地气物质迁移模型实验

唐 桢，周四春，曹 勇，洪友朋，宋伟力，肖曙光，王 冲

（1.浙江省辐射环境监测站 （环保部辐射环境监测技术中心），浙江 杭州 310012；2.成都理工大学，四川 成都 610059）

地气测量作为一种有效的勘查方法技术，在寻找深部资源方面有着重要的意义［1－2］。人们在利用其寻找深部资源勘查中，传统做法是通过比较矿石中的元素组合规律和地气测量异常元素组合规律的异同，从而预测潜在的找矿靶区。但是，地气测量得到的元素组合特征是否与矿石中元素组合特征相同或类似这个问题一直以来都没有得到明确的回答。

通过实验室内地气物质迁移模型实验与矿样元素分析结果作对比，回答了上述问题，得到了较为明确的答案。

1 理论基础

对于深部矿产资源（本文以铅锌矿为例），在讨论“地气法”勘查深部隐伏矿的机理时，普遍认为在地表以下有“上升气流”存在，将铅锌矿中成矿元素如Zn、Pb及多种元素携带迁移至地表。本次模型实验研究重点为迁移元素的组合特征，特别是与Zn、Pb元素密切相关的一些成矿元素的迁移组合规律的研究［3－4］。

2 设计思想

作者在湖南某铅锌矿地区实地采集铅锌矿矿样。为了进一步研究矿体中成矿元素迁移特征，设计制作了地气元素迁移模型实验装置，用于模拟“上升气流”穿过模拟矿层。其目的是为了在实验室内，进行野外实地条件难以实现的模拟研究、分析元素组合特征。

实验模型的建立，需要满足在基本环境条件上与野外实际情况相吻合。例如在模型内部，应具备上升气流、矿体层（铅锌矿）、矿体上方的围岩层等条件。其中，如何在模型内部产生上升气流是模型设计的重点。根据已有的资料成果，使用温度可以调节的电热板产生上升气流。其工作原理为：接通电源后调节电热板温度，电热板温度高于空气温度后，电热板上方空气温度随之升高上升，即产生类似地气向上迁移的微弱气流。在此气流上方，加上矿石样品层用于模拟隐伏矿；在矿石样品层上方，加上围岩层用于模拟隐伏矿上方的围岩。实验过程中，为了避免外界空气等其它因素的污染，整体样品层外需要加上隔离装置。

地气元素迁移模型实验装置结构示意图，如图1所示。其中，a为电热板（模型安放在电热源上，温度可以调节）；b为支架；c为样品层，这层根据实际需要可以是一种矿样层或是一层矿样层加上其他层（如：围岩层）；d为实验装置外罩（模型外面有一隔离罩，把模型装置内环境与外界环境隔开）；e为实验产生的上升气流；f为实验所用的采样片或吸附剂（在隔离罩上摆放一个漏斗装置，漏斗的颈口部位倒挂了若干采样片。温度的差异导致模型内部产生模拟的“上升气流”，实验模型内矿样层中产生的元素物质，经过依附气流而上升迁移到采样片上，并逐渐富集）［1－2］。

3 模型实验

3.1 模型实验装置

分别制作3套相同如图1所示的实验装置，编号如表1所示。

表1 实验模型装置统计

3.2 实验准备

图1 地气物质迁移模型示意图

实验进行前准备工作包括将不同电热板温度调整为60℃，矿样品的研磨和称重，围岩样品的研磨和称重等。实验过程中的相关数据为：电热板温度统一调整为60℃（发热源），围岩层重700g，厚3cm；矿层：重1300g，厚3cm；准备工作完成后，根据实验要求将矿样层、围岩层等放入相应的模型内。模型内的矿样具体放置情况为：铅锌矿模型1为实验样品为矿化灰岩层和上盘围岩层，模型内采样片编号为KHW-10至KHW-90；铅锌矿模型2为矿石层加上盘围岩层，模型内采样片编号为KSW-10至KSW-90。

3.3 实验过程

模拟实验开始进行以后，把将做等离子质谱仪（ICP-MS）分析的若干采样片，一次性全部悬挂在漏斗内侧，然后固定使整个模型中心稳定。以后，每隔一定的天数（十天左右）取一片采样片，取下的样片密封保存（取样过程必须保证样片的无污染）。

3.4 实验结果

从实验开始，经过90天的模拟实验，得到吸附元素后的采样片27个，具体见表2。

3.5 元素检测分析方法

之前，样品多元素含量检测，一般检测方法为堆中子活化检测。堆中子活化检测的元素种类，一般有二十多种［2］。

此次模型实验样品检测，即采样片上多种元素浓度测试，用等离子质谱仪分析检测。元素浓度分析测试在成都理工大学检测实验室分析中心进行。等离子质谱仪分析检测方法相比较堆中子活化检测方法，最大的优势在于：检测多达30种甚至40多种元素，极大的扩展了检测元素的种类；检测的元素浓度含量下线为1pg/mL，这使得极为微小的元素含量也能被检测出来元素的具体含量；等离子质谱仪分析检测方法，就像是为地气采样测量量身定做的检测方法（元素随上升气流迁移且被捕获的含量极低），因此被作为元素检测分析的主要方法。

此次研究中样品测量的目标元素，包括稀土类、Cu、Zn、Pb、B、Ag、Au等元素在内的37种元素。地气样品分析测量工作由成都理工大学的质谱分析实验室完成，使用Perkin-Elmer公司制造的 ELAN DRC-e型电感耦合等离子体质谱仪 （ICP-MS）。ICP-MS工作条件为：采用跳峰模式，进样时间10s，测量时间60s，清洗时间10s。

4 相关分析

4.1 相关分析简介

相关性分析对已知矿样或已知矿体上方地气测量结果中多种元素之间相似度分析，可以总结出与成矿元素“关系密切”共同富集元素的一种多元统计方法［5］。

相关分析的主要目的，可以表述为研究变量之间的相关紧密程度。其中变量之间的“亲密程度”，可表述为确定性关系和非确定性关系，“确定性关系”为函数关系，“非确定性关系”为相关关系。相关系数计算的常用方法包括：Pearson系数、Spearman系数、Kendall系数等［6－7］。本次研究使用的相关系数计算方法为Pearson系数。

4.2 模拟实验结果的相关分析

模拟实验结果相关分析，具体见表3、表4。

表2 实验结果统计

表3 KHW采样片中元素含量相关分析结果

表4 KSW采样片中元素含量相关分析结果

由表3可以看出，与Zn有一定相关性的元素有 Ni、Cu、Rb、Er、Pb、Hg、Bi；与Pb有一定相关性的元素有 Mn、Zn、Sr、Y、Cd、Cs、Ce、Er、Th、U、As、Bi。由相关分析可知，采样片KHW样品中，以下元素与Zn、Pb共同具有较好的相关性：Zn、Er、Pb、Bi。

由表4可以看出，与Zn相关性较好的元素有Li、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Y、La、Ce、Hf、Pb、U、Bi；与Pb较好相关性的元素有Li、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Ag、La、Ce、Eu、Yb、Hf、Th、U、Bi。由相关分析可知：采样片KSW样品中，以下元素与Zn、Pb有较好的相关性且趋于共同富集：Li、Cr、Co、Ni、Cu、Y、Zn、Ag、La、Ce、Hf、Pb、U、Bi；其中 Y、La、Ce为稀土类元素。

4.3 矿样多元素含量检测结果分析

4.3.1 相关分析结果

矿样多元素分析由“国土资源部成都矿产资源监督检测中心”检测。矿样元素含量相关分析结果见表5。

由表5可以看出，与Zn相关性较好的元素有Mn、Cu、Ag、Cd、Pb、Au、As、Bi；与Pb相关性较好的元素有 Mn、Cu、Zn、Ag、Cd、U、Au、As、Bi。

由相关分析可知：铅锌矿石样品中，以下元素有较好的相关性且趋于共同富集：Mn、Cu、Zn、Ag、Cd、Pb、Au、As、Bi。

4.3.2 相关分析结果比较

数据相关分析结果比较见表6。

表5 相关分析结果

表6 相关分析结果比较

由表6相关分析结果可知：矿石样品中元素含量相关分析结果与地气测量分析结果相比，有较为明显的差异。在矿样中元素与Zn相关性较好的元素同时与Pb相关性较好；而模型实验的结果表现为与Zn元素相关性较好的元素，并不一定与Pb元素同样具有较好相关性。造成这种现象的原因，是由矿石中元素随上升气流迁移至地表的过程中，不同的元素迁移能力不一致所造成的。

综合分析可知：铅锌矿石样品中以下元素有较好的相关性且趋于共同富集：Mn、Cu、Zn、Ag、Cd、Pb、Au、As、Bi。

模型实验中，以下元素与Zn、Pb有较好的相关性且趋于共同富集：Li、Mn、Ni、Cu、Zn、Y、La、Ce、Pb、Bi；此外Sr、Ag、U等元素与Zn、Pb有一定的弱相关。

5 成果分析

综上所述，可以得到以下结论。

1）通过对铅锌矿样品元素含量的综合分析可知，铅锌矿样中趋于共同富集的元素有：Mn、Cu、Zn、Sr、Ag、Cd、Pb、U、Au、As、Bi，共计11个元素；其中 Mn、Cu、Zn、Ag、Cd、Pb、Au、As、Bi这9个元素为Zn、Pb共同相关元素。

2）传统观点中认为，地气测量捕获到的隐伏矿的异常元素应该是和成矿元素密切相关的一些共（伴）生元素。但模型实验结果表明：矿致地气异常中，以下元素与Zn、Pb有较好的相关性且趋于共同富集：Li、Mn、Ni、Cu、Zn、Y、La、Ce、Pb、Bi；这表明（以铅锌矿为例），并不是所有矿样中与Pb、Zn“关系密切”的元素都会在矿体上方出现地气异常。

3）矿样中元素随气流上升迁移过程中，其原来的元素组合规律已经改变。

4）在开展地气测量勘查隐伏铅锌矿时，对捕获的地气异常进行推断解释时，应该考虑以上元素组合与元素相关关系。

［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］童纯菡.元素迁移的模拟模型实验［J］.核技术，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.应用多元统计分析［M］.北京：北京大学出版社，2005.

［6］沈其军.SAS统计分析［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［7］克劳斯·巴克豪斯，本德·埃里克森，伍尔夫·普林克，等.多元统计分析方法［M］.上海：格致出版社，2009.