深穿透地球化学迁移机理与方法技术新进展.ppt

深穿透地球化学迁移机理与方法技术新进展,汇报人：唐金荣 中国地质调查局发展研究中心,,汇 报 提 纲,元素垂向迁移理论研究新进展,E-mail:jinrongt@163.com　 中国地质调查局发展研究中心,掩伏区地球化学勘查技术演化,Gwendy E.M. Hall，Geological Survey of Canada, Ottawa，22 IGES,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　　　 中国地质调查局发展研究中心,一、深穿透地球化学的研究现状,“深穿透地球化学”（Deep Penetrating Geochemistry）　　国际合作项目，1997～2001年，由加拿大矿业研究组织（CAMIRO）出资，E. M. Cameron主持，参加单位有：加拿大地质调查局、中国地质科学院物化探研究所及全球26家矿业公司和分析公司。主要目的是：了解深部矿体或矿化在地表形成地球化学异常的过程或作用，并对不同技术方法进行比较； 安大略矿产勘查技术计划（OMET project），2001-2004年，项目组成员同上，劳伦森大学矿产勘查中心。 澳大利亚景观环境与矿产勘查合作研究中心（CRC　LEME），矿床预测发现合作研究中心（pmd CRC）长期致力于覆盖区矿产勘查技术的开发和研究，进行大量的实验和试点研究，研制出多种技术方法。 矿业公司、商业性实验室和部分大学均在开展相关研究。,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　　　　　　 中国地质调查局发展研究中心,“深穿透地球化学”国际合作项目,大部分研究报告已在国际勘查地球化学协会的网站上公布：http://www.appliedgeochemists.org/ Cameron et al. GEEA, 2004, Part 1 “Finding deeply buried deposits using geochemistry”,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　中国地质调查局发展研究中心,表1　CAMRO深穿透项目所选实验研究区的特征,表2　各实验区选用的选择提取技术,E-mail:jinrongt@163　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 中国地质调查局发展研究中心,表3　各实验区选用的其他技术方法,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　　　　 中国地质调查局发展研究中心,景观环境与矿产勘查合作研究中心（CRC　LEME）,A.J. Fabris等对南澳洲库纳摩纳省近10年来，覆盖区化探找矿方法的成功与失败进行了总结，实验区的基本特征： Kalkaroo矿区：Cu-Au主矿化位于110m深的变泥质岩和砂栖泥质岩中。矿区被40-60m的运积物覆盖； Polygonum矿区：4种不同类型的矿化产于不同的层位，均被150m厚的运积所覆盖； Portia矿区：Cu-Au-Mo矿化产于薄层含碳质的变质沉积岩中。上伏残积层厚度在90m以上，往上依次被第三纪、第四纪沉积物。,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　　　 中国地质调查局发展研究中心,可能成功的技术方法,Rhc(Rhizomorphic carbonate):结核构造碳酸盐；nc(Nodular carbonate): 结核碳酸盐；×不满意；？可能有效；√有效,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　中国地质调查局发展研究中心,二、元素垂向迁移理论研究新进展,现已提出的元素垂向迁移的可能机理有： 1. 离子扩散作用； 2. 毛细管作用； 3. 蒸发作用； 4. 地下水对流或循环； 5. 植物根系吸收； 6. 微生物活动 7. 气体搬运(包括以地球气为主的多营力接力模型)； 8. 自然电位场(电化学模型、还原囱模型、雷暴电池)； 9. 膨胀性泵压作用(气压泵、地震泵) 10. 水位的起伏(包括陆上“潮汐泵”),E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　中国地质调查局发展研究中心,70年代初期：Govett 等的模型,G.J.S. Govett等（1973，1976）认为，当隐伏的硫化物金属矿体与地下水接触时，由于各部位所处的环境条件有差异，特别是氧化还原条件不同，会发生氧化-还原作用。,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　中国地质调查局发展研究中心,1979年：Smee的模型,Diffusion through 5 m of clay would take ~250 y for H+ and ~5000 y for ½Zn2+ Provides access to O2-rich GW to promote dissolution of sulphide,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　中国地质调查局发展研究中心,80年代早中期：Smee和Govett的模型,实质:与矿化有关的物质（元素或离子）先通过矿体自身产生的自然电场上向迁移，在矿体上向形成离子富集带，再由富集带与地表之间产生的离子浓度差，通过化学-扩散模式向上迁移，在地表形成异常。所以，该模式只能用来解释浅覆盖区形成的异常，并不适用于厚覆盖区。,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　中国地质调查局发展研究中心,1998年：Hamilton的“还原囱”模型,氧化还原活性离子穿过覆盖层的运移，是沿着氧化还原梯度发生的，而不是靠硫化物－偶极－感应电场发生的。 在掩伏区，基岩处于还原状态，地下水面以上则处于氧化状态。在被地下水浸透的覆盖层中，从基岩顶部到地下水面之间，通过氧化剂的消耗会产生还原环境。而在基岩中硫化物矿体的顶部与接近地表的地下水面（这里是O2的进口）之间，氧化还原条件是有差异的，从而产生了垂向的电化学梯度。 沿此梯度，还原的和氧化的活性物质会相对运移，彼此发生氧化还原反应。在此过程中，地下水带内有限的氧化剂会先被耗尽，同时，还原性物质（如HS－、Fe2＋等）也有消耗，导致它们从矿体顶部继续向外和向上弥散（图1）。 O2从地下水面补进，反应继续进行，还原性物质继续弥散，还原锋面向上推进，直到潜水面处才会中止，形成一个还原柱。,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,,元素迁移速率的计算,Hamilton以冰碛物覆盖层为例，按照“还原囱”模型，假设：下伏矿化与地表的电位差为300mV，计算结果表明，自冰碛物覆盖以来，H＋和其他离子借助氧化还原梯度，都有足够的时间穿过30m厚的覆盖层。对H＋而言即便电压差低至10mv，对X－而言低至60mv，都足以使这些物质在8000年中穿过30m厚的电解质体。,其元素迁移速率远远超过了，1979年Smee等按元素扩散模型计算的，8000年里最快的H＋只迁移了28米，其他金属离子均小于10米的速率。,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,D. Garnett（2004）提出了 Electrically charged storm cells-----“雷暴电池”模型。雷暴电池是雷电爆发前出现的一种自然现象。大量事实证明，在雷雨云形成的时候，其下部会蕴集起大量负电荷，它们与地表相互作用，使两者之间的电场变得非常强大。强电场能使风化层内的电子脱离地表，使电子下降或侧移，从而使云体下面的风化层表面立即获得大量的正电荷，形成正极。 在大陆上，“雷暴电池”是一种常见的现象。就全球而言，每秒钟会发生50-100次电击，任何一个瞬间，全球就有1800－2000个“雷暴电池”形成 。澳大利亚的大部分地区，每年每方公里会发生0.5-2次雷击 。印度、非洲、南美洲和北美洲的大部分地区的密度比这个值还高(NASA，2001)。,“雷暴电池”模型,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,成熟的 “雷暴电池”在地球表面产生的静电场，强度达10000-3000v/m。 D. Garnett认为，如果“雷暴电池”感应区的湿度足够大，离子就能发生溶解迁移。当“雷暴电池”形成时，雷雨云下方感应区内作为正极的风化层表面，强度是非常大的，能把诸如Fe2+等还原性阳离子吸引到地表，发生反应而形成Fe3+。当“雷暴电池”在地球表面移动时，其边缘的负电荷也能吸引其他阳离子，使其迁移到地表。这种近地表的化学迁移作用，可使从风化层中迁移上来的元素固定下来。这一过程可能也是“雷暴电池”模型的重要组成部分，否则风化层中的离子就会轻易被带上带下。,“雷暴电池”模型,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,雷电场对地表部造成的强大影响，有多方面资料可作佐证。古地磁研究表明，闪电至少会对风化层有一些影响。闪电可导致重磁化，风化层表层的古地磁测量结果可能不太可信。土壤在闪电轰击下会熔化，形成的“熔岩”可以追溯到地表以下20m 。有报告称，旅行者在地表下300~400m的岩洞内遭遇电击，而闪电击中这些岩石时，岩洞中并没有人为的导电装置 。最新的有关金属污染土壤的电泳修复技术的研究表明，适当地增加电压差能显著加大带电物质的迁移速度。K.R. Reddy和A.B. Shirani（1997）做了一项研究，向含As量约500ppm的富粘土质土壤中插入电极，电压梯度为20~40v/m。三个月后，75%的地方As减少到了30ppm。如果这么小的电压梯度能在数个月内完成这种迁移，那么，如果把它们暴露在电压梯度高好几个数量级的“雷暴电池”下，离子穿过巨厚的风化层会需要多少时间呢？应该是非常短的时间。 “雷暴电池”模型很复杂，许多因素都参与其中。像风化层的湿度、电阻率和矿物等因素，也能影响离子的行为。尽管“雷暴电池”模型还存在许多问题，但它为我们提出了研究元素垂向迁移机制的新思路。,“雷暴电池”模型,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　　　 中国地质调查局发展研究中心,泵压效应机制,气压泵　气压泵指高气压与低气压的旋回过程，高气压将空气压入，而低气压将地气从岩石或矿床中吸出。E. M. Cameron 等认为，气压泵是干旱地区形成地气流的重要营力。 地震泵　E. M. Cameron提出，在地震多发地区，还有一种更强的推动营力是地震泵（seismic pumping）。他推测，在地震多发地区，可借地震喷射（seismic squirting）作用，将释放到流体里的矿体物质送到上方的断层或裂隙带中，形成近地表异常。他还认为智利地震带内的Gaby Sur及Spence等巨型隐伏Cu矿床的异常主要是由地震泵推动而形成的。 陆上“潮汐泵” D．Garnett认为，既然海洋潮汐是一种全球性的现象，那么，陆地上的气体和固体，也应能像海水一样，因天体间作用力的变化而发生上升和下降运动，名之为陆上“潮汐泵”( Tidal pull )。尽管陆地上的垂向运动比海水（1米左右）小很多，但正常情况下或许能达到15～30 cm（UK national Maritime Museum）。如果整个地球表面每天发生两次运动，不难想象，地表的上升和下降也能像巨大的泵吸作用或一系列的咆哮作用一样，成为液态或气态离子运动的驱动力。,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,三、选择性提取技术的关键问题探讨,选择性提取技术的战略选择 目标矿物和提取剂的选择 采样深度的确定 提取条件和过程的控制,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,1、选择性提取技术的战略选择,目前，选择性提取技术分两大类,一类是选用弱提取剂，在不破坏矿物的前提下，提取与矿化有关的水溶态和吸附态元素，常用的提取剂有：去离子水、酶和MMI。另一类是选择性溶解一种或多种次生矿物，包括部分内生和外生矿物，提取结合在碳酸盐、铁锰氧化物、有机质内的元素，常用提取剂有醋酸铵、盐酸羟胺、焦磷酸钠等。由于不同学者对元素迁移机制及其地表赋存状态的理解不同，在不同景观区、不同类型隐伏矿床或矿化区开展工作时，选用的提取剂类型、浓度、提取温度及操作流程等也有所不同。表4列出目前报道和研究较多的几种选择性提取技术及其特点。 此外，在研究过程中，尽管王水不属于选择性提取液，但也常被使用，因为它能提供了解土壤整体组成的有用信息，有助于选择性提取数据的解释，而且对原地自然异常也能有较好的显示。,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,表3　几种常见的选择性提取技术,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,2、目标矿物和提取剂的选择,目前研制的选择性提取技术，有一类是选择性地溶解土壤中的一种或多种次生矿物，提取其中的指示元素，以达到强化异常目的。它们的效果如何取决于两点：一是指示元素来自目标矿物中“外生组分”与“内生组分”的比例；二是提取时要最低程度地溶解其它含较多内生组分的矿物。,图3 土壤形成过程中外生组分与内生组分的分配模型（引自E.M. Cameron, 2004）,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,E. M. Cameron等研究认为，Spence矿区土壤中的Cu主要以水溶相、碳酸盐结合相和铁锰氧化物相三种形式存在，其中，碳酸盐矿物中的外生Cu与内生Cu的比值最高，所以选择性溶解碳酸盐矿物的提取技术，测得的异常衬度最高。醋酸铵和MMI均是提取碳酸盐矿物的方法，所以它们测得的异常最明显。中国的AEM也给出明显的异常。ALS Chemex实验室的冷盐酸羟胺，目标主要是溶解铁锰氧化物。然而，它是一种酸性物质，pH值为1.5，能溶解各种碳酸盐矿物，所以它测得的高异常衬度，是由于溶解了碳酸盐矿物产生的，而非溶解铁锰氧化物的结果。中国的FMM方法只提取被铁锰氧化物包裹的金属，因为采用的是顺序提取，在进行FMM提取时，碳酸盐矿物已被AEM溶解掉了。FMM的异常衬度较低，说明只有少量的外生Cu进入到了这些矿物中。 自然界的矿物比较复杂，水溶性含量较多，单一矿物相的选择性提取几乎不太可能。所以，目标矿物和提取剂的选择，仍然是该类技术方法研究的难点和热点。不同学者和公司近几年也都相继提出了针对某种矿物或组分的提取剂，但都处于保密试验阶段。,2、目标矿物和提取剂的选择,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,3、采样深度的确定,大量的研究表明，采样深度是影响选择性提取技术的关键因素之一。,,,1999年　Cross lake 40线,1999年　　Cross lake 6线,,,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,2000年　　Cross lake 6线　Zn,3、采样深度的确定,采样深度的确定取决研究区的景观条件和土壤形成过程。就上述试点的做法看，与其说是采样深度问题，不如说是合适的样品介质或样品特质的选择问题。目前，人们对深部元素上向迁移机制和表生元素地球化学过程的认识有限，所以，合理采样深度的确定，只能通过加强地表地质观察和大量对比实验来解决。,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,目前，选择性提取技术采用的都是溶液提取剂，样品溶解受时间、温度和提取液浓度及矿物化学稳定性的影响。尽管在一定条件下，矿物溶解可由热力学和反应动力学来确定，但一旦有固体出现，这个过程就十分复杂。固相物质对提取液有缓冲作用，反应中形成的胶体又会吸附活化后的离子，都会影响拟提取金属的稳定性。此外，Eh和pH值及溶解时间，也能影响矿物溶解的稳定性。,4、提取条件和过程的控制,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,4、提取条件和过程的控制,酶提取的Mn含量与土壤pH的散点图 热氢氧羟胺提取的Mn含量与pH散点图 (引自： D.L. Kelley 等。2003),控制pH和络合作用，可提高金属溶解的稳定性。,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,控制提取过程中胶体的形成，也能提高测量效果。,,图6　去离子水提取土中Fe、Al、Mn、Cu、Pb、Zn的胶体率,图6给出了Fe、Al、Mn、Cu、Pb、Zn的胶体率（过滤前的元素含量除以过滤后的元素含量），其中，Fe、Al的胶体率较大，说明提取过程中形成了Fe、Al胶体，并吸附了其他元素，使Cu、Pb、Zn的胶体率得到了提高。,4、提取条件和过程的控制,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,选择性提取的效果还与提取时间和温度有关,,图7　氢氧羟胺提取的Mn和Fe与时间、温度的关系图,氢氧羟胺提取的Mo和Cu与时间、温度的关系图,锰氧化物在10分钟内能全部溶解，而铁氧化物的溶解时间却相对较长，且所需温度较高；Mo在较短的时间内溶解后，又急剧下降，可能是再吸附作用的结果；Cu基本上不受时间、温度的影响。G. E. M. Hall等（1995）曾指出，在提取过程中Au常发生再吸附作用，这是影响偏提取技术使用的主要因素。,所以，在判定一种偏提取技术的有效性时，最重要的是要看这种方法的稳定性，要看其提取过程中对pH值、提取时间和胶体形成的控制能力。,4、提取条件和过程的控制,四、几点认识,从目前国内外的试点研究来看，还没有一种偏提取技术，包括已进入商业运作的技术方法，能适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，样品加工分析过程的思路、操作和控制技术，都会左右测定和解释结果。诸如采样深度与介质，“目标矿物”的选择，次生矿物中内外生组分的比例，提取剂浓度，提取时的pH及胶体形成等问题，都是技术方法研究必须面对的关键课题。 元素从深部向地表迁移机理，仍是深穿透技术方法研究的热点。每一种迁移模型都有其局限性，如“还原囱”模型要在潮湿地区，存在地下水的条件下才成立；而新提出“雷暴电池”模型也是基于自然界雷电形成过程的一种推测模型，深部物质的垂向迁移及地表的地球化学行为还有待深入研究。因此，在实际工作中，要针对不同景观条件，建立与之相适应的迁移模型和采样介质。,现有的试验结果表明，还没有一种方法提取的结果能完全用现有理论模型来解释。每种方法都有使用的局限性，并非总能成功的。所以在一个新区开展工作时，要进行大量的实验研究，包括各种技术方法的比较及采样深度、提取时间、提取温度的研究。因为这类技术所探测信息十分微弱，指示元素的含量水平低，异常背景难以辨析，单凭分析结果解释异常，不确定性会很大。所以在实际应用的过程中，要与基础地质、地球物理等方法相结合，对分析的结果进行全面、综合的评价。 我国自主研发的深穿透技术，与国外同类技术基本上是同步的。尽管国际化探界在覆盖区地球化学勘查技术研究方面取得了不少成果，但要实现实质性突破尚需时日。,四、几点认识,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,Rob Gordon*，SEG，2006,E-mail:jinrongt@163.com　　　　　　　　　　　　　 　 中国地质调查局发展研究中心,明确责任、坚持不懈、充满自信； 解放思想、坚持实践、开拓创新。 实现深部找矿技术的冲突大有希望!,中国地质调查局发展研究中心,Thank You !,