地氣物質遷移模型實驗

唐 楨，周四春，曹 勇，洪友朋，宋偉力，肖曙光，王 沖

（1.浙江省輻射環境監測站 （環保部輻射環境監測技術中心），浙江 杭州 310012；2.成都理工大學，四川 成都 610059）

地氣測量作為一種有效的勘查方法技術，在尋找深部資源方面有著重要的意義［1－2］。人們在利用其尋找深部資源勘查中，傳統做法是通過比較礦石中的元素組合規律和地氣測量異常元素組合規律的異同，從而預測潛在的找礦靶區。但是，地氣測量得到的元素組合特征是否與礦石中元素組合特征相同或類似這個問題一直以來都沒有得到明確的回答。

通過實驗室內地氣物質遷移模型實驗與礦樣元素分析結果作對比，回答了上述問題，得到了較為明確的答案。

1 理論基礎

對于深部礦產資源（本文以鉛鋅礦為例），在討論“地氣法”勘查深部隱伏礦的機理時，普遍認為在地表以下有“上升氣流”存在，將鉛鋅礦中成礦元素如Zn、Pb及多種元素攜帶遷移至地表。本次模型實驗研究重點為遷移元素的組合特征，特別是與Zn、Pb元素密切相關的一些成礦元素的遷移組合規律的研究［3－4］。

2 設計思想

作者在湖南某鉛鋅礦地區實地采集鉛鋅礦礦樣。為了進一步研究礦體中成礦元素遷移特征，設計制作了地氣元素遷移模型實驗裝置，用于模擬“上升氣流”穿過模擬礦層。其目的是為了在實驗室內，進行野外實地條件難以實現的模擬研究、分析元素組合特征。

實驗模型的建立，需要滿足在基本環境條件上與野外實際情況相吻合。例如在模型內部，應具備上升氣流、礦體層（鉛鋅礦）、礦體上方的圍巖層等條件。其中，如何在模型內部產生上升氣流是模型設計的重點。根據已有的資料成果，使用溫度可以調節的電熱板產生上升氣流。其工作原理為：接通電源后調節電熱板溫度，電熱板溫度高于空氣溫度后，電熱板上方空氣溫度隨之升高上升，即產生類似地氣向上遷移的微弱氣流。在此氣流上方，加上礦石樣品層用于模擬隱伏礦；在礦石樣品層上方，加上圍巖層用于模擬隱伏礦上方的圍巖。實驗過程中，為了避免外界空氣等其它因素的污染，整體樣品層外需要加上隔離裝置。

地氣元素遷移模型實驗裝置結構示意圖，如圖1所示。其中，a為電熱板（模型安放在電熱源上，溫度可以調節）；b為支架；c為樣品層，這層根據實際需要可以是一種礦樣層或是一層礦樣層加上其他層（如：圍巖層）；d為實驗裝置外罩（模型外面有一隔離罩，把模型裝置內環境與外界環境隔開）；e為實驗產生的上升氣流；f為實驗所用的采樣片或吸附劑（在隔離罩上擺放一個漏斗裝置，漏斗的頸口部位倒掛了若干采樣片。溫度的差異導致模型內部產生模擬的“上升氣流”，實驗模型內礦樣層中產生的元素物質，經過依附氣流而上升遷移到采樣片上，并逐漸富集）［1－2］。

3 模型實驗

3.1 模型實驗裝置

分別制作3套相同如圖1所示的實驗裝置，編號如表1所示。

表1 實驗模型裝置統計

3.2 實驗準備

圖1 地氣物質遷移模型示意圖

實驗進行前準備工作包括將不同電熱板溫度調整為60℃，礦樣品的研磨和稱重，圍巖樣品的研磨和稱重等。實驗過程中的相關數據為：電熱板溫度統一調整為60℃（發熱源），圍巖層重700g，厚3cm；礦層：重1300g，厚3cm；準備工作完成后，根據實驗要求將礦樣層、圍巖層等放入相應的模型內。模型內的礦樣具體放置情況為：鉛鋅礦模型1為實驗樣品為礦化灰巖層和上盤圍巖層，模型內采樣片編號為KHW-10至KHW-90；鉛鋅礦模型2為礦石層加上盤圍巖層，模型內采樣片編號為KSW-10至KSW-90。

3.3 實驗過程

模擬實驗開始進行以后，把將做等離子質譜儀（ICP-MS）分析的若干采樣片，一次性全部懸掛在漏斗內側，然后固定使整個模型中心穩定。以后，每隔一定的天數（十天左右）取一片采樣片，取下的樣片密封保存（取樣過程必須保證樣片的無污染）。

3.4 實驗結果

從實驗開始，經過90天的模擬實驗，得到吸附元素后的采樣片27個，具體見表2。

3.5 元素檢測分析方法

之前，樣品多元素含量檢測，一般檢測方法為堆中子活化檢測。堆中子活化檢測的元素種類，一般有二十多種［2］。

此次模型實驗樣品檢測，即采樣片上多種元素濃度測試，用等離子質譜儀分析檢測。元素濃度分析測試在成都理工大學檢測實驗室分析中心進行。等離子質譜儀分析檢測方法相比較堆中子活化檢測方法，最大的優勢在于：檢測多達30種甚至40多種元素，極大的擴展了檢測元素的種類；檢測的元素濃度含量下線為1pg/mL，這使得極為微小的元素含量也能被檢測出來元素的具體含量；等離子質譜儀分析檢測方法，就像是為地氣采樣測量量身定做的檢測方法（元素隨上升氣流遷移且被捕獲的含量極低），因此被作為元素檢測分析的主要方法。

此次研究中樣品測量的目標元素，包括稀土類、Cu、Zn、Pb、B、Ag、Au等元素在內的37種元素。地氣樣品分析測量工作由成都理工大學的質譜分析實驗室完成，使用Perkin-Elmer公司制造的 ELAN DRC-e型電感耦合等離子體質譜儀 （ICP-MS）。ICP-MS工作條件為：采用跳峰模式，進樣時間10s，測量時間60s，清洗時間10s。

4 相關分析

4.1 相關分析簡介

相關性分析對已知礦樣或已知礦體上方地氣測量結果中多種元素之間相似度分析，可以總結出與成礦元素“關系密切”共同富集元素的一種多元統計方法［5］。

相關分析的主要目的，可以表述為研究變量之間的相關緊密程度。其中變量之間的“親密程度”，可表述為確定性關系和非確定性關系，“確定性關系”為函數關系，“非確定性關系”為相關關系。相關系數計算的常用方法包括：Pearson系數、Spearman系數、Kendall系數等［6－7］。本次研究使用的相關系數計算方法為Pearson系數。

4.2 模擬實驗結果的相關分析

模擬實驗結果相關分析，具體見表3、表4。

表2 實驗結果統計

表3 KHW采樣片中元素含量相關分析結果

表4 KSW采樣片中元素含量相關分析結果

由表3可以看出，與Zn有一定相關性的元素有 Ni、Cu、Rb、Er、Pb、Hg、Bi；與Pb有一定相關性的元素有 Mn、Zn、Sr、Y、Cd、Cs、Ce、Er、Th、U、As、Bi。由相關分析可知，采樣片KHW樣品中，以下元素與Zn、Pb共同具有較好的相關性：Zn、Er、Pb、Bi。

由表4可以看出，與Zn相關性較好的元素有Li、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Y、La、Ce、Hf、Pb、U、Bi；與Pb較好相關性的元素有Li、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Ag、La、Ce、Eu、Yb、Hf、Th、U、Bi。由相關分析可知：采樣片KSW樣品中，以下元素與Zn、Pb有較好的相關性且趨于共同富集：Li、Cr、Co、Ni、Cu、Y、Zn、Ag、La、Ce、Hf、Pb、U、Bi；其中 Y、La、Ce為稀土類元素。

4.3 礦樣多元素含量檢測結果分析

4.3.1 相關分析結果

礦樣多元素分析由“國土資源部成都礦產資源監督檢測中心”檢測。礦樣元素含量相關分析結果見表5。

由表5可以看出，與Zn相關性較好的元素有Mn、Cu、Ag、Cd、Pb、Au、As、Bi；與Pb相關性較好的元素有 Mn、Cu、Zn、Ag、Cd、U、Au、As、Bi。

由相關分析可知：鉛鋅礦石樣品中，以下元素有較好的相關性且趨于共同富集：Mn、Cu、Zn、Ag、Cd、Pb、Au、As、Bi。

4.3.2 相關分析結果比較

數據相關分析結果比較見表6。

表5 相關分析結果

表6 相關分析結果比較

由表6相關分析結果可知：礦石樣品中元素含量相關分析結果與地氣測量分析結果相比，有較為明顯的差異。在礦樣中元素與Zn相關性較好的元素同時與Pb相關性較好；而模型實驗的結果表現為與Zn元素相關性較好的元素，并不一定與Pb元素同樣具有較好相關性。造成這種現象的原因，是由礦石中元素隨上升氣流遷移至地表的過程中，不同的元素遷移能力不一致所造成的。

綜合分析可知：鉛鋅礦石樣品中以下元素有較好的相關性且趨于共同富集：Mn、Cu、Zn、Ag、Cd、Pb、Au、As、Bi。

模型實驗中，以下元素與Zn、Pb有較好的相關性且趨于共同富集：Li、Mn、Ni、Cu、Zn、Y、La、Ce、Pb、Bi；此外Sr、Ag、U等元素與Zn、Pb有一定的弱相關。

5 成果分析

綜上所述，可以得到以下結論。

1）通過對鉛鋅礦樣品元素含量的綜合分析可知，鉛鋅礦樣中趨于共同富集的元素有：Mn、Cu、Zn、Sr、Ag、Cd、Pb、U、Au、As、Bi，共計11個元素；其中 Mn、Cu、Zn、Ag、Cd、Pb、Au、As、Bi這9個元素為Zn、Pb共同相關元素。

2）傳統觀點中認為，地氣測量捕獲到的隱伏礦的異常元素應該是和成礦元素密切相關的一些共（伴）生元素。但模型實驗結果表明：礦致地氣異常中，以下元素與Zn、Pb有較好的相關性且趨于共同富集：Li、Mn、Ni、Cu、Zn、Y、La、Ce、Pb、Bi；這表明（以鉛鋅礦為例），并不是所有礦樣中與Pb、Zn“關系密切”的元素都會在礦體上方出現地氣異常。

3）礦樣中元素隨氣流上升遷移過程中，其原來的元素組合規律已經改變。

4）在開展地氣測量勘查隱伏鉛鋅礦時，對捕獲的地氣異常進行推斷解釋時，應該考慮以上元素組合與元素相關關系。

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［5］高惠璇.應用多元統計分析［M］.北京：北京大學出版社，2005.

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［7］克勞斯·巴克豪斯，本德·埃里克森，伍爾夫·普林克，等.多元統計分析方法［M］.上海：格致出版社，2009.