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1、图1 建立在点源模型上的各种类型的分散晕和分散流(谢学锦, 1979)Fig.1 V arious types of halos and trains dispersed from an orebodya point source注:本文为国家攀登计划 “B85234” 和中国地质大调查项目 “DK9902081” 的成果。 收稿日期: 2006206220;改回日期: 2006209216;责任编辑:章雨旭。 作者简介:谢学锦,中国科学院院士,中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所名誉所长,主要从事地球化学填图和勘查地球化学领域理论与方法技术的研究。Email: xuejingpublic
2、. bta. net. cn。地球化学填图与地球化学勘查谢学锦1),刘大文2)1)中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北廊坊, 0650002)中国地质调查局发展研究中心,北京, 100083内容提要:在中国与西方国家,地球化学填图的目的与做法并不相同,西方的地球化学填图是由研究机构开展 的,使用等离子焰光量计、X射线荧光光谱仪等大型仪器进行多元素分析,目的是取得多种元素在地球表层分布的基 础性资料。地球化学勘查则由矿业公司主要分析少量成矿元素,目的是为了找矿。而中国的地球化学填图计划却做 出了巨大努力,使地球化学填图取得的资料既有学术价值又对矿产勘查具有重大的实用意义。本文详细讨论了
3、西方 国家与中国地球化学填图与地球化学勘查的思路、 方法与技术的演变,并瞻望了地球化学填图在21世纪的巨大发展 前景。关键词:地球化学填图;地球化学勘查;多元素分析1 地学与空间分布信息图件针对不同研究对象在不同尺度上的空间分布进 行填图,始终在许多地学分支,如地理学、 地质学、 土 壤学、 水文学、 海洋学、 气象学等的发展历史中是最重要的支撑。自1815年W.Sm ith利用地层信息的 空间分布进行地质填图,此后不同尺度,不同形式的 地质填图就成为地质学发展中最基本的需要。 但另一方面,地球化学填图并未与F. W.Clarke和V. M. Goldschm idt首创的现代地球化学第52卷
4、 第6期 2 0 0 6年1 1月 地 质 论 评 GEOLOGICAL REV IEWVol . 52 No. 6Nov. 2006的兴起与发展有密切的联系。地球化学填图的发展主要应归功于从事矿产勘查的勘查地球化学家。表1 地表分散模式的分类及主要特征Table 1 Classif ication and general characteristics of the principal types of surf icial dispersion patterns成因分类分散作用主要搬 运营力介质元素分散中 的存在形式分散模式 的形状同 生 模 式后 生 模 式碎 屑 分 散水 成 分 散
5、生 物 分 散水 成 分 散生 物 分 散就地风化固体颗粒的 移动由于:在溶液中移 动植物同化作 用在溶液中移 动后沉淀植物同化后 的有机分解 物重新分布重力冰水风 地下水地表水植物地下水地表水营养液; 土壤水风化岩石 残积土 铁帽 残积土 铁帽 坡积土 海成土 冰水沉积土 片冲土 水系沉积物 湖积物 风积物 地下水 地表水 沉淀物及蒸发物活植物组织有机残骸碎屑层渗滤带土壤 水系沉积物碎屑层耐风化的原生及次 生矿物黏土矿物中 的组分次生的含水 氧化物可溶盐,络 合物及胶体 沉淀的盐类金属有机 化合物吸留于黏土矿物, 含水氧化物及有机 物质上的离子;在 含水氧化物与金属 有机物上共沉淀的 离子,
6、沉淀的盐类分散晕分散扇及 分散晕分散扇 分散流 分散扇 分散流 分散扇 分散扇 分散扇 分散流侧移模式上邻及侧 移模式上邻模式; 分散扇 侧移模式 分散流 上邻及侧 移模式2 地球化学勘查与地球化学填图在30年代末至40年代,在北欧、 俄罗斯与美国兴起了一种新的找矿技术。这种技术的理论依据是矿床在风化剥蚀过程中将成矿物质分散至周围的土壤、 沉积物、 水、 甚至植物与空气之中,形成各种类型的 “分散模式” 。 采集这些地表物质,并用半定量光谱方法(北欧及俄罗斯)或比色方法(美国),分析其中成矿元素含量,沿着成矿元素分散的途径追踪其来源 矿床。由于成矿元素是从一个矿床 一个点分散出来,这种 “点源
7、” 分散规模相当有限,仅有数平方千米至数十平方千米。因而在一个找矿计划中必须密集采样。比如,用1000100m2的采样格子, 50050m2, 10010m2,或更密的格子。地球化学找矿在那一个时期,在矿产勘查中只能成为一种辅助性方法。在60年代这种找矿技术已发展成为一个新的地学分支 勘查地球化学。1962年H.E.Hawkes与J.S. W ebb出版的经典专著 “矿产勘查 的 地 球 化 学 ”(Geochem istryinM ineralExploration)是这一发展的里程碑。在此书中,对广 泛流行的点源分散的思想与实际应用作了系统总结,并上升为理论。表1示Hawkes与W ebb
8、对各种类型分散模式的系统分类。图1示从 “点源” 分散至四周环境中的各种分散模式的示意图。但在Hawkes与W ebb的书中并不仅仅总结了当时流行的思路与技术,他们还是很有远见地看到这门科学的未来。在书中最后一章他们写道:“将元素空间分布来制图也将是研究地球的一种方法,就像制作土壤图、 岩石类型图,构造图与变质作用图一样。 ” 并且预测这类地球化学填图其意义将不亚于地质填图。为实现这种新的思路,J.S. W ebb及其工作组从20世纪60年代开始,就在赞比亚、 塞拉利昂、 马来亚、 爱尔兰及英国,以较稀的密度采集水系沉积物样品,并对样品进行多元素的分析。 将所得的结果制作出多种元素区域性分布的
9、图件(W ebb, N ichol and227地 质 论 评2006年Thornton, 1968)。 这类图件被认为对人类认识地球,提供了新的 有价值的基础性数据资料。但其应用方面则强调农 业与地质方面的应用,而不是矿产勘查。 因为受到了 当时流行的 “点源分散” 理论的限制,认为用这样稀的采样密度,捕捉不到从矿床物质分散发出的信息。W ebb等在1968年对他们在地球化学填图实验 中圈出的区域性异常作了这样的评述:“与矿化有关 的局部强异常不同,这些范围更宽阔的模式,似乎是 一些较弱的、 更均匀的变化,构成一些 地球化学起伏 反映的是各种地质建造的特征”(W ebb,N ichol an
10、d Thornton, 1968)。 从W ebb的评述中可看到,早期地球化学填图 填出的是区域性的 “地球化学起伏”,反映的是地质 建造。 要发现与矿化有关的局部强异常,仍须在地质或地球物理成果建议的较小范围内密集采样。但在60年代后期,这种密集采样的限制被打破,并不是 由于理论或概念上的突破,而是一些矿业公司从实 际出发。 他们为了降低勘查成本,同时希望有更多机 会找到新矿床,不得不扩大其工作范围,降低其采样密度。 这种在区域尺度内进行地球化学勘查的做法, 虽与点源分散的理论相违背,但在实践中却取得许 多找矿成效(Bradshaw , et al . , 1972)。3 国际地球化学填图1
11、97319881973年J.S. W ebb等出版了第一份地球化学 图集 “北爱尔兰地球化学实验图集”(ProvisionalGeochem ical A tlas of Northern Ireland) (W ebb etal . , 1973)。从1973到1988年国际上完成了四十余 项区域性及全国性地球化学填图计划。但由于分析的元素很不一致,对痕量、 超痕量元素的分析检出限 过高,以及取得的数据没有参考标准,无法全球对 比,地球化学填图所提供的基础资料并未受到国际 地质界的高度重视。而这些资料对矿产勘查也未能 发挥重要作用。表2是40个国家地球化学填图计划分析的元素 的统计资料(Xi
12、e, 1995)。从表上可看到像最普通的 成矿元素Cu、Pb、Zn。 亦尚有10至5项计划未给予分 析。而像Sn、W、A g、U、N i、M n、Co这样重要的成矿 元素有1?3至1?2的填图项目未给以分析。 至于A u、Hg及稀有、 稀土元素则更少有项目涉及。 表3是一些著名的地球化学填图项目对地壳丰 度 2mm的粗颗粒) (任天祥等, 1984,1989)。 在岩溶地区主要采集低洼地区的土壤及塘底 沉积物(黄成稚, 1989)。在高寒地区用甚低密度采 样。采集大河口沉积物及渗湿土样品(任天祥等,1983)。这些研究已经在中国西北边远各种特殊景观区 的地球化学填图工作中发挥了重要作用。但必须
13、指 出,近年来,地球气及活动态金属新概念,多营力接327第6期谢学锦等:地球化学填图与地球化学勘查表3 某些过去及正进行的地球化学填图计划中地壳丰度 1, 000, 000地球化学省 地球化学巨省 地球化学域 地球化学洲 地球化学块体 的地表显示家们足够的共识与支持,但仍在艰难地进行。 例如我 们这些年来系统全面研究取得的数千万的地球化学 数据后,初步发现自然界存在更为宽阔的地球化学模式,从区域性异常到地球化学省,地球化学巨省到 地球化学域(表5)。 这些宽阔的地球化学模式是某些 元素高含量的岩石块体在表生物质中的显示(Xie,1 9 9 5; Xie et al. , 2 0 0 4 )。这
14、 些 岩 石 块 体 可 称527第6期谢学锦等:地球化学填图与地球化学勘查图3 地球化学块体与地球演化各阶段的对应关系Fig.3 Geochem ical blocks and earth evolution图4 全国金的地球化学块体与金矿床分布Fig.4 D istribution of gold deposits and geochem ical blocks in China为地球化学块体(Geochem ical blocks)。 这是地球太 初不均匀性在其后多期地质演化过程中各种元素不断分布与重新分布的总效应(图3)。 巨大的地球化学 块体将可能为巨型矿生成提供所需的巨大金属供应
15、量。 因此地球化学块体理论的提出,将会改变中国以 及全世界今后的找矿战略,为全球矿产资源潜力的 评估提供有效手段,并为成矿学研究提供新思路。图4示全国金的地球化学块体在地表的显示。 这是处理了RGNR的海量金数据而制成的(当然在 边远地区由于工作方法不尽完善,会有很多遗漏)。 从图上可看到小型金矿( 10077100图5 IGCP259推荐在地球化学填图中应分析的71种元素Fig.5 IGCP259 recomendation for elements to be analyzed in geochem icalmapping这一项目的研究成果刊登于教科文组织地学专 刊第19号中(Darnle
16、y et al . , 1995)。在此专刊中对 地球化学填图全球标准化的最重要措施和建议为 必须分析71种元素(图5), 痕量及次痕量元素的 分析检出限必须低于地壳丰度, 要使用中国与加拿大的标准样。 以便使取得的数据可以全球对比。 在 研究全球极低密度地球化学填图可行性方面,项目 决 定在全球采集组合样的单位格子为160160km2。图6示该计划全球地球化学网格在中国的 覆盖情况。但是采集何种类型的样品使能近似的显示160160km2采样格子内基岩或地表物质中元素含量的平均值, IGCP259项目指导委员会的成员一 直争论不休。 中国为了给这一争论找出答案,启动了 “环境地球化学监控网络与动态地球化学图”(EGMON)研究项目。 这一研究项目表明,泛滥平原沉积物可能是今后全球极低密度地球化学填图最理想的采样介质。图版 21、2示以两类数据为依据制 作的Cu的全国地球化学图。图版 21依据全国数 以百万计的水系沉积物样品Cu分析数据。 图版 22 依据的是500余个泛滥平原沉积物样品中Cu分析 数据。以两类数据在每个16
