地电化学勘查方法的现状与前景

第6卷第3期 有色金属矿产与勘查 V ol.6,No.31997年6月 GEOL OGICAL EX P L ORATION FOR N ON -FERROUS METALS June ,1997
地电化学勘查方法的现状与前景
贺东
(中国地质工程公司　北京　100081)
施俊法 徐勇
(中国地质矿产信息研究院　北京　100037)　(有色总公司地质勘查总局　北京　100814)
摘　要　对地电化学勘查方法的现状和前景作了评述,并提出了我国地电化学勘
查方法的发展战略。

关键词　地电化学勘查方法(CHIM)　矿产勘查①
地电化学是研究地壳内部自然和人工激发电化学现象的学科。

地电化学勘查方法主要研究离子态元素的迁移、分布规律及矿物的激发电化学特征。

该方法综合了地球化学和地球物理的某些优点,是寻找隐伏矿床的有效勘查手段,有很大的应用前景。

1　地电化学现象与机理
在人工电场作用下,矿物和岩石会发生溶滤,溶滤的元素在观测点能聚集起来,形成人工地电化学异常。

人们对异常形成的机理有不同的认识。

一种观点认为,这种方法提取的是与矿体直接有关的金属离子。

在外加电场作用下,金属离子沿着电场方向发生运移,电场的作用加速了离子的运动。

离子运动有时具有跳跃的性质,可使深部离子不断地填补近地表已被提取的离子,形成动态平衡。

这种观点的主要依据是,金属矿体周围能够形成天然的地电化学异常(典型的“兔耳”异常);在提取过程中,随着时间的推移,某些金属离子仍可保持稳定的浓度。

某些地区的研究表明,在矿床的采空地表虽然存在土壤异常,但未发现地电化学异常。

雷斯Ю.C.在已知矿床上方进行研究,发现活动性元素的含量由一点到另一点是急剧变化的。

主体异常带的范围非常狭小,它与异常源的深度几乎没有关系。

这种特征显然与厚覆盖区的物探异常特征不同。

根据地表元素含量从一点到另一点急剧变化的特点,雷斯Ю.C.(1987)提出了这样的假设:离子从源到异常点以射流的形式搬动。

依据这种假设,如果在地表逐层将土壤或其他覆盖层剥去,再在每个层位上追踪元素的地球化学分布模式,便可发现物质的射流特征。

雷斯Ю.C .的观测资料证实了这一点。

这种模型进一步支持了地电化学方法提取的离子直接来自矿体本身的观点。

另一种观点认为,这种提取方法只能提取近地表电极周围的活动金属离子。

Hoo ver D .B .(1993)认为该方法不可能采集到电极周围1m 以外的离子。

他认为,元素的近似测量值可以通过计算电极附近土壤水分的离子化学当量获得。

从理论上讲,电荷转移应服从法拉第定律。

从地球物理上来看,通过计算离子运移到电极的时间,便可求得在电极内采集的元63
①6收稿,改回。

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素所涉及的范围(即体积)。

对于均质的介质和单一离子类型来说,样品的体积可由离子迁移率、样品介质的电阻率与电荷的乘积给出。

按照这种方案计算,样品的体积也应小于1m3。

李金铭(1994)从理论上计算了在人工电场的作用下,离子迁移100m需要87天。

按照这个速率,如果常规的地电化学方法提取的金属离子直接来自矿体本身,那是不可想象的。

Smith D.B.和Hoo ver D.B.(1993)将地电化学方法与传统的土壤偏提取方法作了对比,结果两者极为相似。

因此,他们认为地电化学方法可有效地采集大体积的土壤样品,而一般的土壤提取只采几克而已,他们不能肯定这两种方法究竟哪种好些,也不能肯定到底在什么条件下地电化学方法优于常规的偏提取方法。

值得提出的是,不管提取的离子来自矿体,还是来自电极周围的地表,他们都不同程度地反映了深部矿体的信息。

对地电化学提取机理的不同认识,客观上形成了两种不同思路和工作方法。

因此,离子晕形成机理有待于从理论和实践这两方面深入研究。

2　地电化学技术方法的进展
2.1　观测技术
通常情况下,在电极上安有“元素接收器”(ER),它不含拟测的元素。

在金属电极周围放有某种液体(通常为HNO3),经过一段时间提取后,测定电极覆膜中的指示元素。

地电化学勘查方法具有两个特点:提取对象只是阴离子或阳离子;其次,测定的参数不是采样点中沉积物的金属浓度,而是在电极中提取的金属浓度。

为了进一步探讨地电化学勘查方法,1995年Alexander Leviski提出了“双极提取法”。

该方法是在现有地电化学研究基础上,分别提取阴极和阳极上所富集的阳离子和阴离子。

其技术关键是两个电极之间的距离相对相邻两个测点的距离来说可以忽略。

据研究者称,二维实验可以证明,这种几何条件下的电场集中在双极内部及其周围。

这样,他便从理论上证明,在平均电场强度保持在5～10V/cm时,流入电极的离子是流到电极外离子的4～9倍。

室内实验分别在12升和180升充有水的石英砂容器内进行。

阴、阳极之间的距离为25cm,稳定电流(I)为200mA,电极电压(U)从70V～200V,使用特定的带有电极的电解溶液和电极物质,通过观测参数,建立纯的法拉第过程。

电解作用持续5～6个小时,每隔40分钟对电极取一次样。

用Stripping Voltammetry方法测定Cd的浓度。

依据时电曲线图(提取物质与时间的关系),他们得出以下观测结果:在有机物环境自由的条件下,即使象Cd这样有限的阳离子也可产生一定数量的负电荷;尽管两个容器的体积相差15倍(12升、180升),但在阴离子采样器提取的Cd 的数量在同一个数量级,在阳离子采样器提取的Cd的数量则差2～2.5倍。

这些结果表明,双极提取可提供更多的关于活动态元素的信息。

2.2　时电曲线研究
地电化学的时电曲线通常可以分出二或三段。

每段都代表着围岩中一种元素的富集形式。

对于各段所代表的元素来源尚有争议。

Goldberg等(1990)认为,在地电化学方法试验中,离子浓度与捕集时间的关系曲线可以是直线(累积不变),可以是向上凸(累积增加)或者向下凹(累积率减少)。

因此,在每个地区必须进行试验,以确定浓度时间曲线的形态。

值得指出的是,元素在岩石中有多种存在形式,有些被粘土矿物所吸附,在很弱的电场作用下就可进入溶液。

不过大部分元素只有在其矿物晶格破坏之后才能进入溶液,继而移至接收614
器。

因此,针对不同地质条件研究时电曲线不仅可以更好地提取与矿化有关的离子,而且也可搞清元素的赋存形式。

3　地电化学异常特征及方法组合
3.1　地电化学异常基本特征
S.G.Alekseev(1996)系统地总结了不同地区地电化学勘查获得的结果,认为地电化学异常具有以下基本特征。

(1)晕中的元素成分一般对应于矿体的化学成分。

他们曾在同一铅锌矿床不同的铅锌矿体上方进行地电化学测量,在矿体A中,Pb和Zn含量是可以比拟的,占5%～7%。

在矿体B中,Pb含量为10%,而Zn含量大约只有0.05%。

覆盖层的厚度达15～20m,在铅锌矿体上方存在Pb和Z n异常,而在铅矿化上方只出现Pb异常。

(2)地表晕通常在矿体上盘的上方。

(3)活动态元素迁移速度大于扩散作用的速度。

活动金属晕呈射流状,从矿化围岩延伸到地表,射流的直径为1～10m,往往按异常带聚集。

3.2　不同勘查区和勘查阶段运用不同的地电化学勘查方法
地电化学勘查方法要获取良好的找矿效果,必须针对不同勘查阶段,采用不同的勘查方法。

在前苏联现已形成地电化学勘查方法系列。

在区域性勘查阶段,采用元素有机存在的区域性勘查方法(MPF)、热磁(次生铁锰氧化物的元素存在的形式)的地球化学区域性勘查(TMGM)方法,而地电化学(CHIM)方法则应用于详查(1∶1万或更详细),圈定异常中心和验证探测到的异常。

这些方法的合理使用大大降低了钻探的工作量,提高了经济效益。

MPF和TMGM与一般酸或碱提取方法的不同之处是后者考虑了更大范围的金属,而前者将重点放在矿化迁移上来的少部分活动态金属上。

4　地电化学勘查方法的发展趋势及展望
总体趋势是扩展应用领域、深化基础研究。

该方法除了应用于金属矿床勘查外,还用于油气勘探。

前苏联学者认为,这种方法在常规地球化学和地球物理方法不利的隐伏区尤为有效。

在厚度较大的未固结的覆盖层下,能有效地圈定出矿化,而与覆盖层的年龄和成分无关,也就是说用地电化学方法可以获得覆盖层之下矿化的元素异常。

地电化学虽然取得了很多成果,但仍有众多问题不能得到满意的解决,我们提出了以下一些建设性的建议:
(1)认真分析国内外地电化学走过的路程,以科学的态度实事求是地分析地电化学的现状和前景及其潜在的经济效益;吸取前苏联在地电化学研究上获得成功的经验,找出该方法的突破口,明确主攻方向。

(2)鉴于地电化学研究的复杂性,必须用新思路重新认识过去做的工作,探讨本方法的机理,重点探讨野外地质条件下的各种因素对地电化学作用的影响,例如地质作用过程中温度、压力状态、组成原电池的流体成分对地电化学过程的影响,从而建立元素活化的地电化学理论模型。

(3)为使地电化学研究上一个新台阶,必须坚持野外观测、理论模拟和实验研究相结合的原则,探索地电化学方法的元素迁移新理论,总结地电化学方法的应用条件和局限性。

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(4)除了研究地电化学方法的有效性外,还需认真研究地电化学方法在辩别有矿和无矿、贫矿与富矿、大矿与小矿方面的可能性。

(5)土壤和电极界面发生的地球化学作用:元素是以阳离子还是以阴离子的络合物的形式搬运直接影响着提取的效果。

这些络合物在电极-土壤界面上可能处于不稳定状态,从而阻止离子进入电极。

(6)由于地电化学方法是介于物探与化探之间的方法,因此,研究者既要有牢固的地球物理基础,又要掌握地质-地球化学理论,这样才能保证此项技术研究的顺利开展。

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He Dong
(Ch ina Geo-engineerin g Corp.,B eij in g,100081)
Shi Junfa
(Chinese Inst itu te of Geolo l gy and Mineral R es ources Informa tion,B eij in g,100017)
Xu Yong
(Geology Exp loration Burea u,C NN C,Beij ing,100814)
Abst r act　The con v en tional surface geochem i cal tech n i que,such as soil and s t ream s ediment geochemical su rvey i ng,i s d i fficul t t o be u sed in t he explorati on of m i neral depo si t s co v ered wit h a thi ck o v erbu rden layer.In order to s olve thi s prob-lem,a n umber of phase g eoch emical(partial ex t raction)m et hod hav e been dev el oped for th e past decad es.Therefore,th e detecti on of bu ri ed d eposi tis can be made by t racing th eir s econdary epig enetic haloes in th e earth's s urface.The C HIM elec-t rog eoch emical m et hod can be used to promot e th e movement of cation s wit hin th e artificial el ectrical fi eld t owards t he cath-o d es,resul ting in t he concent ration of the cati ons i n t he cath odes.In t his way,t he concen trati on of th e cation s in th e cathod e can be det erm i ned for th e purpose of th e predicti on of mineral resources.Th e current and fut ure s it uation on t he C HIM elec-t rog eoch emical meth od are dis cus sed and i t s development s t rat eg y in Chi n a i s al so pres en ted i n this paper.
K ey words　el ect ro g eoch emical m et hod;m i neral explorati on
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