宋云涛, 王成文, 郭志娟, 韩 伟,聂兰仕, 杨 帆, 孔 牧
(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,廊坊 065000)
1978年以中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所谢学锦院士为首的一批专家提出了“区域地球化学调查全国扫面计划”,在当时的国家地质总局支持下,通过5年技术准备,1983年正式启动了以水系沉积物测量为主、土壤测量为辅、工作比例尺为1︰200 000和1︰250 000的“区域地球化学调查全国扫面计划”。迄今为止,该计划投入中央财政资金25×108元,专业研究所和各省、市、自治区物化探队、地质调查院等四十余家单位、数千位化探技术人员参加,全国1︰200 000和1︰250 000区域地球化学调查完成面积730.43×104km2,占陆域国土面积的75.7%(图1),采集样品超过600×104件,分析组合样超过150×104件,编制了39种元素1︰200 000和1︰250 000地球化学系列图件近千幅,并使用每个1︰250 000图幅1个平均数值编制了1︰5 000 000和1︰10 000 000中国地球化学图。该计划发现的巨量地球化学信息,支撑我国发现了一大批矿产资源,在我国矿产勘查工作中发挥了巨大的作用[1-4]。该计划取得了巨大的科学成就、经济效益和社会效益,2007年荣获了国家科技进步奖二等奖。笔者在总结我国区域地球化学调查已有的工作程度、方法技术要点、在矿产勘查和基础地质研究方面取得的主要成果的基础上,梳理了现阶段存在的主要问题,为区域地球化学调查工作服务国家重大找矿战略和生态文明建设提供了参考。
图1 全国区域地球化学调查工作程度图Fig.1 Work degree map of national regional geochemical survey
不同地球化学景观采用不同的采样方法,以获取代表性的样品。在内地及沿海地区,采用标准的水系沉积物测量方法,在岩溶区、热带雨林、高寒半湿润山区、高寒湖沼丘陵、高原干旱荒漠、干旱草原、半干旱草原山地、干旱荒漠戈壁、干旱荒漠山地、半干旱荒漠戈壁丘陵、森林沼泽区等特殊景观区,分类制定相应的采样方法。
自1999 年地质大调查专项实施以来,以中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所为主的科研人员,采用截取粒级的方式,破解了风成沙、有机质等外来物质干扰的技术难题,大大提高了区域化探扫面效果,保证了“区域化探全国扫面计划”的顺利实施。
水系沉积物测量标准采样密度为1点/km2~2点/km2。西部地区视地形地貌特点适当放稀采样密度,其中高寒山区、森林沼泽区等艰难地区采样密度可放稀至1点/km2~2点/4 km2,雪线附近、高山险谷等艰险地区可放稀至1点/16 km2。
土壤测量基本采样密度为2点/km2~4点/km2。覆盖区可采用地球化学浅钻测量,采样密度1点/km2~2点/4 km2;可视地形条件,适当调整地球化学浅钻测量采样密度[5-11]。
采样粒度以最大限度排除有机质、风成沙等外来物质干扰为主要原则,通过采样粒度试验来确定。结合中国的地球化学景观特征,一般情况下采用以下采样粒度[5-11]:
1)样品粒级为-4目~+20目的区域:新疆的东天山、准格尔盆地周边、甘肃北山、宁夏、内蒙古中西部和呼伦贝尔市西部的干旱荒漠戈壁残山景观区。
2)采样粒级为-4目~+40目的区域:内蒙古大兴安岭中南段。
3)样品粒级为-10目~+60目的区域:东北森林沼泽景观区;辽宁西部、河北省和山西东部的半干旱中低山景观区;山西中西部黄土覆盖区;西藏、青海高寒湖沼丘陵景观区和干旱半干旱高寒山区景观区;藏东、青南、川西的湿润半湿润高寒山区景观区;云南、四川、贵州、陕西、重庆和甘肃南部湿润半湿润中低山景观区;四川西北的高寒草甸景观区以及云南热带雨林景观区。
4)样品粒级为-10~+80目的区域:新疆其他地区。
5)岩溶区样品粒级:由方法技术试验确定采样粒度。
水系沉积物测量采样要求沿活动性流水线在3~5处多点采集组合样,在羽状水系发育地区应在多条水系采样组合,西部地区和森林沼泽景观等地区发育“U”型谷或草皮沟,当难以采集水系沉积物时,应在上游汇水域两侧山坡多点采集残坡积土壤代替[5-11]。
“全国区域地球化学调查扫面计划”建立了具有中国特色的区域地球化学勘查理论,形成了适合我国典型景观条件的化探扫面方法技术,编制了中国39种元素地球化学图集,推动了我国分析测试技术、标准物质研制的发展,确立了中国地球化学调查在世界上的领先地位,为近年来76元素地球化学编图和土地质量地球化学调查奠定基础[1-5]。
以中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所为首的技术团队,在1978年制定了内地沿海中低山区区域地球化学调查方法技术,在随后三十年里相继研发了岩溶区、热带雨林、高寒半湿润山区、高寒湖沼丘陵、高原干旱荒漠、干旱草原、半干旱草原山地、干旱荒漠戈壁、干旱荒漠山地、半干旱荒漠戈壁丘陵、森林沼泽等全国十一个特殊景观区的区域地球化学调查方法技术,形成了一套完整的区域地球化学调查方法技术系列,并于1995年制定行业标准《区域地球化学调查规范》(1︰200 000),并分别于2006年和2012年完成了两次修订,为“区域地球化学调查全国扫面计划”的顺利实施提供了有力的技术支撑。近几年,浅覆盖区地球化学调查方法技术研究也已完成,于2022年发布了《地球化学浅钻测量技术规程》。同时,根据地球化学扫面39元素测试工作的要求,制定了多方法组合、高灵敏度的39元素配套分析方案(表1),配套建立了分析质量监控体系,研制出全国和省级水系沉积物、土壤、岩石等系列地球化学标准物质[6-8]。其中全国一级标准物质达到20个系列340种之多,不但满足了全国地球化学调查工作的需要,而且满足了全国相关工业、农业、环境、科教等领域监控分析质量监控的需求,同时,被美国、加拿大、英国、法国等40余个国家采用[12-14]。随着分析测试技术的进步和配套分析质量监控体系的不断完善,我国已具备76元素地球化学调查调查和编图的条件。
表1 区域地球化学调查39种元素配套分析方案[1]Tab.1 Analysis scheme of 39 elements in national regional geochemical survey
以全国区域地球化学调查扫面技术为基础,中国地质调查局开展了亚洲、非洲和南美洲等国家的地球化学调查,推动了“全球地球化学填图计划”的实施。
“联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心”依托中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所成立,使中国的勘查地球化学更直接地走向了世界。值得一提的是,2020年,沙特阿拉伯拟开展76元素高精度水系沉积物地球化学调查,面向全世界招标,以中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所为主的技术团队编写的标书展现了强大的技术实力,成功中标,进一步巩固了中国区域地球化学调查技术在国际的领先地位。
据不完全统计,我国自“六五”到“十二五”的三十五年间,地球化学调查发现有色金属和贵金属等各类矿床3 605处[15-16](表2)。其中,大中型金矿600余个,使我国黄金资源储量从1980年的4.39×105kg上升至1996年的4.26×106kg,2015年增长至9.8×106kg,显著提升了我国的黄金储备。
表2 各五年计划化探发现的矿床数Tab. 2 Quantities of varied kinds of mineral resources discovered by geochemical exploration in each five-year plan period
近年来,在青海、新疆、西藏开展了约95×104km2的区域地球化学调查工作,发现各类矿床168处;其中包括西藏驱龙铜矿、青海多才玛铅锌矿、夏日哈木铜镍矿、新疆黄羊岭锑矿、甜水海铅锌矿、祁漫塔格维宝铅锌矿、彩霞山铅锌矿、清白山铅锌矿、阿齐山铅锌矿和白鑫滩铜镍矿等一系列大型、超大型多金属矿床,对国家资源基地配置战略西移提供了重要支撑[17-25]。
根据1︰250 000区域地球化学调查成果,首次在青海东昆仑地区发现岩浆熔离型硫化物矿床-夏日哈木镍钴矿,并显示具有巨大的找矿前景[19]。类似地,依据区域地球化学调查资料在新疆东天山地区首次发现了铜镍硫化物矿床-白鑫滩铜镍矿,为东昆仑和东天山地区实现找矿突破指明了新的方向[24]。同样,甘肃省在开展区域地球化学调查工作中,根据锂、钨、铋、硼等元素组合异常特征发现了白头山铷矿,初步估算氧化铷资源量达2.5×106kg以上。随后又相继发现了国宝山、刘家河两处大型铷矿[26-27]。进一步拓展思路,将找矿范围扩大整到全省,矿种从铷扩大到铌、钽、钪等以前未予重视的三稀矿产,接连获得找矿突破,发现了余石山铌钽矿、孙家岭钪矿、黑山粱钪矿、六丈山铷矿大型矿床[28-29]。并根据区域地球化学调查数据资料,划分了八个稀有金属成矿带(图2),开创了甘肃省三稀矿产找矿的新局面。
图2 甘肃省稀有金属成矿带分布图Fig.2 Distribution map of rare metal metallogenic belt in Gansu province
2.3.1 判定重大断裂延伸方向
新疆昆仑山中部库牙克地区,处于不同大地构造单元的结合部位,一些重要的构造线,包括康西瓦、鲸鱼湖-木孜塔格、阿尔金等断裂,均交汇于此,它们之间关系的焦点,就是库牙克断裂(图3)。关于库牙克断裂的延伸,地质专家认识不一。区域地球化学资料表明,该区存在一条主要由Cr、Ni、Co、MgO等元素呈现的区域性地球化学南北分界线,以这条分界为基础,可明显分成南、北两个地球化学区(图4)。从而,解决了库牙克断裂延伸方向的问题[30]。
图3 新疆西昆仑库牙克地区地质略图Fig.3 Geological outline of the Kuyak area, west Kunlun, Xinjiang
图4 (Cr+Ni+Co+Mg)/(As+ Sb+Li+B)等值线图Fig.4 Contour map of (Cr+Ni+Co+Mg)/(As+ Sb+Li+B) in the Kuyak area
2.3.2 厘定重要成矿带
全国最初厘定的16个重要成矿带之一的西南三江成矿带,其北缘截止于川西藏东北部,面积约40×104km2。 近年来,通过区域地球化学调查,在青海南部发现了多才玛[18]、杂多[31]、茶曲帕查[32]等一系列大型、超大型矿床,增加资源储备2.5×107kg以上,使原西南三江成矿带向西北青海省境内延伸数百公里,确定了西南三江成矿带北段的成立,面积增加了约10×104km2。
针对区域地球化学调查在覆盖区找矿效果差的问题,在覆盖厚度小于100 m的松散堆积物连续分布的浅覆盖区,主要为森林沼泽覆盖区、草原、沙地荒漠、山麓堆积物覆盖区、山前平原和盆地边缘区、山间盆地区、河网汇聚区、湖积区、黄土覆盖区等地域,提出并开展了浅钻测量方法技术试验和示范测量,形成了浅覆盖区浅钻测量技术,找矿效果明显。
基于区域地球化学调查成果,中国地质调查局中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所先后建立了“环境地球化学监控网络”和“全国的地球化学基准网”,主要根据我国二级流域分区、重点城市群、矿产资源开发情况,兼顾地理景观分区、土壤类型分区及酸雨分布情况,布设试验监测点,每个观测点同时采集土壤、汇水域沉积物和河水样品,监测无机化学元素的动态变化,初步建立了具有时间属性的观测网,为我国环境评价和持续监测未来环境变化奠定了基础[4]。
近年来,中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所开展了中国东部上地壳元素丰度研究和全国岩石地球化学基准,以中国东部区域地质、地球化学和地学断面资料为基础,获得了中国东部大陆地壳、出露地壳和岩石76元素的化学组成与元素丰度,为基础地质、勘查地球化学、岩石地球化学、环境地球化学调查与评价、矿产资源潜力预测特别是区域化探全国扫面水系沉积物资料的定量解释和中国东部地球化学背景场研究奠定了坚实的基础[33]。
1)覆盖区找矿效果不佳。我国的覆盖区、浅覆盖区面积较大,找矿效果不佳。随着经济的发展,人类社会对矿产资源的需求量不断增长。而且大量地表矿、掩埋矿已被发现和消耗殆尽,迫使找矿工作向深部或未知区推进,找矿难度逐步加大,面临着严峻的挑战。
2)39种元素指标无法满足我国战略性矿产勘查的需求。中国发布的《全国矿产资源规划(2016~2020年), 列出了24种战略性矿产资源目录, 2019年又列出了38种战略矿产资源(石油、天然气、铀、铁、锰、铬、钒、钛、铜、铝、镍、钴、钨、锡、铋、锑、铂族、金、稀土、铌、钽、锂、铍、锶、铷、铯、锆、锗、镓、铟、铼、碲、钾盐、硼、萤石、高纯石英、石墨、氦气),包括56个关键元素(C、U、Fe、Mn、Cr、V、Ti、Cu、Al、Ni、Co、Wo、Sn、Bi、Sb、PGE(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)、Au、REE(Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)、Nb、Ta、Li、Be、Sr、Rb、Cs、Zr、Ge、Ga、In、Re、Te、K、B、F、Si、He)。全国区域化探扫面计划只分析了39种元素:Ag、As、Au、B、Ba、Be、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、F、Hg、La、Li、Mn、Mo、Nb、Ni、P、Pb、Sb、Sn、Sr、Th、Ti、U、V、W、Y、Zn、Zr、Si、Al、Fe、K、Na、Ca、Mg,其中稀土相关的元素只分析了La和Y,有30种关键元素没有分析:PGE(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)、REE(Sc、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)、Ta、Rb、Cs、Ge、Ga、In、Re、Te、He和C,暂时无法满足战略矿种的找矿需求。白云鄂博和牦牛坪是世界最大和第三大碳酸岩型轻稀土矿,区域化探扫面计划仅分析了稀土元素La和Y,且由于当时稀土元素测试技术落后,没有圈出稀土元素地球化学异常。华南地区离子吸附型稀土矿提供了全球90%以上的重稀土供应,但是华南地区缺少重稀土地球化学数据,重稀土矿预测与评价工作程度低,针对重稀土矿的勘查方法技术是目前研究的难点。西北地区夏日哈木铜镍矿、大红柳滩锂铍矿等超大型矿床的发现,彰显出东西昆仑、阿尔金等成矿区带巨大铜镍、锂铍等矿产资源成矿潜力。北山成矿带矿产资源十分丰富,目前已发现大、中、小型矿床共计127个,优势矿种有铜、镍、金、铁、钨、锡、钼、铅锌、银、稀有、稀土、钒、铀、铷等。西北地区已经完成西天山、西南天山等两个成矿带资源潜力地球化学评价,为该地区的找矿工作提供了资料依据。尽管取得了重大找矿发现,仍然缺乏重要成矿带战略资源地球化学图和资源潜力评价,限制了重点成矿带战略矿产的勘查找矿工作。
3)海量地球化学数据,缺乏深入挖掘和分析。同一个成矿带内成矿相关元素的聚集和分布往往具有规律性,这些规律对于指导找矿勘查甚至分析矿床成因都具有重要意义,而以往的区域地球化学调查工作在整个成矿带尺度来分析元素聚集的规律性方面亟需加强。随着计算机技术的发展,近年来机器学习方法被广泛应用于矿产资源预测评价中,它能更好地学习地球化学数据中的多元关系、矿化点和证据要素间的复杂非线性关系,建立地球化学图谱,圈定战略资源远景区。
4)中国地球化学长期观测网不完善,关键元素和有机物地球化学循环研究滞后。美国国家科学、工程和医学研究院(NASEM),发布的《时域地球——美国国家科学基金会地球科学十年愿景(2020-2030)》将关键元素在地球上的分布和循环作为第三个科学优先主题,将其重要性阐述为“对地球过程至关重要的元素,其为生物活动创造适宜的条件,为现代社会的运转、繁荣和安全提供必要的原材料,为低碳或无碳能源作出贡献,并广泛用于电子行业、国防、医药业和先进制造业”。中国的勘查地球化学调查,在元素分布研究领域处于世界绝对领先地位。但是还没有建立中国陆域长期地球化学观测网,关键元素和有机物在岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈的地球化学循环研究缺乏基础数据支撑,在全球氧、碳、氮循环领域相对落后于美国和欧洲。
5)缺少西部岩石地球化学背景场数据。近年,我国已经完成了中国东部上地壳元素丰度研究,以中国东部区域地质、地球化学和地学断面资料为基础,获得了中国东部大陆地壳、出露地壳和岩石76元素的化学组成与元素丰度,该研究成果已被相关行业广泛应用。目前,中国西部地区缺少岩石地球化学背景场数据,无法对其自然环境和成矿物质背景进行地质解释。
1)开展覆盖区的区域地球化学调查研究,支撑找矿突破战略行动。随着国际竞争加剧和人类社会飞速发展对能源资源的需求的不断增加,支撑国民经济发展的找矿活动显得尤为重要。我国已开展了大规模的找矿活动,但主要发现为露天矿、掩埋矿,找矿地段主要集中在出露区和半出露区。我国的覆盖区、浅覆盖区面积较大,找矿效果不佳,亟需进一步扩大矿产勘查空间,开展覆盖区的区域地球化学调查工作,服务找矿突破战略行动。
2)利用区域地球化学副样,增加分析指标,以求在寻找战略性紧缺矿产方面发挥重要作用。“区域地球化学全国扫面计划”已积累了39种元素、覆盖全国陆域的海量数据,在发展地球科学、支撑国家的资源安全保障、环境保护、生命健康和土地利用等领域发挥了重要基础支撑作用。除已获得的海量地球化学数据之外,还积累了百万计的宝贵实物资料(区域地球化学全国扫面计划副样),这为我们后续谋划和拓展区域地球化学调查奠定了坚实的物质基础。随着我国进入新发展阶段,党和国家事业发展对新时期地质工作提出了更高要求,限于40多年前技术条件的限制,仅分析39种元素的计划显然已经不能满足当前国家经济发展的需要,特别是在支撑服务党中央、国务院能源和战略性矿产资源供应安全重大决策方面。为快速有效地支撑服务国家战略性矿产资源供应安全重大决策,实现战略性矿产资源找矿突破,亟需对这些化探副样再利用开发。
3)开发利用已有数据资料,开展重点成矿带编图工作,进行远景区评价与预测。在现有数据开发利用技术的基础上,利用大数据、人工智能、审计网络等计算机技术对已有的海量区域地球化学调查数据进行挖掘,开展智能化综合信息地球化学数据处理系统,进行地球化学异常筛选和评价,开展资源潜力评价系统研究。
4)建立中国陆域地球化学长期监控网络。介于我国的地球化学长期监控网建设尚不完善,开展中国陆域地球化学观测网国家网试点建设,测试无机元素和有机碳、多环芳烃、多氯联苯、微塑料等有机污染物,初步形成一套无机与有机地球化学长期联合观测技术方案,并长期开展监测显得尤为重要。
5)补充中国西部岩石地球化学背景研究。针对中国西部地区缺少岩石地球化学背景场资料的问题,补充采集中国西部主要岩石样品,建立中国西部大陆岩石地球化学数据库,初步构建中国出露地壳地球化学背景场。
区域地球化调查全国扫面计划基本实现了我国陆地面积全覆盖,形成了完善的评价理论与方法技术体系。目前,很多贵金属和有色金属矿产是通过区域地球化学异常发现的,区域地球化学调查找矿效果越来越显著,已成为我国矿产资源勘查中不可或缺的方法技术,在解决重大地质问题方面也体现出了显著的专业优势。同时,我国的区域地球化学调查方法技术总体上保持国际先进水平,并不断地扩大应用到世界各国。人类社会发展进步,对区域地球化学调查工作提出了新的问题和挑战。我国的区域地球化学调查工作者以国家战略需求为目标,以问题为导向,不断地推进我国区域地球化学调查的发展和完善,以更好地为我国国民经济发展和社会主义现代化建设服务。