唐世新, 马生明, 胡树起
(1.自然资源部地球化学探测重点实验室，廊坊 065000；
2.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000)
当前，世界处于百年未有之大变局，国际贸易争端跌宕起伏，逐渐由经济领域扩展到高科技领域，并蔓延至矿产资源领域[1]。矿产资源是经济社会发展的重要物质基础，社会生产和科学技术的迅猛发展，加速了对矿产资源的勘查、开发和利用程度。我国已经成为全球矿产资源生产大国和消费大国，供需矛盾尤为突出。随着我国经济社会的高速发展，大部分近地表矿产资源已被发现并开发，无论是矿业界、高校，还是科研机构，已经达成共识，未来要发现更多的矿床，保障人类对资源的需求，必须突破覆盖区，走向深部。
实践证明，勘查地球化学方法在基础地质调查、矿产资源普查、详查以及深部矿产勘查等各个阶段均发挥着不可或缺的作用，是解决矿产资源勘查实际问题的有效手段和依据，这是由地球化学勘查微观、定量、直接和多信息的技术特点和优势决定的[2]。然而，随着地质调查和矿产勘查程度的逐步深入，找矿目标体从浅表转向覆盖区，研发能够穿透盖层提取深部成矿信息的地球化学勘查方法迫在眉睫。为了满足覆盖区找矿需求，勘查地球化学界一直以来不断开展非常规的地球化学方法研究示范与应用，从采样介质、样品处理与测试、数据分析、异常解译等方面进行大量创新，如地电化学法、地气法、酶提取法、金属元素活动态提取法、土壤细粒级测量以及热磁组分测量等勘查方法[2]。特别是近十五年，这些非常规地球化学勘查方法，在基础理论研究、方法技术标准化、示范应用推广等方面，都得到了进一步发展。本文在介绍纳米地球化学研究进展基础上，围绕土壤活动态及细粒级土壤全量测量、地电化学、热磁组分测量以及浅钻地球化学勘查方法技术，总结了近十五年来我国覆盖区矿产资源地球化学勘查方法研究进展，提出了未来发展方向。
近年来，纳米地球化学受到越来越多地球化学家的关注，已然发展成一个具有潜在生命力的研究领域[3]。我国高校和科研院所针对覆盖区地表介质中纳米颗粒的采集观测和迁移机理开展了大量研究，取得了重要进展。
1.1 纳米颗粒采集与观测
开展纳米地球化学研究，首先需要通过特定装置和方法采集纳米颗粒，为此各科研团队对纳米颗粒采集装置进行了研发，并针对气体、固体不同介质制定了差异化的采集方法[3]。地气中纳米金属微粒的采集方式分为主动抽气取样法和被动累积取样法，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所(简称“物化探所”)王学求研究团队和中国地质大学(北京)叶荣研究团队[3-8]主要使用主动抽气法采集地气中纳米金属颗粒，中山大学曹建劲[9-11]研究团队则使用被动累积法进行取样。采集固体样品中的纳米金属微粒，则需借助电磁振荡微米筛，使400目以下样品中纳米金属微粒向空气中分散，再利用捕集装置将纳米金属微粒卸载到捕集锗网上。
2011年王学求研究团队[12]首次在河南南阳盆地400 m深隐伏矿上方土壤观测到成矿元素铜的纳米微粒以及铜-铁、铜-银、铜-铬、铜-镍、铜-钛等复合金属纳米微粒，并证实这些纳米金属颗粒是内生条件下的产物，该发现不仅实证了深穿透地球化学具有坚实的理论基础，而且为采集土壤以捕获其中微粒物质指导覆盖区找矿提供了可能。叶荣等[13]通过观测对比浅覆盖蚀变岩型金矿和厚覆盖岩浆热液型铜镍矿两种不同覆盖深度、不同成因类型的矿床上方土壤颗粒中纳米金属颗粒发现，两种纳米颗粒在粒径大小、形态、微粒连接和簇聚关系、元素组合性质以及内部有序结构等方面十分相似，都高度继承源区特征，进一步证实了金属纳米颗粒是元素的稳定存在形式。
1.2 迁移机理
纳米金属微粒是如何从深部矿体到达地表的，是勘查地球化学家需要回答的重大科学问题，自从在地表介质中观测到含成矿元素的纳米金属微粒以来，微粒迁移机理研究就从未停止。相较于上升气流，含成矿元素的微粒物质密度较大，上升气流携带微粒很难克服重力迁移到地表。曹建劲研究团队[10]选择十几个隐伏金属矿床，研究了上升气流微粒特征、形成及迁移机理，认为成矿期后与隐伏矿体有关微粒主要形成于断层作用、氧化作用和生物作用，由于地壳内部和地表存在温差，从而可以吸附到微气泡或本身以类气相形式呈“布朗运动”快速上升，这为含成矿元素纳米金属微粒迁移到达地表提供了合理解释[11, 14-15]。
王学求等[16]在矿区土壤和矿石中发现大量的纳米金属微粒，这些微粒拥有良好的六边形晶型，还与矿种有密切关系，例如含金的微粒主要与金矿床，含铜、镍的微粒则主要与铜镍矿有关。研究认为，这些微粒是在成矿过程中或者矿物风化过程中产生的，与CO2、SO2等气体结合后，穿透覆盖层迁移至地表，一部分继续保留在气体中，还有一部分则被土壤中的粘土、胶体等吸附捕获，此外，纳米微粒具有易分散性质，自身也可以发生垂向迁移至地表，被植物吸收(图1)[5]。
图1 地气流携带纳米金属颗粒迁移模型[4]Fig.1 Transport model of metal nanoparticles carried by ground airflow
由于地表盖层的影响，常规土壤全量测量获得的地球化学异常非常微弱，很难满足覆盖区找矿勘查的需求。研究发现，吸附态和离子可交换态等活动态形式是成矿指示元素在土壤中赋存的主要形式之一，王学求[3]研究团队认为通过提取、测试土壤中的活动态金属能够达到探测盖层以下隐伏矿的目的。白金峰等[17]对智利 Spence 隐伏斑岩铜矿床的活动态提取试验结果表明，已知矿上方水提取相和吸附相有明显的矿致异常显示，同时研究认为在分相合理性、相态提取流程和分析方法等方面仍有许多工作要做。
由于蕴含丰富成矿信息的活动态金属更多地存在于土壤细粒级(粒径<75 μm)，因此土壤细粒级全量测量同样可以用于隐伏矿勘查，相较于活动态提取具有经济、快速、便于操作的优势。王学求等[4]在干旱荒漠区金窝子金矿开展土壤细粒级测量试验，通过分析基岩接触层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个层位成矿元素Au的三维空间分布，发现Au元素在深部矿体赋存部位均有明显的异常显示，呈现出顶底板异常强度更大、中间层位异常强度相对较弱的特点，尽管这种特征是受地球化学景观条件影响，但毫无疑问，细粒级土壤测量可以作为干旱荒漠景观区探测隐伏矿体的有效技术手段。刘汉粮等[18]在甘肃柳园花牛山矿区开展了采样密度和采样时间的对比分析试验，结果认为土壤细粒级测量具有较好的异常重现性，奠定了该方法的实用基础。
地电化学技术是指利用外加电场提取与成矿有关的活动态金属离子，通过分析研究元素组合、分布和异常特征达到找矿目的一种非常规地球化学勘查方法[19-21]。自上世纪80年代开始，我国勘查地球化学家针对该方法开展了大量试验研究。近十五年来，随着偶极地电提取方法、低电压偶极地电提取装置及具有时间控制功能的固体载体型元素提取器等专利技术的授权，以及《地电化学测量技术规程(征求意见稿)》的编写完成，地电化学技术进入到技术方法规范化阶段[22-23]。
以桂林理工大学和物化探所为代表的高校和科研院所，先后在我国高寒山区、高山峡谷区、中低山区、岩溶区、干旱与半干旱风成砂区开展大量试验研究，证实地电化学技术在典型矿区能够取得了良好找矿效果。罗先熔[20]研究团队在金川铜镍矿区应用地电化学技术取得找矿突破，获取矿石资源储量上千万吨，经济效益显著。在内蒙洛恪顿矿区，孙彬彬等[19]通过1:50 000地电化学测量圈出了地球化学异常，配合激电中梯扫面，经钻探工程验证深部存在厚大隐伏银、铜富矿体，实现找矿新发现。
目前，各研究团队对地电化学异常的形成机理尚有不同认识。孙彬彬等[19]认为地电化学技术获得的地球化学异常主要是由于土壤中存在具有电活动性的纳微米级细粒粘土矿物颗粒所引起；
罗先熔研究团队[20]认为矿体、围岩及地表存在离子动态平衡，当施加人工电场作用，打破局部平衡，离子会逐级向上补充，直至深部矿体；
熊长林等[24]认为异常来源于电极周围土壤及矿物中元素异常，并与元素的化学形态有关。异常来源认识不统一，在一定程度上将影响地电化学技术的推广应用。
在土壤物质组成成分中，普遍存在着一种与各种类型的成矿元素关系密切的非晶质铁锰(氢)氧化物物质，(前)苏联A.H.波戈留波夫等[25]在上世纪70年代尝试将这种非晶质铁锰(氢)氧化物作为采样对象，称之为热磁组分测量技术，并将其应用于常规地球化学勘查方法效果不佳的覆盖区隐伏矿勘查。
胡树起等[25-28]引进热磁组分测量技术，提出了热磁组分的提取方法及热、电控制参数，研发了第一代热磁组分提取装备，并在河北蔡家营铅锌矿残坡积物和风成砂土覆盖地区布设2条剖面开展方法有效性试验，初步结果显示，热磁组分测量具有发现覆盖层下矿化信息的较强能力。尤其是在风成砂土覆盖的剖面上(图2)，常规土壤测量 Pb、Zn、Ag、As、Sb、Cd 等基本没有异常显示或异常很弱，土壤热磁组分测量在覆盖层下深部矿体产出部位成矿指示元素异常显著，异常地段与矿体空间位置具有很好的对应关系，而且矿体埋藏较浅的部位异常强度高，矿体埋藏深的部位异常弱但仍然明显，反映出土壤热磁组分测量具有发现风成砂土覆盖层下矿化信息的较强能力。
图2 蔡家营风成砂覆盖区热磁组分测量有效性试验剖面[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，在地质调查项目与科研项目的持续资助下，物化探所研发了第二代热磁组分自动化提取装备，满足了样品批量处理的要求，并先后在草原干旱-半干旱景观区、干旱荒漠景观区、高寒山区、森林沼泽区、冲积平原区等不同景观区，进一步开展了大量的热磁组分测量技术试验研究工作，涉及热液型铜多金属和铅锌银多金属矿、蚀变岩型金矿和铜镍硫化物矿等矿床类型[29-34]。试验结果表明，热磁组分测量技术具有强化弱异常的优势，能够发现运积物盖层中蕴藏的深部微弱矿化信息。至关重要的是，热磁组分测量技术获得的矿致异常重现性很好，这为方法技术的示范应用奠定了基础。在前期大量方法试验的基础上，马生明等[35]尝试将热磁组分测量技术应用于内蒙古黑鹰山地区矿产地质调查，这也是该方法首次大范围应用在生产调查工作中。在常规土壤测量无异常显示地段，利用热磁组分测量技术发现典型砂岩型铀矿元素组合地球化学异常，后经槽探工程揭露，发现盖层下方存在砂岩型铀矿化体，实证了热磁组分测量技术的有效性与实用性。
浅钻地球化学测量是指在浅覆盖区应用机动浅钻以基岩之上风化残留疏松物(或基岩)为采样介质的地球化学勘查工作。该方法穿过外来物盖层，直接针对残积层进行定量分析研究，不仅能反映真实的下伏基岩地球化学信息，还能快速系统采样开展元素表生活动性研究，而且能尽量减少对植被的破坏，降低对环境的影响，是贯彻绿色勘查理念的直接体现，是贯彻落实习近平生态文明思想的重要举措[36]。2008年起，随着“应用机动浅钻的地球化学勘查方法技术研究”、“长江中下游浅覆盖1∶250 000基础地质调查修测”等地质调查项目的启动实施，先后在内蒙古东部、安徽庐枞盆地、新疆哈密东天山等不同景观条件的浅覆盖区(50 m以浅)，开展不同勘查阶段的浅钻地球化学测量方法试验研究，证实该方法在追踪定位矿化体、浅覆盖区资源潜力地球化学定量预测评价及地质地球化学立体填图等方面具有应用前景[37-40]。特别是内蒙古花敖包特银铅锌矿床外围银多金属矿体的发现，印证了浅钻地球化学测量在覆盖区地球化学勘查中的可行性和实效性。
2013年，物化探所针对不同景观、不同覆盖类型制定了机动浅钻选型和配套钻进取样工艺，确定了采样目的层的判(识)别方法、采样介质和采样方法，提出了浅钻地球化学技术操作规程(初稿)[39]。随后，北京探矿工程研究所和物化探所联合起草《浅层取样钻探技术规程》，目前该技术规程已作为行业标准被自然资源部正式发布，为绿色勘查提供了技术支撑。尽管如此，由于浅钻钻探技术的全面性和成熟性仍有欠缺，轻便性和经济性也有待进一步提高，在一定程度上也限制了浅钻地球化学测量方法的广泛应用。
覆盖区找矿一直是勘查界公认的难点，也是勘查地球化学领域长期以来研究的热点。特别是近十五年来，地表介质中金属纳米颗粒的发现为覆盖区化探找矿提供了直接的微观证据，细粒级土壤全量测量、地电化学、热磁组分测量等技术的发展和应用为覆盖区找矿提供了有效手段。浅钻地球化学测量能真实反映盖层下伏基岩地球化学信息，但受限于浅钻钻探工程的轻便性与经济性，在实际找矿勘查中尚未得到广泛应用。在未来很长一段时间内，成矿物质从深部到浅部的迁移机理以及在地表介质中的赋存形态将仍是需要地球化学家进一步研究的课题，浅钻施工采用的钻探机具及配套工艺也还有待改进完善。
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