區域地球化學調查進展

宋云濤, 王成文, 郭志娟, 韓 偉,聶蘭仕, 楊 帆, 孔 牧

(中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000)

0 引言

1978年以中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所謝學錦院士為首的一批專家提出了“區域地球化學調查全國掃面計劃”，在當時的國家地質總局支持下，通過5年技術準備，1983年正式啟動了以水系沉積物測量為主、土壤測量為輔、工作比例尺為1︰200 000和1︰250 000的“區域地球化學調查全國掃面計劃”。迄今為止，該計劃投入中央財政資金25×108元，專業研究所和各省、市、自治區物化探隊、地質調查院等四十余家單位、數千位化探技術人員參加，全國1︰200 000和1︰250 000區域地球化學調查完成面積730.43×104km2，占陸域國土面積的75.7%(圖1)，采集樣品超過600×104件，分析組合樣超過150×104件，編制了39種元素1︰200 000和1︰250 000地球化學系列圖件近千幅，并使用每個1︰250 000圖幅1個平均數值編制了1︰5 000 000和1︰10 000 000中國地球化學圖。該計劃發現的巨量地球化學信息，支撐我國發現了一大批礦產資源，在我國礦產勘查工作中發揮了巨大的作用[1-4]。該計劃取得了巨大的科學成就、經濟效益和社會效益，2007年榮獲了國家科技進步獎二等獎。筆者在總結我國區域地球化學調查已有的工作程度、方法技術要點、在礦產勘查和基礎地質研究方面取得的主要成果的基礎上，梳理了現階段存在的主要問題，為區域地球化學調查工作服務國家重大找礦戰略和生態文明建設提供了參考。

圖1 全國區域地球化學調查工作程度圖Fig.1 Work degree map of national regional geochemical survey

1 方法技術要點

不同地球化學景觀采用不同的采樣方法，以獲取代表性的樣品。在內地及沿海地區，采用標準的水系沉積物測量方法，在巖溶區、熱帶雨林、高寒半濕潤山區、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、森林沼澤區等特殊景觀區，分類制定相應的采樣方法。

自1999 年地質大調查專項實施以來，以中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所為主的科研人員，采用截取粒級的方式，破解了風成沙、有機質等外來物質干擾的技術難題，大大提高了區域化探掃面效果，保證了“區域化探全國掃面計劃”的順利實施。

1.1 采樣密度

水系沉積物測量標準采樣密度為1點/km2～2點/km2。西部地區視地形地貌特點適當放稀采樣密度，其中高寒山區、森林沼澤區等艱難地區采樣密度可放稀至1點/km2～2點/4 km2，雪線附近、高山險谷等艱險地區可放稀至1點/16 km2。

土壤測量基本采樣密度為2點/km2～4點/km2。覆蓋區可采用地球化學淺鉆測量，采樣密度1點/km2～2點/4 km2；可視地形條件，適當調整地球化學淺鉆測量采樣密度[5-11]。

1.2 采樣粒度

采樣粒度以最大限度排除有機質、風成沙等外來物質干擾為主要原則，通過采樣粒度試驗來確定。結合中國的地球化學景觀特征，一般情況下采用以下采樣粒度[5-11]：

1)樣品粒級為-4目～+20目的區域：新疆的東天山、準格爾盆地周邊、甘肅北山、寧夏、內蒙古中西部和呼倫貝爾市西部的干旱荒漠戈壁殘山景觀區。

2)采樣粒級為-4目～+40目的區域：內蒙古大興安嶺中南段。

3)樣品粒級為-10目～+60目的區域：東北森林沼澤景觀區；遼寧西部、河北省和山西東部的半干旱中低山景觀區；山西中西部黃土覆蓋區；西藏、青海高寒湖沼丘陵景觀區和干旱半干旱高寒山區景觀區；藏東、青南、川西的濕潤半濕潤高寒山區景觀區；云南、四川、貴州、陜西、重慶和甘肅南部濕潤半濕潤中低山景觀區；四川西北的高寒草甸景觀區以及云南熱帶雨林景觀區。

4)樣品粒級為-10～+80目的區域：新疆其他地區。

5)巖溶區樣品粒級：由方法技術試驗確定采樣粒度。

1.3 采樣介質

水系沉積物測量采樣要求沿活動性流水線在3～5處多點采集組合樣，在羽狀水系發育地區應在多條水系采樣組合，西部地區和森林沼澤景觀等地區發育“U”型谷或草皮溝，當難以采集水系沉積物時，應在上游匯水域兩側山坡多點采集殘坡積土壤代替[5-11]。

2 主要進展

2.1 形成了國際領先的方法技術體系

“全國區域地球化學調查掃面計劃”建立了具有中國特色的區域地球化學勘查理論，形成了適合我國典型景觀條件的化探掃面方法技術，編制了中國39種元素地球化學圖集，推動了我國分析測試技術、標準物質研制的發展，確立了中國地球化學調查在世界上的領先地位，為近年來76元素地球化學編圖和土地質量地球化學調查奠定基礎[1-5]。

以中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所為首的技術團隊，在1978年制定了內地沿海中低山區區域地球化學調查方法技術，在隨后三十年里相繼研發了巖溶區、熱帶雨林、高寒半濕潤山區、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、森林沼澤等全國十一個特殊景觀區的區域地球化學調查方法技術，形成了一套完整的區域地球化學調查方法技術系列，并于1995年制定行業標準《區域地球化學調查規范》(1︰200 000)，并分別于2006年和2012年完成了兩次修訂，為“區域地球化學調查全國掃面計劃”的順利實施提供了有力的技術支撐。近幾年，淺覆蓋區地球化學調查方法技術研究也已完成，于2022年發布了《地球化學淺鉆測量技術規程》。同時，根據地球化學掃面39元素測試工作的要求，制定了多方法組合、高靈敏度的39元素配套分析方案(表1)，配套建立了分析質量監控體系，研制出全國和省級水系沉積物、土壤、巖石等系列地球化學標準物質[6-8]。其中全國一級標準物質達到20個系列340種之多，不但滿足了全國地球化學調查工作的需要，而且滿足了全國相關工業、農業、環境、科教等領域監控分析質量監控的需求，同時，被美國、加拿大、英國、法國等40余個國家采用[12-14]。隨著分析測試技術的進步和配套分析質量監控體系的不斷完善，我國已具備76元素地球化學調查調查和編圖的條件。

表1 區域地球化學調查39種元素配套分析方案[1]Tab.1 Analysis scheme of 39 elements in national regional geochemical survey

以全國區域地球化學調查掃面技術為基礎，中國地質調查局開展了亞洲、非洲和南美洲等國家的地球化學調查，推動了“全球地球化學填圖計劃”的實施。

“聯合國教科文組織全球尺度地球化學國際研究中心”依托中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所成立，使中國的勘查地球化學更直接地走向了世界。值得一提的是，2020年，沙特阿拉伯擬開展76元素高精度水系沉積物地球化學調查，面向全世界招標，以中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所為主的技術團隊編寫的標書展現了強大的技術實力，成功中標，進一步鞏固了中國區域地球化學調查技術在國際的領先地位。

2.2 找礦效果顯著

據不完全統計，我國自“六五”到“十二五”的三十五年間，地球化學調查發現有色金屬和貴金屬等各類礦床3 605處[15-16](表2)。其中，大中型金礦600余個，使我國黃金資源儲量從1980年的4.39×105kg上升至1996年的4.26×106kg，2015年增長至9.8×106kg，顯著提升了我國的黃金儲備。

表2 各五年計劃化探發現的礦床數Tab. 2 Quantities of varied kinds of mineral resources discovered by geochemical exploration in each five-year plan period

近年來，在青海、新疆、西藏開展了約95×104km2的區域地球化學調查工作，發現各類礦床168處；其中包括西藏驅龍銅礦、青海多才瑪鉛鋅礦、夏日哈木銅鎳礦、新疆黃羊嶺銻礦、甜水海鉛鋅礦、祁漫塔格維寶鉛鋅礦、彩霞山鉛鋅礦、清白山鉛鋅礦、阿齊山鉛鋅礦和白鑫灘銅鎳礦等一系列大型、超大型多金屬礦床，對國家資源基地配置戰略西移提供了重要支撐[17-25]。

根據1︰250 000區域地球化學調查成果，首次在青海東昆侖地區發現巖漿熔離型硫化物礦床-夏日哈木鎳鈷礦，并顯示具有巨大的找礦前景[19]。類似地，依據區域地球化學調查資料在新疆東天山地區首次發現了銅鎳硫化物礦床-白鑫灘銅鎳礦，為東昆侖和東天山地區實現找礦突破指明了新的方向[24]。同樣，甘肅省在開展區域地球化學調查工作中，根據鋰、鎢、鉍、硼等元素組合異常特征發現了白頭山銣礦，初步估算氧化銣資源量達2.5×106kg以上。隨后又相繼發現了國寶山、劉家河兩處大型銣礦[26-27]。進一步拓展思路，將找礦范圍擴大整到全省，礦種從銣擴大到鈮、鉭、鈧等以前未予重視的三稀礦產，接連獲得找礦突破，發現了余石山鈮鉭礦、孫家嶺鈧礦、黑山粱鈧礦、六丈山銣礦大型礦床[28-29]。并根據區域地球化學調查數據資料，劃分了八個稀有金屬成礦帶(圖2)，開創了甘肅省三稀礦產找礦的新局面。

圖2 甘肅省稀有金屬成礦帶分布圖Fig.2 Distribution map of rare metal metallogenic belt in Gansu province

2.3 有力支撐了重大地質問題解決

2.3.1 判定重大斷裂延伸方向

新疆昆侖山中部庫牙克地區，處于不同大地構造單元的結合部位，一些重要的構造線，包括康西瓦、鯨魚湖-木孜塔格、阿爾金等斷裂，均交匯于此，它們之間關系的焦點，就是庫牙克斷裂(圖3)。關于庫牙克斷裂的延伸，地質專家認識不一。區域地球化學資料表明，該區存在一條主要由Cr、Ni、Co、MgO等元素呈現的區域性地球化學南北分界線，以這條分界為基礎，可明顯分成南、北兩個地球化學區(圖4)。從而，解決了庫牙克斷裂延伸方向的問題[30]。

圖3 新疆西昆侖庫牙克地區地質略圖Fig.3 Geological outline of the Kuyak area, west Kunlun, Xinjiang

圖4 (Cr+Ni+Co+Mg)/(As+ Sb+Li+B)等值線圖Fig.4 Contour map of (Cr+Ni+Co+Mg)/(As+ Sb+Li+B) in the Kuyak area

2.3.2 厘定重要成礦帶

全國最初厘定的16個重要成礦帶之一的西南三江成礦帶，其北緣截止于川西藏東北部，面積約40×104km2。 近年來，通過區域地球化學調查，在青海南部發現了多才瑪[18]、雜多[31]、茶曲帕查[32]等一系列大型、超大型礦床，增加資源儲備2.5×107kg以上，使原西南三江成礦帶向西北青海省境內延伸數百公里，確定了西南三江成礦帶北段的成立，面積增加了約10×104km2。

2.4 擴大了找礦空間

針對區域地球化學調查在覆蓋區找礦效果差的問題，在覆蓋厚度小于100 m的松散堆積物連續分布的淺覆蓋區，主要為森林沼澤覆蓋區、草原、沙地荒漠、山麓堆積物覆蓋區、山前平原和盆地邊緣區、山間盆地區、河網匯聚區、湖積區、黃土覆蓋區等地域，提出并開展了淺鉆測量方法技術試驗和示范測量，形成了淺覆蓋區淺鉆測量技術，找礦效果明顯。

2.5 為建立地球化學長期觀察網絡奠定了堅實的基礎

基于區域地球化學調查成果，中國地質調查局中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所先后建立了“環境地球化學監控網絡”和“全國的地球化學基準網”，主要根據我國二級流域分區、重點城市群、礦產資源開發情況，兼顧地理景觀分區、土壤類型分區及酸雨分布情況，布設試驗監測點，每個觀測點同時采集土壤、匯水域沉積物和河水樣品，監測無機化學元素的動態變化，初步建立了具有時間屬性的觀測網，為我國環境評價和持續監測未來環境變化奠定了基礎[4]。

2.6 獲得了中國東部上地殼元素豐度

近年來，中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所開展了中國東部上地殼元素豐度研究和全國巖石地球化學基準，以中國東部區域地質、地球化學和地學斷面資料為基礎，獲得了中國東部大陸地殼、出露地殼和巖石76元素的化學組成與元素豐度，為基礎地質、勘查地球化學、巖石地球化學、環境地球化學調查與評價、礦產資源潛力預測特別是區域化探全國掃面水系沉積物資料的定量解釋和中國東部地球化學背景場研究奠定了堅實的基礎[33]。

3 存在的部分問題

1)覆蓋區找礦效果不佳。我國的覆蓋區、淺覆蓋區面積較大，找礦效果不佳。隨著經濟的發展，人類社會對礦產資源的需求量不斷增長。而且大量地表礦、掩埋礦已被發現和消耗殆盡，迫使找礦工作向深部或未知區推進，找礦難度逐步加大，面臨著嚴峻的挑戰。

2)39種元素指標無法滿足我國戰略性礦產勘查的需求。中國發布的《全國礦產資源規劃(2016～2020年), 列出了24種戰略性礦產資源目錄, 2019年又列出了38種戰略礦產資源(石油、天然氣、鈾、鐵、錳、鉻、釩、鈦、銅、鋁、鎳、鈷、鎢、錫、鉍、銻、鉑族、金、稀土、鈮、鉭、鋰、鈹、鍶、銣、銫、鋯、鍺、鎵、銦、錸、碲、鉀鹽、硼、螢石、高純石英、石墨、氦氣)，包括56個關鍵元素(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)。全國區域化探掃面計劃只分析了39種元素：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，其中稀土相關的元素只分析了La和Y，有30種關鍵元素沒有分析：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，暫時無法滿足戰略礦種的找礦需求。白云鄂博和牦牛坪是世界最大和第三大碳酸巖型輕稀土礦，區域化探掃面計劃僅分析了稀土元素La和Y，且由于當時稀土元素測試技術落后，沒有圈出稀土元素地球化學異常。華南地區離子吸附型稀土礦提供了全球90%以上的重稀土供應，但是華南地區缺少重稀土地球化學數據，重稀土礦預測與評價工作程度低，針對重稀土礦的勘查方法技術是目前研究的難點。西北地區夏日哈木銅鎳礦、大紅柳灘鋰鈹礦等超大型礦床的發現，彰顯出東西昆侖、阿爾金等成礦區帶巨大銅鎳、鋰鈹等礦產資源成礦潛力。北山成礦帶礦產資源十分豐富，目前已發現大、中、小型礦床共計127個，優勢礦種有銅、鎳、金、鐵、鎢、錫、鉬、鉛鋅、銀、稀有、稀土、釩、鈾、銣等。西北地區已經完成西天山、西南天山等兩個成礦帶資源潛力地球化學評價，為該地區的找礦工作提供了資料依據。盡管取得了重大找礦發現，仍然缺乏重要成礦帶戰略資源地球化學圖和資源潛力評價，限制了重點成礦帶戰略礦產的勘查找礦工作。

3)海量地球化學數據，缺乏深入挖掘和分析。同一個成礦帶內成礦相關元素的聚集和分布往往具有規律性，這些規律對于指導找礦勘查甚至分析礦床成因都具有重要意義，而以往的區域地球化學調查工作在整個成礦帶尺度來分析元素聚集的規律性方面亟需加強。隨著計算機技術的發展，近年來機器學習方法被廣泛應用于礦產資源預測評價中，它能更好地學習地球化學數據中的多元關系、礦化點和證據要素間的復雜非線性關系，建立地球化學圖譜，圈定戰略資源遠景區。

4)中國地球化學長期觀測網不完善，關鍵元素和有機物地球化學循環研究滯后。美國國家科學、工程和醫學研究院(NASEM)，發布的《時域地球——美國國家科學基金會地球科學十年愿景(2020-2030)》將關鍵元素在地球上的分布和循環作為第三個科學優先主題，將其重要性闡述為“對地球過程至關重要的元素，其為生物活動創造適宜的條件，為現代社會的運轉、繁榮和安全提供必要的原材料，為低碳或無碳能源作出貢獻，并廣泛用于電子行業、國防、醫藥業和先進制造業”。中國的勘查地球化學調查，在元素分布研究領域處于世界絕對領先地位。但是還沒有建立中國陸域長期地球化學觀測網，關鍵元素和有機物在巖石圈、土壤圈、水圈和大氣圈的地球化學循環研究缺乏基礎數據支撐，在全球氧、碳、氮循環領域相對落后于美國和歐洲。

5)缺少西部巖石地球化學背景場數據。近年，我國已經完成了中國東部上地殼元素豐度研究，以中國東部區域地質、地球化學和地學斷面資料為基礎，獲得了中國東部大陸地殼、出露地殼和巖石76元素的化學組成與元素豐度，該研究成果已被相關行業廣泛應用。目前，中國西部地區缺少巖石地球化學背景場數據，無法對其自然環境和成礦物質背景進行地質解釋。

4 今后工作建議

1)開展覆蓋區的區域地球化學調查研究，支撐找礦突破戰略行動。隨著國際競爭加劇和人類社會飛速發展對能源資源的需求的不斷增加，支撐國民經濟發展的找礦活動顯得尤為重要。我國已開展了大規模的找礦活動，但主要發現為露天礦、掩埋礦，找礦地段主要集中在出露區和半出露區。我國的覆蓋區、淺覆蓋區面積較大，找礦效果不佳，亟需進一步擴大礦產勘查空間，開展覆蓋區的區域地球化學調查工作，服務找礦突破戰略行動。

2)利用區域地球化學副樣，增加分析指標，以求在尋找戰略性緊缺礦產方面發揮重要作用。“區域地球化學全國掃面計劃”已積累了39種元素、覆蓋全國陸域的海量數據，在發展地球科學、支撐國家的資源安全保障、環境保護、生命健康和土地利用等領域發揮了重要基礎支撐作用。除已獲得的海量地球化學數據之外，還積累了百萬計的寶貴實物資料(區域地球化學全國掃面計劃副樣)，這為我們后續謀劃和拓展區域地球化學調查奠定了堅實的物質基礎。隨著我國進入新發展階段，黨和國家事業發展對新時期地質工作提出了更高要求，限于40多年前技術條件的限制，僅分析39種元素的計劃顯然已經不能滿足當前國家經濟發展的需要，特別是在支撐服務黨中央、國務院能源和戰略性礦產資源供應安全重大決策方面。為快速有效地支撐服務國家戰略性礦產資源供應安全重大決策，實現戰略性礦產資源找礦突破，亟需對這些化探副樣再利用開發。

3)開發利用已有數據資料，開展重點成礦帶編圖工作，進行遠景區評價與預測。在現有數據開發利用技術的基礎上，利用大數據、人工智能、審計網絡等計算機技術對已有的海量區域地球化學調查數據進行挖掘，開展智能化綜合信息地球化學數據處理系統，進行地球化學異常篩選和評價，開展資源潛力評價系統研究。

4)建立中國陸域地球化學長期監控網絡。介于我國的地球化學長期監控網建設尚不完善，開展中國陸域地球化學觀測網國家網試點建設，測試無機元素和有機碳、多環芳烴、多氯聯苯、微塑料等有機污染物，初步形成一套無機與有機地球化學長期聯合觀測技術方案，并長期開展監測顯得尤為重要。

5)補充中國西部巖石地球化學背景研究。針對中國西部地區缺少巖石地球化學背景場資料的問題，補充采集中國西部主要巖石樣品，建立中國西部大陸巖石地球化學數據庫，初步構建中國出露地殼地球化學背景場。

5 結束語

區域地球化調查全國掃面計劃基本實現了我國陸地面積全覆蓋，形成了完善的評價理論與方法技術體系。目前，很多貴金屬和有色金屬礦產是通過區域地球化學異常發現的，區域地球化學調查找礦效果越來越顯著，已成為我國礦產資源勘查中不可或缺的方法技術，在解決重大地質問題方面也體現出了顯著的專業優勢。同時，我國的區域地球化學調查方法技術總體上保持國際先進水平，并不斷地擴大應用到世界各國。人類社會發展進步，對區域地球化學調查工作提出了新的問題和挑戰。我國的區域地球化學調查工作者以國家戰略需求為目標，以問題為導向，不斷地推進我國區域地球化學調查的發展和完善，以更好地為我國國民經濟發展和社會主義現代化建設服務。