地氣物質(zhì)遷移模型實(shí)驗(yàn)

唐 楨，周四春，曹 勇，洪友朋，宋偉力，肖曙光，王 沖

（1.浙江省輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)站 （環(huán)保部輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)中心），浙江 杭州 310012；2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059）

地氣測(cè)量作為一種有效的勘查方法技術(shù)，在尋找深部資源方面有著重要的意義［1－2］。人們?cè)诶闷鋵ふ疑畈抠Y源勘查中，傳統(tǒng)做法是通過比較礦石中的元素組合規(guī)律和地氣測(cè)量異常元素組合規(guī)律的異同，從而預(yù)測(cè)潛在的找礦靶區(qū)。但是，地氣測(cè)量得到的元素組合特征是否與礦石中元素組合特征相同或類似這個(gè)問題一直以來都沒有得到明確的回答。

通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)地氣物質(zhì)遷移模型實(shí)驗(yàn)與礦樣元素分析結(jié)果作對(duì)比，回答了上述問題，得到了較為明確的答案。

1 理論基礎(chǔ)

對(duì)于深部礦產(chǎn)資源（本文以鉛鋅礦為例），在討論“地氣法”勘查深部隱伏礦的機(jī)理時(shí)，普遍認(rèn)為在地表以下有“上升氣流”存在，將鉛鋅礦中成礦元素如Zn、Pb及多種元素?cái)y帶遷移至地表。本次模型實(shí)驗(yàn)研究重點(diǎn)為遷移元素的組合特征，特別是與Zn、Pb元素密切相關(guān)的一些成礦元素的遷移組合規(guī)律的研究［3－4］。

2 設(shè)計(jì)思想

作者在湖南某鉛鋅礦地區(qū)實(shí)地采集鉛鋅礦礦樣。為了進(jìn)一步研究礦體中成礦元素遷移特征，設(shè)計(jì)制作了地氣元素遷移模型實(shí)驗(yàn)裝置，用于模擬“上升氣流”穿過模擬礦層。其目的是為了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，進(jìn)行野外實(shí)地條件難以實(shí)現(xiàn)的模擬研究、分析元素組合特征。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?，需要滿足在基本環(huán)境條件上與野外實(shí)際情況相吻合。例如在模型內(nèi)部，應(yīng)具備上升氣流、礦體層（鉛鋅礦）、礦體上方的圍巖層等條件。其中，如何在模型內(nèi)部產(chǎn)生上升氣流是模型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。根據(jù)已有的資料成果，使用溫度可以調(diào)節(jié)的電熱板產(chǎn)生上升氣流。其工作原理為：接通電源后調(diào)節(jié)電熱板溫度，電熱板溫度高于空氣溫度后，電熱板上方空氣溫度隨之升高上升，即產(chǎn)生類似地氣向上遷移的微弱氣流。在此氣流上方，加上礦石樣品層用于模擬隱伏礦；在礦石樣品層上方，加上圍巖層用于模擬隱伏礦上方的圍巖。實(shí)驗(yàn)過程中，為了避免外界空氣等其它因素的污染，整體樣品層外需要加上隔離裝置。

地氣元素遷移模型實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。其中，a為電熱板（模型安放在電熱源上，溫度可以調(diào)節(jié)）；b為支架；c為樣品層，這層根據(jù)實(shí)際需要可以是一種礦樣層或是一層礦樣層加上其他層（如：圍巖層）；d為實(shí)驗(yàn)裝置外罩（模型外面有一隔離罩，把模型裝置內(nèi)環(huán)境與外界環(huán)境隔開）；e為實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的上升氣流；f為實(shí)驗(yàn)所用的采樣片或吸附劑（在隔離罩上擺放一個(gè)漏斗裝置，漏斗的頸口部位倒掛了若干采樣片。溫度的差異導(dǎo)致模型內(nèi)部產(chǎn)生模擬的“上升氣流”，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)礦樣層中產(chǎn)生的元素物質(zhì)，經(jīng)過依附氣流而上升遷移到采樣片上，并逐漸富集）［1－2］。

3 模型實(shí)驗(yàn)

3.1 模型實(shí)驗(yàn)裝置

分別制作3套相同如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，編號(hào)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置統(tǒng)計(jì)

3.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

圖1 地氣物質(zhì)遷移模型示意圖

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前準(zhǔn)備工作包括將不同電熱板溫度調(diào)整為60℃，礦樣品的研磨和稱重，圍巖樣品的研磨和稱重等。實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)為：電熱板溫度統(tǒng)一調(diào)整為60℃（發(fā)熱源），圍巖層重700g，厚3cm；礦層：重1300g，厚3cm；準(zhǔn)備工作完成后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求將礦樣層、圍巖層等放入相應(yīng)的模型內(nèi)。模型內(nèi)的礦樣具體放置情況為：鉛鋅礦模型1為實(shí)驗(yàn)樣品為礦化灰?guī)r層和上盤圍巖層，模型內(nèi)采樣片編號(hào)為KHW-10至KHW-90；鉛鋅礦模型2為礦石層加上盤圍巖層，模型內(nèi)采樣片編號(hào)為KSW-10至KSW-90。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

模擬實(shí)驗(yàn)開始進(jìn)行以后，把將做等離子質(zhì)譜儀（ICP-MS）分析的若干采樣片，一次性全部懸掛在漏斗內(nèi)側(cè)，然后固定使整個(gè)模型中心穩(wěn)定。以后，每隔一定的天數(shù)（十天左右）取一片采樣片，取下的樣片密封保存（取樣過程必須保證樣片的無污染）。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)開始，經(jīng)過90天的模擬實(shí)驗(yàn)，得到吸附元素后的采樣片27個(gè)，具體見表2。

3.5 元素檢測(cè)分析方法

之前，樣品多元素含量檢測(cè)，一般檢測(cè)方法為堆中子活化檢測(cè)。堆中子活化檢測(cè)的元素種類，一般有二十多種［2］。

此次模型實(shí)驗(yàn)樣品檢測(cè)，即采樣片上多種元素濃度測(cè)試，用等離子質(zhì)譜儀分析檢測(cè)。元素濃度分析測(cè)試在成都理工大學(xué)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室分析中心進(jìn)行。等離子質(zhì)譜儀分析檢測(cè)方法相比較堆中子活化檢測(cè)方法，最大的優(yōu)勢(shì)在于：檢測(cè)多達(dá)30種甚至40多種元素，極大的擴(kuò)展了檢測(cè)元素的種類；檢測(cè)的元素濃度含量下線為1pg/mL，這使得極為微小的元素含量也能被檢測(cè)出來元素的具體含量；等離子質(zhì)譜儀分析檢測(cè)方法，就像是為地氣采樣測(cè)量量身定做的檢測(cè)方法（元素隨上升氣流遷移且被捕獲的含量極低），因此被作為元素檢測(cè)分析的主要方法。

此次研究中樣品測(cè)量的目標(biāo)元素，包括稀土類、Cu、Zn、Pb、B、Ag、Au等元素在內(nèi)的37種元素。地氣樣品分析測(cè)量工作由成都理工大學(xué)的質(zhì)譜分析實(shí)驗(yàn)室完成，使用Perkin-Elmer公司制造的 ELAN DRC-e型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 （ICP-MS）。ICP-MS工作條件為：采用跳峰模式，進(jìn)樣時(shí)間10s，測(cè)量時(shí)間60s，清洗時(shí)間10s。

4 相關(guān)分析

4.1 相關(guān)分析簡(jiǎn)介

相關(guān)性分析對(duì)已知礦樣或已知礦體上方地氣測(cè)量結(jié)果中多種元素之間相似度分析，可以總結(jié)出與成礦元素“關(guān)系密切”共同富集元素的一種多元統(tǒng)計(jì)方法［5］。

相關(guān)分析的主要目的，可以表述為研究變量之間的相關(guān)緊密程度。其中變量之間的“親密程度”，可表述為確定性關(guān)系和非確定性關(guān)系，“確定性關(guān)系”為函數(shù)關(guān)系，“非確定性關(guān)系”為相關(guān)關(guān)系。相關(guān)系數(shù)計(jì)算的常用方法包括：Pearson系數(shù)、Spearman系數(shù)、Kendall系數(shù)等［6－7］。本次研究使用的相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法為Pearson系數(shù)。

4.2 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)分析

模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)分析，具體見表3、表4。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表3 KHW采樣片中元素含量相關(guān)分析結(jié)果

表4 KSW采樣片中元素含量相關(guān)分析結(jié)果

由表3可以看出，與Zn有一定相關(guān)性的元素有 Ni、Cu、Rb、Er、Pb、Hg、Bi；與Pb有一定相關(guān)性的元素有 Mn、Zn、Sr、Y、Cd、Cs、Ce、Er、Th、U、As、Bi。由相關(guān)分析可知，采樣片KHW樣品中，以下元素與Zn、Pb共同具有較好的相關(guān)性：Zn、Er、Pb、Bi。

由表4可以看出，與Zn相關(guān)性較好的元素有Li、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Y、La、Ce、Hf、Pb、U、Bi；與Pb較好相關(guān)性的元素有Li、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Ag、La、Ce、Eu、Yb、Hf、Th、U、Bi。由相關(guān)分析可知：采樣片KSW樣品中，以下元素與Zn、Pb有較好的相關(guān)性且趨于共同富集：Li、Cr、Co、Ni、Cu、Y、Zn、Ag、La、Ce、Hf、Pb、U、Bi；其中 Y、La、Ce為稀土類元素。

4.3 礦樣多元素含量檢測(cè)結(jié)果分析

4.3.1 相關(guān)分析結(jié)果

礦樣多元素分析由“國土資源部成都礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心”檢測(cè)。礦樣元素含量相關(guān)分析結(jié)果見表5。

由表5可以看出，與Zn相關(guān)性較好的元素有Mn、Cu、Ag、Cd、Pb、Au、As、Bi；與Pb相關(guān)性較好的元素有 Mn、Cu、Zn、Ag、Cd、U、Au、As、Bi。

由相關(guān)分析可知：鉛鋅礦石樣品中，以下元素有較好的相關(guān)性且趨于共同富集：Mn、Cu、Zn、Ag、Cd、Pb、Au、As、Bi。

4.3.2 相關(guān)分析結(jié)果比較

數(shù)據(jù)相關(guān)分析結(jié)果比較見表6。

表5 相關(guān)分析結(jié)果

表6 相關(guān)分析結(jié)果比較

由表6相關(guān)分析結(jié)果可知：礦石樣品中元素含量相關(guān)分析結(jié)果與地氣測(cè)量分析結(jié)果相比，有較為明顯的差異。在礦樣中元素與Zn相關(guān)性較好的元素同時(shí)與Pb相關(guān)性較好；而模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表現(xiàn)為與Zn元素相關(guān)性較好的元素，并不一定與Pb元素同樣具有較好相關(guān)性。造成這種現(xiàn)象的原因，是由礦石中元素隨上升氣流遷移至地表的過程中，不同的元素遷移能力不一致所造成的。

綜合分析可知：鉛鋅礦石樣品中以下元素有較好的相關(guān)性且趨于共同富集：Mn、Cu、Zn、Ag、Cd、Pb、Au、As、Bi。

模型實(shí)驗(yàn)中，以下元素與Zn、Pb有較好的相關(guān)性且趨于共同富集：Li、Mn、Ni、Cu、Zn、Y、La、Ce、Pb、Bi；此外Sr、Ag、U等元素與Zn、Pb有一定的弱相關(guān)。

5 成果分析

綜上所述，可以得到以下結(jié)論。

1）通過對(duì)鉛鋅礦樣品元素含量的綜合分析可知，鉛鋅礦樣中趨于共同富集的元素有：Mn、Cu、Zn、Sr、Ag、Cd、Pb、U、Au、As、Bi，共計(jì)11個(gè)元素；其中 Mn、Cu、Zn、Ag、Cd、Pb、Au、As、Bi這9個(gè)元素為Zn、Pb共同相關(guān)元素。

2）傳統(tǒng)觀點(diǎn)中認(rèn)為，地氣測(cè)量捕獲到的隱伏礦的異常元素應(yīng)該是和成礦元素密切相關(guān)的一些共（伴）生元素。但模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：礦致地氣異常中，以下元素與Zn、Pb有較好的相關(guān)性且趨于共同富集：Li、Mn、Ni、Cu、Zn、Y、La、Ce、Pb、Bi；這表明（以鉛鋅礦為例），并不是所有礦樣中與Pb、Zn“關(guān)系密切”的元素都會(huì)在礦體上方出現(xiàn)地氣異常。

3）礦樣中元素隨氣流上升遷移過程中，其原來的元素組合規(guī)律已經(jīng)改變。

4）在開展地氣測(cè)量勘查隱伏鉛鋅礦時(shí)，對(duì)捕獲的地氣異常進(jìn)行推斷解釋時(shí)，應(yīng)該考慮以上元素組合與元素相關(guān)關(guān)系。

［1］TONG Chunhan，LI Juchu，GE Liangquan，YANG Fenggen.Experimental observation of the nano-scale particles in geogas matters and its geological significance［J］.Science in China Series D：Earth Sciences，1998，41（3）：325-329.

［2］童純菡.元素遷移的模擬模型實(shí)驗(yàn)［J］.核技術(shù)，2001，24（6）：449-455.

［3］Malmqvist L，Kristansson K.Experiment evidence for an ascending micro-flow of geogas in the ground［J］.Earth and Planetary Science Letters，1984（70）：407-416.

［4］Kristiansson K， Malmqvist L，Persson W. Geogas prospecting：a new tool in the search for concealed mineralizations［J］.Endeavour，New Series，1990，14（1）：28-33.

［5］高惠璇.應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2005.

［6］沈其軍.SAS統(tǒng)計(jì)分析［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［7］克勞斯·巴克豪斯，本德·埃里克森，伍爾夫·普林克，等.多元統(tǒng)計(jì)分析方法［M］.上海：格致出版社，2009.