我國地電化學(xué)技術(shù)主要研究進(jìn)展與展望

劉攀峰 羅先熔 文美蘭 鄭超杰 歐陽菲 單江濤 高 文

(1.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,廣西 桂林 541006;2.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林 541006;3.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗室,廣西 桂林 541006)

“十三五”以來,伴隨我國工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程加快,資源形勢日趨嚴(yán)峻,多數(shù)礦產(chǎn)需求量增大,并且隨著礦產(chǎn)勘查程度的提高,易發(fā)現(xiàn)的地表或淺部礦產(chǎn)日益減少,勘查成本升高的同時找礦難度也有所增加,因此,隱伏礦、難識別礦成為今后找礦勘查的重點(diǎn)。地電化學(xué)技術(shù)作為深穿透地球化學(xué)勘查方法之一,在我國發(fā)展三十多年以來,技術(shù)裝備、成暈機(jī)理、技術(shù)規(guī)程等方面都日趨成熟,特別在尋找隱伏礦方面應(yīng)用效果顯著。目前,該技術(shù)方法已應(yīng)用到俄羅斯、美國、加拿大、澳大利亞等國,成為世界隱伏有色金屬、貴金屬礦床找礦的重要手段之一。結(jié)合現(xiàn)階段方法理論和找礦應(yīng)用方面取得的研究成果,本研究主要對我國2011年以來地電化學(xué)技術(shù)方向的技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行歸納總結(jié),并就未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 地電化學(xué)技術(shù)發(fā)展概況

地電化學(xué)技術(shù)在前蘇聯(lián)誕生并發(fā)展,方法原理、技術(shù)裝備得以完備,同時也開展了大量的找礦應(yīng)用實(shí)踐。我國是較早一批引入地電化學(xué)技術(shù)的國家,在吸收消化該技術(shù)的同時因地制宜地進(jìn)行了一些實(shí)質(zhì)性的改進(jìn),特別是低電壓(小功率)偶極地電提取裝置的研制,使其在我國有了長足的發(fā)展。

地電化學(xué)技術(shù)在我國的發(fā)展大致可以分為引入吸收、攻堅克難、推陳出新和更新迭代4個階段(圖1)。

圖1 我國地電化學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程Fig.1 Development process of the geo-electrochemical technology in China

結(jié)合圖1,對各階段具體發(fā)展情況進(jìn)行如下分析:

(1)引入吸收階段。我國地電化學(xué)技術(shù)率先由費(fèi)錫銓、徐邦梁等引入,1979—1984年在江蘇大平山銅礦、列石山銅礦、石碭山含銅磁鐵礦、安徽五河金礦從離子淌度與極限電流密度方面開展了方法原理研究[1-2],并對不同條件(供電電壓、供電電流、供電時間)的提取效果進(jìn)行了討論[3],為我國地電化學(xué)技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ);1980年在前蘇聯(lián)塔什干召開了國際現(xiàn)代探礦方法討論會,鄭康樂等參加并在回國后編寫了詳細(xì)報告介紹了地電化學(xué)提取法[4];之后,張肇元與崔霖沛于1986年將雷斯的《地電化學(xué)勘探法》專著翻譯成中文[5]。至此以后,國內(nèi)地質(zhì)冶金部、礦產(chǎn)部、武警黃金部隊、南京地質(zhì)學(xué)校、核工業(yè)等科研院所、生產(chǎn)單位對地電提取技術(shù)開展了不同程度的找礦試驗和應(yīng)用研究。

(2)攻堅克難階段。方法技術(shù)方面,1989年在北京舉行的勘探地球物理國際討論會上,劉吉敏[6]介紹了采用土壤測量法和電提取離子法在某些銅鎳、金礦區(qū)的試驗研究成果,認(rèn)為在淺覆蓋區(qū)地電化學(xué)技術(shù)具有異常明顯、強(qiáng)度高等優(yōu)勢;費(fèi)錫銓[7]闡述了電提取過程中近地表松散層中微量離子暈來源問題,并用實(shí)例驗證了該方法在尋找多金屬及貴金屬礦是有效可行的。潘勇飛[8]分析了地電化學(xué)技術(shù)在發(fā)展中存在的一些問題,包括命名混亂、單位不統(tǒng)一,尤其對找金效果存在絕對化傾向等,同時認(rèn)為“雙極提取”對金礦指示效果更優(yōu);李金銘等[9-10]為明確在電流場中離子遷移距離所需時間,以及電極(液態(tài)、固態(tài)元素接收器)提取物質(zhì)質(zhì)量的影響因素,根據(jù)模擬試驗中時量曲線給出了離子淌度、遷移濃度和遷移距離的計算方法;溫佩琳等[11]編著了《地電化學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用》一書,結(jié)合電法勘探和地質(zhì)學(xué)中涉及的電化學(xué)基礎(chǔ)理論和實(shí)際問題探討了巖(礦)石固液相界面性質(zhì)、熱力學(xué)、電化學(xué)、相平衡、原電池及電解池作用、地電化學(xué)勘探等問題。儀器裝備方面,高云龍[12]、邱玉民[13]較早吸收前蘇聯(lián)成果,研制了適合我國地質(zhì)環(huán)境的儀器裝備,并與邱玉民運(yùn)用地電化學(xué)技術(shù)對戰(zhàn)略資源鈾礦開展了找礦研究。找礦成效方面,羅先熔課題組[14-16]在新疆哈密、山西繁峙、廣東韶關(guān)、廣西平桂等20多個礦區(qū),剖析了不同礦種的典型礦床,在此基礎(chǔ)上運(yùn)用地電化學(xué)技術(shù)開展找礦預(yù)測并取得了良好的找礦成果;隨后在1996年出版了我國較全面、系統(tǒng)論述地電化學(xué)找礦技術(shù)的專著——《地球電化學(xué)勘查及深部找礦》[17],極大地推動了地電化學(xué)技術(shù)在礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用。

(3)推陳出新階段。進(jìn)入2000年以來,部分科研單位、院校持續(xù)開展了地電化學(xué)技術(shù)的研究與應(yīng)用。2000年長沙大地構(gòu)造研究所譚克仁等研發(fā)了對Au3+有強(qiáng)吸附作用的聚醚型聚氨脂泡沫電極,在山東七寶山金礦進(jìn)行了電提取與吸附提取野外試驗,并應(yīng)用地電提取技術(shù)在湖南龍山金銻礦和黑龍江大安河金礦進(jìn)行了隱伏礦預(yù)測,取得了找礦突破[18-20]。羅先熔課題組長期致力于地電化學(xué)技術(shù)的研究,在方法理論方面提出地電化學(xué)異常形成理論——“遞推”理論[21],于2008年獲得了低電壓偶極地電提取方法專利授權(quán)[22];找礦成效方面在廣西興安金石金礦及高龍金礦、內(nèi)蒙古巴彥哈爾金礦、甘肅金川銅鎳礦、吉林紅旗嶺銅鎳礦、黑龍江金廠金礦、云南木利銻礦、河南周庵鉑族-銅鎳多金屬礦等開展了地電化學(xué)技術(shù)隱伏礦預(yù)測[23-29],特別在江西樂安縣相山地區(qū)開展的尋找火山巖型隱伏鈾礦的研究中,找礦效果顯著,根據(jù)元素異常特征預(yù)測深部存在鉛鋅礦體,并通過鉆探工程驗證了深部存在隱伏鉛鋅礦[30];方法技術(shù)方面開展了不同提取時間、不同提取液、不同采樣深度、不同供電電壓等提取條件的對比試驗[31-33];同時在儀器設(shè)備方面不斷改進(jìn)和優(yōu)化,成功研制出新一代獨(dú)立供電、單點(diǎn)雙極提取的地電提取裝置——低電壓偶極地電提取裝置,于2008年獲得專利授權(quán)[34]。孫彬彬等[38-39]重點(diǎn)研究了地電提取過程中載體物質(zhì)的選取方法[35-37],成功研制了具有時間控制功能的固體載體型元素提取器。

(4)更新迭代階段。在“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃專項的資助下,方法理論方面從金屬微粒產(chǎn)生—金屬微粒遷移—金屬微粒卸載/提取3個階段建立了地電化學(xué)異常形成“分段”理論[40];儀器設(shè)備方面從便捷化、智能化、制造工藝等部分優(yōu)化升級原低電壓偶極地電提取裝置,完成供電電源、提取電極的換代,并獲得多項專利授權(quán);同時,撰寫完成了《地電化學(xué)測量技術(shù)規(guī)程(征求意見稿)》,極大地助推了地電化學(xué)技術(shù)在礦產(chǎn)勘查方面的應(yīng)用。

2 研究進(jìn)展

2.1 方法理論與突破

在《地電化學(xué)勘探法》專著中Ю·C雷斯系統(tǒng)概括并給出了地電化學(xué)法的概念:該方法是在人工電場的作用下,各種電化學(xué)現(xiàn)象及與離子態(tài)遷移、分布以及礦物的激發(fā)電化學(xué)特征有聯(lián)系的一系列方法的統(tǒng)稱[5]。在我國地電化學(xué)技術(shù)專指系列方法中的一種——地電提取法,該方法憑借外加電場作用,可提取活動態(tài)的金屬離子到指定電極,收集并分析電極上的吸附介質(zhì),從而發(fā)現(xiàn)與礦有關(guān)的金屬離子異常,達(dá)到找礦和評價的目的[21]。本研究將我國地電化學(xué)技術(shù)原理的發(fā)展與完善過程劃分為“提取理論”“遞推理論”“分段理論”3個階段。

(1)第1階段“提取理論”。多數(shù)專家學(xué)者認(rèn)為地電化學(xué)提取的物質(zhì)直接來自于深部隱伏礦體,與深部礦體周圍存在的相關(guān)離子暈有關(guān),成暈機(jī)制如圖2(a)所示。已有的提取試驗成果證實(shí)在電場作用下,暈中的陽離子沿電場方向通過特殊處理的雙層半透膜向負(fù)極運(yùn)移,陽離子得到電子在負(fù)極形成相應(yīng)的鍍層[3]。少數(shù)學(xué)者認(rèn)為元素提取器最初主要提取近地表呈水溶態(tài)的少量離子,同時在外加電場的作用下,其他穩(wěn)定或不太穩(wěn)定的元素得以解離,從而驅(qū)使新生離子向地表運(yùn)移[41]。

圖2 地電化學(xué)成暈機(jī)理模式Fig.2 Models of geo-electrochemical halo formation mechanism

(2)第2階段“遞推理論”。深部礦化體中不同礦物之間存在自然電位差,可形成原電池,礦體也可發(fā)生電化學(xué)溶解,產(chǎn)生相應(yīng)的離子暈,在自然營力(擴(kuò)散作用、地下水循環(huán)、毛細(xì)血管作用、地氣運(yùn)移、構(gòu)造應(yīng)力等)作用下,向上運(yùn)移到不同層位形成離子動態(tài)平衡。當(dāng)在近地表施以外加電場時,離子在電場作用下向提取電極富集并析出,打破了局部離子平衡。為保持物質(zhì)平衡特性,離子會逐級向上補(bǔ)充,直至深部礦體[21],成暈機(jī)制如圖2(b)所示。

(3)第3階段“分段理論”。地電化學(xué)異常形成過程主要包括:第1段成礦相關(guān)金屬微粒產(chǎn)生,主要機(jī)制包括電化學(xué)溶解、重熔作用、機(jī)械溶解(壓溶作用),其中以電化學(xué)溶解為主;第2段金屬微粒遷移,以潛水面為界,分為包氣帶區(qū)(擴(kuò)散作用、微生物作用、植物運(yùn)移)和飽水帶區(qū)(電化學(xué)遷移、地氣遷移、壓力泵機(jī)制),不同遷移機(jī)制可協(xié)同發(fā)生;第3段金屬微粒的卸載,在近地表存在不同的地球化學(xué)障(酸堿性障、生物化學(xué)障、蒸發(fā)障、吸附障、氧化—還原障等),形成各種次生可溶性鹽類、黏土、氧化物、有機(jī)物、膠體物質(zhì)等,金屬微粒遷移至近地表時,遇到地球化學(xué)環(huán)境的改變產(chǎn)生相應(yīng)的物理化學(xué)反應(yīng),被卸載形成各種次生礦物,或以活動態(tài)、吸附態(tài)存在[40,42]。

2.2 儀器設(shè)備與優(yōu)化

我國地電化學(xué)相關(guān)設(shè)備率先由核工業(yè)沈陽240研究所進(jìn)行研制,采用電壓較高、功率較大的電源,先后生產(chǎn)了車載式DDHK系列和便攜式DT系列;地礦部地質(zhì)經(jīng)濟(jì)中心也自主研制了DHJ系列,共推出了DHJ-1型和DHJ-2型兩款儀器(圖3(a)和圖3(b))。該時期的提取裝置需要布設(shè)測線和測點(diǎn)、長時間供電、定時抽取提取液,并且提取效果不理想。隨著對地電化學(xué)成暈機(jī)理研究的深入,到2007年,桂林理工大學(xué)羅先熔等成功研制了低電壓偶極地電提取裝置(圖3(c)),該裝置具有體積小、低電壓、獨(dú)立供電、易操作等特點(diǎn)[34],很快在全國多個礦區(qū)得到應(yīng)用,并取得了良好的找礦效果。2009年中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所成功研制了固體載體型元素提取器(圖3(d))[39]。

圖3 地電化學(xué)儀器設(shè)備示意Fig.3 Schematic of geo-electrochemical instruments and equipment

2011年以來,地電化學(xué)提取裝置的升級與優(yōu)化均是在低電壓偶極地電提取裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行,主要包括供電電源、提取電極和吸附材料3個部分。供電電源集中優(yōu)化可控性,包括控時、恒流、多檔穩(wěn)壓等,使其在適應(yīng)不同覆蓋層條件的同時盡可能避免不可控因素干擾[43-45];提取電極部分簡化制作工藝,提高材料性能,如電極與導(dǎo)線的連接采用一體化模式,石墨碳棒電極升級為碳纖維電極,大幅減輕了提取電極的質(zhì)量,使其便攜的同時更加易于操作[46-48];吸附材料方面完善聚氨酯泡塑預(yù)處理方法,使其去除本底的同時添加不同礦種相對應(yīng)的有機(jī)萃取劑,從而增強(qiáng)了吸附能力,提高了提取效率[49]。目前在尋找鈾礦中預(yù)處理方法較為完善,特別是砂巖型鈾礦[50]。另外,地電化學(xué)提取過程中相關(guān)數(shù)據(jù)(瞬時電壓、電流)的采集與記錄得以實(shí)現(xiàn),直流穩(wěn)壓電源輸出端的工作電壓、工作電流和對應(yīng)的時間信息,每10 min便可自動采集并記錄一次[51-52],便于有效分析電壓、電流與地電化學(xué)提取效果之間的關(guān)系。

2.3 技術(shù)規(guī)范與完善

地電化學(xué)方法的技術(shù)規(guī)范隨著儀器設(shè)備的改進(jìn)發(fā)生了較大變化。2000年以前,技術(shù)人員仍需攜帶笨重的發(fā)電機(jī)組、電流調(diào)制器、元素接收器(液體/固體)等,到野外布置測線和測點(diǎn),晝夜供電,輪流值班,特別是先前使用的液態(tài)型接收器還需要定時抽取提取液,工作時間長、操作復(fù)雜,一直被受詬病。之后隨著低電壓偶極地電提取裝置的研制和應(yīng)用,野外工作只需將提前組裝好的提取裝置埋設(shè)于各個測點(diǎn),倒入適量提取液,埋設(shè)24～48 h收回即可。2012年桂林理工大學(xué)隱伏礦床研究所和中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)研究所聯(lián)合開展了“獨(dú)立供電偶極子地電化學(xué)技術(shù)規(guī)范化”研究工作,對樣品采集—樣品處理—分析測試整個流程進(jìn)行了規(guī)范化,包括野外、室內(nèi)操作流程,樣品預(yù)處理方法、分析質(zhì)量監(jiān)控方案等,建立了適用于地電化學(xué)方法的多元素分析配套方法[53-56](表1)。2016年開展了“地電化學(xué)方法成暈機(jī)理及技術(shù)改進(jìn)研究與應(yīng)用示范”工作,在改進(jìn)技術(shù)方法的同時進(jìn)一步完善了技術(shù)規(guī)范。2017年編制了相應(yīng)的勘查規(guī)范或技術(shù)要求,由孫彬彬、文美蘭等起草了《地電化學(xué)測量技術(shù)規(guī)程(征求意見稿)》,對該項技術(shù)方法的推廣應(yīng)用具有重要意義。

表1 地電化學(xué)泡塑樣品分析方法配套方案Table 1 Matching schemes for analytical methods of geo-electrochemical foam plastic samples

2.4 應(yīng)用成效與拓展

2.4.1 典型區(qū)域應(yīng)用

(1)西北荒漠戈壁覆蓋區(qū)。2011—2013年桂林理工大學(xué)隱伏礦床預(yù)測研究所與金川集團(tuán)有限公司、澳大利亞南澳資源部合作在荒漠戈壁覆蓋的金川銅鎳硫化物礦區(qū)、南澳大利亞鈣質(zhì)石化覆蓋區(qū)進(jìn)行找礦研究,創(chuàng)建了一套適用于荒漠戈壁區(qū)尋找深部及外圍埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜的隱伏金屬礦床多元信息勘查集成技術(shù),構(gòu)建了礦產(chǎn)資源多元信息勘查模型,在金川銅鎳硫化礦的Ⅰ、Ⅱ號礦區(qū)深部及外圍的南延地區(qū)找到了6處可供進(jìn)一步勘查的新找礦靶區(qū)[28-29]。金川集團(tuán)有限公司組織對其中3處靶區(qū)進(jìn)行了工程驗證,在一礦區(qū)深部通過鉆探,探獲礦石資源儲量1 270 萬t,銅金屬量15.5 萬t,鎳金屬量20 萬t,直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)350 億元,還有3處異常未進(jìn)行工程驗證,仍有巨大的找礦潛力。在澳大利亞Challenger金礦、Tunkilia金礦、Kalkaroo銅金礦等5個礦區(qū)開展了深部找礦預(yù)測,找到3處可供進(jìn)一步勘查的新找礦靶區(qū),其中2處找礦靶區(qū)已被驗證見到隱伏銅金礦體,引起澳大利亞同行及南澳官方媒體的關(guān)注及肯定。另外,利用地電化學(xué)技術(shù)在新疆布爾津縣吉拉拜金礦、克依克拜金礦、哈密等礦區(qū)深部及外圍找到了多處可供進(jìn)一步勘查的找礦靶區(qū)[57-58],在預(yù)測的找礦靶區(qū)內(nèi)進(jìn)行了鉆孔驗證見到了隱伏金礦體。

(2)東北原始森林覆蓋區(qū)。2013—2015年桂林理工大學(xué)隱伏礦床研究所與武警黃金一支隊、黑龍礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司在黑龍江省東寧縣金廠礦區(qū)、小興安嶺虎拉林金礦區(qū)、銅山銅礦區(qū)以及吉林汪清杜荒嶺金礦區(qū)開展了地電化學(xué)技術(shù)尋找隱伏礦的預(yù)測研究工作[59-60]。在接觸交代/矽卡巖型、淺成熱液型金礦床和斑巖型銅礦床上方,都測出了清晰的地電化學(xué)異常,表明利用地電化學(xué)技術(shù)在東北原始森林區(qū)開展找礦預(yù)測是行之有效的;選出了適用于原始森林覆蓋區(qū)尋找隱伏金、銅礦的地電化學(xué)技術(shù)指標(biāo),并在上述礦區(qū)深部及外圍開展了找礦預(yù)測工作,圈定了具有找礦前景的地電化學(xué)綜合異常區(qū)20余個。在黑龍江金廠礦區(qū)中部、窮棒子溝與邢家溝之間預(yù)測的地電化學(xué)綜合異常區(qū)內(nèi)施工了17個深部驗證鉆孔,其中15 個孔見到隱伏金礦體,共探獲礦石資源量65.77 萬t,金金屬量3.51 t,資源潛力價值15.01億元;在大狍子溝地區(qū)地電化學(xué)預(yù)測的綜合異常區(qū)內(nèi)施工了深部鉆孔6 個,其中3 個孔見到隱伏金礦體,共探獲礦石資源量12.9 萬t,金金屬量0.64 t,資源潛力價值2.74 億元;在小興安嶺虎拉林金礦區(qū)地電化學(xué)技術(shù)預(yù)測的綜合異常區(qū)內(nèi)施工了ZK601鉆孔驗證,找到多條金礦體,單礦體最大厚度12.5 m,單樣最高品位25.23 g/t,獲得新增推斷的內(nèi)蘊(yùn)經(jīng)濟(jì)金資源量(333)2 191 kg,潛在經(jīng)濟(jì)價值上億元;在吉林汪清杜荒嶺金礦地電化學(xué)綜合異常區(qū)內(nèi)施工了ZK0001驗證孔,在孔深192.60～193.60 m處見到Au品位為7.54×10-6的金礦體,在223.10～224.00 m深處見到Au品位為2.88×10-6的金礦體。

(3)青藏高原凍土覆蓋區(qū)。2012年桂林理工大學(xué)隱伏礦床預(yù)測研究所在青海沱沱河多才瑪鉛鋅礦區(qū)、曲麻萊縣扎家同那金礦區(qū)以及祁連縣尕大阪銅多金屬礦區(qū),開展了地電化學(xué)技術(shù)尋找隱伏金屬礦的預(yù)測研究工作[61-62]。在上述中溫?zé)嵋好}型、淺成低溫?zé)嵋盒徒饘俚V床上方,都測出清晰的地電化學(xué)異常,表明利用地電化學(xué)集成技術(shù)在青藏高原凍土區(qū)開展找礦預(yù)測行之有效,創(chuàng)建出了一套適用于青藏高原凍土覆蓋區(qū)尋找隱伏金屬礦的地電化學(xué)技術(shù)指標(biāo)。在沱沱河多才瑪鉛鋅礦區(qū)地電化學(xué)預(yù)測的Ⅱ-2號綜合異常區(qū)NW向位置進(jìn)行了鉆探工程驗證,在65.81～105.43 m深處見到工業(yè)品位鉛礦體,礦體累計厚度達(dá)58.97 m,Pb品位為0.52%～4.22%,平均品位為1.49%。2013—2014年在青海省格爾木西藏大溝北金礦普查區(qū)開展了地電化學(xué)測量尋找隱伏金礦的研究,在該礦區(qū)深部及外圍找到了可供進(jìn)一步勘查的找礦靶區(qū)2處,其中1處找礦靶區(qū)已被驗證見到隱伏金礦體[63]。2016—2018年在西藏隆子縣邦卓瑪?shù)V區(qū)、那嘎迪礦區(qū)及外圍開展了地電化學(xué)技術(shù)尋找隱伏金及多金屬礦的預(yù)測研究工作[64-65],在這兩礦區(qū)深部及外圍找到了可供進(jìn)一步勘查的找礦靶區(qū)3處,其中1處靶區(qū)已被驗證見到了隱伏金礦體。

(4)內(nèi)蒙古草原風(fēng)成砂覆蓋區(qū)。利用地電化學(xué)技術(shù)在內(nèi)蒙古巴彥哈爾金礦、烏蘭呼都格銅多金屬礦、哈達(dá)特陶勒蓋鉛鋅銀多金屬礦等礦區(qū)深部及外圍找到了多處可供進(jìn)一步勘查的找礦靶區(qū)[66-67]。在內(nèi)蒙古巴彥哈爾金礦區(qū)外圍預(yù)測的綜合異常區(qū)經(jīng)鉆孔驗證,獲得新增推斷的內(nèi)蘊(yùn)經(jīng)濟(jì)金資源量1 000 kg。中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)研究所在河北蔡家營鉛鋅多金屬礦區(qū)已知剖面進(jìn)行的有效性與條件性試驗發(fā)現(xiàn),地電化學(xué)技術(shù)比常規(guī)土壤測量效果更優(yōu),對干旱—半干旱風(fēng)成砂覆蓋區(qū)普適性更強(qiáng)[68];在洛恪頓鉛鋅多金屬礦區(qū)、朝不楞多金屬礦區(qū)開展的1∶5萬面積性地電化學(xué)應(yīng)用勘查工作表明,與常規(guī)土壤測量對比同樣顯示地電化學(xué)效果更好,并在洛恪頓鉛鋅多金屬礦區(qū)圈定的地電化學(xué)異常區(qū)經(jīng)鉆探驗證,于540 m深處發(fā)現(xiàn)了厚6 m的富Ag、Cu礦體[69-70]。

(5)滇黔桂巖溶地區(qū)。2007年桂林理工大學(xué)隱伏礦床預(yù)測研究所在廣西大廠錫礦田銅坑礦區(qū)、高峰金礦區(qū)開展了物化探綜合方法找礦預(yù)測研究,創(chuàng)建了以地電化學(xué)技術(shù)為主的一套適合于大型錫礦山深邊部接替資源的綜合勘查技術(shù)。利用這套綜合勘查技術(shù)組合,為大廠銅坑礦區(qū)提交了8個找礦預(yù)測靶區(qū),高峰礦區(qū)3個找礦預(yù)測靶區(qū),部分靶區(qū)經(jīng)深部工程驗證見到了隱伏錫多金屬礦體,預(yù)計可新增錫多金屬資源量68.495 萬t,潛在經(jīng)濟(jì)價值數(shù)億元。2014—2015在貴州省普定縣張家壩—織金縣白泥田鉛鋅礦外圍利用地電化學(xué)技術(shù)尋找隱伏鉛鋅礦,在新麥—水營地區(qū)圈定的地電化學(xué)綜合異常區(qū)內(nèi)施工了1個驗證鉆孔,在200 m深處見到了隱伏銻礦體[71]。

(6)第四系黃土/紅土覆蓋區(qū)。2013年與2017年桂林理工大學(xué)隱伏礦床預(yù)測研究所在豫西黃土覆蓋的周庵銅鎳礦區(qū)、洛寧縣石龍山金多金屬礦區(qū)開展了地電化學(xué)找礦預(yù)測研究[29,72],圈定了多處Cu、Ni異常區(qū),在石龍山金多金屬礦區(qū)南部圈定的地電化學(xué)異常區(qū)經(jīng)地表工程驗證,發(fā)現(xiàn)了1處品位較高的金礦體。2013—2015年在紅土覆蓋的云南西邑鉛鋅礦區(qū)已知的剖面開展了方法有效性試驗,顯示地電化學(xué)異常對深部V3號隱伏礦體具有很好的響應(yīng),并且與已知含礦破碎帶出露位置對應(yīng)十分完好,認(rèn)為礦化體受斷裂控礦,破碎帶為金屬微粒提供了更為便利的上移通道;并在礦區(qū)外圍李家寨圈定了多處Pb、Zn異常區(qū),經(jīng)踏勘在地表發(fā)現(xiàn)有少量褐鐵礦,地質(zhì)條件良好,成礦潛力較大[73]。

2.4.2 不同景觀區(qū)鉛鋅礦找礦成效與影響因素

在我國高寒山區(qū)(青海多才瑪?shù)V區(qū))、高山峽谷區(qū)(云南西邑礦區(qū))、中低山區(qū)(云南會澤礦區(qū))、巖溶區(qū)(貴州白泥田礦區(qū))、干旱—半干旱風(fēng)成砂區(qū)(內(nèi)蒙古哈達(dá)特礦區(qū))5種景觀區(qū)內(nèi)選擇典型鉛鋅礦,在已有工程控制剖面從地電提取元素統(tǒng)計量、礦體埋藏深度與區(qū)內(nèi)年均氣溫、年均降雨量、覆蓋層厚度等方面,并結(jié)合各個景觀區(qū)特征進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析,結(jié)果見表2。

表2 不同景觀特征與鉛鋅礦地電化學(xué)異常參數(shù)統(tǒng)計Table 2 Statistical of landscape characteristics and geoelectric anomaly parameters of Pb-Zn deposit

結(jié)合表2分析可知:

(1)Pb、Zn元素地電提取平均值均大于其背景值,按其異常襯度大小從巖溶區(qū)—中低山區(qū)—高山峽谷區(qū)—荒漠戈壁區(qū)—高寒山區(qū)依次升高,且Pb元素異常襯度均大于1.2、Zn元素異常襯度大于3.3,表明鉛鋅成礦元素均有不同程度富集。

(2)不同礦區(qū)礦體埋藏厚度為80～700 m,在礦體上方均同步出現(xiàn)地電化學(xué)Pb、Zn異常,受巖溶區(qū)特殊地質(zhì)條件影響,白泥田礦區(qū)異常值最高,但襯度最小,加之年平均降雨日100 d左右,降雨量達(dá)1 100～1 500 mm,蒸發(fā)作用減弱對地電提取效果有一定影響,同樣在西邑礦區(qū)(高山峽谷)效果類似;反觀哈達(dá)特礦區(qū)(干旱—半干旱風(fēng)成砂區(qū))年降雨量245 mm,Pb、Zn異常值偏低,襯度高,地電提取效果較好。高寒山區(qū)年均溫度為-4.5 ℃,海拔4 500 m以上,覆蓋層多以凍土為主,易形成地球化學(xué)障,從而影響地電提取量,多才瑪?shù)V區(qū)Pb、Zn異常值不高,但襯度最高,提取效果好,表明地電提取適用于高寒山區(qū)景觀區(qū)。根據(jù)現(xiàn)階段研究初步認(rèn)為:從巖溶區(qū)—中低山—高山峽谷—荒漠戈壁—高寒山區(qū)的找礦效果有變優(yōu)趨勢,其效果受不同景觀區(qū)年均降雨量、覆蓋層厚度及蒸發(fā)作用影響;同時不同景觀區(qū)仍存在地形、植被、pH值等諸多不同的影響因素。

2.4.3 不同景觀區(qū)銅鎳礦找礦成效與影響因素

從我國高寒山區(qū)(青海拉水峽礦區(qū))、沖積平原區(qū)(河南周庵礦區(qū))、森林沼澤區(qū)(吉林紅旗嶺礦區(qū))、半干旱荒漠(甘肅金川礦區(qū))4種景觀區(qū)內(nèi)選擇典型銅鎳礦,在已有工程控制剖面從地電提取元素統(tǒng)計量、礦體埋藏深度等參數(shù),并結(jié)合各景觀區(qū)特征進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析,結(jié)果見表3和表4。

表3 不同礦區(qū)地電提取Cu、Co、Ni元素相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計Table 3 Statistical of related parameters of geo-electrochemical Cu,Co and Ni in different mining area

表4 礦床所在景觀區(qū)特征參數(shù)統(tǒng)計Table 4 Statistical of characteristics parameters of landscape area where the deposit is located

結(jié)合表3、表4分析可知:

(1)各礦區(qū)地電提取的Cu、Co、Ni元素含量平均值差異較大,如甘肅金川礦區(qū)w(Cu)平均為37.63 μg/g,河南周庵礦區(qū)w(Cu)平均值僅為4.12 μg/g,w(Ni)為3.24～35.43 μg/g,另外各礦區(qū)內(nèi)平均值均高于背景值,甚至高達(dá)數(shù)倍,且各元素變異系數(shù)均大于1,處于1.09～1.81區(qū)間,表明各元素在區(qū)內(nèi)分布不均勻,在局部富集的可能性大。

(2)不同礦區(qū)礦體埋藏厚度為10～390 m,在礦體上方同步出現(xiàn)了地電化學(xué)Cu、Co、Ni異常。在沖積平原區(qū)覆蓋厚,礦體埋藏深度為290～390 m,河南周庵礦區(qū)各元素含量值低,但異常襯度高,對深部礦體響應(yīng)良好;森林沼澤區(qū)植被茂盛,植被吸收對金屬微粒的遷移有促進(jìn)作用,吉林紅旗嶺礦區(qū)各元素含量較高,地電提取效果較佳。按異常襯度大小排序,從甘肅金川礦區(qū)—青海拉水峽礦區(qū)—吉林紅旗嶺礦區(qū)—河南周庵礦區(qū)依次升高,本研究初步認(rèn)為從半干旱荒漠區(qū)—高寒山區(qū)—森林沼澤區(qū)—沖積平原區(qū)找礦效果有變優(yōu)趨勢,在沖積平原景觀區(qū)找礦效果最佳。

截至2020年10月,以桂林理工大學(xué)隱伏礦床預(yù)測研究所和中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)研究所為代表的11家科研院所、高校運(yùn)用地電化學(xué)技術(shù)在全國26個省(市、區(qū))150多個礦區(qū)開展了不同程度、規(guī)模的找礦研究工作[74-75](圖4),找到了多處具有找礦前景的地電化學(xué)綜合異常區(qū)。2011—2020年,應(yīng)用礦區(qū)數(shù)占全部應(yīng)用礦區(qū)總數(shù)的1/3,礦種涉及金、銀、銅、鉛、鋅、鎢、錫、砷、銻、鎳、鈾等十余種,礦床成因類型涵蓋高中低溫?zé)嵋盒?、沉積改造型、噴流沉積型、斑巖型、矽卡巖型等。并針對我國不同類型的厚層覆蓋區(qū)和復(fù)雜地形地貌景觀區(qū)開展了地電化學(xué)找礦的可行性試驗與預(yù)測研究。另外,近年來地電化學(xué)技術(shù)在環(huán)境修復(fù)方面也有應(yīng)用,主要針對土壤重金屬污染修復(fù),目前通過室內(nèi)水溶液提取研究發(fā)現(xiàn),地電化學(xué)技術(shù)對重金屬元素的剔除率可達(dá)到35%～40%;少量的實(shí)地修復(fù)試驗顯示,對重金屬元素的剔除率可達(dá)到8%左右,個別元素高達(dá)15%(內(nèi)部資料,未發(fā)表)。這部分應(yīng)用尚處在起步階段,仍需深入研究。

圖4 我國地電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用情況統(tǒng)計結(jié)果Fig.4 Statistical results of the application of electrochemistry technology in China

3 存在不足與展望

3.1 存在不足

截至2020年10月,本研究共搜集到地電化學(xué)技術(shù)相關(guān)文章182篇,數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)(CNKI),其中2011—2020年期間發(fā)表論文約占39%,并按其研究內(nèi)容分為綜述、理論研究、方法應(yīng)用、技術(shù)改進(jìn)、數(shù)據(jù)處理、樣品處理六大類,依據(jù)其所占比例繪制了相應(yīng)比率圖(圖5)。分析該圖可知:方法應(yīng)用類文章占總文章數(shù)的59%,其次為理論研究類占21%,通過兩者的各自占比分析可認(rèn)為地電化學(xué)技術(shù)在整個發(fā)展過程中符合 “理論源于實(shí)踐總結(jié)和提煉、再指導(dǎo)實(shí)踐”這一研究思想,但在樣品處理和技術(shù)改進(jìn)方面顯得過于單薄,占比5%左右,數(shù)據(jù)處理方面最為薄弱,僅占4%?？梢?經(jīng)過三十多年的發(fā)展,地電化學(xué)技術(shù)取得了一定的進(jìn)展,但隨著新材料、新工藝及電子光學(xué)儀器的發(fā)展,仍與現(xiàn)階段的礦產(chǎn)勘查需求存在差距,主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

圖5 地電化學(xué)技術(shù)各類文章統(tǒng)計Fig.5 Statistics of the various articles of geo-electrochemical technology

(1)目前對地電化學(xué)方法所取得的異常來源存在不同觀點(diǎn):① “遞推理論”認(rèn)為礦體、圍巖及地表存在離子動態(tài)平衡,當(dāng)施加人工電場作用后,局部平衡被打破,離子會逐級向上補(bǔ)充,直至深部礦體;② 異常由土壤中存在具有電活性的極細(xì)粒礦物黏土顆粒引起[75-76];③ 異常來源于電極周圍土壤及礦物中元素異常,并與元素的化學(xué)形態(tài)有關(guān)[77]。異常來源的確定直接關(guān)系到方法的有效性、提取深度等問題,因此這將是地電化學(xué)技術(shù)推廣應(yīng)用的一大阻礙。

(2)裝置改進(jìn)基本處于停滯狀態(tài),僅在現(xiàn)有裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行完善,裝置的穩(wěn)定性、可視化、便捷性沒有得到明顯改觀,離實(shí)現(xiàn)裝置的商品化還存在一定距離;數(shù)據(jù)處理方面僅占4%,現(xiàn)階段僅從數(shù)理統(tǒng)計(因子分析、聚類分析等)角度分析元素間的相關(guān)關(guān)系,對地電提取數(shù)據(jù)中隱含信息的挖掘有待深入。

(3)對于不同覆蓋區(qū),由于物質(zhì)來源、理化性質(zhì)的不同,相關(guān)技術(shù)參數(shù)的設(shè)定不可能一成不變,如土壤pH值、覆蓋層厚度、地形等對地電提取效果有著顯著影響,桂林理工大學(xué)隱伏礦床預(yù)測研究所已開展了部分可行性試驗工作,尚未取得突破性進(jìn)展,這部分仍需進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

3.2 展 望

如何進(jìn)一步完善地電化學(xué)理論和方法技術(shù),將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力,更好地、全面地服務(wù)于礦產(chǎn)資源勘查及環(huán)境修復(fù)治理,將成為地電化學(xué)技術(shù)今后發(fā)展的主要趨勢。該領(lǐng)域未來發(fā)展方向主要有如下幾個方面。

(1)加強(qiáng)理論研究,完善方法機(jī)制。深部礦體可發(fā)生電化學(xué)溶解并在圍巖周圍形成離子分散暈,這是實(shí)際存在的,但離子分散暈在垂直剖面上的分布特征、離子遷移途徑和不同介質(zhì)中遷移形式的轉(zhuǎn)化以及離子分散暈分布的影響因素尚未明確,可利用淺鉆技術(shù)宏觀研究淺地表(基巖/風(fēng)化層—土壤)元素含量變化和賦存特征;借助高分辨率電子顯微鏡(SEM/TEM),從微觀角度觀測元素遷移形式及可能影響其分布的因素,這將成為突破方法機(jī)制瓶頸的關(guān)鍵。

(2)優(yōu)化儀器裝備,滿足勘查需求。地電提取裝置的改進(jìn)升級對方法技術(shù)的推廣意義重大,裝置成本、效率及勘查效果是應(yīng)用該技術(shù)的基礎(chǔ)。因此,實(shí)現(xiàn)提取裝置的輕便化、自動化、商品化是技術(shù)裝置發(fā)展的重要方向,主要包括裝置的時控性、可視化程度、環(huán)保材料使用、數(shù)據(jù)儲存功能等。數(shù)據(jù)處理方面可采用較為成熟的多重分形理論,運(yùn)用含量—面積(C-A)、能譜—面積(S-A)等分形技術(shù)進(jìn)行異常背景識別與分離,進(jìn)而提取數(shù)據(jù)中的弱異常信息。

(3)提升技術(shù)規(guī)范,大膽嘗試新領(lǐng)域。加快地電化學(xué)測量技術(shù)規(guī)程的編制,提升技術(shù)應(yīng)用的普適性;在深地探測的大背景下,攻深找盲是地電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的主要目標(biāo),與其他深穿透勘查方法(地氣測量法、活動態(tài)提取法、植物找礦法、土壤微細(xì)粒測量法)形成互補(bǔ),發(fā)揮各自優(yōu)勢,如在干旱荒漠區(qū),由于地下水位深,包氣帶(潛水面以上)對金屬微粒的運(yùn)移至關(guān)重要,其主要發(fā)生在運(yùn)移覆蓋層(以風(fēng)化物來源分類的沉積地段)中,沉積地段的古氣候、沉積物性質(zhì)和形成演化將直接影響深穿透方法的有效性與適用性。在今后選擇使用具體的深穿透地球化學(xué)方法或組合之前,應(yīng)該先了解研究區(qū)的古氣候、沉積物性質(zhì)和地貌演化史,便于合理選擇采樣層位和采樣介質(zhì),最大限度獲取由深部礦化體引起的綜合異常。因此,針對不同覆蓋區(qū)提出相應(yīng)的快速定位技術(shù)參數(shù)、技術(shù)組合是未來需要解決的難題。另外,地電化學(xué)技術(shù)在土壤重金屬修復(fù)方面已取得預(yù)見性進(jìn)展,具有成為一種原位、快速、高效重金屬修復(fù)技術(shù)的潛力,可著手在環(huán)境修復(fù)方面開展深入研究。

致 謝

感謝我國地電化學(xué)前輩、同仁所取得的豐碩成果,這為本文的撰寫提供了動力和堅實(shí)的基礎(chǔ)。