论地球化学的70年发展

论地球化学的70年发展

地球研究始于20世纪30年代初。它是通过研究地球化学分散模式,并根据这些分散模式所形成的地球化学异常去追踪和发现矿床。实际上,根据地球化学方法圈出的异常是一种微矿化露头(micro-outcrops),因此勘查地球化学是继承了人类凭着经验用肉眼去观察矿化露头或矿化引起的蚀变标志进行直接找矿的传统,但借助于分析技术,将辨认矿化直接信息的能力从人类肉眼的万分之几提高到百万分之几至十亿分之几。由于地球化学方法辨认微弱矿化直接信息能力的大大提高,因此在发现难识别矿种或难识别类型以及盲矿上成为了矿产勘查的主导方法。历经70年的发展,勘查地球化学已经从一门经验或技术,发展成为一门地学分支科学,并且在矿产勘查中取得了巨大成就。在这一历史巨变中,在国外所表现最为突出的是70年代在斑岩铜矿和铀矿勘查所取得的成就,而在中国这一表现主要是在金矿勘查中所取得的巨大成就。今天勘查地球化学一方面在出露区已经系统地建立了地球化学分散模式理论基础和方法技术程序,但在隐伏区勘查理论、方法技术和大型矿定量评价以及某些难识别矿种勘查方面都正在面临划时代的革新。我们正处于一个过去取得的成就与未来面对的挑战的间歇期。本文试图对过去成功的做法进行一下总结,并对所面临的挑战进行阐述。1在矿产化开采中的成就1.1利用地球化学方法发现的矿床发现表1是中国地质矿产信息研究院对国外20世纪70年代以来,100个大型、超大型金属矿床发现的各种方法所起的作用进行的统计。从表中可以看到根据地表矿化露头和蚀变标志的观察和利用地球化学方法在矿床发现中起着显著的作用。表2是中国地质调查局根据原地质矿产部从“六五”至“八五”计划(1981—1995年)这15a所发现的矿床各种方法所占的比例的统计数据。从这一统计数据中可以看出,从20世纪80年代开始勘查地球化学方法在矿产勘查中一直占据着主导地位,并且它的作用在一直增大,如“六五”期间占所有发现矿床总数的58.5%,“七五”期间上升到66%,而到了“八五”期间上升到83.4%。从国内外的统计都可以看出:勘查地球化学在矿产勘查中起着至关重要的作用。1.2利用水系沉积物和土壤测量方法发现大型斑岩型矿床勘查地球化学自20世纪30年代诞生以来,为全球矿产发现作出了决定性的贡献,其中最具有代表性的是3次大规模发现高潮:一是从20世纪30年代一直延续到70年代的前苏联和北美许多斑岩铜矿的发现;二是20世纪70年代美国和加拿大许多铀矿产地的发现;三是自20世纪80年代一直延续至今中国数百个金矿的发现。从20世纪30年代一直延续到70年代在前苏联和北美使用地球化学方法发现了许多斑岩铜矿。如前苏联1932—1933年利用岩屑采样在中亚Almalyk地区发现巨型Kalmakyr和Balikti斑岩铜矿。这是前苏联第一个地球化学勘查成功实例,也是世界上首个报道地球化学找矿成功实例。前苏联另一个重大发现是利用水系沉积物和土壤测量方法在远东Baimsky地区发现的巨型Peschanka斑岩型铜金矿。这一发现结束了位于前苏联远东地区环太平洋带没有大型斑岩型铜矿的历史。加拿大于1968年在环太平洋带的育空地区发现了Casino斑岩铜矿,这是在北美首个利用地球化学方法斑岩铜矿的实例,使用的是水系沉积物测量和土壤测量方法。20世纪70年代美国和加拿大根据世界铀矿资源紧缺的情况分别制定了全国性的铀矿资源普查计划,其核心部分是水系沉积物地球化学测量与水化学测量(美国)或湖积物测量(加拿大)。美国的国家铀资源评价计划(NationalUraniumResourceEvaluationProgram,NURE),使用每10km2一个样的采样密度系统采集水和水系沉积物。加拿大联邦-省铀区域勘查计划(Federal-ProvincialUraniumReconnancenceProgram)于1975年开始进行,采样密度13km2一个湖积物或水系沉积物样品。这两个计划发现了一批新的铀矿产地。在中国自1978年开始实施的利用水系沉积物的“区域化探扫面计划”(RegionalGeochemistry—NationalReconnaissanceProject,RGNR),截止到2000年已覆盖了全国近600万km2的国土。根据这一计划所圈定的地球化学异常于20世纪80—90年代发现了数百个金矿。1982年利用水系沉积物测量在河南发现的大型上宫金矿,这一发现是我国利用区域水系沉积物测量方法找到大型金矿的首例。这一发现突破了在这一地区几十年找矿“只见星星,不见月亮”的徘徊局面,导致了其后在熊耳山—小秦岭地区一系列中—大型金矿的发现,带动了整个地区金矿的找矿突破。1984年区域化探扫面在贵州发现了烂泥沟金矿,这一地区还发现了一系列大型卡林型金矿,如紫木凼、戈塘等,使该区成为世界上仅次于美国内华达的第二大卡林型金矿集中区。这两个金矿区的金总储量都已达500t以上,都已跨入世界级金矿区之一。2在矿产化开采中成功的原因2.1重新发现区域低异常下限,形成了超微细金的发现勘查地球化学的理论基础是成矿物质在成矿过程中在围岩中留下元素运移轨迹或在成矿以后通过分散在四周岩石、土壤、水系沉积物、水、植物及气体中形成各种类型的地球化学分散模式,根据这些元素变化轨迹或分散模式去追踪和发现新的矿床。她历经70年的发展,已经从一门经验或技术发展成为具有行之有效理论体系的一门地学分支科学。这一理论基础的体系可以从下列经典著作或出版物中得到体现。1941年前苏联的YeASergeev出版了《地球化学探矿法》一书。这是世界上第一本系统阐述地球化学勘查理论与方法的著作。1962年美国H.E.Hawkes与J.S.Webb出版了《矿产勘查的地球化学》一书,系统地阐述了勘查地球化学的理论体系与方法学。1977年前苏联A.Beus和S.V.Grigorian的《矿床地球化学勘查方法》一书系统阐述了原生晕找矿方法和原生晕元素分带理论以及利用原生晕找盲矿所取得的辉煌成就。1979年谢学锦的《区域化探》一书对区域地球化学勘查的理论进行了系统阐述。2000年王学求和谢学锦所著《金的勘查地球化学——理论与方法·战略与战术》对金矿地球化学勘查的理论与方法进行了系统阐述。同时,1970年国际《地球化学勘查杂志》的创刊,使得勘查地球化学家可以更深入、更迅速地发表最新研究成果,广泛地传播勘查地球化学知识。这里特别强调的是,中国金矿地球化学勘查的成功与超微细金的发现以及区域低异常下限理论的建立是分不开的。中国1979年开始的利用水系沉积物的区域化探扫面计划,在全国发现了一大批异常下限一般在2～4ng/g,异常面积可达几十km2至几百km2金的区域异常。当时,20世纪80年代初,对金表生行为的认识还都限于金是呈颗粒形式存在,密度又大,不会在水系中长距离迁移,而在水系沉积物中为什么会有这样的低含量、大规模金地球化学异常?这些异常是如何形成的?对这些问题的回答不仅可以为区域化探使用低检出限和低异常下限的方法提供依据,而且可以为异常评价奠定理论基础。1989年,地球化学样品中大量超微细金的发现使得这一问题迎刃而解。表3是超微细金(<5μm)占总金含量的比例。由表3可以看出无论是岩石、土壤、还是水系沉积物都大量存在<5μm的超微细弥散金(包括微粒金、胶体金和亚微米至纳米级的各种金颗粒)。图1是高、中、低含量样品中金的颗粒分布示意图。在低含量(<10ng/g)样品中,不存在大颗粒金;中等含量和高含量样品中也大量存在超微细金。超微细金具有极强的物理活动性,几乎能被各种营力做长距离搬运。大规模区域低异常下限异常是由超微细金所形成的。这一发现圆满地解释了大规模区域金异常的形成机理,为区域化探使用低异常下限奠定了理论基础,也为金呈纳米颗粒迁移和纳米成矿学研究提供了直接证据。同时根据中国大量测试结果,1ng/g左右金背景值的精确测定,使得我们不仅可以用更低异常下限去圈定有意义的异常,而且还为我们不再用4ng/g的传统地壳丰度标准去解释金是富集还是贫化,去推断金矿矿源层的异常评价提供了理论依据。2.2与区域性的重新定位研究地球化学的发展方向所有的地球化学勘查方法都需要有相应的分析技术来分析所采集的各种样品,因而勘查地球化学方法的发展与分析技术的发展是密不可分的。20世纪30年代末40年代初发射光谱方法的出现导致了勘查地球化学在苏联的诞生;快速比色方法的出现推动了地球化学勘查方法在美、英、加、德、法等国的发展;而70年代原子吸收方法和X射线荧光方法的大规模应用则使地球化学勘查从一种局部的辅助性的找矿方法开始向区域性的战略性方法转变;80年代等离子火焰光谱方法在勘查地球化学中的应用,促成了各国地球化学填图的实施;90年代等离子质谱法又大大地提高了分析灵敏度,增强了地球化学方法识别弱信息的能力和找隐伏矿的能力。随着地球化学勘查发展成为一种战略性方法,所覆盖的面积越来越大,这就要求大面积地球化学勘查所获得的数据能够相互对比。中国自1979年开始“区域化探全国扫面计划”就开始研制地球化学标准样用于监控分析批次和分析实验室之间的误差,先后研制了12个具有72个元素含量值的水系沉积物标准样(GSS1-12)和6个岩石标准样(GSR1-6)。这些标准样对不同分析批次间偏倚的控制,对图幅间、省际间分析偏倚的控制起到了至关重要的作用。使得中国获得了全国可对比的数据。2.3泛滥成岩的地区选择地球化学勘查从20世纪30年代诞生之日起,那些开创者使用很密的采样点距,几m或几十m进行采样。他们担心使用更稀的密度将会漏掉一些重要的信息。因此在这一阶段勘查面积限定在几km2,最多几十km2里。因此勘查地球化学只能作为矿产勘查的附属手段,用于局部矿点的评价工作,无法提供新的找矿线索。进入50年代后期,地球化学勘查的面积在逐渐扩大到几百至几千km2,勘查地球化学在矿产勘查中开始发挥越来越重要的作用。它不仅可以用于局部矿点评价,而且还可以应用于地区的选择。从60年代末期开始,特别是进入70年代许多区域和国家的地球化学填图计划开始进行,采样密度从1个样/km2至1个样/几百km2,覆盖面积从几千至上百万km2。这些巨大的面积及所提供的巨量信息是用高密度采样所不可想象的。这些巨大的面积以及所提供的巨量信息为新的矿床发现作出了巨大贡献。从1981年至1995年这15a期间,原地矿部门根据“区域化探全国扫面计划”在全国共发现42880个异常(表4)。这些异常为中国新矿的发现起到了巨大的作用。其中检查的异常数12289个,约占发现异常总数的29%;验证异常数2314个,约占发现异常总数的5.4%;见矿数1662,分别占发现异常总数的3.9%,占检查异常数的13.5%,占验证异常数的71.8%。从查证的异常数可以看出还有70%的异常没有进行查证,以后随着异常查证工作的进行,这一比例还会不断提高。20世纪80年代开始酝酿的国际地球化学填图计划(InternationalGeochemicalMapping)及后续的全球地球化学填图计划(GlobalGeochemicalMapping)提出用160km×160km的网格,约5000个样覆盖全球。当然这一计划的主要目的并不是针对矿产勘查,但它所提供的信息却可以为了解元素在地球表层的宏观分布,有助于获得对全球资源分布规律的认识。中国利用500个的泛滥平原沉积物覆盖全国的采样已可以发现一些这方面重要的信息。因此,随着地球化学填图从局部,到区域,到全国,乃至到全球,将会为多层次矿产勘查与评价提供海量信息。3矿产矿研究与地球化学的挑战3.1地球化学运动学数据的获取迄今为止人类已经发现了元素周期表上104种元素中的88种元素在地壳中的存在(其它为人工合成的)。但人类至今对这88种元素在地球表层各种介质的基准值还缺少了解,对它们在全球的分布更是知之甚少(只知道少量元素在地球某一区域的分布),像比较系统的中国区域化探扫面计划,也只分析了39种元素,覆盖的面积也只有600万km2。地球化学家的一个梦寐以求的理想是能够做出这88种元素在全球分布的地球化学图。这样我们就会对人类所居住的行星表面元素地球化学分布有一个整体的了解,不仅可以对全球矿产资源的总量评价和分布规律提供直接信息,而且还会对我们人类所赖以生存的地球化学环境、工业化进程所造成的影响提供最直接的评价依据。地球化学填图是多层次的,可以是全球性,全国性,区域性。中国的国家地球化学填图计划,也就是我们通常所说的“区域化探全国扫面计划”在1979年提出。由于该计划采样密度较大,1个样/km2。因此该计划主要用于区域地球化学编图,要制作全国地球化学图,必须将数据按一定网格取平均值作图。到目前为止,该计划已覆盖了中国600多万km2的国土面积,编制了39种元素约900幅1∶200000地球化学图,并初步编制了1∶5000000和1∶10000000中国地球化学图。这仅仅是2/3国土的地球化学图,要完成全国地球化学图还有很长的路要走。国际地质对比计划IGCP259(InternationalGeochemicalMapping,国际地球化学填图)和IGCP360(GlobalGeochemicalBaseline,全球地球化学基准)先后于1988和1993年开始启动。前一个计划的目的是制订国际地球化学填图标准化的方法,以便获得全球可对比的数据;后一个计划的目的是制订用于全球地球化学填图的超低密度采样方法,制作元素周期表上除了惰性气体元素和人工元素以外的所有天然元素在全球分布的地球化学图。要获得如此多元素全球可对比的数据,有两个技术性难题:一是采集什么样品能够具有代表性;二是对难分析元素分析方法的突破和标准样的研制和分析质量监控。要获得全球地球化学图,首先就是要将地球打成格子,在每一格子系统采集有代表性样品。采样格子的大小取决于所要编制的地球化学图详细程度与时间和经费的平衡考虑。如IGCP360计划提出的目标是用大约5000个采样格(每个格子大约160km×160km=25600km2)覆盖全球的陆地面积,每个采样格中组合一个样品分析71种元素。采集什么样的样品能代表这样大一个采样格子的面积,一直使该计划曾引起较大的争议。中国的“环境地球化学监控网络与动态地球化学填图计划”作为IGCP-360的试验性研究项目,发现泛滥平原沉积物样品最能反映如此巨大面积元素的平均分布规律,并具有普遍的适用性。因此泛滥平原沉积物可以作为全球地球化学填图的首选采样介质。如果有经费支持,可以在较短的时间内覆盖全球所有陆地。制作出全球地球化学图,这样的地球化学图可以满足我们对地球表面元素地球化学分布轮廓的粗略了解。另一难题是必须努力建立多仪器多方法分析系统,所有元素分析检出限必须降至其地壳丰度以下,用标准样严格监控实验室间的偏倚,使数据可以全球对比。由谢学锦院士所领导的正在进行的地质大调查项目“我国西南76种元素编图试点研究”已经在这些难分析元素上取得突破,并且提出了一整套监控方案。3.2深穿透地球化学出露区经历了人类肉眼上千年的找矿历史和一个多世纪的系统地质勘查,找到新的矿产地的可能性越来越小,寻找新的大型矿床的最大机遇是在隐伏区。国际勘查界,正在聚焦于占陆地面积一半的隐伏区矿产勘查。这是结束肉眼找矿时代,进入获取深部信息找矿时代所面临的真正挑战。中国的“区域化探全国扫面计划”进行了20a,已覆盖了全国近600万km2,但余下的近400万km2大部分位于覆盖区,包括西北的干旱荒漠戈壁区和黄土覆盖区、东北的森林沼泽区、东部的冲洪积物平原区、青藏高原的高寒草原区、南方热带的砖红土地区。尤其是西部的覆盖区中蕴涵着重要的战略性资源,如盆地中的地浸型砂岩铀矿、石油等,盆地边缘及青藏高原的大型金属矿。但由于荒漠戈壁、黄土和高寒草原的广泛分布以及工作条件的极为困难,大部分隐伏区过去被认为区域化探扫面禁区,即使少部分地区进行了区域化探扫面工作,但由于覆盖物的影响、技术条件不具备和获取指标的单一,难以满足对整个中国西部资源潜力的全面了解。要解决在覆盖区的地球化学调查与矿产评价问题,首先就必须发展能够探测覆盖层以下信息的地球化学调查新理论,发展一整套完善的从样品采集、样品处理、分析测试、质量监控、数据处理、图件制作的新方法,然后才能根据所圈定的地球化学块体和巨量金属聚集的理论对资源潜力作出直接的评价。针对这一世界性挑战,中国科学家提出了深穿透地球化学的概念,研制了深穿透地球化学方法[21,22,23,24,25,26,27,28,29]。所发展的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。国际勘查地球化学家协会正在组织的由国际著名的26家矿业公司参加的“深穿透地球化学方法对比计划”,目的就是为了完善各家的方法,为寻找隐伏大矿、巨矿服务。在以往的各类国际合作研究计划中,还没有见到如此多的矿业公司参加,这表明该方法的应用性极强,获得矿业界的广泛关注。通过在国家“攀登计划”,国家“973”计划和地质大调查计划的持续支持下,已经取得了一系列重要进展。发现戈壁沙漠覆盖区深部含矿信息赋存于细粒级粘土,碱性蒸发障的可溶性盐类和氧化障的铁锰氧化物膜中;冲积平原区深部含矿信息主要赋存于可溶性盐类、可溶性胶体、可溶性有机物中;高寒草原区深部含矿信息主要赋存于有机质中。这些发现为深穿透地球化学信息的捕获和提取以及我国大面积覆盖区地球化学调查与填图具有重要意义。在信息的捕集、提取和分析上取得一些重要进展,发展了基于ICP-MS的活动态多元素分析方法。超低密度深穿透地球化学方法可以有效地应用于大面积覆盖区地球化学调查与大型矿集区评价,结束了覆盖区,特别是盆地不能进行地球化学调查的历史。通过在东天山进行的15万km2超低密度深穿透地球化学调查制作了30余种元素地球化学图,填补了东天山大部分地区地球化学空白。新发现远景U,Cu,Au,W,Pt和Pd异常10几处,其中首次在哈密盆地发现大规模、高强度铀异常。尽管取得了很大的进展,但还有一些理论问题和技术问题有待于解决,如元素在地表覆盖物中三维地球化学分散模式,建立景观演化、覆盖物与含矿基岩之间的关系等。3.3成矿可利用金属amof从20世纪80年代以来,寻找和区分巨型矿床,一直是矿产勘查的焦点。中国的最新研究表明,巨型矿床与一般矿床的主要,并可以量化的差别在于巨型矿床有着巨量的成矿物质供应。这种巨量的物质供应表现为地球上存在某种成矿元素含量特别富集的地球化学块体。但这大量的成矿物质中只有一部分呈活动态易被各种流体携带的金属才能逐步浓集成矿。一个矿床的形成取决于地质体中成矿元素是否能被各种流体所淋取随流体迁移于一定有利位置成矿。如果岩石中的全量再高但金在其中是呈稳定态存在的,就不宜被流体带出带入而成矿;相反岩石中即使全量相对较低,但可被成矿利用的活动态部分却相对较高,也容易成矿。Seager和Meyer(1982)在对南非金矿的研究后指出:“只有硫化物和粒间金易被变质热液搬运到附近的扩容带中成矿,禁锢在造岩矿物中的金对成矿几乎无意义”。并非所有在地球化学块体内的金属量都能在成矿过程中被利用,只有那些呈活跃形式,易被各种流体携带、搬运的那部分金属才能在成矿过程中起作用,从而我们提出了“成矿可利用金属”(availablemetalsfororeformation,AMOF)的概念。易被成矿利用的金属包括各种离子、络合物、原子团、胶体和超微细的亚微米至纳米金属颗粒。一个巨型矿床或一个大矿田的形成需要巨大的成矿物质供应作为基础,这种巨大的供应在浓集成矿过程中势必要留下巨大的轨迹,也就是在矿床或矿田周围形成的高含量地球化学块体。勘查地球化学正是通过各种手段去发现成矿物质这个基础。测定这种呈活动态的AMOF金属在地球化学块体中的含量,并追踪其逐步富集的轨迹比测定金属全量能更可靠的估计成矿金属的供应量从而能更可靠的预测大型,甚至巨型矿床。我们利用金属活动态提取技术,包括水和各种弱的溶剂(模拟自然流体)去提取各种活动态的金属部分,就可以获得可被成矿利用金属所占其总含量的比例。例如我们对山东胶东金的地球化学块体中岩石样品的提取表明活动态金一般占有30%～50%的比例,平均在40%左右(表5)。胶东地区与全国其它地区相比,金的异常规模并不算很大,但成矿可利用金属量占的比例却较高,所以形成有经济价值矿床储量很大。需要指出的是不同元素,及同一元素在各个地区可被成矿利用金的含量是不一样的。吐哈盆地砂岩型铀矿活动态铀的比例在40%～60%左右。这正是我们利用这一特性评价异常成矿的可能性,及评价形成矿床规模的基础。一个地区或一个矿种可被成矿过程所利用的成矿元素比例越大,其形成有经济价值矿床的规模就会越大。表6给出了根据成矿可利用金属量(活动态金属)计算出能形成有经济价值矿床的潜在资源量的实例。这种定量评价方法还只是一个开端,还需要对不同矿种,不同类型,不同地区进行成矿可利用金属量的广泛研究,才能建立评价矿床规模的定量地球化学方法。3.4难识别矿种、难识别矿种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。(1)盆地中砂岩铀矿的性质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。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m至几百m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,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2)。(2)黑色岩系特征俄罗斯干谷PGE-Au矿床,德国—波兰交界地带Cu-Au-PGE矿床,加拿大