地壳全元素探测——构建“化学地球”

　　地壳全元素探测是“地壳探测工程”的重要组成部分(董树文和李廷栋，2009)，是为“地壳物质成分探测”做前期技术准备，培养地壳物质成分探测国际领先水平的研究团队，为下一步开展中国地壳物质成分探测奠定基础，并为最终建立“化学地球”和了解全球资源和环境变化提高坚实的技术保障和引领作用。

　　迄今为止人类已经发现了元素周期表上110种元素中的90种元素在自然界存在，正是这90种元素构成了地球上的一切生命与非生命，包括动物、植物和矿物。因此，对地壳中所有元素精确含量和分布的探测，对于了解地球演化、生命起源、解决人类所面临的资源和环境问题具有重大意义。

　　要实现对地壳物质成分的探测，首先需要解决探测技术问题:高精度地壳化学成分分析技术地壳深部物质成分的地球化学示踪技术盆地穿透性地球化学探测技术海量地球化学数据库管理与图形显示技术。其次，对地壳化学元素的精确探测，需要一套基准参考数据作为探测数据可靠性的标尺，这就要求我们必须建立一个覆盖全国的地球化学基准网，按照地球化学基准网格，建立中国各主要大地构造单元不同时代地层、侵入岩和疏松物的76种元素基准值，制作元素含量基准地球化学图，为全面地壳物质成分精确探测提供基准参考数据和图件。在上述技术研制和基准参考值建立基础上，通过选择穿越不同大地构造单元和重要成矿区带的3个走廊带的试验与示范，精确探测走廊带内地壳的元素含量和时空变化，构建走廊带上不同大地构造单元的地壳地球化学模型，揭示不同大地构造单元物质成分演化历史和大型矿集区的成矿物质背景。最终成果表达需要一套搜索和检索软件，能对地球上化学成分信息(海量数据、图像、空间坐标等)在全球不同尺度的分布进行快速检索和图形化显示。类似于GoogleEarth软件。我们暂且称其为“化学地球”(GeochemicalEarth)。

　　1地壳全元素探测的国内外研究现状

　　1.地壳化学元素组成、丰度、分布和基准值研究现状

　　科学家经历了一个多世纪的努力，对地壳物质成分的研究已取得很大进展。迄今为止人类已经发现了元素周期表上110种元素中的90种元素在地壳中的存在(其他为人工合成的）尽管地球化学家对地壳元素的丰度的研究已取得很大进展(Clarke18891908;Clarke&Washington,1924；Goldschmidt1933;Taylor,1964；黎彤和倪守斌，1990;Taylor&McLennan，1995;Rudnick&Fountain，1995;WedepohL1995;Gaoetal.,1998;鄢明才和迟清华1997)但人类至今对这90种元素在地球的分布知之甚少(王学求等，2006)。这里所说的分布包括在地壳表层的分布和地壳不同层圈的分布。

　　地球化学家一直在探索使用具有均一化的代表性样品来研究元素在地壳表层的分布，并用地球化学图来刻画元素的空间分布。这种刻画化学元素在空间上分布的地球化学图为资源和环境问题的解决发挥了巨大作用（谢学锦，2008a2008b;Garretetal.,2008)。全球地球化学基准计划（GlobalGeochemicalBaselineIGCP360)(Darnleyetal.，1995)目的就是为了尽快获得化学元素在全球尺度的分布，并为研究全球变化提供参考基准。在全球部署5000个基准网格覆盖整个地球陆地面积，每个格子大小为160kmX160km,落在中国的网格约500个(包括边界不完整网格)。具有均一化特点的泛滥平原沉积物或河漫滩沉积物被广泛接受作为全球基准值计划采样介质（Bolviken，1986;Darnleyetal.，1995;Xieetal.，1997;Salminen,2005)。这种次生均一化介质可以反映化学元素的空间变化特征，但它的缺陷是无法反映具有时间特性的地质演化特征。因此，要满足对化学元素在全球时空分布和演化的了解，就需要能反映时间尺度的原生介质一岩石。

　　从平面上研究化学元素的空间分布在技术层面比较容易实现，而对于垂向上的分布就要构建地壳参考模型才能实现。Staudigel等（1998)提出了地球的地球化学参考模型GERM(GeochemicalEarthReferenceModel)这一模型为我们研究包括大陆地壳在内的地球不同圈层及地球化学储库的化学性质提供有力的参考依据。张本仁等(19942003)构筑了东秦岭地区华北陆块南缘、北秦岭、南秦岭和扬子陆块北缘4个构造单元的地壳结构一岩石组成一地球化学模型,RudnickandGao

    2总结了大陆地壳物质组成和演化方面的研究成果。

　　地壳化学成分和分布的探测存在的问题主要有:①对元素周期表上所有元素含量的精确测定还存在困难;②对化学元素的含量的了解较多，但对其分布了解非常有限，如中国区域化探扫面计划，只分析了39种元素，覆盖的面积也只有6X106km2(Xieetal.，1997);③对元素分布的了解还仅限于使用次生的水系沉积物介质，这种介质是表生均一化以后的分布情况，还缺少对化学元素在各个时代地层和侵入岩中时空分布的了解，迫切需要能反映时间属性的原生介质来研究化学成分在中国大陆的演化历史和成矿的物质背景;④地球化学基准参考值还没有建立起来，也就缺少衡量元素分布和研究未来变化的标尺;⑤对中下地壳化学成分的认识还缺少有针对性的地壳地球化学模型和实测数据。

　　1，大规模成矿物质背景一元素的巨量聚集研究现状

　　大规模成矿作用的必要和充分条件是必须有巨量成矿元素的聚集。地球化学省或地球化学块体就是巨量兀素聚集的体现。Hawkes和Webb(1962)将地球化学省定义为:较大的地壳单元，其化学组分与平均值有很大差异。地球化学省是进行矿产资源的区域评价的有效方法。人们对地球化学省的认识大多是从矿床分布的密集程度以及有限的岩石和矿物分析数据而提出来的，如Peru和Chile的铜省、加拿大Abitibi带的金省、东南亚的锡省、东格陵兰的锶省等。20世纪70年代以后，许多国家范围的大规模的地球化学勘查计划覆盖了越来越大的地区，特别是中国区域化探全国扫面的全面开展，覆盖面积的不断扩大，从而使许多地球化学省，甚至更大的地球化学模式被发现(Xie&Yin1993)。

　　Doe(1991)提出地球化学块体（geochemicalblock)的概念，将其解释为“具有某种或某些元素高含量的大岩块，能够为矿床的形成提供物质源'但他并没有说明如何圈定这种块体。谢学锦院士提出利用区域化探扫面数据圈定地球化学块体，并将地球化学块体定义为面积大于1000km2以上的地球化学异常(Xie,1995;谢学锦和向运川，1999)。地球化学块体实际上是大规模立体地球化学异常，即在平面上具有一系列套合的地球化学异常结构，在垂向上具有一定的深度，也就是说具有较大规模立体异常的地壳物质体(王学求和谢学锦，2000)。

　　地球化学省与成矿省是密不可分的，地球化学省或地球化学块体在资源评价中能较早的圈定出来，而成矿省或矿集区直到发现大量矿床才能确定，二者的关系更像是因果关系，地球化学省可以作为确定成矿省的地球化学依据，地球化学块体可以作为确定矿集区的依据（王学求等，2007)。过去在使用水系沉积物圈定地球化学省，进而发现矿床起了巨大作用，但水系沉积物这种表生均一化介质，无法确定矿源层，也无法给出地球化学块体的厚度，因此使用原生介质圈定地球化学省或地球化学块体，追踪矿源层和进行资源量预测将更为科学。这就给我们提出了一个问题:如何去圈定这种立体的地球化学块体，更为科学地预测资源量？对全国元素分布的了解还仅限于使用水系沉积物或泛滥平原沉积物做为采样介质，这种介质是表生均一化以后的分布情况。尽管对找矿发挥了巨大作用，但对深入研究中国大陆元素的时间演化历史就无能为力。也无法知道地球化学异常源是来自于那个时代，那个地层。对地球化学省、地球化学块体的圈定用于资源评价都是使用的表生介质，要真正圈定立体的地球化学块体，追索矿源层还需要利用原生介质，目前利用原生介质圈定地球化学省或地球化学块体还是空白。1.3千米深度穿透性地球化学研究现状

　　人类所赖以生存的地球资源都集中在地表及不超过几千米深度之内，因此对地壳千米深度的物质组成和时空分布的探测具有重要的现实意义。澳大利亚的“玻璃地球计划（GlassEarth)”主要目的是查明1km以内的金属矿产资源。对金属矿而言，中国约占1/2的陆地已被盆地和各种覆盖层所掩盖，成为找矿的“处女地”或“甚低工作区”。据统计我国500m深覆盖区面积约50X104~80X104km2，相当于我国已调查、勘探的陆地面积的1/5，是一片极具潜力的金属矿产的新区或“找矿新空间”。因此对能探测这一深度的矿产资源直接信息的地球化学勘查技术的要求已迫在眉睫。

　　自上个世纪70年代开始，国际找矿界都在致力于研究能探测更大深度的地球化学找矿方法，统称为‘深穿透地球化学”（王学求，1998;谢学锦和王学求，2003)。这些深穿透地球化学方法包括电地球化学方法(CHIM)(Ryss&Goldberg1973)，地气法(GEOGAS)(Kristiansson&Malmqvist，1982);酶提取法(ENZYMELEACH)(Clark,1993)，活动态金属离子法（MMI)(Mannetal.,1995)金属元素活动态提取方法（MOMEO)(Wang,1998)和动态地球气纳微金属测量法（NAMEG)(Wangetal.,

　　地下水化学测量和活动金属离子测量列入探测技术研究内容。

　　目前国内外深穿透地球化学技术的发展趋势是:①建立覆盖区元素从深层向表层传输和分散的三维地球化学模型，为覆盖区地球化学勘查提供理论支撑;②将探测技术扩展到盆地地球化学调查和几百米覆盖区;③发展专用提取试剂和技术的标准化与可操作化;④建立能适应各种复杂景观、各种比例尺和各种矿种的技术系列。

　　2地壳全元素探测的关键技术

　　要实现对地壳物质成分的探测，必须重点突破地壳物质成分探测的4项关键技术，包括①地壳全元素精确分析技术;②深部物质成分识别技术;③盆地穿透性地球化学探测技术;④多层次海量地球化学数据管理与图形显示技术。

　　2.1地壳全元素精确分析技术

　　要实现对地壳成分的精确了解，发展能分析地壳中所有元素(约80个）的分析技术是关键。建立81个指标(含78种元素)配套分析方案和难分析样品的精确分析技术重点是突破含碳质岩石和有机物土壤的贵金属（金、铂族）元素精确分析技术。配套分析方案是以现代先进的大型分析仪器等离子体质谱仪(ICP-MS)，等离子体光学发射光谱仪(ICP-OES)和X射线荧光光谱仪(XRF)为主，配合其他多种专用分析仪器及技术而组成的方法体系（表1)，所有元素的检出限、报出率、准确度、精密度等指标均已达到国际领先水平。

　　2.2中下地壳物质成分识别技术

　　深部地壳物质组成研究的现有方法主要包括:①根据因构造运动抬升出露到地表的深部物质（如麻粒岩、榴辉岩、角闪岩等）②根据产于火山岩中的深部地壳包体如麻粒岩包体;③根据地球物理测深与深部岩石物理性质的高温高压实验测定结果之间的拟合;④壳源岩浆岩源区地球化学示踪法。由于以上4种深部地壳物质成分组成研究方法均存在不确定性，因此对深部地壳研究最好是各种方法相互结合，互为补充。

　　根据中国大陆地壳特点，不同构造单元出露的岩石类型，初步构建地学断面的岩石组成模型;不同构造单元内各类岩石的地震波速高温高压实验室测试;将实验获得的岩石地震波速数据与实测地震波速数据进行拟合，完善地学断面的地壳结构一岩石

　　球化学示踪研究成果，综合限定和进一步约束区域地壳结构一岩石组成模型;根据获得的不同岩石单点样的地球化学数据，计算每类岩石单位的平均成分;在所建立的地壳结构一岩石组成模型基础上，按照有关的每类岩石单位在地壳每个结构层中所占的比例，进行面积加权平均计算地壳每个结构层的元素丰度;按照每个有关结构层在整个地壳中所占体积比例，通过体积加权平均计算出地壳总体的元素丰度;根据其他学科研究的最新成果，检验深部地壳物质成分计算结果的合理性。

　　图1是Wedepohl所构建的大陆地壳岩石组成模型（Wedepohl，1995)，根据其代表性岩石组成，就可以获得元素的含量，构建地球化学模型。张本仁等(2003)、路风香等(2006)以东秦岭造山带各类岩石实验测定的v,,值与地震测深获得的秦岭地壳v,,观察值的相互拟合为主，配合岩石变质相、深部岩石包体、壳源岩浆源区等研究，构筑了东秦岭地区华北陆块南缘、北秦岭、南秦岭和扬子陆块北缘4个构造单元的地壳结构一岩石组成一地球化学模型。

　　1.盆地穿透性地球化学探测技术

　　盆地及其周边蕴涵着重要的战略性资源，如盆地中的地浸型砂岩型铀矿、石油等，盆地边缘的大型金属矿。但盆地及周边被认为区域化探扫面禁区，覆盖物的影响、技术条件不具备和获取指标的单一，难以满足对盆地及周边资源潜力的全面了解。发展能探测盆地矿产资源直接信息的穿透性地球化学技术，将地表采样与钻探取样相结合，建立立体地球化学分散模式，为盆地及周边覆盖区深部矿产资源调查提供有效方法。

　　对盆地千米深度探测有两种途径:一是利用深穿透地球化学技术，在地表快速获取深部信息;二是利用钻探手段，直接获取深部样品。

　　深穿透地球化学（Deejrpenetrationgeochemistry)是探测深部隐伏矿或地质体发出的直接信息的勘查地球化学理论与方法(王学求，1998)。矿床本身及其围岩中的成矿元素或伴生元素，可以在某种或某几种营力作用下(地下水、地球流、离子扩散、蒸发作用、电化学剃度)，被迁移至地表，在地下水和地表土壤介质中形成异常含量，使用水化学测量技术、地球气测量技术、元素活动态提取技术和电化学测量技术可有效发现深部隐伏矿信息。

　　深穿透地球化学方法有以下几类:①物理分离提取技术；②电化学测量技术；③活动态提取技术(MOMEO);④气体和地气测量技术;⑤水化学测量技术;⑥生物测量技术。澳大利亚的“玻璃地球计划(GlassEarth)”在地球化学技术上使用地下水化学测

　　即使少部分地区进行了区域化探扫面工作，但由于量和活动金属离子测量技术中国的盆地深穿透地

　　球化学探测拟使用4种技术:①细粒级采样与分离技术;②金属活动态测量技术;③ICP-MS地下水化学测量技术等;④空气动力返循环钻探粉末取样技术。图2是使用穿透性地球化学技术在吐哈盆地对砂岩型铀矿的探测试验，可以有效探测300m埋深的砂岩型铀矿(王学求等，2002;Wangetd.,2007)。

　　3全国地球化学基准网的建立

　　对地壳化学元素的精确探测，需要一套基准参考数据作为探测数据可靠性的标尺，这就要求我们必须建立一个覆盖全国的地球化学基准网，按照地球化学基准网格，建立中国各主要大地构造单元不同时代地层、侵入岩和疏松物沉积物的76种元素基准值，制作元素含量基准地球化学图，为全面地壳物质成分精确探测提供基准参考数据和图件。地球化学基准值的建立，对我国基础地质、理论地球化学、勘查地球化学、矿产资源潜力预测、大地构造划分、地球动力学、生态与环境、农业、卫生与健康等研究领域提供准确可靠的基础地球化学数据,对中国大陆化学元素的时学基准值研究体系，对全球地球化学基准值的建立和最终建立‘化学地球”具有重要奠基性意义。

　　地球化学基准值（GeochemicalBaselines)的概念来源于全球地球化学基准值计划（GlobalGeochemicalBaselinesProjectIGCP360)它的原意是用系统的全球网格化采样，获得全球地球化学基线图，作为未来衡量全球化学元素含量变化的参照标尺。从它的原创性含义不难看出：地球化学基准值不仅以数据的形式表述含量特征（abundance),而且还以图件的形式表述空间分布特征(distribution),它是用一组数据来刻画元素含量的总体变化水平。这种刻画比采用单一的丰度值能更为客观地反映地质体或某一区域元素的含量值分布。可以是系统采集均一化介质的土壤、水系沉积物、泛滥平原沉积物等来刻画元素的总体分布，也可以是采集不同时代的典型岩石来刻画元素在某一特定地质体中的分布值。基准值既可以作为“点”上某种物质成分含量的基准参考值，又可以作为“面”上元素含量变化的基准地球化学图，用于衡量元素在空分布和演化历史的研宄’对创建全新的中国地球化自然界含量和分布的标尺。克拉克值和元素丰度不

　　考虑空间分布，只用数值来表达，而地球化学基准值要考虑空间分布，可以制作出基准地球化学图，因此它既可以以数值来表达，也可以以图件的形式来表达。克拉克值和元素丰度表述的是含量特征，而地球化学基准值不仅表述含量特征，而且还表述空间样品地质年代表述时间属性，因此地球化学基准值具有时空分布特征。

　　根据上述特点，笔者将地球化学基准值定义为:按照统一的基准网系统采集有代表性的样品，在严格标准监控下实测元素含量，以一组数据和图件形尺，即它不仅表示元素含量，还表示元素分布。

　　“全球地球化学基准计划”(GlobalGeochemicalBaselines)部署5000个基准网格覆盖整个地球陆地面积（Darnleyetal.，1995)。全球基准参考网网格(GlobalReferenceNetworkGrid,GRN)大小为160kmX160km,全球共有约5000个网格。落在中国的网格约500个，完整格子300个左右（图3)。此次全国地球化学基准值的建立将遵循国家基准值数据密度应高于全球数据密度的原则，将每个全球地球化学基准网格划分成4个子网格作为中国基准网格，每个网格大小相当于1个1:20万图幅，因此根据中国的实际和便于岩石样品的采集以及地质解释需要，将采用1:20万图幅作为中国的地球化学基准网格。中国大约有1500个1:20万图幅，也就是布设1500个基准网格。在每个1:20万基准网格内系统采集有代表性的不同时代沉积岩、火成岩、变质岩和疏松沉积物组合样品，总样品量约18000件，精确分析元素的含量，建立中国大陆地球化学基准值，制作化学元素时空分布基准地球化学图。为下一步地壳物质探测提供基础参考数据，并为研究元素在中国大陆的时空分布奠定基础。

　　4地球化学走廊带试验与示范

　　地球化学走廊带是指沿着穿越不同大地构造单元和重要成矿区带的地质剖面，并跨越一定的宽度，构建一条化学元素的含量和时空变化走廊。国内外尚无可借鉴的现成技术和经验。将“地壳全元素探测技术与实验示范”项目的其他3个课题所发展的技术(全元素分析技术、深穿透地球化学技术、地壳地球化学模型构建技术和图形显示技术）进行地球化学走廊带探测试验，为下一步地壳探测奠定技术基础，并起到示范作用。

　　选择穿越不同大地构造单元和重要成矿区带的3条地球化学走廊带进行试验与示范（图4)。3条

　　走廊带总长度3300km,每条走廊带宽度100km,

　　预计样品数约14000件。通过常量元素分析、微量元素分析和同位素分析，精确探测走廊带内沉积盖层与结晶基底，不同时代岩浆岩、沉积岩和变质岩76种元素的含量和变化，构建地球化学模型，揭示大型矿集区形成的物质背景和地球化学标志。编制3条走廊带元素时空分布地球化学图，提供给社会使用。

　　4.1华北陆块一兴冡造山带走廊带

　　华北陆块一兴蒙造山带地球化学走廊带（约1500km)精确探测地球化学走廊带内76种元素含量和变化，构建走廊带地壳地球化学模型，研究华北陆块北缘和大兴安岭大型矿集区地球化学特征和找矿标志。东海县大陆科学钻为起点，穿过郯庐断裂、胜利油田、燕山造山带、兴蒙造山带。该走廊带具有重要科学意义和找矿意义。如跨越两大地质单家16个油田中金含量最高的油田，石油中金含量可达0.132~1.06g/1(林清等，1993)。Wang(1998)发现沿郯庐断裂存在巨大金异常带，同时在胜利油田上方和胶东金矿上方出现Au高含量浓集中心。胜利油田金来源与胶东金矿金来源有什么关系？是因为胶东隆起剥蚀的物源沉积到渤海湾盆地带来的高含量金，还是金是来自于深部(油金同源）？

　　4.2华南造山带一扬子陆块东南缘走廊带

　　华南造山带一扬子陆块东南缘（武夷山一南岭一扬子陆块东南缘）走廊带(约1000km)穿过武夷山成矿带和南岭成矿带，精确探测地球化学走廊带内76种元素含量和变化，构建走廊带地壳地球化学模型，提供大型矿集区成矿的地球化学背景和找矿标志。

　　4.3西秦岭一阿拉善走廊带

　　西秦岭一阿拉善走廊带(约800km)穿过西元和两盆两山盆地有胜利油田，胜利油田是我们国秦岭金矿、白银厂多金属矿和金川铜镍矿区,研究不考虑空间分布，只用数值来表达，而地球化学基准值要考虑空间分布，可以制作出基准地球化学图，因此它既可以以数值来表达，也可以以图件的形式来表达。克拉克值和元素丰度表述的是含量特征，而地球化学基准值不仅表述含量特征，而且还表述空间样品地质年代表述时间属性，因此地球化学基准值具有时空分布特征。

　　根据上述特点，笔者将地球化学基准值定义为:按照统一的基准网系统采集有代表性的样品，在严格标准监控下实测元素含量，以一组数据和图件形。