覆盖区勘查地球化学理论研究进展与案例

覆盖区勘查地球化学近年在迁移机理研究上最显著的进展是在矿体上方覆盖层土壤中直接观测到Cu、Au等纳米金属微粒和植物细胞中的成矿元素,从纳米尺度和分子水平直接观测到的微观迁移证据使得覆盖区勘查地球化学迁移机理研究从描述性模型向实证性模型实现了质的飞跃.通过对北方干旱沙漠覆盖区金矿、中部湿润农田覆盖区铜镍矿、南方植被红土覆盖区的铜金银矿研究表明,Cu、Au元素主要以纳米微粒形式穿透火山岩、变质岩和土壤覆盖层,用深穿透地球化学的微粒分离和铁锰氧化物提取技术可以有效指示隐伏矿体.干旱盆地砂岩型铀矿的研究表明,铀在氧化条件下以铀酰络阳离子(UO₂2+) 形式迁移到地表,并被土壤中粘土所吸附,吸附相中的铀占全部的铀比例最高(17%~40%),使用物理分离粘土或化学提取粘土吸附相铀可以有效地指示深部铀矿体.      

纳米地球化学:穿透覆盖层的地球化学勘查

盖层下方隐伏矿成矿及伴生元素如何穿透覆盖层到达地表,是深穿透地球化学迁移机理研究的热点。笔者以隐伏铜镍矿和金矿为例,同时采集地气、土壤、矿石样品,使用透射电子显微镜(TEM),对样品中微粒物质的粒径、形貌、成分、结构进行了观测,发现微粒具有下列特点:(1)广泛观测到的微粒成分是铜及铜合金,金只在金矿上方土壤孔隙气体中能被观测到;(2)单个金属微粒粒径主体为几十nm,也有个别小到几个nm,大到上百个nm,微粒大多呈团聚体;(3)微粒晶形完整,内部原子呈有序晶体排列;(4)迁移柱实验表明纳米微粒具有快速迁移能力。在地气、土壤和矿石中同时观测到纳米级金属微粒,粒径大小、微粒形态、元素组合都非常相同或相近,表明两者具有来源一致性并具有序晶体结构,表明形成于内生作用。这是首次同时观测到矿石、土壤、气体介质中具有继承性关系的纳米金属微粒。矿石中纳米级金属微粒通过与微气泡表面相结合,以地气流为载体,或纳米微粒本身具有类气体性质,可以克服重力影响,穿透厚覆盖层迁移至地表,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(粘土、胶体、氧化物等)所捕获。这为深穿透地球化学从描述性或推测性模型走向实证性科学迈出了重要一步,为利用土壤作为采样介质、精确分离含矿信息用于寻找外来盖层下的隐伏矿提供了纳米地球化学技术。     

干旱荒漠区隐伏金矿覆盖层中金的分布与迁移：以新疆金窝子金矿田210金矿带为例

以新疆金窝子金矿田210金矿带为例,实验研究了该区地气和土壤活动态测量等深穿透地球化学方法的效果。实验表明地气测量和土壤活动态测量可以有效地反映覆盖层下隐伏矿体。揭露矿体覆盖层的钻孔研究表明,金活动态形式具有“C”型分布特征。采集矿体上方地表异常位置土壤孔隙中地气、土壤样品,使用透射电子显微镜(TEM)实测样品中微粒物质的粒径、形貌和成分,在地气和土壤中观测到了Au-Cu、Au-Bi成矿元素纳米微粒,此微粒是形成地表深穿透地球化学异常的物质,来源于覆盖层下隐伏矿体。微粒到达地表,可以形成地气和土壤活动态异常。纳米微粒具有可从土壤颗粒表面分离的性质,在其向上迁移过程中,可以从吸附固定状态解吸,此性质可以用于解释活动态异常在钻孔垂直剖面上的“C”型分布。     

纳米金属微粒的采集观测及其对地球化学勘查的意义

近几年纳米地球化学的研究为成矿元素在覆盖层中的迁移机理研究提供了直接的微观证据,同时为将其应用于未来覆盖区找矿奠定了基础。通过详细介绍地气、土壤和矿石样品中纳米金属微粒的采集和观测方法,展示两个研究实例,并对不同介质中纳米金属颗粒的可对比性、对覆盖区隐伏矿勘查的意义进行讨论,认为地气和土壤中的纳米金属微粒可作为地球化学示踪物质。     

矿产勘查的纳米地球化学理论与方法

纳米地球化学为人类从微观探索和认识地壳发生的地质地球化学过程提供新的理论与方法,开展该领域研究将对资源、环境等领域的研究和应用产生重大影响.纳米地球化学在矿产勘查领域已取得了重要进展.通过总结、归纳前人研究并结合团队最新成果,从自然界纳米金属微粒形成过程、迁移方式、在表生介质中的赋存状态及纳米金属微粒的捕获等几个方面开展了梳理总结,并进一步阐述了纳米金属微粒对隐伏矿勘查的理论与实际应用意义.纳米微粒的迁移机制可总结为:成矿过程中成矿元素可形成纳米金属颗粒,在矿石风化过程中部分纳米金属微粒发生解离而具备活动性,活动性纳米金属颗粒因其巨大的表面能,可吸附于气体分子表面,并通过地气流的垂向运动,穿透矿体上方覆盖层而到达地表;另外,纳米物质所具备的易分散性质可以使纳米金属微粒自身发生垂向迁移而到达地表.到达地表后部分纳米金属微粒仍然滞留在壤中气,部分被土壤中粘土矿物或氧化物膜吸附,此外也可被地表生物所捕获.该迁移机制已通过表生气固介质中大量纳米金属微粒原位观测结果获得证实.在矿产勘查中,通过分离土壤中的纳米金属微粒可实现指示土壤覆盖层和深部矿体的目的,目前已取得一些成功案例.      

纳米金属微粒发现——深穿透地球化学的微观证据

在400m深度隐伏铜镍矿上方气体和固体介质中同时发现纳米级铜等金属微粒。透射电镜下显像直观、质感,图像清晰。单个金属微粒呈球形或椭球形,多个微粒大多构成团聚体。单个金属微粒粒径主体在几十纳米,最小到10nm,大到上百个nm。微粒具有有序晶体结构。原位测量微粒成分为:①单一成分纳米自然铜微粒;②金属复合成分纳米微粒Cu-Fe,Cu-Ag,Cu-Cr,Cu-Ni,Cu-Fe-Mn;③含有Si、Al、Ca、O、P复杂成分的纳米Cu微粒。在地气和土壤中微粒大小、形貌特点和成分基本相似,同时微粒具有有序晶体结构。以上事实说明二者之间具有成因联系,即都来自于矿体。在实验室建立的模拟迁移柱,证实纳米金属微粒具有极强的穿透能力和快速迁移能力。这不仅为深穿透地球化学提供了直接的微观证据,而且为利用土壤作为采样介质的微粒分离深穿透地球化学技术寻找隐伏矿具有重要的应用价值。     

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。     

封面故事

金属纳米微粒及有序晶体结构。在透射电子显微镜下观测到300～1000m深度隐伏铜镍矿上方的气体和固体土壤介质中存在铜等金属的纳米微粒,其有序晶体结构,表明来自于内生矿体。     

青海拉水峡铜镍矿纳米物质地球化学异常特征及找矿模型

不同矿种，纳米物质到量中元素异常特征亦应不同，青海拉水峡隐伏铜镍矿区纳米物质到量研究结果表明，无论是静态累积到量还是动态累积到量，铜镍矿体地段上方纳米物质中均出现以主成矿元素Cu、Ni为主，伴随Co、Mn、Au、Ag、Pb、Zn等多元素组合异常，且元素异常出现地球化学分带。为此，建立了铜镍矿区纳米物质到量找矿模型，以期在今后寻找隐伏矿中发挥作用。     

干旱荒漠景观区金属微粒迁移机制浅析

干旱荒漠景观区面积辽阔,找矿潜力巨大,受限于常规地球化学勘查方法,被认为是勘查地球化学的难点重点区。本研究简要总结干旱荒漠景观区潜在的金属微粒向上迁移的机制,依据其作用范围分为:潜水面以下的机制,包括地下水作用、压力泵机制、地气流和电化学迁移机制;潜水面以上的机制,包括毛细管作用、植物吸收、气态物质迁移和生物扰动。研究中介绍各迁移机制的作用原理、有效性及其局限性,认为每种机制在特定的环境条件下均能以不同形式运移相关的金属微粒,但由于复杂的地形地貌、漫长的地质演化,任何机制不可能独立单一地存在,彼此间相互协同作用。另外,潜水面以上与包气带有关的机制主要发生在沉积地段的运移覆盖层中,在开展深穿透地球化学(地气类方法、选择性提取方法、植物地球化学方法和地球电化学方法)找矿之前,有必要了解研究区古气候、沉积物性质和地貌演化史,便于合理选择采样层位和采样介质,尽可能发现由金属运移机制引起的综合异常。     

豫西熊耳山地区重磁场特征与深部成矿预测

熊耳山地区是河南省重要的金银铅锌钼多金属矿产地,现已查明各类矿床(点)121个。通过研究发现,该区多金属矿产的形成与中生代中酸性岩浆的侵入活动关系密切,现有矿床分布比较集中的区域,深部都有隐伏岩体赋存。通过对熊耳山地区重磁场特征的分析,建立了熊耳山地区隐伏岩体侵入模型。熊耳山西段主要是寨凹隐伏岩体,赋存面积约310 km2,分3个阶梯深度:0~0.8 km、0.8~2 km、2~4 km;熊耳山中段铁炉坪-花山隐伏岩体位于寨凹隐伏岩体和花山岩体之间,赋存面积约184 km2,深度3~5 km;熊耳山东段旧县-花山隐伏岩体,赋存面积约338 km2,北部深度0~1.5km,向南逐步加深至1.5~3 km。根据区域矿产分布分带特征,结合隐伏岩体侵入模型,预测了深部成矿模型。研究表明,在熊耳山西段有寻找大型斑岩型钼钨铜矿和大型金矿的潜力;中段隐伏岩体深度较大,以寻找中低温矿产为主;东段地质勘查程度相对较高,深部仍有寻找斑岩型钼金铜矿的潜力。     

广西清明山铜镍硫化物矿床上升气流微粒研究

为探讨上升气流微粒与深部隐伏矿体之间关系,在广西清明山铜镍硫化物矿床上方土壤中采集上升气流微粒,并采用透射电子显微镜(TEM)对微粒的形貌、大小、聚合状态、化学组分及结构等进行分析。结果表明,微粒主要由Cu、Co、Zn、Fe、Ca、Si、S等元素组成,其中成矿元素Cu、Co以自然Cu-Fe-Co、Zn-Fe-Co及Fe-Co合金微粒的形式存在,其余如Fe、Ca、Si、S等元素则以氢氧化物、氧化物及碳酸盐微粒形式存在。微粒可分为微粒聚合体及单个微粒,微粒的大小为50~500nm,微粒的形状多为不规则状、近椭圆形、近球状、水滴状和近长方体等。微粒中高含量的Cu、Co、Zn来源于深部隐伏矿体,含Fe、S微粒来源于矿床中金属硫化物矿物。此外,高价态的微粒组分指示微粒处于相对氧化的环境。清明山铜镍硫化物矿床的上升气流微粒组分与矿床矿物组分间存在着较好的对应性,本研究为隐伏铜镍硫化物矿床提供了新的找矿方法。     

基于重、磁、电法的多宝山矿集区隐伏斑岩体识别与深部找矿实践

斑岩体的存在是斑岩型铜矿重要的特征，查明隐伏斑岩体对于斑岩铜矿找矿预测有着重要的意义。文章以多宝山矿集区的岩石标本物性特征为基础，对重力、磁法、广域电磁法资料进行了处理和分析，根据矿化蚀变中心一般位于斑岩体顶部和矿化蚀变具有电阻率显著降低的特征，从已知到未知，对多宝山铜矿、铜山铜矿和争光金矿的隐伏花岗闪长斑岩体进行了识别，进而推断出矿体位置。根据电性异常特征推测：多宝山铜矿可以扩大外围找矿部署，铜山铜矿矿体有往下延伸的趋势，隐伏斑岩体南侧可能存在大型矿体；争光金矿深部可能存在斑岩型铜矿。多宝山铜矿、铜山铜矿、争光金矿同属斑岩型铜矿系统，多宝山矿集区具“上金下铜”的成矿特征。钻孔揭示了铜山矿区隐伏斑岩体南侧矿体的存在，新增资源量达到大型矿床规模。证实了方法的有效性，同时也显示出矿集区矿产资源潜力巨大。     

陈家杖子金矿地球化学特征及其指示意义

陈家杖子金矿是通过1∶5万化探工作发现的斑岩型金多金属矿, 其地球化学异常特征可作为在该区寻找类似矿床标志。该矿东部还有形成多金属矿的潜力。在此类土壤覆盖区应采用土壤测量。该金矿的发现反映了在我国中西部地区利用常规方法来发现新矿床的巨大潜力。     

冈底斯东段泽当大型钨铜钼矿新发现及走滑型陆缘成矿新认识

冈底斯成矿带以斑岩型铜矿(伴生钼矿)为主体,通常作为"挤压型"陆缘岩浆弧—"碰撞裂谷带"斑岩成矿的典型代表而被广泛关注,但层矽卡岩型钨铜钼矿和斑岩型独立钼矿的勘查和研究却未能引起足够的重视,尤其是层矽卡岩型白钨矿的发现,填补了区带矿种的空白;在雅鲁藏布江缝合带边部发现的隐伏斑岩型钼矿,突破了"挤压型"陆缘成矿认识的传统误区。中国冶金地质总局新近发现的冈底斯东段则当钨铜钼矿,既是一处大型钨铜钼矿详查开发基地,又是一组统一于陆缘走滑断裂构造成矿体制作用的钨、铜、钼矿床组合,称为"泽当矿田"。在NWW向雅鲁藏布江缝合带陆缘走滑断裂作用下,早期(68～40.3Ma)拉分型转换构造——NEE向剥离断层,控制了层矽卡岩型钨铜钼矿的形成;在NEE向冲木达陆缘走滑断裂作用下,晚期(30.26～23.62Ma)推闭型转换构造——NWW向逆冲断层,控制了隐伏斑岩型钼矿的形成。层矽卡岩型矿床形成和改造于68～66Ma和57～40.3Ma,叠加富集于斑岩型矿床的形成阶段——30.26～23.62Ma。     

Geochemical challenges of diverse regolith-covered terrains for mineral exploration in China

In recent years mineral exploration has concentrated on concealed deposits in regolith-covered terrains. In China, the regolith-covered landscapes mainly include desert windblown sand basins, desert peneplains, semi-arid grassland, loess plateaus, forestry land, alluvial plains and laterite terrains. These diverse regolith-covered areas represent geochemical challenges for mineral exploration in China. This paper provides an overview of recent progress on mechanisms of metal dispersion from the buried ore deposits through the transported cover to the surface and penetrating geochemical methods to detect the anomalies. Case studies show that, in arid and semi-arid desert sand-covered terrains, sampling of fine-fraction (− 120 mesh, < 0.125 mm) clay-rich horizon soil is cost-effective for regional geochemical surveys for sandstone-type uranium, gold, and base metal deposits. Fine-fraction sampling, selective-leaching and overburden drilling geochemical methods can effectively indicate the 210 gold ore body at Jinwozi goldfield. In alluvium-covered terrains, fine-grained soil sampling (− 200 mesh, < 0.074 mm) combined with selective leaching geochemistry shows clear ring-shaped anomalies of Cu and Ni over the Zhouan concealed Cu–Ni deposit. In laterite-covered terrains, the anomalies determined by the fine-fraction soils and selective leaching of absorbed metals on coatings of Fe–Mn oxides coincide well with the concealed deposit over the Yueyang ore deposits at the Zijin Au–Cu–Ag field. Nanoparticles of hexagonal crystals mainly native copper, gold and alloys of Cu–Fe, Cu–Fe–Mn, Cu–Ti, and Cu–Au were observed in gases, soils and ores using a transmission electron microscope (TEM). The findings imply that nanoparticles of gold and copper may migrate through the transported cover to the surface. Uranium is converted to uranyl ions [UO₂^2 +] under oxidizing conditions when migrating from ore bodies to the surface. The uranyl ions are absorbed on clay minerals, because clay layers have a net negative charge, which needs to be balanced by interlayer cations. Nanoparticles of Au and Cu and ion complexes of U are more readily absorbed onto fine fractions of soils containing clays, colloids, oxides and organic matters. Thus, fine-grained soils enriched with clays, oxides and colloids are useful media for regional geochemical surveys in regolith-covered terrains and in sedimentary basins. Fine-fraction soil sampling combined with selective leaching geochemistry is effective for finding concealed ore bodies in detailed surveys. Penetrating geochemistry at surface sampling provides cost-effective mineral exploration methods for delineation of regional and local targets in transported cover terrains.