深穿透地球化学方法在矿产勘查中的应用
摘要 常规的化探方法（如原生晕法、次生晕法、水化学法、分散流法等）在寻找近地表埋藏深度浅的矿体具有良好的效果，但是对于深部探矿存在一定的局限性。为了突破厚层覆盖物，获得深部隐伏矿的信息，各国学者逐步建立发展了深穿透地球化学方法。深穿透地球化学方法探测深度大，可达数百米；所测量的主要内容是直接来自深部矿体的直接信息；这种信息极为微弱，但这种微弱信息反而更可靠，因为常规化探中起干扰作用的物质发不出这种信息。本文主要介绍深穿透地球化学方法的研究状况、原理、在矿产勘查中应用及其存在的问题。
1前言
地球化学勘查简称化探，是一种找矿技术方法。它是系统地在不同尺度和规模上研究大气圈、岩石圈、水圈、土壤圈、生物圈中的化学元素、同位素及其化学特征的空间分布变化规律，并探讨它们在宏观、微观尺度内的分配与迁移机制。常规的化探技术方法如原生晕法、次生晕法、水化学法、分散流法等，在矿产勘探中取得了良好的效果[1]。
随着勘查程度的提高，在出露区找到新矿床的可能性越来越小，因此寻找大型矿床的最大机遇出现在隐伏区[2]。为适应在隐伏区寻找新的大型矿床的需要，突破覆盖层、获得深部矿化信息就成为当务之急，深穿透地球化学方法应运而生。
深穿透地球化学是探测深部隐伏矿或地质体发出的直接信息的勘查地球化学理论与方法，通过研究隐伏矿成矿元素或伴生元素向地表的迁移机理和分散模式，含矿信息在地表的存在形式和富集规律，发展含矿信息采集、提取、分析和成果解释技术，以达到在覆盖区寻找隐伏矿的目的[3]。
2国内外研究状况
多年来地球化学方法主要用于圈定出露及亚出露矿化四周的地表次生分散晕和分散流找矿或圈定盲矿上方地表的原生晕找矿，取得极大效果，但对被厚层沉积物或厚层成矿后沉积岩或火山岩埋藏的矿体，由于地表次生异常与原生晕皆被掩蔽而显得无能为力[4]。
为适应在隐伏区寻找新的大型矿床的需要，突破覆盖层，获得深部矿化信息，国际上自50年代开始就致力于能探测更大深度的地球化学新方法研究。瑞典人
Kristiansson与Malmqvist首先提出的地气（geogas）方法；美国Clarke等人提出酶提取方法；在90年代初苏联提出引起广泛国际关注的电地球化学方法（CHIM）、元素有机态法（MPF）；澳大利亚Mann等人提出活动金属离子法（MMI）[4]。在形成机理的研究方面提出了地气流迁移理论模型、还原烟筒柱模型等。
我国地质工作者于上世纪六、七十年代开始，经多年研究于1990年代进一步发展了适合隐伏区矿产勘查的深穿透地球化学理论与方法[5]。如谢学锦、王学求等人提出的金属活动态法（MOMEO）。
深穿透地球化学勘查技术包括以下几个系列。（1）物理分离提取技术：细粒级测量、磁性分离氧化物测量；（2）电化学测量技术：大电流供电提取技术，小电流独立供电提取技术；（3）选择性化学提取技术：偏提取法、元素有机质形式结合法，活动金属离子法，酶提取法，金属活动态提取法；（4）气体和地气测量技术：地气测量，纳米物质测量，气溶胶测量，地球气纳微金属测量，气体测量（包括常规气体和烃类气体）；（5）水化学测量技术：元素测量、离子（硫酸根、氯离子、钙离子等）测量；（6）生物测量技术：植物、细菌测量。
3原理
各类矿床本身及其围岩中的成矿元素或伴生元素，以活动态的形式，在某种或几种营力作用下被迁移至地表[5]。常见的活动态包括各种离子、络合物、原子团、胶体、超微细的亚微米金属颗粒、铁族元素氧化物吸附和包裹金属、碳酸盐包裹金属、矿物颗粒间的成矿元素独立金属矿物（自然金属、金属互化物、硫化物等）。
一般认为元素被运移至地表的几种途径是：（1）风化过程中元素的物理和化学释放；（2）地下水循环将元素溶解带到地表；（3）离子扩散作用；（4）氧化还原作用（5）蒸发作用；（6）植物根系吸收；（7）气体扩散或被气体搬运。用适当的方法捕获或提取这些元素叠加在地表介质中的含量，可以达到寻找隐伏矿的目的[3]。不同的学者提出了不同的迁移模型，如离子扩散迁移模型（图1）、地下水溶解迁移模型（图2）、电化学迁移模型（图3）、地气流迁移模型（图4）、多营力迁移模型等[6]。
图1 离子扩散模型 图2 水成异常模型
图3 电化学迁移模型 图4 地气流迁移模型
深穿透地球化学理论与方法具有下列特点：（1）可以用于大面积隐伏区的战略性勘查；（2）方法具有广谱性，可以适应于不同景观条件的隐伏区；（3）可以提取活动态金属，这部分金属都是可以被成矿流体所利用的，这就使得我们有可能从微观精细的尺度认识成矿过程和控制矿床形成规模的“基因”，架起成矿学与找矿学的桥梁[7]。
4金属活动态法
上面提到了多种深穿透地球化学方法，鉴于篇幅限制，现在主要介绍金属活动态法（MOMEO）。
4.1理论基础
金属元素活动态测量方法提出的基本思想是在金属矿床及其围岩中，与矿有关的超微细金属或金属离子或化合物会相应增多，并会在某种营力作用下，如地下水、电场、地气流、蒸发作用、浓度梯度、毛细管作用等，向地表迁移，到达地表后被上覆土壤或其它疏松物的地球化学障所捕获，在原介质含量的基础上形
成活动态叠加含量，用适当的提取剂将这些元素叠加含量提取出来，从而达到寻找隐伏矿的目的。
金属元素在地表的活动态形式主要有以下几种：（1）离子状态；（2）各种可溶性化合物和络合物形式；（3）可溶性盐类；（4）胶体形式吸附在土壤颗粒表面；（5）呈离子或超微细颗粒吸附在粘土矿物表面，或呈可交换的离子态存在于粘土矿物之中；（6）不溶有机质结合形式；（7）呈离子或超微细颗粒吸附在矿物颗粒的氧化膜上。
4.2方法技术
对金属活动态的提取，不仅要破坏载体使金属释放出来，而且还要将释放出来的金属能够溶解于溶液中。金属活动态提取是针对金属活动态本身的，而不只是对载体的提取，故称之为金属活动态提取(MOMEO)。针对金属活动态的提取，提出了金属活动态2阶段提取方案：第一阶段是使用顺序提取的方法将载体由弱到强依次溶解，并使金属释放出来；第二阶段是对提取液的处理过程，将第一阶段释放出来的金属溶解于溶液中。
设计的金属活动态提取形式主要包括：（1）水提取态金属（包括金属离子、可溶性化合物、可溶性胶体和可溶性盐类中的金属元素）；（2）吸附和可交换金属；（3）有机质结合金属；（4）氧化物膜吸附或包裹金属。
分析方法以等离子质谱为主，并配合石墨炉原子吸收、预富集化学光谱和原子荧光光谱的分析测试系统，可分析30余种元素。可根据需要选择分析其中的一种或几种元素。一般来说，对金矿而言主要分析Au、Ag、As、Sb、Hg等元素，对于多金属矿主要分析Cu、Pb、Zn、Ag、Au等，对于铜镍硫化物矿床主要分析Cu、Cr、Ni、Co、Pb、Zn、Fe、Mn，对于铂族矿床主要分析Pt、Pd、Ir、Cu、Ni、Au等。
4.3实际应用
勘查地球化学的特点就是它借助于分析技术，可以有效识别肉眼无法识别的矿床类型或矿种，过去在发现难识别矿种或难识别类型上取得了巨大成功。但现在依然有些新的难识别矿种或难识别类型矿床，有待于深入研究和找矿技术的突破，如砂岩型铀矿、黑色岩系中铂族元素矿床、稀有分散元素矿床和油田中伴生的金属矿床等。 4.3.1砂岩型铀矿
过去对铀矿的勘查主要是利用放射性方法。放射性方法在铀矿找矿历史中发挥了巨大作用，但放射性方法只适用于寻找出露矿或近地表矿，即使只有几英尺土壤盖层或岩石盖层，该方法就无能为力[8]。现在世界各国都将找矿方向转向盆地中砂岩型铀矿。而盆地中砂岩型铀矿都为隐伏矿，产于地表以下几十米至几百米深处。因此，发展能用于盆地砂岩铀矿评价的地球化学方法是勘查地球化学面临的重要挑战。中国正在这方面取得重要进展，王学求等利用深穿透地球化学方法的元素活动态提取测量可以有效发现300m盖层以下的铀矿体，铀钼组合异常是砂岩型铀矿的最显著标志（图5）。
图5 深穿透地球化学活动态U、Mo测量可清晰发现砂岩型铀矿
4.3.2黑色岩系中铂族元素矿床
俄罗斯干谷PGE-Au矿床，德国-波兰交界地带Cu-Au-PGE矿床，加拿大育空Nick盆地Ni-Zn-Mo-PGE矿床的共同特征是都产于黑色岩系中。我国西南地区有大片黑色岩系分布，并且已经发现巨大的铂族元素、铜、镍等地球化学异常。但由于黑色岩系中含有大量有机碳和金属呈超微细分散状态，因此难以识别。这类矿床的地球化学勘查受到很多地球学家的关注。
4.3.3稀有分散元素矿床
过去勘查地球化学对稀有分散元素矿床的找矿方法和大面积地球化学填图所做的工作很少，勘查地球化学发挥的作用有限。但随着现代工业对这些元素的
大量需求以及环境问题对这些元素的研究兴趣，引起了勘查地球化学研究人员的注意。如中国的区域化探扫面计划所分析的39种元素，包括了极少几个元素，国际地球化学填图计划和全球地球化学填图计划在开始酝酿时，也只包括了少量这类元素，但后来增加到76种元素，新增加的元素大部分是这类元素。这76种元素的全国地球化学编图的进行和完成，将会为稀有分散元素矿床的发现提供重要的找矿线索。
4.3.4油田中伴生的金属矿床
过去由于受到认识的局限，对石油和金属矿的寻找是风马牛不相及的两件事，但现在越来越多的证据显示石油与某些金属矿有着密不可分的关系。在世界很多油田中都发现含有大量金。如胜利油田原油中金的浓度可达0.106-0.132g/t，据称是我国油田中石油含金量最高的。据胜利油田测井资料，在某钻孔中2400m处，有1g/t的金含量。像这样与石油相伴生的金属，由于面积巨大，尽管含量相对较低，只要开采技术过关，完全可以加以利用。
5存在的问题
（1）异常形成的时间、合理的采样深度是影响深部隐伏矿异常探测的两个关键要素。总的来说，没有任何一种技术能使用于所有地区和所有矿种。每种提取技术的应用，都在相当程度上受土壤物理化学性质（如组分、组构、pH、Eh、粒度等）的影响，指示元素的地表地球化学行为和样品加工分析过程中的思路、操作、控制技术都会左右测定和解释的结果。因此，采样深度与介质、“目标矿物”的选择、次生矿物中内外生组分的比例、提取剂的浓度、提取时的pH、胶体形成等问题，都是技术方法研究者和应用者必须面对的关键课题[5]。
（2）区分矿致异常与非矿异常。随着找矿难度的增加和众多复杂因素的干扰，勘查过程中往往能发现大量性质不明的化探异常，而仅从异常的规模、形态、元素含量以及从元素总量派生出的各种地球化学参数很难准确地判定异常的性质。因此，如何从为数众多的化探异常中快速筛选出最有找矿前景的靶区，并对矿体进行定位预测，成为目前化探勘查中的关键技术难题之一。
（3）与方法有关的基础性问题的研究，如活动性元素的存在形式、迁移机制等。由于元素从深部向地表迁移的机理难以直接观测，而且可能还有其他一些新的地质现象或作用营力未被发现和注意，因此这些基础性问题一直存在着争