我国地电化学技术主要研究进展与展望

刘攀峰 罗先熔 文美兰 郑超杰 欧阳菲 单江涛 高 文

(1.桂林理工大学地球科学学院,广西 桂林 541006;2.桂林理工大学环境科学与工程学院,广西 桂林 541006;3.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西 桂林 541006)

“十三五”以来,伴随我国工业化发展进程加快,资源形势日趋严峻,多数矿产需求量增大,并且随着矿产勘查程度的提高,易发现的地表或浅部矿产日益减少,勘查成本升高的同时找矿难度也有所增加,因此,隐伏矿、难识别矿成为今后找矿勘查的重点。地电化学技术作为深穿透地球化学勘查方法之一,在我国发展三十多年以来,技术装备、成晕机理、技术规程等方面都日趋成熟,特别在寻找隐伏矿方面应用效果显著。目前,该技术方法已应用到俄罗斯、美国、加拿大、澳大利亚等国,成为世界隐伏有色金属、贵金属矿床找矿的重要手段之一。结合现阶段方法理论和找矿应用方面取得的研究成果,本研究主要对我国2011年以来地电化学技术方向的技术进展进行归纳总结,并就未来发展进行展望。

1 地电化学技术发展概况

地电化学技术在前苏联诞生并发展,方法原理、技术装备得以完备,同时也开展了大量的找矿应用实践。我国是较早一批引入地电化学技术的国家,在吸收消化该技术的同时因地制宜地进行了一些实质性的改进,特别是低电压(小功率)偶极地电提取装置的研制,使其在我国有了长足的发展。

地电化学技术在我国的发展大致可以分为引入吸收、攻坚克难、推陈出新和更新迭代4个阶段(图1)。

图1 我国地电化学技术发展进程Fig.1 Development process of the geo-electrochemical technology in China

结合图1,对各阶段具体发展情况进行如下分析:

(1)引入吸收阶段。我国地电化学技术率先由费锡铨、徐邦梁等引入,1979—1984年在江苏大平山铜矿、列石山铜矿、石砀山含铜磁铁矿、安徽五河金矿从离子淌度与极限电流密度方面开展了方法原理研究[1-2],并对不同条件(供电电压、供电电流、供电时间)的提取效果进行了讨论[3],为我国地电化学技术发展奠定了基础;1980年在前苏联塔什干召开了国际现代探矿方法讨论会,郑康乐等参加并在回国后编写了详细报告介绍了地电化学提取法[4];之后,张肇元与崔霖沛于1986年将雷斯的《地电化学勘探法》专著翻译成中文[5]。至此以后,国内地质冶金部、矿产部、武警黄金部队、南京地质学校、核工业等科研院所、生产单位对地电提取技术开展了不同程度的找矿试验和应用研究。

(2)攻坚克难阶段。方法技术方面,1989年在北京举行的勘探地球物理国际讨论会上,刘吉敏[6]介绍了采用土壤测量法和电提取离子法在某些铜镍、金矿区的试验研究成果,认为在浅覆盖区地电化学技术具有异常明显、强度高等优势;费锡铨[7]阐述了电提取过程中近地表松散层中微量离子晕来源问题,并用实例验证了该方法在寻找多金属及贵金属矿是有效可行的。潘勇飞[8]分析了地电化学技术在发展中存在的一些问题,包括命名混乱、单位不统一,尤其对找金效果存在绝对化倾向等,同时认为“双极提取”对金矿指示效果更优;李金铭等[9-10]为明确在电流场中离子迁移距离所需时间,以及电极(液态、固态元素接收器)提取物质质量的影响因素,根据模拟试验中时量曲线给出了离子淌度、迁移浓度和迁移距离的计算方法;温佩琳等[11]编著了《地电化学基础及其应用》一书,结合电法勘探和地质学中涉及的电化学基础理论和实际问题探讨了岩(矿)石固液相界面性质、热力学、电化学、相平衡、原电池及电解池作用、地电化学勘探等问题。仪器装备方面,高云龙[12]、邱玉民[13]较早吸收前苏联成果,研制了适合我国地质环境的仪器装备,并与邱玉民运用地电化学技术对战略资源铀矿开展了找矿研究。找矿成效方面,罗先熔课题组[14-16]在新疆哈密、山西繁峙、广东韶关、广西平桂等20多个矿区,剖析了不同矿种的典型矿床,在此基础上运用地电化学技术开展找矿预测并取得了良好的找矿成果;随后在1996年出版了我国较全面、系统论述地电化学找矿技术的专著——《地球电化学勘查及深部找矿》[17],极大地推动了地电化学技术在矿产勘查中的应用。

(3)推陈出新阶段。进入2000年以来,部分科研单位、院校持续开展了地电化学技术的研究与应用。2000年长沙大地构造研究所谭克仁等研发了对Au3+有强吸附作用的聚醚型聚氨脂泡沫电极,在山东七宝山金矿进行了电提取与吸附提取野外试验,并应用地电提取技术在湖南龙山金锑矿和黑龙江大安河金矿进行了隐伏矿预测,取得了找矿突破[18-20]。罗先熔课题组长期致力于地电化学技术的研究,在方法理论方面提出地电化学异常形成理论——“递推”理论[21],于2008年获得了低电压偶极地电提取方法专利授权[22];找矿成效方面在广西兴安金石金矿及高龙金矿、内蒙古巴彦哈尔金矿、甘肃金川铜镍矿、吉林红旗岭铜镍矿、黑龙江金厂金矿、云南木利锑矿、河南周庵铂族-铜镍多金属矿等开展了地电化学技术隐伏矿预测[23-29],特别在江西乐安县相山地区开展的寻找火山岩型隐伏铀矿的研究中,找矿效果显著,根据元素异常特征预测深部存在铅锌矿体,并通过钻探工程验证了深部存在隐伏铅锌矿[30];方法技术方面开展了不同提取时间、不同提取液、不同采样深度、不同供电电压等提取条件的对比试验[31-33];同时在仪器设备方面不断改进和优化,成功研制出新一代独立供电、单点双极提取的地电提取装置——低电压偶极地电提取装置,于2008年获得专利授权[34]。孙彬彬等[38-39]重点研究了地电提取过程中载体物质的选取方法[35-37],成功研制了具有时间控制功能的固体载体型元素提取器。

(4)更新迭代阶段。在“十三五”国家重点研发计划专项的资助下,方法理论方面从金属微粒产生—金属微粒迁移—金属微粒卸载/提取3个阶段建立了地电化学异常形成“分段”理论[40];仪器设备方面从便捷化、智能化、制造工艺等部分优化升级原低电压偶极地电提取装置,完成供电电源、提取电极的换代,并获得多项专利授权;同时,撰写完成了《地电化学测量技术规程(征求意见稿)》,极大地助推了地电化学技术在矿产勘查方面的应用。

2 研究进展

2.1 方法理论与突破

在《地电化学勘探法》专著中Ю·C雷斯系统概括并给出了地电化学法的概念:该方法是在人工电场的作用下,各种电化学现象及与离子态迁移、分布以及矿物的激发电化学特征有联系的一系列方法的统称[5]。在我国地电化学技术专指系列方法中的一种——地电提取法,该方法凭借外加电场作用,可提取活动态的金属离子到指定电极,收集并分析电极上的吸附介质,从而发现与矿有关的金属离子异常,达到找矿和评价的目的[21]。本研究将我国地电化学技术原理的发展与完善过程划分为“提取理论”“递推理论”“分段理论”3个阶段。

(1)第1阶段“提取理论”。多数专家学者认为地电化学提取的物质直接来自于深部隐伏矿体,与深部矿体周围存在的相关离子晕有关,成晕机制如图2(a)所示。已有的提取试验成果证实在电场作用下,晕中的阳离子沿电场方向通过特殊处理的双层半透膜向负极运移,阳离子得到电子在负极形成相应的镀层[3]。少数学者认为元素提取器最初主要提取近地表呈水溶态的少量离子,同时在外加电场的作用下,其他稳定或不太稳定的元素得以解离,从而驱使新生离子向地表运移[41]。

图2 地电化学成晕机理模式Fig.2 Models of geo-electrochemical halo formation mechanism

(2)第2阶段“递推理论”。深部矿化体中不同矿物之间存在自然电位差,可形成原电池,矿体也可发生电化学溶解,产生相应的离子晕,在自然营力(扩散作用、地下水循环、毛细血管作用、地气运移、构造应力等)作用下,向上运移到不同层位形成离子动态平衡。当在近地表施以外加电场时,离子在电场作用下向提取电极富集并析出,打破了局部离子平衡。为保持物质平衡特性,离子会逐级向上补充,直至深部矿体[21],成晕机制如图2(b)所示。

(3)第3阶段“分段理论”。地电化学异常形成过程主要包括:第1段成矿相关金属微粒产生,主要机制包括电化学溶解、重熔作用、机械溶解(压溶作用),其中以电化学溶解为主;第2段金属微粒迁移,以潜水面为界,分为包气带区(扩散作用、微生物作用、植物运移)和饱水带区(电化学迁移、地气迁移、压力泵机制),不同迁移机制可协同发生;第3段金属微粒的卸载,在近地表存在不同的地球化学障(酸碱性障、生物化学障、蒸发障、吸附障、氧化—还原障等),形成各种次生可溶性盐类、黏土、氧化物、有机物、胶体物质等,金属微粒迁移至近地表时,遇到地球化学环境的改变产生相应的物理化学反应,被卸载形成各种次生矿物,或以活动态、吸附态存在[40,42]。

2.2 仪器设备与优化

我国地电化学相关设备率先由核工业沈阳240研究所进行研制,采用电压较高、功率较大的电源,先后生产了车载式DDHK系列和便携式DT系列;地矿部地质经济中心也自主研制了DHJ系列,共推出了DHJ-1型和DHJ-2型两款仪器(图3(a)和图3(b))。该时期的提取装置需要布设测线和测点、长时间供电、定时抽取提取液,并且提取效果不理想。随着对地电化学成晕机理研究的深入,到2007年,桂林理工大学罗先熔等成功研制了低电压偶极地电提取装置(图3(c)),该装置具有体积小、低电压、独立供电、易操作等特点[34],很快在全国多个矿区得到应用,并取得了良好的找矿效果。2009年中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所成功研制了固体载体型元素提取器(图3(d))[39]。

图3 地电化学仪器设备示意Fig.3 Schematic of geo-electrochemical instruments and equipment

2011年以来,地电化学提取装置的升级与优化均是在低电压偶极地电提取装置的基础上进行,主要包括供电电源、提取电极和吸附材料3个部分。供电电源集中优化可控性,包括控时、恒流、多档稳压等,使其在适应不同覆盖层条件的同时尽可能避免不可控因素干扰[43-45];提取电极部分简化制作工艺,提高材料性能,如电极与导线的连接采用一体化模式,石墨碳棒电极升级为碳纤维电极,大幅减轻了提取电极的质量,使其便携的同时更加易于操作[46-48];吸附材料方面完善聚氨酯泡塑预处理方法,使其去除本底的同时添加不同矿种相对应的有机萃取剂,从而增强了吸附能力,提高了提取效率[49]。目前在寻找铀矿中预处理方法较为完善,特别是砂岩型铀矿[50]。另外,地电化学提取过程中相关数据(瞬时电压、电流)的采集与记录得以实现,直流稳压电源输出端的工作电压、工作电流和对应的时间信息,每10 min便可自动采集并记录一次[51-52],便于有效分析电压、电流与地电化学提取效果之间的关系。

2.3 技术规范与完善

地电化学方法的技术规范随着仪器设备的改进发生了较大变化。2000年以前,技术人员仍需携带笨重的发电机组、电流调制器、元素接收器(液体/固体)等,到野外布置测线和测点,昼夜供电,轮流值班,特别是先前使用的液态型接收器还需要定时抽取提取液,工作时间长、操作复杂,一直被受诟病。之后随着低电压偶极地电提取装置的研制和应用,野外工作只需将提前组装好的提取装置埋设于各个测点,倒入适量提取液,埋设24～48 h收回即可。2012年桂林理工大学隐伏矿床研究所和中国地质科学院地球物理地球化学研究所联合开展了“独立供电偶极子地电化学技术规范化”研究工作,对样品采集—样品处理—分析测试整个流程进行了规范化,包括野外、室内操作流程,样品预处理方法、分析质量监控方案等,建立了适用于地电化学方法的多元素分析配套方法[53-56](表1)。2016年开展了“地电化学方法成晕机理及技术改进研究与应用示范”工作,在改进技术方法的同时进一步完善了技术规范。2017年编制了相应的勘查规范或技术要求,由孙彬彬、文美兰等起草了《地电化学测量技术规程(征求意见稿)》,对该项技术方法的推广应用具有重要意义。

表1 地电化学泡塑样品分析方法配套方案Table 1 Matching schemes for analytical methods of geo-electrochemical foam plastic samples

2.4 应用成效与拓展

2.4.1 典型区域应用

(1)西北荒漠戈壁覆盖区。2011—2013年桂林理工大学隐伏矿床预测研究所与金川集团有限公司、澳大利亚南澳资源部合作在荒漠戈壁覆盖的金川铜镍硫化物矿区、南澳大利亚钙质石化覆盖区进行找矿研究,创建了一套适用于荒漠戈壁区寻找深部及外围埋深大、地质条件复杂的隐伏金属矿床多元信息勘查集成技术,构建了矿产资源多元信息勘查模型,在金川铜镍硫化矿的Ⅰ、Ⅱ号矿区深部及外围的南延地区找到了6处可供进一步勘查的新找矿靶区[28-29]。金川集团有限公司组织对其中3处靶区进行了工程验证,在一矿区深部通过钻探,探获矿石资源储量1 270 万t,铜金属量15.5 万t,镍金属量20 万t,直接经济效益达350 亿元,还有3处异常未进行工程验证,仍有巨大的找矿潜力。在澳大利亚Challenger金矿、Tunkilia金矿、Kalkaroo铜金矿等5个矿区开展了深部找矿预测,找到3处可供进一步勘查的新找矿靶区,其中2处找矿靶区已被验证见到隐伏铜金矿体,引起澳大利亚同行及南澳官方媒体的关注及肯定。另外,利用地电化学技术在新疆布尔津县吉拉拜金矿、克依克拜金矿、哈密等矿区深部及外围找到了多处可供进一步勘查的找矿靶区[57-58],在预测的找矿靶区内进行了钻孔验证见到了隐伏金矿体。

(2)东北原始森林覆盖区。2013—2015年桂林理工大学隐伏矿床研究所与武警黄金一支队、黑龙矿业集团股份有限公司在黑龙江省东宁县金厂矿区、小兴安岭虎拉林金矿区、铜山铜矿区以及吉林汪清杜荒岭金矿区开展了地电化学技术寻找隐伏矿的预测研究工作[59-60]。在接触交代/矽卡岩型、浅成热液型金矿床和斑岩型铜矿床上方,都测出了清晰的地电化学异常,表明利用地电化学技术在东北原始森林区开展找矿预测是行之有效的;选出了适用于原始森林覆盖区寻找隐伏金、铜矿的地电化学技术指标,并在上述矿区深部及外围开展了找矿预测工作,圈定了具有找矿前景的地电化学综合异常区20余个。在黑龙江金厂矿区中部、穷棒子沟与邢家沟之间预测的地电化学综合异常区内施工了17个深部验证钻孔,其中15 个孔见到隐伏金矿体,共探获矿石资源量65.77 万t,金金属量3.51 t,资源潜力价值15.01亿元;在大狍子沟地区地电化学预测的综合异常区内施工了深部钻孔6 个,其中3 个孔见到隐伏金矿体,共探获矿石资源量12.9 万t,金金属量0.64 t,资源潜力价值2.74 亿元;在小兴安岭虎拉林金矿区地电化学技术预测的综合异常区内施工了ZK601钻孔验证,找到多条金矿体,单矿体最大厚度12.5 m,单样最高品位25.23 g/t,获得新增推断的内蕴经济金资源量(333)2 191 kg,潜在经济价值上亿元;在吉林汪清杜荒岭金矿地电化学综合异常区内施工了ZK0001验证孔,在孔深192.60～193.60 m处见到Au品位为7.54×10-6的金矿体,在223.10～224.00 m深处见到Au品位为2.88×10-6的金矿体。

(3)青藏高原冻土覆盖区。2012年桂林理工大学隐伏矿床预测研究所在青海沱沱河多才玛铅锌矿区、曲麻莱县扎家同那金矿区以及祁连县尕大阪铜多金属矿区,开展了地电化学技术寻找隐伏金属矿的预测研究工作[61-62]。在上述中温热液脉型、浅成低温热液型金属矿床上方,都测出清晰的地电化学异常,表明利用地电化学集成技术在青藏高原冻土区开展找矿预测行之有效,创建出了一套适用于青藏高原冻土覆盖区寻找隐伏金属矿的地电化学技术指标。在沱沱河多才玛铅锌矿区地电化学预测的Ⅱ-2号综合异常区NW向位置进行了钻探工程验证,在65.81～105.43 m深处见到工业品位铅矿体,矿体累计厚度达58.97 m,Pb品位为0.52%～4.22%,平均品位为1.49%。2013—2014年在青海省格尔木西藏大沟北金矿普查区开展了地电化学测量寻找隐伏金矿的研究,在该矿区深部及外围找到了可供进一步勘查的找矿靶区2处,其中1处找矿靶区已被验证见到隐伏金矿体[63]。2016—2018年在西藏隆子县邦卓玛矿区、那嘎迪矿区及外围开展了地电化学技术寻找隐伏金及多金属矿的预测研究工作[64-65],在这两矿区深部及外围找到了可供进一步勘查的找矿靶区3处,其中1处靶区已被验证见到了隐伏金矿体。

(4)内蒙古草原风成砂覆盖区。利用地电化学技术在内蒙古巴彦哈尔金矿、乌兰呼都格铜多金属矿、哈达特陶勒盖铅锌银多金属矿等矿区深部及外围找到了多处可供进一步勘查的找矿靶区[66-67]。在内蒙古巴彦哈尔金矿区外围预测的综合异常区经钻孔验证,获得新增推断的内蕴经济金资源量1 000 kg。中国地质科学院地球物理地球化学研究所在河北蔡家营铅锌多金属矿区已知剖面进行的有效性与条件性试验发现,地电化学技术比常规土壤测量效果更优,对干旱—半干旱风成砂覆盖区普适性更强[68];在洛恪顿铅锌多金属矿区、朝不楞多金属矿区开展的1∶5万面积性地电化学应用勘查工作表明,与常规土壤测量对比同样显示地电化学效果更好,并在洛恪顿铅锌多金属矿区圈定的地电化学异常区经钻探验证,于540 m深处发现了厚6 m的富Ag、Cu矿体[69-70]。

(5)滇黔桂岩溶地区。2007年桂林理工大学隐伏矿床预测研究所在广西大厂锡矿田铜坑矿区、高峰金矿区开展了物化探综合方法找矿预测研究,创建了以地电化学技术为主的一套适合于大型锡矿山深边部接替资源的综合勘查技术。利用这套综合勘查技术组合,为大厂铜坑矿区提交了8个找矿预测靶区,高峰矿区3个找矿预测靶区,部分靶区经深部工程验证见到了隐伏锡多金属矿体,预计可新增锡多金属资源量68.495 万t,潜在经济价值数亿元。2014—2015在贵州省普定县张家坝—织金县白泥田铅锌矿外围利用地电化学技术寻找隐伏铅锌矿,在新麦—水营地区圈定的地电化学综合异常区内施工了1个验证钻孔,在200 m深处见到了隐伏锑矿体[71]。

(6)第四系黄土/红土覆盖区。2013年与2017年桂林理工大学隐伏矿床预测研究所在豫西黄土覆盖的周庵铜镍矿区、洛宁县石龙山金多金属矿区开展了地电化学找矿预测研究[29,72],圈定了多处Cu、Ni异常区,在石龙山金多金属矿区南部圈定的地电化学异常区经地表工程验证,发现了1处品位较高的金矿体。2013—2015年在红土覆盖的云南西邑铅锌矿区已知的剖面开展了方法有效性试验,显示地电化学异常对深部V3号隐伏矿体具有很好的响应,并且与已知含矿破碎带出露位置对应十分完好,认为矿化体受断裂控矿,破碎带为金属微粒提供了更为便利的上移通道;并在矿区外围李家寨圈定了多处Pb、Zn异常区,经踏勘在地表发现有少量褐铁矿,地质条件良好,成矿潜力较大[73]。

2.4.2 不同景观区铅锌矿找矿成效与影响因素

在我国高寒山区(青海多才玛矿区)、高山峡谷区(云南西邑矿区)、中低山区(云南会泽矿区)、岩溶区(贵州白泥田矿区)、干旱—半干旱风成砂区(内蒙古哈达特矿区)5种景观区内选择典型铅锌矿,在已有工程控制剖面从地电提取元素统计量、矿体埋藏深度与区内年均气温、年均降雨量、覆盖层厚度等方面,并结合各个景观区特征进行了详细的对比分析,结果见表2。

表2 不同景观特征与铅锌矿地电化学异常参数统计Table 2 Statistical of landscape characteristics and geoelectric anomaly parameters of Pb-Zn deposit

结合表2分析可知:

(1)Pb、Zn元素地电提取平均值均大于其背景值,按其异常衬度大小从岩溶区—中低山区—高山峡谷区—荒漠戈壁区—高寒山区依次升高,且Pb元素异常衬度均大于1.2、Zn元素异常衬度大于3.3,表明铅锌成矿元素均有不同程度富集。

(2)不同矿区矿体埋藏厚度为80～700 m,在矿体上方均同步出现地电化学Pb、Zn异常,受岩溶区特殊地质条件影响,白泥田矿区异常值最高,但衬度最小,加之年平均降雨日100 d左右,降雨量达1 100～1 500 mm,蒸发作用减弱对地电提取效果有一定影响,同样在西邑矿区(高山峡谷)效果类似;反观哈达特矿区(干旱—半干旱风成砂区)年降雨量245 mm,Pb、Zn异常值偏低,衬度高,地电提取效果较好。高寒山区年均温度为-4.5 ℃,海拔4 500 m以上,覆盖层多以冻土为主,易形成地球化学障,从而影响地电提取量,多才玛矿区Pb、Zn异常值不高,但衬度最高,提取效果好,表明地电提取适用于高寒山区景观区。根据现阶段研究初步认为:从岩溶区—中低山—高山峡谷—荒漠戈壁—高寒山区的找矿效果有变优趋势,其效果受不同景观区年均降雨量、覆盖层厚度及蒸发作用影响;同时不同景观区仍存在地形、植被、pH值等诸多不同的影响因素。

2.4.3 不同景观区铜镍矿找矿成效与影响因素

从我国高寒山区(青海拉水峡矿区)、冲积平原区(河南周庵矿区)、森林沼泽区(吉林红旗岭矿区)、半干旱荒漠(甘肃金川矿区)4种景观区内选择典型铜镍矿,在已有工程控制剖面从地电提取元素统计量、矿体埋藏深度等参数,并结合各景观区特征进行了详细的对比分析,结果见表3和表4。

表3 不同矿区地电提取Cu、Co、Ni元素相关参数统计Table 3 Statistical of related parameters of geo-electrochemical Cu,Co and Ni in different mining area

表4 矿床所在景观区特征参数统计Table 4 Statistical of characteristics parameters of landscape area where the deposit is located

结合表3、表4分析可知:

(1)各矿区地电提取的Cu、Co、Ni元素含量平均值差异较大,如甘肃金川矿区w(Cu)平均为37.63 μg/g,河南周庵矿区w(Cu)平均值仅为4.12 μg/g,w(Ni)为3.24～35.43 μg/g,另外各矿区内平均值均高于背景值,甚至高达数倍,且各元素变异系数均大于1,处于1.09～1.81区间,表明各元素在区内分布不均匀,在局部富集的可能性大。

(2)不同矿区矿体埋藏厚度为10～390 m,在矿体上方同步出现了地电化学Cu、Co、Ni异常。在冲积平原区覆盖厚,矿体埋藏深度为290～390 m,河南周庵矿区各元素含量值低,但异常衬度高,对深部矿体响应良好;森林沼泽区植被茂盛,植被吸收对金属微粒的迁移有促进作用,吉林红旗岭矿区各元素含量较高,地电提取效果较佳。按异常衬度大小排序,从甘肃金川矿区—青海拉水峡矿区—吉林红旗岭矿区—河南周庵矿区依次升高,本研究初步认为从半干旱荒漠区—高寒山区—森林沼泽区—冲积平原区找矿效果有变优趋势,在冲积平原景观区找矿效果最佳。

截至2020年10月,以桂林理工大学隐伏矿床预测研究所和中国地质科学院地球物理地球化学研究所为代表的11家科研院所、高校运用地电化学技术在全国26个省(市、区)150多个矿区开展了不同程度、规模的找矿研究工作[74-75](图4),找到了多处具有找矿前景的地电化学综合异常区。2011—2020年,应用矿区数占全部应用矿区总数的1/3,矿种涉及金、银、铜、铅、锌、钨、锡、砷、锑、镍、铀等十余种,矿床成因类型涵盖高中低温热液型、沉积改造型、喷流沉积型、斑岩型、矽卡岩型等。并针对我国不同类型的厚层覆盖区和复杂地形地貌景观区开展了地电化学找矿的可行性试验与预测研究。另外,近年来地电化学技术在环境修复方面也有应用,主要针对土壤重金属污染修复,目前通过室内水溶液提取研究发现,地电化学技术对重金属元素的剔除率可达到35%～40%;少量的实地修复试验显示,对重金属元素的剔除率可达到8%左右,个别元素高达15%(内部资料,未发表)。这部分应用尚处在起步阶段,仍需深入研究。

图4 我国地电化学技术应用情况统计结果Fig.4 Statistical results of the application of electrochemistry technology in China

3 存在不足与展望

3.1 存在不足

截至2020年10月,本研究共搜集到地电化学技术相关文章182篇,数据来源于中国知网(CNKI),其中2011—2020年期间发表论文约占39%,并按其研究内容分为综述、理论研究、方法应用、技术改进、数据处理、样品处理六大类,依据其所占比例绘制了相应比率图(图5)。分析该图可知:方法应用类文章占总文章数的59%,其次为理论研究类占21%,通过两者的各自占比分析可认为地电化学技术在整个发展过程中符合 “理论源于实践总结和提炼、再指导实践”这一研究思想,但在样品处理和技术改进方面显得过于单薄,占比5%左右,数据处理方面最为薄弱,仅占4%。可见,经过三十多年的发展,地电化学技术取得了一定的进展,但随着新材料、新工艺及电子光学仪器的发展,仍与现阶段的矿产勘查需求存在差距,主要体现在以下几点:

图5 地电化学技术各类文章统计Fig.5 Statistics of the various articles of geo-electrochemical technology

(1)目前对地电化学方法所取得的异常来源存在不同观点:① “递推理论”认为矿体、围岩及地表存在离子动态平衡,当施加人工电场作用后,局部平衡被打破,离子会逐级向上补充,直至深部矿体;② 异常由土壤中存在具有电活性的极细粒矿物黏土颗粒引起[75-76];③ 异常来源于电极周围土壤及矿物中元素异常,并与元素的化学形态有关[77]。异常来源的确定直接关系到方法的有效性、提取深度等问题,因此这将是地电化学技术推广应用的一大阻碍。

(2)装置改进基本处于停滞状态,仅在现有装置的基础上进行完善,装置的稳定性、可视化、便捷性没有得到明显改观,离实现装置的商品化还存在一定距离;数据处理方面仅占4%,现阶段仅从数理统计(因子分析、聚类分析等)角度分析元素间的相关关系,对地电提取数据中隐含信息的挖掘有待深入。

(3)对于不同覆盖区,由于物质来源、理化性质的不同,相关技术参数的设定不可能一成不变,如土壤pH值、覆盖层厚度、地形等对地电提取效果有着显著影响,桂林理工大学隐伏矿床预测研究所已开展了部分可行性试验工作,尚未取得突破性进展,这部分仍需进一步系统研究。

3.2 展 望

如何进一步完善地电化学理论和方法技术,将科研成果转化为生产力,更好地、全面地服务于矿产资源勘查及环境修复治理,将成为地电化学技术今后发展的主要趋势。该领域未来发展方向主要有如下几个方面。

(1)加强理论研究,完善方法机制。深部矿体可发生电化学溶解并在围岩周围形成离子分散晕,这是实际存在的,但离子分散晕在垂直剖面上的分布特征、离子迁移途径和不同介质中迁移形式的转化以及离子分散晕分布的影响因素尚未明确,可利用浅钻技术宏观研究浅地表(基岩/风化层—土壤)元素含量变化和赋存特征;借助高分辨率电子显微镜(SEM/TEM),从微观角度观测元素迁移形式及可能影响其分布的因素,这将成为突破方法机制瓶颈的关键。

(2)优化仪器装备,满足勘查需求。地电提取装置的改进升级对方法技术的推广意义重大,装置成本、效率及勘查效果是应用该技术的基础。因此,实现提取装置的轻便化、自动化、商品化是技术装置发展的重要方向,主要包括装置的时控性、可视化程度、环保材料使用、数据储存功能等。数据处理方面可采用较为成熟的多重分形理论,运用含量—面积(C-A)、能谱—面积(S-A)等分形技术进行异常背景识别与分离,进而提取数据中的弱异常信息。

(3)提升技术规范,大胆尝试新领域。加快地电化学测量技术规程的编制,提升技术应用的普适性;在深地探测的大背景下,攻深找盲是地电化学技术应用与发展的主要目标,与其他深穿透勘查方法(地气测量法、活动态提取法、植物找矿法、土壤微细粒测量法)形成互补,发挥各自优势,如在干旱荒漠区,由于地下水位深,包气带(潜水面以上)对金属微粒的运移至关重要,其主要发生在运移覆盖层(以风化物来源分类的沉积地段)中,沉积地段的古气候、沉积物性质和形成演化将直接影响深穿透方法的有效性与适用性。在今后选择使用具体的深穿透地球化学方法或组合之前,应该先了解研究区的古气候、沉积物性质和地貌演化史,便于合理选择采样层位和采样介质,最大限度获取由深部矿化体引起的综合异常。因此,针对不同覆盖区提出相应的快速定位技术参数、技术组合是未来需要解决的难题。另外,地电化学技术在土壤重金属修复方面已取得预见性进展,具有成为一种原位、快速、高效重金属修复技术的潜力,可着手在环境修复方面开展深入研究。

致 谢

感谢我国地电化学前辈、同仁所取得的丰硕成果,这为本文的撰写提供了动力和坚实的基础。