地球化学探测:从纳米到全球

文中简要总结了勘查地球化学的发展历程,阐述了从纳米尺度到全球尺度地球化学探测的最新进展。勘查地球化学从诞生初期研究手标本化学成分,到研究矿床尺度原生晕,到20世纪70年代以后研究化学元素的区域分布,到90年代以后开始研究全球尺度化学元素分布。进入2000年以后,为了更深层次理解这些宏观地球化学模式是如何受元素的微观行为控制的,开始了纳米尺度地球化学探测。目前纳米尺度地球化学和全球尺度地球化学研究成为地球化学探测的两个前沿研究领域。笔者从微观、区域和全球不同尺度地球化学探测,各列举一个前缘领域进行了介绍。(1)在微观尺度上,从纳米水平研究化学元素的存在行为、分散和迁移机理,列举了有关纳米铜和纳米金晶体颗粒的发现及其对隐伏矿勘查的意义;(2)在区域尺度上,阐述了盆地砂岩型铀矿地球化学调查理论与技术进展;(3)在全球尺度上,列举了全球地球化学基准研究的最新进展,初步总结了全球尺度化学元素分布与地质背景、矿产资源、气候变化和人类活动的关系。

全国地球化学基准网建立与土壤地球化学基准值特征

全球一致性和权威性地球化学观测数据是资源与环境评价的定量标尺。中国实施的"全国地球化学基准计划"作为"全球地球化学基准计划"的一部分,于2008—2014年实施,建立了覆盖全国的地球化学基准网。按照1∶20万图幅为网格单元,在全国1600个网格单元中,共部署3382个汇水域采样基准点,每个基准点同时采集了表层和深层土壤样品,共计采集6617件样品,使用高精度分析技术和严格的质量控制,分析了81个地球化学指标。本文首次给出了全国土壤81个指标地球化学基准值数据,初步阐释了地球化学基准值数据和空间分布特征与地质背景、成矿作用、表生作用以及人类活动的关系。

盆地金属矿穿透性地球化学勘查模型与案例

近20年来,越来越多的大型金属矿床在盆地内部及其边缘被发现。传统的勘查地球化学方法对盆地及盆山边缘覆盖区无能为力,深穿透地球化学探测技术为解决盆地及其边缘覆盖区找矿难题提供了一种行之有效的手段。文章通过对沉积砂岩盆地铀矿、火山岩盆地银多金属矿、变质岩盖层铜镍矿和沉积盖层金矿开展探测试验,得出:(1)砂岩型铀矿中活动性铀主要以铀酰络阳离子的形式存在,铀酰络阳离子很容易受地下水运动及蒸发蒸腾作用而发生迁移,迁移通道包括砂岩的孔隙、构造裂隙等,到达地表后,铀酰络阳离子易与土壤中带负电的黏土矿物结合而赋存其中,使用微细粒分离和活动态提取两种方法均能圈定矿致异常;(2)火山岩盆地中,与火山岩近乎同期形成的矿床,矿床形成过程中含矿流体携带成矿元素银、金、铜等沿构造裂隙运移,迁移到地表后被土壤中的黏土矿物所吸附,使用土壤活动态测量和微细粒分离测量均能有效圈定已知矿体,异常直接位于矿体上方;(3)变质岩盆地超基性岩体在侵位过程中,岩体与变质岩接触带将产生大量的构造裂隙,因此当流体通过岩体与围岩接触带时,将携带矿体中铜、镍向上迁移至地表,形成环状异常;(4)洛宁盆地金矿成矿过程中,成矿元素金、银等以络合物、纳米级单质或合金等形式通过流体携带顺着构造破碎带向上迁移,地表岩石风化发生成矿元素解离,后期被黄土覆盖,矿体或岩石解离的化合物或纳米颗粒可以穿过黄土孔隙向上迁移至地表,并赋存于表层黄土的细粒级黏土中,因此采用土壤微细粒分离测量可圈出矿致异常。本文根据深穿透地球化学方法应用效果,异常的形态,并结合盖层的特点,成矿元素的存在形式、迁移方式以及在地表的赋存状态,初步建立了盆地金属矿深穿透地球化学勘查模型,为盆地盖层区地球化学勘查提供了理论与技术支撑。

高压密闭消解-电感耦合等离子体质谱法测定地球化学样品中的50种元素

选择电感耦合等离子体质谱法测定地球化学样品中50种元素的含量。取0.1000g样品,置于高压密闭消解罐的聚四氟乙烯(PTFE)内胆中,加入氢氟酸3mL及硝酸1mL,放入密闭钢套中,拧紧。在150℃下消解2h,待冷却降压后取出内胆,加入高氯酸0.25mL,于150℃加热蒸发至白烟冒尽。加入硝酸1mL和水1mL,将内胆置于钢套中,于150℃再次密闭消解12h。自然冷却,将内胆中溶液转移至PTFE比色管中,加水定容至10.0mL,摇匀。分取此母液1.00mL,置于10mLPTFE比色管中,用约φ2.2%硝酸溶液稀释至10.0mL,保持溶液中硝酸浓度在3%左右。此溶液用于测定(S1组)Li、Be、V等28种元素和(S2组)Sc、Y、La等16种元素。另取母液1.00mL,置于10mLPTFE比色管中,加入φ10%氢氟酸溶液2滴,500g·L^-1的酒石酸溶液1.0mL,用约φ2.5%硝酸溶液稀释至10.0mL,摇匀。此溶液供测定(S3组)Ti、Zr、Nb等6种元素。对质谱干扰较严重的被测元素分别建立了11个校准方程用于校准相关测定数据。用所提出方法分析了6种地球化学国家一级标准物质(GBW07359,GBW07360,GBW07361,GBW07408,GBW07427,GBW07446),对其中与本方法有关的50种元素进行测定,所得结果与认定值相符,达到了地质矿产实验室测试质量规范的要求。

土地质量地球化学评价成果与若干问题探讨:以浙江省金华市汤溪镇为例

为进一步总结完善丘陵盆地区中大比例尺土地质量地球化学调查评价方法技术,2013年在中国地质调查局的支持下,选择浙江省金华市汤溪镇农用地分布区开展了试点调查和采样密度对比试验。基于调查数据进行了土壤酸碱度(p H)、土壤养分丰缺、土壤环境质量和土壤质量地球化学综合评价与分级,探讨了丘陵盆地区野外采样密度。结果表明:区内土壤p H值低、酸性土壤广泛分布;土壤养分元素氮、磷、钾普遍缺乏;土壤环境质量总体较好,仅局部地区出现重金属元素超标;土壤质量地球化学综合等级以一等、二等为主,优良土地面积占调查区的92. 6%,土壤酸性强、养分缺乏是影响调查区土地质量的主要原因,建议采取适当措施调控土壤酸碱度、补充土壤养分;丘陵盆地区中大比例尺土地质量地球化学调查应适当提高土壤采样密度,有效控制土地利用图斑,以便于调查成果在土地资源管护中的应用。

纳米地球化学与覆盖区矿产勘查

纳米地球化学已经成为目前地球化学研究领域新涌现的一个具有潜在生命力的研究领域。本文简要总结了纳米地球化学的产生,纳米晶体的发现与迁移机理研究的最新进展,以及在覆盖区矿产勘查方面的应用案例。20世纪80年代末到90年代初"超微粒金"的提出与证实,90年代到本世纪初"地气中纳米金属微粒迁移"的推测和证实,开创了中国纳米地球化学研究领域。进入2010年以后,又相继在地气、土壤和矿石中观测到纳米金属晶体微粒,获得了纳米地球化学迁移的完整证据链。矿体中成矿元素纳米颗粒或矿物在风化中产生解离,纳米级金属微粒具有巨大的表面能,可与气体分子表面相结合,以地气流为载体,穿透厚覆盖层迁移至地表,也可以自身以"类气相"形式迁移,到达地表后一部分纳米颗粒仍然滞留在气体里,另一部分被土壤地球化学障所捕获。通过土壤中纳米金属微粒分离应用于隐伏矿勘查,已取得一些成功案例。随着研究的深入,纳米科技的不断发展,纳米地球化学必将对地球化学勘查理论和技术发展产生重大影响。

中国东部大陆尺度地球化学走廊带碳酸盐岩稀土元素分布特征与影响因素

碳酸盐岩是地球表层岩石圈的重要组成部分,其化学组成可提供沉积环境与海洋水体演化等信息,然而,前人对碳酸盐岩中稀土等元素的分布与变化特征关注不足。本文选择穿越中国东部6个一级大地构造单元的3条地球化学走廊带,系统采集了582件碳酸盐岩地层样品,并准确分析了包括稀土元素(REE)在内的81项指标的含量。结果表明,中国东部地球化学走廊带碳酸盐岩稀土元素(REE+Y)总量为(0.59~183)×10^(-6),均值为24.0×10^(-6),纯净碳酸盐岩(CMC含量≥99%)均值为4.80×10^(-6)。PAAS标准化后其显示具有轻稀土相对于中稀土和重稀土略亏损、δEu轻微正异常、δCe中度负异常等特征。白云岩中稀土含量、LREE/HREE值一般低于石灰岩;砂泥质含量相近时,前中生代各时代碳酸盐岩稀土分布模式相差不大,各构造单元稀土分布特征基本相似;与其他时代相比,中生代及中新元古代碳酸盐岩具有相对较平坦的稀土分布模式。研究表明,碳酸盐岩中稀土分布受碎屑物质影响明显,表现为稀土元素含量与碳酸根负相关,与碎屑物质相关元素(Si、Ti、Rb、Cs、Th、Zr等)、黏土相关元素(Al、Fe、K等)等正相关。成岩过程及白云化过程对较纯净碳酸盐岩中稀土分布特征影响不明显。我国古生代纯净碳酸盐岩分布模式受控于海相环境,其分布模式与现今海水相近;中生代纯净石灰岩受到陆相或海陆交互相的影响,具有较平坦的稀土分布模式。氧化还原条件对δCe的影响较δEu更为明显,δCe值受海相环境控制,极端正异常值(δCe>1.3)受到还原环境或/和热液影响。若假定海水中REE自中元古代至今无太大变化,各时代稀土元素分配系数均值介于103.55~102.39,分配系数差异是造成碳酸盐岩中轻稀土亏损、Ce负异常及Y正异常的主要原因。微生物(席)可富集稀土等金属元素并改变沉积环境,这可能是造成中新元古界碳酸盐岩较平坦的稀土分布模式的主要原因。

胶东黄铁矿显微构造变形与金富集关系:黄铁矿EBSD组构和地球化学约束

载金黄铁矿显微构造变形与金富集关系可以从显微-超显微尺度揭示金成矿作用和地质过程,探讨金的再活化或再聚集作用。在胶东焦家金矿带成矿期识别出4种类型的黄铁矿,文章应用光学显微镜、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、电子背散射衍射(EBSD)和电子探针(EMPA)等技术方法,探讨黄铁矿显微构造特征、超微观结构与金的富集关系。结果显示:载金黄铁矿均不发育环带,其中w(Fe)为45.70%～46.85%,w(S)为52.57%～53.37%;显微构造变形既有脆性变形又有塑性变形;黄铁矿晶体优选方位(CPO)主要表现为平行于晶轴极密和复杂极密;黄铁矿晶格间距为0.58 nm,主要发育刃位错。焦家金矿带在金成矿作用过程中,可见金集合体经历了从复杂的纳米尺度到宏观尺度矿物载体富集的过程,包括成矿流体中金络合物、金-铋-硫族化合物富集等化学结构变化过程和纳米金、载金黄铁矿纳米颗粒、岩矿石显微-超显微构造微环境变化过程。因此,不同类型载金黄铁矿CPO受到化学结构变化和显微-超显微变形微环境变化的联合制约,间接反映出载金黄铁矿中金的富集与黄铁矿内部变形、表面形貌和结构缺陷有密切关系。

深穿透地球化学方法在十红滩砂岩型铀矿中的试验研究

深穿透地球化学方法在盆地及覆盖区的应用正逐步取得进展,笔者在十红滩砂岩型铀矿试验研究中,采用活动态提取技术,取得了较为理想的结果。同时,针对活动态提取目前没有标样用于质量监控这一事实,在分析过程中利用插入重复样的方法对分析质量进行相对监控,并将分析结果进行相对误差对比,总体上可认为分析结果能满足本区研究的需要。

中蒙跨境阿尔泰构造带稀有元素锂区域地球化学分布

锂被称为21世纪改变世界的"绿色能源金属"和"白色石油",战略意义显著。阿尔泰构造带是重要的稀有金属成矿带,开展阿尔泰地区锂资源远景优选至关重要。在中蒙跨境阿尔泰地区,按相同的工作方法(采样方法、采样介质、实验室分析测试、数据统计、图件制作)开展了约300 000 km^2的1∶100万国家尺度地球化学填图,分析了包括稀有元素锂在内的69种元素,填补了中蒙边界地区稀有、稀土元素地球化学分布的空白。研究结果表明:中国境内锂元素背景值(23.5×10^(-6))低于蒙古境内锂元素背景值(25.9×10^(-6));对于划分的构造单元而言,阿尔泰构造带、阿尔泰南缘弧盆系和准噶尔地块锂背景值和平均值均高于总体含量值,尤其是阿尔泰构造带锂含量背景值(31.6×10^(-6))和平均值(32.9×10^(-6))特征明显,说明该构造单元是锂元素的富集区;根据85%累积频率圈定出24个锂地球化学异常区并优选出3个锂地球化学省,结合地质条件讨论异常性质,为该区寻找稀有金属矿床提供了重要选区。

土壤微细粒测量地球化学模式的再现性与可对比性

不同采样密度、不同采样时间是否可以获得稳定的和可追索的地球化学模式是检验地球化学方法技术可靠与否的重要依据。笔者选择干旱戈壁荒漠区——甘肃柳园花牛山矿区开展不同采样密度、不同采样时间的土壤微细粒测量工作,对比了所获得的地球化学数据和地球化学分布模式。结论如下:土壤微细粒地球化学调查获得的元素含量中位值和背景值非常接近,地球化学分布模式在形态和变化趋势上非常相似,浓集中心位置重合,表明可获得稳定的、可追索的地球化学分布模式;采样密度越大数据离散程度越高,表明元素分布的局部不均一性,正是这种局部的不均一性才能通过加密采样刻画出地球化学模式的细节变化,为逐步追踪矿化体奠定基础。

原子发射光谱法测定地球化学样品中银、锡、硼的含量

银、锡、硼是地球化学勘察中非常重要的元素,其测定结果的准确度具有十分重要的意义。在《1:250000多目标地球化学调查》中要求分析的元素中包含了这3种元素,其他分析元素均有以大型分析仪器为主的配套分析方法。但银、锡、硼由于其含量低且银易污染,使用其他分析方法的准确度、精密度、检出限很难达到规范要求。

覆盖区地球化学勘查进展

社会发展在很大程度上依赖于矿产资源的供应,如一部智能手机中就包含了60多种金属(Arndt et al.,2017)。随着人们生活水平的不断提高,尤其是发展中国家的快速发展,人们对矿产资源的人均需求将持续上升。据估计,为了满足社会发展,每几年就需要发现一个超大型矿床。具有经济效益的矿床的发现逐渐依赖于覆盖层下深部含矿信息在地表的表达。因此,无论国内或国际都将矿产勘查的视野瞄准于覆盖区。

中蒙跨境阿尔泰地区铍区域地球化学特征

本文收集了中蒙边界1∶100万地球化学铍数据,探讨其在不同构造单元内的背景值及区域地球化学异常特征。全区铍元素总体中位值和平均值分别是1. 93×10^(-6)和2. 08×10^(-6),中国境内铍元素中位值(1. 99×10^(-6))和平均值(2. 14×10^(-6))分别高于蒙古国境内铍元素中位值(1. 90×10^(-6))和平均值(2. 02×10^(-6));对于划分的构造单元而言,阿尔泰南缘弧盆系和阿尔泰构造带是铍元素富集区,且产出大量稀有金属矿床;根据85%累频圈定出8个铍异常区并优选出6个铍地球化学省,为该区寻找稀有金属矿床提供重要选区;该项研究填补了中蒙跨境阿尔泰地区铍地球化学分布的空白,同时为两国边境上重要矿床对比提供重要数据。

长江中下游地区早古生代沉积岩地球化学特征及其构造背景与物源分析

长江中下游地区位于扬子板块北缘,自晋宁期结束至晚三叠世一直接受长期而稳定的沉积。粉砂岩和泥岩的主量、微量和稀土元素(REE)分析表明,研究区早古生代沉积岩的源岩主要来自大陆上地壳,物源区岩石类型主要为长英质沉积岩和火成岩,以及少量基性岩,构造背景为主动和被动大陆边缘。样品具有非常一致的REE配分曲线,表明研究区早古生代沉积物具有稳定且均一的物源。综合微量和稀土元素特征以及前人获得的Nd同位素模式年龄,判断长江中下游地区早古生代沉积岩物源区主要为北淮阳地块卢镇关群,而与上溪群、大别造山带和崆岭群没有联系。

长江中下游地区铜地球化学块体物质来源及其对铜矿集区形成的制约

本文从成矿物质供应角度入手,来剖析长江中下游地区大型矿床/矿集区的成因。研究区内共圈定出5个Cu地球化学块体,区内所有已发现的Cu矿集区和绝大多数已发现的大型Cu矿均位于Cu地球化学块体范围内。根据前人获得的研究区典型成矿岩体的Sr-Nd、Hf同位素及成矿岩体中继承锆石年龄,推断研究区产出有矿集区中Cu地球化学块体内巨量的Cu元素主要来源于富集岩石圈地幔,并有少量地壳物质的贡献。正是由于长江中下游地区存在规模巨大的Cu地球化学块体,这些块体能够提供区域成矿带所需的巨量的成矿物质,从而使得该区经历了长期的构造活动、岩浆作用和成矿作用后形成了数量众多的铜矿床。

内蒙古东部运积物覆盖区地球化学勘查方法对比

内蒙古东部草原地区成矿地质条件优越,但由于普遍遭受风成砂覆盖,常规地球化学勘查方法受到较大限制。为优选出更有效的地球化学勘查方法,选择内蒙古东部洛恪顿铅锌矿作为试验研究区,开展了土壤热磁组分和土壤细颗粒测量2种方法对比研究。结果表明,在90 m覆盖深度的见矿区,2种方法均能圈出指示元素异常,热磁组分测量具有异常强度高、连续性好的优势,细粒级测量具有便捷与相对经济的优势。对于盖层厚度在200 m的见矿区,细粒级测量元素异常较弱,与矿体吻合程度相对较低,热磁组分测量则能够圈出分带明显,与矿体吻合较好的元素异常。因此在覆盖厚度较大的地区,土壤热磁组分测量方法更具优势。

全球尺度地球化学填图计划对比研究

文中简述了全球尺度地球化学填图发展的历史,以近20年在中国、欧洲、美洲和澳大利亚开展的6项全球尺度地球化学填图计划为例,结合"国际地球化学填图计划"和"全球地球化学基准计划"的相关建议和要求,从样品采集和样品分析两个角度展开评价和对比,并初步总结了全球尺度地球化学填图在采样和分析两个方面存在的问题。6个填图计划中,仅欧洲的FOREGS计划采用多介质采样方案,中国的全国地球化学基准计划(CGB)按照不同的地貌特征采集不同的代表性的汇水域沉积物样品,其他4个计划采用单一介质的采样方案,采集土壤或泛滥平原/河漫滩沉积物。中国的分析水平总体处于国际领先水平,能分析的元素最多(78个),元素分析检出限全部低于地壳克拉克值,标准物质能监控所有分析的元素。

兴蒙造山带-华北克拉通地球化学走廊带沉积物主成分的含量与空间分布研究

选取兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带上沉积物的SiO_2、Al_2O_3、CaO、MgO、Na_2O、K_2O、TFe_2O_3、FeO、TiO_2、MnO、P_2O_5、CO_2、H_2O^+、pH十四个指标,研究其在不同二级构造单元、地理景观、土壤类型、降雨量等级下的含量与空间分布特征,并讨论该地球化学走廊带上化学蚀变指数。结果表明:在兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带上,作为沉积物主体的SiO_2、Al_2O_3两者含量为明显负相关而空间分布表现出此消彼长的特征;CaO、MgO、CO_2高含量分布区则与碳酸盐岩地层或含碳酸盐矿物的土壤有关,而MgO的高含量还与走廊带上镁铁质基性-超基性岩有一定关系,表明了这三个指标的高含量受特定岩性或矿物的影响较大;Na_2O、K_2O含量除了受继承的基岩影响外,还受到后期的风化作用和气候及自身地球化学性质等复杂因素综合影响,对Na_2O来说尤为如此;TFe_2O_3、MnO、TiO_2、P_2O_5相对于在地质背景复杂地段,经过冲积平原的沉积物混匀后,含量差异更小;相对干冷的内蒙古半干旱草原的气候条件有利于FeO存在,使得其相对燕山地区含量差异较TFe_2O_3要小,在章丘以南相对温暖湿润地区更易被氧化而导致其含量整体较低;北方干冷气候条件下,沉积物H_2O^+含量普遍较低,局部高含量位于碳酸盐岩地层或第四系分布区;走廊带上的pH值反映了沉积物偏碱性的特征,而在章丘以南的地区随着降雨量的增加,相对温暖湿润的气候条件,沉积物pH值表现为中性-偏弱酸性;兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带沉积物的CIA值反映出在寒冷、干燥气候条件下低等的化学风化程度,兴蒙造山带沉积物平均风化程度相对华北克拉通沉积物的平均风化程度差异变化相对要小,显示兴蒙造山带的降雨量与温度等风化影响因素变化较小。作为反映元素的地球化学亲和性的量化指标,离子电位可以更好地帮助理解沉积物元素的含量和空间分布差异。

透视全球资源与环境,实施“化学地球”国际大科学计划

2016年5月，在联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心成立仪式上，国土资源部成功启动了“化学地球”国际大科学计划，该计划是中国地质调查局通过地球化学国际中心实施的重大国际科学研究计划。大科学计划的提出得到了国际科学组织及众多国家地学调查机构的积极响应与支持，发布时得到美国、俄罗斯、澳大利亚、南非、伊朗、土尔其等22个国家的68名科学家代表在倡议书上签字表示支持，目前参与该计划的有60余个国家300余位科学家，初步搭建了大科学计划国际合作网络。