xué)測量等方法外, 還發(fā)展了如構造疊加暈法、熱釋汞法、電地球化學(xué)法、酶提取法、地氣法以及金屬活動(dòng)態(tài)測量等新方法。

 

  1.1 構造疊加暈法

 

  原生暈找礦方法又稱(chēng)巖石地球化學(xué)方法。該方法從20世紀50年代發(fā)展到現在, 已成為地球化學(xué)找礦的最主要方法之一, 尤其是在找隱伏礦床方面更具優(yōu)勢。前蘇聯(lián)曾應用該方法預測深部盲礦體,其成功率達84%以上。

 

  在原生暈找盲礦理論研究的基礎上, 20世紀90年代末, 李惠等[ 3]根據熱液成因的礦床成礦具有多期多階段脈動(dòng)疊加的特點(diǎn), 提出了構造疊加暈找盲礦的新方法, 從而不僅解釋了過(guò)去用一般原生暈理論不能解釋的原生暈軸向“反?！?、“反分帶”等異?，F象, 而且將“前尾暈共存”、“反分帶”和“地化參數軸向轉折”等無(wú)規律的反?，F象變成了判別深部是否有盲礦存在的重要標志[ 4] 。同時(shí)通過(guò)對膠東、小秦嶺、陜西、河北、內蒙、山西等幾十個(gè)典型金礦床的構造疊加暈模式研究, 總結出了4 種疊加結構的理想模式以及5條盲礦預測準則[ 5] 。其基本原理是研究不同成礦階段的元素組合、不同成礦階段形成礦體(暈)的軸向分帶及其在空間上的疊加特點(diǎn), 建立礦區內已知礦床的巖石地球化學(xué)異常模式和疊加暈找礦模型, 進(jìn)而對礦區深部及外圍的未知區域進(jìn)行預測[ 3 -8] 。但在實(shí)際應用中應注意結合未知礦區疊加暈的特點(diǎn), 特別是前、尾暈特征指示元素及其在軸向上的濃度變化規律[ 7] , 研究成礦(成暈)過(guò)程, 區分主要成礦階段與非主要成礦階段形成的異常特點(diǎn), 有利于從本質(zhì)上反映含礦異常與非礦異常的區別。而僅僅利用統計的方法建立的異常模式和找礦模型, 雖然在找礦工作中也能起到一定的作用, 但局限性較大。

 

  實(shí)踐找礦工作證明, 該方法主要在熱液金屬礦

 

  床方面應用最為成功、效果最好, 特別是在礦產(chǎn)勘探階段, 應用鉆孔、坑道基巖采樣進(jìn)行原生暈研究, 可以有效的指出漏礦以及預測礦化的延伸方向, 從而指導勘探工程布置, 追蹤盲礦體。而熱液金屬礦床主要受構造的控制, 構造帶中原生疊加暈的強度最大、范圍最廣, 因此在采樣工作中應有針對性的采集構造帶中具有蝕變疊加的樣品[ 8] , 這樣不僅可以達到強化暈的強度和盲礦預測信息的目的, 而且還大大減小了采樣和分析工作的難度。

 

  1.2 熱釋汞找礦方法

 

  土壤汞氣測量方法是20世紀70年代中期由欒繼琛、靳德榮、胡國廉等引進(jìn)加拿大HGG-3型測汞儀, 并且首次在國內某矽卡巖型銅礦上發(fā)現了土壤汞氣異常, 由此肯定了土壤汞氣測量的找礦效果。

 

  熱釋汞測量方法是在傳統土壤汞氣測量的基礎

 

  上改進(jìn)的新技術(shù)。它是將原來(lái)在野外直接抽取土壤中的汞蒸汽發(fā)展成為在野外采集土壤樣品, 將樣品陰干、加工后, 用熱釋爐按一定的溫度對土壤進(jìn)行加熱, 使其中呈吸附態(tài)和某些化合態(tài)的汞氣釋放出來(lái),然后用原子吸收型測汞儀測定汞濃度, 通過(guò)已知剖面與未知剖面的汞異常比較來(lái)確定和尋找盲礦[ 10] 。

 

  這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是排除了野外直接從土壤中抽取汞氣過(guò)程中的許多干擾因素, 如季節性溫度差異干擾、土壤濕度差異干擾等, 因此具有更好的找礦效果。該方法操作簡(jiǎn)便, 功效高, 測量重現性好, 在各類(lèi)厚層覆蓋區和不同成因類(lèi)型的有色、貴金屬礦床均能取得較好的找礦效果。熱釋汞法找礦的理論基礎是利用了汞及其化合物特有的地球化學(xué)性質(zhì)[ 9 -11] 。一方面汞是典型的親硫元素, 在內生成礦作用中, 易以類(lèi)質(zhì)同象混入物形式進(jìn)入其他的硫化物中, 使汞呈高度分散狀態(tài);另一方面, 汞及其化合物均有很高的蒸汽壓以及較強的穿透力, 能       夠沿著(zhù)構造斷裂、破碎帶從地面以下幾百米甚至幾千米上升至地表。因此土壤汞異常往往能夠指示隱伏斷裂構造的存在。

 

  然而, 隨著(zhù)應用范圍的擴大以及資料的積累, 特別是斷裂構造帶和地震預報的大量資料的應用, 使人們對該方法的應用效果產(chǎn)生了不同的看法。人們研究發(fā)現汞氣廣泛來(lái)源于構造斷裂帶, 不僅僅是礦體所賦存的構造斷裂存在汞氣異常, 即使是不含礦的構造斷裂帶一般也都存在有汞氣異常[ 12 -13] , 這就導致了汞異常不能直接指示礦體的存在。但是熱釋汞法作為一種輔助找礦方法而言, 仍具有廣闊的應用前景, 它可以為其他的新方法提供找礦依據, 而且還能應用于部分地質(zhì)工作中與構造斷裂有關(guān)的領(lǐng)域, 特別是水文與工程地質(zhì)領(lǐng)域。

 

  1.3 電地球化學(xué)法

 

  電地球化學(xué)方法是前蘇聯(lián)Ryss和Goldberg等[ 14]在20世紀70年代提出的。20世紀80年代桂林冶金地質(zhì)學(xué)院羅先熔等對該方法進(jìn)行了試驗[ 15] ,通過(guò)大量研究工作, 取得一系列成果, 并且先后在多個(gè)隱伏礦的找礦工作中取得了良好的應用效果。

 

  該方法用于尋找隱伏礦體的基本原理是深部盲礦或隱伏礦經(jīng)過(guò)電化學(xué)溶解, 在礦體周?chē)纬呻x子暈, 與成礦物質(zhì)有關(guān)的成礦元素及伴生元素在電化學(xué)電場(chǎng)、地氣、地下水運動(dòng)等各種自然營(yíng)力作用下遷移至近地表, 并以多種形式賦存下來(lái)。在人工電場(chǎng)作用下, 與礦有關(guān)的金屬離子平衡發(fā)生了變化, 其中的金屬陽(yáng)離子在電場(chǎng)作用下向陰極移動(dòng), 并形成電解物,收集并分析電極上吸附的電解物, 即可發(fā)現與礦有關(guān)的金屬離子異常, 從而達到找礦和評價(jià)的目的。

 

  對于該方法的離子來(lái)源問(wèn)題一直存在著(zhù)不同的觀(guān)點(diǎn), 前蘇聯(lián)學(xué)者認為金屬離子是由于人工電場(chǎng)的驅使直接來(lái)源于深部礦體;而中國和美國的學(xué)者則認為人工電場(chǎng)的作用只不過(guò)是驅使早已被其他營(yíng)力遷移至地表土壤中的金屬離子沉積到電極上而已,不可能直接作用到幾百米深的隱伏礦體[ 19] ?？得鞯萚 17]通過(guò)一系列的實(shí)驗研究, 對前人提出的地電提取成暈機制進(jìn)行了辨證的否定, 提出了“外電場(chǎng)作用下, 提取電極周?chē)碾x子運移牽動(dòng)著(zhù)遠處及深部離子遷移的遞推理論”, 認為地電提取的離子并非直接來(lái)自深部礦體, 也不完全只是來(lái)源于電極周?chē)耐寥乐? 而是存在著(zhù)一種動(dòng)態(tài)的離子平衡狀態(tài), 當地下深部有隱伏礦體存在時(shí), 隨著(zhù)淺部離子被提取,礦體電化學(xué)溶解產(chǎn)生的金屬離子就會(huì )源源不斷地從深部向上遷移, 從而形成了動(dòng)態(tài)平衡的離子暈。

 

  電地球化學(xué)法是將地球物理、地球化學(xué)和電化學(xué)綜合交叉為一體組成的一種找礦方法[ 15] , 主要應用于礦產(chǎn)勘查的詳查及異常查證階段。據國內外的研究表明, 該方法可用于尋找埋藏厚度超過(guò)150 m的未固結覆蓋層下和厚度超過(guò)500 m基巖下的深部礦體[ 19] , 在尋找隱伏礦床方面具有廣闊的應用前景, 目前有關(guān)學(xué)者正在研究將該方法應用于油氣資源的勘查開(kāi)發(fā)中[ 20] 。

 

  1.4 酶提取法

 

  酶提取技術(shù)是由美國地調所Clark等于20世紀80年代末和90年代初研制出的利用葡萄糖氧化酶提取礦物顆粒表面的非晶質(zhì)錳的氧化膜尋找隱伏礦的方法。

 

  其基本原理是非晶質(zhì)二氧化錳由于具有較大的表面以及在表面上正負電荷的隨機分布, 從而成為一種極強有力的吸附劑, 能吸附各種從深部礦體向上遷移的陽(yáng)離子及陰離子。在葡萄糖氧化酶和右旋糖在提取液中, 發(fā)生反應產(chǎn)生痕量過(guò)氧化氫和葡萄糖酸, 稀釋的過(guò)氧化氫容易還原和溶解非晶質(zhì)的二氧化錳(MnO2 +H2O2 +2H+※Mn2 + +O2 +2H2O),從而將捕獲的痕量元素釋放出來(lái), 通過(guò)測定溶液中的金屬離子濃度, 可發(fā)現隱伏礦。

 

  該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是生成的痕量過(guò)氧化氫能夠選擇性的溶解土壤中的非晶質(zhì)二氧化錳, 當所有非晶質(zhì)二氧化錳都已反應, 酶的作用也就停止, 不會(huì )進(jìn)一步去溶解晶質(zhì)鐵錳氧化物, 從而提高了異常的可靠程度。至于元素向上遷移的機制, Clarke等[ 21]認為最主要的是深循環(huán)的地下水將金屬離子直接帶到地表或被帶到近地表潛水面處, 又被植物根系吸收,在植物腐爛后, 堆積于地表, 最終被礦物顆粒表面的鐵錳氧化物膜所捕獲。

 

  該方法只提取非晶質(zhì)錳的氧化物, 因此能有效應用于冰積物覆蓋區。加拿大Hoffman等[ 23] 亦曾實(shí)驗過(guò)該方法, 據報導, 對酶提取技術(shù)所圈定的異常驗證結果已有550多個(gè)鉆孔見(jiàn)礦。

 

  1.5 地氣法

 

  地氣法是20世紀80年代瑞典科學(xué)家Kristiansson和Malmqvist[ 24]提出的一種新的地球化學(xué)方法。

 

  該方法于80年代末引入我國, 童莼菡、謝學(xué)錦、王學(xué)求等[ 25, 28 -30]對其做了大量的研究工作, 并且隨著(zhù)液體捕集介質(zhì)和高靈敏度的ICP-MS測試技術(shù)的使用, 我國地氣測量方法在尋找隱伏礦上的應用取得了長(cháng)足的發(fā)展。

 

  該方法有別于傳統的氣體地球化學(xué)測量, 因為它不僅僅是對氣體分子本身進(jìn)行研究, 更主要的還是對氣體攜帶的納米態(tài)物質(zhì)進(jìn)行觀(guān)測。其應用于深部找礦的理論假設是地球內部存在著(zhù)垂直運移的上升氣流, 其主要成分為N2 、O2 、Ar、CH4 , 少量CO2和重烴[ 19] , 當它們流經(jīng)礦體或巖層時(shí), 能夠將其中成礦元素的納米微粒附著(zhù)于氣泡表面帶至地表, 從而在礦體上方形成了成礦元素、伴生元素的地氣異常, 因此可以通過(guò)測量這種氣流中的元素了解深部含礦性。然而這種元素氣體在地表的濃度是極其微弱的, 大約為10-9 ～ 10-11 g/cm3 。但是正如謝學(xué)錦院士在總結地球氣試驗初步成果時(shí)所指出的:“盡管這種直接找礦信息極為微弱, 但它反而可能更加可靠。這是因為在巖石中存在的結合在各種化合物及獨立礦物中的金屬是難以被地下上升的微氣泡帶出, 而能被微氣泡帶出的超顯微或納米尺度的金屬正是最活躍的能被各種成礦流體攜帶成礦的那部分金屬”。因此, 地氣法作為尋找隱伏礦最具應用前景的方法之一, 受到了廣大勘查地球化學(xué)家的重視。

 

  國內外的研究應用成果表明, 地氣測量可以反映地表以下300 ～ 400 m深的金屬礦, 也可反映埋深4 000 m的油氣田環(huán)狀構造[ 25] 。目前一般認為地氣中納米級物質(zhì)基本上是垂直運移, 通過(guò)覆蓋層微裂隙到達地表層。遇到斷裂帶會(huì )提高上升速度, 因此地氣異常往往出現在隱伏斷裂的正上方, 是揭示深部隱伏斷裂的有效手段, 異常的寬度基本反映了隱伏斷裂破碎帶的寬度。此外該方法所采集的樣品均來(lái)自近地表大氣或土壤中氣, 因此其觀(guān)測結果受覆蓋層、巖石類(lèi)型和表生作用等條件的影響較小, 甚至可以應用于很難采用傳統地學(xué)方法找礦的戈壁、沙漠、平原、草原和森林等特殊景觀(guān)地區。

 

  1.6 金屬活動(dòng)態(tài)測量法

 

  20世紀90年代初, 王學(xué)求等人在總結前人研究的基礎上率先提出了元素活動(dòng)態(tài)測量技術(shù)的基本概念和基本思想, 為金屬活動(dòng)態(tài)測量技術(shù)的發(fā)展打下了堅實(shí)的基礎。該方法問(wèn)世后, 在多個(gè)礦區(新疆西天山、膠東地區及烏茲別克斯坦的穆龍套金礦、澳大利亞的奧林匹克壩礦區等)[ 18] 上進(jìn)行了有效性試驗, 其試驗結果均表明該方法具有靈敏度高、探測深度大、抗干擾能力強、找礦效果顯著(zhù)等特點(diǎn)。

 

  金屬活動(dòng)態(tài)測量技術(shù)是依據金屬(特別是金)主要呈超微細粒而不是離子狀態(tài)存在的新概念為基礎而研發(fā)的[ 30] ?，F在普遍認為在金屬礦床本身及其圍巖中, 有大量與礦有關(guān)的超微細粒金屬、金屬離子或化合物的存在。這些超微細粒金屬或離子以及化合物, 會(huì )在某種地質(zhì)營(yíng)力(如地下水、電場(chǎng)、桟郟D  €?地氣流、蒸發(fā)作用、濃度梯度、毛細管作用等)的作用下向地表遷移。對于厚層運積物覆蓋區和后來(lái)沉積巖或火山巖蓋層區, 地氣的搬運可能起著(zhù)主導作用。

 

  這些超微細粒金屬或離子以及化合物在到達地表后, 被各種天然捕集物質(zhì)(如可溶性鹽類(lèi)、膠體、黏土、氧化物和有機質(zhì)等)所捕獲, 并在原介質(zhì)元素含量的基礎上形成活動(dòng)態(tài)疊加含量[ 28 -33] 。對采集的土壤樣品實(shí)施兩步提取流程[ 32] :第一步用各種弱溶劑使活動(dòng)態(tài)金屬與其依附的載體分離;第二步用強溶劑(HNO3 +HF+HClO4)破壞膠體, 使活動(dòng)態(tài)金屬擺脫膠體的吸附而進(jìn)入溶液。用原子熒光、原子吸收、等離子質(zhì)譜等手段測定溶液中欲分析的元素, 可達到尋找和評價(jià)隱伏礦的目的。

 

  目前該方法已運用于多個(gè)礦區的深部找礦工作, 并且都得到了較好的找礦效果, 特別是對不易形成離子形式而多以超微細?；顒?dòng)態(tài)形式存在的金的找礦效果更為突出。但正如謝學(xué)錦院士指出的那樣:“測試元素的總量是最優(yōu)先考慮的事, 因為它們是最能夠再現的數據, 而且與從礦產(chǎn)勘查到地質(zhì)調查再到基礎地質(zhì)的研究目標相一致” 。因此, 對于金屬活動(dòng)態(tài)測量技術(shù), 只有在那些元素總量測量效果欠佳的地區才會(huì )適當采用。

 

  2 存在問(wèn)題

 

  隨著(zhù)高精度、高靈敏度分析測試儀器的使用以及與基礎理論學(xué)科的廣泛融合, 勘查地球化學(xué)方法取得了較好的發(fā)展, 研發(fā)出了許多新方法、新技術(shù), 并且在礦產(chǎn)勘查的應用中取得了很好的找礦效果。但是這些找礦方法同樣也存在著(zhù)許多明顯的問(wèn)題, 其中急需認識和重視的問(wèn)題可以概括為以下幾個(gè)方面。

 

  (1)區分礦致異常與非礦異常。隨著(zhù)找礦難度的增加和眾多復雜因素的干擾, 勘查過(guò)程中往往能發(fā)現大量性質(zhì)不明的化探異常, 而僅從異常的規模、形態(tài)、元素含量以及從元素總量派生出的各種地球化學(xué)參數很難準確地判定異常的性質(zhì)。因此, 如何從為數眾多的化探異常中快速篩選出最有找礦前景的靶區, 并對礦體進(jìn)行定位預測, 成為目前化探勘查中的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

 

  (2)與方法有關(guān)的基礎性問(wèn)題的研究, 如活動(dòng)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(guān)測, 而且可能還有其他一些新的地質(zhì)現象或作用營(yíng)力未被發(fā)現和注意,因此這些基礎性問(wèn)題一直存在著(zhù)爭議。但是, 這些問(wèn)題的解決不僅對金屬礦產(chǎn)的勘查有著(zhù)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(wèn)題的研究都具有十分重要的意義。

 

  (3)難識別類(lèi)型或難識別礦種的勘查。過(guò)去一段時(shí)間, 勘查地球化學(xué)借助于高精度、高靈敏度的分析技術(shù), 在發(fā)現難識別礦種或難識別類(lèi)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(lèi)型礦床, 有待于深入研究和找礦技術(shù)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。

 

  3 認識與建議

 

  通過(guò)上述對各種勘查地球化學(xué)新方法應用現狀及其地質(zhì)效果的評價(jià)分析, 可以發(fā)現化探方法應用于礦產(chǎn)勘查具有經(jīng)濟、快速、見(jiàn)微知著(zhù)以及受覆蓋層限制較小的特點(diǎn), 而且與物探方法相比更具有直接性。但也應注意到, 上述的任何一種化探方法都有其自身的適用性, 對于不同的礦種、不同的景觀(guān)條件、不同的勘查階段都有其一定的適用范圍, 例如原生暈—構造疊加暈找礦方法, 對于礦區基巖出露較好的地區以及在已知礦體深部尋找盲礦體或第二個(gè)礦體富集帶較適用;而對于被厚層外來(lái)運積物(黃土、沖積層、戈壁等)覆蓋的地區, 則可采用能夠有效揭示深部異常的酶提取法、電地球化學(xué)法、金屬活動(dòng)態(tài)測量法等等。因此在實(shí)際應用這些方法時(shí), 應根據不同的情況選擇合適的方法。

 

  礦產(chǎn)勘查工作是一項復雜的系統工程, 任何一種單純或單一的化探方法都很難對發(fā)現的化探異常做出圓滿(mǎn)的解釋。因此在實(shí)際勘查工作中, 必須從思想上重視化探方法與地質(zhì)、物探、遙感等技術(shù)方法的綜合應用, 充分發(fā)揮各學(xué)科的特長(cháng)和優(yōu)勢, 最大限度的克服異常的多解性。此外, 任何一種找礦標志和指示元素都會(huì )不同程度地受到礦床類(lèi)型和成礦條件的限制, 因此, 在利用上述方法時(shí)還必須結合具體礦區的地質(zhì)背景, 在地質(zhì)研究的指引下有針對性的進(jìn)行。

 

  隨著(zhù)各種勘查地球化學(xué)方法理論與技術(shù)的不斷成熟和完善, 相信它們在礦產(chǎn)勘查的應用中將會(huì )發(fā)揮更加重要的作用, 而且在地熱、地震預報、環(huán)境和其他一些研究領(lǐng)域的應用中也有望得到突破。