隐伏矿区获取矿化信息的新技术和新方法

如题所述

隐伏矿床和难识别矿床的勘查,仅凭地表地质观测和地质理论已难以奏效,在掩蔽区地质观测更无能为力。大力发展和应用物探化探遥感技术已经成为实施信息找矿战略的必然途径;事实上在矿床重大发现中也显示了它们的重大作用。一般说来,传统的物探化探遥感方法完全可以用于隐伏矿和难识别矿的勘查。近10多年来,物探化探遥感技术的发展揭示了它们进行深部探测的更大潜能,呈现了良好前景。

一、物探方法

在隐伏区找矿方法,航空物探不失为一种经济快速的方法。利用航磁和航电对隐伏区进行快速的扫面,获取与矿化有关的直接信息和间接信息,查明与矿化有关的构造环境或地层单元,从而进行深部地质填图。

地面物探方法如重力、磁测、电磁法和激发极化法,仍然是寻找隐伏矿的重要的途径。为了寻找埋深较大的隐伏矿床,近年来推出了一些新的物探方法。

1.时间域电磁法(TEM)

航空时间域电磁系统的主要发展方向是通过加大发射功率和改进机载数据处理而加大对良导体目标的探测深度。为实现这一目标,一方面用数字接收机代替传统的INPUT系统中的模拟接收机;另一方面,各圈之间相隔一定的距离,以降低单元内的功率损耗,虽然一次场仍然是半正弦波形的脉冲,但发射偶距加大到常规INPUT系统的2倍。地面和井中的时间域电磁法,在国外发现了众多的隐伏的块状硫化物矿床。

2.可控源声频大地电磁法(CSAMT)

可控源声频大地电磁法的电源为接地线,距接收机较远。测量接收点上的水平电场和磁场的比值(称为地面阻抗),就可求出一个不受发射接收装置的电磁波传播路径的影响、但与测点下方电阻率分层有关的量(Cagniar电阻率)。有效探测深度主要是大地电阻率和工作频率的函数,当频率范围为0.125~4096 Hz、发射功率为30 kW时,探测深度可达几十m到2km。通过在一定范围内逐步同时改变发射和接收机的频率,对大地不同深度上的取样,就做到了测深。CSAMT对地质噪音极为敏感,但与TEM相比,由于其发射装置远离接收装置,地下电阻率主要由电场测量结果求得,所以它比TEM横向分辨率高,但它受良导体覆盖层影响大,难以区分盖层和矿体的响应。与常规的电磁法相比,这种方法具有工作效率高,测深深度大及分辨率高等特点。

3.天然源声频大地电磁法(AMT)

AMT测定天然场水平电分量和与之垂直的水平磁分量的比值,该比值与均匀层状大地的电阻率相关。定标AMT是指仪器经过标定,能直接给出选定频率上的比值。AMT重现性较差,所以后来提出CSAMT加以改善。

4.小比例尺充电法

传统的充电法以单个矿体为目标,小比例尺充电法则以矿田为目标,充电点不仅限于揭露良导体,而且根据需要布在矿体、蚀变带、侵入体或围岩不同的部位,而且尽可能深些。横向探测范围可达数千米乃至数十千米。矿体的电阻率一般最低,是导电核,蚀变晕一般比未蚀变围岩导电性好,矿上晕可能成为导电窗口,蚀变晕又分为外带和内带,内带的电阻率是外带和矿体的中值。所以,在垂向和横向上矿田的电性分带相当明显。

5.金属矿地震勘探技术

地震方法现已广泛应用于油气勘查。由于金属矿区的构造要比油气区的构造小得多,所以地震的测量精度也要高一些,必须采取有效措施消除地表带对测量结果的影响。为此,可采用震源和检波器的不同组合,测定表层速度、检波点和炮点的高程,从而对观测的信号加以校正。此外,可以采用信号增强的地震仪和共深点叠加技术,针对所探测的深度采用相应的高频检波器、高通检波器作滤波处理。在地震勘查中主要运用反向法和折射法,前者用于研究沉积岩、喷出岩和变质岩的构造,侵入岩体的形态和内部结构以及追索断层等。折射波法作基岩和基底填图、研究基底岩石的风化壳。

二、化探方法

在化探方面,最突出的进展是地气法、元素分子形式法、离子晕法等的出现,它们检测的是地气流带上来的固相微粒,开创了新的方法原理。国内外地球化学家对这类方法进行了大量野外方法试验和室内实验研究,初步证实了深部固相微粒类气相垂向迁移机制的存在和相应方法的可行性。谢学锦等将地气法改进后,发展成一种战略性的勘查手段,并在国内外的试点勘查中证明了它的有效性。这些成就对传统的上置晕形成机制作了重要补充,认为矿体及原生晕中的物质微粒可以随地气流迁移到近地表部,因而可以把这类方法找到的异常视为找矿的直接信息。这就大大加强了化探方法在隐(掩)伏区应用的理论基础。据西方文献资料评论,上置晕法对于确定矿体位置尚有不足之处,但可以确定成矿远景区。这对于战略性勘查已可满足需要了。另外,传统的隐伏矿化探方法也有所进展,现择主要者作一些简介。

1.地气法(GEOGAS)、元素分子形式法(MFE)和离子晕法

1982年K.克里斯蒂森等人在研究氡迁移模型时发现,氡可以快速地搬运到地表,而搬运的时间不超过氡的半衰期3.8天。用常规的扩散方式搬运模式,难以解释这一现象,他们便提出了一种新的假设,即氡原子可能是由一股缓慢向上,可穿过岩石到达地表的地气流搬运。携带氡原子的气体在地下水中以气泡的形式存在,而氡原子和氡的放射性活动的母体依附在气泡的气-水界面上。

如果上述氡迁移的假设确实成立,那么为什么其他金属不可以按这种方式搬运呢?在这种思路的启发下,K.克里斯蒂森等人于1984年首先在瑞典北部已知矿体上方对雪样进行测量,很快就发现了雪片中存在了与矿床有关的成矿元素异常。由于该区的积雪只保存半年,说明在半年的时间里,深部与矿床有关的元素就可以按某种方式迁移到地表。然而雪片在下落过程中容易受大气的污染,他们便采用特定装置来采集由地气流携带的金属,结果在已知矿体上方获得了良好金属异常。

德国的罗尔福地学(RULF GEO)公司和捷克地球物理研究所,也开展了类似的研究。但他们认为元素以分子的形式到达地表后,很快地转变成气体形式进入大气中,因此,他们采用直接采集大气的做法来分析其中的金属含量,在矿化上方也观察到了金属元素的异常,并将他们的方法称作“元素分子形式法”(Molecular Form of Element),简称MFE法。

与地气法不谋而合的是,近年来俄罗斯C.B.格里戈良研制出一种隐伏区新的找矿方法——“离子晕法”。离子晕法研究者认为,在隐伏矿化上方,于大气圈近地表部分,存在着指示元素偏高的浓度。格氏研制了一种特殊的装置,来采集“离子”。据格氏在1997年3月在中国全国地质图书馆的讲授,用一口径约为10cm的玻璃瓶,内盛150ml的1N硝酸,用半透膜盖住,用橡皮筋拉紧,将容器倒置在支架上,24小时后,分析HNO3溶液中的金属离子浓度,这样便可观测到与深部矿化有关的金属异常。这种方法既类似于地电化学方法,使用化学势差的原理,捕捉了活动态的金属离子,又类似于气体地球化学方法。俄罗斯的物理学家认为这是一种新的物理现象,这一成果被列为俄罗斯的科学发现之一。

2.活动态金属离子法(MMI)

在顺序提取中,无论那一种方案,首先会遇到水溶相的问题。因为水溶相的方法操作简单,而且常常提取活动的元素,因而对于寻找隐伏矿具有大的吸引力。在俄罗斯,采用离子选择电极法有效地分析了土壤中水溶相(40g土壤+40g水)的离子浓度,例如,

Br-、K+、Na+、Ca2+

、Eh、pH等,在厚层运积物覆盖的矿床上方获得了良好的异常。

A.W.曼提出了活动态金属离子法(Mobile Metal Ion),他们所提出MMI是用一种或几种弱的试剂提取活动态的金属离子,但对其提取剂的名称还在保密之中。这种方法实质上是用弱酸或酶煮法提取弱结合的离子。主要分析Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Au、Ag、Pd等。据称,这种方法所获得的地球化学异常重现性较好,且能探测到地下700m深度的矿体。

这种方法已大规模地进入了市场,并已由澳大利亚沃姆奇(Wamtch)公司注册为其注册商标。在有关矿产勘查评述的文献中,几乎都将这种方法列为化探的新方法,并加以宣扬。至于活动态金属离子的地球化学异常形成的机制,A.W.曼的说法甚为含糊,他们认为是毛细管作用,植物根系作用、离子扩散作用、电化学作用等。

3.酶浸析法

酶浸析法是美国地调所J.R.克拉克在20世纪80年代中期以来研制的新方法。他认为土壤中非晶质氧化锰虽然只占氧化锰总量的一小部分,但它的不规则表面所具有的巨大表面积及随机分布的电荷,使之能够吸附化学性质差异很大的阴阳离子和极性分子。运积物中非晶质氧化锰所吸附的微量元素经常反映深部基岩的地球化学特征。J.R.克拉克利用葡萄糖氧化酶,产生微量的过氧化氢和葡萄糖酸,过氧化氢容易还原溶解的非晶质氧化锰,从而释放出氧化物,而结晶质氧化锰仅受微弱的侵蚀,葡萄糖酸则将释放出的金属络合物,使之停留在溶液中。然后,测定溶液中的金属离子浓度。据称,这种方法在冰碛物覆盖区尤为有效。

至于与矿化有关的元素向上迁移的地质营力,J.R.克拉克认为最主要的是深循环的地下水,将深部金属离子向上迁移,被深根植物吸附,然后进入落叶层,遭到淋滤而富集于B层土壤的非晶质氧化锰中。J.R.克拉克还认为,有一组元素如 Cl、Br、I、As、Sb、Mo、W、Re、Se、Te、V、U、Th的酶提取异常在地表的形成则与氧化还原电场的驱动有关。

在偏提取技术方法方面,最近加拿大地调所在实施“EXTECH”计划中,广泛开展了选择性相提取技术的顺序提取技术的研究,取得了重要的成果。

4.地电化学方法(CHIM)

在俄罗斯文献中,“地电化学法”这个术语包容了:元素赋存形式法、热磁地球化学方法、扩散提取法、部分金属提取法等一大套方法。其中部分金属提取法是地电化学方法核心,在国内通常称为电提取法。元素赋存形式法、热磁地球化学方法、扩散提取法在西文文献和国内笼统地称为“偏提取技术”。

当前,地电化学方法的争论的焦点仍然是关于金属离子是直接来自矿体还是来自电极周围的近表部的活动态金属离子。虽然两者都反映了深部矿化的信息,但两种不同的认识对地电化学方法的前景具有不同的影响。最近,俄罗斯S.G.阿列克谢夫(1996)阐述了一个重要的事实,值得注意。地电化学晕的元素成分通常与矿体化学成分相当,针对这一点,他列举了同一剖面上相隔不远的两个矿体,其中矿体A的Pb、Zn大体相当,为5%~7%;矿体B中,Pb含量达10%,而Zn含量大约只有0.05%。在Pb-Zn矿体上方有Pb和Zn的异常,而在Pb矿体上方只有Pb异常。我们认为,这种现象很难说明支持哪一种认识。

美国地质调查局从1993年开始此项研究,他们经过试验后发现了苏联地电化学方法的不足之处是,传统的地电化学方法只采集了在自然湿度下岩石和土壤中的物质。电极获得的化学提取体积小于1立方英寸。因此,他们研制了新的地电化学方法(NEOCHIM),在不移动土壤的前提下,便可容易地使取样体积增大100000倍,从而大大增强地电化学方法的灵敏度。据称,这种新的地电化学方法可用于检测土壤湿度对地质变量的影响,鉴别距离污染源引起的土壤湿度的变化,评价土壤治理的效果。

5.大样堆浸金(BLEG)方法

20世纪80年代初期,澳大利亚推出大样可堆浸金(BLEG)商用技术,现已广泛应用于各种不同的地质背景条件下的金矿勘查,最初主要应用于土壤,现在主要应用于水系沉积物中。这是一种相对便宜而灵敏度高的区域采样技术。20世纪80年代以来,依靠这种方法在澳大利亚、西南太平洋(印度尼西亚、巴布亚新几内亚等)等地金矿床勘查取得了重大的突破,然而,迄今为止,很少有文献对这种方法进行详细描述。

该方法的原理是,采集大样品的水系沉积物,用弱的氰化钠(NaCN)溶液淋滤,然后用原子吸收方法测定。这种方法实质也是金的偏提取,但现在对所提供金的性质还不太清楚。然而,人们通常认为只有自由金被提取,而且细粒的金比粗粒更易被提取。实验表明,在淋滤过程中,可以溶解直径为45μm的颗粒金。金的溶解情况受样品中粘土矿物、有机物质的含量影响。通常需要采集5~6kg的样品,但最近一些资料表明,样品采集可以相对小一些。但重要的是在测量过程中,要使样品的大小保持一致性。通常将样品筛分成小于2 mm、4 mm或6 mm粒级。取样密度主要依据各地区的经验确定。

样品采集后,在实验室烘干,然后准确地称重。样品在静止的条件下或时断时续的振动条件下用NaCN淋滤12或24小时以上。有几种方法将金从母液中去除。最常用的方法是与锌尘共沉淀,并吸附到活性炭中。另有一种方法是,用炭柱、原子吸收法测定母液的金含量。更常用的办法是,把用锌、活性炭或有机试剂所提取的金回收到溶液中,然后用喷雾原子吸收法直接测定。大多数方案的检出限是0.005×10-9。由于这种方法需要采集的样品重量较大,野外工作量繁重,因此,即使西方学者也称“BLEG”为“BIG”方法,喻其“笨重”。

6.气体地球化学测量方法

气体具有较强的穿透能力,因此,气体地球化学测量方法被人们看成最有前途的方法之一。关于气体地球化学测量方法研究十分活跃,其研究对象主要包括Hg蒸气、CO2、O2、烃类气体、硫碳氧的化合物(如COS)。随着油气地球化学普查方法的深入,烃类气体用于金属矿床研究日益增多。然而,作为矿化指示标志的大部分气体是间接的找矿标志,因而它具有更大的不确定性和多解性。《勘查地球化学杂志》于1990第38卷出版了《土壤和岩石中气体地球化学》专集,在该专集中S.E.凯瑟(1990)对气体地球化学测量方法的现状作了客观的评价,“壤中气地球化学方法远非是矿产勘查的常规工具,需要进行更多的研究工作来解释现已观察到的异常模式”,“在研究的初期阶段,要正确认识气体地球化学测量方法的现状和前景,现在人们对气体地球化学测量方法的期望过高”。总的来说,气体地球化学测量方法在矿产勘查中尚未进入实用阶段,但是如果我们回顾一下气体地球化学测量技术的演变过程,不难发现在观测手段和技术思路上都有很大的变化。

在气体测量的初期阶段,游离气体是最主要的研究对象,但人们很快发现这种游离气体受气象、景观、疏松层的特征、微生物作用的影响,造成不同时间的测定结果难以对比。随后出现对固体物质(土壤和岩石)吸附气的研究,例如,S.E.凯瑟(1984,1990)运用解吸法获得了良好的效果。这种方法虽然在一定程度上扼制了环境条件变化对气体测量结果的影响,但各种气体被土壤吸附能力的差别很大,尤其是对烃类来说,一些气体可与烃类争夺土壤中吸附的有效位置。此外,样品采集之后,潮湿样品中吸附的气体会受到微生物的破坏;在样品加工时,吸附气体可能被碳酸盐的热释气体所屏蔽,从而难以定量测量吸附气。为此,研究者提出了用酸处理样品,提取酸解烃,这样可以把碳酸盐全部溶解,从而使吸附气全部释放出来。

从气体地球化学测量方法的演变过程可以看出,研究各种赋存形式的气体及其金属含量,是深化气体地球化学测量方法的有效途径。

需要说明的是,酶浸析法与活动态金属法在西方矿业具有广阔的市场,现已广泛被用于隐伏区的矿产勘查中,而其他方法远不如这两种方法受重视。但是,近年来随着俄罗斯的改革开放,地电化学方法在西方迅速地得到承认。上述所有方法中,至今为止仍然用于局部的地球化学勘查,尚未见到用于区域性的勘查。因此,当前应加强隐伏区化探方法的基础理论与观测技术的研究,提高现有化探方法的可靠性和实用性,使之发展成为隐伏区找矿的战略性方法。

三、遥感方法

遥感技术地质应用方法的开发,在一定程度上提供了隐伏矿床找矿评价工作中点、面规律的综合观察、分析的捷径,开拓了追踪成矿过程及标志定量研究的方法。对隐伏矿床找矿评价工作需要来说,迄今国内外遥感技术地质应用方法最重要的发展主要表现在以下四个方面。

1.高空间分辨率的星载数据的开发利用

高空间分辨率的星载可见-近红外区成像扫描、雷达成像系统等传感器相继上天,构成了多通道成像及全天候-多景观类型区域覆盖的庞大数据源,解决了找矿评价时常涉及到的区域对比及对评价区与已知典型区作直接对比的工作需要,增大费用或无从下手的困难。目前,国内外几乎所有重要的成矿区带都有可供利用的星载图像,这些图像(数据)成为在区域成矿规律研究和具体找矿工作中必不可少的、反映地质特征的直观资料,并为一定矿种矿化标志的对比、增强处理提供了基本的数据源。在西方国家的矿产勘查工作的各个阶段,不同类型的星载遥感成像或非成像资料被普遍用于“窃取”相邻租地地质信息,以减少人力和投入。

2.成像光谱系统开发与应用

在传感系统方面的进步体现于利用矿物的特征谱带来确定具体矿物或岩性,并相应开发出了几十个乃至几百个工作波段的成像光谱系统。这种成像光谱系统实质上就是将以往的室内光谱分析与空中成像合二为一。这是近20年遥感技术地质应用方法发展最为突出的进展之一,又因此促进对矿产勘查中的实际问题的一系列专用或通用数据信息处理软件的开发,使当今计算机技术进一步渗透到常规地质工作中,通常的野外地质观察及成矿概念的形成、修正、验证等研究阶段变成可在室内付诸演示和操作的过程,在目标确定后再作现场查证,这种矿产勘查过程在目标确定后的进步又使上述岩石、矿物量化研究技术发展更加实用,有助于将地质过程的分析、实验与一般数字处理、演示更好结合起来。

3.地物波谱研究

遥感技术地质应用方法的物理基础是地物波谱研究,但地物波谱研究则是以增强不同地物波谱响应的差异从而达到能区分、判别结果为目的,因此测试并储存管理海量地物波谱数据于上述工作方法的益处并不大;相反,人们更加注重研究那些地表较发育的岩矿波谱行为的地质应用价值。

挥发性组分的检测——检测富含运矿组分或本身就是某些运矿组分化合物或络合无机盐类矿物的波谱,可追索含挥发组分矿物的分布路径,含量分布以及挥发组分的组成变化(成分和结构),帮助靶区圈定或揭示矿化系列的演化关系(从空间位置上)。这类矿物有含NH4矿物、含Cl矿物、含F矿物、含OH矿物等等。如对含铵矿物水铵长石的地面和机载探测,证明可用于指示含矿流体运矿热液的路径,揭示金和其他贵金属、有色金属矿化的系列表现。对绿泥石波谱的探测,以绿泥石的Mg/(Mg+Fe)比值变化所引起的羟基振动带上频移作为指示接近块状硫化物矿体的标志,等等。

对地表内生矿物系列结构变化的波谱响应的检测——近年以粘土类矿物系列结构的研究为普遍,目的是利用不同混合层状结构粘土类的波谱响应追索其成因,进而揭示成矿地质环境。以混合层状伊利石/蒙脱石(l/s)的层间水吸收带及结构层内OH基团的吸收带等变化规律填绘成岩程度或古热梯度分布,对不同铁的氧化物集合体(褐铁矿或褐铁矿化)波谱行为的研究及以此用于评价、区分内生或外生铁帽的工作即属此类。

4.遥感数据定量模拟和解释

近年来,矿产遥感勘查的技术构成和工作策略出现了明显的演变,概括起来有:

1)以地质模型为基础,形成空中-地面-室内多层步骤的工作程序,技术思路普通是以待测目标的地质标志(特征)所构成的概念勘查模型为基础。

2)线性体的解译和研究逐步扬弃单纯以影像为依据的解译方法,在原有认识的地质构造格局基础上,以成像及数据处理的优势提取“意外”或地面观测难发现的油气聚集或矿体赋存的构造部位,注重应力结构和古应力场的分析。

3)由于迄今传感器工作波段范围已包括了众多热液蚀变矿物和部分硅酸盐矿物的特征谱带所在波长区,几乎所有热液蚀变带都可以通过图像处理增强显示出来,包括许多不易觉察的弱蚀变晕,这些工作为面积性的遥感-化探综合应用,尤其是实现了将区域的地球化学省到局部的矿田、矿区乃至矿体元素异常评价与特征谱带所揭示的热液中心等成矿过程标志综合起来分析的这种宏观微观追踪方法,避免了仅仅基于空间位置的“叠合”作评价所带来的一些主观偏差。

4)在研究地质目标影像形态表现的同时,目前更侧重以地质目标成像的物理参数来设计方案,开发某些反映特定地质过程的矿物指标及其二维或三维分布模式的软件系统。提高地质研究的针对性和实用性,避免或减少通用GIS的局限性。

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